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.

---

Пока Томсон изучал атом, Резерфорд исследовал ионизацию газов другими видами излучения, в том числе ультрафиолетовым. Также он решил заняться и рентгеновскими лучами, сразу после того как пришли новости об их открытии. Но не одного его привлекло открытие Беккереля. В Париже супружеская чета Кюри также очень заинтересовалась им. Резерфорд и Кюри разделяли одни и те же научные интересы, что привело их не только к сотрудничеству, но и к соперничеству.

Студенты Кавендишской лаборатории, 1898 год. В центре первого ряда (со скрещенными руками) Дж. Дж. Томсон; во втором ряду четвертый слева — Резерфорд.

Первая радиография Рентгена, на которой мы видим руку его жены Берты.

Немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген.

РАДИОАКТИВНОСТЬ И КЮРИ

Мария Склодовская (1867-1934) родилась в Варшаве. Чтобы поступить в университет (в Польше женщинам учиться не дозволялось), ей пришлось эмигрировать во Францию, где она стала первой женщиной, получившей степень доктора физики в Сорбонне. Выйдя замуж за ученого, Пьера Кюри, она взяла его фамилию.

Раздумывая над темой диссертации, Мария остановила свой выбор на излучении урана, открытого Беккерелем. В качестве детектора лучей тот использовал фотопластинки, что было удобно, однако не позволяло количественно измерить интенсивность радиации.

МАРИЯ КЮРИ

Младшая из пяти сестер, Мария Кюри родилась в Варшаве в 1867 году и впоследствии приняла французское гражданство. Она стала первой женщиной, получившей докторскую степень во Франции и Нобелевскую премию, и вошла в историю как первый человек, удостоившийся этой награды дважды. Ее отец был преподавателем математики и физики, и с детства Мария выделялась успехами в учебе.

В юности ей пришлось много работать, чтобы одна из ее сестер могла поехать в Париж изучать медицину, и был уговор, что сестра потом вернет ей долг.

В 1891 году Марии наконец удалось попасть в Сорбонну, где она стала лучшей студенткой своего потока, несмотря на постоянные материальные затруднения. Она получила диплом на кафедре физики в 1893 году, а через год — на кафедре математики. Затем она приступила к лабораторным исследованиям и познакомилась со своим будущим мужем, Пьером Кюри. Их свадьба в 1895 году была скромной.

Мария Кюри, 1920 год.

Но вскоре началась успешная работа в тандеме. Несмотря на их увлеченность исследованиями, у четы родились две дочери, Ирен и Ева, в 1897 и 1904 годах соответственно. В 1898 году ученые открыли полоний, затем радий, а также установили радиоактивность тория. Задача по вычислению атомного веса радия потребовала использования тонн урановой смолки. В опытах Кюри задействовали опасные кислоты для растворения металла в больших резервуарах, эти процессы развивались в течение нескольких лет, и сами исследователи вдыхали ядовитые пары. В 1903 году Беккерель, Пьер и Мария Кюри получили Нобелевскую премию по физике за открытие радиоактивности.

Неожиданный поворот

Внезапная гибель Пьера в 1906 году — он попал под колеса телеги — определила поворот в карьере его жены. Мария, которая могла рассчитывать лишь на должность школьной учительницы, отказалась от предложенной правительством пенсии вдовы, но потребовала отдать ей пост, который занимал в университете ее муж. Так она стала первой женщиной, возглавившей кафедру в высшем учебном заведении. В 1911 году она вновь получила Нобелевскую премию, на этот раз в области химии, за выделение радия. Когда вспыхнула Первая мировая война, Мария и ее дочь Ирен принялись за разработку технологии радиографии и применения ее в лечении раненых. Впоследствии в 1935 году Ирен также удостоилась Нобелевской премии по химии. Мария продолжала поиски медицинского применения своих открытий и умерла 4 июля 1934 года, а в 1995 году в знак почтения перед научными заслугами ученого ее прах был захоронен в парижском Пантеоне.

В связи с этим Мария и Пьер Кюри решили обратиться к другому способу, основанному на электрических свойствах излучения, что должно было позволить определить его количество. Резерфорд избрал сходный метод.

Выполняя измерения, Мария адаптировала для своих целей электрометр — более точный, чем изобретенный ее мужем электроскоп. Пьер использовал пьезоэлектрический эффект кварцевых стекол (материал своей кристаллической структурой демонстрирует зависимость электрических свойств от механического давления, сжатия/расширения) для создания более чувствительного аппарата. Так как уран ионизировал газы до разной степени электрической проводимости, электрометр из пьезоэлектрического кварца помогал обнаруживать минимальную разницу электрического заряда, индуцированного газами.

Мы не должны забывать следующее: когда был открыт радий, никто не знал, что он окажется полезным в медицине. Велись чисто научные исследования. Это доказывает, что научную работу нельзя оценивать лишь с точки зрения ее прикладного значения. Исследования должны проводиться ради красоты науки...

Мария Кюри

Кюри были убеждены, что излучение Беккереля происходило из окружающей среды. То есть речь шла не об излучении, которое может спонтанно возникнуть внутри минерала. Имелась какая-то внешняя причина. Задача состояла в том, чтобы выяснить это. Они проделывали систематические опыты, которые позволили отвергнуть вероятность того, что причина кроется в солнечных лучах. Также, по всей видимости, не влияло на возникновение излучения и физическое и химическое состояние элемента. Единственный фактор, воздействовавший на способность ионизировать газы, был связан с количеством образца урана. Все указывало на то, что источник излучения — внутри самого урана, однако исследователи отказывались принимать такое объяснение. В тот момент немецкий ученый Герхард Карл Шмидт (1865-1949) обнаружил, что торий испускает похожее излучение, Резерфорд пришел к такому же выводу независимо. Проблема становилась все более сложной.

В 1898 году Кюри ввели понятие "радиоактивность", понимая под ним ионизирующие лучи двух известных на тот момент материалов (понятие относилось к активности элементов в связи с сигналами, полученными электрометрами). Но ввести новое понятие было недостаточно, требовалось провести исследование и выяснить, существуют ли другие элементы, испускающие радиоактивное излучение.

ОТКРЫТИЕ РАДИЯ И ПОЛОНИЯ

Урановая смолка (настуран) была старой знакомой всех химиков той эпохи. В 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот сумел установить, что в порошке этого минерала содержится уран, новый элемент, который ученый назвал в честь открытой за восемь лет до этого планеты.

Кюри приступили к опытам с урановой смолкой, и Пьер заметил, что при сравнении активности одного грамма урана с одним граммом урана в урановой смолке в последнем случае активность была выше. Это могло означать, что в минерале скрывался источник излучения, неизвестный ранее.

Речь шла об источнике излучения гораздо более сильном, чем уран. Маленький кусок урановой смолки демонстрировал высокую активность, то есть если речь шла о новом радиоактивном элементе, его можно было легко обнаружить. Но, к сожалению, супруги поняли, что возможная концентрация нового элемента крайне мала, то есть для его обнаружения было необходимо большое количество урановой смолки. После нескольких последовательных химических разделений материалов они нашли подтверждение своей догадке и в 1898 году опубликовали результат:

"Мы полагаем, что вещество, которое получено нами из урановой смолки, содержит неизвестный металл, по своим химическим свойствам родственный висмуту. Если существование этого нового металла удастся доказать, мы предлагаем назвать его полонием по имени родины одного из нас".

Через несколько месяцев они смогли выделить еще один радиоактивный элемент, который назвали радием. Мария Кюри так описывала это открытие:

"У меня была возможность изучить несколько минералов. Некоторые демонстрировали активность: те, в которых содержался уран или торий. Активность этих минералов не представляла бы ничего удивительного, если бы оказалась пропорциональна количеству содержащегося в них урана или тория. Но все было не так. Некоторые из этих минералов проявили активность в три или четыре раза большую, чем надлежало по расчету для урана. Я тщательно проверила этот поразительный факт и не могла больше сомневаться в его правильности. Размышляя о причинах, я предположила, что возможно только одно объяснение: в этих минералах, должно быть, находится некоторое неизвестное и очень активное вещество".