РАДИОАКТИВНОСТЬ
ПОДВИГ ДОЧЕРИ ПОЛЬСКОГО НАРОДА
Открытие Беккереля привлекло к себе внимание ученых во всем мире.
Наличие сильно проникающих лучей, исходящих от природного минерала, было событием совершенно непонятным и действительно таинственным.
В числе ученых, заинтересовавшихся столь необычным явлением, оказалась работавшая в то время в Париже, в лаборатории Беккереля, полька Мария Склодовская, по мужу Кюри, — молодой талантливый химик.
Чернеющая под воздействием неизвестных лучей фотографическая пластинка успешно сослужила свою службу для их открытия. Но для многочисленных и тонких опытов, необходимых для выяснения природы этих лучей, надо было искать другие методы наблюдения.
С этого и начала Мария Склодовская-Кюри.
Было известно, что под действием рентгеновых лучей атомы азота и кислорода, входящие в состав воздуха, потеряв один или несколько электронов, превращаются в положительно заряженные ионы. Благодаря наличию положительных ионов и оторванных от атомов электронов (свободных электронов) воздух становится проводником электричества. В таком ионизированном воздухе заряженные тела не могут долго удерживать свои электрические заряды и быстро разряжаются.
Ионизация воздуха легко обнаруживается при помощи хорошо известного школьного прибора — электроскопа (его устройство показано на стр. 15). Металлический стержень укреплен в пробке, сделанной из материала, не проводящего электричества. К нижней части стержня прикреплен тоненький листок алюминиевой фольги. Для того чтобы можно было вести отсчеты угла отклонения фольги, сбоку к стержню прикреплена изогнутая шкала.
Конструкция электроскопа может быть и иной — например, на конец стержня просто укрепляются два подвижных листочка фольги.
Если к шарику в верхней части стержня электроскопа прикоснуться заряженным предметом, стержень, а вместе с ним и листок фольги зарядятся. А так как одноименно заряженные предметы отталкиваются один от другого, то легкий, подвижный листок фольги отойдет от стержня тем дальше, чем сильнее был приложенный к стержню заряд.
Но стоит направить на заряженный электроскоп пучок рентгеновых лучей или внести внутрь его вещество, излучающее открытые Беккерелем лучи, как листок фольги довольно быстро опадет—приблизится к стержню, то есть электроскоп разрядится.
Чем больше ионов образуется в воздухе вокруг заряженного стержня, тем скорее разрядится электроскоп.
Таким прибором, только более сложной и совершенной конструкции, и воспользовалась в своих исследованиях Мария Склодовская-Кюри.
В течение длительного времени она обследовала все известные и доступные ей вещества, содержащие уран. Как и следовало ожидать, оказалось, что чем больше урана содержалось в веществе, тем сильнее было его ионизирующее действие. Быстрее всего разряжался электроскоп под действием лучей, исходящих из чистого, металлического урана.
Вскоре она столкнулась и с первой неожиданностью: два природных урановых минерала — урановая смолка из австрийского города Иоахимсталь (ныне город Яхимов, Чехословакия) и хальколит — испускали во много раз больше лучей, чем самый чистый уран.
В ряде физических исследований обычный школьный электроскоп оказывается весьма полезным и точным прибором. Когда он заряжен, его листочки расходятся. Рентгеновы лучи, направленные на электроскоп, ионизируют воздух и делают его проводящим, благодаря чему листочки разряжаются и опадают.
Оставалось предположить, что в урановой смолке и хальколите содержится еще какой-то, пока неизвестный, элемент, способность которого испускать лучи была выше, чем у урана.
Способность веществ самопроизвольно выделять невидимые излучения Мария Склодовская- Кюри назвала радиоактивностью (от латинского слова «радиус», означающего «луч»).
Поисками этих загадочных излучающих веществ занялся и муж Марии — Пьер Кюри, переключившийся целиком на новую, увлекшую его работу.
В неимоверно трудных условиях, после тяжелой двухлетней работы, в ходе которой им пришлось переработать несколько тонн предоставленных в их распоряжение урановой руды, в июле 1898 года Мария и Пьер Кюри получили наконец небольшое количество сильно радиоактивного соединения висмута, в котором находился неизвестный до этого элемент, названный ими в честь Польши — родины Марии Склодовской-Кюри — полонием.
Однако неожиданности продолжали следовать одна за другой.
Кроме полония, в декабре 1898 года им удалось обнаружить и выделить соединение хлора с другим, еще более сильным радиоактивным веществом, которое они назвали радий, что означает «лучистый».
Полоний и радий, открытые М Склодовской-Кюри и П. Кюри.
И вот, наконец, спустя еще два года, затратив в общей сложности около 45 месяцев упорного труда, супруги Кюри получили 0,1 г соли хлористого радия, а затем сумели выделить из нее и крупицу чистого, металлического радия. Радиоактивность его была в миллионы раз сильней, чем радиоактивность урана.
Радий оказался поистине удивительным веществом.
В короткий срок он засвечивал дочерна фотографическую пластину, даже если ее закрывали солидным слоем свинца, начисто задерживающим рентгеновы лучи. Соли радия светились мягким голубоватым светом. Под действием лучей радия, так же как и под действием лучей Рентгена, ярко светились в темноте экраны, покрытые сернистым цинком, платиносинеродистым барием и другими веществами.
Ничтожно малые количества радия, не превышающие миллиардной доли грамма, уже можно было обнаружить по мощной ионизации, которую вызывало их излучение. Под действием лучей радия чистое белое стекло окрашивалось в различные цвета.
Открылась еще одна неожиданность: радий оказывал сильное действие и на живой организм. Его излучение было просто опасным для здоровья. Первой жертвой стал сам Анри Беккерель.
Однажды, собираясь на лекцию, он положил небольшую пробирку с солями радия в жилетный карман. Спустя несколько часов в этом месте на коже появился сильный ожог, а потом болезненная язва, не заживавшая в течение нескольких месяцев.
Тепло, выделяемое 1 г радия за шесть суток, способно вскипятить стакан воды.
И еще одна особенность резко выделяла радий из всех известных в то время веществ.
Как впервые заметил Пьер Кюри, этот элемент всегда имел температуру несколько выше окружающей его среды. Измерения показали, что 1 г радия каждый час выделяет около 136 калорий (кал) тепла*. Этим теплом можно было нагреть от 0 до 100 градусов стакан воды емкостью 200 г в течение приблизительно шести суток.
*Калория — количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1°С. Большая калория равна 1000 калорий.
Самым интересным оказалось то, что излучающий радий ничего не терял в весе.
Это был уже совсем непонятный и неизвестный людям источник энергии.
После того как было найдено несколько радиоактивных веществ, началось изучение этого нового вида лучей.
В числе прочих был проделан и такой опыт. Желая выяснить, не является ли таинственное излучение потоком заряженных частиц, узкий пучок лучей от радиоактивного источника пропустили между полюсами сильного магнита, так как было известно, что путь полета любых заряженных частиц под действием магнитного поля искривляется.
Предположения ученых оправдались. Пучок лучей расщепился на три части.
Отклонившиеся менее всех лучи получили название альфа- лучей.
Наиболее искривившаяся часть общего излучения, притом в противоположную, чем альфа-лучи, сторону, получила название бета-лучей.
Никуда не отклонявшуюся часть излучения назвали гамма-лучами.
Каждое из этих излучений начали изучать отдельно.
Оказалось, что они по-разному поглощаются различными веществами.
Обыкновенный лист бумаги или тонкая ткань полностью задерживали альфа-лучи.
Бета-лучи оказались более проникающим излучением. Они проходили сквозь алюминиевую пластинку толщиной в несколько миллиметров.
Но мощнее всех других, как выяснилось, были гамма-лучи. Чтобы их задержать, требовался слой свинца толщиной в несколько десятков сантиметров.
Под действием магнитного поля однородные, казалось бы, лучи радиоактивных веществ неожиданно разделились на три части.
Способность частиц и лучей, испускаемых радием и полонием, проникать сквозь вещество оказалась разной.
Альфа-лучи оказались потоком быстролетящих положительно заряженных частиц (альфа-частиц), примерно в 7000 раз более тяжелых, чем электроны. Так как их масса намного больше массы электрона, а скорость движения меньше, то в магнитном поле они и отклонились не так сильно, как электроны.
Знаменитому английскому ученому Э. Резерфорду удалось очень тонким и остроумным способом доказать, что альфа- частицы — это дважды ионизированные атомы гелия, то есть атомы гелия, которые, потеряв свои два электрона, тем самым приобрели два положительных электрических заряда.
Таким изящным опытом удалось установить, что альфа-лучи являются сильно ионизированными (лишенными всех своих электронов) атомами газа гелия.
Крошечный кусочек радия был заключен в стеклянный сосуд с двойными стенками, воздух между которыми был тщательно откачан. Толщина этих стенок была подобрана такой, чтобы альфа-частицы, вылетающие из крупинки радия, легко проходили сквозь первую, ближайшую к нему стенку, но уже не могли проникнуть сквозь вторую. По прошествии нескольких дней в пространстве между стенками оказалось заметное количество газа гелия.
Для наблюдения одиночных альфа-частиц Резерфорд использовал и другой столь же простой, но очень наглядный прибор, так называемый спинтарископ (от греческих слов «искра» и «смотрю»), изобретенный английским физиком Круксом.
Игла, на кончике которой находится ничтожно малое количество какой-либо соли радия, помещена в трубке против светящегося экрана из сернистого цинка. Верхний конец трубки закрыт лупой. Как только отдельная альфа-частица попадает на экран, тот начинает светиться, и это свечение хорошо видно в лупу. Наблюдателю представляется очень красивая картина — на темном фоне вспыхивает и гаснет множество ярких звездочек.
Измерения заряда и массы бета-лучей показали, что это уже известные науке носители отрицательных зарядов — электроны. Их стали называть бета-частицами.
Гамма-лучи, которые в опыте Беккереля засвечивали фотопластинку (альфа-излучение поглощалось в обертке), оказались такими же, как и лучи рентгена, электромагнитными колебаниями. Они распространяются в вакууме со скоростью света — 300 тысяч километров в секунду.
Гамма-лучи очень опасны для людей и животных. Их энергия сильно слабеет только с увеличением расстояния, расходуясь на ионизацию молекул и атомов окружающих веществ.
Спинтарископ — физический прибор, впервые появившийся в продаже как любопытная и занимательная игрушка
Здесь вполне уместно напомнить удивительно пророческие и важные в свете нашей сегодняшней действительности слова Пьера Кюри, сказанные этим героем и великим тружеником науки более 50 лет назад при вручении ему и Марии Склодовской-Кюри Нобелевской премии за их выдающиеся открытия: «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 принесет ему только вред?
Пример сделанного А. Нобелем открытия является в этом отношении характерным. Мощные взрывчатые вещества позволили людям совершить замечательные деяния, и они же явились страшным средством разрушения в руках великих преступников, толкающих народы на путь войн... Я принадлежу к числу тех, кто верит, что новые открытия приносят человечеству больше пользы, нежели вреда...»
Изобретатель очень мощного взрывчатого вещества — динамита.
РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА
Но что происходит с самими радиоактивными атомами? Какие таинственные изменения претерпевают они, испуская альфа- и бета-частицы и гамма-лучи?
Объяснил это все тот же Резерфорд совместно с известным английским физиком Содди.
Они предположили, что атомы радиоактивных веществ, в отличие от атомов обычных элементов, не являются прочными, устойчивыми образованиями. Они могут самопроизвольно распадаться и, испуская определенные частицы, превращаться в другие элементы. Так, испуская альфа-частицы, атомы радия превращаются в атомы радиоактивного газа радона.
Радиоактивные превращения радия в радон и гелий, а затем через цепочку последующих распадов — в обычный, уже нерадиоактивный свинец.
Семейство радиоактивного элемента урана и последовательность его превращений в другие элементы.
В результате возникают атомы уже двух новых элементов: радона и гелия.
Однако на этом процесс радиоактивного распада не останавливается. Вновь образовавшийся радон, в свою очередь, также испускает альфа-частицы, превращаясь в новое вещество — радий А. Это также радиоактивный элемент. Далее, радий А превращается в радий В, тот — в другой элемент, и т. д.
Процесс радиоактивного распада останавливается только тогда, когда все количество радия превратится в обычный, всем хорошо известный свинец.
Сам радий не случайно содержится в урановых рудах. Он весь целиком когда-то образовался из урана и продолжает образовываться во всех рудах, где содержится хоть малейшая примесь этого элемента.
Но здесь сразу же возникает вопрос: почему радиоактивные вещества, изучаемые учеными, испускали все три вида излучений, в то время как, исходя из вышесказанного, им, казалось, следовало бы испускать одни только альфа-частицы?
Семейство радиоактивного элемента тория.
Семейство радиоактивного элемента актиния.
Дело в том, что в изучаемом радиоактивном веществе обычно, кроме основного излучателя, содержатся и те вещества, которые, в свою очередь, образуются из него, а также вещества, образующиеся из многочисленных продуктов последовательного распада, сопровождающегося испусканием этих частиц и лучей.
Поэтому излучение урана и оказалось таким сложным.
Что такое период полураспада
В нем содержатся частицы распада и самого урана и распада радия, радона, радия А и т. д.
И если еще можно избавиться от веществ, служащих, так сказать, прародителями изучаемого, то от тех, которые оно само образует, избавиться очень трудно. Ведь они появляются непрерывно в процессе распада радиоактивного вещества.
Цепочка таких элементов, постепенно образующихся один из другого, называется радиоактивным семейством.
Этих семейств три. Они охватывают все известные тяжелые радиоактивные элементы, дружно заканчиваясь обыкновенным свинцом.
Изучение этих цепочек показывает, что все природные тяжелые радиоактивные элементы, распадаясь, излучают либо альфа-частицы, либо электроны (бета-частицы).
Гамма-излучение, как правило, сопутствует излучению бета-частиц.
В некоторых случаях наблюдается более сложное явление — один и тот же элемент распадается двумя способами: он испускает или альфа-частицы, или электроны. Такой разветвленный распад называется «вилкой». Однако в цепочках распада он является больше исключением, чем правилом.
Потребовалось несколько десятилетий тщательных исследований, чтобы установить закономерности радиоактивного распада и найти наиболее удачные способы измерения хода этого процесса.
Так могут отличаться один от другого периоды полураспада некоторых радиоактивных веществ.
Основной условной величиной, характеризующей радиоактивное вещество, был выбран период его полураспада. Если, например, говорят, что оно имеет период полураспада, равный четырем дням, то это означает, что в течение четырех дней распадается, превратившись в другие элементы, половина первоначально взятого количества этого вещества.
Через следующие четыре дня распадается половина остающегося количества. Таким образом, через восемь дней будет оставаться только 1/4 первоначально взятого количества радиоактивного вещества, через 12 дней — 1/8 и т. д. Иными словами, чтобы радиоактивность какого-либо вещества уменьшилась до 1% первоначальной, должно пройти семь периодов полураспада.
Необходимо учесть, что такое количество радиоактивного вещества распадается лишь в среднем. Фактически некоторые атомы не распадаются в течение всего времени существования данного вещества, в то время как другие атомы могут распадаться почти все сразу или в значительно более короткие промежутки времени.
Чем энергичнее распадается вещество, тем короче период его полураспада. Вот почему сильные излучатели живут сравнительно недолго.
1 г урана содержит в себе около 2,5 · 1021 атомов. Из этого количества в секунду распадается всего около 12 тысяч атомов. Поэтому период полураспада урана исключительно долог — около 5 миллиардов лет! Время полураспада радия — 1590 лет, радона — несколько дней, радия А — несколько минут, полония-212 — 3 · 10-7 сек, и т. д.
Почти все естественные радиоактивные элементы являются самыми тяжелыми в периодической системе. Ввиду их самопроизвольного распада они оказываются и самыми неустойчивыми.
Многочисленные опыты, проведенные с радиоактивными веществами, дали еще один неожиданный результат.
Если никакие усилия не могли разрушить атомы стабильных элементов, радиоактивные атомы, наоборот, разрушаются самопроизвольно, и никакая сила в мире: ни температура, близкая к абсолютному нулю, ни самая высокая из полученных на Земле, ни давление в несколько тысяч атмосфер — ничто не может ни остановить, ни ускорить, ни задержать этот процесс.
ПОЧТИ "ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ"
Столь же удивительным оказалось и другое, уже упоминавшееся выше свойство радиоактивных веществ. Их произвольный распад сопровождается выделением громадных количеств энергии — в сотни тысяч раз превосходящей энергию самых мощных известных химических реакций.
Мы уже знаем, что от 1 г радия можно подучить около 136 калорий тепла в час.
Когда по истечении нескольких тысяч лет полностью распадутся все его атомы, выделенная ими энергия будет равняться 2800 тысячам больших калорий.
Такую энергию можно получить, сжигая примерно 375 кг самого лучшего угля.
Столько энергии выделяется при полном распаде 1 г радия.
Разница заключается только в том, что энергия от сгорания угля может быть выделена в сравнительно короткое время, а чтобы получить полностью энергию распада грамма радия, пришлось бы ждать несколько тысячелетий.
Ну, а если бы, например, удалось получить слиток радия весом 1 т.? Такая глыба выделяла бы по 136 тысяч больших калорий в час. Этой энергии было бы достаточно для создания практически вечного двигателя, развивающего мощность порядка нескольких сотен лошадиных сил.
