Гимназия им. Сервантеса Учебно-исследовательская работа История открытия радиоактивности

Вид материала

Содержание

Глава 1. Открытие рентгеновских лучей.
Глава 2. Опыты Беккереля.
Глава 3. Исследования супругов Кюри.
Заключение. Радиоактивность сегодня.
Список литературы.
В учении о радиоактивности.

Подобный материал:

1 2

Гимназия им. Сервантеса

Учебно-исследовательская работа

История открытия радиоактивности.

Автор:

Бакаев Александр Викторович,

ученик 9 «Б» класса

Руководитель:

Николаева Оксана Николаевна,

преподаватель физики

Санкт-Петербург

2002 год

Оглавление.

Введение……………………………………………………… 3

Глава первая....………………………………………………. 5

Глава вторая………………………………………………… 8

Глава третья………………………………………………... 11

Глава четвертая…………………………………………..... 19

Заключение..………………………………………………..... 21

Список литературы…………… ………………………….. 22

Приложение первое…….…………………………….……... 23

Введение.

Эта работа посвящена истории открытия радиоактивности, то есть роли таких ученых, как немецкий физик, лауреат Нобелевской премии Вильгельм Конрад Рентген, А. Беккерель, супруги Мария и Пьер Кюри, Жолио Кюри, в становлении этой науки.

Этой работой я попытался ответить на вопрос: откуда и с чего это началось? Ведь найти начало попыток представить атом как сложное образование со своим особым внутренним устройством нелегко. Историки до сего времени еще не выяснили все аспекты начала и преддверия атомной эры. Ясно одно — истоки понимания сложной структуры атома — в трудах многих поколений исследователей.

Выбор работы был обусловлен также субъективными причинами, так как часть материала изучалась на уроках физики. Эта тема заинтересовала меня, потому что я смог познакомиться с деятельностью известных ученых.

Цель работы состоит в том, чтобы рассмотреть становление, первооснову таких наук, как радиология, ядерная физика, дозиметрия, определить роль тех или иных ученых в открытии этого замечательного явления.

Для достижения этой цели автор поставил перед собой следующие задачи:

Рассмотреть деятельность Вильгельма Рентгена как ученого, направившего остальных исследователей в данную область.
Проследить за первоначальным открытием явления А. Беккерелем.
Оценить огромный вклад супругов Кюри в накоплении и систематизации знаний о радиоактивности.
Проанализировать открытие Жолио Кюри.

Для написания работы автор использовал следующие справочные издания:

А.И. Абрамов. Измерение "неизмеримого". Москва, «Атомиздат». 1977.
К.А. Гладков. Атом от А до Я. Москва, «Атомиздат». 1974.
Е. Кюри. Мария Кюри. Москва, «Атомиздат». 1976.
К.Н. Мухин. Занимательная ядерная физика. Москва, «Атомиздат». 1969.
М. Намиас. Ядерная энергия. Москва, «Атомиздат». 1955.
Н.Д.Пильчиков. Радий и радиоактивность (сборник «Успехи физики»). Санкт-Петербург. 1910.
В.К. Рентген. О новом роде лучей. Москва, «Просвещение». 1933.
М. Склодовская-Кюри. Радий и радиоактивность. Москва. 1905.
М. Склодовская-Кюри. Пьер Кюри. Москва, «Просвещение». 1924.
Ф. Содди. История атомной энергии. Москва, «Атомиздат» 1979.
A.Б. Шалинец, Г.Н. Фадеев. Радиоактивные элементы. Москва, «Просвещение». 1981.

Особое значение из перечисленного списка имел труд Ф. Содди «История атомной энергии.», так как в нем наиболее полно и подробно излагаются нижеизложенные факты.

Практическая значимость этой работы заключается в том, что ее можно использовать в качестве подробного справочного материала на уроках физики, а также во внеклассной работе: подготовке различных докладов, сообщений и т.п.

Работа состоит из введения, оглавления, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

Глава 1. Открытие рентгеновских лучей.

Шел декабрь 1895 года. В.К. Рентген, работая в лаборатории с разрядной трубкой, около которой находился флюоресцирующий экран, покрытый платино-синеродистым барием, наблюдал свечение этого экрана.

Закрыв трубку черным чехлом, собираясь закончить опыт, Рентген обнаружил опять-таки свечение экрана при разряде. "Флюоресценция" видна,— писал Рентген в своём первом сообщении 28 декабря 1895 г., — при достаточном затемнении и не зависит от того, подносить ли бумагу стороной, покрытой или не покрытой платино-синеродистым барием. Флюоресценция заметна ещё на расстоянии двух метров от трубки».

«Легко убедиться, что причины флюоресценции исходят именно от разрядной трубки, а не от какого-нибудь места проводника»^¹.

Рентген сделал предположение, что флюоресценция вызывается какими-то лучами (он назвал их Х-лучами), проходящими через непроницаемый для обычных световых видимых и невидимых лучей чёрный картон чехла трубки. Поэтому он прежде всего исследовал поглощательную способность различных веществ по отношению к Х-лучам. Он нашёл, что все тела проницаемы для этого агента, но в различной степени.

Лучи проходили через переплетённую книгу в 1000 страниц, через двойную колоду игральных карт. Еловые доски от 2 до 3 см толщиной поглощали лучи очень мало. Алюминиевая пластинка толщиной около 15 мм хотя и сильно ослабляла лучи, но не уничтожала их полностью.

«Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны тёмные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки». Лучи действуют на фотографическую пластинку, причём «можно производить снимки в освещённой комнате, пользуясь пластинкой, заключённой в кассету или в бумажную оболочку»^².

Рентген не мог, однако, обнаружить ни отражения, ни преломления рентгеновских лучей. Однако он установил, что, если правильное отражение «не имеет места, всё же различные вещества по отношению к Х-лучам ведут себя так же, как и мутные среды по отношению к свету»^³.

Таким образом, Рентген установил важный факт рассеяния рентгеновских лучей веществом. Однако все его попытки обнаружить интерференцию рентгеновских лучей дали отрицательный результат. Отрицательный результат дали и попытки отклонения лучей магнитным полем. Отсюда Рентген сделал вывод, что Х-лучи не идентичны с катодными лучами, но возбуждаются ими в стеклянных стенках разрядной трубки. В заключение своего сообщения Рентген обсуждает вопрос о возможной природе открытых им лучей:

«Если поставить вопрос, чем собственно являются Х-лучи (катодными лучами они быть не могут), то, судя по их интенсивному химическому действию и флюоресценции, можно отнести их к ультрафиолетовому свету. Но в таком случае мы сейчас же сталкиваемся с серьёзными препятствиями. Действительно, если Х-лучи представляют собой ультрафиолетовый свет то этот свет должен иметь свойства:

а) при переходе из воздуха в воду, сероуглерод, алюминий, каменную соль, стекло, цинк и т. д. не испытывать никакого заметного преломления;

б) не испытывать сколько-нибудь заметного правильного отражения от указанных тел;

в) не поляризоваться всеми употребительными средствами;

г) поглощение его не зависит ни от каких свойств тела, кроме плотности.

Значит, нужно было бы принять, что эти ультрафиолетовые лучи ведут себя совсем иначе, чем известные до сих пор инфракрасные, видимые н ультрафиолетовые лучи. На это я не мог решиться и стал искать другое объяснение. Некоторое родство между новыми лучами и световыми лучами, по-видимому, существует. На это указывают теневые изображения, флюоресценция и химические действия, получающиеся при обоих видах лучей.

Давно известно, что, кроме поперечных световых колебаний, в эфире возможны и продольные колебания. Некоторые физики считают, что они должны существовать. Существование их, конечно, пока не доказано с очевидностью, и свойства их поэтому экспериментально ещё не изучены. Не должны ли новые лучи быть приписаны продольным колебаниям в эфире?

Я должен признаться, что всё больше склоняюсь к этому мнению, и я позволяю себе высказать здесь это предположение, хотя знаю, конечно, что оно нуждается в дальнейших обоснованиях».

Конечно, у Рентгена были веские основания сомневаться в единой природе световых и рентгеновских лучей, и правильное решение вопроса выпало на долю физики XX в. Однако неудачная гипотеза Рентгена явилась вместе с тем свидетельством недостатка его теоретического мышления, склонного к одностороннему эмпиризму. Тонкий и искусный экспериментатор, Рентген не испытал склонности к поискам нового, как ни парадоксально это звучит по отношению к автору одного из крупнейших в жизни физики новых открытий.

Открытие Рентгена вызвало огромный резонанс не только в научном мире, но и во всём обществе. «Можно представить себе интерес, — вспоминал впоследствии Шустер, — вызванный открытием в научном мире, и сенсацию, порождённую им в публике; было мало лабораторий, где тотчас же не явились бы попытки повторить этот опыт»^¹.

Особенно большой интерес к новому излучению проявили врачи. «Моя лаборатория была наводнена врачами, приводившими пациентов, подозревавших, что они имеют иголки в разных частях тела», — писал Шустер. Этот практический интерес способствовал развитию рентгенотехники, улучшению конструкции трубок, разработке высоковольтных установок для них и т. п. Ближайшим научным следствием открытия рентгеновских лучей было прежде всего открытие Томсоном их ионизирующего действия, выяснение механизма электропроводности газов и основных законов прохождения токов через газы при действии постоянного ионизатора. Было найдено нарастание тока при слабых электродвижущих силах по закону Ома, отклонение от этого закона при повышении напряжения и, наконец, наличие тока насыщения при достаточно высоких напряжениях. Исследования газового разряда при атмосферном давлении особенно эффективно проводились в лаборатории Кавендиша в Кембридже (Дж. Дж. Томсоном со своими сотрудниками).

В марте 1896 г. Рентген выступил со вторым сообщением. В этом сообщении он описывает опыты по ионизирующему действию лучей и по изучению возбуждения Х-лучей различными телами. В результате этих исследований он констатировал, что «не оказалось ни одного твёрдого тела, которое под действием катодных лучей не возбуждало бы Х-лучей». Это привело Рентгена к изменению конструкции трубки для получения интенсивных рентгеновских лучей. «Я несколько недель с успехом пользуюсь разрядной трубкой следующего устройства. Катодом её является вогнутое зеркало из алюминия, в центре кривизны которого под углом 45° к оси зеркала помещается платиновая пластинка, служащая анодом».

«В этой трубке Х-лучи выходят из анода. Основываясь на опытах с трубками различных конструкций, я пришёл к заключению, что для интенсивности Х-лучей не имеет значения, является ли место возбуждения лучей анодом или нет»^¹. Тем самым Рентгеном были установлены основные черты конструкции рентгеновских трубок с алюминиевым катодом и платиновым антикатодом.

Открытие Рентгеном Х-лучей сыграло важную роль в учении о радиоактивности. Благодаря ему, после повторения вышеизложенных опытов, тысячи ученых всего мира стали исследовать эту область. Неслучайно позже Жолио Кюри скажет: «Не было бы Вильгельма Рентгена, наверное, не было бы меня…»

Глава 2. Опыты Беккереля.

В 1896 г. А. Беккерель открыл радиоактивность. Это открытие было непосредственно связано с открытием рентгеновских лучей.

В своём докладе на конгрессе Беккерель указывал, что ему казалось очень мало вероятным, чтобы рентгеновские лучи могли существовать в природе только в тех сложных условиях, в каких они получаются в опытах Рентгена.

Беккерель, близко знакомый с исследованиями своего отца по люминесценции, обратил внимание на тот факт, что катодные лучи в опытах Рентгена производили при ударе одновременно и люминесценцию стекла и невидимые Х-лучи. Это привело его к идее, что всякая люминесценция сопровождается одновременно испусканием рентгеновских лучей.

Эту идею впервые высказал А. Пуанкаре. В своей докторской диссертации М. Кюри-Склодовская пишет по этому поводу: «Первые рентгеновые трубки не имели металлического антикатода; источником рентгеновских лучей служила подвергнутая действию катодных лучей стеклянная стенка; при этом она сильно флуоресцировала. Можно было задаться вопросом, не является ли испускание рентгеновских лучей непременным спутником флуоресценции, независимо от причины последней. Эту мысль впервые высказал г. А. Пуанкаре^¹.

Для проверки этой идеи Беккерель использовал большое количество люминесцирующих материалов, пока после ряда безуспешных опытов не поместил двух кристаллических пластинок урановой соли на фотографическую пластинку, завёрнутую в чёрную бумагу. Урановая соль подвергалась действию сильного солнечного света и через несколько часов экспозиции на фотографической пластинке было ясно обнаружено очертание кристаллов.

Таким образом, идея оказалась подтверждённой, солнечный свет возбуждал и люминесценцию соли урана и проникающую радиацию, действующую через бумагу на фотопластинку. Однако в дело вмешался случай.

Приготовив опять пластинку с кристаллом урановой соли, Беккерель вновь вынес её на солнце. День был облачный, и опыт после короткой экспозиции пришлось прервать. В последующие дни солнце не показывалось, и Беккерель решил проявить пластинку, не надеясь, конечно, получить хорошего снимка. Но, к его удивлению, снимок получился резко очерченным.

Как первоклассный исследователь, Беккерель не поколебался подвергнуть серьёзному испытанию свою теорию и начал исследовать действие солей урана на пластинку в темноте. Так обнаружилось — и это Беккерель доказал последовательными опытами,— что уран и его соединение непрерывно излучают без ослабления лучи, действующие на фотографическую пластинку и, как показал Беккерель, способные также разряжать электроскоп, т. е. создавать ионизацию. Открытие это вызвало сенсацию.

Особенно поражала способность урана излучать спонтанно, без всякого внешнего воздействия.

Рамзай рассказывает, что когда осенью 1896 г. он вместе с лордом Кельвином (В. Томсоном) и Д. Стоксом посетил лабораторию Беккереля, то «эти знаменитые физики недоумевали, откуда мог бы взяться неисчерпаемый запас энергии в солях урана. Лорд Кельвин склонялся к предположению, что уран служит своего рода западнёй, которая улавливает ничем другим не обнаруживаемую лучистую энергию, доходящую до нас через пространство, и превращает её в такую форму, в виде которой она делается способной производить химические действия».

Итак, 1896 год был ознаменован замечательным событием: наконец-то, после нескольких лет поисков, была открыта радиоактивность. Эта заслуга принадлежит великому ученому Беккерелю. Его открытие дало толчок развитию и совершенствованию этой науки.

Глава 3. Исследования супругов Кюри.

Естественно, что внимание исследователей было обращено на поиски аналогичного свойства у других минералов.

Молодая супруга Пьера Кюри Мария Склодовская-Кюри решила избрать темой своей докторской диссертации исследование нового явления. Исследование радиоактивности урановых соединений привело её к выводу, что радиоактивность является свойством, принадлежащим атомам урана, независимо от того, входят ли они в химическое соединение или нет. При этом она «измеряла напряжённость урановых лучей, пользуясь их свойством сообщать воздуху электропроводность»^¹. Этим ионизационным методом она и убедилась в атомной природе явления.

«Тогда я занялась изысканиями, не существует ли других элементов, обладающих тем же свойством, и с этой целью изучила все (подчёркнуто мной. — П.К.) известные в то время элементы, как в чистом виде, так и в соединениях. Я нашла, что среди этих лучей только соединения тория испускают лучи, подобные лучам урана»^².

Таков был результат огромной, изнурительной работы. К тому же результату пришёл Э. Шмидт.

Но и этот скромный результат показал Кюри, что радиоактивность, несмотря на её необычайный характер, не может быть свойством только одного элемента. «С этого времени представилась необходимость найти новый термин для определения нового свойства материи, проявленного элементами ураном и торием. Я предложила для этого название «радиоактивность», которое сделалось общепринятым»^³.

Исходя из мысли о «весьма малой вероятности того, чтобы радиоактивность, рассматриваемая как атомное свойство, была присуща лишь известному виду материи», М. Кюри «стала исследовать, не являются ли радиоактивными и другие вещества, кроме урановых и ториевых соединений». В своей докторской диссертации она приводит список исследованных ею веществ:

1. «Все легко доступные металлы и металлоиды, также некоторые более редкие, в чистом виде, из собрания г. Этара».

2. «Следующие редкие тела: галлий, германий, неодим, празеодим, ниобий, скандий, гадолиний, эрбий, самарий и рубидий (от г. Демарсе), иттрии, иттербий с неоэрбием (от г. Юрбена)».

3. «Большое количество чёрных пород и минералов»^⁴.

Внимание Кюри привлекли аномально большие значения радиоактивности некоторых руд. Чтобы выяснить, в чём дело, Кюри приготовила искусственный халколит из чистых веществ. Этот искусственный халколит, состоящий из азотнокислого уранила и раствора фосфорнокислой меди в фосфорной кислоте, после кристаллизации обладал «вполне нормальной активностью, отвечающей его составу: она в 2,5 раза менее активности урана».

«Поэтому стало весьма вероятным предположение, что смоляная обманка, халколит, отёнит обязаны своей сильной активностью присутствию небольшого количества какой-то сильно радиоактивной примеси, отличной от урана, тория и других известных тел. Если это так, то, — считала я, — можно надеяться обыкновенными приёмами аналитической химии извлечь из минерала это вещество»^¹. «Живо заинтересованный этим вопросом, Пьер Кюри оставил свою работу над кристаллами — временно, как он думал — и присоединился ко мне для исследования нового вещества»^².

Начался поистине титанический труд супругов Кюри, проложивший путь человечеству к овладению атомной энергией. «Экспериментальный метод, которым нам предстояло пользоваться, — пишет М. Кюри, — должен был быть основан только на радиоактивных свойствах гипотетического вещества, ибо никаких других признаков его мы не знали. Вот как можно пользоваться радиоактивностью для подобных исследований: измерив активность препарата, подвергают его химическому разделению; затем, измеряя активность каждого из полученных продуктов, узнают, перешло ли радиоактивное вещество сполна в один из них или же оно распределилось между ними в некотором отношении. Мы имеем здесь аналитическое средство, в некотором отношении сравнимое со спектральным анализом»^³.

Этот новый метод химического анализа, разработанный Кюри, сыграл огромную роль в истории атомной физики, позволяя обнаруживать ничтожнейшие массы радиоактивного вещества.

В предстоящей им огромной работе супруги Кюри встретились с колоссальными трудностями, прежде всего внешнего порядка.

«В этот период нашей работы нам очень вредил недостаток необходимых средств: помещения, денег и персонала»^⁴. С неистощимой энергией они преодолевали одно препятствие за другим. Не было денег для покупки урановой руды — они обходятся без этой руды, считая, что искомый радиоактивный остаток находится в отбросах уранового производства, «которые в то время никак не утилизировались». «Благодаря поддержке Венской академии наук нам удалось получить на выгодных условиях несколько тонн этих отбросов, и мы употребили их в качестве исходного материала».

«...Особенно важен был вопрос о помещении; мы не знали, где нам можно вести химическую переработку. Пришлось организовать её в заброшенном сарае, отделённом двором от мастерской, где находился наш электрометрический прибор. Это был барак из досок, с асфальтовым полом и стеклянной крышей, недостаточно защищавшей от дождя, без всяких приспособлений; в нём были только старые деревянные столы, чугунная печь, не дававшая достаточно тепла, и классная доска, которой так любил пользоваться Пьер Кюри. Там не было вытяжных шкафов для операции с вредными газами; поэтому приходилось делать эти операции на дворе, когда позволяла погода, или же в помещении при открытых окнах»^⁵.

Поучительно сравнить эту обстановку с современными ядерными институтами, снабжёнными дорогостоящей первоклассной аппаратурой, оборудованными необходимой защитой от ядерных излучений. У Кюри не было даже вытяжных шкафов. Что же касается сотрудников, то сначала им приходилось работать в одиночестве. В 1898 г. в работах по открытию радия им оказал временную помощь преподаватель промышленной школы физики и химии Ж. Бемон; позже они привлекли молодого химика А. Дебьерна, открывшего актиний; затем им помогали физики Ж. Саньяк и несколько молодых физиков. Напряженный героический труд стал приносить результаты.

На заседании Парижской академии наук 18 июля 1898 г. Беккерель представляет доклад Пьера Кюри и Склодовской-Кюри «О новом радио активном веществе». «Мы стремились выделить это вещество, — говорится в докладе, — из урановой смоляной руды. Опыт подтвердил наши предположения. Проводя химические исследования, мы постоянно контролировали радиоактивность веществ, выделяющихся на научном данном этапе работы. Каждое из этих веществ помещалось на один из дисков конденсатора, и проводимость воздуха измерялась электрометром и прибором с пьезоэлектрическим кварцем.

В конце концов активность остаётся с висмутом. Поэтому мы полагаем, что вещество, выделенное из окиси урана, содержит неизвестный до сих пор металл, близкий по своим свойствам висмуту. Если существование этого нового металла подтвердится, мы предлагаем назвать его полонием, в честь родины одного из нас»^¹.

26 декабря 1898 г. А. Беккерель представляет новое сообщение Пьера и Марии Кюри и Ж. Бемона «О новом сильном радиоактивном веществе, содержащемся в урановой смоляной руде». В этом сообщении мы читаем:

«Во время наших исследований мы встретились с ещё одним весьма сильным радиоактивным веществом, по своим химическим свойствам резко отличающимся от полония. Так, полоний полностью осаждается под действием аммиака, тогда как новое вещество, весьма похожее по своему химическому поведению на барий, под действием аммиака не осаждается... Мы получили хлористые соединения этого вещества, причём они оказались в 900 раз активнее аналогичных соединений урана.

Демарсей подверг наше новое вещество спектральному анализу и обнаружил линию (3814,8 Å), не свойственную ни одному известному элементу. Интенсивность этой линии возрастала по мере возрастания радиоактивности хлористых соединений, обогащавшихся этим веществом, которое мы предлагаем назвать радием.

«...Полминутного воздействия полония и радия достаточно, чтобы получить чёткие отпечатки на фотопластинках. Чтобы добиться таких же результатов с ураном и торием, необходимо несколько часов...»

16 октября 1899 г. академик Виоль представил сообщение сотрудника Кюри химика Андре Дебьерна «о новом радиоактивном веществе». В этом сообщении говорится: «Я установил, что состав, содержащий титан и аналогичные ему вещества, обнаруживает очень большую радиоактивность (в 100000 раз более сильную, чем радиоактивность урана). Более того, это вещество обладает химическими свойствами, совершенно отличными от химических свойств радия и полония». Этому новому веществу было посвящено сообщение, сделанное Дебьерном в апреле 1900 г. Вещество было названо актинием.

«Все три новые радиоактивные вещества, — пишет М. Кюри, — находятся в смоляной обманке в ничтожно-малых количествах. Чтобы получить их в концентрированном виде, мы должны обработать несколько тонн остатков урановых минералов. Первая, грубая обработка выполняется на фабрике; затем идёт хлопотливый процесс очисток и концентрации. Таким образом нам удалось извлечь из нескольких тысяч килограммов исходного продукта несколько дециграммов веществ, активность которых огромна сравнительно с активностью минерала, из которого они добыты. Понятно, что вся эта работа требует большой затраты труда, времени и денег»^¹.

В докладе конгрессу супруги Кюри охарактеризовали изложенную выше историю получения новых радиоактивных веществ, указав, что «мы называем радиоактивными вещества, испускающие лучи Беккереля». Затем они изложили метод измерения радиоактивности. Этот метод описан в диссертации М. Кюри следующим образом.

«Существенная часть употреблявшегося здесь прибора — плоский конденсатор AB. Активное вещество в виде слоя тонкого порошка, помещённое на обкладке, делает воздух между обкладками проводящим. Для измерения его электропроводности сообщают обкладке B высокий потенциал, соединяя её с полюсом батареи маленьких аккумуляторов P, другой полюс которой отведён к земле. Когда посредством проволоки CD другая обкладка Л отведена к земле, между обкладками возникает электрический ток. Потенциал обкладки A указывается электрометром E. Если прервать в C сообщение с землёй, обкладка А заряжается и электрометр даёт отклонение. Скорость отклонения пропорциональна силе тока и может служить для её измерения.

Однако предпочтительнее производить измерения, компенсируя заряд обкладки Л, так чтобы электрометр оставался на нуле. Заряды, о которых здесь идет речь, чрезвычайно слабы; их можно компенсировать пьезоэлектрическим действием кварца Q, одна обкладка которого сообщается с пластинкой A, другая—с землёй. Кварцевую пластинку подвергают действию известной вытягивающей силы, нагружая чашку H. Тяга приводится в действие мало-помалу, вследствие чего во время измерения постепенно развивается известное количество электричества. Процесс этот можно регулировать так, чтобы компенсация обоих количеств электричества, проходящего через конденсатор и противоположного ему, имеющего источник в деформации кварца, имела место в каждый момент»^².

Этот метод, в котором П. Кюри использовал изученные им совместно с братом Жаком свойства пьезокварца, стал классическим методом, обычно употреблявшимся в Парижском институте радия. Этим методом Кюри установили, что «радиоактивность представляет собой явление, измеримое довольно точно», а полученные цифры активности урановых соединений дали возможность высказать гипотезу о существовании весьма активных веществ, приведшую при своей проверке к открытию полония, радия и актиния. В докладе содержалось описание свойств новых элементов, спектр радия, приблизительная оценка его атомной массы, эффекты радиоактивного излучения.

Что касается природы самих радиоактивных лучей, то для её исследования изучалось действие магнитного поля на лучи и проникающая способность лучей. П. Кюри показал, что излучение радия состоит из двух групп лучей: отклоняемых магнитным полем и не отклоняемых магнитным полем. Исследуя отклоняемые лучи, супруги Кюри в 1900 г. убедились, что «отклоняемые лучи β заряжены отрицательным электричеством».

«Таким образом, — резюмирует Кюри результаты экспериментов по исследованию заряда β-лучей, — отклоняемые радиевы лучи β, подобно катодным, переносят электричество. Но до сих пор ещё не было обнаружено существования электрических зарядов, которые не были бы связаны с веществом. Поэтому при измерении отклоняемых радиевых лучей β можно пользоваться той же теорией, какая в настоящее время является принятой для катодных лучей. По этой «баллистической» теории, предложенной сэром У. Круксом, впоследствии развитой и усовершенствованной г. Дж. Дж. Томсоном, катодные лучи состоят из чрезвычайно тонких частиц, отбрасываемых с огромной скоростью с катода и заряжённых отрицательным электричеством. Таким же образом можно принять, что и радий посылает в пространство отрицательно заряжённые частицы»^¹.

Потребовалось исследовать ближе природу этих частиц. Первые определения e/m радиевых частиц принадлежали А. Беккерелю (1900).

«Опыты г. Беккереля дали первое указание по этому вопросу. Для e/m получилось приближённое значение в 10⁷ абсолютных электромагнитных единиц, для υ значение в 1,6 10¹⁰ см в секунду. Порядок этих чисел тот же, что для катодных лучей».

«Точные исследования по этому вопросу принадлежат г. Кауфману (1901, 1902, 1903)... Из опытов г. Кауфмана следует, что для радиевых лучей, скорость которых значительно больше скорости катодных, отношение e/m убывает с увеличением скорости. В соответствии с работами Дж. Дж. Томсона и Тоунсенда мы должны принять, что представляющая луч движущаяся частица обладает зарядом, равным тому, который переносится водородным атомом при электролизе. Этот заряд для всех лучей одинаков. На этом основании следует заключить, что масса частиц тем больше, чем больше их скорость»^².

Отклонение α-лучей в магнитном поле было получено Резерфордом в 1903 г. Резерфорду же принадлежат названия: -α, -β и –γ лучи.

«1. Лучи α (альфа) обладают весьма малой проникающей способностью;

они, по-видимому, составляют главную часть излучения. Для них характерна поглощаемость материей. Магнитное поле действует на них очень слабо, так что их сначала считали нечувствительными к его действию. Однако ж в сильном магнитном поле лучи а несколько отклоняются, отклонение происходит подобно тому, как для катодных лучей, лишь в обратном смысле...»

2. Лучи β (бэта) являются вообще мало поглощаемыми сравнительно с предыдущими. В магнитном поле они отклоняются таким же образом и в том же смысле, как лучи катодные.

3. Лучи γ (гамма) отличаются большой проникающей способностью; магнитное поле не действует на них; они сходны с лучами Рентгена»^³.

Так резюмирует в 1904 г. М. Кюри результаты исследований свойств радиоактивных лучей. В 1900 г. это разделение лучей на три группы ещё не существовало. Не были известны ещё физиологические действия лучей и их энергия. Первое сообщение о физиологических действиях лучей, сделанное Вальхофом, появилось в октябре 1900 г. Пьер Кюри произвёл на себе следующий рискованный эксперимент: «В одном опыте г. Кюри подверг свою руку десятичасовому действию препарата, имеющего сравнительно слабую активность. Краснота обнаружилась немедленно, а позднее образовалась рана, которая потребовала четырех месяцев для излечения»^⁴.

П. Кюри был первым человеком, испытавшим на себе разрушительное действие ядерной радиации. Он был и первым, кто доказал существование ядерной энергии и измерил её величину, выделяемую при радиоактивном распаде. В 1903 г. он вместе с Лабордом, нашёл что «соли радия являются источником теплоты, выделяющейся непрерывно и самопроизвольно» «...Количество выделяемой радием теплоты может быть оценено с помощью Бунзенова ледяного калориметра. Помещая в этот калориметр стеклянную трубочку с радиевой солью, наблюдаем постоянный приток тепла, который прекращается вместе с удалением радия. Измерение, произведённое с давно приготовленной радиевой солью, показало, что каждый грамм радия выделяет около 80 малых калорий в час. Таким образом, в течение часа радий выделяет столько тепла, сколько нужно для расплавления равного ему по весу количества льда; грамм-атом радия (т. е. 225 г) выделил бы в час 18 тыс. калорий — количество тепла, сравнимое с тем, которое получается при сгорании одного грамм-атома (т. е. 1 г) водорода. Столь значительное выделение теплоты не может быть объяснено никакой обыкновенной химической реакцией, тем более, что состояние радия, по-видимому, годами остаётся без перемены. Можно думать, что выделение тепла зависит от превращений, которым подвергается атом самого радия и которые необходимо являются весьма медленными. Если бы это было так, то надо было бы заключить, что количества энергии, выступающие на сцену при образовании и превращении атомов, являются весьма значительными и превосходят всё, что нам известно в этом отношении»^¹ (подчёркнуто мной.— П. Кюри).

Пьер Кюри хорошо сознавал и громадные общественные последствия своего открытия. В том же году в своей нобелевской речи он сказал следующие пророческие слова, которые М. Кюри поставила эпиграфом к своей книге о нем:

«Нетрудно предвидеть, что в преступных руках радий может сделаться крайне опасным, и вот возникает вопрос, действительно ли полезно для человечества знать секреты природы, действительно ли оно достаточно зрело для того, чтобы их правильно использовать, или это знание принесёт ему только вред. Пример сделанного Нобелем открытия является в этом отношении характерным. Мощные взрывчатые вещества позволили людям совершить замечательные деяния, и они же явились страшным средством в руках великих преступников, толкавших народы на путь войны. Я принадлежу к числу тех, которые, подобно Нобелю, считают, что всё же новые открытия, в конечном счете, приносят человечеству больше пользы, чем вреда»^².

В заключение приведём описание доклада супругов Кюри, сделанное участником конгресса профессором Новороссийского (Одесского) университета Н. Д. Пильчиковым.

«Я хочу поделиться теми неизгладимыми впечатлениями, которые доставил замечательный доклад Кюри участникам первого всемирного конгресса физиков...

Я сказал уже, что физический конгресс имел особое заседание (в Jardin des Plantes^³, в Музее естественной истории), посвящённое ознакомлению с загадочными лучами. Громадная аудитория музея переполнена членами конгресса. Все с нетерпением ожидают сообщения Кюри... ...Чета Кюри, обменявшись несколькими фразами, разделяется. Муж выходит на кафедру, жена ассистирует.

Рассказал вкратце о длинном ряде опытов по разысканию и отделению всё более и более радиирующих веществ из первоначальной минеральной массы с одной стороны гг. Кюри, а с другой г-ном Дебьерном; о том, что опыты гг. Кюри привели прежде всего к открытию нового радиирующего металла, по своим химическим свойствам аналогичного висмуту, — металла, который г. Кюри назвал в честь родины своей супруги полонием (жена Кюри — полька, урождённая Склодовская); что дальнейшие их опыты привели к открытию второго сильно радиирующего нового металла — радия, весьма близкого по химическим свойствам к барию; что опыты Дебьерна послужили к открытию третьего радиирующего нового металла — актиния, аналогичного торию. Далее г. Кюри приступил к самой интересной части своего доклада — к опытам с радием.

Несколько дециграммов хлористого радия с хлористым барием, заключённые в алюминиевую, коробочку, были помещены в расстоянии нескольких сантиметров от шарика заряжённого электроскопа с золотыми листочками. В несколько секунд листочки электроскопа опали: лучи радия разрядили электроскоп. Они, подобно рентгеновским лучам, разряжают все тела-проводники и изоляторы, каким бы электричеством (положительным или отрицательным) эти тела ни были заряжены. Следующий опыт обнаружил уменьшение сопротивления воздуха прохождению через него разрывного электрического разряда в виде искр. Была приведена в действие катушка Румкорфа, возникающий в ее вторичной обмотке электрический ток высокого напряжения устремляется по двум тождественным цепям, имеющим одинаковые разрывы (каждая цепь имеет два медных шарика, расстояние которых друг от друга в обеих цепях одинаково). После того как обоим разрывам дали наибольшую длину, при которой ещё искра перескакивает, к одному из них поднесли радий. Тотчас поток искр в этом разрыве значительно усилился, а в другом совсем прекратился. Этот опыт очень эффектен — он вызвал единодушные аплодисменты конгресса.

Следующий опыт демонстрировал влияние лучей радия на сгущение водяного пара. Лет десять назад Роберт Гельмгольц (сын знаменитого физиолога и физика) заметил, что электрический разряд, происходящий вблизи струйки водяного пара, выходящей, например, из стеклянной трубки, плотно вставленной в колбочку с кипящей водой, изменяет строение этой струйки. Из малозаметной, почти прозрачной, она становится густой малопрозрачной вследствие конденсации капелек. Радий, поднесённый весьма близко к струйке пара, вызвал слабое изменение в её строении.

Перечисленные опыты завершились демонстрацией светимости радия. Стеклянная трубка, толщиной в карандаш и длиной в мизинец, наполненная до двух третей смесью хлористых радия и бария, излучает в течение двух лет настолько сильный свет, что вблизи него можно свободно читать. Не будь цена хлористого радия крайне высока (во много раз выше цены золота), вопрос об экономическом источнике света можно было бы считать блестяще разрешённым: радий светит с одним и тем же напряжением, независимо ни от температуры, ни от всех других испробованных условий; в течение двух лет он не требует затраты какой бы то ни было известной нам другой энергии и, следовательно, даёт свет вполне безвозмездно»^¹.

Последние слова звучат весьма наивно и свидетельствуют ещё об очень слабом знакомстве с радиоактивностью в начале XX в. Однако это слабое знание радиоактивных явлений не помешало возникнуть и развиться новой отрасли промышленности: радиевой промышленности. Положив в основу разработанные Кюри методы извлечения радия из руд (Кюри отказались от патентных прав), французские, а затем американские промышленники стали изготовлять радий для медицинских и научных целей. Стоимость радия была очень велика и доходила до 200 руб. золотом за 1 мг радия. Эта промышленность была зачатком будущей атомной промышленности.

Роль супругов Кюри в истории открытия радиоактивности огромна. Они не только проделали титанический труд по исследованию радиоактивных свойств всех известных тогда минералов, но и провели первую попытку систематизации, выступая с докладами в Сорбоннском университете.

Blog

Гимназия им. Сервантеса Учебно-исследовательская работа История открытия радиоактивности

Содержание