Сделал и прислал Кайдалов Анатолий.
_____________________
ОГЛАВЛЕНИЕ
I. Наука об атомах
Немного истории
Карта атомного мира
Как был подтвержден закон Менделеева
II. Атом... 15
Атомные вещества и атомы электричества
Катодные лучи
Открытие электрона
Анодные лучи
Накаленный металл выбрасывает электроны
Свет выбивает из металла электроны
Определение заряда электрона
Первая модель атома
III. Радиоактивность ... 30
Рентгеновские лучи
Лучи Беккереля
Открытия Марии и Пьера-Кюри
Радиоактивные лучи
Еще о свойствах радиоактивных лучей
Радиоактивный распад
Радиоактивные семейства
IV. Атомы и свет... 51
Атом имеет ядро
Заряд ядра и периодическая система Менделеева
Сплощной и линейчатые спектры
Спектр водорода и формула Бальмера
Гипотеза квантов
Квантовая теория света
Бор уточняет атомную модель Резерфорда
Дальнейшее развитие теории Бора
Магнитные свойства электронов
Магнитное поле и атомный спектр
Спин и собственный магнитный момент электрона
V. Электроны в атомах
Электронная теория
Электроны в металлах
Диэлектрики...91
Магнетики...94
Как атомная физика объясняет периодическую
систему Менделеева...97
Теория Бора уступает место квантовой механике 104
Глава VI. Ядро атома...107
О чем может рассказать масса ядра? ... —
Первоначальная теория строения ядра ...109
Открытие нейтрона
Протонно-нейтроииая теория строения ядра . 112
Превращение ядер...114
Позитрон...116
Искусственная радиоактивность...120
Глава VII. Атомная энергия...124
Закон пропорциональности энергии и массы . —
Энергия, сосредоточенная в атоме...126
Силы, действующие в ядре...127
Энергия деления тяжелых ядер...131
Цепная реакция...136
Термоядерная реакция...144
Глава VIII. Элементарные частицы...152
Нейтрино... —
Мезоны...156
Античастицы...160
Сверхтяжелые мезоны и закон зеркальной симметрии . . 162
Некоторые вопросы, связанные со свойствами
элементарных частиц...165
Глава IX. Радиоактивные элементы и их применение . 169
Как обнаруживают радиоактивные - атомы? .. —
Меченые атомы...171
Радиоактивные элементы в медицине ...173
Радиоактивные элементы в сельском хозяйстве 174
Радиоактивные элементы в технике ... 176
Предметно-именной указатель...178
Учение об атомах и атомных ядрах стало важнейшей областью физики. Автор книги в исторической последовательности и в доступной форме рассказывает о том, как развивалось ато учение.
Читателя ожидает увлекательное путешествие в таинственный атомный мир, в котором он познакомится с удивительными приборами и машинами, позволившими человеку проникнуть в этот мир, и со сложными, странными законами этого мира.
Книга познакомит читателя с основными представлениями о строении атомов, со свойствами атомов, с составом атомного ядра, элементарными частицами и свойствами этих частиц. Ее с интересом прочтут учащиеся средней школы.
Впервые эта книга под названием «Путешествие внутрь атома» была выпущена Ставропольским книжным издательством в 1958 г. Настоящее издание переработано и дополнено, в нем учтены последние достижения атомной физики.
I. Наука об атомах
Мира атома не найти ни на одной, даже самой подробной карте. Тем не менее он реален.
Вместе с тобой, юный читатель, мы совершим путешествие в этот таинственный мир. Как и всем путешественникам, нам в пути понадобится карта. И такая карта существует. Создана она сравнительно недавно. И это не удивительно. Ведь о существовании самих атомов люди долго ничего не знали.
О том, как постепенно был открыт удивительный мир атома и создана его карта, рассказывается в первой главе этой книги.
НЕМНОГО ИСТОРИИ
Первые представления об атомах как мельчайших частицах вещества возникли еще задолго до нашей эры. Древнегреческий философ Анаксагор (ок. 500 — 428 до н. э.) учил, что все вещи построены из первичных мельчайших частиц — «семян». Его идеи развили известные греческие философы — Левкипп и Демокрит (ок. 460 — 370 до н. э.). Левкипп считал, что мельчайшие неделимые частицы вещества — атомы («атом» по-гречески — неделимый) — вечны. Все изменения, происходящие в природе, вызываются соединением и разъединением атомов.
Эти представления углубил Демокрит, один из основателей учения атомистов. Демокрит считал, что мир состоит из неизменных и неделимых атомов, движущихся в пустом пространстве.
По Демокриту, атомов существует бесконечное множество, и они могут принимать бесчисленное множество различных форм. Качественно все атомы одинаковы. Различие всех тел зависит от количества атомов, их величины, формы и порядка. Атомы — это простейшие частицы, не имеющие никакого внутреннего строения.
Атомистическими идеями Демокрита руководствовались великие основатели современного естествознания: Г. Галилей, И. Ньютон, М. В. Ломоносов, хотя, конечно, представления Демокрита были еще довольно примитивными и наивными.
Воззрения Демокрита были развиты греческим фй-лософом-материалистом Эпикуром (341 — 270 до н. э.). Учение Эпикура было изложено поэтом-философом Лукрецием Каром (ок. 99 — 55 до н. э.) в его знаменитой поэме «О природе вещей». Все тела, по Эпикуру, состоят из мельчайших атомов, непрерывно движущихся, подобно пылинкам, в лучах солнца.
Воззрения древних атомистов были только догадками. И тем не менее, как указывал В. И. Ленин, заслуга древних атомистов велика, ибо их «гениальные догадки» служили науке, а не поповщине.
В средние века в течение полутора тысяч лет наука в Западной Европе находилась во власти богословия и мракобесия. Этот период характеризуется развитием алхимии, которая возникла и распространилась в странах Востока в VIII — XI вв., когда высокого расцвета достигла культура у арабов. Алхимией называли в то время науку о превращении различных металлов в золото и получение «философского камня», который будто бы может излечить самые тяжелые болезни, возвратить старикам молодость. Пытаясь получить «философский камень», алхимики, несмотря на постоянные неудачи, в течение многих лет проделывали всевозможные опыты, которые изредка приводили к научным открытиям. Среди алхимиков было немало ловких жуликов, которые изготовляли
«золото» из медных сплавов. Следует тем не менее отметить, что алхимия была закономерным явлением в истории развития естествознания. Она накопила множество научных фактов, выработала ряд экспериментальных методов. Ф. Энгельс писал, что без алхимии не было бы и химии.
Однако эти ценные крупицы тонули в море мистики и религии. Поэтому понятно, что алхимия не могла удовлетворить практических потребностей человека эпохи Возрождения.
Чтобы вывести науку о природе из тупика, необходимо было возвратиться к атомистическим представлениям, что сделать тогда было нелегко, так как церковь жестоко преследовала атомное учение.
Эпоха Возрождения, последовавшая за мрачным средневековьем, приводит к зарождению научного естествознания, основанного на опытном изучении природы. Одним из первых, кто возродил представления древних атомистов, был крупнейший английский химик и физик Роберт Бойль (1627 — 1691). Он считал, что элемент — это простейшее, химически неразложимое вещество, которое может входить составной частью в сложное вещество. Простейшей же частицей химического элемента является неделимый и неизменяющийся атом.
Великий Ньютон, создатель механики, придал атомистическим представлениям Бойля механическую окраску. По мнению Ньютона, у атомов имеются зазубренные края (крючки), при помощи которых они могут сцепляться друг с другом, образуя различные сочетания. Атомы способны лишь к механическому движению и внешним соединениям между собой. Сочетание нескольких атомов не образует чего-нибудь качественно нового.
Ясно, что такое чисто механическое представление об атомах не могло разрешить вопрос об изучении немеханических форм движения материи.
В 1647 г. во Франции вышла книга ученого Гассенди об атомах, в которой он утверждал, как и Демокрит, что все вещества в природе состоят из неделимых частиц-атомов, отличающихся друг от друга формой, величиной и весом. Гасбенди развил учение древних атомистов. Он писал, что для образования миллионов разнообразных тел не нужно большого числа различных атомов. Атомы — своеобразные кирпичики, из которых можно построить сложные и разнообразные строения — молекулы.
Следующий существенный шаг вперед был сделан после того, как впервые удалось связать теоретические представления об атомах с опытными данными о составе и свойствах различных веществ. Виднейшая заслуга в этом принадлежит знаменитому русскому ученому Михаилу Васильевичу Ломоносову.
По Ломоносову, все вещества в природе делятся на простые и сложные. Вещества, которые можно разложить на составные, называются сложными. Те же вещества, которые никакими физическими и химическими способами не удается разложить на более простые (например, кислород, водород, углерод, медь, железо, цинк и др.), называются химическими элементами.
Ломоносов указал на то» что должно существовать определенное наименьшее количество каждого вещества, сохраняющее его свойства, — корпускула (позднее это количество вещества стали называть, по Гассенди, молекулой). Все вещества состоят из молекул, все молекулы данного вещества совершенно одинаковы, а молекулы различных веществ различны.
По Ломоносову, частицы вещества находятся в непрерывном движении. Чем интенсивнее это движение, тем выше температура тела. Ломоносов предсказал существование абсолютного нуля температуры. Исходя из этих представлений, он обосновал молекулярно-кинетическую теорию газов. Газ — это совокупность молекул, свободно движущихся с большой скоростью в пространстве и непрерывно сталкивающихся друг с другом. Совокупность ударов огромного числа молекул о стенки сосуда создает давление газа. Основные положения молекулярной теории Ломоносова сохранились и поныне.
Большой вклад в науку о строении вещества внес известный французский ученый Лавуазье (1743 — 1794). На опытах он подтвердил справедливость открытого Ломоносовым закона сохранения масс. Лавуазье выяснил также сущность процесса горения и установил точный состав воды. Он развил представления Бойля о простейших веществах — химических элементах.
Для дальнейшего успешного развития химии требовалось выяснить, в чем различие в строении простых и сложных веществ. Эту важнейшую научную задачу решил знаменитый английский физик и химик Джон Дальтон (1766 — 1844) — создатель химической атомистики. По Дальтону, молекула сложного вещества представляет собой устойчивое соединение нескольких атомов — мельчайших частиц химических элементов. Сортов атомов существует столько, сколько различных в природе элементов. Из атомов можно образовать большое количество разных сочетаний, т. е. молекул.
Все тела состоят из молекул, причем все молекулы одного и того же вещества совершенно одинаковы, ибо состав их одинаков. При химических реакциях атомы разных элементов могут между собой соединиться в определенных пропорциях в молекулы более сложного вещества. Для обозначения атомов различных элементов Дальтон ввел особые значки.
КАРТА АТОМНОГО МИРА
К концу XVIII в. химия знала немногим более двух десятков химических элементов. Но вскоре было открыто еще много новых неразложимых веществ, число которых к середине прошлого века достигло уже пятидесяти.
И после каждого открытия нового химического элемента перед учеными возникали два вопроса:
1) Все ли существующие в природе элементы известны, а если есть еще неизвестные, то сколько их?
2) Существует ли какая-нибудь связь между различными химическими элементами или они совершенно независимы, не имеют ничего общего?
К тому времени были изучены свойства многих химических элементов и их соединений. Чтобы разобраться в многотысячном множестве веществ, ученым нужна была какая-то система, подобно тому как капитану корабля необходима карта. Такая система была создана в 1869 г. гениальным русским химиком — Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Она была названа периодической системой элементов.
Вспомним сначала, как определяется атомный вес элементов. Уже в начале XIX в. химики предположили, что атомы различных элементов отличаются друг от друга своим весом. Казалось бы, сравнить веса атомов элементов довольно просто: нужно на одну чашку весов положить один или несколько атомов одного сорта и уравновесить их некоторым количеством атомов другого. Но из-за ничтожной величины атомов сделать так нельзя: ведь диаметр различных атомов приблизительно равен одной стомиллионной доле сантиметра. Молекула представляет собой соединение нескольких атомов, поэтому размеры молекул тоже очень малы. Как же все-таки можно сравнить веса различных атомов?
Это проще всего сделать, воспользовавшись законом Авогадро. В 1811 г. итальянский ученый Аво-гадро пришел к выводу, что при одинаковой температуре и давлении в равных объемах любых газов содержится одинаковое число молекул. Поэтому достаточно взвесить при одинаковых условиях по одному литру различных газов. Так как один литр кислорода в 16 раз тяжелее одного литра водорода, то молекула кислорода в 16 раз тяжелее молекулы водорода. Молекулы кислорода и водорода содержат по два атома, поэтому вес одного атома кислорода равен весу 16 атомов водорода.
Следуя Дальтону, впервые введшему это понятие, атомным весом элемента стали называть число, показывающее, во сколько раз атомы данного элемента тяжелее атомов водорода. Очевидно, что атомный вес водорода равен 1, кислорода — 16.
Нужно иметь в виду, что наряду с атомным весом существует также совершенно отличное от него понятие — веса атома, измеряемое в граммах. Так, например, вес атома водорода 167 10 24 г.
Анализ атомных весов и свойств всех известных к тому времени элементов позволил Д. И. Менделееву создать единую систему химических элементов. Впервые работа Менделеева была зачитана на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге 6 марта 1869 г.
Менделеев предположил, что свойства химических элементов зависят от их атомных весов. Бели все химические элементы расположить в по^ дке возрастания их атомных весов, начиная с наиболее легкого элемента водорода и кончая самым тяжелым — ураном, то химические свойства элементов будут повторяться через некоторые правильные промежутки. Поэтому систему элементов Менделеева назвали периодической.
Рассмотрим подробнее периодическую систему элементов. Это — таблица, разбитая на отдельные клетки, в каждой из которых расположен определенный химический элемент — его символ, порядковый номер и атомный вес. Все элементы расположены в порядке возрастания их атомного веса слева направо. После заполнения первого горизонтального ряда заполняется второй, затем третий и т. д. Главная особенность таблицы в том, что все элементы, расположенные друг под другом в одном вертикальном столбце, подобны по своим химическим свойствам и по излучаемым ими спектрамТак, в первом столбце расположены химически наиболее активные одновалентные элементы — щелочные металлы: литий, натрий, калий и т. д. Спектры всех этих элементов похожи друг на друга. Это первая группа системы Менделеева. Во втором столбце — двухвалентные щелочноземельные металлы: бериллий, магний, кальций и др. — вторая группа элементов.
Третья группа — это трехвалентные элементы (бор, алюминий и т. п.) Далее идут четвертая, пятая, шестая группы элементов. В седьмую груйпу Менделеев расположил типичные неметаллические вещества: фтор, хлор, бром, иод и др. Эти элементы называют галогенами или галоидами.
Таким образом, если рассмотреть все элементы в порядке возрастания атомного веса, то валентность1 будет последовательно увеличиваться от 1 до определенного значения, равного обычно 8. Этим заканчивается один период. Затем валентность вновь уменьшается до 1 и начинается следующий период элементов. Так же периодически изменяются химические и спектральные свойства элементов. Периодический закон Менделеева показал, что все химические элементы едины по своей природе. Огромное значение периодической системы состояло не только в этом.
Система Менделеева позволила научно предсказать существование неизвестных элементов и заранее описать их химические и физические свойства. Можно оказать, что Менделеев создал карту атомного мира.
КАК БЫЛ ПОДТВЕРЖДЕН ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА
Открытие Менделеевым периодического закона не было случайным. Около двадцати лет Менделеев работал над созданием системы элементов. Будучи еще студентом Петербургского педагогического института, Менделеев задумывался над тем, какая связь существует между различными химическими элементами. Но ответить на этот вопрос было не так просто. Слишком уж разнообразны свойства химических элементов: некоторые легко вступают в реакции, другие мало активны, одни — твердые, другие — жидкие, третьи — газообразные; есть и легкие, и тяжелые элементы, есть металлы и неметаллы. Чтобы разобраться в этом пестром множестве свойств химических элементов, нужно было иметь глубокие химические знания и уметь делать широкие научные обобщения. Обладая этими данными, Д. И. Менделеев и сумел сделать свое великое открытие.
Трудность установления связи между химическими свойствами элементов и их атомным весом состояла в том, что при расположении всех известных в то время элементов по мере возрастания их атомных весов периодическая последовательность в изменении химических свойств во многих местах нарушалась. Например, если располагать элементы строго последовательно по их атомным весам, то на том месте, где должен был стоять элемент, подобный по химическим свойствам алюминию, находился бы титан. Но титан и алюминий обладают совершенно различными химическими и спектральными свойствами. К тому же, оставив титан на этом месте, мы бы нарушили общую периодическую закономерность свойств и у последующих элементов. Тщательно проанализировав этот факт, Менделеев заключил, что на месте титана должен стоять какой-то другой элемент. Химия в то время еще не знала элемента, близкого по атомному весу к титану, со свойствами, подобными алюминию. Но Менделеев, убежденный в правильности периодической системы, смело предположил, что такой элемент должен в периоде быть, но пока еще учеными не обнаружен. Для этого неизвестного элемента Менделеев оставил в периодической системе пустое место с вопросительным знаком и присвоил ему условное название «экаалюминий» («эка» означает «подобный»). Более того, Менделеев описал физические и химические свойства этого элемента. А через четыре года французский химик Буабодран открыл новый элемент, назвав его в честь своей родины (в старину — Галлия) галлием. Исследования показали, что по своим химическим свойствам галлий подобен алюминию. Галлий и был предсказанный Менделеевым экаалюминий.
Произошло это так: Буабодран, исследовавший свойства открытого им элемента, неверно определил удельный вес галлия. Менделеев тотчас же написал об этом ему в Париж. Он указал, что, согласно периодической системе, удельный вес этого элемента должен быть равен 5,9, а не 4,7, как утверждал Буабодран. Французский ученый еще раз более тщательно проверил изменения и убедился, что Менделеев был прав.
В 1880 г. шведский ученый Нильсон открыл предсказанный Менделеевым в 1871 г. элемент экабор, получивший название «скандий». Вот что писал тогда Нильсон: «Не остается никакого сомнения, что в скандии открыт экабор... Так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного элемента, но и предсказать его важнейшие свойства».
В 1886 г. был найден химический элемент германий. Свойства и этого элемента совпадали с описанными Менделеевым за полтора десятка лет до этого элементом экакремнием.
Не случайно Ф. Энгельс считал, что Менделеев, создав периодическую систему, совершил большой научный подвиг. Кроме упомянутых трех элементов, Менделеев предсказал существование и других элементов, позднее найденных учеными.
В конце XIX в. периодическая система Менделеева вновь подверглась серьезному испытанию, из которого она вышла еще более окрепшей. Дело в том, что одновременно с открытием периодического закона спектроскописты Жансен и Локьер, незави-
симо друг от друга, обнаружили в спектре Солнца яркую желтую линию, которую не излучал ни один элемент в природе. Предположили, что эту линию излучает какой-то неизвестный элемент, имеющийся только на Солнце. Этот элемент назвали гелием («Гелиос» по-гречески — Солнце).
А в 1883 г. известные английские ученые — физик Рэлей и химик Рамзай — установили, что в воздухе содержится какой-то газ, который ни при каких условиях не вступает в химические реакции. Это был новый химический элемент аргон (по-гречески — «ленивый»). Вскоре после этого выяснилось, что гелий существует не только на Солнце, но и на Земле. Гелий, как и аргон, оказался инертным, или, как его когда-то называли, «благородным» газом. Но для этих газов в таблице Менделеева и места не находилось. Оказалось, однако, что инертные газы, число которых пополнилось позднее открытыми неоном («новый»), криптоном («тайный»), ксеноном («странный») и радоном («излучающий»), образуют особую нулевую группу элементов.
Возникает вопрос: в чем же причина периодичности свойств химических элементов, установленная Менделеевым?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужно проникнуть в глубь атома, выяснить его строение, структуру. Только современная атомная физика решила эту задачу и показала, почему периодическая система Менделеева поистине стала картой атомного мира.
Глава вторая. АТОМ
После создания Д. И. Менделеевы», нернодннеской системы элементов перед наукой возник новый фундаментальный вопрос: является ли атом элементарной частицей или он в свою очередь состоит из более простых частиц?
- Ответить на этот вопрос можно было только после более глубокого исследования свойств материи.
АТОМЫ ВЕЩЕСТВА И АТОМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Люди очень давно заметили, что если два различных тела потереть друг о друга, то эти тела электризуются — одно заряжается положительно, другое — отрицательно. Этот простейший опыт показывает, что внутри вещества есть электрические заряды.
В каком же виде электричество содержится внутри атомов вещества, было неясно.
Над этим вопросом работал известный английский физик М. Фарадей (1791 — 1867). Пропуская электрический ток через различные электролиты (растворы кислот, солей или щелочей), Фарадей заметил, что на электродах всегда выделяются вещества, представляющие собой составные части электролита.
Это явление, называемое электролизом, ныне широко используется в технике. Исследуя явление электролиза, Фарадей установил следующий закон: количество выделяющихся веществ прямо пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит. Как же представить себе явление электролиза с точки зрения атомной теории строения вещества? По-видимому, мы должны предположить, что
в электролите происходит распад молекул на части, каждая из которых состоит из одного или нескольких атомов. При наличии разности потенциалов не только выделяется часть молекул электролита, но и одновременно по цепи идет ток, т. е. переносятся заряды. Поэтому мы приходим к выводу, что эти «осколки» молекул несут на себе электрический заряд. (Часть молекулы, несущая элек-
трический заряд, называется ионом.)
Фарадей заметил, что вне зависимости от силы тока, от формы электродов, от длительности прохождения тока объем выделившегося при электролизе воды водорода точно в два раза больше объема выделившегося кислорода. Если же пропустить ток через раствор соляной кислоты, то на электродах всегда выделяются одинаковые объемы водорода и хлора. Пропуская ток последовательно через оба электролита, можно убедиться, что объем водорода, выделившегося из первого электролита, всегда равен объему водорода второго электролита и равен объему выделившегося хлора. Объем же выделившегося кислорода точно в два раза меньше. Вспомним теперь, что водород и хлор одновалентны, а кислород двухвалентен и что в равных объемах газов содержится равное число молекул (закон Авогадро). При электролизе одновременно происходит и перенос электричества, и перенос вещества, причем при прохождении некоторого количества электричества выделяется соответствующее количество молекул (или атомов) вещества. Поэтому естественно предположить, что каждая молекула (или атом) переносит строго определенную порцию положительного и отрицательного электричества.
Такой вывод сделал немецкий ученый Гельмгольц в 1881 г. в речи, посвященной памяти Фарадея: «Если мы принимаем существование атомов элементов, то мы не можем избежать и дальнейшего следствия, — что и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделено «а определенные элементарные количества, которые ведут себя как атомы электричества ».
Несколько ранее, в 1874 г., ирландский физик Стоней выступил с докладом, в котором утверждал, что в природе существуют три основные мировые постоянные: скорость света, постоянная тяготения и заряд «электрического атома». Предполагая существование атома электричества, он говорил: «Природа одарила нас в явлениях электролиза строго определенным количеством электричества». Стокей позднее даже предсказал величину этого заряда, разделив количество электричества, необходимого для получения 1 см3 водорода путем электролиза, на число атомов в нем. Этот электрический атом Стоней предложил назвать электроном.
Итак, из опытов Фарадея вытекало, что молекулы и атомы вещества состоят из заряженных частей — ионов. Величина заряда иона не может быть произвольной, а должна быть кратной наименьшему возможному количеству, «зерну» — атому электричества.
КАТОДНЫЕ ЛУЧИ
Вначале XIX в. петербургский физик академик В. В. Петров заметил, что разреженные газы способны проводить электрический ток и что при этом они светятся. Эти опыты повторялись многими учеными, в том числе и Фарадеем, который тщательно исследовал особенности электрического тока в газах.
Оказалось, что при уменьшении давления в трубке характер свечения меняется и, что самое удивительное, сила тока возрастает.
К шестидесятым годам прошлого столетия техника разрежения воздуха достигла больших успехов, позволяя получать давления в несколько тысяч раз меньше атмосферного. Создав такое сильное по тому времени разрежение в разрядной трубке, Гит-торф (Германия) в 1869 г. заметил, что свечение газа совсем исчезает в трубке, но на стеклянной стенке как раз против отрицательного электрода (катода) появляется яркое изумрудно-зеленое светящееся пятно. Если на пути между катодом и зеленым пятном поместить какой-нибудь предмет, то он будет отбрасывать резкую тень. Это навело ученых на мысль, что трубку пронизывают какие-то особые невидимые лучи, которые распространяются прямолинейно от катода и вызывают свечение стекла. Немецкий физик Гольдштейн назвал эти лучи катодными лучами.
Впоследствии ученые смогли еще больше увеличить разрежение газа в трубках — до миллионных долей атмосферы. При таком разрежении катодные лучи слабели, а зеленое пятно исчезало, приборы показывали отсутствие тока в цепи трубки. Но интересно, что даже при таком разрежении воздуха в трубке зеленое пятно вспыхивает с прежней силой, если катод накалить. Раскаленный катод испускает лучи, несмотря на почти полное отсутствие воздуха.
Что же такое катодные лучи? Природа катодных лучей долгое время оставалась загадочной. Известный немецкий физик Генрих Герц считал катодные лучи возмущениями эфира. Правильный ответ на этот вопрос дали опыты английского физика Крукса в 1879 г. Крукс показал, что катодные лучи несут значительную энергию — стекло в том месте, где сияет зеленое пятно, нагревается. Под действием магнита пучок катодных лучей отклоняется и зеленое пятно на стекле соответственно смещается. Как известно, световые лучи в магнитном поле не отклоняются. Значит, катодные лучи — это не световые лучи, а поток заряженных частиц.
По направлению отклонения катодных лучей в магнитном или электрическом поле можно было определить, что это поток отрицательных зарядов.
Позднее французский физик Перрен поставил более точные опыты по определению заряда катодных частиц. Он улавливал их полым металлическим цилиндром, к которому был присоединен электрометр.
Оказалось, что электрометр действительно зарядился отрицательно.
Опыты Перрена как будто не оставляли сомнения в том, что катодные лучи представляют собой поток отрицательных зарядов.
Однако немецкие физики Герц, Ленард и другие продолжали настаивать на том, что катодные лучи — это особые короткие электромагнитные волны. Основанием для этого послужили их попытки отклонить катодные лучи электрическим полем конденсатора, помещенного в разрядную трубку, которые не увенчались успехом.
ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА
Выяснить причины расхождения между поведением катодных лучей в магнитном и электрическом полях попытался в 1897 г. известный английский физик Дж. Дж. Томсон. Проводя опыты с катодными лучами, проходящими между пластинами конденсатора, Томсон обратил внимание на следующее обстоятельство. Хотя электрическое поле конденсатора, расположенного внутри разрядной трубки, действительно не отклоняло пучок катодных лучей, однако в самый момент включения электрического поля некоторое отклонение наблюдалось. Заинтересовавшись этим, Томсон вскоре выяснил, в чем дело. В разрядной трубке давление воздуха было малым, но в ней еще оставалось достаточное количество газа. Молекулы газа под воздействием катодных лучей распадались на положительные и отрицательные ионы. При включении электрического поля положительные ионы притягивались к отрицательной пластине конденсатора, а отрицательные — к положительной пластине. Эти ионы нейтрализовывали заряды на пластинах, так что фактически, за исключением самого первого мгновения, электрического поля между пластинами конденсаторе нет. Таким образом, Томсону стало ясно, что заряженный конденсатор не отклоняет катодные лучи из-за того, что в трубке много газа. Поэтому он постарался повысить степень разрежения воздуха в трубке, что ему не без труда удалось сделать. И действительно, с увеличением вакуума отклонение катодных лучей стало вполне заметным, причем это отклонение соответствовало отрицательному знаку катодных частиц.
Таким образом, только в 1897 г. было окончательно выяснено, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц. (Томсон сначала назЕал их «корпускулами»).
Усовершенствуя свои опыты по отклонению катодных лучей в электрическом и магнитном полях, Томсон смог определить заряд и массу1 катодной частицы. Когда ему это удалось сделать, он аналогичным методом определил значения заряда и массы у заряженных частиц, вылетающих из накаленного или облученного светом металла. Явления термоэлектронной эмиссии и фотоэлектричества, о которых мы расскажем ниже, были уже известны к этому времени. Оказалось, что и в этих явлениях отрицательно заряженные частицы имеют такую же массу и заряд, как и в катодных лучах.
Тщательно проанализировав результаты своих опытов, Томсон 29 апреля 1897 г. сделал в Лондонском Королевском обществе доклад, основные выводы которого сводились к следующему:
1) Атомы не неделимы, ибо из них могут быть вырваны отрицательные частицы действием тепла, света,
1 Строго говоря, во всех рассматриваемых здесь опытах определялось отношение величины заряда к массе частицы.
электрического поля или механического удара быстро движущейся частицы.
2) Отрицательные частицы независимо от того, каким путем они были выбиты и из какого рода атомов, все одинаковы по массе и по величине заряда.
3) Масса такой частицы приблизительно равна ... массы атома водорода.
4) Отрицательные частицы являются, таким образом, зернами, «атомами» отрицательного электричества. Эти частицы стали называть, по Стонею, электронами.
АНОДНЫЕ ЛУЧИ
Итак, катодные лучи — это поток электронов. Откуда берутся эти электроны? Естественно допустить, что они являются частицами атомов газа, который в небольших количествах всегда имеется в трубке. Но атомы всех тел нейтральны. Значит, если из атома вылетит один (или несколько отрицательно заряженных электронов, то остальная часть атома должна иметь положительный заряд. И если в разрядной трубке электроны движутся от катода ( — ) к аноду (+), то положительно заряженные атомные остатки должны двигаться в противоположную сторону — от анода к катоду.
Наличие таких положительных частиц было подтверждено в 1886 г. немецким физиком Гольдштейном с помощью следующего опыта. Он взял обычную разрядную трубку, расположив отрицательный электрод (катод) посередине трубки. В катоде он просверлил несколько узких каналов (отверстий). Положительные атомные остатки, или ионы, возникшие в газе трубки между анодом и катодом, двигаясь к катоду, приобретали большую скорость. Конечно, большая часть ионов при этом задерживалась поверхностью катода, но те ионы, которые попадали в каналы, проникали в «закатодную» часть разрядной трубки. Они и образовывали анодные лучи, которые называются еще каналовыми.
Анодные лучи, попадая на стекло, как и катодные лучи, вызывают свечение стекла. Под действием сильного магнитного или электрического поля анодные
лучи тоже отклоняются, хотя и значительно слабее, чем катодные. По направлению их отклонения можно судить, что частицы, из которых они состоят, имеют положительный заряд. Масса этих положительных частиц в несколько тысяч раз больше массы катодных частиц.
Исследования катодных и анодных лучей показали, что атомы имеют сложное строение и состоят из отрицательно заряженных электронов и положительных остатков.
НАКАЛЕННЫЙ МЕТАЛЛ ВЫБРАСЫВАЕТ ЭЛЕКТРОНЫ
В 1873 г. было замечено, что электрически заряженные металлы при сильном нагревании теряют свой заряд. Поскольку это явление наблюдалось в воздухе, то уменьшение заряда у накаленного металла объяснили образованием газовых ионов вблизи металла под действием высокой температуры.
Спустя 10 лет знаменитый американский изобретатель Т. Эдисон, изучая свойства усовершенствованных им угольных ламп накаливания, обнаружил аналогичное явление в вакууме. Он впаял в лампу, кроме угольной нити накаливания, еще металлическую пластинку, от которой наружу через стекло был выведен проводник. Затем этот провод через гальванометр соединил с нитью. Оказалось, что если соединить провод от пластинки с положительным концом нити, то стрелка гальванометра отклоняется, хотя между нитью и пластинкой цель разорвана. При соединении же пластинки с отрицательным концом нити тока в цепи нет. Это явление назвали эффектом Эди-
сона. Дальнейшие исследования Флеминга, Эльстера и Гейтеля показали, что причина тока в эффекте Эдисона — испускание накаленной нитью отрицательных электрических зарядов.
Когда после упоминавшихся классических опытов Томсона в 1897 г. оказалось, что масса и заряд вылетающих из накаленного металла отрицательных частиц в точности совпадают со значениями этих величин у катодных частиц, то картина полностью прояснилась. С поверхности всякого накаленного до высокой температуры металла и вылетают в большом количестве электроны. Они-то и переносили заряд с нити на пластинку в опытах Эдисона.
Явление испускания раскаленными телами электронов получило название термоэлектронной эмиссии. Оказалось, что количество вылетающих из накаленного металла электронов резко возрастает при повышении температуры, а также при нанесении на поверхность металла тонкой пленки некоторых металлов. На явлении термоэлектронной эмиссии основано действие радиоламп, кинескопов телевизоров, рентгеновских трубок и многих других радиоэлектронных приборов. Для нас важно, что это явление подтверждает сложное строение атомов вещества.
СВЕТ ВЫБИВАЕТ ИЗ МЕТАЛЛА ЭЛЕКТРОНЫ
Доказательством того, что в состав атомов металлов входят электроны, было явление, открытое немецким ученым Г. Герцем в 1887 г. Он изучал, как влияют внешние условия на электрический разряд, возникающий между электродами, к которым приложено высокое напряжение. Чтобы сделать более заметной возникающую в промежутке слабую искру, Герц поместил свою установку в темную камеру. Но оказалось, что искра возникала только при меньших расстояниях между электродами. Проверяя, в чем дело, Герц обнаружил, что, как только на искровой промежуток падает свет, искра возникает при больших расстояниях между электродами. Если же на пути такого пучка света поместить прозрачное стекло, искра уменьшается. Заменив стекло кварцевой пластинкой, Герц Заметил, что искра вновь увеличивается. Поскольку кварц в отличие от стекла пропускает ультрафиолетовые лучи, то стало ясно, что они облегчают образование искры. Сделав это открытие, Герц исследовал его подробнее. Свою статью с изложением полученных результатов он закончил словами: «В настоящее время я ограничиваюсь сообщением этих фактов и не делаю попыток дать теорию этих явлений».
Изучением этого явления занялись в Германии Гальвакс и в России профессор А. Г. Столетов. Галь-вако облучал светом отрицательно заряженный цинковый шарик, который был соединен с электроскопом. Если до освещения шарика лучами листочки электроскопа были разведены, то, направив яркий пучок света от электрической дуги на шарик, он замечал быстрое опускание листочков. Если до облучения цинковый шарик был незаряжен, то после облучения шарик заряжался положительно. Выяснилось, что
металлы при облучении их светом теряют отрицательные заряды. Это явление назвали фотоэлектрическим эффектом.
Значительно более серьезные количественные результаты получил А. Г. Столетов, который приступил к исследованию этого явления в начале 1888 г., сразу же после опубликования Герцем его сообщения. Прежде всего Столетов создал оригинальную установку для проведения опытов. Он установил два небольших металлических диска — один сплошной, другой в виде сетки — параллельно друг другу. Оба диска соединил с электрической батареей и гальванометром и облучил их светом, свободно проходившим через сетку и попадавшим на сплошной диск. Столетов провел огромное множество опытов, меняя полярность и материал дисков, длину волны падающего света, давление воздуха между дисками, электродвижущую силу батарей и т. п. В результате этих экспериментов, а также исследований других ученых были сформулированы законы фотоэффекта.
Сущность этих законов состоит в том, что при облучении светом металла из него вылетают отрицательно заряженные частицы, количество которых прямо пропорционально величине светового потока. Фотоэффект наблюдается тем лучше, чем короче длина волны падающего света.
Фотоэффект получил широкое применение в современной технике: ни телевидение, ни звуковое кино, ни фототелеграф не существовали бы без фотоэлементов, впервые созданных А. Г. Столетовым.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА
Как только Томсон в 1897 г. сообщил об открытии электрона, ученые (в том числе и сам Томсон) попытались измерить заряд одного электрона. Но из-за ничтожных размеров электрона возникали огромные технические трудности и эти измерения не отличались большой точностью.
Только американскому физику Милликену в 1911 г. и советскому академику А. Ф. Иоффе в 1912 г. удалось, преодолев все трудности, получить те значения величины заряда электрона е, которые и сейчас считаются общепризнанными.
Суть опытов Милликена такова. В камеру, из которой был тщательно выкачан воздух, помещался горизонтальный плоский конденсатор с отверстием в верхней пластинке. С помощью особого приспособления в камеру впускали капельки масла, которые в момент отрыва от пульверизатора вследствие трения, оказывались заряженными. Эти капельки, падая, попадали через отверстие в электрическое поле конденсатора. Меняя напряжение пластин, можно было уравновесить электрической силой вес капельки. Капелька повисала неподвижно, что можно было видеть в микроскопе. Определяя размеры капелек и зная удельный вес масла, нетрудно было вычислить их вес, а следовательно, и уравновешивающую его электрическую силу. А отсюда уже совсем просто определить величину заряда этих капелек. Такие измерения производились сотки раз и оказывалось, что у капелек всегда заряды кратны некоторой наименьшей величине, а именно величине, близкой к той, которая была получена из опытов по электролизу для «атома электричества». Таким образом, Милликен показал, что электричество имеет зернистое, атомарное строение и что заряд атома электричества, т. е. заряд электрона, равен 1,6 -10-19 гс.
Такой же результат получил А. Ф. Иоффе в опытах, где он наблюдал за отрицательно заряженными металлическими пылинками, взвешенными между пластинками конденсатора и облучавшимися ультрафиолетовым светом. При освещении металлических пылинок происходил фотоэффект, и из них выбивались электроны. При этом заряд пылинок всегда уменьшался на величину, кратную заряду электрона.
ПЕРВАЯ МОДЕЛЬ АТОМА
К концу XIX в. стало совершенно ясно, что вопреки своему названию («неделимый») атом имеет сложное строение. Как же он устроен? Даже сейчас видеть атом в современные электронные микроскопы невозможно, а 60 лет назад об этом не могло быть и речи.
Но науке было известно, что при определенных уело-виях, например при высокой температуре, атомы излучают свет. Нельзя ли по этому свету что-либо сказать об устройстве атома? Впервые за решение зтой задачи взялся в 1903 г. известный уже нам Дж. Дж. Томсон.
Рассмотренные в этой главе опыты, несомненно, указывали на электрическую природу строения атомов — они состоят из отрицательных электронов и положительных остатков. Поскольку в обычных условиях атомы нейтральны, то положительный заряд остатка, очевидно, равен суммарному отрицательному заряду всех электронов атома. С другой стороны, при определенных условиях атом может излучать свет. А свет, как было к тому же времени доказано, представляет собой электромагнитные волны, которые наш великий соотечественник А. С. Попов в 1895 г. впервые в мире использовал для установления беспроволочной телеграфной связи. Радиоволны отличаются от световых волн только длиной волны. Длина волны равна расстоянию, на которое распространяется колебание в среде за период колебания. Так, в радиотехнике применяются электромагнитные волны длиной от тысячи метров до нескольких сантиметров. Наш глаз может воспринимать только электромагнитные волны длиной в несколько стотысячных долей сантиметра — это и есть световые волны. Природа световых и радиоволн одна и та же.
Вернемся к рассуждениям Томсена о строении атома. Так как атом может излучать электромагнитные волны, то его строение должно напоминать собой вибратор.
Томсон предложил следующую модель атома, состоящую из отрицательных электронов и положительного остатка. Атом — это положительно заряженный жидкий шар, внутри которого плавают электроны. Заряд положительного шара равен отрицательному заряду электронов, так что в целом атом нейтрален. Когда атом находится в нормальном состоянии, электроны находятся в положениях равновесия. Если же на атом воздействуют какие-нибудь внешние силы и он возбуждается, то электроны начинают колебаться около положения равновесия.
Рассмотрим с точки зрения этой модели атом водорода, у которого всего один электрон. В обычном состоянии электрон находится в центре шара, так что силы, действующие на электрон, уравновешены. Но при повышении температуры тела, когда учащаются столкновения атомов, электрон может отклониться от положения равновесия и сместиться в сторону. Тогда на него будут действовать силы со стороны положительного шара, которые притянут его к центру. Электрон под действием этих сил будет двигаться все быстрее и быстрее к центру и по инерции, подобно маятнику, проскочит положение равновесия и начнет удаляться от центра. С этого момента силы электрического поля положительного шара будут тянуть элек-
трон в другую сторону. Под действием этих сил электрон затормозится, остановится и вновь начнет ускоренно двигаться к центру и т. д. Таким образом, электрон будет непрерывно колебаться относительно центра атома.
Чтобы атом мог излучать световые электромагнитные волны, частота которых порядка миллиона миллиардов колебаний в секунду, электроны в атомах должны тоже колебаться с такой частотой. Томсон подсчитал, что для этого диаметр положительного шара, то есть размер атома, должен примерно быть равным одной стомиллионной доли сантиметра. Такие же размеры атомов получались и из других вычислений и опытов, поэтому полученный Томсоном результат был в то время убедительным аргументом в пользу правильности его модели.
Модель атома по Томсону, оказавшись неверной, просуществовала в науке недолго — около пятнадцати лет, но с ее помощью удалось объяснить многие сложные физические явления.
Глава третья. РАДИОАКТИВНОСТЬ
РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ
В конце 1895 г. немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген сделал открытие, сыгравшее огромную роль в развитии атомной физики.
Рентген в это время был уже известным физиком, выполнившим большое количество сложнейших исследований электрических и оптических свойств кристаллов, магнитного поля движущихся заряженных диэлектриков и многих других. Характерной чертой всех этих работ было сочетание высокого мастерства экспериментатора с чрезвычайной точностью измерений. Не случайно Рентген считался в то время лучшим экспериментатором в мире, и многие полученные им результаты по определению различных физических величин и сейчас считаются образцовыми.
И все же открытие Рентгеном каких-то загадочных, невидимых лучей, способных проникать через любые тела, названных им х-лучами (икс-лучами), вызвало во всем мире сенсацию и было встречено многими учеными с недоверием. Уж слишком необычным оказалось научное сообщение профессора Рентгена «О новом виде лучей». Да и само открытие, как выяснилось, было сделано ученым до некоторой степени случайно. В то время Рентген изучал всевозможные свойства катодных лучей. Для этого он испытывал разнообразные по форме и размерам разрядные трубки и определял, как влияют на электрический ток в газах форма и размер трубок, а также давление газа в них.
Как-то поздно вечером профессор, закончив, наконец, цикл исследований в лаборатории, собрался домой. Он закрыл разрядную трубку непрозрачным чехлом, потушил свет в лаборатории и стал закрывать дверь на ключ. В этот момент он вспомнил, что не выключил ток высокого напряжения, идущий через разрядную трубку. Он вернулся в комнату и, не включая свет, подошел к столу с установкой, чтобы выключить рубильник. И вдруг ученый заметил на столе какой-то ярко светящийся предмет. Оказалось, что это светится небольшой экран, покрытый флуоресцирующим составом (платино-синеродистая соль бария). Флуоресцирующие вещества обладают тем замечательным свойством, что, если на них падает свет, они в свою очередь начинают светиться, испуская своеобразные, характерные для данного вещества световые лучи. Но в лаборатории было темно, и на флуоресцирующий экран, стоявший на столе, свету неоткуда было попадать, а экран все-таки излучал свет. Рентген осторожно разомкнул рубильник в цепи разрядной трубки — экран перестал светиться. Он вновь включил ток в трубке, и экран опять засветился. Рентген несколько раз выключал и включал рубильник, и тотчас же экран то потухал, то вспыхивал. Ученый оцепенел от удивления. Как может прохождение тока через трубку, к тому же накрытую непрозрачным черным картонным чехлом, вызвать свечение флуоресцирующего вещества, расположенного на значительном расстоянии от трубки? Не сомкнув глаз до рассвета, Рентген всю ночь экспериментировал в лаборатории. Сначала он постарался выяснить, не светится ли экран только в данном месте стола. Он перемещал экран то дальше, то ближе к трубке. Оказалось, что с удалением от трубки свечение экрана ослабевает, но еще заметно на расстоянии более двух метров. Уже эта зависимость интенсивности свечения от расстояния указывала на то, что причина флуоресценции исходит именно от разрядной трубки.
Рентген предположил, что внутри разрядной трубки при достаточном напряжении между электродами образуются какие-то особые лучи, способные пройти через непрозрачный картонный чехол. На пути предполагаемых лучей он поставил толстую книгу — экран продолжал светиться несколько слабее. Тогда ученый начал помещать между трубкой и светящимся экраном различные материалы, оказавшиеся у него в лаборатории : куски досок, металлические пластинки
и т. п. Оказалось, что эти тела в различной степени проницаемы для этих таинственных лучей.
Рентген начал более подробно изучать возникновение и действие х-лучей. Прежде всего он выяснил, что источником лучей служит анод (положительный электрод разрядной трубки). Помимо способности проникать через различные тела, которая тем выше, чем больше напряжение, приложенное к трубке, эти лучи обладали и другими интересными свойствами.
Под действием х-лучей воздух, который в обычных условиях изолятор, хорошо проводит электрический ток. (Позднее выяснилось, что рентгеновские лучи ионизируют молекулы воздуха, разбивая их на положительные и отрицательные ионы.) Рентген обнаружил также, что х-лучи, подобно обычным видимым лучам, но более сильно, воздействуют на фотопластинку.
Как только в печати появилось сообщение Рентгена, сотни ученых во всем мире начали ставить опыты по изучению х-лучей. Все они полностью подтвердили результаты Рентгена. Мало кому после Рентгена удалось обнаружить какие бы то ни было новые существенные свойства х-лучей. В опубликованных Рентгеном в течение 1895 — 1897 гг. трех статьях были изложены все основные свойства этих лучей.
Более того, Рентген впервые понял, что х-лучи можно использовать для просвечивания различных тел, и прежде всего живых организмов. Он писал в одной из упомянутых статей, что если на пути этих лучей расположить руку, то на экране можно увидеть темные тени костей на фоне слабой тени самой руки. При этом был приложен первый в мире рентгеновский снимок, полученный им, — это была рентгенограмма руки его жены.
Рентген указывал и на удобство таких снимков, которые можно делать и в светлой комнате, пользуясь фотопластинкой, завернутой в черную бумагу или помещенную в кассету.
Приведенных примеров достаточно, чтобы понять, сколь справедливо всемирное признание заслуг Рентгена, в честь которого открытые им т-лучи стали называть рентгеновскими.
Что же представляют собой рентгеновские лучи? [ Природа рентгеновских лучей такая же, как и обычных видимых лучей. Это электромагнитные волны, но значительно более короткие. Рентгеновские лучи возникают при резком торможении быстро летящих электронов, которые вылетают из накаленной нити отрицательного электрода (катода) и летят, все ускоряясь под действием электрического поля к аноду. Ударяясь о вещество анода, электроны затрачивают часть своей энергии на его нагревание, а остальная часть идет на излучение весьма коротких рентгеновских волн.
В настоящее время рентгеновские лучи широко применяют не только в медицине, но и в промышленности, сельском хозяйстве, науке. Рентгеновская трубка прочно вошла в нашу жизнь.
Открытие Рентгена имело огромное значение для последующего развития физики. Оно послужило, в частности, толчком для исследований французского физика Анри Беккереля, который тоже исследовал рентгеновские лучи. В статье Рентгена сообщалось, что в том месте, где рентгеновские лучи выходят из трубки, стекло трубки светится желтовато-зеленым светом, подобным свету многих флуоресцирующих веществ. Антуан Анри Беккерель, профессор Парижской политехнической школы и член Парижской Академии наук, уже давно изучал свойства различных флуоресцирующих составов. Интересно отметить, что изучение флуоресценции было своеобразной традицией в семье Бек-керелей: и дед Анри — академик Антуан Сезар
Беккерель, и отец — профессор Александр Эдмон Беккерель сделали важные открытия в этой области физики. В начале XX в. исследования флуоресценции продолжал сын Анри — профессор Жан Беккерель. Поскольку и рентгеновские лучи и лучи флуоресценции образуются в одном и том же месте, то у Беккереля возникла мысль: не является ли флуоресценция основной причиной возникновения рентгеновских лучей?
В опытах Рентгена, думал Беккерель, катодные лучи, ударяясь о стенку разрядной трубки, вызывают флуоресценцию, которая, может быть, и порождает рентгеновские лучи? Может быть, рентгеновские лучи существуют всегда, когда есть флуоресценция? Беккерель решил проверить это предположение.
В качестве флуоресцирующего вещества он взял кусочек минеральной соли урана и положил его на фотопластинку, тщательно обернутую в черную бумагу, не прозрачную для видимых лучей. Затем пластинка с минералом выставлялась на солнце и через некоторое время проявлялась. Эти опыты Беккереля показали, что на пластинке каждый раз отпечатывалось темное пятно, по форме совпадающее с куском минерала. Сначала Беккерель пред-
А. Беккерель (1852 — 1908)
Известный французский физик, член Парижской Академии наук, лауреат Нобелевской премии (1903). Выполнил ряд работ по оптике и электромагнетизму. Открыл излучение ураном радиоактивных лучей.
положил, что это потемнение объясняется действием солнечного света на флуоресцирующее вещество, которое излучает еще и рентгеновские лучи. А они, проникая через черную бумагу, воздействуют на фотопластинку. Однако, как скоро выяснилось, это объяснение не соответствовало действительности. Однажды Беккерель производил свои опыты в пасмурный день, и пластинка почти не флуоресцировала. Решив отложить опыт, он положил пластинку с солью в темный шкаф. Так как погода не прояснялась несколько дней, то Беккерель проявил пластинку, ожидая получить на ней очень слабое изображение минерала. Но, взглянув на негатив, он обнаружил совершенно неожиданную картину — потемнение, напоминавшее форму куска минерала, оказалось более интенсивным, чем во всех предыдущих случаях, хотя в темном шкафу на соль не попадал свет и она не могла флуоресцировать. Следовательно, его первоначальное предположение о
возникновении рентгеновских лучей при флуоресценции отпадало. Опыт показал, что, хотя соль урана не была предварительно освещена солнечным светом, на пластинку воздействовали какие-то лучи, проникающие через черную бумагу. Беккерель понял, что это какое-то носвое явление, и он начал его исследовать.
Он проделал подобные опыты с другими флуоресцирующими веществами. Оказалось, что на фотопластинку действовали только те вещества, которые содержали в себе уран. Беккерелю стало ясно, что лучи, способные проникнуть через черную бумагу, испускают уран, поэтому он назвал их урановыми лучами.
Лучи, открытые Беккерелем, подобны по многим своим свойствам лучам Рентгена. Они тоже действуют на фотопластинку, проходят через непрозрачные тела (черную бумагу, тонкие металлические пластинки), под их влиянием воздух становится проводником электричества. Но в отличие от рентгеновских лучей, которые можно получить только при специальных условиях — высоком напряжении и сильно разреженном газе, урановые лучи (первое время их называли лучами Беккереля) излучаются всегда, все время, непрерывно, для их получения не нужно затрачивать энергию.
Эта способность урана излучать самопроизвольно, без видимого внешнего воздействия, казалась особенно поразительной. Ведь уже первые опыты показали, что урановые лучи обладают большой энергией. Что же служит источником этой энергии?
ОТКРЫТИЕ МАРИИ И ПЬЕРА КЮРИ
В связи с открытием Беккереля перед физикой встал новый вопрос: только ли один элемент в природе излучает их? Как только было опубликовано сообщение Беккереля, за решение этого вопроса смело взялась молодая польская ученая, только что начавшая самостоятельную научную деятельность, — Мария Склодовская-Кюри. Она родилась и выросла в семье учителя Варшавской гимназии. Уже в средней школе Мария проявила незаурядные способности. Блестяще окончив Парижский университет в 1894 г., Мария М. Склодоиская-Кюри (1867 — 1934)
Выдающийся физик, основоположница учения о радиоактивности. В 1903 г. защитила докторскую диссертацию «Исследование радиоактивных веществ». Мария Кюри — единственная в мире ученый, дважды удостоенный Нобелевской премии, в 1903 г. и в 1911 г. Член Парижской и многих иностранных Академий, почетный член Академии наук СССР.
Склодовская начала свою научно-исследовательскую работу. В 1897 г. сразу же после защиты кандидатской диссертации она по совету мужа Пьера Кюри приступила к исследованию лучей Беккереля. Ее увлекла эта еще совершенно не исследованная область физики.
В труднейших условиях, в сырой, холодной, тесной комнате, при почти полном отсутствии материалов и приборов, необходимых для проведения опытов, с маленькой дочерью Ирен на руках, Мария Кюри начала свою работу.
Два года она упорно и настойчиво исследовала свойства тысяч различных солей, минералов, рудных пород. Наконец, она получила первый важный результат. Оказалось, что элемент торий тоже испускает лучи Беккереля. Кюри продолжала поиски. Вскоре она обнаружила еще более удивительный факт: урановая руда испускает лучи Беккереля с гораздо большей интенсивностью, чем чистый уран. Следовательно, заключила Мария Кюри, в этой руде имеется в виде примеси ничтожное количество какого-то неизвестного вещества, излучающего такие лучи значительно сильнее, чем уран, которого в руде много. В результате долгого и упорного труда Марии, работавшей теперь вместе с Пьером Кюри, удалось выделить два дотоле неизвестных элемента, испускающих лучи Беккереля. Один из них они назвали полонием (в честь Польши — родины Марии Склодовской-Кюри), другой — радием (т. е. «излучающий»). Интенсивность излучения радия оказалась в миллион раз больше, чем урана. Вое вещества, способные излучать лучи Беккереля, супруги Кюри назвали радиоактивными, а само явление — испускание этих лучей — радиоактивностью. Позднее лучи Беккереля стали называться радиоактивными.
Часть полученных радиоактивных препаратов супруги Кюри передали ученым, в том числе Беккерелю. Таким образом, большая группа физиков и химиков могла одновременно изучать свойства радия и других радиоактивных веществ.
После открытия радия Мария и Пьер Кюри еще в течение четырех лет упорно работали, чтобы получить радий и полоний в чистом виде, и притом в заметных количествах. Чтобы извлечь эти новые вещества, нужно было обработать огромные количества урановой руды, которая была очень дорога (ее добывали в Австро-Венгрии, где из нее извлекали соли урана). Так как на помощь со стороны государства им рассчитывать не приходилось, то они на свои личные весьма скромные средства купили отходы урановой руды, из которой были извлечены соли урана. С большим трудом им удалась выхлопотать для своих исследований сарай со стеклянной крышей, в котором зимой была лютая стужа, летом жарко, как в парнике, а в дождливую погоду вода капала на столы. В таких условиях они работали с 1898 по 1902 г.
В 1902 г., через сорок пять месяцев после того, как супруги Кюри объявили о предполагаемом существовании радия, после неимоверных, нечеловеческих усилий, Мария Кюри, наконец, одерживает победу. Ей удалось добыть 0,1 грамма хлорида радия и определить атомный вес нового элемента — он равен 226. С этого момента существование радия было признано всеми физиками и химиками мира. За это открытие в 1903 г. Марии и Пьеру Кюри была присуждена (пополам с Беккерелем) Нобелевская премия по физике. За получение радия в чистом виде Марии Кюри в 1911 г. была вторично присуждена Нобелевская премия по химии.
В 1903 г., выступая с докладом в Стокгольмской Академии наук, Пьер Кюри высказал следующую пророческую мысль: «Не трудно предвидеть, что в преступных руках радий может сделаться крайне опасным. Возникает вопрос: действительно ли полезно для человечества знать секреты природы, действительно ли оно достаточно зрело для того, чтобы их правильно использовать, или это значение принесет ему только вред? Я принадлежу к числу тех, которые считают, что все же новые открытия в конечном счете приносят человечеству больше пользы, чем вреда».
КОНЕЦ ФРАГМЕНТА КНИГИ
|
