Радиоактивные излучения. 
Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующие излучения

После того, как в руках исследователей появились мощные источники радиации, в миллионы раз более сильные, чем уран (препараты радия, полония, актиния), были начаты детальные изучения свойств радиоактивного излучения. Прежде всего, была изучена проникающая способность лучей, а также действие на излучение магнитного поля. Оказалось, что радиация неоднородна, а представляет собой смесь «лучей». Гизель.

первым продемонстрировал отклонение «лучей Беккереля» в магнитном поле. П. Кюри обнаружил, что при действии магнитного и электрического полей на излучение радия одни лучи отклоняются, а другие нет. Было известно, что магнитное поле отклоняет только заряженные летящие частицы, причём положительные и отрицательные в разные стороны. По направлению отклонения убедились в том, что отклоняемые р-лучи заряжены отрицательно. Дальнейшие опыты показали, что между катодными и р-лучами нет принципиальной разницы, откуда следовало, что они представляют собой поток электронов. Отклоняющиеся лучи обладали довольно хорошей способностью проникать через различные материалы.

Рис. з. Схема эксперимента, иллюстрирующего отклонение разных видов радиоактивного излучения в магнитном поле.

Вскоре обнаружилось, что излучение, не отклоняемое магнитом, тоже не однородно, а состоит из двух видов. При использовании более сильных магнитов оказалось, что а-лучи тоже отклоняются, только значительно слабее, чем р-лучи, причём в другую сторону (Беккерель, Гизель, 1899). Отсюда следовало, что они заряжены положительно и имеют значительно большую массу (масса а-частиц в 7740 раз больше массы электрона). Это излучение (оно было названо альфа-излучением) легко поглощались даже тонкой алюминиевой фольгой. В 1900 г. П. Вийар исследовал более подробно отклонение аи р-лучей и обнаружил в излучении радия третий вид лучей, не отклоняющихся в самых сильных магнитных полях, это открытие вскоре подтвердил и Беккерель. Этот вид излучения, по аналогии с альфаи бета-лучами, был назван гамма-лучами.

Гамма-лучи сходны с лучами Рентгена, т. е. они представляют собой электромагнитное излучение, но с более короткими длинами волн и соответственно с большей энергией. В 1903 г. В. Рамзай и Ф. Содди обнаружили образование гелия при а-распаде (М. Кюри первая указала на корпускулярную природу а-лучей). В 1909 г. доказано, что а-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия (Э.Резерфорд, Т. Ройдс), т. е. что это нуклид «Не, имеющий заряд +2 и массу 4 у.е.

Беккерель установил ряд свойств новых лучей, например, способность ионизировать газ, сквозь который они проходят. Гизель открыл явление окраски кристаллов под действием излучения и обнаружил новые линии в оптическом спектре радия. Практически сразу была установлена способность излучения от солей радия преобразовывать кислород в озон, вызывать потемнение стекла, а также изменять цвет кристаллов платиносинеродистого и хлористого бария. В 1902 г. Гизель обнаружил интенсивное выделение газа из водного раствора бромида радия.

Радиация радия действует и на биологические объекты. В 1900 г. Гизель и Вальхоф указали на физиологическое действие новой радиации. В 1911 г. для лекции Беккерелю понадобилось радиоактивное вещество, он взял его у супругов Кюри, и пробирку положил в жилетный карман. Прочтя лекцию, он вернул владельцам радиоактивный препарат, а на следующий день обнаружил на теле покраснение кожи. Беккерель рассказал об этом П. Кюри, тот поставил на себе опыт: в течение десяти часов носил привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него наблюдалось покраснение, перешедшее в язву, от которой он страдал два месяца. Вскоре Л. Мату (ассистент Беккереля) сообщил, что радиоактивные излучения ускоряют прорастание семян. Затем обнаружились целительные свойства излучения: радий помогал при раке, волчанке, некоторых других болезнях кожи. Тем самым были заложены основы нового метода лечения — лучевой терапии.

В 1906 г. открыто характеристическое рентгеновское излучение (Ч. Варила), а в 1908 г. показано, что оно является фундаментальным свойством атома (Ч.Баркла, Ч. Сандлер). В 1908 году создан прибор для регистрации отдельных заряженных частиц (счётчик Г. Гейгера — В. Мюллера). В 1934 г. Вальтер Боте разработал метод совпадений.

В 1910 осуществлено первое определение энергии р-частиц по их отклонению в магнитном поле (О.Байер, О. Ган). В 1911 г. Э. Резерфорд создал теорию рассеяния а-частиц в веществе. В том же году было показано, что постоянные распада а-излучателей связаны с длиной пробега а-частиц (Зависимость между временем жизни и энергией распада радиоактивных ядер — закон Гейгера-Нэтолла). В 1912 г. открыты космические лучи (В. Гейс) и изобретен прибор для наблюдения следов заряженных частиц (камера Ч. Вильсона). В 1913 г. открыт непрерывный спектр энергии ризлучения (Дж. Чэдвик), доказана идентичность рентгеновских спектров изотопов, окончательно подтверждено равенство порядковых номеров у изотопов данного элемента (Э. Резерфорд, Э. Андраде).

Помимо экспериментальных достижений, в начале 20-го века существенный прогресс был достигнут в сфере теоретической физики. В 1900 г. М. Планк создал теорию квантов. В 1903 г. А. Эйнштейн ввёл понятие кванта света (фотона) и создал специальную теорию относительности, в которую включил формулу Пуанкаре: Е=тс², связывающую массу (т) с полной внутренней энергией (Е) и скоростью света ©. Проверить этот закон Эйнштейн предложил путём определения количества энергии, выделяемого радиоактивными веществами. Экспериментальное доказательство существования фотона получено в 1923 г.

В 1923 г. открыто явление рассеяния коротковолнового излучения на свободном или слабо связанном электроне (эффект А. Комптона) и дана теоретическая интерпретация этого явления (А.Комптон, П. Дебай); обнаружены ядра отдачи (П.Блэкетт) — получена фотография следа протона и расщепления ядра азота а-частицами. Протоны отдачи идентифицированы И. и Ф. Жолио-Кюри в 1932 г. В 1929 г. создана квантовая теория эффекта Комптона и предложено уравнение, описывающее рассеяние электронов в этом эффекте Сравнение Клейна-Нишины). В том же году О. Клейн и И. Нишина вывели формулу для рассеяния высокоэнергетичных фотонов на электронах, а Н. Мотт — формулу для кулоновского рассеяния релятивистских электронов.

В 1934 г. открыто свечение чистых прозрачных жидкостей под действием гамма-лучей (эффект С. И. Вавилова — П.А.Черенкова). Теория этого эффекта дана И. Е. Таммом и И. М. Франком в 1937 г. В 1944 г. предсказано синхротронное излучение (Д.Д. Иваненко, И.Я. Померанчук) открытое в 1946 г. Блюитом.