Открытие радиоактивности |
|---|
| Открытие рентгеновских лучей произошло 8 ноября 1895 г. Сообщение об открытии датировано 28 декабря. Более полутора месяцев ученый тщательно исследовал неведомые лучи. Ему удалось установить, что они возникают там, где стенки трубки сильно флюоресцируют под ударами катодных лучей. В понедельник 20 января 1896 г. Анри Пуанкаре на заседании Парижской Академии рассказал об открытии новых лучей, демонстрировал рентгеновские снимки и высказал предположение, что рентгеновское излучение связано с флюоресценцией и, возможно, возникает всегда в люминесцирую-щих веществах и никакой катодной трубки для получения Х-лучей не надо. Среди участников заседания был Анри Беккерель, отец и дед которого — оба физики — в свое время занимались флюоресценцией и фосфоресценцией. Беккерель решил проверить гипотезу Пуанкаре. Еще в феврале 1896 г. А. Беккерель демонстрировал действие флюоресцирующего сернистого цинка на фотопластинку, завернутую в черную бумагу. Беккерель решил использовать соли урана. Он взял из коллекции минералов своего отца двойной сульфат уранила калия. Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку причудливой формы, покрытую слоем урановой соли, и выставил на несколько часов на яркий солнечный свет. После проявления пластинки на ней было отчетливо видно изображение металлической фигуры, той самой фигуры, которая покрывалась до опыта солью урана. Повторные опыты Бекке-реля дали аналогичный результат, и 24 февраля 1896 г. он доложил академии о результатах опытов. Казалось, что гипотеза Пуанкаре полностью подтверждается. Но осторожный Беккерель решил поставить контрольные опыты. К концу февраля он приготовил новую пластинку. Но погода была пасмурной и оставалась такой до 1 марта. Утро 1 марта было солнечным, и опыты можно было возобновить. Беккерель решил, однако, проявить пластинки, лежавшие несколько дней в темном шкафу. На проявленных пластинках четко обозначились силуэты образцов минералов, лежавших на непрозрачных экранах пластинок. Минерал без предварительного освещения испускал невидимые лучи, действовавшие на фотопластинку через непрозрачный экран. Беккерель немедленно ставит повторные опыты. Оказалось, чтo соли урана сами по себе без всякого внешнего воздействия испускают невидимые лучи, засвечивающие фотопластинку и проходящие через непрозрачные слои. 2 марта Беккерель сообщил о своем открытии Длинным рядом экспериментов Беккерель шаг за шагом опровергал гипотезу Пуанкаре. Оказалось, что лучи могут испускать только соединения урана— это «урановые лучи», или «лучи Беккереля», как их потом стали называть. Они способны ионизировать воздух и разряжать заряженный электроскоп. Способность урана испускать лучи не ослабевала месяцами. 18 мая 1896 г. Беккерель со всей определенностью констатировал наличие этой способности у урановых соединений и описал свойства излучения. Но чистый уран оказался в распоряжении Беккереля только осенью, и 23 ноября 1896 г. Беккерель сообщил о свойстве урана испускать невидимые «урановые лучи» вне зависимости от его химического и физического состояния. В 1897 г. Беккерель продолжает изучать открытые им лучи. В конце этого года в изучение нового явления включаются Мария Склодовская и ее муж Пьер Кюри. В этом же году происходит и другое важное открытие. В лаборатории Кавендиша в Кембридже решается загадка катодных лучей Спор Герца, Ленарда и других немецких физиков с Круксом и другими сторонниками корпускулярной природы катодных лучей решается в пользу сторонников последней концепции. Доказал корпускулярную природу катодных лучей молодой директор лаборатории Кавендиша Джозеф Джон Томсон. Д. Д. Томсон. Джозеф Джон Том-сон родился 18 декабря 1856 г. в. Манчестере. Здесь, в Манчестере, он окончил Оуэн-колледж, а в 1876—1880 гг. учился в Кембриджском университете в знаменитом колледже святой Троицы (Тринити-колледж), где когда-то профессором был Исаак Ньютон. В январе 1880 г. Томсон успешно выдержал заключительные экзамены и начал работать в Кавендишской лаборатории. В это время директором лаборатории был лорд Рэлей. При Рэлее значительно увеличилось число студентов, занимавшихся научными исследованиями, увеличился штат преподавателей, за счет пожертвований Рэлея и его друзей лаборатория по поднялась приборами. 22 декабря 1884 г., после ухода Рэлея, 27-летний Томсон советом избирателей был назначен третьим профессором Кавендишской лаборатории. Важные перемены происходят в том-соновский период. В 1887 г. значительное число книг Максвелла было передано лаборатории. Они образовали ядро Кавендишской библиотеки. В 1890 г. была учреждена Максвеллов-ская стипендия из средств, завещанных университету миссис Максвелл. Стипендия давалась на три года наиболее одаренным студентам-исследователям. В 1888 г. Томсон основал классы-практикумы для студентов-медиков. Это явилось причиной резкого увеличения числа студентов, работавших в лаборатории. Временно пришлось перевести медицинские классы в старые комнаты-анатомички до тех пор, пока в 1896 г. не был открыт южный флигель лаборатории. Но и этого оказалось недостаточно, так как в 1895 г., по инициативе Д. Д. Томсо-на, в Кембридже произошла реформа, согласно которой в лабораторию стали приходить выпускники других университетов. Специальная комиссия определяла способность пришедших проводить научные исследования. После двух лет работы в Кембридже они получали степень бакалавра и удостоверение исследователя. Студенты-исследователи из всех стран мира приезжали в Кембридж. Среди приехавших были Э. Резерфорд из Новой Зеландии, Таунсенд из Ирландии, Ланжевен из франции, Бородовский из России, Зелени из США, Ч. Вильсон из Австралии и много других. С каждым годом исследователей из других стран приезжало все больше и больше. Требовалось новое расширение лаборатории. Рэлей в 1906 г. большую часть своих доходов пожертвовал на строительство левого крыла Кавендишской лаборатории. Новое расширение потребовало, в свою очередь, еще большего увеличения штата и совершенствования методов обучения. В 1884 г. выходит «Практическая физика» Глазебрука и Шоу, а в 1896 — «Записки лаборатории по элементарной практической физике». Эти книги обобщили ценный опыт лаборатории по проведению практических занятий по общей физике, став главным руководством для работы студентов. Наиболее важным в работе со студентами-исследователями Томсон считал поддержание в них творческого энтузиазма. В послании Британской Ассоциации ori с убежденностью констатировал, что отсутствие энтузиазма—наиболее частая причина неудач. Томсон также предупреждал всех работающих для продвижения науки о тормозящем действии на энтузиазм затянувшегося курса академического обучения. Эта идея Томсона претворялась в жизнь всей деятельностью лаборатории. |
Опыт Беккереля |
|
В 1893 г. Томсон организовал Кавендишское физическое общество. На заседаниях этого общества обсуждались статьи, готовившиеся к публикации. Такие дискуссии помогали исследователям разрешать некоторые неясности, стимулировали их интерес к исследованиям. Томсон много внимания уделял развитию мастерских лаборатории, приглашал хороших механиков, обучал их. Так, в томсоновское время работал механиком Синслайр. Как вспоминал Д. Д. Томсон, «он был хорошим механиком, но не знал стеклодувного дела. Я дал ему несколько уроков, и спустя 2—3 месяца он овладел этим делом». Итак, в томсоновский период лаборатория становится признанной международной школой физической науки. Здесь начали свой научный путь Резерфорд, Бор, Ланжевен и многие другие, в том числе и русские ученые. Заслуги многих учеников Томсона были всемирно признаны. Нобелевской премии были удостоены И. Баркла, В. Брэгг, О. Ричардсон, Ч. Т. Вильсон, Э. Резерфорд. Перейдем теперь к основному показателю творческой деятельности лаборатории—важнейшим научным исследованиям и в особенности к исследованиям профессора Д. Д. Томсона. При Рэлее Томсон начал свой научный путь в Кавендишской лаборатории. Первая его статья, опубликованная в 1880 г., была посвящена электромагнитной теории света. В следующем, 1881 г. появились две работы, из которых одна положила начало электромагнитной теории массы. Статья называлась «Об электрических и магнитных эффектах, производимых движением наэлектризованных тел». В этой статье выражена та мысль, что «эфир вне заряженного тела является носителем всей массы, импульса и энергии». С увеличением скорости изменяется характер поля, в силу чего вся эта «полевая» масса возрастает, оставаясь все время пропорциональной энергии. Научные успехи Томсона были высоко оценены Рэлеем, и, уходя в 1884 г. с поста директора лаборатории Кавендиша, он, не колеблясь, рекомендовал своим преемником Томсона. Открытие рентгеновских лучей обострило интерес Томсона к явлениям прохождения электричества через газы. Результатом этой коллективной работы, в которой, кроме Томсона, принимали участие молодые его ученики и сотрудники, явилась классическая монография «Прохождение электричества через газы», первое издание которой вышло в 1903 г. В ходе этих исследований был открыт электрон. «Исследования, которые привели к открытию электрона, — писал позже Томсон в своих воспоминаниях, — начались с попыток объяснения расхождения поведения катодных лучей под действием магнитных и электрических сил». Действие магнитного поля на катодные лучи было обнаружено многими исследователями, однако в отношении действия электрического поля существовали разногласия. Одни авторы утверждали, что они наблюдали действие электрического поля на катодные лучи, другие отрицали это. Томсон показал, что это расхождение обусловлено низкой техникой откачки газа. Остатки ионизированного газа нейтрализуют влияние внешнего электрического поля. Томсон усовершенствовал технику откачки и получил заметные отклонения катодного пучка электрическим полем. Трубка Томсона с впаянными в нее пластинками конденсатора стала прообразом современной электронно-лучевой трубки. Подвергая катодный пучок действию электрического и магнитного полей, Томсон получил возможность определить отношение е/m для катодных лучей. Это отношение оказалось независимым от природы газа в трубке и в тысячу раз большим, чем отношение е/m для водородного иона, полученное из законов электролиза. Если принять, что заряд катодной частицы равен заряду водорода, то масса катодной частицы оказывается в тысячу раз меньше массы атома водорода, самого легкого атома. Этот результат был ошеломляющим. Томсон вспоминает, с каким недоверием было встречено его сообщение в Королевском институте. Томсон продолжал свои опыты. Он исследовал отношение е/m для частиц, вырываемых ультрафиолетовым светом, для частиц, испускаемых накаленным катодом,— всюду порядок этого отношения оказался таким же, как для катодных лучей. Эти мельчайшие частицы вещества Томсон назвал корпускулами, однако это название не удержалось. Частицы стали называться электронами. (Термин «электрон» ввел в 1891 г. английский ученый Дж. Стоней.) |
Метод парабол Томсона |
|
Стало ясно, что электроны являются составными частями атомов всех веществ. Сам Томсон построил электромагнитную модель атома, предположив, что отрицательно заряженные корпускулы (электроны) располагаются определенным образом внутри положительно заряженной сферы. (Следует отметить, что такую же модель предлагал и Вильям Томсон.) Этот «атом Томсонов» был распространенной моделью атома до открытия ядра Резерфордом и модели атома Бора. Метод Томсона имел фундаментальное значение. Он лежит в основе устройства электронно-лучевых трубок, первые модели которых были построены в 1897 г. самим Томсоном и независимо от него ф. Брауном. Развитие метода Томсона составляет основу электронной оптики, электронных ламп, современных ускорителей заряженных частиц. Томсон научил физиков управлять электронами, и в этом его основная заслуга. В 1906 г. Д.Д.Томсону за его исследование прохождения электричества через газы была присуждена Нобелевская премия по физике. Томсон разработал и методы изучения положительно заряженных частиц. Вышедшая в 1913 г. его монография «Лучи положительного электричества» положила начало масс-спектроскопии. Развивая методику Томсона, его ученик Астон построил первый масс-спектрометр и разработал метод анализа и разделения изотопов. В лаборатории Томсона начались первые измерения элементарного заряда из наблюдения движения заряженного облака в электрическом поле. Этот метод был в дальнейшем усовершенствован Милликеном (1868—1953) и привел к измерениям заряда электрона. В лаборатории Кавендиша начала свою жизнь и знаменитая камера Вильсона, построенная учеником и сотрудником Томсона Вильсоном в 1911 г Таким образом, роль Д. Д. Томсона и его учеников в становлении и развитии атомной и ядерной физики очень велика. Но Д. Д. Томсон («Джи, Джи», как его называли) до конца своей жизни оставался сторонником эфира, разрабатывал модели движения в эфире, результатом которых, по его мнению, были наблюдаемые явления. Так, отклонение катодного пучка в магнитном поле он интерпретировал как прецессию гироскопа, наделяя совокупность электрического и магнитного полей вращательным моментом. Умер Д. Д. Томсон 30 августа 1940 г., в трудное для Англии время, когда над ней нависла угроза вторжения гитлеровцев. |
Открытия П. и М. Кюри |
|
Вернемся к радиоактивности. Беккерель продолжал исследование открытого им явления. Он считал его свойством урана, аналогичным фосфоресценции. Уран, по мнению Беккереля, «представляет первый пример металла, обнаруживающего свойство, подобное невидимой фосфоресценции». Он считает свойства излучения урана подобными свойствам световых волн. Природа нового явления, таким образом, была еще не понята, не существовало и слова «радиоактивность». Беккерель обнаружил и тщательно исследовал свойство урановых лучей делать электропроводящим воздух Его заметка 23 ноября 1896 г. появилась почти одновременно с заметкой Д. Томсона и Э. Резерфорда, показавших, что рентгеновские лучи делают электропроводящим воздух благодаря ионизирующему действию. Так был открыт важный метод исследования радиоактивности. Сообщения Беккере-ля 1 марта и 12 апреля 1897 г., излагавшего результаты наблюдений разряда наэлектризованных тел под действием уранового излучения, содержали важное указание, что активность препаратов урана оставалась неизменной более года. Вскоре в исследование нового загадочного явления включились другие исследователи, и прежде всего супруги Пьер и Мария Кюри. Мария Склодовская-Кюри начала исследования радиоактивных явлений в конце 1897 г., избрав изучение этих явлений темой своей докторской диссертации. В апреле 1898 г. была опубликована ее первая статья по радиоактивности Позднее в своей докторской диссертации она писала: «Я измеряла напряженность урановых лучей, пользуясь их свойством сообщать воздуху электропроводность... При этих измерениях употреблялась металлическая пластинка, покрытая слоем уранового порошка». Уже в этой первой работе М. Склодовская-Кюри исследовала, нет ли других веществ, обладающих свойством, аналогичным урану. Она нашла, что «торий и его соединения имеют то же свойство». Одновременно аналогичный результат был опубликован в Германии Шмидтом. Далее она пишет: «Таким образом, уран, торий и их соединения испускают беккерелевы лучи. Вещества, обладающие этим свойством, я назвала радиоактивными. С тех пор это имя стало общепринятым». Итак, с июля 1898 г., когда был опубликован новый термин в физике, начало жить важное понятие «радиоактивность». Заметим, что эта июльская статья была подписана уже супругами Пьером и Марией Кюри. Пьер оставил свою тематику и активно включился в работу жены. В заброшенном сарае Школы промышленной физики и химии, превращенном супругами в лабораторию, началась титаническая работа с отбросами урановой руды, полученной из Иоахимсталя (ныне Иоахимов). В своей книге «Пьер Кюри» Мария Кюри описывает, в каких условиях велась эта работа: «Мне доводилось обрабатывать зараз до двадцати килограммов первичного материала и в результате уставлять сарай большими сосудами с химическими осадками и жидкостями. Это был изнурительный труд—переносить мешки в сосуды, переливать жидкости из одного сосуда в другой, несколько часов подряд мешать кипящий материал в чугунном сосуде». Это был не только изнурительный, но и опасный труд: исследователи еще не знали вредного действия радиоактивных излучений, которые в конце концов привели Марию Склодовскую-Кюри к безвременной кончине. Напряженный труд принес щедрые плоды. В том же, 1898 г. появляются одна за другой статьи, сообщающие о получении новых радиоактивных веществ. В июльском выпуске докладов Парижской Академии наук появилась статья П. и М. Кюри «О новом радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной руде». Описав метод химического выделения нового вещества, положившего начало радиохимии, они писали далее: «Мы... полагали, что то вещество, которое мы извлекли из смоляной руды, содержит какой-то металл, до сих пор еще не замеченный, по своим аналитическим свойствам близкий к висмуту. Если существование этого нового металла подтвердится, мы предлагаем назвать его полонием, по названию страны, из которой один из нас родом» Активность полония оказалась в 400 раз выше активности урана. В декабре того же года появилась статья супругов Кюри и Бемона «Об одном новом, сильно радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной руде». Здесь сообщалось об открытии нового, сильно радиоактивного вещества, по химическим свойствам близкого барию. Согласно точке зрения, высказанной М Склодовской в ее первой работе, радиоактивность является свойством чтомов, сохраняющимся во всех химических и физических состояниях вещества». «При такой точке зрения, — писали авторы, — радиоактивность нашего вещества, не будучи обусловлена барием (барий не радиоактивен,— Я. К.), должна быть приписана какому-то другому элементу». Было получено хлористое соединение нового элемента, активность которого в 900 раз превышает активность урана. В спектре соединения была обнаружена линия, не принадлежащая ни одному из известных элементов. «Перечисленные нами доводы, —писали в заключение авторы статьи,— заставляют нас думать, что это новое радиоактивное вещество содержит какой-то новый элемент, который мы предлагаем назвать радием». Открытия полония и радия завершили новый этап в истории радиоактивности. В декабре 1903 г. А. Бек-керель, Пьер и Мария Кюри были награждены Нобелевской премией. Приведем краткие биографические справки о Нобелевских лауреатах 1903 г. Анри Беккерель родился 15 декабря 1852 г. в семье известного физика Александра Эдмонда Беккереля, прославившегося своими исследованиями фосфоресценции. Крупным ученым был и отец Александра Эдмонда— дед Анри — Антуан Сезар Беккерель. Беккерели: дед, сын, внук—жили в доме французского естествоиспытателя Кювье, принадлежащем Национальному музею естественной истории. В этом доме Анри и сделал свое великое открытие, и мемориальная доска на фасаде гласит: «В лаборатории прикладной физики Анри Беккерель открыл радиоактивность 1 марта 1896 г.». Анри учился в лицее, затем в Политехнической школе, по окончании которой работал инженером в Институте путей сообщения. Но вскоре его постигло горе: умерла его молодая жена, и молодой вдовец с сыном Жаном, будущим четвертым физиком Беккерелем, переезжает к отцу в Музей естественной истории. Сначала он работает репетитором Политехнической школы, а с 1878 г., после смерти деда, становится ассистентом своего отца. В 1888 г. Анри защищает докторскую диссертацию и ведет вместе с отцом разностороннюю научную работу. Через год его избирают в Академию наук. С 1892 г. он становится профессором Национального музея естественной истории. Открытие радиоактивности круто повернуло судьбу Беккереля. Он — Нобелевский лауреат, обладатель всех знаков отличия Парижской Академии наук, член Лондонского Королевского общества. Летом 1908 г. академия избирает его непременным секретарем физического отделения. Умер Беккерель 25 августа 1908 г. Пьер Кюри родился 15 мая 1859 г. в Париже в семье врача. Эжен Кюри, отец Пьера, во время революции 1848 г., в дни Парижской Коммуны был на боевом посту, оказывая помощь раненым революционерам и коммунарам. Человек высокого гражданского долга и мужества, он привил эти качества своим сыновьям Жаку и Пьеру. Мальчики — шестнадцатилетний Жак и двенадцатилетний Пьер помогали отцу в дни баррикадных боев Коммуны. Пьер получил домашнее образование. Незаурядные способности и прилежание помогли ему выдержать в шестнадцать лет экзамен на звание бакалавра. Юный бакалавр слушал лекции в Сорбонне, работал в лаборатории профессора Леру в фармацевтическом институте и уже в восемнадцать лет стал лиценциатом физики. С 1878 г. он работал ассистентом Парижского университета. С этого же времени он вместе с братом Жаком занимается исследованием кристаллов. Вместе с Жаком они открывают пьезоэлектричество. В 1880 г. публикуется статья Пьера и Жака Кюри «Образование полярного электричества под действием давления в гемиэдрических кристаллах с косыми гранями». Основной вывод работы они формулируют следующим образом: «Какова бы ни была причина, всякий раз, когда гемиэдрический кристалл с косыми гранями сжимается, возникает электрическая поляризация определенного направления; всякий раз, когда этот кристалл растягивается, выделение электричества происходит в противоположном направлении». Затем они открывают противоположный эффект: деформацию кристаллов под действием электрического напряжения. Они впервые изучили электрические деформации кварца, создали пьезокварц и использовали его для измерения слабых электрических зарядов и токов. Ланжевен при менял пьезокварц для генерации ультразвука. Пьезокварц используется также и для стабилизации электриче ских колебаний. После пятилетней плодотворной работы пути братьев разошлись. Жак Кюри (1855—1941) уехал в Монпелье и занимался минералогией, Пьер был назначен в 1883 г. руководителем практических работ по физике в только что открытой Парижским муниципалитетом Школе промышленной физики и химии. Здесь Кюри выполнил свои исследования по кристаллографии и симметрии, часть которых он провел с Жаком, время от времени приезжавшим в Париж. В 1891 г. Пьер Кюри обратился к опытам по магнетизму. В результате этих опытов он четко разделил диамагнитные и парамагнитные явления по их зависимости от температуры. Изучая зависимость ферромагнитных свойств от температуры, он нашел «точку Кюри», при которой исчезают ферромагнитные свойства, и открыл закон зависимости восприимчивости парамагнитных тел от температуры (закон Кюри). В 1895 г. Пьер Кюри женился на Марии Склодовской С момента открытия радиоактивности новая область исследования захватила молодых супругов, и с 1897 г. они совместно работают над ее изучением. Это творческое содружество продолжалось до дня трагической гибели Пьера. 19 апреля 1906 г., возвратившись из деревни, где он с семьей проводил пасхальные каникулы, Пьер Кюри участвовал на собрании Ассоциации преподавателей точных наук. Возвращаясь с собрания, он, переходя улицу, попал под ломовую телегу и был убит ударом в голову. «Угас один из тех, кто был истинной славой франции», — писала в биографии Пьера Кюри Мария Кюри. Мария Склодовская-Кюри. Мария Склодовская родилась в Варшаве 7 ноября 1867 г. в семье преподавателя варшавской гимназии. Мария получила хорошую домашнюю подготовку и закончила гимназию с золотой медалью. В 1883 г. после гимназии она работала воспитательницей в семьях богатых поляков. Потом она некоторое время жила дома и работала в лаборатории своего двоюродного брата, сотрудника А.И.Менделеева Иосифа Богусского. В 1891 г. она уезжает в Париж и поступает на физико-математический факультет Сорбонны. В 1893 г. она получает степень лиценциата физических наук, а через год становится лиценциатом математических наук. В это же время она выполняет первую научную работу по теме «Магнитные свойства закаленной стали», предложенной известным изобретателем цветной фотографии Липпманом. Работая над темой, она перешла в Школу промышленной физики и химии, где встретилась с Пьером Кюри. Вместе они открыли новые радиоактивные элементы, вместе были удостоены в 1903 г. Нобелевской премии, и после гибели Пьера Мария Кюри стала его преемницей в Парижском университете, где Пьер Кюри был в 1900 г. избран профессором. 13 мая 1906 г первая женщина—лауреат Нобелевской премии становится первой женщиной-профессором знаменитой Сорбонны Она же впервые в мире начала читать курс лекций по радиоактивности. Наконец, в 1911 г. она становится первым ученым дважды лауреатом Нобелевской премии. В этом году она получила Нобелевскую премию по химии. Во время первой мировой войны Мария Кюри создала рентгеновские установки для военных госпиталей. Перед самой войной в Париже был открыт Институт радия, ставший местом работы самой Кюри, ее дочери Ирен и зятя Фредерика Жолио. В 1926 г. Мария Склодовская-Кюри избирается почетным членом Академии наук СССР. Тяжелое заболевание крови, развившееся в результате длительного действия радиоактивного излучения, привело ее к смерти 4 июля 1934 г. В год ее смерти Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность. Славный путь династии Кюри блистательно продолжался. |
Информация о сайте
