65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Все началось в 1895 году, когда руководитель физического института Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) экспериментировал с катодными трубками. Они изготавливались из тонкого стекла, а внутрь трубки помещались два металлических электрода: анод и катод. Если из трубки откачать воздух и подать на электроды высокое напряжение, то от катода будут исходить некие невидимые лучи (названные катодными лучами), вызывающие свечение стекла, мела и других веществ[57]. Впоследствии выяснилось, что эти лучи представляют собой поток электронов, летящих от катода к аноду.
8 ноября 1895 года Вильгельм Рентген, как обычно, засиделся допоздна в своей лаборатории. Он включил одну из катодных трубок, обернутую со всех сторон светонепроницаемым черным картоном, чтобы через него не могли «просочиться» электроны. А рядом с трубкой чисто случайно оказался лист бумаги, покрытый солью бария. И вдруг Рентген заметил, что этот лист начинает светиться зеленоватым светом. Когда же он выключал напряжение на катодной трубке, свечение сразу прекращалось. Это означало, что из катодной трубки исходит какое-то новое невидимое излучение. Дальнейшие исследования показали, что это точно были не катодные лучи, а совершенно новый вид излучения, которое Рентген назвал икс-лучами. В английском языке рентгеновские лучи до сих пор так и называются: X-rays.
Несколько недель подряд Рентген детально изучал свойство нового вида излучения. Выяснилось, что в отличие от катодных лучей новые икс-лучи вообще не взаимодействуют с электрическими и магнитными полями. А самое главное, эти лучи способны проходить сквозь различные материалы, непроницаемые для обычного света, в том числе сквозь мягкие ткани человеческого тела, но при этом задерживаются в более плотных костных тканях. И 22 декабря 1895 года Рентген сделал первый в истории рентгеновский снимок – он «сфотографировал» правую руку своей жены Анны Берты Людвиг.
Рентген отправил снимки своим коллегам-ученым, одним из которых был его старый приятель Франц Экснер. Тот был просто поражен этим открытием и продемонстрировал его своим гостям, собравшимся в его доме. Так об этом узнал редактор престижной венской газеты Die Presse, и уже 5 января 1896 года новость об открытии разошлась по всем ведущим газетам Вены и Лондона. Журналисты указали на то, чего сам Рентген даже не мог себе представить – новые лучи можно использовать в медицине. А всего через пару недель, 20 января 1986 года медики из Нью-Гемпшира сделали рентгеновский снимок перелома руки первого пациента и использовали эти данные для выбора способа лечения.
В 1901 году Рентгену «в знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии замечательных лучей, названных впоследствии в его честь», присудили самую первую в истории Нобелевскую премию по физике.
Впоследствии выяснилось, что рентгеновские лучи, так же как свет и микроволны, являются еще одним видом электромагнитного излучения. Только длина волны у него еще меньше, а частота еще больше, чем у видимого света. А потому и проникающая способность гораздо выше. Но, что самое важное в контексте нашего обсуждения, энергия квантов рентгеновского излучения настолько высока, что они способны отрывать электроны от атомов, превращая их в ионы, чего не может делать, например, видимый свет, микроволны или инфракрасное излучение. Поэтому рентген является ионизирующим излучением.
Но история открытий радиации на этом не закончилась. В 1896 году французский физик Антуан-Анри Беккерель (1852–1908) взялся изучать фосфоресценцию солей урана. К тому времени уже было известно о тепловом излучении нагретых тел. Однако выяснилось, что некоторые вещества способны испускать не только тепловое излучение, но и светиться без нагревания – люминесцировать. Более того, тепловое излучение становится видимым только при температурах в несколько сотен или даже тысяч градусов (при более низких температурах тела излучают в инфракрасном диапазоне[58]), а люминесцентное свечение может происходить при любой температуре. Поэтому его еще называют «холодным свечением». Люминесценция происходит под воздействием внешнего излучения (помните историю открытия рентгеновского излучения?). Но есть вещества, которые поглощают внешнее излучение, как бы заряжаются от него и продолжают светиться, даже когда это внешнее излучение прекращается. Такой вид люминесценции называется фосфоресценцией. Возможно, кто-то из вас вспомнит фосфорные часы или фосфорные краски, светящиеся в темноте.
Так вот, в процессе изучения фосфоресценции солей урана Беккерель обнаружил, что эти соли излучают и без какого-либо внешнего воздействия, сами по себе. Их не нужно предварительно облучать светом или катодными лучами, чтобы они излучали. Хотя это излучение и оказалось не видимо человеческому глазу, оно засвечивало фотопластинки (собственно, так Беккерель его и обнаружил), разряжало в воздухе наэлектризованные тела, ионизировало воздух, а при долгом воздействии глубоко поражало кожу, образуя раны, которые требовали нескольких недель для заживления. Ровно то же самое происходило с другими соединениями урана. Следовательно, способность испускать такое излучение – это внутреннее свойство самого урана. Через несколько лет Мария Кюри (1867–1934) назовет это явление радиоактивностью.
Последующие исследования радиоактивности показали, что излучать может не только уран, но и некоторые другие вещества. Кроме того, оказалось, что существует три вида радиоактивного излучения. Их назвали альфа-, бета– и гамма-лучами. Рассмотрим далее каждое из них более подробно.
Альфа-лучи представляют собой поток заряженных частиц, ядер атома гелия[59]. То есть из куска чистейшего урана, в котором нет примесей никаких других элементов, могут сами по себе вылетать ядра совсем другого вещества – гелия, причем с довольно большими скоростями: от 10 до 24 тысяч км/с. Откуда они там взялись? Ведь никакого гелия там изначально не было. А дело тут в том, что ядра урана нестабильны и в течение определенного промежутка времени самопроизвольно распадаются на две части, одна из которых (альфа-частица, ядро гелия), как более легкая и быстрая, улетает прочь; а вторая (ядро другого химического вещества – тория), как более тяжелая, остается на месте. Такие процессы называются реакциями радиоактивного распада.
Бета-лучи также представляют собой поток заряженных частиц, только более легких и быстрых – электронов. Они тоже образуются в результате ядерных реакций и могут вылетать даже со скоростями, близкими к скорости света (300 тысяч км/с). Бета-распад – это еще один из видов радиоактивного распада. За него отвечает слабое ядерное взаимодействие (одно из четырех фундаментальных взаимодействий, о которых мы говорили в главе «Сколько всего сил существует в природе?» (стр. 22).
Гамма-лучи – это уже не поток частиц. Они представляют собой, так же как и рентген, электромагнитное излучение, только с еще более короткой длиной волны и, соответственно, еще большей частотой. Поэтому энергия гамма-квантов еще больше, чем у рентгена, и они
