II. ЗАГАДОЧНЫЕ ЛУЧИ

В конце XVIII в. некоторые физики стали заниматься изучением электричества. Исследование этого нового явления во всех его аспектах было одним из главных направлений развития физической науки в XIX в.

Прежде всего были изучены закономерности прохождения электрического тока через твердые тела, что привело к развитию электротехники. Затем были исследованы особенности прохождения электричества через жидкости. К концу века была создана теория электролитической диссоциации, имеющая большое значение для объяснения химических реакций. Гораздо труднее оказались эксперименты, связанные с прохождением электричества через газы. Ученые наблюдали самые разнообразные эффекты, но не могли объяснить их.

В 1855 г. немецкий физик Юлиус Плюккер сконструировал специальную трубку, которую заполнял различными газами, исследуя их спектры. Необходимо было найти такой способ нагревания газа, чтобы он начал светиться. Плюккер решил использовать для этого электрический разряд. Наблюдая спектры, он заметил, что во время электрического разряда стекло трубки начинает флуоресцировать. Так были открыты (1859) и впервые описаны катодные лучи.

Подобными исследованиями в 60-е годы прошлого века занялся и немецкий ученый Иоганн Гитторф. Он сконструировал специальные трубки (трубки Гитторфа) для исследования электрических разрядов в разреженных газах. Гитторф также наблюдал флуоресценцию, открытую Плюккером, и в 1869 г. описал свойства нового вида лучей. Только два года спустя английский физик Кромвелл Флитвуд Варли высказал предположение, что эти лучи состоят из небольших электрически заряженных частиц, испускаемых катодом.

Эта идея получила подтверждение в 1879 г., когда английский физик Уильям Крукс поместил в модифицированную вакуумную трубку «экран» — мальтийский крест из слюды. Обнаружилось, что крест перекрывал путь катодным лучам и отбрасывал тень на флуоресцирующий экран. Двигая вблизи трубки магнит, Крукс заметил, что тень перемещается; на основании этого он сделал вывод, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Не все ученые, однако, согласились с мнением Крукса. За три года до него немецкий физик Эуген Гольдштейн для объяснения природы катодных лучей предложил волновую гипотезу. Она основывалась на результатах Генриха Герца, который изучал прохождение этих лучей через тонкие пластинки из золота, серебра или алюминия. Физики того времени не могли даже и помыслить, что материальные частицы способны беспрепятственно проходить через вещество.

В 1892 г. Генрих Герц посоветовал своему ассистенту Филиппу Ленарду разделить катодную трубку алюминиевой фольгой на две части и таким образом исследовать катодные лучи в двух отдельных пространствах с различным давлением газов. Развивая эту идею, Ленард изготовил катодную трубку с окошком из фольги и установил, что это позволяет вывести катодные лучи за пределы трубки. Изобретение Ленарда было использовано в многочисленных экспериментах, позволивших исследовать природу и свойства катодных лучей, за что ученый был удостоен в 1905 г. Нобелевской премии по физике.

Решающие эксперименты по разгадке тайны катодных лучей были проведены английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1897 г. Томсон пропускал катодные лучи между двумя электрически заряженными металлическими пластинками, подвергая их одновременно воздействию как магнитного, так и электрического поля. Это дало возможность вычислить скорость частиц, а впоследствии и отношение их массы к заряду. Томсон установил, что частицы, составляющие катодные лучи, несут элементарный электрический заряд («атом» отрицательного электричества), который примерно в 1837 раз легче атома (точнее, ядра) водорода. Частица катодных лучей была названа электроном, что берет свое начало от греческого названия янтаря; название «электрон» было предложено ирландским физиком Джорджем Стонеем еще в 1891 г. За открытие электрона Джозеф Джон Томсон был удостоен в 1906 г. Нобелевской премии по физике.

Так, от исследования катодных лучей физики пришли к открытию первой элементарной частицы — электрона. Использование вакуумных трубок привело и к открытию нового вида электромагнитного излучения, которое в конце прошлого века произвело сенсацию в мире. Это были лучи, случайно обнаруженные Вильгельмом Рентгеном. Открытие Рентгена поистине потрясло ученый мир. Только за один год было опубликовано свыше тысячи работ о новых лучах. Известный французский математик и физик Жюль Анри Пуанкаре, Имевший привычку щедро раздавать свои идеи в среде ученых, предложил проверить, не излучают ли рентгеновские лучи соли урана, которые, как было замечено, флуоресцируют под действием солнечного света. Стекло рентгеновской трубки флуоресцировало зеленым светом, что напоминало свечение кристаллов урана после того, как их подержали на солнце. Это внешнее сходство натолкнуло Пуанкаре на мысль о возможной связи между флуоресценцией и рентгеновскими лучами.

Проверкой этой гипотезы занялся французский физик Антуан Анри Беккерель. В его семье исследования флуоресценции имели давние традиции. Еще его дядя Антуан Сезар Беккерель, известный ученый и член Парижской академии, проводил эксперименты в этой области. Его отец, Александр Эдмон Беккерель, также академик и даже президент Парижской академии, был автором основополагающих трудов по фосфоресценции и классифицировал это явление в зависимости от различных внешних воздействий.

Опыты Анри Беккереля были исключительно просты. Он брал фотопластинку, заворачивал ее в черную бумагу и клал на нее кристаллики урана. Выставив пластинку на некоторое время на солнце, он затем проявлял ее и с удовлетворением обнаруживал на ней силуэты кристалликов. На первый взгляд это можно было рассматривать как подтверждение гипотезы о том, что кристаллы урана, флуоресцирующие под действием солнечного света, испускают рентгеновские лучи. Однако Беккерель, будучи ученым очень высокой квалификации, решил поставить и контрольный опыт. Он положил кристаллики урана на фотопластинку, не облучая их предварительно на солнце, и установил, что несмотря на это, они излучают, не флуоресцируя. Дальнейшие эксперименты подтвердили, что такой эффект вызывается самим ураном, содержащимся в кристаллах. Беккерель обнаружил, что «урановые лучи» ионизируют воздух и делают его электропроводным. Это позволило исследовать их с помощью электроскопа.

Открытие естественной радиоактивности дало физикам возможность проникнуть в новый мир. В конечном счете это привело к представлениям о сложности структуры атома и к овладению атомной энергией. За открытие естественной радиоактивности Анри Беккерель получил в 1903 г. Нобелевскую премию по физике. Вместе с ним были награждены два других исследователя естественной радиоактивности — французские физики Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри.

Используя тот факт, что радиоактивное излучение урана ионизирует воздух, Мария Склодовская-Кюри применила в своих исследованиях электроскоп, она поставила задачу — выяснить, не обладают ли подобными свойствами и другие вещества. В 1898 г. Склодовская-Кюри одновременно (и независимо) с немецким физиком Эрхардом Карлом Шмидтом установила, что элемент торий также радиоактивен. Наряду с этим она заметила, что некоторые соединения урана и тория имеют более сильное излучение, нежели это можно было предположить, исходя из процентного содержания в них названных элементов. Это указывало на возможность существования неизвестных радиоактивных субстанций.

Мария и Пьер Кюри провели химический анализ некоторых минералов, содержащих уран, и, переработав тонны руды, в июле 1898 г. открыли новый химический элемент. Он был назван полонием — в честь Польши, родины Марии Склодовской-Кюри. В декабре того же года был открыт еще один элемент, который из-за сильного излучения получил название «радий».

Супруги Кюри по праву считаются пионерами современной атомной физики. Сам термин «радиоактивность» был предложен Марией Склодовской-Кюри. Пьер Кюри в 1901 г. обнаружил биологическое воздействие радиации, а в 1903 г. сформулировал закон уменьшения радиоактивности и ввел понятие «период полураспада». Он предложил использовать явление радиоактивности для определения абсолютного возраста земных пород. В том же году Пьер Кюри совместно с А. Лабордом обнаружил самопроизвольное выделение тепла солями радия, установив, что 1 г радия выделяет 100 кал тепла в час. Это указывало на то, что в атоме сосредоточена огромная энергия. К сожалению, Пьер Кюри погиб в 1906 г. от несчастного случая, едва достигнув 47 лет. Исследования были продолжены Марией Склодовской-Кюри, которая в 1910 г. вместе с французским химиком А. Дебьерном выделила металлический радий в чистом виде. Она определила атомный вес радия и указала его место в периодической системе элементов, за что в 1911 г. была удостоена второй Нобелевской премии — на этот раз по химии.