I. История радиоактивности

Приложение 1

 

Э. РЕЗЕРФОРД

Сорок лет развития физики

Последнее публичное выступление Резерфорда.

 

I. ИСТОРИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ

 

Я намерен прочесть две лекции: первую - о развитии представлений о радиоактивности - и вторую - о современных воззрениях на структуру атомов. Я полагаю, что Комитет, организовавший эти лекции по истории современной науки, поступил очень разумно, избрав в качестве отправной даты 1895 год, ибо именно этот год отмечен в истории как рубеж, отделяющий то, что мы называем старой, или классической, физикой, от новой, или современной, физики. Именно в том году Рентген сделал свое далеко идущее открытие - Х-лучи, открытие, которое как само по себе, так и по следствиям оказало огромное влияние на прогресс науки. Мне самому посчастливилось в тот переходный 1895 год начать работу в Кавендишской лаборатории с Дж.Дж. Томсоном, и прежде всего я хочу рассказать немного о взглядах ученых того времени.

Рассмотрим вкратце то, в чем мы, физики, тогда были уверены. Прежде всего, существовала знаменитая электромагнитная теория Максвелла, которая устанавливала связь между светом и электрическими колебаниями, так что свет считался не чем иным, как формой электрических волн, распространяющихся в пространстве. Отсюда следовало, что атомные спектры, такие, например, как яркие спектральные линии, испускаемые водородом при воздействии электрического разряда, представляют собой типы электрического колебания и поэтому, видимо, образуются в результате колебания некоторого электрического заряда. В связи с этим многие теоретики, как, например, Лоренц и Лармор, считали, что в атоме должны находиться электрические вибраторы, хотя сначала они и не представляли себе, как эти вибраторы заряжены - положительно или отрицательно.

Другой общепринятой теорией была кинетическая теория газов, в которой предполагалось, что свойства газов могут быть объяснены движением молекул, и, как вам известно, на основе определенных экспериментальных результатов можно было вычислить число молекул в кубическом сантиметре газа и оценить размер и вес атомов. Однако сделанные тогда различными специалистами численные оценки время от времени значительно изменялись, и мы могли только очень приближенно вычислить массу или размер атома. Причина этой неопределенности частично связана с тем, что расчеты по кинетической теории были очень грубы и неполны, а частично с тем, что экспериментальные данные были не очень надежны.

Многие из вас не будут удивлены, услышав, что мы верили в кинетическую теорию и молекулярное строение вещества. Однако имеется один вопрос, который теперешние молодые ученые легко забывают, и состоит он в том, что атомная структура электричества в то время тоже в основном считалась правильной. Верно, конечно, что в то время не существовало однозначных экспериментов, ведущих к такому представлению, но оно принималось как результат знаменитых выводов, сделанных много лет назад Фарадеем из экспериментов по электролизу. Большая заслуга в широком распространении этих идей принадлежит ученому Джонстону Стони из Дублина, которого я знал лично. Именно он был тем, кто увидел, что должна существовать фундаментальная единица заряда, переносимая атомом водорода при электролизе воды, и для этого заряда он придумал слово "электрон", применяемое теперь во всем мире.

Рассмотрим теперь уровень знаний в тех областях химии, которых мы будем сегодня касаться. В результате проведенных в течение столетий усердных работ химики преуспели в разделении и очистке подавляющего большинства элементов, и возникло представление о том, что атомы данного типа вещества все сделаны по одному образцу. Атомы были неизменяемы и неразрушаемы, и такими они должны были оставаться навечно или до тех пор, пока будет существовать наука химия. И хотя от старого представления об атоме как о твердом "биллиардном шаре" в конце прошлого века полностью отказались, химики все еще были уверены, что с точки зрения имеющихся в их распоряжении методов атомы неизменны и определенно неразрушаемы. Случалось, что кто-нибудь воображал, что он превратил один тип атома в другой, но всегда можно было доказать, что он ошибся.

Тогда же было развито замечательное обобщение, известное как периодический закон, на основе которого свойства элементов связывались с их положением в ряду по атомным весам. Наиболее мыслящие из химиков инстинктивно чувствовали, что этот закон соответствует представлению о том, что все атомы либо схожи по своей структуре, либо каким-то образом сделаны из более элементарного материала. Но эти представления были очень смутны, и истинное значение периодического закона было понято лишь через 10 или 15 лет.

Теперь я подошел к началу моего рассказа. Возможно, лишь некоторые из вас отчетливо себе представляют ту необыкновенную сенсацию, которую вызвало открытие Рентгеном Х-лучей в 1895 г. Оно заинтересовало не только ученых, но и простых людей, которые были потрясены возможностью увидеть собственные внутренности и кости. Все лаборатории мира использовали свои старые круксовские трубки для получения Х-лучей, и Кавендишская лаборатория не представляла исключения. Эти старые круксовские трубки показывали, что катодные лучи обладают способностью вызывать яркую фосфоресценцию в целом ряде веществ; кроме того, было замечено, что Х-лучи, по-видимому, испускаются из точек падения этих катодных лучей. Это навело многих на мысль, что Х-лучи, возможно, связаны некоторым образом с фосфоресценцией и что, быть может, фосфоресцирующие вещества могут испускать Х-лучи.

Многие исследователи на континенте экспериментировали в этом направлении, в том числе и Анри Беккерель в Париже. Его отец, профессор, очень интересовался фосфоресценцией, в частности измерением ее продолжительности, и его тоже интересовали довольно необычные свойства, наблюдаемые в урановых соединениях. Анри помогал своему отцу в работе, и еще за 15 лет до того, т.е. в 1880 г., развлекался тем, что выращивал кристаллы бисульфата урана и калия, которые восхитительно сверкали после того, как их выставляли па свет. В своих поисках зависимости между фосфоресценцией и Х-лучами Беккерель помещал множество фосфоресцирующих веществ, обернутых черной бумагой, над фотопластинкой, но результаты были полностью отрицательными. Тогда ему пришло в голову испытать свои кристаллы солей урана. Сначала он экспонировал эти кристаллы на свету, чтобы заставить их фосфоресцировать, а затем завертывал в черную бумагу и помещал над фотопластинкой. После выдержки в течение нескольких часов и проявления был обнаружен отчетливый фотоэффект. Эксперимент был повторен, причем между урановой солью и фотопластинкой был помещен осколок тонкого стекла, чтобы исключить эффекты, связанные с возможными испарениями, однако фотоэффект был получен снова. Сначала Беккерель предположил, что испускание лучей, которые способны проникнуть сквозь черную бумагу, каким-то образом связано с фосфоресценцией, но затем он показал, что эффект наблюдается и тогда, когда урановая соль предварительно хранилась в течение нескольких недель в темноте, так что не было даже признаков фосфоресценции. Затем он заметил, что все соли урана и сам металл обладают свойством испускать излучение, проникающее сквозь черную бумагу. Так он открыл явление, которое мы теперь именуем радиоактивностью.

Теперь мы назовем всем нам знакомое имя - Мария Кюри. Она начала исследовать активность различных веществ, изучая скорость, с которой радиация разряжает помещенные вблизи наэлектризованные тела. Она установила, что урановая смолка и некоторые другие минералы производят больший эффект, чем чистый уран, и пришла к выводу, что эти минералы должны содержать некое вещество, обладающее большей активностью, чем уран. Поэтому она сделала химический анализ этого минерала, последовательно проведя обычные процессы химического разделения, причем на каждой стадии оставляла ту часть, которая обладала большей радиоактивностью. Она обнаружила два особенно активных вещества: одно, похожее химически на висмут, она назвала полонием, другое, химически похожее на барий, - радием.

Содержание радия в любых радиоактивных минералах чрезвычайно мало, порядка 1 части на 10 000 000, но, оперируя тоннами исходных минералов, М. Кюри смогла приготовить достаточно чистый бромид радия, чтобы определить атомный вес радия и показать, что он имеет определенный спектр, т.е. иными словами, чтобы показать, что радий ведет себя химически, как обычный элемент.

Благодаря Гизелю, химику хининной фабрики в Брауншвейге, впервые в продаже появились почти чистые препараты радиевой соли. Говорят, не знаю насколько это верно, будто ему удалось выделить радий чуть раньше, чем М. Кюри. Но, поскольку он использовал разработанную ею методику и его работа явилась прямым следствием работ М. Кюри, он с истинно научным благородством отказался претендовать на приоритет в этом деле. Как бы там ни было, его труд имел важные последствия, так как его заинтересованность в этих веществах привела к тому, что рыночная цена бромида радия составляла 1 фунт стерлингов за 1 мг. Я приобрел 30 мг, и Рамзай сделал то же. Немного позднее радий стоил уже 12 фунтов стерлингов за 1 мг.

Открытие радия имело огромное значение для науки, главным образом вследствие того, что его активность столь велика (более чем в миллион раз выше, чем урана), что нельзя было уже считать это небольшим второстепенным эффектом. То что радий обладает длительной жизнью (1600 лет) и легко выделяется химически, тоже увеличивает его значение.

Интересно оглянуться назад и представить себе, что произошло бы, если бы радиоактивность урана была открыта раньше. Элемент, впоследствии названный ураном, был открыт более столетия назад, в 1789 г., Клапротом, и если бы он поместил это вещество вблизи электроскопа, то мог бы заметить, что оно разряжает электричество. По моему мнению, на этом бы все и закончилось. Люди сказали бы, что это любопытно, но не сделали бы отсюда никаких выводов. Никто бы не задался вопросом, как этот эффект произошел. Для науки характерно, что открытия происходят преимущественно тогда, когда общественная мысль к ним уже подготовлена.

Теперь, я надеюсь, мне позволено будет рассказать о моем знакомстве с сущностью радиоактивности. Когда я поступил в Кавендишскую лабораторию в 1895 г., я начал работу по ионизации газов Х-лучами. Я прочел статью Беккереля, и мне захотелось узнать, не одинаковы ли по своей природе ионы, образующиеся от излучения урана и от Х-лучей, и, в частности, меня заинтересовало мнение Беккереля о том, что его излучение есть что-то промежуточное между светом и Х-лучами. Поэтому я приступил к систематическому исследованию излучения и установил, что существует два его типа: одно создает интенсивную ионизацию и поглощается в нескольких сантиметрах воздуха, а другое производит менее сильную ионизацию, но более проникающее. Я назвал их соответственно  - и -лучами; когда же в 1898 г. Вийяр открыл еще более проникающий впд излучения, он назвал его лучами.

В 1898 г. я приехал в Мак-Гиллский университет в Монреале и там встретился с Р. Оуэнсом, новым профессором электротехники, который прибыл одновременно со мной. Оуэнс имел стипендию, которая обязывала его проводить некоторые физические исследования; он спросил, не могу ли я ему предложить тему, которую он мог бы исследовать для оправдания этой стипендии. Я предложил ему исследовать с помощью электроскопа торий, радиоактивность которого была тем временем открыта Шмидтом. Я помогал ему в проведении экспериментов, и мы обнаружили некоторые очень странные явления. Оказалось, что радиоактивное воздействие окиси тория может проходить сквозь дюжину листков бумаги, положенных поверх этой окиси, но задерживается тончайшей пластинкой слюды, как будто излучается что-то, способное диффундировать сквозь поры бумаги. Тот факт, что прибор был очень чувствителен к движению воздуха, поддерживал эту диффузионную гипотезу. Затем мы провели эксперименты, в которых воздух проходил над окисью тория, а потом попадал в ионизационную камору. Эти опыты показали, что активность может переноситься воздухом. Однако, когда поток воздуха прекращался, активность в ионизационной камере не сразу исчезала, а уменьшалась постепенно по экспоненциальному закону. Я назвал это газообразное вещество, которое может диффундировать сквозь бумагу, переноситься воздухом и в течение некоторого времени сохранять свою активность, исчезающую по характерному закону, "эманацией тория".

Я установил, что эта эманация обладает чрезвычайно своеобразным свойством делать радиоактивными тела, над которыми она проходит. Казалось, что это свойство скорее всего обусловлено осаждением некой материальной субстанции, а не какой-либо активностью, возникшей в самих телах под действием излучения, так как тогда количество осажденного вещества должно увеличиваться при приложении электрического поля. В те времена многие получали неповторяющиеся и странные результаты, помещая предметы вблизи радиоактивных веществ; по-видимому, все это могло объясняться наличием таких же эманаций, как обнаруженная нами у тория.

Прежде чем считать такое объяснение правильным, необходимо было выяснить истинную природу эманации. Это было очень трудно, так как доступное количество ее всегда было очень мало. С самого начала Содди и я предположили, что это, должно быть, инертный газ вроде гелия, неона или аргона, так как нам никак не удавалось заставить ее соединиться с каким-либо химическим веществом. Мы смогли грубо оценить ее молекулярный вес путем сравнения скорости ее диффузии и других газов с известным молекулярным весом. Используя свойство эманации разряжать электроскоп в качестве меры наличного ее количества, нам удалось, имея в своем распоряжении очень малое количество эманации, измерить эту скорость диффузии. Мы пришли к заключению, что ее атомный вес должен быть примерно равен 100. Затем мы постарались определить, образуется ли эманация непосредственно из тория или же из какого-то промежуточного продукта. Применяя химические методы, мы смогли отделить промежуточное вещество, из которого образуется эманация, и назвали его "торий X".

Примерно в то же время Рамзай заметил, что в большинстве радиоактивных минералов присутствует гелий и что он представляет собой другой газообразный продукт превращений. Впоследствии я сам смог показать, что гелий обусловливается накоплением -частиц.

До 1903 или 1904 г. количество радия было очень ограничено, и большей частью имевшегося в мире радия располагали супруги Кюри, которые выделили его из урановой смолки путем долгого и трудного процесса. Одно из первых сделанных ими наблюдений заключалось в том, что температура радия весом около 100 мг выше температуры окружающего воздуха. Они подсчитали, что 1 г радия должен выделять тепло со скоростью около 100 кал/час. Этот эксперимент всех взбудоражил, ибо даже мысль о существовании какого-либо вещества, температура которого выше температуры окружающего воздуха, была нестерпима для старомодных физиков, и тогда всеобщее распространение получило представление о том, что радий обладает своеобразным свойством действовать в качестве термодинамической машины, использующей тепло воздуха. Я был твердо убежден в том, что тепловой эффект неизбежно есть следствие излучения  - и -частиц и что он уменьшается со временем точно так же, как и активность. Впоследствии мы смогли разобраться в причинах тепловых эффектов радиоактивных тел и показать, что в этом процессе нет ничего загадочного. Мы смогли показать, что теплота при этих радиоактивных превращениях может выделяться в огромных количествах. Эти количества, подсчитанные на единицу массы, оказались в миллионы раз больше тех, которые были получены с помощью химических реакций, и мы смогли показать, что это характерно для всех радиоактивных превращений.

Теперь я хочу немного остановиться на экспериментальных доказательствах природы -частиц. Различными экспериментами и с помощью разных сотрудников мне удалось показать, отклоняя -частицы в магнитном поле, что эти частицы есть атомы гелия, несущие два положительных заряда; мы смогли также измерить их скорость. Примерно в то же время (193 или 1904 г.) Брэгг и Климан сделали свой весьма интересный и важный анализ ионизационной кривой -лучей, показав, что ионизация изменяется вдоль их пути весьма характерным образом. Теперь кривая, описывающая форму такого изменения, известна как "кривая Брэгга".

Я хочу рассказать также о двух важных открытиях, являющихся в большой степени заслугой Содди. Я говорю об открытии закона смещения и открытии изотопов среди радиоактивных элементов.

Исследуя химические свойства радиоактивных веществ, Содди заметил, что часто имеется простое соотношение между положениями в периодической таблице исходных и конечных элементов, участвующих в радиоактивных превращениях. Прежде чем он смог убедиться в общности такого вывода, необходимо было определить химические свойства всех известных радиоактивных элементов, что было далеко не простой задачей, так как многие из них имелись в ничтожных количествах. Такую же работу провел Ган; в результате широкое обобщение, теперь известное как "закон смещения", было сделано почти одновременно А. Расселом, Фаянсом и Содди. Этот закон просто утверждает, что, если вещество испускает -частицу, оно перемещается вниз на два места в периодической таблице, а когда оно испускает -частицу, то оно поднимается в таблице на одно место вверх. Очевидно, что это связано с тем фактом, что -частица несет два положительных заряда, а -частица - один отрицательный заряд.

В отношении изотопов положение было следующим. Многие исследователи при разделении определенных радиоактивных тел натолкнулись на невероятное, почти непреодолимое затруднение. Содди очень заинтересовался этим явлением и обнаружил несколько радиоактивных веществ, которые он не смог разделить. Эти вещества были совершенно различными и обладали характерными радиоактивными свойствами, однако их нельзя было разделить с помощью химических операций. Он обратил также внимание, что в периодической таблице для большой группы радиоактивных элементов даже пет места, и предположил, что существуют элементы, не отделимые с химической точки зрения, но обладающие различными свойствами с точки зрения радиоактивности. Содди назвал соответствующие элементы такого рода "изотопами", и так было положено начало большой области исследований, огромный вклад в которую внес Астон.

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: