Наука в XIX веке. Рентгеновское излучение. Радиоактивность

Обзорная лекция преподавателя физики и математики Юлии Олеговны Беличенко

В 1894 году, когда Вильгельм Конрад Рентген был избран ректором университета, он приступил к экспериментальным исследованиям электрического разряда в стеклянных вакуумных трубках.

8 ноября 1895 года Рентген, как обычно, работал в своей лаборатории, занимаясь изучением катодных лучей. Около полуночи, почувствовав усталость, он собрался уходить, закрыв катодную трубку чехлом из черного картона и выключив свет. В темноте он заметил какое-то светящееся пятно. Свечение вызывала катодная трубка! Но каким образом? Ведь катодные лучи задерживаются чехлом! Чёрный картон, не прозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывался какими-то лучами, вызывавшими флюоресценцию. Лучи легко проникали через книгу, дерево, стекло,  тонкие слои металла, но сильно задерживаются свинцом… Рентген так описал  сенсационный опыт:

“Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки”. Это было первое рентгеноскопическое исследование человеческого тела. Рентген взял из шкафа фотопластинки: надо увиденное закрепить на снимке. Так начался новый ночной эксперимент. Ученый обнаруживает, что лучи засвечивают пластинку, что они не расходятся сферически вокруг трубки, а имеют определенное направление…

В 1896 год в Европе и Америке все газеты сообщили о сенсационном открытии профессора физики Вюрцбургского университета Рентгена. Был опубликован  снимок кисти руки, принадлежащей, как выяснилось позже, Берте Рентген — жене профессора. 

Рентген не мог, однако, обнаружить ни отражения, ни преломления рентгеновских лучей. Но установил важный факт рассеяния рентгеновских лучей веществом. Однако все его попытки обнаружить интерференцию рентгеновских лучей дали отрицательный результат.

Отрицательный результат дали и попытки отклонения лучей магнитным полем. Отсюда Рентген сделал вывод, что Х-лучи не идентичны с катодными лучами, но возбуждаются ими в стеклянных стенках разрядной трубки.

В марте 1896 года Рентген выступил со вторым сообщением и констатировал, что «не оказалось ни одного твердого тела, которое под действием катодных лучей не возбуждало бы Х-лучей». В Санкт-Петербурге уже 22 января 1896 года опыты Рентгена были повторены во время лекции в физической аудитории университета.

Открытие Рентгена вызвало огромный резонанс не только в научном мире, но и во всем обществе. Снимки Рентгена произвели огромное впечатление; открытие еще не было завершено, а уже начала свой путь рентгенодиагностика. “Моя лаборатория была наводнена врачами, приводившими пациентов, подозревавших, что они имеют иголки в разных частях тела”, — писал английский физик Шустер.

Лучи Рентгена быстро нашли практическое применение в медицине и в технике, но проблема их природы оставалась одной из важнейших в физике.

Химик, инженер и изобретатель Альфред Нобель завещал 27 ноября 1895 года в Париже своё огромное состояние на учреждение Нобелевской премии (надо напомнить, что Нобель  хоть и родился в Стокгольме, но с 9-ти летнего возраста и до 16 лет жил в С-Пб, затем ещё несколько лет).  В этом завещании премия по физике упоминается самой первой, а Рентген - первый в истории физики лауреат Нобелевской премии (1901 год). Рентген не взял патента, подарив свое открытие всему человечеству. Это дало возможность конструкторам разных стран мира изобретать разнообразные рентгеновские аппараты.

Рентгеновские лучи вновь возбудили спор между сторонниками корпускулярной и волновой природы света. Один-единственный эксперимент, который может считаться одним из величайших достижений в физике, положил конец этому спору. Немецкий физик Макс фон Лауэ (1879–1960) догадался провести интереснейший дифракционный опыт на кристаллах. Кристалл является естественной дифракционной решеткой, значительно более мелкой, чем любая изготовленная искусственно. В 1914 году за открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах Лауэ был удостоен Нобелевской премии.

Так в физику пришли два фундаментальных научных факта: рентгеновские лучи обладают такими же волновыми свойствами, как и световые лучи; и то, что с помощью рентгеновских лучей можно исследовать не только внутреннее строение человеческого тела, но и заглянуть в глубь кристаллов.

С помощью рентгеновских лучей врачи хотели узнать как можно больше о недугах своих пациентов, а  астрономы, измеряя приходящие к Земле потоки рентгеновского излучения, смогли судить о явлениях, происходящих за многие миллиарды километров от нашей планеты. Возникла новая область науки — рентгеноастрономия… Техника XX века не могла бы без рентгеновского анализа получить в свое распоряжение то великолепное созвездие разнообразных материалов, которыми она располагает сегодня.

Радиоактивность

Антуан Анри Беккере́ль (1852-1908) изучал природу таинственного свечения некоторых веществ под влиянием солнечного излучения - явление флуоресценции. Беккерель собрал огромную коллекцию светящихся химических веществ и природных минералов.

Известен его опыт, как он выставлял на солнце соль урана и калия, спрессованную в небольшую лепешку, положенную на фото-пластинку. А в пасмурные дни 1896 года в Париже Беккерель с сожалением спрятал приготовленную к эксперименту фотопластинку с солью в стол, но положил маленький медный крестик, чтобы проверить, пройдут ли сквозь него рентгеновские лучи.

И через несколько дней обнаружил  на проявленной фотопластинке четкое изображение и крестика, и лепешки с солью! Значит, солнце и флуоресценция здесь ни при чем!

Далее он обнаружил опытами, что уран и его соединение непрерывно излучают без ослабления лучи, и способны также разряжать электроскоп, т. е. создавать ионизацию. Первое в мире сообщение о существовании радиоактивности было сделано Анри Беккерелем на заседании Парижской академии наук 24 февраля 1896 года. Это Открытие явления радиоактивности вызвало сенсацию.

Вскоре в исследование нового явления включились другие ученые, и, прежде всего, супруги Пьер и Мария Кюри.  Мария Кюри (Склодовская) (1867–1934) искала, не существует ли других элементов, испускающих лучи, подобные лучам урана. Она изучила все известные в то время элементы, как в чистом виде, так и в соединениях, и нашла только соединения тория.  Опыты Марии Склодовской-Кюри по изучению руд показали, что радиоактивность некоторых урановых и ториевых руд оказалась гораздо сильнее того, что можно было ожидать от урана и тория.

Напряженный труд принес щедрые результаты. В 1898 году Пьер и Мария Кюри на заседании Парижской Академии наук выступили с сообщением «О новом радиоактивном веществе, и предлложили назвать его полонием, по имени родины Марии». Активность нового элемента — полония — оказалась в 400 раз выше активности урана.

Вскоре им удалось выделить из урановых отходов вещество, содержащее некоторый новый элемент. Новый элемент они предложили назвать радием. Активность выделенного хлорида радия в 900 раз превышала активность урана.

Открытием полония и радия начинается новый этап в истории радиоактивности.

Таким образом, к началу XX века было известно пять радиоактивных веществ: уран, торий, полоний, радий, актиний.