Страница 3 из 51
История умалчивает об этом, но я почему-то не сомневаюсь, что сразу после проявления фотопластинки А. Беккерель испытал некоторое раздражение. Еще бы! Опытнейший 43-летний экспериментатор должен был позаботиться о ее сохранности. Ведь к этому времени многие (и он в том числе) знали, что прекрасные фосфоресценты — соли урана — обладают вредным побочным действием, портят фотопластинки. Я не сомневаюсь и в том, что чувство досады очень скоро уступило место восторгу истинного первооткрывателя. Ведь результат «эксперимента поневоле» позволял утверждать, что солнечное освещение было вообще ни при чем, а соли урана сами испускали некоторое излучение. Вскоре А. Беккерель убедительно показал — новое излучение связано только с урансодержащими веществами; все остальные образцы независимо от их фосфоресцентной способности никакого эффекта не давали.
Через несколько лет А. Беккерель и другие физики выяснили, что новое излучение обладает сложным составом из трех компонент: одна из них — альфа (α) — несет положительный электрический заряд и сильно поглощается в веществе, вторая — бета (β) — отрицательно заряжена и, как и третья, нейтральная — гамма (γ) — компонента, обладает значительно большей проникающей способностью. Так в физику вошли представления об альфа-, бета- и гамма-излучениях, которые были расценены как прямые сигналы о превращениях, происходящих в самых глубинах атомного мира.
Забегая немного вперед, следует сказать, что альфа-излучение оказалось потоком атомных ядер гелия, состоящих из четырех элементарных частиц: двух протонов и двух нейтронов, а бета- и гамма-излучения — потоками элементарных частиц: быстрых электронов и жестких фотонов (квантов электромагнитного поля), соответственно. Они, действительно, были прямыми сигналами, но не из атомного, а из ядерного мира, представляющего в определенном смысле более глубокий уровень строения вещества.
Очевидно, физиков того времени не следует упрекать в неточности, ведь они не успели еще как следует разобраться в атомной структуре. Само слово «атом» зачастую употреблялось по отношению к иным объектам, например, как мы помним, электрон тоже называли «атомом электричества». В следующей главе вы увидите, что законы такого словоупотребления были связаны скорее с некоторой философской традицией, а не с особым физическим содержанием.
Замечательное открытие А. Беккереля заинтересовало многих физиков, в том числе супругов П. и М. Кюри и Э. Резерфорда. Супруги Кюри, пожалуй, самая выдающаяся в истории науки «семейная лаборатория», привнесли в дело присущее им сочетание талантов и широкий размах. Именно они ввели термин «радиоактивность», обозначив им способность некоторого вещества излучать, подобно урану. Им же принадлежит заслуга в открытии некоторых радиоактивных элементов.
Главное среди этих открытий, несомненно, радий, излучение которого оказалось примерно в миллион раз сильнее, чем у урана. Для оценки роли, сыгранной этим редчайшим элементом в становлении современной физики, не хватит обилия всех похвальных слов, всех превосходных степеней, содержащихся в русском языке. Благодаря огромной интенсивности радиации радий не только дал возможность разгадать ее природу, но и стал на целых три десятилетия уникальным инструментом для проникновения в микромир.
Работы в этих направлениях неразрывно связаны с именем Э. Резерфорда, которого справедливо называют отцом современной ядерной физики. Научное дарование и характер Э. Резерфорда как нельзя лучше соответствовали тому бурному сокрушению основ, которое происходило в физике на рубеже столетий. Он обладал феноменальной интуицией и, как правило, оказывался в самых интересных и «горячих» точках научных разработок, совершенно фантастической изобретательностью в трудных, для подавляющего большинства современников непреодолимых, экспериментальных ситуациях. И наконец, ему было присуще поразительное чутье на таланты — из резерфордовской школы вышло с добрый десяток лауреатов Нобелевской премии.
Вклад Э. Резерфорда в изучение радиоактивности велик и многообразен. Достаточно отметить, что свою Нобелевскую премию он получил именно за фундаментальные работы в этой области. Одно из исследований Э. Резерфорда, завершенное примерно в 1908 году, сыграло поистине определяющую роль в дальнейшем штурме микромира: речь идет об установлении природы альфа-излучения.
Это была сложная проблема, лишь постепенно поддававшаяся решению. Уже к 1903 году Э. Резерфорд доказал, что альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц. После многочисленных измерений традиционно важного отношения заряда к массе стало ясно, что альфа-частицы принадлежат к атомному миру; но доступная точность этих экспериментов, к сожалению, была слишком мала для того, чтобы сделать окончательные количественные заключения.
Казалось бы, прямой путь к разгадке природы альфа-частиц на неопределенное время заказан; надо ожидать, пока технические усовершенствования позволят должным образом улучшить точность опытов. Но не был бы Резерфорд Резерфордом, если бы не предпринял очень характерный для него блестящий обходной маневр — раз альфа-частицы не желают выдавать своих секретов поодиночке, их надо собрать в большой коллектив и устроить в образовавшемся газе электрический разряд. При этом должно возникнуть определенного вида свечение со своим, присущим только данным атомам спектром. Дальше остается только воспользоваться каталогом уже известных спектров и отождествить по нему добытые результаты.
Конечно же, все это просто выглядит лишь на бумаге; на деле все обстояло куда сложней. Так, для проведения данного эксперимента в резерфордовской лаборатории был создан уникальный прибор, потребовавший исключительно виртуозной работы стеклодувов. Но, несмотря на все трудности, опыт прошел вполне успешно, и Э. Резерфорд увидел в некоторой мере предугаданную им картину: альфа-частицы оказались не чем иным, как полностью ионизированными атомами гелия.
Сразу же после этого открытия основные функции альфа-частиц в резерфордовской лаборатории резко меняются — из загадочного объекта они превращаются в надежный инструмент исследований.
Я бы хотел немного обсудить этот интересный и весьма типичный прием научной работы.
В общем-то, любое известное явление несет в физике своеобразную двойную нагрузку. Оно, если можно так выразиться, «учится и работает» одновременно, точнее — оно само подвергается изучению и используется неким образом для изучения других явлений. Любопытно, что правильное понимание механизма этого явления нередко наступает уже после многократного и плодотворного применения. Обратимся к примерам.
Катодные лучи помогли открыть рентгеновское излучение и установить многие его свойства еще до знаменитой томсоновской работы. В свою очередь, рентгеновские лучи стали активно применяться не только в физических, но и в прикладных медицинских целях лет за 10–15 до установления их природы. Только в 1912 году немецкий физик М. Лауэ доказал, что рентгеновские лучи рассеиваются на элементах кристаллической решетки подобно тому, как обычные волны рассеиваются на щелях или малых препятствиях. Этот замечательный эксперимент вошел в историю науки, пожалуй, как самый яркий пример на тему: «убить двух зайцев сразу» — ведь была не только обнаружена волновая природа рентгеновского излучения, но и открыт путь к прямому изучению атомно-молекулярной структуры кристаллов.
Показательна в этом плане судьба первой элементарной частицы — электрона. Сразу же после «появления на свет» он зарекомендовал себя как активнейший труженик науки, хотя даже основные его характеристики были известны весьма приближенно — значение заряда и массы электрона подвергалось в первые годы многим существенным уточнениям. Однако самая важная область современной прикладной физики — электроника, без которой сейчас немыслимы ни наука, ни техника, ни прямая трансляция хоккейных матчей из Канады, — на пару лет старше самого электрона. Ее возраст отсчитывается, как правило, от уже упоминавшейся работы Ж. Перрена, эксперименты которого велись в 1895 году с использованием самой настоящей электронно-лучевой трубки.