Roger Orrit - У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.
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.
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".
