Открытие явления радиоактивности

Лучевая лихорадка, начавшаяся в научном мире в 1896 г., несомненно, стимулировала в Париже работы Анри Беккереля — представителя третьего поколения известного в научных кругах семейства физиков. 2 марта 1896 г. члены Парижской академии наук узнали о новых «беккерелевых лучах», открытых им накануне. Он обнаружил, что соль — сульфат уранила-дикалия^[1] испускает какое-то проникающее излучение, вызывающее почернение фотоэмульсии. Однако, в отличие от рентгеновского излучения, его интенсивность была настолько малой, что обнаружение его каждый раз требовало длительной экспозиции. Это открытие произошло во время «лучевой лихорадки», когда в сознании всех людей царили Х-лучи, открытые Рентгеном. Беккерелевы лучи оказались просто в ряду других излучений: катодных и анодных лучей, сполохов северного сияния, радиоволн и видимого света, лучей от светящихся червей или светлячков, которые казались более важными и интересными.

В качестве иллюстрации отметим то, что даже на годичном заседании Французской Академии наук 21 декабря 1896 г. много говорилось о Х-лучах и почти ничего — о беккерелевых. Опыты Рентгена можно было очень легко воспроизвести, и они производили глубокое впечатление на людей, а с лучами Беккереля ситуация была обратной. В течение 1896 г. Беккерель опубликовал семь сообщений на эту тему, в следующем году — два, а в 1988 г. — ни одного. Ни о каком практическом применении открытия не было и речи.

Беккерель в начале 1896 г. «прикоснулся» к одному из самых фундаментальных физических явлений — к радиоактивности, но в тот момент у него не было ни теоретической, ни экспериментальной базы для того, чтобы хоть как-то понять произошедшее. Он сделал свое открытие, изучая фосфоресценцию довольно сложных химических соединений, имеющих определенную молекулярную структуру. Естественно, он пытался объяснить свои опыты с этих позиций, считая появление проникающих лучей результатом своеобразной невидимой фосфоресценции, но это был тупиковый путь. Хотя он и обнаружил, что интенсивность его лучей не уменьшалась со временем, это существенно не изменило ситуацию — слишком слабым было излучение. Действительно существенным оказалось то обстоятельство, что он сумел заинтересовать известного ученого Пьера Кюри и его жену Марию Кюри в своих работах (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Пьер и Мария Кюри в их лаборатории в 1898 г.

Супруги Кюри поставили перед собой задачу: ответить на вопрос, имеются ли в природе и какие-то другие простые или сложные вещества, которые ведут себя подобно солям урана.

В феврале 1898 г. подобный эффект на соединениях тория обнаружил Г. С. Шмидт. Через два месяца независимо это сделала М. Кюри, но эффект по-прежнему был очень мал. Затем было обнаружено, что два минерала, содержащих уран (хальколит и настуран), дают существенно большую интенсивность подобного проникающего излучения. Двухлетняя напряженная работа супругов Кюри привела к открытию нового элемента — полония. В июле 1898 г. появилась статья М. Кюри «Лучи Беккереля и полоний»^[2], в которой она предлагала называть все излучения, подобные урановым лучам, лучами Беккереля, а вещества, их испускающие, — «радиоактивными» веществами. В научную терминологию вошел термин «радиоактивность». 26 декабря 1896 г. появилось сообщение об открытии радия. Уже на первых порах интенсивность излучения его соединений превышала таковую для урана примерно в 1000 раз.

Открытие радия имело существенно большее практическое значение, чем открытие Беккереля. Не только научное сообщество, но и население теперь обратили сюда свое внимание. Прошло три года с открытия Х-лучей, и пик интереса к ним прошел. Ученые ощутили теперь, что перед ними открылась новая страница науки, прогресс в которой позволит понять очень многое, в том числе и природу рентгеновских лучей. «Ажиотаж» в научном мире сместился в эту область. Большое количество научных лабораторий изменило профиль своей работы. Природа рентгеновских лучей оставалась неясной, но они уже не затмевали беккерелевы лучи.

В 1898 г. исследования явления радиоактивности урана и тория начинает Эрнест Резерфорд. Вслед за звездой супругов Кюри взошла звезда Резерфорда¹. На экспериментальной установке, подобной представленной на рис. 1.7^[3][4][5], он обнаружил в 1899 г., что лучи, испускаемые солями урана, в магнитном поле ведут себя по-разному, и назвал их аи (3-лучами. Затем, исследуя излучения радия, П. Вийяр в 1900 г. открывает у-излучение, а Резерфорд показывает, что а-лучи — это ядра гелия. Примерно в то же время в подобном опыте Беккерель также показывает, что бета-лучи — это поток электронов.

Рис. 1.7. Схематическое представление экспериментальной установки, использующей магнитное поле, перпендикулярное плоскости рисунка для изучения явления радиоактивности^3.

Научный прорыв произошел в 1902—1903 гг., когда Резерфорд и Ф. Содди выдвинули и доказали революционную тогда идею о превращениях элементов в процессе радиоактивного распада. Мечта алхимиков оказалась действительностью: одни химические элементы могут превращаться в другие, но пока спонтанно. Эксперименты Беккереля также намекали на это, но весь его научный багаж был связан с молекулами, а не с атомами. Атомы рассматривались просто как неделимые кирпичики вещества, а теперь требовалось, как минимум, заглянуть внутрь их и понять, почему они могут превращаться в атомы другого элемента. В качестве следующего шага в нужном направлении в 1903 г. Содди и Резерфорд сформулировали закон радиоактивного распада.

Затем в 1909 г. Резерфорд вместе со своими учениками Гейгером и Марсденом провел эксперимент, который продемонстрировал существование ядра в атоме. В 1911 г. на основе результатов этого эксперимента была создана планетарная модель атома. Согласно ей, атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, содержащего большую часть массы атома, и вращающихся вокруг него электронов. И, наконец, в 1919 г. он открыл протон.

Эксперименты по дифракции рентгеновского излучения, выполненные Лауэ с сотрудниками, сопровождались и опытами по наблюдению дифракции гамма-излучения на кристаллических решетках. В результате их было показано, что гамма-излучение, так же, как и рентгеновское, является электромагнитным излучением. Различные модификации кристаллических гамма-спектрометров остаются эффективным средством измерения энергии гамма-лучей с большой точностью.

Дальнейший успех в этой новой области был обусловлен коллективной работой ученых в университетах разных странах. Первые русские работы по радиоактивности связаны с именами профессоров Военномедицинской академии Н. Г. Егорова и А. Л. Гершуна, которые воспроизвели опыты Беккереля в мае 1896 г. Профессор Петербургского университета И. И. Боргман в апреле 1897 г. исследовал термолюминесценцию, инициированную урановыми лучами. Затем он изучил различные минералы, содержащие уран и торий, и провел определение радиоактивности грязей и вод, взятых в Петербургской, Новгородской и Псковской губерниях.

Сотрудник Боргмана — Ф. Н. Индриксон, имея в своем распоряжении некоторое количество бромистого радия, провел изучение теплового действия лучей радия и особенно изучение свойств эманации радия. В Московском университете в этой области работали профессора А. П. Соколов, В. И. Спицын, Н. Д. Зелинский, Л. А. Чугаев, Н. А. Умов и др. А. П. Соколов был первым лектором, читавшим в Московском государственном университете курс «Радиоактивность» на химическом отделении. Явление радиоактивности изучали и в других городах России: Новороссийске, в Харькове и Одессе. Около пяти лет успешно работал в лаборатории М. Кюри Л. С. Коловрат-Червинзо ский, изучая поведение эманации радия. В Манчестере у Резерфорда работал Г. Н. Антонов. Оба продолжили свои исследования в России.

Немногим более чем через пять лет после открытия явления радиоактивности в распоряжении людей были уже пять элементов, испускающих беккерелевы лучи: уран, торий, полоний, радий, радон и актиний, и этот список продолжал пополняться.

Присуждение Нобелевской премии по физике за 1903 г. Беккерелю и супругам Кюри совпало с тем, что центр внимания общества сместился от проблем, связанных с рентгеновским излучением, к радиоактивности во всей широте этого явления. Познание этого явления привело в 1940;х гг. к появлению атомной энергетики, а затем и к росту нашего понимания фундаментальных основ мироздания.

• [1] Мы будем использовать название сульфат уранила-дикалия для соли, которуюв 1896 г. использовал Беккерель в своих опытах, так как это соответствует классификации ИЮПАК. Это растворимый в воде кристаллогидрат — K2(U02)-(S04)2 — желто-зеленого цвета. Традиционные названия были: сернокислый уранил-калий или двойнойсульфат уранила и калия.
• [2] В работе сообщалось, что в результате радиохимического разделения обнаруженафракция с повышенной активностью. Открытие полония бьио окончательно доказаноМ. Кюри только в 1910 г.
• [3] Впоследствии лауреат нобелевской премии, ученики которого также получили12 таких премий. Его называли «волшебником XX века», а после смерти он был похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с И. Ньютоном и Ч. Дарвином.
• [4] Этот рисунок было приведен в 1903 г. в докторской диссертации М. Кюри. Он сталчемпионом в научной литературе по числу воспроизведений. (Curie MS (1904) Radioactive substances; thesis. Chemical News Office, London (Reprinted Van Norstrand, New York).
• [5] Alpha rays deviated — траектории движения «-лучей; beta rays deviated — траектории движения Р-лучей; gamma rays undeviated — траектории движения у-лучей;R: radium — радиевый источник; PB: lead cup in a magnetic field — свинцовый коллиматор, внутри которого находится источник; АС: photographic plate — фотопластинка, предназначенная для регистрации аи Р-лучей.