Самый сокровенный секрет материи. Мария Кюри. Радиоактивность и элементы
Шрифт:
В то время Гизель в Германии, Майер и фон Швейдлер в Вене и Пьер Кюри в Париже исследовали действие магнитных полей на урановые лучи. Они выяснили, что оба типа излучения отклоняются магнитными полями, но в то время как менее проникающее излучение, которое Резерфорд назвал а, мало отклоняется этими полями, P-излучение отклоняется легко, как показано на рисунке на странице 76. В апреле 1900 года французский ученый Поль Виллар обнаружил другие лучи, с еще большей проникающей способностью, которые он назвал у, очень похожие на рентгеновские, но с большей энергией. Так в начале XX века были правильно определены типы
Хотя ни супруги Кюри, ни Резерфорд не могли тогда представить этого, определенный путь к пониманию радиоактивности уже начался, и они стояли во главе этого процесса. Пьер и Резерфорд наиболее активно выдвигали гипотезы, которые могли объяснить это явление. Они оба были блестящими учеными, но их жизненные обстоятельства отличались. Пьеру было 40 лет, и его здоровье начинало ухудшаться из-за длительной работы с радиоактивными веществами без защиты. Кроме того, он уже 20 лет боролся за то, чтобы пробиться в научный мир Франции, который не признавал его неоспоримых достоинств и не предоставлял организационной и экономической поддержки. Резерфорд, наоборот, работал в одной из лучших лабораторий по изучению структуры атома, в Кавендише в Кембридже, и, написав диссертацию, получил кафедру в Университете Макгилла, в Монреале, Канада. Там в его распоряжении была хорошо оборудованная лаборатория, хотя у него не было единственного (чего у Марии и Пьера было в избытке) — источников радия. Резерфорду было 27 лет, он недавно женился и пребывал в расцвете сил.
Резерфорд нашел ключ, который позволял понять всю неразбериху радиоактивности. А творческий, талантливый и мечтательный Пьер не только не нашел решения, но и настойчиво не признавал правоту Резерфорда в течение нескольких лет. Мария, в какой-то степени в память о Пьере, поступала так же, подавив в себе любознательность и свободный от предрассудков образ мыслей, которые так помогли ей в начале карьеры и благодаря которым она открыла дверь в новую область исследования. Так что английская команда с Резерфордом-капитаном, о котором еще долгие годы его изысканные коллеги из метрополии вспоминали с восхищением (в том числе и за то, что в его английском совсем не был слышен новозеландский акцент), выиграла матч с большим отрывом в счете.
Когда король Георг V присвоил Эрнесту Резерфорду (1871–1937) дворянский титул (барон Нельсон) и назвал его самым блестящим ученым, которого дали колонии, тот уже совершил часть самых важных открытий в области радиоактивности: определил природу радиоактивных процессов, разработал прибор для их количественной оценки, определил радиоактивные ряды и на их основе придумал процесс определения возраста Земли, открыл существование ядра в центре атома, произвел первое превращение одного атома в другой… А открытия, которые он не совершил, сделали его ученики на подготовленной им базе. Тот, кого многие определили как «самого великого экспериментатора после Фарадея», был также отличным учителем гениев, поскольку у него была необычная способность привлекать блестящих и творческих людей, давать им пространство и стимул, которые были нужны, чтобы каждый из них выдал лучшее, что мог. При этом во многих случаях речь шла о крайне сложных личностях, таких как химик Содди со своими странными экономическими теориями; избалованный Мозли, блестящая карьера которого была прервана Первой мировой войной; мрачный Чедвик, страдавший от публичных выступлений; саркастичный Болтвуд, открытый враг Марии Кюри, который в итоге покончил жизнь самоубийством, но до этого определил возраст Земли; молодой немец с поразительной работоспособностью Ханс Гейгер, когда он еще не проявлял своих нацистских наклонностей; датчанин Нильс Бор, предложивший в диссертации модель атома, на которой основывается вся химия; немцы Фаянс и Ган; англичане Кокрофт, Уолтон и Эплтон, построившие первый ускоритель частиц… Со всеми ними Резерфорд поддерживал отличные отношения, полные привязанности и уважения к ученикам со стороны преподавателя, которого они ласково называли Крокодилом.
Существует три главных типа спонтанного радиоактивного распада. Первые два были предложены Резерфордом в 1899 году, когда он закончил диссертацию в Кембридже; третий — Вилларом, в Париже, через год.
1.
– лучи. Они образованы относительно тяжелыми частицами (состоят из двух нейтронов и двух протонов, то есть это ядра гелия),
2. , —– лучи. Этот тип распада имеет место, когда нейтрон из ядра трансформируется в протон, испуская электрон. Они отклоняются магнитными полями, и их ионизирующая способность не так высока, как у -частиц, что делает их более проникающими. Менее распространенный тип -радиоактивности — +, при котором протон трансформируется в нейтрон, испуская позитрон; из-за своего характера он распадается сразу после реакции с электроном окружающей материи, что порождаету-лучи в противоположном направлении (на этом основана позитронно-эмиссионная томография).
3.
– лучи. Это электромагнитные волны, испускаемые нестабильными ядрами. Это самое проникающее излучение, которое останавливается только толстыми слоями свинца или бетона.
ЭМАНАЦИЯ
В ноябре 1899 года Пьер и Мария заметили, что все вещества, которые находились рядом с солями радия и полония, становятся радиоактивными и эта радиоактивность сохраняется довольно долго. Они назвали это явление «наведенной радиоактивностью». По другую сторону Атлантики Резерфорд, который сначала работал только с относительно малоактивными солями тория, в феврале 1900 года открыл похожее явление. До этого в лаборатории в Кембридже он уже замечал, что на активность влияют внешние обстоятельства, такие как открытая дверь лаборатории. Так же как и Пьер, он подумал, что это может быть вызвано загрязнением пылью от изучаемого радиоактивного вещества, которая оседает на поверхностях, и так же, как и Пьер, промыл водой и даже обработал излучающие поверхности наждачной бумагой, а затем и серной кислотой. После этого радиоактивность полностью исчезла, что означало, что явление имело вполне материальные причины. Он решил, что имеет дело с излучением, испускаемым новым веществом, которое должно было быть чрезвычайно радиоактивным, поскольку его количество, скорее всего, было микроскопическим и не поддающимся регистрации, а активность оно имело значительную.
С самого начала Резерфорд рассматривал гипотезу о том, что излучающее вещество имеет массу (иначе его нельзя было бы убрать с помощью наждака и серной кислоты). Однако он не решился приписать ему материальный характер, поэтому искал название, согласующееся с другими гипотезами, например «эманация». Ученый был убежден, что наведенная радиоактивность Пьера и его эманация — одно и то же явление, которое они просто по-разному объяснили. В июне 1900 года немец Фридрих Дорн открыл, что радий испускает эманацию, похожую на обнаруженную Резерфордом для тория. Через несколько лет они обе будут идентифицированы как благородный газ радон, но в течение долгого времени эти эманации называли по-разному: торон — для тория и радон — для радия.
В марте 1901 года Пьер Кюри и Андре Дебьерн продолжили изучение наведенной радиоактивности и заметили, что она намного интенсивнее, когда наблюдается в закрытом сосуде. Возможной причиной исследователи посчитали тот факт, что радиоактивность передается по воздуху. Тогда они создали вакуум в сосуде с активным веществом, и наведенная радиоактивность исчезла. Учитывая газообразное происхождение радиоактивности, именно этого и следовало ожидать, и для Резерфорда этот эксперимент стал подтверждением: Пьер Кюри обнаружил ту же самую эманацию, что и он. Но Пьер, который принял термин «эманация», предложенный Резерфордом, не признавал ее материальной основы, ссылаясь на то, что у этого явления могло быть много других причин.
Однако подход Резерфорда был намного более практичным. Он не жалел энергии и средств для проверки всех гипотез, которые приходили ему в голову, а благодаря его энтузиазму Университет Макгилла привлекал к себе самые блестящие и творческие умы того времени. Ни один человек в истории не побил рекорд по способности Резерфорда привлекать и готовить исключительных ученых: 11 его студентов получили Нобелевскую премию. Его лаборатория превратилась в мировой центр исследования радиоактивности, в котором завораживающие открытия происходили с головокружительной скоростью.