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 имеют еще большую проникающую способность.
Таким образом, радиация – это поток высокоэнергичных заряженных частиц либо высокочастотное электромагнитное излучение, которые возникают в основном результате ядерных реакций и могут ионизировать вещество, т. е. отрывать электроны от атомов.
Заметим, что радиация в больших дозах чрезвычайно вредна для здоровья. Дело в том, что радиоактивное излучение может разрушать клетки организма или вызывать их мутации, приводящие к появлению рака. Кроме того, ионы, образующиеся в организме под действием радиации, обладают большой химической активностью и могут вступать в непредусмотренные организмом химические реакции и дополнительно его отравлять. Так что лучше держаться подальше от источников радиации.
Вопрос 37. Похожи ли атомы на планетные системы?
Сегодня во многих учебниках и научно-популярных видео изображают атомы как планетные системы, где в самом центре находится тяжелое и положительно заряженное ядро, а вокруг него, как планеты вокруг солнца, вращаются маленькие отрицательно заряженные электроны. Но откуда ученые узнали, что атомы выглядят именно так? Ведь ни в один микроскоп невозможно заглянуть внутрь атома.
История эта началась в 1909 году, когда в лабораторию к Эрнесту Резерфорду (1871–1937), английскому физику новозеландского происхождения, годом ранее уже получившему Нобелевскую премию за исследования распада радиоактивных веществ, приехал 20‐летний студент Манчестерского университета Эрнест Марсден (1889–1970). Резерфорду нужно было его чем-нибудь занять – не может же студент просто так шататься по лаборатории без дела. Поэтому Резерфорд поручил новоприбывшего студента своему ассистенту Хансу Гейгеру (1882–1945) – тому самому, который еще в 1908 году изобрел счетчик Гейгера, прибор для измерения уровня радиации (а точнее – подсчета количества ионизирующих частиц). Нужна была какая-то совсем простая задача, с которой мог справиться даже студент.
В то время Резерфорд изучал рассеяние альфа-частиц[60], проходящих через различные вещества. И нужно было считать количество альфа-частиц, отклоняющихся на разные углы при прохождении сквозь тонкую золотую фольгу. Эту задачу он и поручил Гейгеру и Марсдену. Ничего революционного от этой работы Резерфорд не ожидал, ведь в то время среди физиков была принята модель атома Дж. Дж. Томсона (так называемая пудинговая модель), согласно которой атом представлялся сферой размером 10–8 см (одна стомиллионная доля сантиметра), по всему ее объему равномерно распределен положительный заряд с небольшими вкраплениями отрицательно заряженных электронов (наподобие изюма в пудинге или булке). В соответствии с этой моделью, альфа-частицы должны были легко проходить сквозь такие атомы, и каких-то больших отклонений от исходной траектории не должно было происходить.
Под руководством Гейгера Марсден начал наблюдать и подсчитывать альфа-частицы, рассеивающиеся в разных направлениях. Как и предполагалось, большинство частиц пролетали сквозь фольгу практически без рассеяния, отклонялись на небольшие углы. Однако через какое-то время экспериментаторы заметили, что некоторые из альфа-частиц (примерно одна из 8000) «отскакивают» в противоположную сторону. И это было действительно странно. Собрав статистически достаточное число таких случаев, Гейгер и Марсден поделились своими наблюдениями с Резерфордом, на что тот ответил: «Это просто невозможно!» Это было так же немыслимо, как если бы при выстреле из пушки по листу бумаги пушечный снаряд отскочил от него, как резиновый мячик от стенки. Ведь скорость альфа-частиц, бомбардирующих фольгу, была порядка 20 000 км/ч. Это безусловно указывало на необходимость пересмотра существующей модели атома.
Резерфорд в 1911 году изучил распределение альфа-частиц, рассеянных на разные углы, – этот раздел физики называется теорией рассеяния. Оказалось, что такое распределение возможно только при условии, что весь положительный заряд атома не распределен равномерно по всему его объему, а сконцентрирован в очень небольшой его области, названной ядром, размером 10–12 см (одна триллионная доля сантиметра), т. е. ядро оказалось в 10 000 раз меньше размеров самого атома. Поэтому почти все альфа-частицы пролетали сквозь атом практически без отклонения, и лишь небольшая их часть, которая сталкивалась с ядром, отражалась в обратную сторону (ведь альфа-частицы тоже несут положительный электрический заряд, а значит, всегда будут отталкиваться от положительно заряженного ядра).
Где тогда в этом атоме «сидят» электроны? Резерфорд предположил, что они не «сидят» на месте, а вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Только планеты удерживаются на своих орбитах за счет гравитационного притяжения к Солнцу, а электроны – за счет электрического притяжения к ядру (ведь у электронов и ядер заряды разных знаков). Так родилась планетарная модель атома.
Однако с точки зрения классической физики у этой модели были серьезные недостатки. Из уравнений классической электродинамики следует, что при движении по круговым орбитам (как и при любом другом криволинейном движении, то есть движении с ускорением) заряженные частицы должны излучать электромагнитные волны и, соответственно, терять часть своей энергии. Таким образом, электроны, вращающиеся вокруг ядра, должны за миллионную долю секунды излучить всю свою энергию и упасть на это ядро. Но в реальности мы этого, к счастью, не наблюдаем – атомы остаются стабильными, а электроны никуда не падают. А значит, нужна была другая модель атома.
Такую модель предложил в 1913 году тогда еще совсем молодой датский физик, а впоследствии один из основоположников квантовой механики Нильс Бор (1885–1962). Это была еще не совсем квантовая теория, так что теперь ее называют «полуклассической теорией Бора». Она строится на двух постулатах.
Первый постулат Бора: электроны в атоме могут находиться только в особых стационарных состояниях (т. е. могут двигаться только по определенным орбитам). Каждому из таких состояний отвечает определенное значение энергии. В стационарном состоянии электроны не излучают электромагнитных волн.
Это утверждение явно противоречит классическ