СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1 Эпоха Резерфорда


Когда Рентген объявил о своем открытии X-лучей, естествен­но было предположить, что между ними и флуоресценцией (или, как ее в то время называли, фосфоресценцией) электронной лампы, из которой они были испущены, существует некая взаимосвязь. Тогда несколько исследователей попытались выяснить, испускают ли фос­форесцирующие тела излучение, способное проходить сквозь непро­зрачные тела и затем воздействовать на фотографические пластины или вызывать фосфоресценцию других тел.
В частности, парижский ученый Анри Беккерель (1852-1908) решил исследовать излучение, испускаемое двойным сульфатом урана и калия после воздействия на него солнечных лучей. Выбранное им вещество обладало свойством фосфоресценции, которое обнаружил отец исследователя, Эдмон Беккерель (1820-1891). О полученном результате 24 февраля 1896 года Анри Беккерель сообщил во Фран­цузскую Академию наук. Он сказал: «Завернем фотопластинку в два листа очень плотной черной бумаги, чтобы в течение дня она не подвергалась воздействию солнечных лучей. Поверх бумаги поме­стим некоторое количество фосфоресцирующего вещества и выставим все это на солнце на несколько часов. После проявления пластинки мы увидим на ней очертания фосфоресцирующего вещества. Значит, оно просто обязано испускать излучение, способное проникать сквозь бумагу, не пропускающую обычного света, и воздействовать на соли серебра».
нечных лучей; но через неделю он заявил , что практически в самом
Сообщая о своем открытии, Беккерель предположил, что это
излучение вызвано влиянием на фосфоресцирующее вещество сол-
3Comptes Rendus, CXXII (2 марта 1896 г.), с. 501.
3
начале одного из опытов солнце зашло за тучу, и все же после прояв­ления фотопластинки очертания были не менее четкими, чем во всех остальных проведенных опытах. Более того, он обнаружил, что из­лучение сохранялось в течение неопределенного времени после того, как вещество убрали со света, и после того, как прекратилось све­чение, по сути, составляющее собственно фосфоресценцию. Тогда он заключил, что активность его является самопроизвольной и постоян­ной. Вскоре оказалось, что лучи испускают как нефосфоресцирующие соли урана — то есть принадлежащие к урановому ряду солей, — так и сам металл; и стало очевидно, что Беккерель открыл не что иное, как совершенно новое свойство урана, которое проявляется во всех его химических соединениях.
Довольно быстро он обнаружил, что новые лучи, подобно рент­геновым и катодным, наделяют газы свойством проводимости. В то время проводимость, вызванную рентгеновыми лучами, исследовал Дж. Дж. Томсон в Кавендишской лаборатории в Кембридже. Ле­том 1895 года к нему присоединился молодой докторант из Новой Зеландии, которого звали Эрнест Резерфорд (1871-1937). Они об­наружили, что проводимость вызывают ионы, или заряженные ча­стицы, которые образует в газах излучение и которые начинают дви­гаться в присутствии электрического поля. Затем Резерфорд продол­жил исследовать проводимость, создаваемую излучением урана (он доказал, что она тоже обусловлена ионизацией), и поглощение этого излучения материей. Оказалось, что это излучение неоднородно и в нем присутствуют лучи, по меньшей мере, двух разных видов: пер­вые, названные ученым альфа-лучами, легко поглощаются, тогда как проникающая способность вторых, получивших название бета-лучей, в сто раз выше аналогичной способности альфа-лучей.
В начале 1898 года в данной области появились еще двое уче­ных. Мария Склодовская, родившаяся в Варшаве в 1867 году (ум. в 1934 году), изучала физическую науку в Париже и в 1895 году вышла замуж за молодого французского физика Пьера Кюри (1859­1906). К тому времени она вознамерилась найти другие вещества, обладающие теми же свойствами, которые Беккерель обнаружил у урана, и в апреле 1898 года продемонстрировала наличие этих свойств у соединений тория — элемента, который в ряду атомных масс из­вестных в то время элементов стоял сразу после урана; это же откры­тие одновременно сделал и Г. С. Шмидт в Германии. Затем мадам Кюри показала, что поскольку химические реакции не влияют на эмиссию лучей урана и тория, значит, ее следует считать свойством, присущим атомам данного элемента. Затем Мария Кюри обнару­жила, что минеральный уранит (ископаемая урановая смолка), из которого добывают уран, обладает активностью, намного превыша­ющей ту, что можно объяснить содержащимся в нем ураном: из этого факта она заключила, что урановая смолка должна содержать еще один «радиоактивный» элемент. Производя систематический хи­мический анализ, в июле 1898 года супруги Кюри открыли новый элемент, который в честь своей родины Мария назвала полонием*, а в декабре — еще один, радиоактивность которого превышала радио­активность урана в миллионы раз: этот элемент получил название радия''. Э. А. Демарсе исследовал его спектр и обнаружил в нем спектральную линию, иным способом не определяемую. Следующие три с половиной года были потрачены, в основном, на определе­ние его атомной массы путем трудоемкого разделения элемента на последовательно уменьшающиеся фракции: найденное значение рав­нялось 225. Тем временем другой французский физик, Андре Де-бьерн (род. в 1874 году), обнаружил в остаточном уране еще один радиоактивный элемент, который назвал актинием.
5Ibid. CXXVII (1898), с. 1215.
Теперь всеобщее внимание сконцентрировалось на альфа- и бета-лучах, открытых Резерфордом. Через несколько месяцев после их открытия Гизель, Беккерель и другие продемонстрировали, что часть лучей (бета-лучи) отклоняется под действием магнитного по-ля, тогда как на другую часть (альфа-лучи) магнитное поле почти невлияет. После этого супруги Кюри обнаружили, что отклоняемые лучи переносят отрицательный электрический заряд, а Беккерелю удалось отклонить их с помощью электростатического поля. Так ста­ло ясно, что отклоняемые лучи, или бета-лучи, имеют ту же природу, что и катодные лучи; и когда путем измерения отклонений этих лу­чей под действием электрического и магнитного полей было получено значение m/e порядка 10—7, тождественность бета-частиц и кор­пускул катодных лучей была полностью доказана. Они отличаются только скоростью: бета-частицы движутся намного быстрее.
В то время считалось, что альфа-лучи не отклоняются под дей­ствием магнитного поля: это отклонение действительно чрезвычайно мало даже в сильном поле; но в феврале 1903 года Резерфорд' за­явил, что ему удалось отклонить альфа-лучи с помощью магнитного и электростатического полей. Отклонение произошло в направлении, противоположном отклонению катодных лучей, и это указывало на то, что альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц, выброшенных с огромной скоростью, а малое значение отклонения означало, что выброшенные частицы гораздо массивнее электрона. В 1903 году сэр У. Крукс и независимо Ю. Эльстер и Х. Гейтель нашли способ наблюдения этих частиц. Они обнаружили, что, ес­ли радиоактивное вещество поднести к экрану из сфалерита Сидо (сульфида цинка) с шестиугольной кристаллической решеткой, на­блюдаются яркие сцинтилляции, вызванные разрушением сфалери­та под действием бомбардировки. Резерфорд предположил, что это свойство можно использовать для подсчета количества альфа-частиц в лучах.
рель, Comptes Rendus, CXXIX (1899), с. 996 (работы с радием); С. Мейер и Э. фон Швейдлер, Phys. ZS (1899), с. 113 (работы с полонием и радием).
5Phil. Mag.(6) V (фев. 1903 г.), с. 177.
В то же время П. Виллар обнаружил, что помимо альфа- ибета-излучения радий испускает третий тип лучей, которые обла­дают гораздо более высокой проникающей способностью, чем два вышеупомянутых типа. Их проникающая способность в 160 раз пре­вышает аналогичную характеристику бета-лучей. Толщина алюми­ниевой пластины, сквозь которую излучение способно проникать до того, как его интенсивность снизится вполовину, составляет прибли­зительно 0,0005 см для альфа-лучей, 0,05 см для бета-лучей и 8 см для гамма-лучей, как назвали открытое Вилларом излучение. Виллар обнаружил также, что гамма-лучи, подобно рентгеновым, не откло­няются в присутствии магнитного поля.
В 1898 году Резерфорд получил назначение на кафедру Мак-Гиллского университета в Монреале, где вместе с Р. Б. Оуэнсом, профессором электротехники, начал исследовать радиоактивность со­единений тория. Они обнаружили, что проводимость воздуха, кото­рую вызывает присутствие оксида тория, изменяется неожиданным и непонятным образом: сильное воздействие, например, на нее могли оказать слабые сквозняки, возникающие при открывании или за­крывании дверей. В конце концов, Резерфорд заключил, что окись тория испускает в очень малых количествах некоторое, само по се­бе радиоактивное, материальное вещество, способное перемещаться с потоком воздуха. Он показал, что это «вещество», названное эмана­цией тория, является газом, принадлежащим к тому же химическому
семейству, что и гелий и аргон, но имеет большую молекулярную 3
массу .
3Вскоре после этого Фридрих Эрнст Дорн из Галле обнаружил, что радий, по­добно торию, создает эманацию: Halle Nat. Ges. Abh. XXIII (1900).
Тем временем в Кембридже Ч.Т. Р. Вильсон работал над сво­ей пузырьковой камерой, которая стала наиболее эффективным ме­тодом исследования в атомной физике. Если во влажном воздухе превышается некоторая степень перенасыщения (этого можно до­биться при внезапном расширении воздуха), то при условии присут­ствия в нем пылинок на них происходит конденсация паров воды. Если с помощью предварительных операций добиться конденсации водяных паров на пылинках и осадить получившиеся капли, то воз­дух в камере очистится от пыли. Если теперь направить в камерурентгеновские лучи или излучение радиоактивного вещества, то при достаточной степени перенасыщения снова произойдет конденсация, обусловленная образованием ионов. Таким образом, с помощью вне­запного расширения влажного газа, когда каждый ион становится центром видимой водяной капли, можно увидеть следы (треки) иони­зирующих лучей. Вильсон показал, что ионы, образованные излуче­нием урана, идентичны ионам, созданным рентгеновскими лучами. В июле 1899 года Дж. Дж. Томсон в письме Резерфорду рассказал о преимуществе камеры Вильсона, после чего последний ею восполь­зовался и весьма удачно. С помощью этой камеры можно наблюдать трек одной заряженной частицы, например электрона.
Важным свойством, впервые открытым в связи с эманацией тория, было стремительное уменьшение ее радиоактивности. Позд­нее обнаружилось, что это свойство присуще всем радиоактивным веществам: но у самых первых из открытых, урана и тория, пери­од полураспада (т. е. время, необходимое для снижения активности в два раза) занимает миллионы лет, так что свойство это до тех пор не было замечено. Резерфорд обнаружил, что интенсивность «наведен­ного излучения» тория ослабевает экспоненциально с течением вре­мени. Так, если обозначить интенсивность в любой момент времени через 1\, а интенсивность после некоторого промежутка времени t —
через ^ то т т -л*
12 = lie ,
где A — постоянная величина.
В мае 1900 года сэр У. Крукс продемонстрировал возможность химического отделения от урана малой фракции (которую он назвал ураном Х), обладавшей полной фотографической актиничностью ис­ходного вещества. Более того, он нашел, что радиоактивность ура­на Х постепенно снижается, тогда как полная активность остаточного урана постепенно восстанавливается, так что после достаточного про­межутка времени от него можно отделить новую порцию урана Х. Эти данные сыграли важную роль в создании теории.
Сначала ученые предположили, что чистый уран сразу после отделения не радиоактивен, но Ф. Содди (род. в 1877 году) заме­тил, что, несмотря на отсутствие фотографической актиничности, при проверке с помощью электричества чистый уран выказываетсвойство радиоактивности. Поскольку альфа-лучи проявляют только электрическую активность, а бета-лучи — только фотографическую, был сделан вывод , что чистый уран испускает только альфа-лучи, а уран Х — только бета-лучи. В 1900 году Содди поступил в Мак-Гиллский университет на должность ассистента профессора химии и сразу же начал помогать Резерфорду в его работе с радиоактив­ностью. При дальнейших экспериментах эманацию тория конден­сировали путем замораживания при очень низких температурах, в результате чего было обнаружено, что эманация создается не самим торием, а промежуточным веществом, которое по причине наличия у него многих свойств урана Х Крукса было названо торием Х. Это был первый признак того, что радиоактивность есть не что иное, как цепочка превращений химических элементов.
Работа Резерфорда и Содди с торием и радиоактивными про­изводными от него привела их к созданию общего закона радиоак­тивных превращений, опубликованного в сентябре 1902-мае 1903 го­дов . Самым большим препятствием для ясного понимания данной темы стала, как ни странно, глубокая вера всех и каждого в прин­цип сохранения энергии: в данном случае высвобождалось огромное количество энергии, но никто не понимал, откуда она взялась. Объ­ясняя ее поглощением внешнего излучения какого-то неизвестного вида, как это делалось ранее, постигнуть сущность данного предме­та не представлялось возможным. Резерфорд и Содди отказались от этой идеи и заявили, что:
1 Содди, Journ. Chem. Soc. LXXXI и LXXXII (июль 1902 г.), с. 860; Резерфорд и А. Г.Грир, Phil. Mag(6) IV (сентябрь 1902 г.), с. 315.
В радиоактивных элементах радии, тории и уране проис­ходит постоянное образование новых видов вещества, которые тоже являются радиоактивными.
Если несколько превращений происходят параллельно, они не одновременны, а последовательны; так, из тория получается то­рий Х, а из тория Х — эманация тория, возбуждающая радиоактив­ность.
Явление радиоактивности состоит в том, что определенная доля атомов подвергается спонтанному превращению в атомы дру­гой природы: происходящие превращения, по сути своей, отличаются от любых превращений, с которыми прежде имела дело химическая наука, т. к. энергия высвобождается из внутриатомных источников, которые не участвуют в химических реакциях.
(4) Количество атомов, распадающихся в единицу времени, со-
ставляет определенную долю от всех присутствующих и еще не рас-
павшихся атомов. Эта доля является характеристикой радиоактивного
вещества, значение которой постоянно для данного вещества. Таким
образом, мы получаем экспоненциальный закон распада с течением
времени: если начальное количество атомов обозначить no, а коли-
чество атомов в последующий момент времени t — n, то
n = no е-л*,
где A — это доля общего количества атомов, распадающихся за еди­ницу времени, так что среднее время жизни атома равняется 1/A.
Альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц, отношение массы к заряду у которых в тысячу раз превышает ана­логичную величину у электронов в катодных лучах. Если принять, что значение заряда этих частиц равно значению заряда электрона, то частицы альфа-лучей должны иметь массу того же порядка, что и масса атома водорода.
Эмиссия излучения сопровождается превращением атома в следующий за ним, и есть все причины считать, что выброс заря­женной частицы не просто сопутствует данному превращению, а сам является этим превращением.
Авторы отмечали (в статье, опубликованной в ноябре 1902 го­да), что в минералах природного происхождения, содержащих радио­активные элементы, радиоактивные превращения происходят, должно быть, в течение очень длительного периода времени, вследствие чего конечные продукты могут накапливаться в них в достаточном для обнаружения количестве. Таким продуктом мог бы оказаться гелий, так как он обычно присутствует в подобных минералах. Окончатель­но этот факт был установлен лишь через несколько лет, но вероят­ность его установления постоянно росла. В 1903 году Содди уехал из Монреаля для того, чтобы начать работать с сэром Уильямом Рам-заем в Университетском колледже в Лондоне. Резерфорд, который то лето проводил в Англии, приехал к ним, и вместе они установили (при исследовании спектра эманации радия), что в эманации радияприсутствует гелий. Таким образом, создалось ощущение, что ге­лий занимает определенное место в линейном ряду, начинающемся с радия, и поначалу все подумали, что он (гелий) окажется конечным
продуктом. Резерфорд, однако, предполагал, что гелий может образо-1
вываться из альфа-частиц , масса которых, как мы уже знаем, имеет порядок массы атомов водорода или гелия; что альфа-частицы, по сути своей, могут быть положительно заряженными атомами гелия. На протяжении нескольких лет ученые обсуждали это предположе­ние, но так и не пришли к определенному заключению. В 1906 го­ду Резерфорд с еще большей точностью вычислил отношение e/m для альфа-частиц радия C, которое оказалось в промежутке между 5, 0 X 108 и 5, 2 X 108, что составляет всего половину значения e/m для атома водорода. Тем не менее, это не помогло определить, являет­ся ли альфа-частица молекулой водорода (с молекулярной массой 2), переносящей заряд иона, или атомом гелия (с атомной массой 4), переносящим двойной заряд иона.
1 Nature, LXVIII (20 августа 1903 г.), с. 366.
3 Phil. Mag. VIII (декабрь 1904 г.), с. 719; У.Г.Брэгг и Р. Клееман, Phil. Mag. X (сентябрь 1905 г.), с. 318. Доклад, прочитанный Королевскому обществу Южной Австралии 6 июня 1904 г.
В 1904 году Уильям Генри Брэгг (1862-1942), в то время профессор Аделаидского университета в Южной Австралии, про­демонстрировал , что вследствие большой массы альфа-частицы ее отклонение при прохождении сквозь материю маловероятно и что в общем случае она продолжает двигаться в заданном направлении, постепенно теряя энергию, до полной остановки: пройденное рассто­яние можно назвать длиной пробега альфа-частицы. В случае ра­дия Брэгг нашел точные значения длин пробега для четырех типов альфа-частиц, соответствующих эмиссиям из радия, эманации радия, радию А и радию С: все альфа-частицы любого конкретного вида атомов исторгаются с одинаковой скоростью, но скорость эта раз­лична для каждого типа атомов, как и можно предположить, исходя из теории Резерфорда. Бета-частицы, напротив, легко отклоняются от своей траектории при столкновении с молекулами газа, и их треки в пузырьковой камере Вильсона зигзагообразны: при прохождении сквозь материю они рассеиваются, так что узкий пучок бета-лучей, пройдя сквозь металлическую пластинку, превращается в размытый луч.
В 1907 году Резерфорда перевели на кафедру физики в Манче­стерский университет. Здесь он встретил молодого выпускника Эр-
лангенского университета Ханса Гейгера, вместе с которым разрабо-1
тал электрический метод прямого подсчета альфа-частиц — счетчик Гейгера, как с тех пор он стал называться. Альфа-лучи направляли в наполненный газом сосуд, находящийся под действием электриче­ского поля с напряженностью, близкой к значению при пробое, когда должен происходить разряд. Когда отдельная альфа-частица прохо­дила сквозь газ, производя слабую ионизацию, ионы ускорялись под действием электрического поля и за счет столкновений ионизация увеличивалась в несколько тысяч раз. Благодаря этому происходил мгновенный разряд, который можно было зарегистрировать. Такой последовательный метод подсчета атомов был великим достижением: выяснилось, что количество альфа-частиц, испущенных одним грам­мом радия за одну секунду, равняется 3, 4 X 1010; тогда, с учетом полного заряда (найденным во второй статье) стало очевидно, что альфа-частица переносит заряд, равный двойному заряду электрона, но обратный ему по знаку.
В этом же году был, наконец-то, разрешен вопрос о возможной связи альфа-частиц с гелием. Резерфорд поместил некоторое коли­чество эманации радия в стеклянную трубку, такую тонкую, что со­зданные ею альфа-лучи могли проходить сквозь стенки этой трубки: они собирались на стенках второй стеклянной трубки, окружавшей первую, и после рассеяния оказалось, что они дают спектр гелия. Это было бесспорным доказательством того, что альфа-частицы являют­ся атомами гелия, которые переносят два единичных положительных
2 3
заряда — тот же вывод, что он сделал немного раньше, следуя
другой линии рассуждения.
Интересное подтверждение объяснения Резерфордом
эмиссии альфа-лучей было получено некоторое время спустя, когда
1Proc. R.S.(A), LXXXI (27 августа 1908 г.), с. 141, 162.
2Резерфорд и Т. Ройдс, Mem. Manchester Lit. and Phil. Soc. LIII (31 декабря
1908 г.), с. 1; Phil. Mag. XVII (февраль 1909 г.), с. 281. 3Nature LXXIX (5 ноября 1908 г.), с. 12.
4Тот факт, что эмиссия альфа-частиц — процесс случайный, а потому подвер-
он вместе с Гейгером исследовал флуктуации4 зарегистрированныхколичеств частиц, испущенных радиоактивным веществом за после­довательные равные промежутки времени. Г. Бейтман показал, что если эмиссия имеет случайный характер, то вероятность наблюдения за единицу времени n частиц составляет
хпе˜х n! '
где x — среднее количество частиц за единицу времени, а n — целое число (n = 0, 1,2,... оо). В 1910 году Резерфорд и Гейгер проверили эту формулу на опыте. Однако завершающим этапом ра­боты с альфа-частицами стало измерение, произведенное совместно с Болтвудом, объема гелия, созданного большим количеством радия. Объединив полученный результат с результатом экспериментально­го подсчета, ученые смогли определить число молекул в некотором количестве вещества, масса которого в граммах равна молекулярной массе вещества (постоянная Авогадро).
Определение этой постоянной было задачей множества исследо­ваний предыдущих лет, начиная со знаменитой статьи Эйнштейна. Альберт Эйнштейн родился в Ульме в Вюртемберге 14 марта 1879 го­да. Условия, в которых оказалась компания его отца, заставили семью покинуть Германию. Получив несколько нерегулярное образование в Швейцарии, Альберт Эйнштейн стал экспертом в федеральном Бюро патентов в Берне. Именно во время службы в этом Бюро Эйнштейн за шесть месяцев написал четыре статьи, каждая из которых при­влекла большое внимание.
жен вероятностным законам, судя по всему, впервые четко сформулировал Э. фон Швейдлер, Premier Cong. Intemat. pour l'Etude de la Radiologie, Льеж, 1905 г.
Статья, о которой пойдет речь сейчас, была, в сущности, про­должением двух предыдущих статей по молекулярно-кинетической теории тепла, в которых Эйнштейн всего лишь независимо полу­чил некоторые результаты, которые годом или двумя ранее опубли­ковал Уиллард Гиббс. Теперь он применил эти результаты к дви­жению очень малых частиц, взвешенных в жидкости. Предполага­лось, что размер частиц намного превосходит размеры молекулы,но Эйнштейн допустил, что в результате столкновений с молеку­лами воды они начнут двигаться беспорядочно, подобно молекулам газа. Средняя скорость движения такой взвешенной частицы, даже в случае использования частиц, достаточно крупных, чтобы увидеть их в микроскоп, может иметь заметную величину: но направление движения этой частицы под действием бомбардировки, которой она подвергалась бы, изменялось бы столь быстро, что не поддавалось бы прямому измерению. Однако в качестве статистического эффек­та этих неустановившихся движений появилось бы результирующее движение, которое могло оказаться в пределах видимости. Эйнштейн продемонстрировал, что за конечный промежуток времени t средне­квадратичное перемещение сферической частицы радиуса а равняется
RTt

где R — газовая постоянная, T — температура, N — постоянная Авогадро, а /л — коэффициент вязкости. Таким образом, на самом деле это явление могло помочь наглядно продемонстрировать случай­ное тепловое движение, до сих пор относившееся к разряду гипотез.
Движение малых частиц, взвешенных в жидкости, уже в 1828 го­ду наблюдал ботаник Роберт Броун (1773-1858), в честь которо­го оно было названо броуновским движением. В своей первой ста­тье Эйнштейн несколько преждевременно отождествил изучаемое им движение с броуновским, но к моменту написания второй статьи сомнений на этот счет у него не осталось.
Теорию броуновского движения примерно в то же время ис­следовал М. фон Смолуховский (1872-1917), а экспериментально ее подтвердили Т. Сведберг, М. Седдиг и П.Ланжевен. Особого упоминания требует экспериментальное исследование, проведенное в 1908-1909 гг. парижским ученым Жаном Батистом Перреном
(1870-1942). В результате этих экспериментов было найдено зна­чение средней энергии частицы при определенной температуре, что позволило вывести значение числа Авогадро, равное 6, 06 X 1023. Прямое подтверждение кинетической теории, полученное благодаря этим опытам по броуновскому движению, стало средством «обра­щения в нее» некоторых знаменитых ученых, например Вильгельма Оствальда и Эрнста Маха, которые прежде были ее противниками.
В 1911 году молекулярно-кинетическую теорию тепла другим экспериментальным способом подтвердил Л. Дюнуайе. Он получил параллельный пучок молекул натрия, пропустив пары нагретого на­трия сквозь две перфорированные диафрагмы в вакуумной трубке: поведение молекулярных лучей полностью подтвердило предсказания кинетической теории газов.
В процессе статистических исследований Эйнштейн также осо­знал, что тепловое движение носителей электрического заряда в про­воднике должно возбуждать случайные флуктуации разности потен­циалов на концах проводника. Эффект был слишком мал, чтобы его можно было обнаружить с помощью доступных в то время средств, но много лет спустя, с появлением ламповых усилителей, его наблю­дал Дж. Б. Джонсон, а теоретическое исследование этого эффекта провел Х. Найквист. Данное явление — одна из причин возмуще­ния, называемого «шумом» ламповых усилителей.
Теперь вернемся к обсуждению самих радиоактивных элемен­тов. В 1903-1905 годах Резерфорд определил число членов ряда радия, следующих за эманацией: радий А, В и С были известны уже к лету 1903 года, а радий D, E и F открыли в два последу­ющих года. Ученые предполагали, что один из трех последних про­дуктов идентичен полонию — первому новому элементу, открытомусупругами Кюри, и, действительно, полоний оказался радием F. Од­ним из самых замечательных событий было открытие радия B. В то время ученые не могли обнаружить никакого излучения, сопут­ствующего его превращению в радий C, и, следовательно, не было прямых свидетельств его существования: единственным основани­ем для постулирования его присутствия было то, что предполагаемое превращение радия A непосредственно в радий C нарушило бы зако­ны радиоактивных превращений, установленные в 1902-1903 годах; значит, необходимо было допустить существование промежуточного вещества.
Как только в 1902-1903 годах был сформулирован принцип о последовательном превращении радиоактивных элементов друг в друга, появилось подозрение, что радий, в природе содержащийся в урановой руде, может быть потомком урана. Эта гипотеза подтвер­ждалась тем, что уран является одним из нескольких элементов с большей, чем у радия, атомной массой и что содержание радия в урановой смолке приблизительно соответствует отношению радиоак­тивности радия и урана. В 1904 году Содди описал эксперимент, по­казавший, что радий не образуется непосредственно из урана. А так как он все же образуется, он может появиться только посредством формирования промежуточных веществ. Бертрам Б. Болтвуд (1870­1927) из Иельского университета занимался исследованием этого процесса в течение нескольких лет, и, в конце концов, в 1907 го­ду ему удалось доказать, что радий — это прямой потомок нового
радиоактивного элемента, который он назвал ионием и который про-
3
исходит от урана .
3Nature LXXVI (26 сентября 1907 г.), с. 544; Amer. Journ. Sci. XXIV (октябрь 1907 г.), с. 370; XXV (май 1908 г.), с. 365.
Огромное количество различных радиоактивных элементов, от­крытых к данному моменту, заставляло задуматься об их атомной массе, особенно о ее связи с их положением в так называемой пери­одической таблице химических элементов. В статье, опубликованной в 1864 году, Джон А. Р. Ньюландс отметил, что если химические элементы расположить в соответствии с численным значением их атомной массы, то каждый восьмой, начиная с любого заданного,элемент в отношении своих свойств будет очень похож на первый: как «восьмая нота музыкальной октавы». Эту идею он развил в последующих статьях, называя вышеописанную связь «законом ок­тав». Доклад на эту тему Ньюландс прочитал в Химическом обще­стве 1 марта 1866 года; но его отвергли на том основании, что обще­ство «взяло за правило не публиковать чисто теоретические статьи,
3
так как они могут привести к переписке спорного характера» .
Несколько лет спустя идеи Ньюландса воспринял и развил Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), расположивший эле­менты в виде периодической таблицы. Исходя из того, что некото­рые ячейки остались пустыми, он сделал вывод о существовании и вычислил приблизительные значения атомных масс трех, до той поры неизвестных, элементов, которые он назвал эка-бор, эка-алюминий и эка-кремний. Когда же их, наконец, открыли (сейчас они известны как скандий, галлий и германий), важность периодической таблицы признали все; а впоследствии открытые инертные газы, например гелий и другие, прекрасно в нее вписались.
3Дж. А. Р. Ньюландс, The Periodic Law (Периодический закон); Лондон, E. and
F.W. Spoon, 1884, с. 23.
По мере открытия новых членов радиоактивных рядов в неко­торых случаях обнаруживалось, что два или более атомов ря­да обладают одинаковыми химическими свойствами, так что они должны занимать одно и то же место в периодической табли­це Ньюландса и Менделеева. К примеру, в 1905 году О. Ган, в процессе работы с сэром Уильямом Рамзаем в Университет­ском колледже в Лондоне, открыл материнский элемент то­рия X, который он назвал радио-торием. Выяснилось, что он химически неотделим от тория. А.С.Расселл и Р. Росси, рабо­тая в лаборатории Резерфорда, показали, что оптический спектр иония неотличим от спектра тория. Однако радиоактивные свой­ства этих трех элементов совершенно разные: период полурас­пада тория составляет порядка 1010 лет, период полураспада иония — порядка 105 лет, в то время как у радио-тория — всего 1,9 лет; различны также значения их атомной массы, но с точки зрения химии — это три разновидности одного и того же элемента.
Довольно любопытно, что возможность такой ситуации еще в 1886 году предсказал сэр Уильям Крукс. «Поэтому я полагаю, — сказал он, — когда мы говорим, что атомная масса, к примеру, каль­ция равна 40, мы в действительности подразумеваем, что, тогда как действительная атомная масса большинства атомов кальция состав­ляет 40 единиц, есть немало атомов, масса которых равна 39 или 41, а еще меньшее число атомов имеет массу в 38 или 42 единицы, и т. д.».
По мере продолжения исследований радиоактивных элементов стали известны новые примеры атомов, неотделимых химическим пу­тем, но обладающих различными радиоактивными свойствами и раз­ной атомной массой. Внимание к этому вопросу привлекли в 1909 го­ду шведские химики Д. Стремхольм и Т. Сведберг, а в 1910 году — Содди. Обширную экспериментальную работу по этому вопросу провел Александр Флек.
5См. том I, с. 428.
Новый свет на данную проблему был пролит с совершенно неожиданной стороны. Сэр Джозеф Томсон (в 1908 году он был посвящен в рыцари) начал работать с каналовыми5, или положи­тельными, как он их назвал, лучами и нашел метод «анализа по­ложительных лучей» для нахождения значений отношения m/e для положительно заряженных частиц, из которых состоят эти лучи. Ме­тод заключался в следующем: лучи пропускали сквозь узкую трубку, чтобы получить крохотное пятно на фосфоресцирующем экране или фотографической пластинке, а между трубкой и экраном они под­вергались воздействию электрического и магнитного полей с целью отклонения пучка частиц, причем электростатическое и магнитное от­клонения взаимно перпендикулярны. Томсон продемонстрировал, что все частицы с одинаковым значением m/e под действием двух полейраспространяются таким образом, что точки их попадания на экран лежат на параболе. Следовательно, частицы разной массы создали бы различные параболы. Найденные параболы соответствовали атомам и молекулам различных газов в разрядной трубке, и по измерениям этих парабол можно было определить атомные веса частиц. При­меняя этот метод анализа положительных лучей к неону, ученый обнаружил, кроме параболы, соответствующей атомной массе 20, еще одну, соответствующую атомной массе 22. В обоих случаях это были атомы неона, но различной массы. Томсон, по сути, открыл два обычных нерадиоактивных вида атомов с одинаковыми химиче­скими свойствами, но различными физическими характеристиками. Этот результат, немедленно подтвержденный Фрэнсисом Уильямом Астоном (1877-1945), показал, что случаи присутствия несколь­ких элементов в одной ячейке таблицы Ньюландса-Менделеева не ограничиваются только самыми верхними ячейками таблицы. Эле­менты, химически неразделимые, но с различным атомным весом, Содди назвал изотопами.
Поразительный пример обнаружился при решении вопроса о ко­нечном продукте радиоактивного распада. Убедившись еще в 1905 го­ду, что гелий не является конечным продуктом ряда радия, Резер-форд занимался поисками другого элемента, который мог бы занять его место. Вместе с Болтвудом они предположили, что искомым эле­ментом может быть свинец , поскольку он всегда присутствует в урано-радиевых минералах: вполне возможно, что свинец — это ра­дий G. Данное предположение оказалось верным, и, кроме того, ученые обнаружили, что свинец является конечным продуктом еще и ряда тория. Однако эти два типа свинца имеют разную атомную массу: свинец, завершающий ряд радия, — 206 единиц, а свинец, завершающий ряд тория, — 208 единиц. (Атомная масса обычного свинца составляет 207, 20 единиц.)
4Резерфорд, Радиоактивность (второе изд., май 1905 г.), с. 484; Болтвуд, Phil. Mag(6) IX (апрель 1905 г.), с. 599.
Положение атомов, образующихся в результате радиоактивныхраспадов, в периодической таблице определяется так называемы­ми правилами смещения, впервые сформулированными в 1913 году А.С.Расселлом, К. Фаянсом (еще одним учеником Резерфорда) и Ф. Содди. Эти правила можно выразить следующим образом: рас­пад, сопровождающийся испусканием альфа-частицы, вызывает «пе­ремещение» атома в таблице Ньюландса-Менделеева на две клеточки вниз (т. е. уменьшается его атомная масса), а распад с испусканием бета-частицы вызывает его «перемещение» на одну клеточку вверх, но не влияет на его атомную массу.
В 1919-1920 годах Ф. У. Астон заявил, что в пределах экс­периментальной точности массы всех исследованных им изотопов выражаются целыми числами, если массу кислорода принимать рав­ной 16; исключение составлял лишь водород, масса которого равня­лась 1, 008.
В 1919 году возможные методы разделения изотопов предложи­ли Ф. А. Линдеманн и Ф. У. Астон, но на практике сколько-нибудь заметных результатов не было очень долго, и только в 1932-1933 го­дах ученые сумели разделить два изотопа водорода электролитиче­ским способом. Изотопы неона с помощью многократной диффузии разделил Густав Герц.
г.), с. 97; Nature, XCI (20 марта 1913 г.), с. 57; Nature, XCVIII (15 февраля 1917 г.),
с. 469.
В 1908 году Резерфорд открыл новое явление в радиоактив­ности, которое впоследствии подтвердили Фаянс и другие исследо­ватели. Явление заключалось в следующем: в ряде случаев (напри­мер, радия C, тория C и актиния C) некоторые атомы испускают альфа-частицу, а в следующем превращении — бета-частицу, дру­гие же атомы ведут себя прямо противоположным образом: сначала они испускают бета-частицу, а затем альфа-частицу. Это называется ветвлением ряда. В своей первой статье Резерфорд высказал мне­ние, что таким образом уран может порождать не только семейство радия, но и семейство актиния; эта гипотеза впоследствии оказалась правильной и была принята всеми.
Теперь обратимся к некоторым заметным достижениям, свя­занным с рентгеновыми лучами. Чарльз Гловер Баркла (1877-1944) заинтересовался этим предметом, еще будучи аспирантом Дж. Дж. Томсона в Кембридже. В 1902 году его перевели в Ливерпульский университет, где в 1904 году он открыл, что эти лучи могут быть частично поляризованы. В последнем варианте его опытов неко­торое количество углерода подвергалось воздействию интенсивного первичного пучка рентгеновских лучей, превращаясь вследствие это­го в источник вторичного излучения. В ходе эксперимента иссле­довался именно пучок вторичного излучения, распространявшийся в направлении, перпендикулярном распространению первичного излу­чения. На пути вторичного луча вновь помещалось некоторое коли­чество углерода, благодаря чему можно было наблюдать третичное излучение, распространявшееся перпендикулярно направлению вто­ричного. Экспериментальная установка оставалась неподвижной за исключением рентгеновской трубки, которая поворачивалась вокруг оси вторичного излучения, что позволяло исследовать интенсивность третичного излучения для разных положений трубки. Оказалось, что интенсивность третичного излучения имеет максимальное значение, когда третичный и первичный лучи параллельны, и минимальное, когда они перпендикулярны друг другу, что говорит о поляризации вторичного излучения. Этот результат стал веским доказательством гипотезы о том, что рентгеновские лучи являются поперечными вол­нами.
Продолжая исследовать рентгеновские лучи, Баркла решил про­верить предположение Дж. Дж. Томсона о том, что число электроновв атоме можно определить, наблюдая рассеяние, которое возника­ет при падении рентгеновских лучей на легчайшие химические эле­менты, и сравнивая его с рассеянием, которое они вызывают при падении на отдельный электрон. В 1903 году Томсон в первом из­дании своего труда Conduction of Electricity through Gases («Прово­димость электричества газами») привел теоретические рассуждения (основанные на классической электродинамике) о рассеянии импуль­са электромагнитной силы электроном, на который она воздейству­ет. Он обнаружил, что отношение энергии, излученной электроном, к энергии на единицу площади волнового фронта первичного пучка составляет 8ne4/3m2 (когда заряд e измеряется в электромагнит­ных единицах). Таким образом, если принять, что все электроны в химическом элементе, находящемся под воздействием рентгеновских лучей, рассеиваются независимо друг от друга, значение коэффици­ента рассеяния на единицу массы будет равно
8-7Г еАп 3 m р

где n — число электронов на см , а р — плотность.
Пусть теперь N = число молекул в одном моле; Z = число свободных электронов на атом; A = атомная масса.
Тогда
NZ п
—д - = число электронов в одном грамме = —,
так что значение коэффициента рассеяния на единицу массы опре­деляется как
8тг e4NZ 3 т?А '
Баркла экспериментальным путем определил, что коэффициент рас­сеяния на единицу массы для легчайших элементов (кроме водорода) имеет значение порядка 0, 2. Поэтому Баркла получил
z_ ЗтА
40neN'
Принятые тогда значения величин правой части этого равенства бы­ли неточными, и результат, показавший, что на молекулу воздуха приходится от 100 до 200 электронов, в 1911 году Баркла заменил намного более точным числом, определенным на основе значения e/m, полученного Бухерером, величины e, найденного Резерфордом и Гейгером, и значения N, найденной Резерфордом. Новый расчет показал, что (приближенно)
z = \a,
то есть количество рассеивающих электронов на атом для легчайших элементов составляет примерно половину атомной массы элемента (опять же за исключением водорода, для которого Z = 1). Эти ре­зультаты стали замечательными предвестниками будущих открытий.
А вторичным рентгеновским лучам суждено было сделать еще не один вклад в атомную физику. В 1906 году Баркла обнаружил, что в некоторых случаях вторичное излучение состоит, главным обра­зом, из лучей, разительно отличающихся от первичных своей «жест­костью», или проникающей способностью, вследствие чего его нельзя рассматривать как результат «рассеяния». Он продолжил изучение этого вопроса с помощью одного из своих студентов, К. А. Садлера, и в 1908 году они установили, что вторичные рентгеновские лу­чи, испускаемые химическим элементом, находящимся под действием первичных рентгеновских лучей, могут быть двух типов:
(1) Рассеянное излучение, незначительное и имеющее то же качество, что и первичное.
(2) Характеристическое излучение облучаемого химического элемента и почти, если не совсем, однородное, то есть с одинако­вой степенью жесткости с первичным. Кроме того, такое излучение, в отличие от рассеянного, испускается равномерно во всех направле­ниях. Оно создается только тогда, когда в первичных рентгеновских лучах содержится составляющая, более жесткая, чем характеристиче­ское излучение, которое получается. (Поэтому в то время характе­ристическое рентгеновское излучение часто называли «флуоресцент­ным».) Баркла также обнаружил, что жесткость характеристического излучения повышается с увеличением атомной массы излучающего химического элемента.
Р. Виддингтон обнаружил, что первичное излучение из рент­геновской трубки может возбуждать характеристическое излучение элемента с атомной массой w, только когда скорость первичных ка­тодных лучей превышает 108w см/сек; при меньшей скорости ис­пускается только действительно «рассеянное» излучение, похожее на первичное.
Оказалось, что характеристическое вторичное излучение мож­но подразделить на несколько групп, причем с возрастанием атомной массы излучающего элемента увеличивается проникающая способ­ность излучения каждой группы; другими словами, каждый хими­ческий элемент излучает линейчатый спектр рентгеновских лучей, причем с возрастанием атомной массы элемента каждая линия сме­щается к более проникающему концу спектра. Две группы, описан­ные в 1909 году, в 1911 году получили обозначение K и L, а немного позже была найдена М-серия. К-серия, обладающая наибольшей проникающей способностью, была найдена вместе с L-серией для элементов от циркония (атомная масса 90, 6) до серебра (атомная масса 107, 88). Для элементов тяжелее серебра возбуждение К-серии было сопряжено с определенными трудностями, т. к. в существующих катодных трубках потребовались бы огромные скорости, а для эле­ментов легче циркония трудно было наблюдать L-серию, так как она 4
4Э. Г. Курт, Phys. Rev. XVIII (1921), с. 461, определил предел схождения длин
очень легко поглощается .



СОДЕРЖАНИЕ