Открытие рентгеновского и радиоактивного излучений. Естественная и искусственная радиоактивность

8

Открытие рентгеновского излучения

РЕНТГЕН Вильгельм Конрад родился 17 марта 1845 г. в пограничной с Голландией области Германии, в г. Ленепе. Он получил техническое образование в Цюрихе в той самой Высшей технической школе (политехникуме), в которой позже учился Эйнштейн. Увлечение физикой заставило его после окончания школы в 1866 г. продолжить физическое образование.

Защитив в 1868 г. диссертацию на степень доктора философии, он работает ассистентом на кафедре физики сначала в Цюрихе, потом в Гисене, а затем в Страсбурге (1874-79) у Кундта. Здесь Рентген прошел хорошую экспериментальную школу и стал первоклассным экспериментатором. Он производил точные измерения отношения Ср/Су для газов, вязкости и диэлектрической проницаемости ряда жидкостей, исследовал упругие свойства кристаллов, их пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства, измерял магнитное поле движущихся зарядов (ток Рентгена). Часть важных исследований Рентген выполнил со своим учеником, одним из основателей советской физики А. Ф. Иоффе.

Его научные исследования относились к электромагнетизму, физике кристаллов, оптике, молекулярной физике.

В 1895 Вильгельм Конрад открыл излучение с длиной волны, более короткой, нежели длина волны ультрафиолетовых лучей (X-лучи), названное в дальнейшем рентгеновскими лучами, и исследовал их свойства: способность отражаться, поглощаться, ионизировать воздух и т. д. Предложил правильную конструкцию трубки для получения Х-лучей наклонный платиновый антикатод и вогнутый катод: первый сделал фотоснимки при помощи рентгеновских лучей. Открыл в 1885 магнитное поле диэлектрика, движущегося в электрическом поле (так называемый “рентгенов ток”). Его опыт наглядно показал, что магнитное поле создается подвижными зарядами, и имел важное значение для создания X. Лоренцем электронной теории. Значительное число работ Рентгена посвящено исследованию свойств жидкостей, газов, кристаллов, электромагнитных явлений. Он открыл взаимосвязь электрических и оптических явлений в кристаллах. За открытие лучей, носящих его имя, Рентгену в 1901 первому среди физиков была присуждена Нобелевская премия.

С 1900 г. и до последних дней жизни (умер он 10 февраля 1923 г.) он работал в Мюнхенском университете.

Открытие рентгена

Конец XIX в. ознаменовался повышенным интересом к явлениям прохождения электричества через газы. Еще Фарадей серьезно занимался этими явлениями, описал разнообразные формы разряда, открыл темное пространство в светящемся столбе разреженного газа. Фарадеево темное пространство отделяет синеватое, катодное свечение от розоватого, анодного.

Дальнейшее увеличение разрежения газа существенно изменяет характер свечения. Математик Плюкер (1801 - 1868) обнаружил в 1859г., при достаточно сильном разрежении слабо голубоватый пучок лучей, исходящий из катода, доходящий до анода и заставляющий светиться стекло трубки. Ученик Плюкера Гитторф (1824 - 1914) в 1869 г. продолжил исследования учителя и показал, что на флюоресцирующей поверхности трубки появляется отчетливая тень, если между катодом и этой поверхностью поместить твердое тело.

Гольдштейн (1850 - 1931), изучая свойства лучей, назвал их катодными лучами (1876 г.). Через три года Вильям К рук с (1832 - 1919) доказал материальную природу катодных лучей и назвал их “лучистой материей” - веществом, находящимся в особом четвертом состоянии. Его доказательства были убедительны и наглядны. Опыты с “трубкой Крукса” демонстрировались позже во всех физических кабинетах. Отклонение катодного пучка магнитным полем в трубке Крукса стало классической школьной демонстрацией.

Однако опыты по электрическому отклонению катодных лучей не были столь убедительными. Герц не обнаружил такого отклонения и пришел к выводу, что катодный луч - это колебательный процесс в эфире. Ученик Герца Ф. Ленард, экспериментируя с катодными лучами, в 1893 г. показал, что они проходят через окошечко, закрытое алюминиевой фольгой, и вызывают свечение в пространстве за окошечком. Явлению прохождения катодных лучей через тонкие металлические тела Герц посвятил свою последнюю статью, опубликованную в 1892 г. Она начиналась словами:

“Катодные лучи отличаются от света существенным образом в отношении способности проникать через твердые тела”. Описывая результаты опытов по прохождению катодных лучей через золотые, серебряные, платиновые, алюминиевые и т.д. листочки, Герц отмечает, что он не наблюдал особых отличий в явлениях. Лучи проходят через листочки не прямолинейно, а дифракционно рассеиваются. Природа катодных лучей все еще оставалась неясной.

Вот с такими трубками Крукса, Ленарда и других и экспериментировал Вюрцбургский профессор Вильгельм Конрад Рентген в конце 1895 г. Однажды по окончании опыта, закрыв трубку чехлом из черного картона, выключив свет, но, не выключив еще индуктор, питающий трубку, он заметил свечение экрана из синеродистого бария, находящегося вблизи трубки. Пораженный этим обстоятельством, Рентген начал экспериментировать с экраном. В своем первом сообщении “О новом роде лучей”, датированном 28 декабря 1895 г., он писал об этих первых опытах: “Кусок бумаги, покрытой платиносинеродистым барием, при приближении к трубке, закрытой достаточно плотно прилегающим к ней чехлом из тонкого черного картона, при каждом разряде вспыхивает ярким светом: начинает флюоресцировать. Флюоресценция видна при достаточном затемнении и не зависит от того, подносим ли бумагу стороной, покрытой синеродистым барием или не покрытой синеродистым барием. Флюоресценция заметна еще на расстоянии двух метров от трубки”.

Тщательное исследование показало Рентгену, “что черный картон, не прозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим флюоресценцию”. Рентген исследовал проникающую способность этого “агента”, который он для краткости назвал “Х-лучи”, для различных веществ. Он обнаружил, что лучи свободно проходят через бумагу, дерево, эбонит, тонкие слои металла, но сильно задерживаются свинцом.

Затем он описывает сенсационный опыт:

“Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки”. Это было первое рентгеноскопическое исследование человеческого тела. Рентген получил и первые рентгеновские снимки, приложив их к своей руке.

Эти снимки произвели огромное впечатление; открытие еще не было завершено, а уже начала свой путь рентгенодиагностика. “Моя лаборатория была наводнена врачами, приводившими пациентов, подозревавших, что они имеют иголки в разных частях тела”, - писал английский физик Шустер.

Уже после первых опытов Рентген твердо установил, что Х-лучи отличаются от катодных, они не несут заряда и не отклоняются магнитным полем, однако возбуждаются катодными лучами. “...Х-лучи не идентичны с катодными лучами, но возбуждаются ими в стеклянных стенках разрядной трубки”, - писал Рентген.

Он установил также, что они возбуждаются не только в стекле, но и в металлах.

Упомянув о гипотезе Герца - Ленарда, что катодные лучи “есть явление, происходящее в эфире”, Рентген указывает, что “нечто подобное мы можем сказать и о наших лучах”. Однако ему не удалось обнаружить волновые свойства лучей, они “ведут себя иначе, чем известные до сих пор ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные лучи”. По своим химическим и люминесцентным действиям они, по мнению Рентгена, сходны с ультрафиолетовыми лучами. В первом сообщении он высказал оставленное потом предположение, что они могут быть продольными волнами в эфире.

Открытие Рентгена вызвало огромный интерес в научном мире. Его опыты были повторены почти во всех лабораториях мира. В Москве их повторил П. Н. Лебедев. В Петербурге изобретатель радио А. С. Попов экспериментировал с X-лучами, демонстрировал их на публичных лекциях, получая различные рентгенограммы. В Кембридже Д. Д. Томсон немедленно применил ионизирующее действие рентгеновских лучей для изучения прохождения электричества через газы. Его исследования привели к открытию электрона.

Открытие радиоактивного излучения. Естественная и искусственная радиоактивность

Идея о сложном строении атомов высказывалась задолго до того, как были получены экспериментальные данные, позволившие создать современную модель атома. Среди учёных, высказывавших эту идею, следует особо отметить русского революционера Н. А. Морозова, который ещё в 80-90-х годах прошлого столетия, основываясь на периодическом законе Менделеева, подробно разработал теорию строения атома из электрических зарядов. В 1912 г. удалось получить убедительные доказательства реальности существования атомных ядер. Однако история наших знаний об атомных ядрах начинается с более раннего периода.

Ядерную летопись следует вести с 1896 г. Началось всё с одной научной ошибки, или, чтобы быть более точным, с неправильной научной гипотезы.

Вопрос стоял о природе загадочных тогда «X-лучей», открытых незадолго перед этим (1895 г.) Вильгельмом Рентгеном и называемых ныне рентгеновскими лучами. Учёные всех стран находились тогда под впечатлением этого открытия. Работа Рентгена тщательно изучалась и обсуждалась. Французский учёный Анри Беккерель обратил внимание на указание Рентгена о том, что обнаруженные им невидимые глазом рентгеновские лучи выходят из конца стеклянной трубки, светящейся желтовато-зелёным светом, напоминающим свет флюоресцирующих веществ. И жёлто-зелёное свечение, и рентгеновские лучи выходили из одного и того же места стеклянной трубки. Это не было случайностью. В трубке, с которой производил свои исследования Рентген, возникновение «X-лучей» всегда сопровождалось желтовато-зелёным свечением стекла.

Беккерель долгое время занимался изучением различных флюоресцирующих веществ, которые под влиянием солнечного освещения начинают излучать свой собственный, характерный для них свет.

Мысль, которая послужила толчком к опытам Беккереля, была проста - не является ли флюоресценция причиной рентгеновских лучей? Может быть, рентгеновские лучи существуют всегда, когда есть флюоресценция? Сейчас, в свете наших знаний о строении атома и природе рентгеновских лучей, эта мысль кажется нелепой, но в то время, когда природа этих лучей была неизвестна, это предположение казалось вполне естественным.

Надо сказать, что Беккерелю повезло. По счастливой случайности в качестве флюоресцирующего вещества он взял одну из солей урана - двойную сернокислую соль урана и калия. Это обстоятельство предопределило успех опыта. Сам опыт был крайне прост и состоял в следующем.

Фотографическая пластинка тщательно заворачивалась в чёрную бумагу, не прозрачную для видимых лучей. Поверх бумаги на пластинку помещалась двойная сернокислая соль урана-калия. После этого пластинка выставлялась на яркий солнечный свет. По истечении нескольких часов пластинка проявлялась с соблюдением всех необходимых предосторожностей. При этом на пластинке было обнаружено тёмное пятно, напоминающее по своей форме контуры флюоресцирующего вещества. Серией контрольных опытов Беккерель показал, что это потемнение появилось в результате действия на фотографическую пластинку лучей, исходящих из двойной сернокислой соли урана-калия и проходящих через непроницаемую для солнечного света чёрную бумагу.

Сначала Беккерель не сомневался в том, что это и есть рентгеновские лучи. Однако очень скоро он понял, что ошибся. Случилось однажды так, что день, в который он производил свои опыты, был пасмурным, и соль урана почти не флюоресцировала. Полагая, что опыт будет неудачен, он убрал пластинку вместе с двойной сернокислой солью урана-калия в шкаф, где она и пролежала несколько дней. Перед новым опытом, не будучи уверенным в пригодности этой пластинки, он её проявил. К своему удивлению, он обнаружил на пластинке потемнение, представляющее отпечаток соли, причём интенсивность отпечатка была необыкновенно сильной. Между тем в тёмном шкафу соль не флюоресцировала. Следовательно, дело было вовсе не в флюоресценции: что-то действовало на пластинку и без неё.

Было очевидно, что Беккерель столкнулся с какими-то новыми лучами. Очень скоро удалось установить, что эти лучи обязаны своим возникновением урану. Только те из флюоресцирующих веществ, в состав которых входил уран, действовали на фотографическую пластинку. На фотопластинку действовали любые соли урана. Однако сильнее всего действовал сам уран.

Лучи, открытые Беккерелем, несколько схожи с лучами Рентгена. Они действуют на фотопластинку, проходят через чёрную бумагу и слои металла небольшой толщины. Есть, однако, и большое различие между этими лучами. Рентгеновские лучи возникают при электрическом разряде, происходящем в сильно разрежённом газе. Давление газа должно быть порядка одной миллионной доли атмосферного давления. К электродам, между которыми происходит разряд, необходимо приложить весьма высокое напряжение, - в сотни раз превышающее напряжение в 110 вольт, которым мы пользуемся в обыденной жизни. Рентгеновские лучи возникают при этих условиях независимо от природы газа, наполняющего рентгеновскую трубку, а также независимо от вещества, из которого сделаны электроды.

Лучи Беккереля не требуют никакого электрического напряжения, ни большого, ни малого. Не нужен и разрежённый газ. Рентгеновские лучи возникают только в присутствии электрического разряда; лучи Беккереля излучаются всегда, всё время, непрерывно. Но их излучает только уран. Только ли уран? Этот вопрос и был поставлен Марией Склодовской-Кюри.

Поиски Марии Кюри были длительны и невероятно трудны. Они продолжались около двух лет, в течение которых было исследовано огромное количество различных солей, минералов, рудных пород. Наконец, Кюри добилась удачи. Оказалось, что соли тория также испускают лучи Беккереля. Так же, как и в случае урана, оказалось, что интенсивность беккерелевых лучей тем больше, чем больше тория содержалось в веществе, и что чистый торий по сравнению с его соединениями отличается наибольшей интенсивностью.

В поисках веществ, испускающих беккерелевы лучи, Мария Кюри не пользовалась фотографической пластинкой. Она применяла другое замечательное свойство этих лучей, обнаруженное Беккерелем.

В своих первых опытах он заметил, что под влиянием лучей, испускаемых ураном, воздух становится проводником электричества. Это замечательное свойство беккерелевых лучей сильно упрощает поиски веществ, которые их излучают.

Испытание вещества производится просто. Заряжают электроскоп - прибор, позволяющий измерять электрические заряды. Когда электроскоп заряжают, листочки его, прикреплённые к металлическому стержню, отталкиваются друг от друга и расходятся на некоторый угол, тем больший, чем больший заряд получает электроскоп. В таком положении листочки будут находиться до тех пор, пока на стерженьке электроскопа будет сохраняться заряд. Заряд же будет сохраняться лишь в том случае, если листочки будут хорошо изолированы от корпуса электроскопа. Воздух, как известно, является хорошим изолятором, поэтому обычно листочки, отошедшие друг от друга, довольно долго сохраняют своё положение. Стоит, однако, внести в электроскоп немного урана или его солей, как он быстро разрядится, листочки спадут и соединятся друг с другом. Так, в течение буквально двух-трёх минут можно установить, излучает ли испытуемое вещество лучи Беккереля или нет (следует отметить, что этот простой способ обнаружения веществ, излучающих лучи Беккереля, находит себе применение и поныне).

Продолжая свои поиски, Кюри натолкнулась на удивительный факт. Оказалось, что урановая смоляная обманка - руда, из которой добывают металлический уран, испускает беккерелевы лучи с гораздо большей интенсивностью, чем чистый уран. Стало ясно, что в смоляной обманке находится в виде примеси какое-то новое вещество, способное испускать лучи Беккереля с очень большой интенсивностью, ибо малая примесь этого вещества, ускользавшая от внимания химиков, излучала сильнее, чем уран, которого в руде было несравнимо больше. Долгим и упорным трудом Марии Кюри, работавшей вместе со своим мужем Пьером Кюри, удалось выделить два новых вещества - носителей беккерелевского излучения. Всем веществам, способным излучать лучи Беккереля, Мария Кюри дала общее название - радиоактивные (что значит способные испускать лучи), а само явление - испускание этих лучей - получило название радиоактивности. В дальнейшем и сами лучи, открытые Беккерелем, стали называть радиоактивными лучами.

Два новых вещества, открытых Кюри, не находились в списке ранее известных элементов (уран и торий были известны задолго до открытия Беккереля). Это были новые элементы. Один из них был назван полонием (в честь Польши - родины Марии Склодовской-Кюри). Другой радиоактивный элемент, сходный по химическим свойствам с барием, назвали радием.

Открытие радия внесло огромный вклад в исследование радиоактивности. По своему значению это открытие можно смело поставить в один ряд с открытием лучей Беккереля или Рентгена. Интенсивность излучения радия оказалась в миллион раз больше интенсивности лучей урана. Это количественное различие привело к громадным последствиям. Благодаря силе радиевого излучения удалось изучить целый ряд новых свойств радиоактивных лучей, а некоторые из них нашли себе вскоре и практическое применение.

О свойствах радиоактивного излучения

Однажды Беккерель взял у Пьера Кюри небольшое количество препарата радия, заключённого в стеклянную трубочку, с тем, чтобы продемонстрировать его свойства студентам на лекции. Трубочку с радием он положил в жилетный карман. Несколько часов он проходил с радиевым препаратом. Через несколько дней он обнаружил у себя на коже, в том месте, которое находилось против жилетного кармана, покраснение, напоминавшее по своей форме трубочку с препаратом радия. Ещё через несколько дней Беккерель почувствовал сильную боль, кожа начала трескаться, образовалась язва. Он принуждён был обратиться к врачу. Врач лечил эту рану так же, как лечат ожог. Приблизительно через два месяца рана зарубцевалась. Пьер Кюри проделал на себе ряд опытов с целью проверки и уточнения действия лучей радия, о котором сообщил ему Беккерель. Сообщение подтвердилось. Десятичасовое облучение кожи на руке препаратом радия привело через несколько дней к таким же последствиям: краснота, воспаление, открытая рана, на излечение которой понадобилось четыре месяца.

Опытами Кюри заинтересовался доктор Данло, который занялся систематическим изучением действия лучей радия на животных, а затем и на людей. Вскоре выяснилось, что слабые дозы лучей радия способны в некоторых случаях оказывать благотворное влияние на организм. Например, они хорошо излечивали различные кожные заболевания.

После того как результаты этих опытов стали известны, изучение медицинского и биологического действия лучей радия приняло широкий характер. Через некоторое время было замечено, что лучи радия по-разному действуют на различные клетки и ткани. Те клетки, которые быстро размножаются, особенно сильно страдают от разрушительного действия лучей радия. Это выдающееся открытие сразу определило практическую ценность лучей. Радий сделался неоценимым помощником врачей в борьбе со страшным бичом человечества - раковыми заболеваниями.

Раковая опухоль состоит из чрезвычайно быстро размножающихся клеток, поэтому лучи радия действуют на неё гораздо разрушительнее, чем на нормальные здоровые ткани. Лечение радием производится следующим образом: препарат радия, помещённый в золотой футляр, располагают, возможно, ближе к опухоли и в течение некоторого времени производят облучение. Если болезнь не слишком запущена и если опухоль не слишком глубоко залегает в организме, лечение идёт вполне успешно и быстро.

Другое свойство лучей радия, также получившее практическое применение, было замечено сразу же после получения первых сильных его препаратов.

Оказалось, что лучи радия, так же как и солнечные лучи, способны возбуждать флюоресценцию различных флюоресцирующих веществ. Совершенно микроскопические доли радия заставляют ярко светиться в темноте экраны из сернистого цинка, платиносинеродистого бария и других аналогичных веществ.

Примешивая к сернистому цинку ничтожные доли радия, мы получаем состав, непрерывно светящийся в темноте. Этим и воспользовались, например, для производства часов со светящимся циферблатом. Во время первой мировой войны светящимся составом обмазывались ружейные прицелы, чтобы можно было целиться в темноте. Часто им покрывают стрелки и деления различных приборов, чтобы можно было и в темноте видеть их показания. Светящиеся составы применяются и сейчас во многих отраслях техники и в военном деле.

Энергия, излучаемая радием

Флюоресцирующие вещества излучают свой свет только тогда, когда они предварительно освещены солнечным светом. Если предохранить флюоресцирующие вещества от попадания на них солнечных лучей, то они перестают светиться.

Когда было установлено, что и лучи радия тоже вызывают флюоресценцию, учёные сразу же заметили, что дело здесь обстоит весьма своеобразно. Крупинка радия, примешанная, например, к сернистому цинку, заставляет его флюоресцировать непрерывно. И день, и ночь, и неделю, и месяцы, и год велось наблюдение, а сернистый цинк продолжал флюоресцировать без заметного ослабления интенсивности испускаемого им света. Получился весьма парадоксальный результат. Если флюоресценция вызывается радиоактивными лучами, то радий "излучает эти лучи без видимого ослабления интенсивности непрерывна и неопределённо долго"

Как же это может быть? Ведь, наверное, эти лучи, как и всякие другие, обладают энергией? Выходит, что радий непрерывно излучает энергию? Ответ на этот вопрос дал Пьер Кюри.

Вскоре после получения сильных препаратов радия он заметил, что вещество, содержащее радий, всегда теплее, чем окружающие предметы. Этим обстоятельством он и решил воспользоваться для измерения энергии, выделяемой радием. Он взял калориметр - прибор, обычно применяемый для измерения тепловой энергии. Калориметр имел достаточно толстые стенки, чтобы радиоактивные лучи нацело поглощались них и во льду, которым он был наполнен. Так как к тому времени экспериментальные данные о поглощении радиоактивных лучей различными телами были достаточно хорошо известны, такой калориметр можно было сравнительно легко рассчитать. О величине энергии, выделяемой радием, можно было судить по количеству растаявшего льда. Зная, сколько тепла требуется на расплавление одного грамма льда (скрытая теплота плавления) и, взвесив количество расплавившегося льда, можно установить, сколько тепла за выбранный для исследования промежуток времени выделяет взятое количество радия. Отсюда легко рассчитать, сколько энергии выделяет один грамм радия в секунду.

Из этих измерений Кюри нашёл, что один грамм радия выделяет в час 140 малых калорий. 140 малых калорий - это небольшая энергия (напомним, что малая калория - это количество тепла, способное нагреть один грамм воды на один градус Цельсия). Таким образом, энергия, выделяемая радием, так мала, что количество её, необходимое для нагревания одного стакана воды до кипения, выделится одним граммом радия только в течение шести суток.

Энергия, выделяемая радием в один час, невелика. Но ведь она выделяется непрерывно на протяжении очень большого промежутка времени. Следовательно, в общем, радий выделяет большое количество энергии. Возникает естественный вопрос, откуда же радий черпает эту энергию?

Одним из основных законов физики является закон сохранения и превращения энергии. Этот закон установлен на основании наблюдений и исследований, охватывающих и обобщающих все известные в науке факты.

Согласно этому закону энергия не возникает и никогда не исчезает; возможны лишь переходы энергии из одной формы в другую.

Следует отметить здесь, что великий русский учёный М. В. Ломоносов, первый открывший существование закона сохранения вещества, ясно видел, что существуют законы сохранения и других основных природных величин и, следовательно, предвосхитил открытие закона сохранения и превращения энергии. В его «Рассуждении о твёрдости и жидкости тел» можно найти такие замечательные строки: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько часов положит кто на бдение, столько же сну отнимет. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силой другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Энергия радиоактивных веществ выделяется в виде радиоактивных лучей и притом непрерывно. Первое время никак не удавалось связать это выделение энергии с каким-либо изменением самих радиоактивных веществ. Казалось, что запас этой энергии в радиоактивных веществах безграничен.

Затруднение, возникшее в связи с излучением радия, усугублялось ещё рядом других фактов.

Естественно, что когда мы желаем изучить какое-нибудь, явление, то, прежде всего, ищем, какие силы природы влияют на это явление, что способно изменить характер его. Когда такие силы найдены, легче наметить путь, по которому надо идти, чтобы связать рассматриваемое явление с другими, ранее хорошо изученными. Однако и здесь исследователей постигла неудача. Они не смогли найти никаких средств, способных подействовать на радий. Ни самые высокие или низкие температуры, ни самые сильные электрические и магнитные поля, ни огромные давления, ни сильнейшие химические реактивы, одним словом, ни одно из всех могущественных средств физической лаборатории не могло оказать влияния на способность радия излучать энергию.

В начале нашего столетия слово радий было у многих на устах. Загадка радиоактивности волновала всех учёных, особенно физиков, и почти все они стремились найти объяснение этим, казавшимся таинственными, фактам. Путь был один - изучать свойства радиоактивных лучей и искать следы каких-либо изменений, происходящих с радием. Но как искать?

Стремясь разгадать тайну радиоактивности, учёные шли различными путями, и результаты их огромной творческой работы не замедлили сказаться.

Альфа-, бета- и гамма-лучи

Все попытки повлиять на способность радия излучать радиоактивные лучи не привели ни к какому результату. Однако, пытаясь воздействовать на радий магнитным полем, Пьер и Мария Кюри обнаружили, что хотя лучеиспускающая способность радия при помещении его в магнитное поле не меняется (интенсивность излучения остаётся неизменной), сами радиоактивные лучи претерпевают сильное изменение при прохождении через магнитное поле. Однородный до вступления в магнитное поле луч разделяется полем на два луча. Один из этих лучей распространяется так, как если бы магнитное поле на него совершенно не действовало; другой луч под влиянием поля резко изменяет направление своего движения.

Ко времени опытов Беккереля физикам уже были известны лучи, способные отклоняться в магнитном поле. Это были лучи, образованные потоком электрически заряженных частиц, движущихся в одном направлении. Из направления отклонения можно определить знак заряда, т. е. установить, является ли заряд частицы положительным или отрицательным. Более подробные сведения могли быть получены при наблюдении движения этих частиц в магнитном и электрическом полях. Как мы увидим далее, в этом случае, возможно, определить не только заряд, но и его отношение к массе движущейся частицы. Из опытов Кюри вытекало, что движущиеся заряды отрицательный, а измеренное отношение заряда к массе оказалось равным 5,3*1017 электростатических единиц на грамм. Таким же отношением заряда к массе обладают электроны, имеющие отрицательный электрический заряд. Из этого сопоставления можно было заключить, что, по крайней мере, часть лучей, испускаемых радием, представляет собой поток движущихся электронов.

Была измерена величина скорости электронов, испускаемых радием. Она оказалась весьма большой. Некоторые из электронов имели скорость, близкую к скорости света, т. е. около 300 000 км в секунду.

Эти исследования немного приоткрыло таинственную завесу, окутывающую радиоактивные лучи, - оказалось, что часть их представляет собой поток движущихся электронов. Но что же представляет собой другая часть лучей, которая не отклоняется магнитным полем?

За её исследование взялся Резерфорд. Он заметил, что неотклоняемая в магнитном поле часть радиоактивных лучей обладает такими же странными особенностями в поглощении, как и весь пучок. Хорошо было известно и раньше, что при прохождении радиоактивных лучей через вещество различной толщины они поглощаются сначала очень сильно, а затем медленно, так что, в общем, они могут проходить через значительные толщи вещества. Поэтому можно было думать, что радиоактивные лучи неоднородны и представляют собой «смесь» различных лучей, одни из которых поглощаются сильно, а другие слабо. Такая мысль до опытов Пьера и Марии Кюри никем не высказывалась. Однако, когда опыты Кюри подтвердили сложность состава радиоактивного излучения, естественно было предположить, что сильно поглощаемая часть излучения является потоком электронов, а другая часть этих лучей, которая, подобно лучам Рентгена, не отклоняется магнитом, так же как и лучи Рентгена, сравнительно слабо поглощается веществом. Опыт, однако, показал, что эта часть радиоактивных лучей ведёт себя в отношении поглощения так же, как и весь пучок. Уже очень тонкие слои вещества резко ослабляют её интенсивность, а затем даже сравнительно толстые слои вещества поглощают остающиеся лучи незначительно.

Это различие и побудило Резерфорда к дальнейшим исследованиям.

А что, если и та часть лучей радия, которую Пьер и Мария Кюри не смогли отклонить магнитным полем, тоже неоднородна? Что, если они пользовались слабым магнитным полем? Может быть, сильное магнитное поле окажет иное действие? И Резерфорд повторяет их опыты, но при этом он создаёт магнитное поле, гораздо более сильное, чем в их опытах.

Результат опытов Резерфорда оказался поразительным. Пучок лучей, который в опытах Кюри не отклонялся магнитным полем, в магнитном поле Резерфорда в свою очередь расщепился на две части. Одна из них по-прежнему не отклонялась магнитным полем, а другая часть под действием сильного магнитного поля слегка отклонялась от своего первоначального направления. Весьма интересным оказалось то, что эти лучи отклонялись в сторону, противоположную отклонению электронов. Следовательно, и эта часть радиоактивных лучей представляет собой поток заряженных частиц (ибо на движение незаряженных частиц магнитное поле не действует) и притом заряженных положительно. Опыт показал, что новые составляющие радиоактивных лучей в отношении поглощения вели себя вполне определённым образом.

Та часть радиоактивного излучения, которая совершенно не отклонялась магнитным полем, поглощалась очень незначительно. Та же часть радиоактивного излучения, которую Резерфорду впервые удалось отклонить, поглощалась чрезвычайно сильно.

Создавалось впечатление, что лучи, наблюдавшиеся вначале Беккерелем, представляют собой смесь трёх типов лучей.

Рис. 1. Схема опыта по разделению радиоактивных лучей магнитным полем.

1--радиоактивное вещество; 2 -- свинцовая коробочка с тонким каналом, в котором помещается радиоактивное вещество; 3 -- лучи, не отклонённые магнитным полем (гамма-лучи); 4 -- лучи, слабо отклоняемые магнитным полем (альфа-лучи); 5 -- лучи, сильно отклоняемые магнитным полем (бета-лучи); 6--область, в которой создано магнитное поле.

На рис. 1 приведено схематическое изображение разделения радиоактивных лучей магнитным полем.

Радиоактивные лучи состоят из лучей трёх различных типов. Каждый из них получил своё особое название и обозначение. Их обозначили и назвали тремя первыми буквами греческого алфавита: альфа (), бета () и гамма (). Альфа-лучами назвали те лучи, которые магнитным полем отклоняются слабо и представляют собой поток положительно заряженных частиц. Бета-лучами стали называть те лучи, которые сравнительно сильно отклоняются магнитным полем и представляют собой поток электронов. Гамма-лучами стали называть лучи, которые совсем не отклоняются магнитным полем. Следует отметить, что альфа-лучи отклоняются в магнитном поле в виде узкого пучка, в то время как бета-лучи отклоняются магнитным полем в виде широкого размытого пучка. Это обстоятельство говорит о том, что альфа-лучи, вылетающие из радия, имеют одинаковую энергию, а бета-лучи представляют собой поток электронов различной энергии.

Разделение радиоактивных лучей на альфа-, бета- и гамма-лучи позволило исследовать их свойства отдельно.

Альфа-лучи поглощаются наиболее сильно. Тонкий листочек слюды или алюминия толщиной всего лишь в 0,05 мм поглощает альфа-лучи почти полностью. Достаточно завернуть радий в обыкновенную писчую бумагу, чтобы поглотить все альфа-лучи. Альфа-лучи сильно поглощаются воздухом. Слой воздуха толщиной всего лишь в 7 см поглощает альфа-лучи радия почти нацело.

Бета-лучи поглощаются веществом значительно слабее. Они в состоянии ещё в заметном количестве пройти через пластинку алюминия толщиной в несколько миллиметров.

Гамма-лучи поглощаются во много раз слабее бета-лучей. Они проходят через пластинку алюминия толщиной в несколько десятков сантиметров. Пластинка свинца толщиной в 1,3 см ослабляет интенсивность гамма-лучей всего лишь в два раза.

Помимо различия в степени поглощения, между альфа-, бета- и гамма-лучами существует большое различие в характере поглощения. Наиболее отчётливо оно проявляется в изменении интенсивности этих лучей при постепенном возрастании толщины поглощающего вещества.

Бета- и гамма-лучи поглощаются постепенно. Уже самые небольшие слои вещества в некоторой мере поглощают эти лучи. Число электронов и интенсивность гамма-лучей постепенно падают с увеличением толщины фильтрующего слоя.

Альфа-лучи ведут себя совершенно иначе. При прохождении через малые слои вещества число альфа-частиц не изменяется. Уменьшается только энергия этих частиц. С возрастанием толщины поглощающего слоя энергия частиц продолжает уменьшаться, но число их сохраняется. Так будет происходить до тех пор, пока толщина поглощающего слоя не достигнет некоторой определённой величины. Фильтр такой толщины задержит сразу все альфа-частицы.

Таким образом, каждая альфа-частица проходит в данном веществе вполне определённый путь. Этот путь принято называть пробегом альфа-частицы. Пробег альфа-частицы зависит от её энергии и от природы вещества, в котором она движется. Установив связь между пробегом и энергией альфа-частиц, можно в дальнейшем по величине пробега определять энергию альфа-частиц. Таким методом измерения энергии альфа-частиц широко пользуются на практике.

Сильное поглощение альфа-частиц может быть использовано для изучения их свойств.

Если взять радиоактивное вещество в виде шарика, то альфа-лучи, выходящие из всего объёма этого шарика, поглощаются в самом шарике. Лишь очень тонкий поверхностный слой этого вещества испускает альфа-лучи, способные выйти наружу. Поэтому вне такого шарика должны наблюдаться главным образом бета- и гамма-лучи. Если же радиоактивное вещество распределить очень тонким слоем, то будут действовать почти- в одинаковом количестве все три рода лучей.

Сравнением действия радиоактивных лучей от толстого радиоактивного источника с действием радиоактивного препарата, распределённого в виде очень тонкого слоя, было установлено, что именно альфа-лучи ответственны за то, что радиоактивные лучи вызывают флюоресценцию и делают воздух проводником электричества.

Хорошо известно, что воздух делается проводником электричества в том случае, если в нём образуются заряженные атомы - ионы. Альфа-лучи ионизуют воздух примерно в сто раз сильнее, чем бета- и гамма-лучи от того же радиоактивного источника. Но на образование ионов - на ионизацию воздуха требуется энергия. Было установлено, что на образование одной пары ионов в воздухе требуется вполне определённая энергия, равная 33 электрон-вольтам В ядерной физике очень употребительна единица энергии, которую принято называть электрон-вольтом. Один электрон-вольт - это энергия, которую приобретает электрон, проходящий в электрическом поле разность потенциалов в 1 вольт. Один электрон-вольт - очень малая единица энергии, равная всего лишь 1,6*10^1Э джоуля. Так как альфа-частицы образуют много ионов, то при своём движении в воздухе они тратят большое количество энергии. Этим и объясняется описанное ранее свойство альфа-лучей сильно поглощаться различными веществами. Оказалось, что одна альфа-частица создаёт в воз духе около 200000 пар ионов. Это позволяет нам оценить энергию одной альфа-частицы. Энергия альфа-частицы оказалась приблизительно равной 6000000 электрон-вольт.

Естественная радиоактивность

Естественная радиоактивность существует миллиарды лет, она присутствует буквально повсюду. Ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Любой человек слегка радиоактивен: в тканях человеческого тела одним из главных источников природной радиации являются калий-40 и рубидий-87, причем не существует способа от них избавиться.

Учитывая, что современный человек до 80% времени проводит в помещениях - дома или на работе, где и получает основную дозу радиации: хотя здания защищают от излучений извне, в стройматериалах, из которых они построены, содержится природная радиоактивность. Существенный вклад в облучение человека вносит радон и продукты его распада.

Радон

Основным источником этого радиоактивного инертного газа является земная кора. Проникая через трещины и щели в фундаменте, полу и стенах, радон задерживается в помещениях. Другой источник радона в помещении - это сами строительные материалы (бетон, кирпич и т.д.), содержащие естественные радионуклиды, которые являются источником радона. Радон может поступать в дома также с водой (особенно если она подается из артезианских скважин), при сжигании природного газа и т.д.

Радон в 7,5 раз тяжелее воздуха. Как следствие, концентрация радона в верхних этажах многоэтажных домов обычно ниже, чем на первом этаже.
Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении; регулярное проветривание может снизить концентрацию радона в несколько раз.

При длительном поступлении радона и его продуктов в организм человека многократно возрастает риск возникновения рака легких.
Сравнить мощность излучения различных источников радона поможет следующая диаграмма.

Искусственная радиоактивность

Искусственная радиоактивность возникает вследствие человеческой деятельности.

Осознанная хозяйственная деятельность, в процессе которой происходит перераспределение и концентрирование естественных радионуклидов, приводит к заметным изменениям естественного радиационного фона. Сюда относится добыча и сжигание каменного угля, нефти, газа, других горючих ископаемых, использование фосфатных удобрений, добыча и переработка руд.

Такой вид транспорта, как гражданская авиация, подвергает своих пассажиров повышенному воздействию космического излучения.
И, конечно, свой вклад дают испытания ядерного оружия, предприятия атомной энергетики и промышленности.

Безусловно, возможно и случайное (неконтролируемое) распространение радиоактивных источников: аварии, потери, хищения, распыление и т.п. Таки ситуации, к счастью, ОЧЕНЬ РЕДКИ. Кроме того, их опасность не следует преувеличивать.

Список используемой литературы:

1. Кудрявцев П.С. История физики. гос. уч. пед. изд. Мин. прос. РСФСР. М., 1956

2. Кудрявцев П. С. Курс истории физики М.: Просвещение, 1974

3. Храмов Ю. А. Физики: Библиографический справочник. 2-е издание, испр. и дополн. М.: Наука, главная ред. физ.-мат. лит., 1983

4. Э. Резерфорд “Радиоктивность”. Просвещение, 1997 г.

5. И. Белоусова, Ю. Штуккенберг “Естественная радиоктивность” Феникс 2005г.

6. Энциклопедия по физике “Радиоктивные излучения” Дрофа г. Москва 2007 г.