Занимательная квантовая физика

Все вышеизложенное не оставляет никакого сомнения в правильности гениальной догадки Крукса о том, что электроны катодных лучей являются составной частью всех химических атомов. Но исследование катодных лучей привело не только к открытию электронов — этих предсказанных Франклином «атомов электрического флюида», — оно привело также и к другому весьма важному открытию, оказавшему огромное влияние на все дальнейшее развитие физики. Речь идет об открытии рентгеновских лучей.

В 90-х годах XIX века очень многие физики изучали замечательные свойства катодных лучей. При этом делались интересные открытия. Так, например, немецкий физик Ленард открыл способ изучать катодные лучи вне разрядной трубки. Для этого он проделал в стеклянной стенке трубки «окошечко» для катодных лучей, т. е. отверстие, закрытое металлическим листиком, очень тоненьким, но все же способным выдерживать атмосферное давление. Через это окошечко он выпустил из трубки катодные лучи наружу и сумел их изучать в воздухе. Заметим, что воздух оказывается не очень «прозрачным» для катодных лучей: пробежав в воздухе несколько сантиметров, электроны останавливаются, — очевидно, вследствие столкновений с атомами газов, из которых состоит воздух.

Еще более замечательное открытие суждено было сделать другому немецкому физику — мюнхенскому профессору Вильгельму Конраду Рентгену.

В ноябре 1895 года он совершенно случайно обнаружил, что, когда разрядная трубка, в которой от катода бегут катодные лучи, помещена в картонный футляр, экран, покрытый флюоресцирующим веществом, начинает ярко светиться при приближении к этой трубке. Отсюда Рентген заключил, что разрядная трубка испускает особые лучи, невидимые глазу, но свободно проходящие через футляр. Падая на экран, покрытый платиносинеродистым барием, они заставляют его светиться. В первое мгновение Рентген был готов думать, что эти лучи света суть лучи Ленарда, т. е. вырвавшиеся наружу катодные лучи, но он должен был сейчас же отбросить это предположение, потому что лучи Ленарда очень плохо проходили даже через воздух — нескольких сантиметров воздуха было вполне достаточно для того, чтобы их задержать и поглотить, — а эти лучи, наоборот, обладали совершенно удивительной проникающей способностью: они свободно проходили через две сложенные вместе колоды карт, через еловую доску, через человеческую руку и т. д. Исследовав ближе это замечательное явление, Рентген обнаружил, что лучи испускаются той частью стеклянной стенки разрядной трубки, куда падают электроны катодных лучей. Под влиянием ударов со стороны падающих электронов стекло стенки начинает испускать (наряду со своим видимым зеленовато-желтым свечением, о котором мы уже упоминали в первой главе) также и особые, невидимые лучи, которые распространяются во все стороны и обладают удивительной способностью проникать на сравнительно большую глубину в тела, непрозрачные для видимого света. Такие лучи Рентген назвал «лучами икс», но это название, впрочем, не привилось, и в настоящее время на русском и на немецком языке открытые Рентгеном лучи называются попросту рентгеновскими лучами (англичане и французы продолжают называть их «лучами икс»).

Очень скоро Рентген обнаружил, что источником новых лучей может служить не только стекло разрядной трубки, но и всякое другое твердое тело, на которое падают достаточно быстрые электроны. Так как интенсивные и быстрые катодные лучи сильно разогревают всякое тело, на которое они падают, то лучше всего взять толстую металлическую пластинку из тугоплавкого металла, например вольфрама, и направить пучок катодных лучей на нее. Так возникла обычная форма «рентгеновской трубки», где против катода действительно располагается такая металлическая пластинка (антикатод), которая и служит источником рентгеновских лучей. (Заметим, что такой металлический антикатод вовсе не флюоресцирует, так что упомянутая в первой главе гипотеза Беккереля о том, что испускание рентгеновских лучей связано с флюоресценцией, не имеет под собой никакой почвы.) На антикатод может быть нанесен слой какого-либо иного вещества. Это важно потому, что, как мы увидим дальше, рентгеновские лучи, испускаемые различными веществами, различны по своим свойствам.

Наиболее замечательные особенности рентгеновских лучей (если не считать их удивительной проникающей способности) заключаются в следующем. Они не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном полях, откуда следует, что, в отличие от катодных лучей, они не несут на себе никакого электрического заряда. Падая на способный флюоресцировать экран, они заставляют его светиться. Фотографическую пластинку они чернят совершенно таким же образом, как это делают и видимые лучи света. Проходя через воздух, они делают воздух проводником электричества, так что заряженный электрометр, находящийся в таком воздухе, быстро разряжается (его заряд утекает через воздух) и его листочки спадают. (Таким же свойством, как мы знаем, обладают лучи Беккереля.) Каков может быть физический смысл этого замечательного свойства рентгеновских лучей? Для того чтобы воздух стал проводником электричества, необходимо, чтобы в нем появились какие-то носители электрического заряда, способные передвигаться в электрическом поле. Отсюда следует, что рентгеновские лучи, проходя через воздух или через какой-нибудь другой газ, ионизуют этот газ, т. е. превращают часть его молекул в ионы, отрывая от них электроны. После этого в газе появляются положительные ионы наряду с оторвавшимися отрицательными электронами. Любое заряженное тело, находящееся в таком ионизованном воздухе, начнет разряжаться, потому что оно оттолкнет от себя те заряженные частицы, которые имеют заряд такого же знака, как и это тело, и притянет к себе частицы, заряженные электричеством противоположного знака; притянувшись к нему, эти частицы нейтрализуют (уравновесят, уничтожат) его заряд. Ясно, что чем интенсивнее рентгеновские лучи, тем сильнее вызванная ими ионизация воздуха и, следовательно, тем быстрее разряжаются в этом воздухе наэлектризованные тела.

Долгое время физики спорили о том, что же представляют собой эти таинственные лучи Рентгена. В конце концов они пришли к заключению, что рентгеновские лучи — это электромагнитные волны такого же рода, как лучи видимого света, с той лишь разницей, что они обладают во много раз меньшей длиной волны.

Наиболее полное подтверждение эта догадка получила в замечательном явлении, которое было открыто в 1912 году. История этого открытия такова. Мюнхенские физики, группировавшиеся вокруг Рентгена, имели обыкновение собираться в свободное время в одном кафе, где между ними происходили оживленные научные споры. Однажды, во время такого спора, один из этих физиков — Лауэ — высказал следующую мысль: «Всем известно, — сказал Лауэ, — что обыкновенные лучи видимого света обладают тем свойством, что если взять дифракционную решетку (стеклянную пластинку, на которой очень густо нанесены параллельные и равноотстоящие друг от друга царапины), то свет, отражаясь от такой „решетки“, будет не по всем направлениям одинаково ярок: в одних направлениях световые волны будут усиливать друг друга, а в других направлениях они будут друг другу мешать, так что в результате там никакого света не будет. Если рентгеновские лучи похожи на видимый свет, но только имеют гораздо меньшую длину волны, то и для них следовало бы приготовить такую же дифракционную решетку, которая дала бы возможность хорошенько изучить их свойства, измерить их длину волны и т. д. Но только такая дифракционная решетка должна быть покрыта царапинами гораздо более густо, чем обыкновенная решетка для видимых лучей, — во столько раз гуще, во сколько раз длина волны рентгеновских лучей меньше, чем видимых лучей.

Боюсь, что никакой мастер не возьмется приготовить такую решетку. Но, к счастью, такие дифракционные решетки для рентгеновских лучей уже существуют в природе, и их можно сразу получить в готовом виде. Я имею в виду кристаллы. Их блестящие грани, их правильные геометрические очертания — все это наводит на мысль о том, что в них атомы расположены правильными рядами, совсем как штрихи в дифракционной решетке».

Рентгенограмма Лауэ

Когда присутствующее выслушали эту речь Лауэ, они решили произвести на другой же день опыт — посмотреть, что делается с рентгеновскими лучами после прохождения их через кристалл поваренной соли или какое-нибудь другое кристаллическое вещество. За такой опыт взялся молодой физик П. Книппинг.

На другой же день он приступил к работе, но, к несчастью, он расположил фотографическую пластинку не так, как следовало, и после нескольких часов экспозиции он ничего на ней не получил (ему хотелось заставить рентгеновские лучи отразиться от кристалла и свернуть под прямым углом, но этого они на самом деле не делают). Тогда другой физик — В. Фридрих, — работавший в соседней комнате, пришел к Книппингу на помощь и поставил пластинку так, чтобы рентгеновские лучи могли падать на нее, пройдя через кристалл насквозь. Результат получился удивительный: вокруг центрального пятна, которое на фотопластинке сделали лучи, прошедшие кристалл насквозь, расположились в правильном порядке черные пятнышки. Пятнышки эти были следами от рентгеновских лучей, отразившихся от внутренних граней кристалла, т. е. от параллельных рядов его атомов. Картина, получившаяся на фотографической пластинке, служила блестящим подтверждением как той мысли, что рентгеновские лучи имеют длину волны, во много раз меньшую, чем видимые лучи, так и той мысли, что в кристаллах атомы располагаются идеальными правильными рядами, образуя, как говорят, «кристаллическую решетку». Поэтому можно считать, что такие фотографические снимки («рентгенограммы Лауэ») заодно являются убедительным доказательством также и того факта, что атомы действительно существуют, а не являются измышлением «невежественных аптекарей», как говорил Шопенгауэр.

Явление, открытое Лауэ, Фридрихом и Книппингом, позволяет убить сразу двух зайцев: 1) исследовать внутреннюю структуру кристаллов, т. е. определить весь строй кристаллической решетки, в которой располагаются атомы твердого тела; 2) измерить длину волны рентгеновских лучей. Над обеими задачами работали многие физики, и в настоящее время мы знаем расположение атомов в ряде кристаллов так же хорошо, как если бы мы видели эти атомы собственными глазами. Измерение же длины волны рентгеновских лучей достигло совершенно исключительной точности. Ограничимся немногими примерами. На рисунке представлено пространственное расположение атомов в кристалле поваренной соли. Темные и белые шарики изображают атомы натрия и атомы хлора. И те и другие атомы образуют кубическую решетку; обе решетки как бы вдвинуты друг в друга. При этом отмеченная на рисунке длина равна 2,814 × 10-8 см. Ни один атом натрия не связан с каким-нибудь одним атомом хлора в молекулу, изолированную от всех остальных частиц; поэтому уместно сказать, что весь кристалл поваренной соли представляет одну гигантскую молекулу. Такие же сведения были добыты и о громадном количестве других кристаллических тел. Заметим также, что многие тела, которые до тех пор считались аморфными (не кристаллическими), оказались «микрокристаллическими»: их кристаллы слишком малы, чтобы быть обнаруженными каким-нибудь иным путем, и только рентгеновские лучи дают возможность их исследовать.

Расположение атомов в кристалле поваренной соли.

Приведем также несколько числовых данных, относящихся к длине волны рентгеновских лучей. Методы рентгеновской спектроскопии позволяют измерять длину волны лучей примерно в промежутке от 0,1 А до 15 А. (Значком А обозначается единица длины — ангстрем. Один ангстрем равен 10-6 см.) Точность, с которой можно измерить длину волны характеристических рентгеновских лучей, совершенно потрясает: после работ шведского ученого Зигбана она достигла одной стотысячной доли ангстрема, то есть 10–13 см.

Длина волны рентгеновских лучей раз в тысячу меньше, чем длина волны лучей видимых: так, например, кальций имеет в видимом спектре линию с длиной волны 3933,83 А, а длина волны его наиболее жесткой характеристической рентгеновской линии равна 3,36169 А. Из этих чисел видно, насколько широк тот спектр частот электромагнитных колебаний, с которым приходится иметь дело физику: начиная с волн длиною в несколько километров, улавливаемых радиоприемником, он простирается до рентгеновских лучей с длиной волны в несколько стомиллионных долей сантиметра. В дальнейшем мы увидим, что существуют волны еще более короткие.

Рентгеновский спектрограф

За блестящим открытием Лауэ последовали работы английских физиков У. Г. Брэгга и У. Л. Брэгга (отца и сына), которые придумали способ фотографировать спектры рентгеновских лучей. Построенный ими рентгеновский спектрограф имеет следующее устройство. Лучи рентгеновской трубки, выделенные в узкий пучок, падают на кристалл и затем, отражаясь от него, на фотографическую пленку. Кристалл может вращаться, причем с поворотом его меняется, конечно, и угол, под которым рентгеновские лучи падают на грань, параллельную оси вращения кристалла. Поэтому при поворачивании кристалла процессу отражения подвергаются все новые и новые волны, в результате чего на фотографической пленке разворачивается спектр рентгеновских лучей. Исследование по методу Брэггов спектра рентгеновских лучей, получаемых от обыкновенной рентгеновской трубки, показывает, что кроме непрерывного фона, т. е. лучей с самыми разнообразными и непрерывно меняющимися длинами волн, в спектре присутствуют еще отдельные резкие линии, выделяющиеся на этом непрерывном фоне. Положение этих линий зависит от того вещества, из которого состоит поверхность антикатода; совокупность этих линий называется характеристическим спектром того химического элемента, которому принадлежат эти «характеристические» рентгеновские линии.

В 1914 году молодой английский физик X. Дж. Мозли (в следующем году убитый на войне в Галлиполи) исследовал характеристические рентгеновские линии ряда химических элементов и обнаружил замечательный факт, который заключается в следующем: если расположить химические элементы в том порядке, в каком они располагаются в периодической таблице Менделеева, и затем рассмотреть их характеристические рентгеновские спектры, то все спектры будут очень похожи друг на друга, и только длина волны спектральных рентгеновских линий будет становиться все меньше и меньше, когда мы будем переходить от одного химического элемента к следующему, затем еще к следующему и так далее. Это убывание длины волны при переходе от элемента к элементу происходит совершенно планомерно, по определенному закону, а поэтому, если в списке элементов есть какой-нибудь пропуск (какой-нибудь химический элемент еще не открыт), то это сразу обнаруживается из рассмотрения рентгеновских спектров: при переходе от какого-нибудь элемента к другому элементу, который следует за ним не непосредственно, а с пропуском одного или двух промежуточных элементов, получается чересчур большой скачок в длине волны рентгеновских спектральных линий. По величине скачка можно судить о том, сколько элементов пропущено. На этом открытии Мозли и основано наше знание периодической системы: именно благодаря этому открытию мы уверены, например, в том, что между неодимом и самарием есть один промежуточный элемент, а не два, и т. д. Вот почему мы с уверенностью приписываем самому тяжелому элементу — урану — 92-й, а не какой-нибудь другой номер.

История об электроне и рентгеновских лучах будет неполной, если мы не расскажем, как американский физик Роберт Эндрус Милликен, пользуясь ионизующим действием рентгеновских лучей, сумел измерить заряд электрона совершенно непосредственным способом, как если бы речь шла об измерении заряда какого-нибудь наэлектризованного бузинового шарика.

Способ Милликена заключался в следующем. В пространство между двумя пластинами 1 и 2 конденсатора с помощью особого пульверизатора вбрызгивались мельчайшие капельки масла. Манипулируя заслонкой 3, можно было на короткое время подвергать воздух между пластинами конденсатора действию лучей рентгеновской трубки 4.

Схема опыта Р. Милликена

Как только рентгеновские лучи начинали освещать пространство между пластинами, воздух в этом пространстве ионизовался, и легко могло случиться, что одна из масляных капелек соединится с каким-либо ионом, становясь, таким образом, заряженной. Если пластины конденсатора не заряжены электричеством, то на такую масляную капельку будет действовать только сила тяжести и капелька будет медленно падать (медленно потому, что для тел таких маленьких размеров сопротивление воздуха их движению играет очень большую роль). Освещая пространство между пластинами вольтовой дугой 5, лучи которой собираются в нужную точку выпуклым стеклом 6, Милликен мог следить в микроскоп за падением масляной капельки. Как только пластины конденсатора заряжались, в движении капельки происходило изменение: если, например, она была заряжена отрицательно, а конденсатор заряжался так, что верхняя пластина получала положительный заряд, то капля начинала притягиваться к верхней пластине и отталкиваться от нижней; поэтому падение капли замедлялось или даже заменялось поднятием. Массу капли, конечно, нельзя было определить простым взвешиванием, но ее можно было вычислить, измерив скорость, с которой капля падает в отсутствие электрического поля. Это делается на основании законов гидромеханики, позволяющих рассчитать сопротивление воздуха движению шарообразных капелек различных размеров. Зная скорость, с которой капля падает в отсутствие поля (когда ее заряд не играет роли), и скорость, с которой та же заряженная капля падает в заданном и известном электрическом поле, Милликен мог вычислить, чему равен заряд капли. Оказалось, что в разных случаях заряды капелек бывали различны, но всегда они представляли целое кратное величины 4,77 × 10–10 абс. ед., то есть равнялись или просто этой величине, или удвоенной, или утроенной и т. д., но никогда не равнялись этой величине, умноженной на какое-либо дробное число. Отсюда Милликен заключил, что величина е = 4,77 × 10–10 абс. ед. представляет наименьшее возможное в природе количество электричества, т. е. «порцию», или «атом», электричества. Эта величина, следовательно, и есть заряд электрона. Точность опытов Милликена такова, что невероятно ожидать ошибки большей, чем тысячная доля измеряемой величины. Таким образом, величина е найдена, и это позволяет определить значения и других постоянных.

Ведь мы знаем, что заряд электрона е связан с числом атомов в грамме водорода (N) и с массой атома водорода (М) соотношением Nе = e/M = 2,895 × 1014 абс. ед., а с массой электрона (m) соотношением e/m = 5,307 × 1017 абс. ед.

Так как теперь е известно, то из этих уравнений можно легко вычислить m, М и N.

Вычисление дает N = 6,062 × 1023, что находится в полном согласии с тем результатом, который получил Перрен, изучая броуновское движение. Масса водородного атома оказывается равной М = 1,662 × 10–24 г, а масса электрона m = 9,01 × 10–28 г.

О том, как мала масса электрона, выраженная в граммах, можно судить из следующего сопоставления: отношение массы электрона к одному грамму почти в два раза меньше, чем отношение грамма к массе всего земного шара. Если великого удивления заслуживает то искусство, с которым физики и астрономы сумели взвесить земной шар и небесные светила, то еще большее удивление должны возбуждать те физические опыты, из которых можно с такой уверенностью (вероятная ошибка не больше одной десятой процента) заключать о массе ничтожного электрона — самой мелкой единицы, входящей в состав материальных тел.

Всего поразительнее во всем этом то обстоятельство, что заключения о заряде и о массе электрона сделаны не на основании каких-либо очень специальных и натянутых гипотез, — напротив, эти заключения можно считать весьма прямыми и непосредственными следствиями наблюдаемых явлений: ведь наблюдения Милликена относились к отдельным электронам (заряд капли во многих опытах равнялся величине е или удвоенной, утроенной и т. д.). Эти опыты являются убедительнейшим доказательством реальности электронов и атомов. Всего убедительнее в этом доказательстве полное совпадение, которое существует между результатами опытов Милликена и результатами опытов Перрена: ведь те и другие опыты основаны на совершенно разных идеях и на первый взгляд ничего не имеют общего друг с другом. Числам, полученным из этих опытов, приходится верить, — по той же самой причине, по которой на суде верят двум свидетелям, если они, не имея никакой возможности предварительно сговориться друг с другом, оба утверждают одно и то же.

Глава четвертая. Разгадка радиоактивности

Мы знаем теперь, что все вещи состоят из атомов и что атом не является чем-то абсолютно неделимым; наоборот, атом — это какая-то сложная система, от которой могут отделяться крохотные части — отрицательно заряженные электроны. Таков, в общих чертах, был тот запас знаний, которым обладали физики на рубеже XIX и XX столетий. И, опираясь на этот, в сущности очень скудный, запас знаний о веществе, физики должны были разгадать головоломную загадку, которая отпугнула бы от себя самого самонадеянного сыщика на свете, — загадку радиоактивности.

Мы возвращаемся к нашей детективной истории.

Самое поразительное, самое чудесное в радии — это его неутомимость. Днем и ночью, зимой и летом, без устали, без передышки радий посылает в пространство свои невидимые лучи. Каждый час грамм радия испускает столько тепла, сколько нужно, чтобы растопить примерно полтора грамма льда. Много ли это? Это не очень много: грамм угля, сгорая, испускает тепла почти в пятьдесят раз больше, но зато он ведь сгорает и перестает быть углем, а грамм радия, испуская тепло в течение часа, в течение суток, в течение года, остается совершенно таким же, каким был раньше, — его способность испускать лучи Беккереля и вместе с ними энергию остается прежней, и он, как и раньше, готов безостановочно испускать энергию в течение новых и новых лет. Вот это-то и есть самое неслыханное, самое беспримерное из всего, что физикам когда-либо приходилось слышать и видеть. Когда топится печка, в ней сгорают дрова, и, если не подбрасывать дров, печка погаснет. Когда идут часы, в них все время раскручивается пружина или опускается гиря, и, если их не заводить, они остановятся. Во всей природе только радий оказывается каким-то странным исключением: ничего в нем не тратится, ничего не сгорает, никогда он не стареет, он вечно молод. Он похож на волшебный кошелек в старой сказке: сколько раз ни вынимать из такого кошелька золотую монету, в нем всегда остается еще одна.

Другой не менее странный факт, относящийся к радию, — это его полная независимость от внешних влияний, полное равнодушие к ним. С тех пор как радий впервые был получен в лаборатории, физики неоднократно пробовали повлиять на его радиоактивность, применяя самые разнообразные способы, но ни сильный жар, ни сильный холод, ни самые высокие давления, какие только можно осуществить средствами современной техники, — ничего не оказывало влияния на радиоактивность: лучи, испускаемые радием, не становились ни сильнее, ни слабее. Для того чтобы охарактеризовать то огромное впечатление, которое произвели на физиков оба эти свойства радия — его неутомимость и его равнодушие ко всем внешним воздействиям, — достаточно процитировать слова, сказанные одним из первых исследователей радиоактивности (Содди): «В крошечном кусочке радия нет ничего, что напоминало бы громадные масштабы и размеры Вселенной, а между тем он выделяет энергию в такой пропорции, в какой ее не выделяет ни Солнце, ни одна из звезд. Предположим, например, что наше Солнце вместо тех веществ, из которых оно состоит теперь и которые, как нам известно из спектрального анализа, входят и в состав Земли, состояло бы из чистого радия. Если допустить, что каждая частица такого Солнца выделяет энергию в той же пропорции, что и равная ей по массе частица радия, то нетрудно будет учесть количество выделяемой им энергии. Короче говоря, количество света и теплоты, выделяемых таким Солнцем, было бы в миллион раз больше, чем теперь»[3].

Еще и по другой причине наша мысль почти бессознательно обращается от радия к высшим явлениям Вселенной: ведь только в отношении этих явлений мы оказываемся в положении зрителей, бессильных влиять на них и управлять ими. Все могущественные ресурсы современной лаборатории — крайние пределы тепла и холода, а также давления, сильные химические реактивы, действие сильных взрывчатых веществ, наиболее сильные электрические поля — не влияют на радиоактивность радия и на количество выделяемой им энергии ни в малейшей степени. Радий черпает свои запасы энергии из неизвестного до сих пор источника и подчиняется неоткрытым пока законам. Есть что-то сверхъестественное в его отделенности от окружающей среды и в его безразличии к ней. Он как будто принадлежит другим мирам, за пределами нашего, питается тем же неугасимым огнем и движется тем же не поддающимся контролю механизмом, который поддерживает свет великих солнц в мировом пространстве в течение безграничных периодов времени.

Непрерывное излучение крупинки радиоактивного вещества, которую мы держим в руке, напоминает многие из странных тайн, давно позабытых.

В лабораториях всего мира физики жадно набросились на изучение радиоактивности. Можно смело сказать, что в это время (в 1900 году или около того) не было ни одного физика на свете, который бы не ломал голову над этой трудной загадкой: что же такое, в конце концов, эта радиоактивность? Каков ее внутренний механизм, внутренний смысл? Отчего она происходит? И каждый физик, по мере сил, пробовал догадаться о том, каково решение этой загадки. Одни говорили: если радий все время испускает свои лучи и они не становятся от этого слабее, то, значит, он эти лучи, это тепло, эту энергию все время откуда-то снова получает. Например, возможно, что во всем пространстве распространяются какие-то лучи, которые свободно проходят через все тела и даже через всю толщу земного шара. Не только мы не видим этих лучей, но их даже не замечает фотографическая пластинка, и только радий имеет особенную способность поглощать эти лучи и затем их испускать вновь, но уже в измененном виде — в виде лучей Беккереля. Выходит, что если сравнить радий с часами, то эти часы на самом деле все время «заводятся», заводятся таинственными лучами, которые поглощаются радием и затем перерабатываются им в лучи Беккереля.

Трубка, наполненная виллемитом, для опытов с эманацией радия

Другие говорили: никаких таких лучей, которыми «заводится» радий, не существует. В радии все время что-то тратится, но только очень медленно, и потому мы этого никак не замечаем. Если бы взять грамм радия и очень долго ждать, десятки лет (а если понадобится, то и сотни), то в конце концов можно будет заметить, что лучи радия стали слабее, чем раньше.

Все это были довольно-таки праздные разговоры, потому что вначале ни та, ни другая сторона ничем не могла доказать свою правоту. Поэтому оставалось только одно: наблюдать и делать опыты, пока наконец загадка радия не будет разгадана.

В 1900 году многие физики, работая в своих лабораториях, сделали удивительное открытие: они обнаружили, что воздух вокруг вещества, в котором есть хотя немножко радия, тоже становится радиоактивным. Впервые это заметили Пьер и Мария Кюри, но не они разгадали настоящий смысл этого открытия. Это сделали два молодых англичанина, которые в то время жили в Канаде, в городе Монреале. Имена этих молодых физиков — Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди.

Они сделали такой опыт: взяли стеклянную трубочку и положили туда несколько кусочков виллемита. Виллемит — это ничем не примечательный с виду камешек, зеленовато-серый, похожий на те гладкие камешки, которые обыкновенно валяются на берегу моря. Но у виллемита есть замечательное свойство: если его освещать лучами радия, то он начинает светиться холодным ярким зеленым, светом. Резерфорд и Содди впустили в свою трубочку с виллемитом воздух, который довольно долгое время находился в соседстве с веществом, содержащим немножко радия. После этого трубочку закрыли с обеих сторон (для этого в ней были с двух сторон устроены краны) и отнесли в темную комнату.

И вот, хотя радия поблизости не было, виллемит стал так ярко светиться, что при этом свете можно было даже посмотреть на часы и прочитать заголовок газеты. Выходит, что воздух в трубочке с виллемитом заставляет виллемит светиться точь-в-точь так же, как он светился под лучами радия. Как только краны открыли и выдули из трубок этот воздух, виллемит светиться перестал.

Как же объяснить, что воздух, побывавший в соседстве с радием, сам становится радиоактивным? Резерфорду пришла в голову очень простая и очень смелая мысль: он предположил, что из радия все время выходит какой-то газ, но не простой газ, а радиоактивный, испускающий лучи Беккереля. Газ этот, попадая в воздух, смешивается с ним. Значит, лучи Беккереля испускает не сам воздух, побывавший в соседстве с радием, а новый газ, попавший в воздух из радия. Этому новому газу Резерфорд дал название «эманация радия» (это название значит «то, что выходит из радия»).

Эманация радия в этих опытах Резерфорда и Содди поступала в воздух в самых крохотных количествах, но все же ее можно было заметить по яркому свечению виллемита. Содди сделал такой опыт: он сфотографировал стеклянную трубку с эманацией и с виллемитом в темной комнате: виллемит сам испускает тот свет, который позволил его фотографировать. Но в книжке, которую написал Содди, говорится, что фотография не дает никакого представления о красоте виллемита, светящегося в эманации радия.

В своих воспоминаниях Содди говорит, что это одна из самых красивых вещей на свете и что, смотря на свечение виллемита и размышляя о его причинах, он ощущал такие чувства, которые может по-настоящему передать только поэт.

Долгое время физики не хотели верить, что эманация радия есть действительно газ — такой же, как воздух или как углекислый газ, но только радиоактивный. Например, Пьер и Мария Кюри утверждали, что эманация совсем не простой газ, а что-то среднее между обыкновенным веществом и лучами света. Но Резерфорд и Содди проделали много опытов, чтобы доказать, что эманация есть газ.

Всякий газ можно превратить в жидкость, если только достаточно сильно его охладить. И вот Резерфорд и Содди достали такую холодильную машину, в которой воздух можно сделать жидким. Такая машина теперь имеется в каждой хорошей физической лаборатории: в ней можно осуществить мороз в 192 °C ниже нуля. При таком холоде воздух делается жидким.

Резерфорд и Содди взяли несколько литров жидкого воздуха и сделали следующий опыт. У них был большой пустой стеклянный шар, покрытый изнутри очень легким налетом сернистого цинка. Если бы в этот шар попала эманация радия, то сернистый цинк стал бы светиться под действием лучей Беккереля. Резерфорд и Содди стали вдувать в этот шар тот воздух с примесью эманации, который у них был заперт в стеклянной трубке с виллемитом. Они вдували эту эманацию через длинную трубку, часть которой находилась в сосуде с жидким воздухом. Поэтому в этой части трубки температура была очень низка и эманация никак не могла проскочить через эту часть трубки: она замерзала в ней, превращаясь в жидкость, застревала там, не доходя до стеклянного шара.

Прибор Резерфорда и Содди для демонстрации сжижения эманации радия

Всего этого Резерфорд и Содди не могли видеть, потому что не очень-то разберешь, что творится внутри стеклянного колена трубки, засунутого в сосуд с жидким воздухом; да если бы они и могли туда заглянуть, то все равно не смогли бы заметить этих микроскопических капелек жидкой эманации. Но им было совершенно ясно, что дело происходит именно так. Почему им это было ясно? Потому, что, когда стеклянное колено трубки лежало в жидком воздухе, эманация не попадала в шар, и шар не светился. Но стоило только вынуть колено из жидкого воздуха, как эманация, нагревшись, через несколько минут снова испарялась, и ее легко можно было продуть в шар. Достаточно было один раз нажать рукой на резиновую грушу для продувания эманации, чтобы эманация попала в шар, который сейчас же начинал светиться, как фонарь, мягким белым приятным светом. При свете этого фонаря Содди мог смотреть на часы.

Что вытекает из всех таких опытов? Из них вытекает, что радий беспрерывно выделяет из себя какое-то другое радиоактивное вещество — эманацию радия. Эманация получается в ничтожных количествах: нужно иметь очень много радия, чтобы собрать эманацию хотя бы с булавочную головку. Но так как эманация очень сильно радиоактивна, то самую крохотную примесь эманации к воздуху легко заметить по лучам Беккереля, которые она испускает.

И вот Резерфорд и Содди захотели узнать: так же ли эманация неутомима, как радий? Так же ли она продолжает день за днем, год за годом испускать лучи без всякого заметного ослабления?

Резерфорд и Содди напустили эманацию в трубочку с виллемитом, закрыли оба крана, чтобы она не ушла, и оставили трубочку в темной комнате. Каждый вечер они приходили туда смотреть, как светится виллемит. Оказалось, что свечение виллемита с каждым вечером становилось все слабее и слабее. Через четыре дня оно было вдвое слабее, чем раньше, к концу месяца оно почти совсем прекратилось.

Значит, эманация радия со временем теряет свои радиоактивные свойства.

Это очень важно. Важно потому, что если радиоактивное вещество — эманация радия — теряет свои радиоактивные свойства со временем, то, вероятно, то же самое можно сказать и обо всех других радиоактивных веществах. Трудно себе представить, чтобы радий был исключением даже среди радиоактивных веществ. А так как обыкновенное физическое наблюдение не позволяет обнаружить уменьшения радиоактивности радия и урана даже в течение нескольких лет, то остается предположить, что заметное уменьшение их радиоактивности происходит не в течение нескольких дней, как у эманации радия, а в течение огромных промежутков времени, во много раз превышающих самую длинную человеческую жизнь.

Таким образом, Резерфорд и Содди установили два факта: 1) из радия беспрерывно выделяется радиоактивный газ — эманация радия; 2) радиоактивные свойства эманации уменьшаются с течением времени, и это позволяет высказать гипотезу, что радиоактивные свойства всех других радиоактивных элементов тоже со временем убывают, хотя это убывание в некоторых случаях может происходить крайне медленно и поэтому почти незаметно.

Каким же образом происходит возникновение эманации и отчего могут уменьшаться радиоактивные свойства радиоактивных элементов?

Для того чтобы получить ответ на этот вопрос, физики обратились к изучению лучей Беккереля, испускаемых радиоактивными элементами.

Что представляют собой эти лучи, которые как будто бы ничем не отличаются от лучей Рентгена?

В 1899 году Пьер и Мария Кюри попробовали пропустить пучок лучей Беккереля через пространство, в котором было магнитное поле. Это они сделали для того, чтобы узнать, являются ли лучи Беккереля чем-то вроде лучей Рентгена (электромагнитными колебаниями, такими же, как лучи видимого света, но только с гораздо меньшей длиной волны) или же они скорее напоминают катодные лучи, т. е. представляют собой поток очень быстро движущихся, заряженных электричеством частичек.

Результат опыта был совсем неожиданным: в магнитном поле лучи Беккереля расщеплялись на две части! Одна из них изогнулась в магнитном поле — совершенно таким же образом, как искривляются катодные лучи, и при этом в ту же сторону, только величина искривления была в несколько раз меньше. Что отсюда следует? Отсюда следует, что эта часть лучей Беккереля несет на себе, как и катодные лучи, отрицательный электрический заряд. Поэтому можно было исследовать эти лучи совершенно тем же самым способом, каким Томсон исследовал катодные лучи, то есть можно было определить для них отношение e/m и их скорость, наблюдая отклонение лучей в магнитном и в электрическом полях. Эту работу проделал немецкий физик Кауфман. Он нашел, что отношение e/m у этих лучей Беккереля такое же, как у электронов катодных лучей. Значит, эта (отклонившаяся в магнитном поле) часть лучей Беккереля есть не что иное, как поток электронов, вырывающихся, по-видимому, из атомов радиоактивных веществ. Что касается скоростей этих электронов, то они, как нашел Кауфман, были очень разнообразны, но в среднем они были гораздо больше, чем у электронов катодных лучей. Поэтому и отклонение в магнитном поле было у них не такое большое, как у катодных лучей: действительно, чем быстрее движется заряженная частица, тем труднее магнитному полю сбить ее, отклонить ее от первоначального пути.

Наиболее быстрые из электронов, выбрасываемых радиоактивными веществами, оказались движущимися почти со скоростью света (300 000 км/с).

Итак, часть лучей Беккереля — это просто поток очень быстрых электронов.

Но кроме этой части была еще и другая часть. Она не отклонялась в магнитном поле и распространялась без всякого изменения направления.

Таков был результат опытов Кюри.

Но в 1903 году Резерфорд доказал, что та часть лучей Беккереля, которую Пьер и Мария Кюри не сумели отклонить в магнитном поле, тоже сложна и состоит из разных частей.

Для этого Резерфорд взял очень сильное магнитное поле, гораздо более сильное, чем то, которое было в распоряжении Кюри. В этом сильном магнитном поле та часть лучей Беккереля, которая в опытах Кюри не хотела искривляться, расщепилась на две части: одна из них изогнулась в магнитном поле, но не в ту сторону, в которую изгибается поток электронов, а в противоположную. Значит, это был поток заряженных частиц, но не электронов, а частиц, заряженных положительным электричеством. Другая же часть лучей по-прежнему продолжала распространяться прямолинейно, не обращая никакого внимания на магнитное поле.

Лучи, испускаемые радиоактивными веществами

Из этих опытов следует, что лучи Беккереля, испускаемые радием и другими радиоактивными веществами, не однородны, а состоят из трех видов лучей (стр. 193). Всем этим трем видам лучей физики дали названия, а именно обозначали их тремя первыми буквами греческого алфавита: альфа, бета и гамма (альфа, бета и гамма — это названия букв: ведь и у нас когда-то русские буквы имели названия, например, а, б и в назывались аз, буки, веди).

Альфа-лучами стали называться лучи, состоящие из потока положительно заряженных частиц, — те самые лучи, которые Резерфорду удалось отклонить магнитным полем от их первоначального направления (в 1903 году).

Бета-лучами стали называться лучи, состоящие из потока очень быстрых отрицательных электронов, которые были отклонены магнитным полем еще в опытах Кюри (в 1899 году).

Наконец, гамма-лучами стали называться лучи, которые упорно не хотели изменять своего направления даже и в очень сильном магнитном поле.

Какие существуют еще различия между этими тремя сортами лучей, смесь которых образует лучи Беккереля?

Альфа-лучи гораздо труднее изогнуть в магнитном поле, чем бета-лучи (именно поэтому в первоначальных опытах Кюри удалось загнуть бета-лучи в сторону в таком магнитном поле, которое было еще совершенно недостаточным для того, чтобы заставить альфа-лучи изменить свое направление). Гамма же лучи не изгибаются ни в магнитном, ни в электрическом поле вовсе, точь-в-точь как лучи Рентгена.

Альфа-лучи легко задерживаются и поглощаются даже сравнительно очень тонкими слоями вещества. Например, достаточно завернуть радий в обыкновенную писчую бумагу или закрыть его листком слюды или алюминия толщиной в 0,05 мм, чтобы альфа-лучи почти полностью поглотились. А бета- и гамма-лучи проходят через такие листки совершенно свободно. Вообще можно считать, что проникающая способность бета-лучей примерно в 100 раз больше проникающей способности альфа-лучей, а проникающая способность гамма-лучей в десять или в сто раз превосходит проникающую способность бета-лучей. Слой в 5 мм алюминия или в 1 мм свинца достаточен, чтобы задержать большую часть бета-лучей, а гамма-лучи проходят через этот слой еще довольно свободно.

Из-за того, что альфа-лучи так легко поглощаются, возникает вот какое любопытное обстоятельство: если взять какой-нибудь препарат радия и придать ему форму шарика, то он будет испускать сравнительно немного альфа-лучей, потому что большая часть альфа-лучей, испускаемая внутренними слоями этого шарика, успеет поглотиться внутри шарика еще раньше, чем доберется до его поверхности. Поэтому наружу выйдет лишь очень малая доля всех испускаемых альфа-лучей. Но если взять тот же самый препарат и размазать его в виде очень тоненького слоя по какой-нибудь тарелочке или пластинке, то альфа-лучей будет очень много и их действие будет гораздо сильнее, чем действие бета-и гамма-лучей того же самого препарата. С помощью такого препарата можно обнаружить удивительные действия альфа-лучей.