Roger Orrit - У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

• Название: У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.
• Автор: Roger Orrit
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015
• ISBN: 2409-0069

Эрнесту Резерфорду наука обязана доказательством существования атомного ядра, которое ученый определил как «муху» внутри «собора» атома. Несмотря на ничтожный размер, в ядре сконцентрирована большая часть массы атома, а значит, и энергии. Резерфорд считается лучшим экспериментатором своей эпохи: он оценил возраст Земли на основе радиоактивного распада, и за раскрытие этой тайны в 1908 году ему присудили Нобелевскую премию в области химии. Он первым добился искусственного превращения одного элемента в другой, воплотив в жизнь тысячелетнюю мечту химиков. После смерти Крокодил, как за сильный характер прозвали его коллеги и ученики, был похоронен в Вестминстерском аббатстве. Новозеландец покоится рядом с великими деятелями английской науки.

---

РИС. 2

Так как электрические заряды альфа- и бета-частиц имеют разный знак, под действием электрического поля их траектории расходятся. При этом гамма-лучи двигаются прямолинейно, поскольку обладают нейтральным зарядом.

В конце концов эти лучи были названы гамма-лучами (рисунок 1).

Так как альфа-излучение представляет собой ядра гелия, имеющие значительную массу по сравнению, например, с электроном, они легко поглощаются листом бумаги или ладонью. Бета-излучение представляет собой в основном электроны, обладающие минимальной массой. Бета-лучи при таком же количестве энергии могут приобретать значительную скорость по сравнению с альфа-лучами, соответственно их проникающая способность будет выше в связи с меньшей вероятностью взаимодействия с материей. Гамма-излучение обладает самой высокой проникающей способностью, так как представляет собой вид излучения с самой короткой волной и с самой большой энергией в электромагнитном спектре. Неизвестен верхний предел энергии гамма-лучей. Впоследствии Мария Кюри изобразила действие магнитного поля на разные виды лучей в виде диаграммы, представленной на рисунке 2.

ГЛАВА 3 Радиоактивный распад

Резерфорд обнаружил, что существуют радиоактивные элементы, которые при распаде превращаются в другие химические элементы.

С помощью радиоактивного распада объяснялась и радиоактивность. Важным вкладом Резерфорда стало также введение понятия средней продолжительности жизни элемента, он установил, что это открытие поможет определить возраст Земли.

Радиоактивность стала своеобразной осью, вокруг которой развивались исследования Резерфорда в Канаде. Он проводил их одновременно с Кюри, и конкуренция, возникшая между учеными, стала весьма ощутимой, что они признавали сами. Резерфорд в письме матери рассуждал об этом так:

"Я сейчас занят подготовкой своих последних статей. Нужно опубликовать их как можно скорее и продолжать гонку. Лучшие спринтеры в области этих исследований — Беккерель и Кюри в Париже; в последние годы они проделали значительную работу в сфере радиоактивных тел".

К ПОНИМАНИЮ РАДИОАКТИВНОСТИ

Несмотря на то что это поле знаний было новым, несколько групп исследователей анализировали радиоактивность в Германии и Соединенном Королевстве. Это были годы исступленной научной работы, когда удивительные открытия совершались одно за другим и влекли за собой новые вопросы и модели, которые часто противоречили общепринятым представлениям. Знание о радиоактивности, начало которому положили запечатленные на фотопластинке вспышки, оформлялось в новую область науки, все более сложную. В то же время возрастала и неуверенность, поскольку каждое достижение раскрывало веер новых неизвестных.

В 1899 году немецкие ученые установили, что радиоактив* ность не сопровождалась постоянным во времени испусканием частиц, как считали изначально: испускание имело тенденцию к уменьшению. Параллельно становилось очевидным, что бета-излучение состояло в основном из электронов, то есть отрицательно заряженных частиц (которые Томсон в 1897 году идентифицировал как фундаментальные компоненты атомов). Ничего не было известно о природе альфа-лучей, данный вопрос мог показаться вторичным, однако именно он стал ключевым для понимания радиоактивности, но это прояснилось позже. Резерфорд, со своей стороны, установил, что от радиоактивных элементов кроме альфа- и бета-лучей исходили также эманации, похожие на пар.

ЭМАНАЦИИ

В 1899 году за помощью в исследовании излучения тория Резерфорд обратился к профессору инженерии Роберту Боуи Оуэнсу. С учетом своих первых исследований он пришел к выводу, что нечто в окружающей среде влияло на результаты экспериментов. Казалось, само присутствие Резерфорда в лаборатории изменяло результаты. Это потенциально доказывало, что радиоактивность может зависеть от окружающей среды, как полагали Кюри.

Однако Резерфорд защищал другую гипотезу: "эманации", как он их назвал, испускались самими радиоактивными элементами и могли насыщать радиоактивностью все, что их окружало. В этом заключалась причина воздействия на результаты измерений. Он заявлял:

"Соединения тория постоянно испускают радиоактивные частицы определенного типа, которые в течение нескольких минут сохраняют радиоактивные свойства. Эта "эманация", как мы будем называть ее для краткости, обладает ионизирующей способностью по отношению к окружающему газу и может проходить сквозь тонкие слои металлов и сквозь плотную бумагу".

"Эманации" стали непосредственным предметом изучения Резерфорда. Первым делом ему удалось удержать их в трубке, стенки которой быстро становились радиоактивными. Радиоактивность была как будто заразной, поскольку вокруг тория на короткое время все становилось радиоактивным. Какова природа этих "эманаций"? Некий ли это "пар", или же это частицы возбуждали радиоактивность в других веществах?

Резерфорд заметил, что эманация тория заканчивалась довольно быстро. Данное наблюдение противоречило экспериментальным данным по урану и полонию, которые, казалось, были неиссякаемыми источниками альфа- и бета-лучей. Эманации, полученные в результате опытов с торием, имели чрезвычайно интенсивное излучение, но только в течение нескольких минут. Эти эманации были как будто чем-то призрачным. Их появлялось крайне мало, а об их присутствии можно было судить по самому факту недолгого излучения.

В Европе Кюри также обратили внимание, что химические элементы, близкие в периодической таблице к радию, вели себя как радиоактивные. Это заставило парижских ученых допустить возможность, что радий возбуждает активность ближайших к себе элементов. Год спустя Резерфорд так подытожил уровень знаний, имевшийся по данному вопросу в тот период:

"В 1900 году автор [то есть сам Резерфорд] доказал, что торий излучает не только а- и β-частицы, но также постоянно испускает радиоактивную "эманацию" или газ. Так же как и радий, актиний имеет сходные свойства. Интенсивность излучения быстро падает. "Эманации" тория, радия и актиния легко различаются по скорости прекращения активности".

ИНДУЦИРОВАННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ?

Так же как свет заставляет сиять флуоресцентные минералы, по убеждению Кюри, "эманации" радиоактивных элементов (например, тория) способны вызывать радиоактивность других элементов. Речь о некоей индуцированной радиоактивности. Резерфорд разделял это мнение, но последующие эксперименты заставили его принять другую точку зрения.

Резерфорд решил, что если дело заключается в индуцированной радиоактивности, то она должна варьироваться в зависимости от вещества, на которое воздействовали эманации. Он изучил воздействие тория на другие виды материалов, и в результате выяснилось, что измерения радиоактивности всегда одинаковы и не зависят от использованного материала. Казалось, какое-то вещество "загрязняло" радиоактивностью все, что к нему приближалось.

Таким образом, правильнее было бы полагать, что "эманации" и индуцированная радиоактивность являются взаимосвязанными явлениями. Резерфорд подтвердил это, записав в конце 1899 года, что "имеется тесная связь между "эманацией" и возбужденной радиоактивностью; в действительности "эманация" каким-то образом является прямой причиной радиоактивности". То есть, по его мнению, речь не об индуцированной радиоактивности, а о том, что эманация перемещалась на материалы и, казалось, что те становятся радиоактивными. Резерфорд отмечал, что "эманация является нестабильным веществом и трансформируется в некий вид негазообразной материи, покрывающий поверхность всех окружающих тел". И последнее: "Вероятность возникновения эманации из-за того, что ближайшая среда становится радиоактивной, исключена".

ИСТОЧНИК РАДИАЦИИ

Понимание этих вопросов стало еще более запутанным в результате нового наблюдения Беккереля, согласно которому, возможно, имелась некая ошибка в определении источников радиоактивности. Беккерель знал, что соли урана не были чистыми и в их состав входили разные вещества, поэтому он попытался выделить их. Когда это ему удалось, соль урана перестала быть радиоактивной, а новое неизвестное вещество, напротив, испускало излучение. Так как Беккерель не представлял, что это за вещество, он назвал его "уран-Х". Через несколько месяцев, когда он вновь взял образцы, оказалось, что уран-Х перестал быть радиоактивным, а урановая соль восстановила радиоактивность. Английский химик Уильям Крукс (1832-1919) проверил эти результаты, и в конце 1901 года оба ученых передали их в университет Макгилла. Как только Резерфорду стало известно об этом, он захотел повторить опыт с образцами тория.