Резерфорд. Атомное ядро - Роджер Корхо Оррит

Теория, если ты не можешь объяснить ее официанту, вероятно, не так уж хороша.

Эрнест Резерфорд

Этот эксперимент позволил ему заключить, что одни лучи урана поглощались листами алюминия, а другие, обладающие большей проникающей способностью, проходили сквозь листы. Он повторил эксперимент с торием — результаты были схожими. Также он использовал в качестве фильтров и другие материалы — от стекла до дерева. Резерфорд заметил, что лучи, названные альфа, хотя и обладали меньшей проникающей способностью, но больше, чем бета, ионизировали газ.

В 1899 году Резерфорд опубликовал статью, первую после прибытия в Канаду, в которой описывал свой эксперимент. Он сделал следующие заключения:

"Эти эксперименты свидетельствуют о сложном характере излучения урана, включающего в себя по крайней мере два вида излучения: одно из них легко поглощается, для удобства назовем его альфа-излучением, другое имеет более сильный проникающий характер, назовем его бета-излучением".

СПИРИТИЗМ И РАДИОАКТИВНОСТЬ

В XIX веке произошло настоящее возрождение спиритизма.

Представители всех сословий, в том числе получившие университетское образование, и даже многие ученые были убеждены в возможности установления контакта с обитателями параллельного мира и душами умерших. Парадоксально, но вдохновителями этих идей были ученые той эпохи, обращающиеся к невидимым и недоступным для чувств человека электромагнитным полям.

После открытия рентгеновских лучей многие утверждали, что с помощью них можно сфотографировать душу. Между спиритизмом, последователи которого верили в контакт с царством мертвых, и наукой, старавшейся раскрыть тайны недоступного человеческим чувствам мира, казалось, устанавливалась связь. Рентгеновские лучи и радиоактивность представлялись связующими с другим миром элементами, и многие ученые бросились исследовать оккультный мир. На спиритических сеансах, проводившихся по всей Европе XIX века, можно было встретить ученых: английского химика Уильяма Крукса, внесшего вклад в изучение катодных лучей; Камиля Фламмариона, одного из наиболее значимых астрономов и просветителей своей эпохи; Альфреда Рассела Уоллеса, одновременно с Дарвином выдвинувшего теорию естественного отбора... Среди горячих защитников спиритизма можно вспомнить и писателя Артура Конан Дойла. При этом необходимо подчеркнуть, что многие ученые, среди них Фарадей, вскоре утратили интерес к подобным практикам, быстро поняв, что невероятные явления, например движение предметов на столе, вызваны либо самими спиритами, либо невольным участием присутствующих на сеансе.

Иллюстрация, созданная по описанию Уильяма Крукса. Медиум Флоранс Кук и материализованный дух умершей Кэти Кинг (имя, которое медиум дал своей "материализации·).

Это была первая встреча Резерфорда с альфа-лучами, с ними у него сложатся особые отношения, которые приведут его к необыкновенным успехам, например к открытию атомного ядра. Резерфорд доказал, что радиоактивность соединяет в себе разные виды излучения, одни из которых обладают большей проникающей способностью, чем другие. Однако суть проблемы радиоактивности оставалась неизвестной: "Причина и происхождение радиации, постоянно испускаемой ураном и его солями, были загадкой".

РИС.1

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

Если Резерфорду удалось выделить альфа- и бета-излучение, то заслуга открытия гамма-лучей приписывается французскому ученому Полю Вилларду. В 1900 году в ходе экспериментов, которые Виллард проводил в Париже с материалом, подаренным Кюри, он смог наблюдать, что неизвестный вид излучения проходит через любую металлическую пластину, в том числе свинец толщиной в несколько сантиметров. Таким образом, можно было говорить о наличии еще одного вида излучения, имевшего значительно превосходящую проникающую способность по сравнению альфа- и бета- лучами. Виллард заметил еще одну характеристику гамма-лучей: они не отклонялись под воздействием магнитных полей. Однако он спутал эти лучи с рентгеновскими (хотя ошибку легко допустить, так как в обоих случаях речь шла об очень мощных излучениях).

В 1902 году Резерфорд повторил исследования Вилларда и правильно интерпретировал их:

"Все постоянные радиоактивные вещества — уран, торий и радий — испускают два типа лучей. Один из этих типов лучей легко поглощается и не отклоняется магнитным полем, другой — обладает более высокой проникающей способностью и отклоняется под действием магнитного поля. В дополнение к этим двум видам, используя фотографический метод, Виллард впервые обратил внимание на присутствие других лучей, обладающих значительной проникающей способностью, испускаемых радием, не отклоняющихся под действием магнитного поля. Данный результат был подтвержден Беккерелем".

РИС. 2

Так как электрические заряды альфа- и бета-частиц имеют разный знак, под действием электрического поля их траектории расходятся. При этом гамма-лучи двигаются прямолинейно, поскольку обладают нейтральным зарядом.

В конце концов эти лучи были названы гамма-лучами (рисунок 1).

Так как альфа-излучение представляет собой ядра гелия, имеющие значительную массу по сравнению, например, с электроном, они легко поглощаются листом бумаги или ладонью. Бета-излучение представляет собой в основном электроны, обладающие минимальной массой. Бета-лучи при таком же количестве энергии могут приобретать значительную скорость по сравнению с альфа-лучами, соответственно их проникающая способность будет выше в связи с меньшей вероятностью взаимодействия с материей. Гамма-излучение обладает самой высокой проникающей способностью, так как представляет собой вид излучения с самой короткой волной и с самой большой энергией в электромагнитном спектре. Неизвестен верхний предел энергии гамма-лучей. Впоследствии Мария Кюри изобразила действие магнитного поля на разные виды лучей в виде диаграммы, представленной на рисунке 2.

Резерфорд обнаружил, что существуют радиоактивные элементы, которые при распаде превращаются в другие химические элементы.

С помощью радиоактивного распада объяснялась и радиоактивность. Важным вкладом Резерфорда стало также введение понятия средней продолжительности жизни элемента, он установил, что это открытие поможет определить возраст Земли.

Радиоактивность стала своеобразной осью, вокруг которой развивались исследования Резерфорда в Канаде. Он проводил их одновременно с Кюри, и конкуренция, возникшая между учеными, стала весьма ощутимой, что они признавали сами. Резерфорд в письме матери рассуждал об этом так: