Открытие субатомных частиц. Ионы гелия с электрическим зарядом. Электромагнитное излучение

В мире науки и техники

Открытие субатомных частиц

Перевод c английского А. Н. Кондрашовой

под редакцией

д-ра физ.-мат. наук

Итак, было установлено, что альфа-частицы — это ионы гелия (точнее, ядра гелия) с электрическим зарядом, равным двум, бета-лучи — это электроны, а гамма-лучи — электромагнитное изучение. Но что заставляет атомы испускать все эти лучи? Важный ключ к пониманию явления радиоактивности Резерфорд нашел в 1899 г. вскоре после начала работы в Мак-Гиллском университете. Годом ранее он обнаружил, что радиоактивное излучение тория временами словно бы флуктуирует, особенно если торий обдувают воздухом. «Прогоняя» воздух над поверхностью образца тория и направляя его в сосуд, Резерфорд сумел собрать некоторое количество газа, который он назвал «эманацией тория». (Чуть раньше подобный газ, испускаемый радием, исследовал Фридрих Эрнст Дорн.) Газ обнаруживал высокую радиоактивность, и было естественно предположить, что именно ею отчасти объясняется радиоактивность самого тория. (Кстати сказать, во всех этих экспериментах, проведенных в Мак-Гиллском университете, радиоактивность измерялась по ее воздействию на электропроводность газов — изучением того же явления Резерфорд вместе с Томсоном занимался еще в Кембридже.)

Важность этого открытия отчасти заключалась в том, что оно показало сложный характер явления радиоактивности. Многое в радиоактивности таких элементов, как торий и уран, было обусловлено ничтожными количествами эманации тория или эманации радия, которые сами по себе порождаются радиоактивностью материнского элемента (или радиоактивностью других веществ, которые в свою очередь .создаются радиоактивностью материнского элемента). Так, в 1903 г. Резерфорд и Содди обнаружили, что 54 % радиоактивности тория (и вся радиоактивность эманации тория) вызвано высокорадиоактивным веществом, которое они назвали «торий X». Торий X можно было сконцентрировать в растворе соли тория (нитрата тория) путем добавления в раствор аммиака; торий выпадал в осадок (гидроксид тория), а торий X оставался в растворе. Осадок тория, более не содержащий тория X, был гораздо менее радиоактивен и не создавал эманации тория. Однако во время рождественских каникул 1901 г. образец тория, из которого был удален торий X, решили оставить на три недели в лаборатории. По возвращении Резерфорд и Содди обнаружили, что торий X снова присутствовал в образце в нормальной пропорции. Образец восстановил не только свою радиоактивность, но и способность создавать эманацию. И тогда ученые пришли к выводу, что торий X не просто примесь, которая встречается вместе с природным торием, а на самом деле порождается торием, точно так же как эманация тория порождается торием X.

Еще более важным, чем выяснение сложности явления радиоактивности, оказалось понимание того, что различные вещества, образующиеся в результате радиоактивности, на самом деле представляют собой совсем другие элементы, чем исходный радиоактивный элемент, В 1902 г, Резерфорд и Содди показали, что эманация тория — это новый «благородный газ», принадлежащий к семейству химически инертных элементов, которые незадолго до того были открыты Рамзаем (к этому же семейству относятся гелий, неон, аргон, криптон и ксенон). Новому элементу дали название «нитон», но позднее он был переименован в радон. Как оказалось, эманация радия также не что иное, как разновидность радона. (Сейчас принято считать, что эманация тория и эманация радия— два различных изотопа радона: ²²⁰Rn  и  ²²²Rn. Известно около 20 изотопов радона.) Исследования также показали, что торий  X — совершенно иной химический элемент, нежели торий. Позднее удалось установить, что это чрезвычайно активный изотоп радия (торий-X — это изотоп ²²⁴Ra, тогда как обычный радий - изотоп ²²⁶Ra.) Итак, оказалось, что в результате радиоактивности торий превращается в разновидность радия, который в свою очередь превращается в разновидность радона.

В двух ставших классическими статьях, написанных в 1903 г. и объединенных общим названием «Причина и природа радиоактивности», Резерфорд и Содди объяснили, что в действительности радиоактивность — это превращение одного химического элемента в другой, вызванное испусканием заряженной альфа- или бета-частицы. Получалась явная несуразица: ведь неизменность элементов стала аксиомой химии! В следующем году Резерфорд изложил свою совместно с Содди «теорию распада» на заседании Королевского общества в Лондоне. Ученые отнеслись к ней скептически. На заседании присутствовал Пьер Кюри, который затем подготовил собственный обзор исследований радиоактивности. В нем он даже не упомянул теорию Резерфорда — Содди.

Эманация тория позволила исследователям еще глубже проникнуть в природу радиоактивности. Резерфорд заметил, что радиоактивность этого вещества быстро уменьшается: примерно спустя минуту первоначальная активность исследуемого образца газа уменьшилась вдвое, через две минуты — в четыре раза, через три минуты — в восемь раз и т. д. В своей статье Резерфорд и Содди предложили следующую интерпретацию этого явления: каждый атом эманации тория с вероятностью 50 % испускает одну альфа-частицу ежеминутно (на самом деле - каждые 54,5 с) независимо от того, сколько времени до этого атом существовал или сколько атомов присутствует в образце; атом, испустивший альфа-частицу, перестает быть атомом эманации тория.