Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

В 1902 году, через четыре года после начала работы Пьер и Мария Кюри получили первые несколько дециграммов чистого хлористого радия, т. е. соединения радия с хлором (на каждый грамм хлористого радия приходится 0,76 г радия и 0,24 г хлора). Несколько маленьких белых кристалликов в форме острых иголочек — вот что получили Пьер и Мария Кюри после четырех лет работы, вот что они добыли из огромной груды переработанного ими иоахимстальского осадка. Но этот хлористый радий был в миллион раз радиоактивнее, чем такое же количество чистого урана, и этим Пьер и Мария Кюри были вознаграждены за огромную проделанную ими работу.

Заметим, что обыкновенно, когда добывают радий, ограничиваются тем, что получают его не в абсолютно чистом виде, а в виде его соединения с хлором или бромом. Впрочем, Мария Кюри в 1910 году получила радий и в чистом виде, пропуская через расплавленный хлористый радий сильный электрический ток: это тот же самый, известный всем еще из школьных учебников, способ электролиза, которым можно разложить на хлор и натрий расплавленный или растворенный в воде хлористый натрий (поваренную соль). Выделенный в чистом виде радий оказался, как и следовало ожидать, блестящим белым металлом, похожим на барий или кальций, с которыми у него есть химическое сходство. Пьер Кюри не дожил до того дня, когда радий был выделен в совершенно чистом виде: нелепый случай лишил его жизни — 19 апреля 1906 года он погиб под колесами телеги на улице Дофин в Париже.

В урановой смоляной руде радия очень мало: необходимо переработать много тонн руды, чтобы получить всего лишь один грамм радия. Но чудесные радиоактивные свойства радия, испускающего в миллион раз больше лучей Беккереля, чем чистый уран, оправдывают всю ту грандиозную работу, которую пришлось проделать супругам Кюри для извлечения радия из руды. В течение четырех лет, протекших от начала работы до получения первых кристалликов хлористого радия, каждый год получались все более и более концентрированные порции радиевых препаратов, и каждый год приносил новые неожиданные открытия. Уже в самом начале работы, когда Пьер и Мария Кюри получили препарат радия, в 900 раз превосходящий своей активностью уран (в декабре 1898 года), было замечено, что лучи Беккереля, как и лучи Рентгена, не только чернят фотографическую пластинку и ускоряют спадание листочков заряженного электрометра, но и заставляют ярко светиться в темноте экран, покрытый слоем платиноцианистого бария или какого-нибудь другого флюоресцирующего вещества. Это свойство лучей Беккереля впоследствии даже получило некоторое практическое применение: сернистый цинк, к которому подмешано самое крохотное количество радиоактивного вещества, светится в темноте под влиянием лучей Беккереля, испускаемых частицами этого вещества, а поэтому таким сернистым цинком с примесью радиоактивного вещества иногда рисуют цифры на циферблате часов и обмазывают стрелки, чтобы можно было ночью взглянуть на часы, не зажигая спички. Во время Первой мировой войны таким сернистым цинком обмазывали ружейные прицелы (чтобы ночью можно было прицеливаться в темноте), стрелки и буквы на магнитной буссоли и т. п.; это даже вызывало резкое повышение спроса и вздорожание радиоактивных веществ (о ценах радиоактивных веществ будет дальше рассказано подробнее).

Фотографическое действие лучей Беккереля тоже становилось все интенсивнее и заметнее по мере того, как Пьер и Мария Кюри приготовляли препараты, все более и более богатые радием. Вскоре после начала работы были получены препараты столь активные, что уже не требовалось длительных экспозиций (по нескольку часов), чтобы получилось заметное почернение фотографической пластинки от действия лучей Беккереля: стоило только поднести препарат, содержащий радий, На несколько секунд к завернутой в бумагу фотографической пластинке, как пластинка заметно темнела. В прекрасной книжке «Радий и его разгадка», которую написал английский химик Фредерик Содди — один из Первых исследователей радиоактивности (о его работах будет подробно рассказано дальше), — описывается следующий опыт: берется стеклянная трубочка, в которую помещен препарат, содержащий в себе немножко радия, и этой трубочкой медленно водят, выписывая какое-нибудь слово, как карандашом, по фотографической пластинке, завернутой в черную бумагу, защищающую ее от всех видимых лучей света. После того, как пластинка проявлена, на ней оказывается написанным это слово: Radium.

Вот как быстро лучи Беккереля зачернили те места пластинки, к которым была поднесена трубочка с препаратом радия!

В самых первых опытах над препаратами радия было замечено, что вещество, содержащее радий, всегда немножко теплее, чем все окружающие предметы. Пьер Кюри решил воспользоваться этим для того, чтобы измерить энергию лучей Беккереля, испускаемых радием. В самом деле, эти лучи Беккереля, которые чернят фотографическую пластинку, делают воздух проводником электричества, заставляют флюоресцирующий экран светиться, — должны же эти лучи Беккереля иметь какую-то энергию для того, чтобы делать все это!

Пьер Кюри взял калориметр — прибор, в котором по количеству растаявшего в нем льда определяется, сколько выделилось в приборе тепла, — и поместил туда препарат pадия. Калориметр был взят такой, что все лучи Беккереля, которые испускал препарат, не могли выходить из прибора, все они, как говорят, «поглощались» в массе льда в толстых стенках калориметра. Взвесив растаявший лед и зная, сколько требуется тепла для того, чтобы расплавить это количество льда, Пьер Кюри сумел измерить количество теплоты, выделяемое препаратом радия. Оказалось, что каждый грамм радия в течение часа выделяет из себя 140 калорий энергии (калория — это та энергия, которая нужна, чтобы поднять температуру одного грамма воды на один градус Цельсия). Энергия, отдаваемая радием, уходит с лучами Беккереля, но если эти лучи задержать, поглотить их, как было сделано в опыте Пьера Кюри с калориметром, то та же самая энергия выделяется в виде теплоты. 140 калорий в час! Эта энергия, выделяемая граммом радия, не очень велика: целых 50 часов должно пройти для того, чтобы грамм радия отдал столько же энергии, сколько отдает, сгорая, один грамм угля. Но зато грамм угля, сгорев, превратившись в углекислый газ, уже перестает отдавать энергию дальше, а грамм радия, отдав, хотя и очень медленно — в течение 50 часов — то же самое количество калорий, остается, по-видимому, таким же, каким он был, и продолжает испускать энергию тем же самым темпом.

Калориметр

Вот эта-то способность радия испускать, хотя и очень медленно, большие и казавшиеся совершенно неограниченными количества энергии должна была больше всего заинтересовать физиков: она и дала возможность говорить о загадке радия, о загадке радиоактивности, мучительной загадке, заставлявшей физиков 1900 года ломать себе голову над таинственными свойствами радия и его лучей. Что является причиной радиоактивных явлений? Что заставляет радиоактивные вещества испускать лучи Беккереля? Какова природа этих лучей, так похожих (на первый взгляд) на лучи Рентгена? Откуда радиоактивные вещества берут энергию, которую они затем отдают внешнему миру в форме энергии своих таинственных лучей? И действительно ли эта энергия неисчерпаема? Действительно ли кусочек радия представляет собой нечто вроде «перпетуум-мобиле» — вечного двигателя, о котором так страстно мечтали когда-то изобретатели, — двигателя, который все время может отдавать миру энергию, хотя в нем самом ничего не сгорает, не травится, не портится, не изменяется? Или, может быть, радий совсем не является исключением в мире, где все подчинено закону сохранения энергии, и, может быть, запасы энергии, содержащиеся в радии, хотя и велики, но совсем не неисчерпаемы, и если через 50 часов в грамме радия еще не заметно никакого иссякания, увядания, упадка, то через много недель или даже только через много лет уменьшение запасов энергии в радии должно стать заметным? Вот какие вопросы волновали физиков, изучавших радий, вот какие вопросы составляют содержание загадки радиоактивности, о которой говорит название этой главы нашей книжки.