Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

Непрерывное излучение крупинки радиоактивного вещества, которую мы держим в руке, напоминает многие из странных тайн, давно позабытых.

В лабораториях всего мира физики жадно набросились на изучение радиоактивности. Можно смело сказать, что в это время (в 1900 году или около того) не было ни одного физика на свете, который бы не ломал голову над этой трудной загадкой: что же такое, в конце концов, эта радиоактивность? Каков ее внутренний механизм, внутренний смысл? Отчего она происходит? И каждый физик, по мере сил, пробовал догадаться о том, каково решение этой загадки. Одни говорили: если радий все время испускает свои лучи и они не становятся от этого слабее, то, значит, он эти лучи, это тепло, эту энергию все время откуда-то снова получает. Например, возможно, что во всем пространстве распространяются какие-то лучи, которые свободно проходят через все тела и даже через всю толщу земного шара. Не только мы не видим этих лучей, но их даже не замечает фотографическая пластинка, и только радий имеет особенную способность поглощать эти лучи и затем их испускать вновь, но уже в измененном виде — в виде лучей Беккереля. Выходит, что если сравнить радий с часами, то эти часы на самом деле все время «заводятся», заводятся таинственными лучами, которые поглощаются радием и затем перерабатываются им в лучи Беккереля.

Трубка, наполненная виллемитом, для опытов с эманацией радия

Другие говорили: никаких таких лучей, которыми «заводится» радий, не существует. В радии все время что-то тратится, но только очень медленно, и потому мы этого никак не замечаем. Если бы взять грамм радия и очень долго ждать, десятки лет (а если понадобится, то и сотни), то в конце концов можно будет заметить, что лучи радия стали слабее, чем раньше.

Все это были довольно-таки праздные разговоры, потому что вначале ни та, ни другая сторона ничем не могла доказать свою правоту. Поэтому оставалось только одно: наблюдать и делать опыты, пока наконец загадка радия не будет разгадана.

В 1900 году многие физики, работая в своих лабораториях, сделали удивительное открытие: они обнаружили, что воздух вокруг вещества, в котором есть хотя немножко радия, тоже становится радиоактивным. Впервые это заметили Пьер и Мария Кюри, но не они разгадали настоящий смысл этого открытия. Это сделали два молодых англичанина, которые в то время жили в Канаде, в городе Монреале. Имена этих молодых физиков — Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди.

Они сделали такой опыт: взяли стеклянную трубочку и положили туда несколько кусочков виллемита. Виллемит — это ничем не примечательный с виду камешек, зеленовато-серый, похожий на те гладкие камешки, которые обыкновенно валяются на берегу моря. Но у виллемита есть замечательное свойство: если его освещать лучами радия, то он начинает светиться холодным ярким зеленым, светом. Резерфорд и Содди впустили в свою трубочку с виллемитом воздух, который довольно долгое время находился в соседстве с веществом, содержащим немножко радия. После этого трубочку закрыли с обеих сторон (для этого в ней были с двух сторон устроены краны) и отнесли в темную комнату.

И вот, хотя радия поблизости не было, виллемит стал так ярко светиться, что при этом свете можно было даже посмотреть на часы и прочитать заголовок газеты. Выходит, что воздух в трубочке с виллемитом заставляет виллемит светиться точь-в-точь так же, как он светился под лучами радия. Как только краны открыли и выдули из трубок этот воздух, виллемит светиться перестал.

Как же объяснить, что воздух, побывавший в соседстве с радием, сам становится радиоактивным? Резерфорду пришла в голову очень простая и очень смелая мысль: он предположил, что из радия все время выходит какой-то газ, но не простой газ, а радиоактивный, испускающий лучи Беккереля. Газ этот, попадая в воздух, смешивается с ним. Значит, лучи Беккереля испускает не сам воздух, побывавший в соседстве с радием, а новый газ, попавший в воздух из радия. Этому новому газу Резерфорд дал название «эманация радия» (это название значит «то, что выходит из радия»).

Эманация радия в этих опытах Резерфорда и Содди поступала в воздух в самых крохотных количествах, но все же ее можно было заметить по яркому свечению виллемита. Содди сделал такой опыт: он сфотографировал стеклянную трубку с эманацией и с виллемитом в темной комнате: виллемит сам испускает тот свет, который позволил его фотографировать. Но в книжке, которую написал Содди, говорится, что фотография не дает никакого представления о красоте виллемита, светящегося в эманации радия.

В своих воспоминаниях Содди говорит, что это одна из самых красивых вещей на свете и что, смотря на свечение виллемита и размышляя о его причинах, он ощущал такие чувства, которые может по-настоящему передать только поэт.

Долгое время физики не хотели верить, что эманация радия есть действительно газ — такой же, как воздух или как углекислый газ, но только радиоактивный. Например, Пьер и Мария Кюри утверждали, что эманация совсем не простой газ, а что-то среднее между обыкновенным веществом и лучами света. Но Резерфорд и Содди проделали много опытов, чтобы доказать, что эманация есть газ.

Всякий газ можно превратить в жидкость, если только достаточно сильно его охладить. И вот Резерфорд и Содди достали такую холодильную машину, в которой воздух можно сделать жидким. Такая машина теперь имеется в каждой хорошей физической лаборатории: в ней можно осуществить мороз в 192 °C ниже нуля. При таком холоде воздух делается жидким.

Резерфорд и Содди взяли несколько литров жидкого воздуха и сделали следующий опыт. У них был большой пустой стеклянный шар, покрытый изнутри очень легким налетом сернистого цинка. Если бы в этот шар попала эманация радия, то сернистый цинк стал бы светиться под действием лучей Беккереля. Резерфорд и Содди стали вдувать в этот шар тот воздух с примесью эманации, который у них был заперт в стеклянной трубке с виллемитом. Они вдували эту эманацию через длинную трубку, часть которой находилась в сосуде с жидким воздухом. Поэтому в этой части трубки температура была очень низка и эманация никак не могла проскочить через эту часть трубки: она замерзала в ней, превращаясь в жидкость, застревала там, не доходя до стеклянного шара.

Прибор Резерфорда и Содди для демонстрации сжижения эманации радия

Всего этого Резерфорд и Содди не могли видеть, потому что не очень-то разберешь, что творится внутри стеклянного колена трубки, засунутого в сосуд с жидким воздухом; да если бы они и могли туда заглянуть, то все равно не смогли бы заметить этих микроскопических капелек жидкой эманации. Но им было совершенно ясно, что дело происходит именно так. Почему им это было ясно? Потому, что, когда стеклянное колено трубки лежало в жидком воздухе, эманация не попадала в шар, и шар не светился. Но стоило только вынуть колено из жидкого воздуха, как эманация, нагревшись, через несколько минут снова испарялась, и ее легко можно было продуть в шар. Достаточно было один раз нажать рукой на резиновую грушу для продувания эманации, чтобы эманация попала в шар, который сейчас же начинал светиться, как фонарь, мягким белым приятным светом. При свете этого фонаря Содди мог смотреть на часы.