Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

Что вытекает из всех таких опытов? Из них вытекает, что радий беспрерывно выделяет из себя какое-то другое радиоактивное вещество — эманацию радия. Эманация получается в ничтожных количествах: нужно иметь очень много радия, чтобы собрать эманацию хотя бы с булавочную головку. Но так как эманация очень сильно радиоактивна, то самую крохотную примесь эманации к воздуху легко заметить по лучам Беккереля, которые она испускает.

И вот Резерфорд и Содди захотели узнать: так же ли эманация неутомима, как радий? Так же ли она продолжает день за днем, год за годом испускать лучи без всякого заметного ослабления?

Резерфорд и Содди напустили эманацию в трубочку с виллемитом, закрыли оба крана, чтобы она не ушла, и оставили трубочку в темной комнате. Каждый вечер они приходили туда смотреть, как светится виллемит. Оказалось, что свечение виллемита с каждым вечером становилось все слабее и слабее. Через четыре дня оно было вдвое слабее, чем раньше, к концу месяца оно почти совсем прекратилось.

Значит, эманация радия со временем теряет свои радиоактивные свойства.

Это очень важно. Важно потому, что если радиоактивное вещество — эманация радия — теряет свои радиоактивные свойства со временем, то, вероятно, то же самое можно сказать и обо всех других радиоактивных веществах. Трудно себе представить, чтобы радий был исключением даже среди радиоактивных веществ. А так как обыкновенное физическое наблюдение не позволяет обнаружить уменьшения радиоактивности радия и урана даже в течение нескольких лет, то остается предположить, что заметное уменьшение их радиоактивности происходит не в течение нескольких дней, как у эманации радия, а в течение огромных промежутков времени, во много раз превышающих самую длинную человеческую жизнь.

Таким образом, Резерфорд и Содди установили два факта: 1) из радия беспрерывно выделяется радиоактивный газ — эманация радия; 2) радиоактивные свойства эманации уменьшаются с течением времени, и это позволяет высказать гипотезу, что радиоактивные свойства всех других радиоактивных элементов тоже со временем убывают, хотя это убывание в некоторых случаях может происходить крайне медленно и поэтому почти незаметно.

Каким же образом происходит возникновение эманации и отчего могут уменьшаться радиоактивные свойства радиоактивных элементов?

Для того чтобы получить ответ на этот вопрос, физики обратились к изучению лучей Беккереля, испускаемых радиоактивными элементами.

Что представляют собой эти лучи, которые как будто бы ничем не отличаются от лучей Рентгена?

В 1899 году Пьер и Мария Кюри попробовали пропустить пучок лучей Беккереля через пространство, в котором было магнитное поле. Это они сделали для того, чтобы узнать, являются ли лучи Беккереля чем-то вроде лучей Рентгена (электромагнитными колебаниями, такими же, как лучи видимого света, но только с гораздо меньшей длиной волны) или же они скорее напоминают катодные лучи, т. е. представляют собой поток очень быстро движущихся, заряженных электричеством частичек.

Результат опыта был совсем неожиданным: в магнитном поле лучи Беккереля расщеплялись на две части! Одна из них изогнулась в магнитном поле — совершенно таким же образом, как искривляются катодные лучи, и при этом в ту же сторону, только величина искривления была в несколько раз меньше. Что отсюда следует? Отсюда следует, что эта часть лучей Беккереля несет на себе, как и катодные лучи, отрицательный электрический заряд. Поэтому можно было исследовать эти лучи совершенно тем же самым способом, каким Томсон исследовал катодные лучи, то есть можно было определить для них отношение e/m и их скорость, наблюдая отклонение лучей в магнитном и в электрическом полях. Эту работу проделал немецкий физик Кауфман. Он нашел, что отношение e/m у этих лучей Беккереля такое же, как у электронов катодных лучей. Значит, эта (отклонившаяся в магнитном поле) часть лучей Беккереля есть не что иное, как поток электронов, вырывающихся, по-видимому, из атомов радиоактивных веществ. Что касается скоростей этих электронов, то они, как нашел Кауфман, были очень разнообразны, но в среднем они были гораздо больше, чем у электронов катодных лучей. Поэтому и отклонение в магнитном поле было у них не такое большое, как у катодных лучей: действительно, чем быстрее движется заряженная частица, тем труднее магнитному полю сбить ее, отклонить ее от первоначального пути.

Наиболее быстрые из электронов, выбрасываемых радиоактивными веществами, оказались движущимися почти со скоростью света (300 000 км/с).

Итак, часть лучей Беккереля — это просто поток очень быстрых электронов.

Но кроме этой части была еще и другая часть. Она не отклонялась в магнитном поле и распространялась без всякого изменения направления.

Таков был результат опытов Кюри.

Но в 1903 году Резерфорд доказал, что та часть лучей Беккереля, которую Пьер и Мария Кюри не сумели отклонить в магнитном поле, тоже сложна и состоит из разных частей.

Для этого Резерфорд взял очень сильное магнитное поле, гораздо более сильное, чем то, которое было в распоряжении Кюри. В этом сильном магнитном поле та часть лучей Беккереля, которая в опытах Кюри не хотела искривляться, расщепилась на две части: одна из них изогнулась в магнитном поле, но не в ту сторону, в которую изгибается поток электронов, а в противоположную. Значит, это был поток заряженных частиц, но не электронов, а частиц, заряженных положительным электричеством. Другая же часть лучей по-прежнему продолжала распространяться прямолинейно, не обращая никакого внимания на магнитное поле.

Лучи, испускаемые радиоактивными веществами

Из этих опытов следует, что лучи Беккереля, испускаемые радием и другими радиоактивными веществами, не однородны, а состоят из трех видов лучей (стр. 193). Всем этим трем видам лучей физики дали названия, а именно обозначали их тремя первыми буквами греческого алфавита: альфа, бета и гамма (альфа, бета и гамма — это названия букв: ведь и у нас когда-то русские буквы имели названия, например, а, б и в назывались аз, буки, веди).

Альфа-лучами стали называться лучи, состоящие из потока положительно заряженных частиц, — те самые лучи, которые Резерфорду удалось отклонить магнитным полем от их первоначального направления (в 1903 году).

Бета-лучами стали называться лучи, состоящие из потока очень быстрых отрицательных электронов, которые были отклонены магнитным полем еще в опытах Кюри (в 1899 году).

Наконец, гамма-лучами стали называться лучи, которые упорно не хотели изменять своего направления даже и в очень сильном магнитном поле.

Какие существуют еще различия между этими тремя сортами лучей, смесь которых образует лучи Беккереля?

Альфа-лучи гораздо труднее изогнуть в магнитном поле, чем бета-лучи (именно поэтому в первоначальных опытах Кюри удалось загнуть бета-лучи в сторону в таком магнитном поле, которое было еще совершенно недостаточным для того, чтобы заставить альфа-лучи изменить свое направление). Гамма же лучи не изгибаются ни в магнитном, ни в электрическом поле вовсе, точь-в-точь как лучи Рентгена.