Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Отец Беккереля работал, в частности, с сульфатом уранил-калия K 2UO 2(SO 4) 2. Молекула этого флуоресцентного вещества содержит один атом урана. Беккерель обнаружил, что флуоресцентное излучение сульфата уранил-калия, подвергнутого воздействию солнечных лучей, способно затемнять фотопластинку даже сквозь черную бумагу, что не под силу обычному свету.

А 1 марта 1896 года Беккерель сделал поистине выдающееся открытие. Он обнаружил, что сульфат уранил-калия затемняет фотопластинку и без «подзарядки» от солнечных лучей, то есть когда он не флуоресцирует. Это вещество испускает сильное проникающее излучение постоянно.

Как и рентгеновские лучи, это излучение обладало не только проникающей способностью, но и способностью ионизировать атмосферу. Для демонстрации этого Беккерель использовал электроскоп с золотыми листками. Это устройство состоит из двух тонких листов золотой фольги, подключенных к электроду, помещенному для изоляции от воздушных потоков в специальный корпус. Если поднести к выступающему над краем корпуса концу электрода заряженный предмет, то заряд этого предмета перейдет на золотые пластинки. Оба листа получают одноименный заряд и отталкиваются друг от друга, образуя фигуру в виде перевернутой латинской V.

Лепестки могут провисеть так довольно долго. Однако если воздух внутри корпуса ионизирован, то содержащиеся в таком воздухе ионы постепенно нейтрализуют заряд золотых листков, те перестанут отталкиваться друг от друга и вновь сойдутся вместе. Именно это и произошло, когда рядом с электроскопом поместили образец сульфата уранил-калия. Таким образом Беккерелю удалось доказать, что испускаемое этим веществом излучение является ионизирующим.

Физик Мария Склодовская-Кюри (1867–1934), наполовину полячка, наполовину француженка по национальности, в 1898 году назвала такое постоянное проникающее ионизирующее излучение радиоактивным. Исследования Кюри показали, что все соединения, содержавшие уран, были радиоактивными, причем чем больше урана содержится в веществе, тем выше его радиоактивность. Получается, что радиоактивным является сам атом урана, а не остальные входящие в соединения вещества. Опытным путем Кюри выяснила, что радиоактивным был и атом тория. (Атомное число атома урана 90, тория — 92, поэтому их структура очень сложна. В 1890-х годах уран и торий были самыми тяжелыми из известных на тот момент химических элементов.)

Вскоре обнаружилось, что излучение урана и тория не гомогенно. В магнитном поле одна часть радиоактивных лучей немного отклонялась в одном направлении, другая сильно отклонялась в противоположном, а оставшаяся не отклонялась вовсе. Эрнест Резерфорд (впоследствии он развил модель атома) назвал эти части радиационного излучения первыми тремя буквами греческого алфавита: альфа-лучи, бета-лучи и гамма-лучи. Эти три группы лучей отличаются друг от друга еще и проникающей способностью: гамма-лучи обладают такой же проникающей способностью, как и рентгеновские, проникающая способность бета-излучения гораздо ниже, а альфа-лучи такой способностью вообще практически не обладают.

По направлению отклонения бета-лучей Беккерель в 1899 году определил, что они, так же как и катодные лучи, состоят из отрицательно заряженных частиц. Дальнейшие исследования подтвердили, что бета-излучение является потоком быстро движущихся электронов, поэтому излучаемый радиоактивным веществом электрон принято называть бета-частицей.

Как я уже говорил, гамма-лучи не отклоняются электромагнитным полем, поэтому ученые предположили, что бета-излучение является электромагнитным по своей природе, однако длина его волны еще короче, чем у рентгеновского излучения. В 1914 году, подвергнув гамма-лучи дифракции на кристалле, Резерфорд доказал это.

Появление ядерной модели атома дало ключ к разгадке природы радиоактивного излучения. Стало понятно, что его источник нужно искать внутри атомного ядра. Дело в том, что разницы энергии электронных уровней недостаточно для возникновения гамма-лучей. Значит, существуют внутриядерные энергетические уровни, энергия которых и переходит в фотоны гамма-излучения.

Кроме того, рентгеновские и гамма-лучи не так уж и похожи друг на друга. В целом длина волны рентгеновских лучей выше, а у тяжелых элементов частота рентгеновского излучения превосходит частоту гамма-излучения того же атома.