Таинственные лучи
Это теперь мы такие умные. А всего каких-нибудь сто с небольшим лет назад люди ничего ни о радиоактивности, ни о строении атомов толком не знали. Ну, то есть были, конечно, идеи, что вещество состоит из мельчайших неделимых крупинок – атомов. А те в свою очередь – из частичек, имеющих положительный и отрицательный заряд. Но дальше этих идей дело не заходило.
Кроме того, было также понимание, что в нашем мире, помимо вещества, существует еще кое-что. И это что-то – лучи. Излучение. Лучший пример тут – свет. Ведь свет – это же не вещество! Это нечто отличное от вещества.
Люди изучали солнечные лучи, наблюдая, как они преломляются в стеклянных призмах и как фокусируются стеклянными линзами. Лучи пропускали через дырочки, решетки, наблюдали за тенями… В XVII веке английский физик Ньютон открыл дисперсию света – он направил тонкий солнечный луч на грань стеклянной призмы и увидел, как белый луч разложился на семь цветов радуги.
– Ага! – смекнул Ньютон. – Значит, белый цвет состоит из семи разных цветов, это смесь!
Дисперсия света – разложение одинокого солнечного луча, пропущенного через дырочку в непрозрачном экране, на отдельные цветные лучи
То есть вот как получается – сложные химические вещества состоят из элементарных, а сложный белый свет – это смесь более простых, элементарных «светов». Интересно, интересно… Но что же такое свет по природе своей?..
Что такое свет и цвет?..
Ньютон думал, что свет – это поток летящих от Солнца мельчайших частичек – корпускул. Другие ученые считали иначе. Они полагали, что свет – это волна!
Волна?
Почему волна? Какая такая волна? Что за странная идея?
Что такое волны, мы ведь прекрасно знаем. Каждый видел волны на поверхности моря, озера или реки… Волна – это не вещество, волна – это колебательный процесс, который происходит в веществе. Мы смотрим на море и видим: волны бегут. Причем, что интересно, волны-то бегут, а вода не бежит! Вода остается на месте. Частички воды (молекулы) просто периодически колеблются, поднимаясь то вверх, то вниз, создавая иллюзию перемещения воды. Волна по поверхности воды действительно распространяется, а вот сама вода остается на месте, точнее, ее частицы синхронно колеблются вверх-вниз.
Вы можете привязать веревку к дверной ручке и пускать по ней волну. Волна будет бежать по веревке, но сама веревка никуда не бежит, а остается на месте – между дверью и вашей рукой. Она просто колеблется.
Важнейшее свойство волны – она всегда распространяется по чему-то, по какой-то среде. По воде, по веревке, по воздуху. Именно с помощью воздушных волн мы слышим друг друга, поскольку колебания воздушной волны передаются нашей барабанной перепонке, колебля ее… В общем, волна всегда распространяется в чем-то. А если ничего нет, то и волны быть не может – на чем же ей распространяться, коли нету ничего! Колебаться-то нечему! А на нет, как говорится, и суда нет.
Но раз так, то по чему, по какой такой среде распространяется свет, если он волна? Явно не по воздуху. Потому что свет может распространяться и в космосе, далеко от Земли, где земная атмосфера заканчивается. Именно так, через пустоту, космическое излучение и прилетает на нашу планету. Как же оно по пустоте распространяется, если пустота – это ничто, а значит, не по чему волнам распространяться! Колебаться нечему! Но лучи от Солнца запросто доходят.
Да с чего вообще эти ученые, которые спорили с Ньютоном, взяли, что свет – это волна? Что за странная идея вообще?
А эти ученые-физики просто занимались изучением волн – разных. Они исследовали свойства волн. И нашли, что у волн тоже есть свойства. Ну, например, скорость распространения. Скорость волны в среде определяется свойствами этой среды – чем плотнее среда, тем быстрее бегут по ней волны. Скорость звуковой волны в воздухе – 330 м/с. А вот в металле скорость звука значительно выше, чем в газе. Если вы ударите молотком по стальному рельсу, то звуковая волна по нему побежит со скоростью примерно 5000 м/с. Пять километров в секунду!
Кроме того, у волн оказались и разные другие свойства. Например, волны могли складываться или, напротив, гасить друг друга, создавать разные причудливые картины в зависимости от разных условий.
И вот все эти волновые свойства физики обнаружили у света! Значит, свет – это волна, решили они. И значит, никакой пустоты в космосе нет, а есть особая среда – мировой эфир, по которому бежит волна, которую мы воспринимаем как свет. Вот так вот, милейший Ньютон!..
Правда, выглядело это странно: скорость волны, как известно, тем больше, чем плотнее и тверже среда. А скорость света велика настолько, что среда, по которой он распространяется, должна быть сверхтвердым суперкристаллом! Но разве кто-нибудь скажет, что пустота – твердая или кристаллическая?
О том, кто оказался прав – Ньютон или его оппоненты, мы поговорим позже. А сейчас нам надо просто знать, что к концу позапрошлого века у физиков было довольно примитивное понимание: в мире существуют лучи и вещество. Вещество при этом состоит из атомов. А атомы – из положительных и отрицательных зарядиков. Нейтроны тогда еще не были открыты, хотя наука всячески пыжилась, изучая вещество, и вот однажды столкнулась с явлением распада этого самого вещества. Позже процесс распада вещества назвали радиоактивностью.
Обычно, рассказывая об открытии радиоактивности, говорят о Марии Склодовской-Кюри. Не будем и мы отказываться от этой хорошей традиции. Тем более что женщина в науке – явление редкое, как изотоп, и потому достойное тщательного разглядывания через лупу.
Мария считается французским физиком, но происхождения она польского, так как родилась в Варшаве. А поскольку Варшава тогда была под управлением Москвы, можно по праву сказать, что она – наша соотечественница, то есть подданная Российской империи. Соответственно Маша прекрасно говорила по-русски. Причем есть еще сведения (правда, оспариваемые), что предками Марии были евреи. Иными словами, целых четыре страны могут сегодня гордиться Марией – Россия, Польша, Израиль и Франция. Ее портреты красовались на польских и французских деньгах, а памятники Марии Склодовской-Кюри ныне стоят и в Польше, и во Франции.
Мария Склодовская-Кюри
Польские женщины, как правило, красивые, а еврейские умные. Не была исключением и Мария. Правда, несмотря на хорошую голову, проявиться ее таланту поначалу было негде: родилась Мария в бедной многодетной семье. Ей стукнуло 11 лет, когда мать умерла от туберкулеза, и отец, работавший преподавателем физики в гимназии, выбивался из сил, чтобы прокормить пятерых детей.
Но Марии повезло. Училась она хорошо, ей страшно нравилась химия, а другом ее отца был… угадайте кто? Менделеев. Он заметил талантливую девочку и сказал, что ее ждет великое будущее. Это напутствие весьма вдохновляло, однако финансов не прибавляло – денег на университет у Марии все равно не было. Поэтому она договорилась с сестрой, и они по очереди работали несколько лет, чтобы дать возможность друг другу получить образование – работающая сестра платила за ту, которая учится. Сначала отучилась сестра Марии, а Мария, работая гувернанткой, обеспечивала ее. А когда сестра выучилась на врача и начала работать, то стала в свою очередь оплачивать учебу Марии. Ловкие девушки!
В Варшаве тогда женщин в университет не принимали, поэтому обе сестры учились в Париже. Мария там же вышла замуж и больше никуда из Франции не уезжала. Потому что во Франции хорошо.
Мужем Марии стал физик Пьер Кюри. Менять фамилию молодая жена не стала и потому вошла в историю науки под двойной фамилией – как Мария Склодовская-Кюри. Исследования они с мужем проводили вместе. Пьер вскоре защитил диссертацию и стал доктором наук, а Мария, родив дочь, тоже начала искать тему для научной работы. Чем заняться?
О ту пору в Европе стоял большой шум вокруг удивительных открытий Беккереля и Рентгена. В особенности Рентгена, конечно. Все газеты тогда взахлеб писали о новом чуде, которое наука в лице Рентгена подарила человечеству.
Вы, конечно, знаете, что открыл Рентген. Он открыл рентгеновские лучи, с помощью которых теперь врачи просвечивают граждан и делают рентгеновские снимки, на которых прекрасно видны переломы, проглоченные пуговицы и прочие инородные предметы. Сейчас это дело привычное – подумаешь, рентгеновский снимок! А тогда весь мир был буквально шокирован – ни хрена себе, можно видеть сквозь непрозрачные вещи, просветив их особыми лучами и сделав фотоснимок!
Газеты в ужасе писали, что теперь хулиганы будут видеть голых дам прямо на улице, сквозь одежду, просвечивая их чудо-лучами. На полке одного книжного магазина в Германии стоял снимок просвеченной рентгеновскими лучами человеческой кисти – ясно виднелись кости и золотое кольцо, надетое на палец. Это была рука супруги Рентгена.
Как же Рентген открыл свои чудо-лучи? И при чем тут супруги Кюри?
К тому времени люди уже давно экспериментировали с электричеством и научились получать потоки свободных электронов в вакууме, то есть в пустоте. Из стеклянной колбы откачивался воздух, при этом в колбу были впаяны с двух сторон металлические электроды, на них подавалось высокое напряжение, и один из электродов начинал испускать поток электронов. От этого электрода (катода) поток электронов летел через пустоту лампы к другому электроду (аноду).
Так вот, Рентген заметил, что эти электроны, бомбардируя железяку анода, производят некое излучение, которое проникает через непрозрачные материалы и может засвечивать фотопластинки. То есть, направив эти загадочные лучи, например, через человеческую руку на фотопластинку, можно получить фотографию просвеченной человеческой руки.
Рентгеновский снимок
Рентгеновский аппарат
Рентген начал проводить опыты и обнаружил, что эти лучи проникают и через черную бумагу, и через доску толщиной в 3 сантиметра, и даже через лист алюминия. Ну, конечно, это было удивительно! Еще бы! Нашлись, кроме привычных лучей видимого света еще и невидимые, но очень проникающие лучи, для которых прозрачны те вещества, которые непрозрачны для обычных солнечных лучей. Рентген назвал их икс-лучами.
Все сразу кинулись эти лучи исследовать, и за год учеными было опубликовано больше тысячи работ, посвященных загадочным лучам. Тут же придумали использовать их в медицине.
Об открытии Рентгена узнал физик Беккерель, который проводил разные эксперименты с солями урана. Уран – это редкий и очень тяжелый металл (тяжелее золота и свинца), а соли урана – это соединения урана с другими химическими элементами.
Присутствовавший на рентгеновских опытах Беккерель обратил внимание, что под воздействием пучка электронов обычное стекло начинает светиться зеленым светом. Он знал, что соли урана тоже могут светиться красивым зеленоватым светом под воздействием прямых солнечных лучей. «А вдруг они при этом, кроме зеленого света, и другие лучи излучают, например, рентгеновские?» – внезапно подумал он. И решил проверить свое предположение.
Положил фотобумагу в черный, непрозрачный для солнечных лучей конверт, сверху придавил куском урановой соли и выставил на свет. Уран засветился зелененьким, Беккерель проявил фотобумагу, обнаружил на ней засвеченное пятно и сделал вывод: при облучении солнечным светом урановые соли начинают испускать рентгеновские лучи точно так же, как бомбардируемый электронами металл.
И ошибся! Причем ошибся дважды.
Первая ошибка выяснилась через несколько дней – когда выдался пасмурный день, солнышка на небе не было, Беккерель вздохнул и ушел из лаборатории, оставив кусок урановой соли на черном непрозрачном конверте с фотобумагой. А на следующий день машинально проявил фотобумагу и остолбенел: бумага все равно была засвечена! Значит, урановые соли излучают какие-то проникающие лучи не под действием солнечного света, а сами по себе! Вот это да!.. Спасибо плохой погоде, если бы не она, открытия б не случилось или оно случилось бы позже. В дальнейшем Беккерель открыл, что еще сильнее излучают не соли урана, а сам металлический уран без всякий «примесей».
Вторая ошибка выяснилась позже, когда оказалось, что это все-таки не рентгеновские лучи. «Лучи урана» обладали еще большей проникающей способностью, чем лучи Рентгена! А кроме того, было обнаружено, что «урановые лучи» ионизируют воздух, то есть при столкновении с молекулами воздуха они энергично срывают с молекул самые дальние электроны. И получаются ионы. Поэтому излучение Беккереля назвали ионизирующим.
Разумеется, один из самых больных вопросов, вставших перед наукой, был такой – если «урановые лучи» возникают не при подводе энергии извне (никакое солнечное облучение для них, оказывается, не нужно) и являются свойством самого урана, то откуда же этот уран берет энергию? Закон сохранения энергии был давно уже известен, было ясно, что из ниоткуда энергия взяться не может – она либо поступает извне, из какого-то источника (например, Солнца), либо когда-то заранее накоплена.
На вопрос об энергии (откуда она берется у урана) ответим так. Да, действительно внутри урана есть источник ранее накопленной энергии, которая постепенно высвобождается при излучении, как из подвешенного дырявого ведра постепенно выкапывает вода, пока вся не кончится. Источник этот был заложен в уран так же, как закладывается распадная энергия в углероде-14, то есть во время создания самого вещества. Разница только в том, что углерод-14 производится в настоящее время в атмосфере, и его молекула запасает энергию космических лучей, а уран был «произведен» природой миллиарды лет назад, просто период его полураспада гораздо больше, чем у углерода-14. (Забегая вперед, скажем, что уран и другие радиоактивные металлы были образованы во время взрыва сверхновой звезды, из остатков которой сформировалась наша Солнечная система.) Но Беккерель ничего этого не знал! И никто не знал. Тогда люди просто столкнулись с необычным явлением и заинтересовались.
Так вот, среди заинтересовавшихся была и наша знакомая Мария Склодовская-Кюри – та самая женщина, которая потом назовет это явление радиоактивностью.
Мария задалась совершенно правильным вопросом: а нет ли других веществ, помимо урана, которые вот так же обладают свойством испускать невидимые, но проникающие лучи?
И прекрасным летом 1898 года она приступила к исследованиям. Вскоре выяснилось, что, кроме урана, излучает еще и торий. А однажды, изучая урановую руду определенного сорта из Чехии (она называлась смоляная обманка), Мария неожиданно обнаружила, что эта смоляная обманка излучает гораздо сильнее, чем даже чистый уран! Как такое может быть, чтобы уран с пустой породой излучал сильнее чистого урана? Значит, в этой породе есть еще какой-то неизвестный элемент, который излучает сильнее, чем уран, только так можно объяснить этот феномен!
Догадка оказалась верной, в смоляной обманке обнаружилось целых два доселе неизвестных науке металла. Мария как первооткрыватель дала им названия. Первый найденный металл она назвала в честь своей родины Польши – полонием, а второй – радием.
Для того чтобы выделить эти металлы из горной породы в чистом виде, муж Марии Пьер отложил свои исследования и начал помогать жене. Ими была проведена тяжелая, огромная, очень грязная и довольно опасная для здоровья работа.
Для того чтобы вы поняли объем этой работы, нужно отметить, что содержание полезного вещества (радия) в руде составляло всего одну миллионную часть. То есть на миллион атомов пустой породы приходился только один атом радия.
Чтобы выделить одну десятую долю грамма радия (причем даже не чистого радия, а хлорной соли радия), супругам пришлось на протяжении нескольких лет в дырявом продуваемом сарае перерабатывать в огромных чанах тонны и тонны руды, обрабатывая ее вредной серной кислотой. Работа отнимала все время, с деньгами было очень туго, а тут еще маленький ребенок… Но ребята справились! И через четыре года искомое вещество – соль радия – было в наличии.
Оно было прекрасно! Если соли урана светились тусклым зеленым светом, то соль радия не только светилась прекрасным голубоватым светом, но и испускала тепло! Как видите, радий был весьма активен!
Все мировые газеты того времени писали об этом удивительном радии. А русский поэт Маяковский, иллюстрируя, как трудно ищутся нужные слова для рифм, сравнил написание стихов с трудами Марии Кюри:
Поэзия – та же добыча радия.
В грамм добыча, в годы труды.
Изводишь единого слова ради
Тысячи тонн словесной руды.
Да, радий произвел большое впечатление на человечество. Великий ученый Альберт Эйнштейн даже сравнил обнаружение радиоактивности с покорением огня, настолько большое значение он придавал этому открытию.
По результатам своей тяжкой работы Мария написала и с блеском защитила докторскую диссертацию, которая была признана научным комитетом величайшей из всех ранее существовавших докторских работ. Вскоре за эту работу ей и ее мужу была вручена высшая научная награда – Нобелевская премия.
Мария считала себя самым счастливым человеком. Она говорила, что «обрела в браке все, о чем только могла мечтать, и даже больше того».
Уже позже выяснилось, что это «больше» было смертью.
Радиоактивность – очень опасная вещь. Ее воздействие на организм совершенно никак не ощущается, но она убивает человека, разрушая его организм своим проникающим излучением. Это называется лучевая болезнь. Страшная штука… Но тогда об этом ничего еще не знали, поэтому исследователи брали радиоактивные препараты голыми руками, носили их в кармане, а Мария таскала на груди кулон с радиоактивным радием. Он был все время теплым и так красиво светился в темноте… В результате у Марии Кюри все руки были в незаживающих язвочках, а сама она в конце концов умерла от рака крови, вызванного лучевой болезнью. И не только она! Умерла от лучевой болезни вся ее семья – и дочь, и муж ее дочери, поскольку они жили вместе с Марией. Не умер от лучевой болезни только муж Марии – Пьер, да и то лишь потому, что в 1906 году погиб в дорожно-транспортном происшествии. Только попал он не под машину, которых в Париже тогда еще практически не было, а под конный экипаж.
Мария тяжело переживала смерть мужа и соратника по борьбе с загадками природы. Только наука и дальнейшие исследования поддерживали ее в горе. Она стала первой женщиной, которая читала лекции во французском университете и возглавляла там кафедру, при этом продолжая работу в лаборатории. Ей хотелось выделить из соли чистый металлический радий. И уже после смерти мужа, в 1910 году – через 12 лет после начала исследований, – это удалось наконец сделать. И за это в следующем году ей была вручена вторая Нобелевская премия.
12 лет работы с радиоактивными материалами… За эти годы радиоактивная пыль пропитала буквально все в лаборатории и доме Кюри. Когда через полвека к листочку из блокнота, в котором супруги Кюри вели свои записи, поднесли прибор для замера ионизирующего излучения (он называется счетчик Гейгера), счетчик тревожно застрекотал, оповещая о высоком уровне радиации. А когда этот листок положили на фотопластинку, лучи от микроскопических радиоактивных пылинок, застрявших в бумаге, эту пластинку засветили. На фото даже был виден след от пальца – то ли Марии, то ли Пьера Кюри, которые когда-то держали в руках этот радиоактивный блокнотный листок.
Так что же это были за лучи такие смертельные? И почему тяжелые металлы их излучают?
Физик Резерфорд выдвинул гипотезу, что радиоактивное излучение – это следствие распада атомных ядер. При распаде, по мысли Резерфорда, радий превращается в другой элемент. Как мы с вами уже знаем, эта гипотеза потом подтвердилась.
Ученые, увлеченно изучающие распад атомных ядер, выяснили, что при этом процессе образуются целых три вида излучения. Как выяснили? Да легко – они пропускали таинственные лучи между полюсами обычного магнита. К тому времени люди уже давно знали, что магнит влияет на летящие электрические заряды, отклоняя положительные заряды в одну сторону, а отрицательные в другую. И пытались таким образом определить: а не являются ли таинственные лучи просто-напросто потоком заряженных частиц? Если магнит на них повлияет, значит, таинственные «лучи» – это просто поток заряженных частичек. Все гениальное просто!
Тогда-то и выяснилось, что есть целых три сорта радиационного излучения! Ученые назвали их альфа-излучением, бета-излучением и гамма-излучением и обозначили для краткости греческими буквами – α, β и γ.
Оказалось, что часть «лучей» в магнитном поле немного отклоняется магнитом вправо (эту часть излучения назвали альфа), другая часть довольно сильно отклоняется влево (бета), а третья часть пролетает прямо, не замечая магнита (гамма). Зная, как действует магнит на заряды (а наука, как мы уже сказали, к тому времени имела об этом представление), ученые сделали вывод: то, что отклонилось немного вправо, – струя положительных частичек, причем тяжелых, судя по небольшому отклонению. Другая часть, отклоненная сильно влево, – это отрицательно заряженные частицы, причем легкие, поскольку магниту легко их отклонить. Ну, а третья часть, которая магнитом не отклонилась, – электронейтральна.
Что такое легонькие отрицательные частицы, ученые уже знали – это электроны. Значит, бета-излучение есть не что иное, как обычный поток электронов. Эта загадка решена.
Альфа-излучение, то есть положительно заряженные частицы, оказались ядрами гелия (два протона, два нейтрона). Найдите гелий в таблице Менделеева, не поленитесь. Видите – два положительно заряженных протона и вес в четыре единицы. Получается, что тяжелые ядра некоторых металлов, распадаясь, выплевывают сгусточек, состоящий из двух протонов и двух нейтронов.
Разделение ионизирующего излучения на три сорта – альфа, бета и гамма
Ну, а то, что прошло сквозь магнитное поле, не отклоняясь, то есть было электрически нейтральным, и есть собственно лучи. Те самые, загадочные и проникающие. Из чего они «сделаны»?
Ответа на этот вопрос у ученых не было. Видимо, из того же, из чего сделаны лучи Солнца, то есть видимого света. Ньютон предполагал, что это поток частичек, а другие ученые, изучавшие волны, считали, что свет – волны, то есть колебание мирового эфира. Солнечный свет мы видим глазами, но для него мы сами непрозрачны. А вот гамма-лучи и рентгеновские лучи глазами мы не видим. Но зато мы для них совершенно прозрачны!
Именно эти лучи нас и убивают. Они – самая главная опасность радиоактивности.
Гамма-лучи прошивают нас насквозь и разрушают наше тело, от чего человек умирает в страшных мучениях.
А что же другие виды радиации – бета и альфа?
Они неопасны или, точнее, малоопасны. Электроны и ядра гелия легко задерживаются листом бумаги, стеклом, да и просто слоем воздуха, так что укрыться от них не проблема. А вот гамма-лучи… Упаси нас боже попасть под гамма-излучение! Это реальный жесткач! От них тоже можно укрыться, только для этого требуется толстый слой брони или подземные бункеры. И что самое неприятное, человек во время облучения вообще ничего не чувствует. В окружающей нас природе нет таких мощных потоков гамма-лучей, какие научилось получать человечество искусственно, поэтому эволюция и не предусмотрела для животного мира никакой сигнальной системы о подобной опасности. От огня мы чувствуем боль, а вот излучение убивает неощутимо.
Бета-излучение сейчас используется в наручных часах – для подсветки стрелок и циферок ночью. Выглядит это свечение довольно красиво. Правда, стоят такие часы довольно дорого. А стоят они дорого потому, что для подсветки используется тритий – сверхтяжелый водород, то есть водород-3, в атомном ядре которого не только одинокий протон, но и два нейтрона. Бывает еще дейтерий – просто тяжелый водород (протон и один нейтрон), но в часах с подсветкой используется именно тритий. Вещество это очень редкое и потому дорогое. 1 грамм трития стоит 30 тысяч долларов. В часах используют ничтожные доли миллиграмма этого вещества. Тритием наполняют стеклянную микроампулу, стенки которой изнутри покрыты люминофором – веществом, которое может светиться при облучении электронами. Эти микроампулы наклеивают на стрелки и цифры часов.
Как это происходит?
Тритий радиоактивен. То есть этот изотоп нестабилен, он распадается. Формула распада написана ниже, она проста и понятна любому.
1Н3 = 2Не3 + е- + ν
Слева тритий, обозначенный значком водорода из таблицы Менделеева (Н), он имеет один протон и атомную массу в три нуклона. После распада получается нейтрино (ν), электрон (е) и изотоп гелия – гелий-3, то есть второй химический элемент в таблице Менделеева. В нем, как видите, два протона и один нейтрон.
Электрончики, которые выстреливаются в момент распада, бомбардируют люминофор, вызывая его свечение. Светится слой люминофора круглосуточно, просто днем это свечение незаметно, а ночью очень даже! И светиться он будет годами, потому что период полураспада трития 12 лет. То есть через 12 лет светимость часов упадет вдвое.
