Атомы и электроны - Бронштейн Матвей Петрович

В урановой смоляной руде радия очень мало: необходимо переработать много тонн руды, чтобы получить всего лишь один грамм радия. Но чудесные радиоактивные свойства радия, испускающего в миллион раз больше лучей Беккереля, чем чистый уран, оправдывают всю ту грандиозную работу, которую пришлось проделать супругам Кюри для извлечения радия из руды. В течение четырёх лет, протёкших от начала работы до получения первых кристалликов хлористого радия, каждый год получались всё более и более концентрированные порции радиевых препаратов, и каждый год приносил новые неожиданные открытия. Уже в самом начале работы, когда Пьер и Мария Кюри получили препарат радия, в 900 раз превосходящий своей активностью уран (в декабре 1898 года), было замечено, что лучи Беккереля, как и лучи Рентгена, не только чернят фотографическую пластинку и ускоряют спадание листочков заряженного электрометра, но и заставляют ярко светиться в темноте экран, покрытый слоем платиноцианистого бария{1} или какого-нибудь другого флюоресцирующего вещества. Это свойство лучей Беккереля впоследствии даже получило некоторое практическое применение: сернистый цинк, к которому подмешано самое крохотное количество радиоактивного вещества, светится в темноте под влиянием лучей Беккереля, испускаемых частицами этого вещества, а поэтому таким сернистым цинком с примесью радиоактивного вещества иногда рисуют цифры на циферблате часов и обмазывают стрелки, чтобы можно было ночью взглянуть на часы, не зажигая спички. Во время первой мировой войны таким сернистым цинком обмазывали ружейные прицелы (чтобы ночью можно было прицеливаться в темноте), стрелки и буквы на магнитной буссоли и т. п.; это даже вызывало резкое повышение спроса и вздорожание радиоактивных веществ (о ценах радиоактивных веществ будет дальше рассказано подробнее).

Фотографическое действие лучей Беккереля тоже становилось всё интенсивнее и заметнее по мере того, как Пьер и Мария Кюри приготовляли препараты, всё более и более богатые радием. Вскоре после начала работы были получены препараты столь активные, что уже не требовалось длительных экспозиций (по нескольку часов), чтобы получилось заметное почернение фотографической пластинки от действия лучей Беккереля: стоило только поднести препарат, содержащий радий, на несколько секунд к завёрнутой в бумагу фотографической пластинке, как пластинка заметно темнела. В прекрасной книжке «Радий и его разгадка», которую написал английский химик Фредерик Содди — один из первых исследователей радиоактивности (о его работах будет подробно рассказано дальше), — описывается следующий опыт: берётся стеклянная трубочка, в которую помещён препарат, содержащий в себе немножко радия и этой трубочкой медленно водят, выписывая какое-нибудь слово, как карандашом, по фотографической пластинке, завёрнутой в чёрную бумагу, защищающую её от всех видимых лучей света. После того, как пластинка проявлена, на ней оказывается написанным это слово.

Рис. 2. Надпись, сделанная Содди на фотографической пластинке стеклянной трубочкой с препаратом радия

Вот как быстро лучи Беккереля зачернили те места пластинки, к которым была поднесена трубочка с препаратом радия! (См. рис. 2.)

В самых первых опытах над препаратами радия было замечено, что вещество, содержащее радий, всегда немножко теплее, чем все окружающие предметы. Пьер Кюри решил воспользоваться этим для того, чтобы измерить энергию лучей Беккереля, испускаемых радием. В самом деле, эти лучи Беккереля, которые чернят фотографическую пластинку, делают воздух проводником электричества, заставляют флюоресцирующий экран светиться, — должны же эти лучи Беккереля иметь какую-то энергию для того, чтобы делать всё это! Пьер Кюри взял калориметр — прибор, в котором по количеству растаявшего в нём льда определяется, сколько выделилось в приборе тепла, — и поместил туда препарат радия. Калориметр был взят такой, что все лучи Беккереля которые испускал препарат, не могли выходить из прибора, все они, как говорят, «поглощались» в массе льда в толстых стенках калориметра. Взвесив растаявший лёд и зная, сколько требуется тепла для того, чтобы расплавить это количество льда, Пьер Кюри сумел измерить количество теплоты, выделяемое препаратом радия. Оказалось, что каждый грамм радия в течение часа выделяет из себя 140 калорий энергии (калория — это та энергия, которая нужна, чтобы поднять температуру одного грамма воды на один градус Цельсия). Энергия, отдаваемая радием, уходит с лучами Беккереля, но если эти лучи задержать, поглотить их, как было сделано в опыте Пьера Кюри с калориметром, то та же самая энергия выделяется в виде теплоты. 140 калорий в час! Эта энергия, выделяемая граммом радия, не очень велика: целых 50 часов должно пройти для того, чтобы грамм радия отдал столько же энергии, сколько отдаёт, сгорая, один грамм угля. Но зато грамм угля, сгорев, превратившись в углекислый газ, уже перестаёт отдавать энергию дальше, а грамм радия, отдав, хотя и очень медленно — в течение 50 часов — то же самое количество калорий, остаётся, по-видимому, таким же, каким он был, и продолжает испускать энергию тем же самым темпом.

Вот эта-то способность радия испускать, хотя и очень медленно, большие и казавшиеся совершенно неограниченными количества энергии должна была больше всего заинтересовать физиков: она и дала возможность говорить о загадке радия, о загадке радиоактивности, мучительной загадке, заставлявшей физиков 1900 года ломать себе голову над таинственными свойствами радия и его лучей. Что является причиной радиоактивных явлений? Что заставляет радиоактивные вещества испускать лучи Беккереля? Какова, природа этих лучей, так похожих (на первый взгляд) на лучи Рентгена? Откуда радиоактивные вещества берут энергию, которую они затем отдают внешнему миру в форме энергии своих таинственных лучей? И действительно ли эта энергия неисчерпаема? Действительно ли кусочек радия представляет собой нечто вроде «перпетуум-мобиле» — вечного двигателя, о котором так страстно мечтали когда-то изобретатели, — двигателя, который всё время может отдавать миру энергию, хотя в нём самом ничего не сгорает, не тратится, не портится, не изменяется? Или, может быть, радий совсем не является исключением в мире, где всё подчинено закону сохранения энергии, и, может быть, запасы энергии, содержащиеся в радии, хотя и велики, но совсем не неисчерпаемы, и если через 50 часов в грамме радия ещё не заметно никакого иссякания, увядания, упадка, то через много недель или даже только через много лет уменьшение запасов энергии в радии должно стать заметным? Вот какие вопросы волновали физиков, изучавших радий, вот какие вопросы составляют содержание загадки радиоактивности, о которой говорит название этой главы нашей книжки.

В дальнейших главах мы узнаем, как была разгадана загадка радия и к каким огромным по своему значения последствиям привела разгадка этой загадки, позволившая физикам необыкновенно глубоко заглянуть в самые сокровенные тайны окружающего нас мира. Но, перед тем как приступить к рассказу о разгадке тайны радия нужно будет хотя бы вкратце рассказать о том, в каком состоянии находилась физика того времени, когда загадка радия была поставлена и привлекала к себе всеобщее внимание; нужно будет рассказать о том, что физики знали вообще об устройстве вещества, когда им пришлось заняться более узким и специальным вопросом об устройстве радиоактивного вещества. Этому мы посвятим две следующие главы (гл. II — Атомы гл. III — Электроны и рентгеновские лучи). В этих главах мы расскажем всё то, что уже могли знать физики, которым предстояло разгадывать загадку радиоактивности, — всё, что физики знали об устройстве вещества до 1902 года (год, когда Пьер и Мария Кюри выделил хлористый радий) и в течение нескольких следующих лет. Но ещё перед тем, как погрузиться в эти трудные и важные главы, мы расскажем ещё об одном удивительном свойстве радия — свойстве, которое привлекло к нему внимание не только физиков, но и самой широкой публики и вызвало к жизни великое множество практически важных последствий.