Открытие радиоактивности

Рис.

В январе 1896 г. в Парижской академии наук должно было пройти не совсем обычное заседание. На собрании ведущих учёных Франции знаменитый Пуанкаре (тот самый, у которого Эйнштейн позаимствовал его знаменитые преобразования и забыл по рассеянности сослаться, как это принято в академических кругах) должен прочитать послание из Германии от Конрада Рентгена об открытии им Х - лучей.

По слухам, бродившим в академии, Рентген к письменному сообщению приложил не совсем обычные фотографии, полученные при использовании, открытых им лучей.

Среди прочего почтенного учёного люда на заседании присутствовал профессор химии Анри Беккерель.

После прочтения письма Рентгена началось его обсуждение, в котором участвовал и Беккерель.

Его более всего интересовал вопрос о месте и причинах возникновения зеленовато-жёлтого свечения трубки. Именно от этого светящегося участка расходились во все стороны, открытые Рентгеном лучи.

Получалось, что некоторая область стекла испускает электромагнитные волны в широком диапазоне длин волн, от видимого света до рентгеновского. Интерес Беккереля к этому свечению был совершенно не праздным. Беккерель занимался исследованием флуоресцирующих веществ.

Ему пришла в голову идея, о том, что причиной возникновения Х - лучей могло стать «фосфоресцирующее» свечение стекла трубки. Мысленно Беккерель связывал испускание Х - лучей с флуоресценцией некоторых веществ в естественном своём состоянии при их освещении солнечным светом.

Флуоресцирующие вещества, которыми теперь покрывают циферблаты, действительно будучи вынесенными на солнечный свет, при внесении затем в тёмную комнату продолжают потом светится.

Так себя ведёт флюорит (плавиковый шпат). Флюорит в отсутствие солнечных лучей никак не демонстрирует своей принадлежности к «самоцветам». Другое дело под солнечными лучами, флюорит начинает светиться изнутри голубым светом.

Так же в голубой области спектра испускает сернокислый хинин, а раствор хинина светится красным цветом, даже керосин, выставленный на солнце, слабо светится в синих тонах. Именно этими веществами занимался Беккерель, поэтому письмо Рентгена навеяло ему вполне определённый ход мыслей. Препятствий к проверке своей догадки у профессора не было никаких. Возвращаясь с заседания, Беккерель уже придумал первый эксперимент.

Необходимо взять один из флуорисцентов, положить его на завёрнутую в чёрную бумагу фотопластинку, вынести на солнечный свет и посмотреть, что из этого получится. Если рентгеновские лучи, как думал Беккерель, возникают при флуоресценции, то фотопластинка должна засветится, если же испускания в рентгеновском диапазоне нет, то фотопластинка окажется не засвеченной.

Простенько и со вкусом. У Беккереля под рукой была большая коллекция флуоресцирующих материалов, из которых он выбрал двойную сернокислую соль урана и калия. Таких «лепёшек» у профессора было несколько. Все они на солнце испускали зеленоватое свечение.

Выставив фотопластинку с урановой солью на солнце, Беккерель сделал выдержку, а затем пластинку проявил. Четкое засвеченное пятно на фотопластинке свидетельствовало о правильности предположения: флуоресцирующие вещества испускают рентгеновские лучи, для которых чёрная бумага не является препятствием к проникновению.

Беккерель удержался от публикации своих наблюдений, хотя распирало. Он решил ещё поэкспериментировать с разными веществами, но тут, к сожалению, а вернее к счастью, наступили пасмурные дни. Спряталось Солнце за тучи. Бекке- рель попрятал принадлежности в ящик своего рабочего стола и занялся другими делами.

Наводя порядок в ящике, он среди прочих вещей обнаружил в заводской упаковке фотопластинку, которую по только ему известным причинам решил проявить.

Кроме того на фотоэмульсии образовался силуэт крестика. Это знаменательное, во всех отношениях, событие произошло 1 марта 1896 г. Далее Беккерель вспомнил, что этот «бутерброд» из фотопластинки, «лепёшки» с металлическим крестиком между ними он пытался выносить на солнечный свет, который внезапно исчез.

Теперь же на фоне резкого, какого он не получал ранее на солнечном свету тёмного силуэта «лепёшки» отчётливо проступало светлое изображение крестика. Лучи испускаемые используемой урановой солью легко проходили через чёрную бумагу, но не проникали через металлы, в частности через медный крестик.

Последние наблюдения Беккереля показывали, что двойная сернокислая соль урана и калия испускает проникающие сквозь чёрную бумагу невидимые лучи без флуоресценции, в полной темноте. Это было в высшей степени удивительным и не совпадающим с первоначальными предположениями профессора.

Беккерель понял, что он открыл совершенно новое явление, о котором никто кроме него не догадывался. Дело в том, что многие химики в разных странах работали с солями урана, но никто никогда об обнаруженных свойствах даже не намекал. Далее Беккерель провёл испытания всех доступных ему флуоресцентов и выяснил, что удивительные лучи, способны испускать только химические соединения, содержащие уран.

Потом Беккерель раздобыл некоторое количество этого металла, который ни при каких обстоятельствах не флуоресцировал и повторил эксперименты с фотопластинками. Металл засвечивал эмульсию в абсолютно тёмном пространстве.

Сработал его величество случай, если бы Беккерель для своих первых опытов взял любой другой флуоресцирующий материал, то эффект был бы нулевым. Свечение на солнце имело бы место, а таинственное излучение отсутствовало бы. Сосредоточившись на уране и его соединениях, Беккерель установил, что испускаемые лучи действуют на тела несущие электрический заряд.

Беккерель располагал урансодержащие вещества вблизи заряженных электрометров, обнаружив, что время разрядки значительно сокращается. Другими словами, лучи, испускаемые ураном, делают окружающий воздух проводящим, т.е. под действием обнаруженного излучения воздух частично ионизируется.

Рис. 3.31. Электрометры

Электрически нейтральные в обычном состоянии молекулы превращаются в ионы, которые способствуют ускорению процесса стека- ния электрических зарядов.

Беккерель после опытов с электрическим зарядом решился опубликовать результаты своих наблюдений. Работа Анри Беккереля среди учёных произвела не меньшее впечатление, чем недавние Откровения Конрада Рентгена об X - лучах.

Многие лаборатории мира срочно начали повторять опыты Беккереля, оставив все прочие свои занятия. В научной среде начался бум, учёный люд почувствовал на уровне интуиции, что явление, открытое профессором Беккереля, кроме чисто фундаментального интереса, сулит невероятные энергетические потенции.

В частности, с работой Беккереля познакомилась малоизвестная в научных кругах молодая полька, жившая в Париже, Мария Складов- ская-Кюри, которая решила проверить, только ли уран и его соединения обладают такой уникальной способностью испускать таинственные лучи.

Юный физик не стада заморачиваться с фотопластинками, а использовала электрометры, в этом случае время экспериментов многократно сокращалось. Мария Складовская-Кюри за достаточно короткое время провела эксперименты с большим количеством веществ в жидком, твёрдом и газообразном состоянии, включая горные породы и минералы.

Из всего многообразия, свойством подоб- ~ис. 3.32. Мария Складовская-Кюр~ ным соединениям урана обладал достаточно

редкий металл торий, совсем недавно открытый шведским химиком Берцелиусом.

Торий демонстрировал те же тенденции, что и уран. Чем больше тория содержалось в веществе, тем интенсивнее были испускаемые лучи. Мария Складовская- Кюри придумала для явления название - радиоактивность, от греческого «радиус» - луч. Радиоактивность, по её представлениям следовало понимать, как способность испускать лучи.

В ходе экспериментов Складовской-Кюри был обнаружен достаточно странный феномен. Исследуя руду, добытую вблизи чешского городка Иоахимсталь, Мария обратила внимание, что она испускает более интенсивные лучи, чем чистый уран, хотя концентрация чистого металла в ней не высока.

Это было странным, когда чистый металл обладал меньшей способностью к лучеиспусканию, чем руда, из которой он, собственно, добывается. Во всех предыдущих опытах интенсивность излучения определялась только концентрацией в материале урана. О своих наблюдениях Мария рассказала своему мужу, известному французскому физику Пьеру Кюри, которого этот феномен заинтересовал и далее, они начали работать вместе. Пьер, как и многие его коллеги, приостановил свои обычные научные увлечения и всецело сосредоточился на явлении радиоактивности.

Рис. 3.33. Пьер Кюри

Возникло предположение, что в иоахим- стальской руде содержится некое вещество, обладающее ещё большей радиоактивностью, чем чистый уран. Это было тоже достаточно странным.

С рудой работали многие химики при разработке технологии добычи урана и никакого постороннего вещества не обнаружили. Вывод был очевидным, концентрация этого неизвестного радиоактивного вещества в руде была настолько мала, что попросту на него не обратили внимания.

На радиоактивность руду никто не проверял, по причине неизвестности этого явления как такового, поэтому и не заметили. Но если вещества в руде было мало и оно так сильно «фонило», то вывод о его более чем у урана радиоактивности напрашивался сам собою.

Само собой возникло желание попытаться извлечь из руды это вещество, выделить, так сказать, в более концентрированном виде, о чистом материале мечтать не приходилось. Дело в том, что урановая руда в те времена была дорогой, а военные ещё всеми радиоактивными делами не заинтересовались, поэтому учёные сосредоточили своё внимание на отходах от уранового производства.

Супругам удалось найти спонсора их работ в лице Ротшильда, который согласился выделить несколько тысяч франков для забав физиков в новой лаборатории, а правительство Чехии пообещало от щедрот своих презентовать Кюри два вагона с отходами уранового производства.

Вновь созданная лаборатория разместилась в просторном сарае никак не предназначенном для физико-химических              исследований,

но, тем не менее, процесс пошел.

В отходах после сложных преобразований обнаружилось сразу Рис. 3.34. Пьер и Мария Кюри в лаборатории              два              радиоактивных вещества, одно

из которых по химическим свойствам смахивало на висмут, а второе - на барий.

В 1898 г. супругам удалось выделить радиоактивный элемент похожий на висмут, который назвали полонием, в честь Родины Марии Складовской, Польши.

Полоний испускал лучи более интенсивные чет чистый уран. И это был не чистый препарат, он находился с меси с остатками рудного производства, в основном с висмутом. Получение в более чистом виде второго вещества, похожего на барий, стало очередной целью учёных. Нудно было найти способ отделить барий от полония. В конце 1898 г. супруги Кюри отправили в Парижскую академию письмо с сообщением об открытии нового радиоактивного элемента с интенсивностью испускания лучей в 900 превышающей излучение такого же количества чистого урана.

\ • /

gt; )

Z- j С /1 \

Перед учёными встала новая задача, получить новое радиоактивное вещество в более концентрированном виде. Новое вещество назвали радием, т.е. лучистым веществом. Через три года напряжённой работы в 1902 г. супругам Кюри удалось получить несколько дециграммов хлористого радия, состоящего из 0,76 г. собственно радия и 0,24 г. хлора.

Рис. 3.35. Радий

Небольшие белые кристаллики в пробирке обладали почти в миллион раз более интенсивной радиоактивностью, чем такое же количество чистого урана. Мария Складовская-Кюри уже после несчастного случая с мужем, повлекшим его смерть (попал под колёса телеги), получила частый радий, оказавшийся блестящим металлом белого цвета, похожим по внешнему виду на барий или кальций.

Рис. 3.36. Циферблат часов

Учёными было обнаружено, что стекло, покрытое платиноцианистым барием, начинает светиться в темноте. Это свойство радиоактивных веществ было использовано на практике.

Так, например, сернистый цинк с незначительной примесью радиоактивных веществ обладал способностью накапливать световую энергию и затем, отдавать её в темноте.

В период Первой Мировой войны таким составом покрывали стрелки часов и часовые отметки (рис. 3.36), что делало удобным отсчет времени в темноте. Светящимся составом покрывали прицелы винтовок и стрелки с надписями в артиллерийских буссолях. Спрос на радиоактивные вещества возрос и они многократно подорожали, возникли лаборатории по полупромышленному производству радиоактивных веществ.

В опытах с радием было замечено, что этот материал всегда имел температуру несколько более высокую, чем окружающая среда. Это противоречило здравому смыслу и законам термодинамики, но это был экспериментальный факт.

Пьер Кюри поместил некоторое количество препарата радия в калориметр с таящим льдом и обнаружил, что каждый грамм радия в течение часа выделяет 14- калорий тепла, что эквивалентно Q « 586,2 Дж.

Напомним, что калория рассматривается в данном случае как энергия, необходимая для увеличения на один градус Цельсия одного грамма воды. Это, конечно, не ахти какое количество тепла, берёзовое полено выделяет при сгорании в несколько десятков раз большее тепло.

Но! Древесина сгорая за короткое время, превращается в золу, продукт бесполезный для дальнейшего получения тепловой энергии. А препараты радия в небольших количествах выделяли тепло, судя по всему, длительное время. Это было очередной сенсацией.

Было открыто свойство радия, неопределённо длительное время находится не в тепловом равновесии со средой. Проведенные Кюри измерения показывали, сто радий представился неким «PERPETUUM MODILE», нарушающим сразу два начала термодинамики, а заодно и закон сохранения энергии.

Встал вполне законный вопрос: «Как долго радий будет обладать свойством, нарушать закон сохранения, излучая в пространство энергию неизвестного происхождения?»

В апреле 1901 г. Анри Беккерель вознамерился прочитать свои студентам лекцию о радиоактивности с демонстрацией опытов. Чтобы такие опыты организовать Беккерель одолжил на время к Пьера Кюри малюсенькую пробирку с препаратом радия, менее 1 г. (рис. 3.35).

Пробирку аккуратно завернули в бумагу, затем поместили в картонную коробку, которую «отец радиоактивности» поместил в нагрудный карман своего пальто. После шестичасового хождения по своим делам, Беккерель попал в свою лабораторию и обнаружил, что при приближении к экрану из сернистого цинка, тот начинал светиться.

Экран светился даже тогда, когда профессор поворачивался к нему спиной. Выходило, что излучение проходило через грудную клетку и вызывало свечение. Через 10 дней после этого события Беккерель у себя на груди, напротив того места, где у него помещалась коробка с препаратом, обнаружил небольшое красное пятно. Поначалу пятно не беспокоило профессора, но спустя некоторое время пятно приняло форму стеклянной пробирки, и появилась жгучая боль.

Беккерель обратился к врачу, потому что кожа в том месте полопалась, превратившись в рану, сильно смахивающую на термический ожёг. Врач начал лечить травму Беккереля, как обычный ожёг, и вскоре покраснение исчезло, образовался белый шрам.

После того как Беккерель рассказал Кюри о своих злоключениях, то решил проверить действие открытого им с женой препарата на себе. Кюри прикрепил капсулу с препаратом к своей руке, и десять часов работал, как нив чём ни бывало. Эффект был такой же как и у Беккереля. Сначала покраснение, потом ожёг, после лечения белый шрам.

Потом Кюри попробовал поносить в кармане крупинку радия пол часа, Через 16 дней на коже образовался волдырь, который затем лопнул, болячка прошла после двух недель лечения. Отчаянные были эти ребята, вследствие любопытства и незнания подвергали своё здоровье очевидной в наше время опасности.

Человеческий организм не электроскоп и не фотоэмульсия на стеклянной пластинке. Кюри мало, что понимал в биологии и медицине, поэтому о своих наблюдениях поведал специалисту по медицине, доктору Данло.

Доктор быстро сообразил, - если радий так сильно действует на кожу, то какое-то воздействие должно наблюдаться и на весь организм. Данло начал экспериментировать сначала, как принято у приличных медиков, вначале на животных, а потом уже на людях. Было установлено, что радиоактивное излучение в малых дозах даёт великолепный результат при лечении многих кожных заболеваний, таких как, экзема, лишаи, волчанка и многие другие.