Читать книгу "Резерфорд. Атомное ядро - Роджер Корхо Оррит"

Гульельмо Маркони, около 1937 года.

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ И БЕККЕРЕЛЬ

Резерфорд считал, что квантовая революция началась в 1896 году, когда Анри Беккерель открыл радиоактивность. Это открытие было сделано совершенно неожиданно, так как физика XIX века не предполагала, что внутри материи может заключаться такое количество энергии. Однако чтобы понять контекст событий, нужно перенестись на год назад, когда Вильгельм Конрад Рентген обнаружил икс-лучи.

Рентген был профессором Вюрцбургского университета (Германия) и изучал проникающую способность катодных лучей, точнее, хотел выяснить, могут ли они пронизывать алюминий. В ходе опыта он выключил лучи и поместил черный картон, закрывая трубку, чтобы лучи не исчезли. После подключения трубки катодных лучей он случайно заметил, что экран, находившийся вдалеке от флуоресцентного материала, начал блестеть. Вспышки прекращались при отключении тока от трубки. Очевидно, что из трубки испускались лучи отличной от катодных природы, так как катодные лучи картон должен был поглощать.

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ

Рентгеновские лучи — вид электромагнитного излучения, характеризующегося высокой частотой (то есть высокой энергией). Они возникают в результате сильного ускорения или замедления электрически заряженных частиц. Хотя лучи невидимы, к их излучению чувствительны фотографические пластинки, так что прохождение лучей оставляет след. Так их впервые удалось увидеть Рентгену: лучи формируются в трубке Крукса, где электроны ускоряются под воздействием высокочастотного тока, затем лучи оставляют след на фотопластинке. Сегодня рентгеновские лучи получают в специальных ускорителях частиц, таких как синхротрон, где ускоренные частицы испускают свет синхротрона, включающий в себя ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и тому подобное.

Применение

Самый характерный вид применения рентгеновских лучей — в качестве диагностического инструмента для визуализации внутренней структуры организма, в первую очередь костной. Сегодня с помощью компьютерной томографии, в которой также используются рентгеновские лучи, кроме более плотных тканей можно наблюдать органы и другие структуры. Так как данный вид излучения относится к ионизирующим, в борьбе с раковыми заболеваниями используется и его свойство уничтожать живые клетки. При этом бесконтрольное получение высокой дозы излучения вредно для организма в целом. В пищевой промышленности рентгеновские лучи используются для продления срока хранения продуктов: облучение задерживает распространение бактерий. Так как рентгеновские лучи обладают маленькой длиной волны, того же порядка, что и размер атома, их используют для изучения кристаллов. Так, техника дифракции рентгеновских лучей позволила Розалинд Франклин (1920-1958) сфотографировать ДНК, что в 1953 году привело Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика к открытию структуры двойной спирали ДНК.

Рентгеновские лучи входят в электромагнитный спектр. Вместе с гамма-лучами они обладают наибольшей энергией в спектре: у них самая высокая частота и наименьшая длина волны.

Конрад Рентген обнаружил, что новые лучи обладали особой характеристикой: они могли проходить сквозь твердые тела. Он назвал их икс-лучами, так как ничего не знал об их происхождении; сегодня они известны как "рентгеновские", по имени их открывателя. Тогда Рентген решил сделать с помощью икс-лучей изображение, ставшее впоследствии одним из самых известных в истории: снимок левой руки своей жены (на которой можно увидеть кольцо). Фотография обошла все лаборатории Европы и вызвала большой резонанс как в научном мире, так и в обществе в целом. Ученым было важно узнать природу, происхождение и характеристики лучей. Также не остались незамеченными многообещающие возможности их применения, особенно в сфере медицины.

УРАН

Одним из ученых, кого восхитило открытие рентгеновских лучей, был Антуан-Анри Беккерель, в 1892 году занимавший должность директора парижского Музея естественной истории. Беккерель происходил из семьи ученых, работавших в этом музее, а поскольку его отец был экспертом по флуоресцентным минералам, в коллекции их было предостаточно. Рентген высказал предположение, что икс-лучи могли быть связаны с флуоресценцией, так что Беккерель занимал наилучшую позицию для изучения этой гипотезы. На самом деле догадка была ошибочной, но она привела к знаковому открытию.

Внимание Беккереля привлекла интенсивность флуоресценции минерала, состоящего из солей урана (это был сульфат уранила-дикалия, в то время он использовался для окраски керамики и стекла). Для урана флуоресценция характерна в естественном состоянии, поэтому избранный материал идеально подходил для исследований. В 1886 году Беккерель поместил соль урана на фотопластинку (стекло, покрытое слоем светочувствительного материала), завернутую в черную бумагу. При воздействии солнечных лучей на минерал возникала флуоресценция. Черная бумага препятствовала попаданию солнечных лучей на фотопластинку, то есть если бы на пластинке и остался какой-либо след, то только рентгеновские лучи.

На ум приходит гипотеза, что эти лучи, эффект которых напоминает о лучах, изученных Филиппом Ленардом и Вильгельмом Рентгеном, невидимы...

Антуан-Анри Беккерель

После нескольких часов воздействия солнечных лучей минерал стал флуоресцентным. Беккерель проявил фотопластинку и, к своему удовлетворению, как и ожидал, обнаружил образ минерала запечатленным на ней. Его гипотеза полностью подтвердилась. Через неделю ученый захотел повторить эксперимент, но было облачно, и уран и фотопластинку пришлось убрать в ящик стола. Этот на первый взгляд совершенно незначительный момент стал ключом к великому открытию.

Через несколько дней Беккерель достал пластинку и минерал и с удивлением обнаружил, что контур минерала вновь отпечатался на ней. Минерал находился в ящике в полной темноте, поэтому отпечаток не мог быть связан с флуоресценцией. Ученый провел еще несколько опытов, чтобы убедиться, что это неслучайно: он выяснял, не может ли уран сохранять флуоресцентные свойства дольше, чем было принято считать, но в конце концов был вынужден признать, что первоначальная гипотеза потерпела крах. Беккерель все так же был убежден, что на пластинке отпечатались рентгеновские лучи, но природа их, должно быть, иная. Результат открытия был представлен на заседании Парижской академии наук в 1896 году, но никто не придал ему большого значения.

В действительности, не отдавая себе в этом отчета, Бекке- рель открыл радиоактивность. Если для получения рентгеновских лучей нужно было высокое напряжение, происхождение лучей Беккереля было неизвестно, и данная неизвестность привлекла многих исследователей.

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ И ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ

Флуоресценция — характеристика некоторых объектов, поглощающих энергию (например, от видимого ультрафиолетового или рентгеновского излучения, от окружающей среды), а затем испускающих энергию на другой длине волн, отличной от первоначальной, в видимом спектре на очень короткий момент (на 10-8 секунды). Это явление происходит при любой температуре, поэтому данные минералы светятся даже при температуре окружающей среды; явление нельзя отнести к тепловым, например к накаливанию и термолюминесценции. Флуоресценция прекращается, когда источник энергии исчезает. Фосфоресценция тоже может обнаруживаться естественным образом в ответном испускании света минералами, при этом фосфоресцентные минералы имеют большую длительность остаточного свечения, даже когда источник света устранен. Продолжительность ответного свечения может составлять от одной секунды до нескольких лет. Соответственно, фосфоресцентные материалы способны светиться в темноте сами по себе.