Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

К обнаружению этой структуры привело открытие, сделанное французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852–1908) в 1896 году. Именно в этом году было открыто рентгеновское излучение, и Беккерель, как и многие ученые того времени, активно изучал это явление.

Отец Беккереля (также известный физик) занимался изучением люминесцирующих материалов, т. е. веществ, которые поглощают свет определенной длины, а затем излучают уже более длинные волны[127]. Сам же Беккерель попытался выяснить, нет ли среди этих волн рентгеновских излучений.

Отец Беккереля работал, в частности, с сульфатом уранил-калия K2UO2(SO4)2. Молекула этого флуоресцентного вещества содержит один атом урана. Беккерель обнаружил, что флуоресцентное излучение сульфата уранил-калия, подвергнутого воздействию солнечных лучей, способно затемнять фотопластинку даже сквозь черную бумагу, что не под силу обычному свету.

А 1 марта 1896 года Беккерель сделал поистине выдающееся открытие. Он обнаружил, что сульфат уранил-калия затемняет фотопластинку и без «подзарядки» от солнечных лучей, то есть когда он не флуоресцирует. Это вещество испускает сильное проникающее излучение постоянно.

Как и рентгеновские лучи, это излучение обладало не только проникающей способностью, но и способностью ионизировать атмосферу. Для демонстрации этого Беккерель использовал электроскоп с золотыми листками. Это устройство состоит из двух тонких листов золотой фольги, подключенных к электроду, помещенному для изоляции от воздушных потоков в специальный корпус. Если поднести к выступающему над краем корпуса концу электрода заряженный предмет, то заряд этого предмета перейдет на золотые пластинки. Оба листа получают одноименный заряд и отталкиваются друг от друга, образуя фигуру в виде перевернутой латинской V.

Электроскоп с золотыми листками

Лепестки могут провисеть так довольно долго. Однако если воздух внутри корпуса ионизирован, то содержащиеся в таком воздухе ионы постепенно нейтрализуют заряд золотых листков, те перестанут отталкиваться друг от друга и вновь сойдутся вместе. Именно это и произошло, когда рядом с электроскопом поместили образец сульфата уранил-калия. Таким образом Беккерелю удалось доказать, что испускаемое этим веществом излучение является ионизирующим.

Физик Мария Склодовская-Кюри (1867–1934), наполовину полячка, наполовину француженка по национальности, в 1898 году назвала такое постоянное проникающее ионизирующее излучение радиоактивным. Исследования Кюри показали, что все соединения, содержавшие уран, были радиоактивными, причем чем больше урана содержится в веществе, тем выше его радиоактивность. Получается, что радиоактивным является сам атом урана, а не остальные входящие в соединения вещества. Опытным путем Кюри выяснила, что радиоактивным был и атом тория. (Атомное число атома урана 90, тория — 92, поэтому их структура очень сложна. В 1890-х годах уран и торий были самыми тяжелыми из известных на тот момент химических элементов.)

Вскоре обнаружилось, что излучение урана и тория не гомогенно. В магнитном поле одна часть радиоактивных лучей немного отклонялась в одном направлении, другая сильно отклонялась в противоположном, а оставшаяся не отклонялась вовсе. Эрнест Резерфорд (впоследствии он развил модель атома) назвал эти части радиационного излучения первыми тремя буквами греческого алфавита: альфа-лучи, бета-лучи и гамма-лучи. Эти три группы лучей отличаются друг от друга еще и проникающей способностью: гамма-лучи обладают такой же проникающей способностью, как и рентгеновские, проникающая способность бета-излучения гораздо ниже, а альфа-лучи такой способностью вообще практически не обладают.

По направлению отклонения бета-лучей Беккерель в 1899 году определил, что они, так же как и катодные лучи, состоят из отрицательно заряженных частиц. Дальнейшие исследования подтвердили, что бета-излучение является потоком быстро движущихся электронов, поэтому излучаемый радиоактивным веществом электрон принято называть бета-частицей.

Как я уже говорил, гамма-лучи не отклоняются электромагнитным полем, поэтому ученые предположили, что бета-излучение является электромагнитным по своей природе, однако длина его волны еще короче, чем у рентгеновского излучения. В 1914 году, подвергнув гамма-лучи дифракции на кристалле, Резерфорд доказал это.

Появление ядерной модели атома дало ключ к разгадке природы радиоактивного излучения. Стало понятно, что его источник нужно искать внутри атомного ядра. Дело в том, что разницы энергии электронных уровней недостаточно для возникновения гамма-лучей. Значит, существуют внутриядерные энергетические уровни, энергия которых и переходит в фотоны гамма-излучения.

Кроме того, рентгеновские и гамма-лучи не так уж и похожи друг на друга. В целом длина волны рентгеновских лучей выше, а у тяжелых элементов частота рентгеновского излучения превосходит частоту гамма-излучения того же атома.

Границей между рентгеновским и гамма-излучением является волна длиной 0,01 миллимикрона. Все волны короче 0,01 миллимикрона являются гамма-лучами, длиннее — рентгеновскими. Гамма-лучи расширили спектр известных электромагнитных волн, и на сегодняшний день его диапазон от самой короткой гамма-волны до самой длинной радиоволны равняется 60 октавам.

А что такое альфа-лучи? Они отклоняются в противоположную от бета-лучей сторону, а это значит, что они состоят из положительно заряженных альфа-частиц. Тот факт, что альфа-лучи лишь незначительно отклоняются электромагнитным полем, которое сильно отклоняет бета-лучи, говорит о том, что масса альфа-частиц намного выше массы электронов.

Впрочем, такие прецеденты уже были. За десять лет до открытия радиоактивности были обнаружены другие потоки тяжелых частиц. В 1886 году Гольдштейн (тот самый, который дал катодной трубке ее название) впервые применил катодную трубку с перфорированным катодом. Он обнаружил, что, когда электроны, появляющиеся под действием электрического тока отрицательно заряженных катодных лучей, начинают двигаться от катода к аноду, сквозь отверстия в катоде в противоположном направлении устремляются лучи совсем другого излучения. Гольдштейн назвал эти лучи каналовыми, так как они проходили сквозь катод по каналам (т. е. через отверстия).

Направление туннельных лучей противоположно направлению катодных лучей, следовательно, они состоят из положительно заряженных частиц. Поэтому Джозеф Томсон и предложил называть их положительными лучами.

Можно предположить, что частицы позитивных лучей — это положительно заряженные аналоги частиц катодных лучей, «анодные лучи». Однако это не так. Немецкий физик Вильгельм Вин (1864–1928) измерил их e/m соотношение и на основе полученных низких значений предположил, что частицы положительных лучей были гораздо тяжелее электронов. Их масса соответствовала массе атомов.