Открытие радиоактивности

В 1895 г. Рентген открыл лучи Рентгена. Это было замечательное научное достижение и газеты писали о нём взахлёб – это ж можно увидеть кости скелета у живого человека или струны рояля не подымая крышки! Недаром Рентгену первому была присуждена Нобелевская премия по физике.Анри Беккерель, подогретый общим ажиотажем, задался вопросом: а не могут ли тела, самопроизвольно светящиеся в темноте, кроме световых лучей испускать и другие, невидимые. С этой целью он провёл ряд экспериментов с фосфоресцирующими объектами и нашёл-таки невидимое излучение, которое засвечивало фотопластинки. Его испускали соли урана (и чистый уран тоже). И это были не лучи Рентгена, а что-то иное. Так же, как Колумб отправился искать короткий путь в Индию, а открыл Америку, так и Беккерель в поисках новых источников лучей Рентгена открыл совершенно новый мир физических явлений - в 1896 г. была открыта радиоактивность. Открытие радиоактивности было непосредственно связано с открытием Рентгена. Более того, некоторое время думали, что это один и тот же вид излучения. Конец 19 в. вообще был богат на открытие различного рода не известных до того “излучений”. В 1880-е английский физик Джозеф Джон Томсон приступил к изучению элементарных носителей отрицательного заряда, в 1891 ирландский физик Джордж Джонстон Стони (1826–1911) назвал эти частицы электронами. Наконец, в декабре Вильгельм Конрад Рентген сообщил об открытии нового вида лучей, которые он назвал Х-лучами. До сих пор в большинстве стран они так и называются, но в Германии и России принято называть лучи рентгеновскими. Эти лучи возникают, когда быстро летящие в вакууме электроны (катодные лучи) сталкиваются с препятствием.

Было известно, что при попадании катодных лучей на стекло, оно испускает видимый свет – зеленую люминесценцию. Рентген обнаружил, что одновременно от зеленого пятна на стекле исходят какие-то другие невидимые лучи. Это произошло случайно: то в темной комнате светился находящийся неподалеку экран, покрытый веществом, который дает яркую желто-зеленую люминесценцию под действием ультрафиолетовых, а также катодных лучей. Но катодные лучи на экран не попадали, и более того, когда прибор был закрыт черной бумагой, экран продолжал светиться. Вскоре Рентген обнаружил, что излучение проходит через многие непрозрачные вещества, вызывает почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу или даже помещенной в металлический футляр. Лучи проходили через очень толстую книгу, через еловую доску толщиной 3 см, через алюминиевую пластину толщиной 1,5 см... Рентген понял возможности своего открытия: “Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, – писал он, – то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки”. Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование. Открытие Рентгена мгновенно облетело весь мир и поразило не только специалистов. В канун 1896 в книжном магазине одного немецкого города была выставлена фотография кисти руки. На ней были видны кости живого человека, а на одном из пальцев – обручальное кольцо. Это была снятая в рентгеновских лучах фотография кисти жены Рентгена.

Открытие электрона

А в следующем, 1897 г. Д. Д. Томсон (лучше произносить по-английски: Джи-Джи Томсон) открыл электрон.Мало кому известный до того времени Д.Д. Томсон был, тем не менее, директором Кавендишевской лаборатории при Кембриджском университете – учреждении, где великие открытия совершались чаще, чем где-либо ещё на планете. Первым Директором Кавендишевской лаборатории был Джеймс Максвелл, вторым – лорд Рэлей, третьим - Д.Д. Томсон. Он занимался катодными лучами.Можно ли пропустить электрический ток через вакуум? Возьмём стеклянную капсулу, впаяем в неё электроды, выкачаем воздух и подключим электроды к мощной батарее. В капсуле (которую далее будем уже называть электронно-лучевой трубкой) появится свечение.

Светится в данном случае разреженный газ. Если в трубке создать более глубокий вакуум, то около отрицательно заряженного электрода (катода) появится зеленоватое свечение. Металлический предмет, помещённый между катодом и стеклом, даст тень (экранированный им участок стекла светиться не будет). Итак, нечто вылетает из отрицательно заряженного электрода (катода), попадает на стеклянную стенку и заставляет её светиться. Назовём это нечто катодными лучами. Может быть, это волны эфира, а может – частицы вещества, «чистого электричества». Та же неопределенность во времена ранних работ Томсона с катодными лучами существует и для лучей Рентгена.Томсону удаётся отклонить катодные лучи в электрическом и магнитном полях. Значит, перед нами не волны эфира, а частицы. Сила отклоняющая частицы в магнитном поле, есть функция, определяемая тремя параметрами – скоростью частиц, их зарядом и массой. Сила отклонения в магнитном поле – функция от тех же трёх параметров. Зная эти силы, получаем систему из двух уравнений с тремя неизвестными. Понятно, что полностью решить их невозможно, но Томсону удаётся вычислить скорость частиц и отношение массы к заряду, m/q.

Пропускаем через раствор или расплав определённое количество электричества q и получаем на электроде определённую массу вещества m, - в электролизной ванне тоже движутся заряженные частицы вещества, их принято называть ионами. Хотя ион – такая же ненаблюдаемая сущность, как и атом, для него есть по крайней мере одна физическая характеристика – отношение массы к заряду.

Однако m/q даже самого лёгкого элемента, водорода, в 2 000 раз больше, чем у частиц катодных лучей. Что же перед нами: ион водорода (или ещё какого-либо элемента) с аномально большим зарядом, или «стандартный» по заряду ион «чистого электричества» с аномально малой массой.

Лучше выбрать последний вариант – во-первых, m/q частиц катодных лучей не зависит от материала катода (Томсон это проверил), т.е. это не есть мельчайшие кусочки катода; во-вторых масса заряженного тела и того же тела, с которого заряд «стёк», не меняется, точнее, разница не может быть измерена лабораторными весами – и для объяснения этого феномена сверхлёгкие частицы «чистого электричества» весьма подходят. Название для гипотетических частиц «чистого электричества» предложили ещё в 1891 г. – «электрон».

Томсон пошёл дальше второго варианта – он решил, что электроны – это кусочки атома, такой штучки, от которой нельзя отрезать кусочек по определению.