Резерфорд. Атомное ядро - Роджер Корхо Оррит

Мария Кюри

Кюри были убеждены, что излучение Беккереля происходило из окружающей среды. То есть речь шла не об излучении, которое может спонтанно возникнуть внутри минерала. Имелась какая-то внешняя причина. Задача состояла в том, чтобы выяснить это. Они проделывали систематические опыты, которые позволили отвергнуть вероятность того, что причина кроется в солнечных лучах. Также, по всей видимости, не влияло на возникновение излучения и физическое и химическое состояние элемента. Единственный фактор, воздействовавший на способность ионизировать газы, был связан с количеством образца урана. Все указывало на то, что источник излучения — внутри самого урана, однако исследователи отказывались принимать такое объяснение. В тот момент немецкий ученый Герхард Карл Шмидт (1865-1949) обнаружил, что торий испускает похожее излучение, Резерфорд пришел к такому же выводу независимо. Проблема становилась все более сложной.

В 1898 году Кюри ввели понятие "радиоактивность", понимая под ним ионизирующие лучи двух известных на тот момент материалов (понятие относилось к активности элементов в связи с сигналами, полученными электрометрами). Но ввести новое понятие было недостаточно, требовалось провести исследование и выяснить, существуют ли другие элементы, испускающие радиоактивное излучение.

ОТКРЫТИЕ РАДИЯ И ПОЛОНИЯ

Урановая смолка (настуран) была старой знакомой всех химиков той эпохи. В 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот сумел установить, что в порошке этого минерала содержится уран, новый элемент, который ученый назвал в честь открытой за восемь лет до этого планеты.

Кюри приступили к опытам с урановой смолкой, и Пьер заметил, что при сравнении активности одного грамма урана с одним граммом урана в урановой смолке в последнем случае активность была выше. Это могло означать, что в минерале скрывался источник излучения, неизвестный ранее.

Речь шла об источнике излучения гораздо более сильном, чем уран. Маленький кусок урановой смолки демонстрировал высокую активность, то есть если речь шла о новом радиоактивном элементе, его можно было легко обнаружить. Но, к сожалению, супруги поняли, что возможная концентрация нового элемента крайне мала, то есть для его обнаружения было необходимо большое количество урановой смолки. После нескольких последовательных химических разделений материалов они нашли подтверждение своей догадке и в 1898 году опубликовали результат:

"Мы полагаем, что вещество, которое получено нами из урановой смолки, содержит неизвестный металл, по своим химическим свойствам родственный висмуту. Если существование этого нового металла удастся доказать, мы предлагаем назвать его полонием по имени родины одного из нас".

Через несколько месяцев они смогли выделить еще один радиоактивный элемент, который назвали радием. Мария Кюри так описывала это открытие:

"У меня была возможность изучить несколько минералов. Некоторые демонстрировали активность: те, в которых содержался уран или торий. Активность этих минералов не представляла бы ничего удивительного, если бы оказалась пропорциональна количеству содержащегося в них урана или тория. Но все было не так. Некоторые из этих минералов проявили активность в три или четыре раза большую, чем надлежало по расчету для урана. Я тщательно проверила этот поразительный факт и не могла больше сомневаться в его правильности. Размышляя о причинах, я предположила, что возможно только одно объяснение: в этих минералах, должно быть, находится некоторое неизвестное и очень активное вещество".

Существование полония и радия было еще раз подтверждено в результате электроскопического анализа, показавшего линии поглощения, не относящиеся ни к одному известному элементу. Однако для химии той эпохи это не было достаточным подтверждением. Чтобы покончить с последними сомнениями, нужно было определить атомный вес нового вещества, а значит, получить вещество в очень чистом виде. То есть требовались огромные количества урановой смолки. К счастью, правительство Австрии передало Кюри в дар несколько тонн урановой смолки, которые перевезли на место, где планировалось выделить радий. За четыре года тяжелых трудов ученым удалось получить сто миллиграммов радия, но этого было достаточно для достижения цели: наконец их работа получила признание научного сообщества.

РЕЗЕРФОРД В МАКГИЛЛЕ

Тем временем Резерфорд занимался ионизацией газов с помощью излучения. Но стипендия заканчивалась, пришла пора задуматься о будущем. В тот момент университет Макгилла (Монреаль, Канада) направил Томсону письмо с просьбой порекомендовать кого-нибудь на исследовательскую кафедру Макдональда. (Уильям Макдональд — богатый предприниматель, табачный магнат, подаривший университету самое большое в мире здание для изучения физики и оказавший финансовую поддержку кафедре, которой дали его имя.) Ни минуты не сомневаясь, Томсон настоятельно рекомендовал Резерфорда, несмотря на его молодость. Так Резерфорд возглавил обладавшую значительными ресурсами лабораторию, при этом его жалованье составило немалую сумму. Отъезд из мирового научного центра огорчал молодого ученого, но все же эта мысль отошла на второй план, поскольку теперь решались все денежные трудности. Резерфорд принял предложение, ведь переезд означал, что отложенная свадьба с Мэри Ньютон, которая продолжала ждать его в Новой Зеландии, стала возможной. И он написал невесте о своем решении ехать в Канаду: "Ликуй вместе со мной, моя любимая девочка, потому что день свадьбы приближается".

Из этих экспериментов можно сделать вывод, что данное фосфоресцентное вещество испускает лучи, проходящие сквозь светонепроницаемую бумагу.

Анри Беккерель

За тысячи километров от Кавендиша 26-летний Резерфорд смог превратить Монреаль в одну из мировых столиц науки той эпохи. В Макгилле им были проведены несколько фундаментальных экспериментов с радиоактивностью, и исследования в конце концов открыли ему путь к получению Нобелевской премии. Едва приехав, он продолжил работу с рентгеновскими лучами и лучами Беккереля. Резерфорд хотел выяснить, являются ли эти виды лучей родственными и имеют ли общие характеристики. Он пытался достичь поляризации и преломления лучей Беккереля, чтобы понять, имеют ли они схожие с рентгеновскими лучами свойства излучения. Хотя цель не была достигнута, он сумел подтвердить, что уран может ионизировать газы.

Из последующих опытов он сделал важный вывод: лучи, испускаемые ураном, не были однородными. Он выделил два вида: альфа- и бета-лучи, которые различались по проникающей способности (см. Приложение А. Альфа- и бета-распад).

АЛЬФА- И БЕТА-ЛУЧИ

Эксперимент, позволивший Резерфорду прийти к выводу о присутствии нескольких видов лучей в испускаемом ураном излучении, состоял в следующем. Он расположил параллельно две цинковые пластинки, подсоединил к одной из них электрический ток, а сверху поместил уран. Другая пластинка соединялась с электрометром, между пластинками находился газ. Из-за ионизирующей способности эманаций урана газ в конце концов начинал проводить электричество, с помощью электрометра можно было установить интенсивность тока. Также Резерфорд использовал и новую идею: он расположил между пластинками алюминиевые листы, и интенсивность тока ослабевала. Вне зависимости от толщины листов, ток все равно появлялся.