ГЛАВА 2 Альфа, бета и гамма

Вместе с Беккерелем и Марией Кюри Резерфорд разделяет славу открывателей природы радиоактивности. Ученый пришел к выводу, что это явление состоит из комплекса излучений, различающихся по электрическому заряду и способности проникновения в материю: заряд альфа-частицы положительный, а проникающая способность слабая; бета-частицы обладают гораздо большей проникающей способностью и отрицательным зарядом. Резерфорд также внес значительный вклад в обнаружение гамма-излучения.

Когда в 1895 году Резерфорд прибыл в Соединенное Королевство с далеких островов, он еще не знал о радиоактивности. Но спустя несколько лет стал одним из самых значительных исследователей в этой сфере.

Несмотря на то что в его распоряжении была стипендия имени Всемирной выставки 1851 года, проезд на корабле Резерфорду пришлось оплатить самостоятельно. Путешествие длилось два месяца, тогда же он начал писать письма своей невесте Мэри Ньютон. Переписка продолжалась в течение нескольких лет разлуки и теперь это ценный источник информации обо всех превратностях судьбы, с которыми молодой ученый столкнулся в этот поворотный для него период.

Резерфорд избрал работу в команде Джозефа Джона Томсона, директора Кавендишской лаборатории. Фортуна снова улыбнулась Резерфорду, так как в том же году было отменено постановление, запрещавшее поступать в аспирантуру Кембриджа тем, кто в нем не обучался. Так Резерфорд стал первым чужеземным аспирантом Кембриджа. И это было сопряжено с дополнительными сложностями в ходе его адаптации, поскольку другие студенты и преподаватели не признавали его своим.

РЕЗЕРФОРД В КАВЕНДИШСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Вначале Эрнест продолжал свою работу над приемником электромагнитных сигналов, основываясь на имевшемся у него опыте, который так впечатлил преподавателей и студентов в Новой Зеландии. Резерфорд полностью сконструировал аппарат, включая батарейки. Его руководитель Дж. Дж. Томсон, а также другие исследователи университета, с интересом ждали результатов от нового студента. В автобиографии Дж. Дж. Томсон так описывал первые шаги Резерфорда в университете:

"Едва приступив к работе, он установил рекорд по расстоянию телеграфирования и успешно отправил несколько сообщений из лаборатории в жилые дома примерно в километре от университета".

Несмотря на то что изобретение было многообещающим и могло служить практическим целям (что сулило также неплохой доход), эти исследования отошли на второй план, как только Резерфорд начал изучать рентгеновские лучи.

ГОНКА ЗА БЕСПРОВОЛОЧНЫМ ТЕЛЕГРАФОМ

Первые опыты итальянского физика Гульельмо Маркони (1874-1937) по передаче беспроводных телеграфных сигналов датируются 1884 годом, но в Италии изобретение было принято без воодушевления. Тогда он отправился в Соединенное Королевство и в 1896 году получил первые патенты. Маркони сотрудничал с инженером почтовой компании и скоро смог открыть собственное предприятие. В 1901 году ему удалось передать радиосигнал на другой берег Атлантики, а в 1909 году он получил Нобелевскую премию за вклад в науку, который представляло собой его изобретение. Резерфорд в Новой Зеландии, а Маркони в Италии почти одновременно разрабатывали аппараты для передачи радиосигналов, получивших название беспроволочного телеграфа. Резерфорд создавал свой приемник сигналов параллельно с Маркони (по-прежнему неясно, кто из них настоящий отец изобретения). При проведении своих опытов Резерфорд заинтересовал исследователей в университете, многие увидели в его изобретении перспективы для стратегического применения, например для сообщения между судном и сушей. В 1896 году Резерфорд представил изобретение в Королевском обществе и объяснил принцип работы своего приемника радиоволн. Многочисленные возможности применения позволили ему мечтать о доходе, столь необходимом для женитьбы. Однако несмотря на появившиеся перед ним возможности (которыми Маркони в отличие от него воспользовался) интерес, который у Резерфорда вызвало открытие рентгеновских лучей, оттеснил финансовые заботы на второй план.

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.

Облученные коротковолновым ультрафиолетовым (УФ) излучением, урановый шар слева — флуоресцентный, кальцит — фосфоресцентный.

ИОНИЗАЦИЯ И РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ

Когда появилось известие об открытии рентгеновских лучей, Томсон принял решение немедленно приступить к их изучению и предложил своему ассистенту помочь ему в этом деле. В мае 1896 года Резерфорд написал будущей жене о новом направлении исследований:

"Томсон был очень занят изучением нового способа фотографирования, открытого Рентгеном [...]. Профессор пытается открыть истинную причину возникновения и природу волн, его цель — прежде других разобраться в теории материи, так как сейчас все исследователи Европы начали войну с этой проблемой".

В 1896 году Резерфорд и Томсон представили научному сообществу данные о том, что рентгеновские лучи ионизировали газы, то есть газ оказывался лучшим проводником электричества при рентгеновском облучении. Это свойство, которое начали использовать для идентификации рентгеновских лучей, было характерно и для других видов излучения, поэтому предположили, что рентгеновские лучи могли оказаться одним из видов электромагнитного излучения. Немецкий физик Макс фон Лауэ (1879-1960) смог подтвердить эту гипотезу спустя два десятилетия.

Томсон отдавал все силы исследованиям катодных лучей, и его работу венчало открытие: катодные лучи оказались отрицательно заряженными частицами, поток которых возникал из атомов. Сразу после этого открытия Томсон предложил свою модель атома.

Пока Томсон изучал атом, Резерфорд исследовал ионизацию газов другими видами излучения, в том числе ультрафиолетовым. Также он решил заняться и рентгеновскими лучами, сразу после того как пришли новости об их открытии. Но не одного его привлекло открытие Беккереля. В Париже супружеская чета Кюри также очень заинтересовалась им. Резерфорд и Кюри разделяли одни и те же научные интересы, что привело их не только к сотрудничеству, но и к соперничеству.

Студенты Кавендишской лаборатории, 1898 год. В центре первого ряда (со скрещенными руками) Дж. Дж. Томсон; во втором ряду четвертый слева — Резерфорд.

Первая радиография Рентгена, на которой мы видим руку его жены Берты.

Немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген.

РАДИОАКТИВНОСТЬ И КЮРИ

Мария Склодовская (1867-1934) родилась в Варшаве. Чтобы поступить в университет (в Польше женщинам учиться не дозволялось), ей пришлось эмигрировать во Францию, где она стала первой женщиной, получившей степень доктора физики в Сорбонне. Выйдя замуж за ученого, Пьера Кюри, она взяла его фамилию.

Раздумывая над темой диссертации, Мария остановила свой выбор на излучении урана, открытого Беккерелем. В качестве детектора лучей тот использовал фотопластинки, что было удобно, однако не позволяло количественно измерить интенсивность радиации.

МАРИЯ КЮРИ

Младшая из пяти сестер, Мария Кюри родилась в Варшаве в 1867 году и впоследствии приняла французское гражданство. Она стала первой женщиной, получившей докторскую степень во Франции и Нобелевскую премию, и вошла в историю как первый человек, удостоившийся этой награды дважды. Ее отец был преподавателем математики и физики, и с детства Мария выделялась успехами в учебе.

В юности ей пришлось много работать, чтобы одна из ее сестер могла поехать в Париж изучать медицину, и был уговор, что сестра потом вернет ей долг.

В 1891 году Марии наконец удалось попасть в Сорбонну, где она стала лучшей студенткой своего потока, несмотря на постоянные материальные затруднения. Она получила диплом на кафедре физики в 1893 году, а через год — на кафедре математики. Затем она приступила к лабораторным исследованиям и познакомилась со своим будущим мужем, Пьером Кюри. Их свадьба в 1895 году была скромной.

Мария Кюри, 1920 год.

Но вскоре началась успешная работа в тандеме. Несмотря на их увлеченность исследованиями, у четы родились две дочери, Ирен и Ева, в 1897 и 1904 годах соответственно. В 1898 году ученые открыли полоний, затем радий, а также установили радиоактивность тория. Задача по вычислению атомного веса радия потребовала использования тонн урановой смолки. В опытах Кюри задействовали опасные кислоты для растворения металла в больших резервуарах, эти процессы развивались в течение нескольких лет, и сами исследователи вдыхали ядовитые пары. В 1903 году Беккерель, Пьер и Мария Кюри получили Нобелевскую премию по физике за открытие радиоактивности.

Неожиданный поворот

Внезапная гибель Пьера в 1906 году — он попал под колеса телеги — определила поворот в карьере его жены. Мария, которая могла рассчитывать лишь на должность школьной учительницы, отказалась от предложенной правительством пенсии вдовы, но потребовала отдать ей пост, который занимал в университете ее муж. Так она стала первой женщиной, возглавившей кафедру в высшем учебном заведении. В 1911 году она вновь получила Нобелевскую премию, на этот раз в области химии, за выделение радия. Когда вспыхнула Первая мировая война, Мария и ее дочь Ирен принялись за разработку технологии радиографии и применения ее в лечении раненых. Впоследствии в 1935 году Ирен также удостоилась Нобелевской премии по химии. Мария продолжала поиски медицинского применения своих открытий и умерла 4 июля 1934 года, а в 1995 году в знак почтения перед научными заслугами ученого ее прах был захоронен в парижском Пантеоне.

В связи с этим Мария и Пьер Кюри решили обратиться к другому способу, основанному на электрических свойствах излучения, что должно было позволить определить его количество. Резерфорд избрал сходный метод.

Выполняя измерения, Мария адаптировала для своих целей электрометр — более точный, чем изобретенный ее мужем электроскоп. Пьер использовал пьезоэлектрический эффект кварцевых стекол (материал своей кристаллической структурой демонстрирует зависимость электрических свойств от механического давления, сжатия/расширения) для создания более чувствительного аппарата. Так как уран ионизировал газы до разной степени электрической проводимости, электрометр из пьезоэлектрического кварца помогал обнаруживать минимальную разницу электрического заряда, индуцированного газами.

Мы не должны забывать следующее: когда был открыт радий, никто не знал, что он окажется полезным в медицине. Велись чисто научные исследования. Это доказывает, что научную работу нельзя оценивать лишь с точки зрения ее прикладного значения. Исследования должны проводиться ради красоты науки...

Мария Кюри

Кюри были убеждены, что излучение Беккереля происходило из окружающей среды. То есть речь шла не об излучении, которое может спонтанно возникнуть внутри минерала. Имелась какая-то внешняя причина. Задача состояла в том, чтобы выяснить это. Они проделывали систематические опыты, которые позволили отвергнуть вероятность того, что причина кроется в солнечных лучах. Также, по всей видимости, не влияло на возникновение излучения и физическое и химическое состояние элемента. Единственный фактор, воздействовавший на способность ионизировать газы, был связан с количеством образца урана. Все указывало на то, что источник излучения — внутри самого урана, однако исследователи отказывались принимать такое объяснение. В тот момент немецкий ученый Герхард Карл Шмидт (1865-1949) обнаружил, что торий испускает похожее излучение, Резерфорд пришел к такому же выводу независимо. Проблема становилась все более сложной.

В 1898 году Кюри ввели понятие "радиоактивность", понимая под ним ионизирующие лучи двух известных на тот момент материалов (понятие относилось к активности элементов в связи с сигналами, полученными электрометрами). Но ввести новое понятие было недостаточно, требовалось провести исследование и выяснить, существуют ли другие элементы, испускающие радиоактивное излучение.

ОТКРЫТИЕ РАДИЯ И ПОЛОНИЯ

Урановая смолка (настуран) была старой знакомой всех химиков той эпохи. В 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот сумел установить, что в порошке этого минерала содержится уран, новый элемент, который ученый назвал в честь открытой за восемь лет до этого планеты.

Кюри приступили к опытам с урановой смолкой, и Пьер заметил, что при сравнении активности одного грамма урана с одним граммом урана в урановой смолке в последнем случае активность была выше. Это могло означать, что в минерале скрывался источник излучения, неизвестный ранее.

Речь шла об источнике излучения гораздо более сильном, чем уран. Маленький кусок урановой смолки демонстрировал высокую активность, то есть если речь шла о новом радиоактивном элементе, его можно было легко обнаружить. Но, к сожалению, супруги поняли, что возможная концентрация нового элемента крайне мала, то есть для его обнаружения было необходимо большое количество урановой смолки. После нескольких последовательных химических разделений материалов они нашли подтверждение своей догадке и в 1898 году опубликовали результат:

"Мы полагаем, что вещество, которое получено нами из урановой смолки, содержит неизвестный металл, по своим химическим свойствам родственный висмуту. Если существование этого нового металла удастся доказать, мы предлагаем назвать его полонием по имени родины одного из нас".

Через несколько месяцев они смогли выделить еще один радиоактивный элемент, который назвали радием. Мария Кюри так описывала это открытие:

"У меня была возможность изучить несколько минералов. Некоторые демонстрировали активность: те, в которых содержался уран или торий. Активность этих минералов не представляла бы ничего удивительного, если бы оказалась пропорциональна количеству содержащегося в них урана или тория. Но все было не так. Некоторые из этих минералов проявили активность в три или четыре раза большую, чем надлежало по расчету для урана. Я тщательно проверила этот поразительный факт и не могла больше сомневаться в его правильности. Размышляя о причинах, я предположила, что возможно только одно объяснение: в этих минералах, должно быть, находится некоторое неизвестное и очень активное вещество".

Существование полония и радия было еще раз подтверждено в результате электроскопического анализа, показавшего линии поглощения, не относящиеся ни к одному известному элементу. Однако для химии той эпохи это не было достаточным подтверждением. Чтобы покончить с последними сомнениями, нужно было определить атомный вес нового вещества, а значит, получить вещество в очень чистом виде. То есть требовались огромные количества урановой смолки. К счастью, правительство Австрии передало Кюри в дар несколько тонн урановой смолки, которые перевезли на место, где планировалось выделить радий. За четыре года тяжелых трудов ученым удалось получить сто миллиграммов радия, но этого было достаточно для достижения цели: наконец их работа получила признание научного сообщества.

РЕЗЕРФОРД В МАКГИЛЛЕ

Тем временем Резерфорд занимался ионизацией газов с помощью излучения. Но стипендия заканчивалась, пришла пора задуматься о будущем. В тот момент университет Макгилла (Монреаль, Канада) направил Томсону письмо с просьбой порекомендовать кого-нибудь на исследовательскую кафедру Макдональда. (Уильям Макдональд — богатый предприниматель, табачный магнат, подаривший университету самое большое в мире здание для изучения физики и оказавший финансовую поддержку кафедре, которой дали его имя.) Ни минуты не сомневаясь, Томсон настоятельно рекомендовал Резерфорда, несмотря на его молодость. Так Резерфорд возглавил обладавшую значительными ресурсами лабораторию, при этом его жалованье составило немалую сумму. Отъезд из мирового научного центра огорчал молодого ученого, но все же эта мысль отошла на второй план, поскольку теперь решались все денежные трудности. Резерфорд принял предложение, ведь переезд означал, что отложенная свадьба с Мэри Ньютон, которая продолжала ждать его в Новой Зеландии, стала возможной. И он написал невесте о своем решении ехать в Канаду: "Ликуй вместе со мной, моя любимая девочка, потому что день свадьбы приближается".

Из этих экспериментов можно сделать вывод, что данное фосфоресцентное вещество испускает лучи, проходящие сквозь светонепроницаемую бумагу.

Анри Беккерель

За тысячи километров от Кавендиша 26-летний Резерфорд смог превратить Монреаль в одну из мировых столиц науки той эпохи. В Макгилле им были проведены несколько фундаментальных экспериментов с радиоактивностью, и исследования в конце концов открыли ему путь к получению Нобелевской премии. Едва приехав, он продолжил работу с рентгеновскими лучами и лучами Беккереля. Резерфорд хотел выяснить, являются ли эти виды лучей родственными и имеют ли общие характеристики. Он пытался достичь поляризации и преломления лучей Беккереля, чтобы понять, имеют ли они схожие с рентгеновскими лучами свойства излучения. Хотя цель не была достигнута, он сумел подтвердить, что уран может ионизировать газы.

Из последующих опытов он сделал важный вывод: лучи, испускаемые ураном, не были однородными. Он выделил два вида: альфа- и бета-лучи, которые различались по проникающей способности (см. Приложение А. Альфа- и бета-распад).

АЛЬФА- И БЕТА-ЛУЧИ

Эксперимент, позволивший Резерфорду прийти к выводу о присутствии нескольких видов лучей в испускаемом ураном излучении, состоял в следующем. Он расположил параллельно две цинковые пластинки, подсоединил к одной из них электрический ток, а сверху поместил уран. Другая пластинка соединялась с электрометром, между пластинками находился газ. Из-за ионизирующей способности эманаций урана газ в конце концов начинал проводить электричество, с помощью электрометра можно было установить интенсивность тока. Также Резерфорд использовал и новую идею: он расположил между пластинками алюминиевые листы, и интенсивность тока ослабевала. Вне зависимости от толщины листов, ток все равно появлялся.

Теория, если ты не можешь объяснить ее официанту, вероятно, не так уж хороша.

Эрнест Резерфорд

Этот эксперимент позволил ему заключить, что одни лучи урана поглощались листами алюминия, а другие, обладающие большей проникающей способностью, проходили сквозь листы. Он повторил эксперимент с торием — результаты были схожими. Также он использовал в качестве фильтров и другие материалы — от стекла до дерева. Резерфорд заметил, что лучи, названные альфа, хотя и обладали меньшей проникающей способностью, но больше, чем бета, ионизировали газ.

В 1899 году Резерфорд опубликовал статью, первую после прибытия в Канаду, в которой описывал свой эксперимент. Он сделал следующие заключения:

"Эти эксперименты свидетельствуют о сложном характере излучения урана, включающего в себя по крайней мере два вида излучения: одно из них легко поглощается, для удобства назовем его альфа-излучением, другое имеет более сильный проникающий характер, назовем его бета-излучением".

СПИРИТИЗМ И РАДИОАКТИВНОСТЬ

В XIX веке произошло настоящее возрождение спиритизма.

Представители всех сословий, в том числе получившие университетское образование, и даже многие ученые были убеждены в возможности установления контакта с обитателями параллельного мира и душами умерших. Парадоксально, но вдохновителями этих идей были ученые той эпохи, обращающиеся к невидимым и недоступным для чувств человека электромагнитным полям.

После открытия рентгеновских лучей многие утверждали, что с помощью них можно сфотографировать душу. Между спиритизмом, последователи которого верили в контакт с царством мертвых, и наукой, старавшейся раскрыть тайны недоступного человеческим чувствам мира, казалось, устанавливалась связь. Рентгеновские лучи и радиоактивность представлялись связующими с другим миром элементами, и многие ученые бросились исследовать оккультный мир. На спиритических сеансах, проводившихся по всей Европе XIX века, можно было встретить ученых: английского химика Уильяма Крукса, внесшего вклад в изучение катодных лучей; Камиля Фламмариона, одного из наиболее значимых астрономов и просветителей своей эпохи; Альфреда Рассела Уоллеса, одновременно с Дарвином выдвинувшего теорию естественного отбора... Среди горячих защитников спиритизма можно вспомнить и писателя Артура Конан Дойла. При этом необходимо подчеркнуть, что многие ученые, среди них Фарадей, вскоре утратили интерес к подобным практикам, быстро поняв, что невероятные явления, например движение предметов на столе, вызваны либо самими спиритами, либо невольным участием присутствующих на сеансе.

Иллюстрация, созданная по описанию Уильяма Крукса. Медиум Флоранс Кук и материализованный дух умершей Кэти Кинг (имя, которое медиум дал своей "материализации·).

Это была первая встреча Резерфорда с альфа-лучами, с ними у него сложатся особые отношения, которые приведут его к необыкновенным успехам, например к открытию атомного ядра. Резерфорд доказал, что радиоактивность соединяет в себе разные виды излучения, одни из которых обладают большей проникающей способностью, чем другие. Однако суть проблемы радиоактивности оставалась неизвестной: "Причина и происхождение радиации, постоянно испускаемой ураном и его солями, были загадкой".

РИС.1

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

Если Резерфорду удалось выделить альфа- и бета-излучение, то заслуга открытия гамма-лучей приписывается французскому ученому Полю Вилларду. В 1900 году в ходе экспериментов, которые Виллард проводил в Париже с материалом, подаренным Кюри, он смог наблюдать, что неизвестный вид излучения проходит через любую металлическую пластину, в том числе свинец толщиной в несколько сантиметров. Таким образом, можно было говорить о наличии еще одного вида излучения, имевшего значительно превосходящую проникающую способность по сравнению альфа- и бета- лучами. Виллард заметил еще одну характеристику гамма-лучей: они не отклонялись под воздействием магнитных полей. Однако он спутал эти лучи с рентгеновскими (хотя ошибку легко допустить, так как в обоих случаях речь шла об очень мощных излучениях).

В 1902 году Резерфорд повторил исследования Вилларда и правильно интерпретировал их:

"Все постоянные радиоактивные вещества — уран, торий и радий — испускают два типа лучей. Один из этих типов лучей легко поглощается и не отклоняется магнитным полем, другой — обладает более высокой проникающей способностью и отклоняется под действием магнитного поля. В дополнение к этим двум видам, используя фотографический метод, Виллард впервые обратил внимание на присутствие других лучей, обладающих значительной проникающей способностью, испускаемых радием, не отклоняющихся под действием магнитного поля. Данный результат был подтвержден Беккерелем".

РИС. 2

Так как электрические заряды альфа- и бета-частиц имеют разный знак, под действием электрического поля их траектории расходятся. При этом гамма-лучи двигаются прямолинейно, поскольку обладают нейтральным зарядом.

В конце концов эти лучи были названы гамма-лучами (рисунок 1).

Так как альфа-излучение представляет собой ядра гелия, имеющие значительную массу по сравнению, например, с электроном, они легко поглощаются листом бумаги или ладонью. Бета-излучение представляет собой в основном электроны, обладающие минимальной массой. Бета-лучи при таком же количестве энергии могут приобретать значительную скорость по сравнению с альфа-лучами, соответственно их проникающая способность будет выше в связи с меньшей вероятностью взаимодействия с материей. Гамма-излучение обладает самой высокой проникающей способностью, так как представляет собой вид излучения с самой короткой волной и с самой большой энергией в электромагнитном спектре. Неизвестен верхний предел энергии гамма-лучей. Впоследствии Мария Кюри изобразила действие магнитного поля на разные виды лучей в виде диаграммы, представленной на рисунке 2.