Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

Положил фотобумагу в черный, непрозрачный для солнечных лучей конверт, сверху придавил куском урановой соли и выставил на свет. Уран засветился зелененьким, Беккерель проявил фотобумагу, обнаружил на ней засвеченное пятно и сделал вывод: при облучении солнечным светом урановые соли начинают испускать рентгеновские лучи точно так же, как бомбардируемый электронами металл.

И ошибся! Причем ошибся дважды.

Первая ошибка выяснилась через несколько дней – когда выдался пасмурный день, солнышка на небе не было, Беккерель вздохнул и ушел из лаборатории, оставив кусок урановой соли на черном непрозрачном конверте с фотобумагой. А на следующий день машинально проявил фотобумагу и остолбенел: бумага все равно была засвечена! Значит, урановые соли излучают какие-то проникающие лучи не под действием солнечного света, а сами по себе! Вот это да!.. Спасибо плохой погоде, если бы не она, открытия б не случилось или оно случилось бы позже. В дальнейшем Беккерель открыл, что еще сильнее излучают не соли урана, а сам металлический уран без всяких «примесей».

Вторая ошибка выяснилась позже, когда оказалось, что это все-таки не рентгеновские лучи. «Лучи урана» обладали еще большей проникающей способностью, чем лучи Рентгена! А кроме того, было обнаружено, что «урановые лучи» ионизируют воздух, то есть при столкновении с молекулами воздуха они энергично срывают с молекул самые дальние электроны. И получаются ионы. Поэтому излучение Беккереля назвали ионизирующим.

Разумеется, один из самых больных вопросов, вставших перед наукой, был такой – если «урановые лучи» возникают не при подводе энергии извне (никакое солнечное облучение для них, оказывается, не нужно) и являются свойством самого урана, то откуда же этот уран берет энергию? Закон сохранения энергии был давно уже известен, было ясно, что из ниоткуда энергия взяться не может – она либо поступает извне, из какого-то источника (например, Солнца), либо когда-то заранее накоплена (так мы накапливаем энергию в поднятой кверху гире часов с кукушкой).

На вопрос об энергии (откуда она берется у урана) ответим так. Да, действительно, внутри урана есть источник ранее накопленной энергии, которая постепенно высвобождается при излучении, как из подвешенного дырявого ведра постепенно выкапывает вода, пока вся не кончится. Источник этот был заложен в уран так же, как закладывается распадная энергия в углероде-14, то есть во время создания самого вещества. Разница только в том, что углерод-14 производится в настоящее время в атмосфере, и его молекула запасает энергию космических лучей, а уран был «произведен» природой миллиарды лет назад, просто период его полураспада гораздо больше, чем у углерода-14… Впрочем, это сейчас мы с вами знаем о распаде и можем на данный вопрос ответить. А Беккерель ничего о распаде не знал! И никто не знал. Тогда люди просто столкнулись с необычным явлением и заинтересовались.

Так вот, среди заинтересовавшихся была и наша знакомая Мария Склодовская-Кюри – та самая женщина, которая потом назовет это явление радиоактивностью.

Мария задалась совершенно правильным вопросом: а нет ли других веществ, помимо урана, которые вот так же обладают свойством испускать невидимые, но проникающие лучи?

И прекрасным летом 1898 года она приступила к исследованиям. Вскоре выяснилось, что, кроме урана, излучает еще и торий. А однажды, изучая урановую руду определенного сорта из Чехии (она называлась смоляная обманка), Мария неожиданно обнаружила, что эта смоляная обманка излучает гораздо сильнее, чем даже чистый уран! Как такое может быть, чтобы уран с пустой породой излучал сильнее чистого урана? Значит, в этой породе есть еще какой-то неизвестный элемент, который излучает сильнее, чем уран, только так можно объяснить этот феномен!

Догадка оказалась верной, в смоляной обманке (смешное все-таки название и очень верное!) обнаружилось целых два доселе неизвестных науке металла. Мария, как первооткрыватель, дала им названия. Первый найденный металл она назвала в честь своей родины Польши – полонием, а второй – радием.

Для того, чтобы выделить эти металлы из горной породы в чистом виде, муж Марии Пьер отложил свои исследования и начал помогать жене. Ими была проведена тяжелая, огромная, очень грязная и довольно опасная для здоровья работа.

Для того, чтобы вы поняли объем этой работы, нужно отметить, что содержание полезного вещества (радия) в руде составляло всего одну миллионную часть. То есть на миллион атомов пустой породы приходился только один атом радия.

Чтобы выделить одну десятую долю грамма радия (причем даже не чистого радия, а хлорной соли радия), супругам пришлось на протяжении нескольких лет в дырявом продуваемом сарае перерабатывать в огромных чанах тонны и тонны руды, обрабатывая ее вредной серной кислотой. Работа отнимала все время, с деньгами было очень туго, а тут еще маленький ребенок… Но ребята справились! И через четыре года искомое вещество – соль радия – было в наличии.

Оно было прекрасно! Если соли урана светились тусклым зеленым светом, то соль радия не только светилась прекрасным голубоватым светом, но и испускала тепло! Как видите, радий был весьма активен!

Все газеты того времени писали об этом удивительном радии. А русский поэт Маяковский, иллюстрируя, как трудно ищутся нужные слова для рифм, сравнил написание стихов с трудами Марии Кюри:

«Поэзия – та же добыча радия.В грамм добыча, в годы труды.Изводишь единого слова радиТысячи тонн словесной руды».

Да, радий произвел большое впечатление на человечество. Великий ученый Альберт Эйнштейн даже сравнил обнаружение радиоактивности с покорением огня, настолько большое значение он придавал этому открытию.

По результатам своей тяжкой работы Мария написала и с блеском защитила докторскую диссертацию, которая, по мнению научного комитета, была признана величайшей из всех ранее существовавших докторских работ. Вскоре за эту работу ей и ее мужу была вручена высшая научная награда – Нобелевская премия.

Мария считала себя самым счастливым человеком. Она говорила, что «обрела в браке все, о чем только могла мечтать и даже больше того».

Уже позже выяснилось, что это «больше» было смертью.

Радиоактивность – очень опасная вещь. Ее воздействие на организм совершенно никак не ощущается, но она убивает человека, разрушая его организм своим проникающим излучением. Это называется лучевая болезнь. Страшная штука… Но тогда об этом ничего еще не знали, поэтому исследователи брали радиоактивные препараты голыми руками, носили их в кармане, а Мария таскала на груди кулон с радиоактивным радием. Он был все время теплым и так красиво светился в темноте… В результате у Марии Кюри все руки были в незаживающих язвочках, а сама она в конце концов умерла от рака крови, вызванного лучевой болезнью. И не только она! Умерла от лучевой болезни вся ее семья – и дочь, и муж ее дочери, поскольку они жили вместе с Марией. Не умер от лучевой болезни только муж Марии – Пьер, да и то лишь потому, что в 1906 году погиб в дорожно-транспортном происшествии. Только попал он не под машину, которых в Париже тогда еще практически не было, а под конный экипаж.

Мария тяжело переживала смерть мужа и соратника по борьбе с загадками природы. Только наука и дальнейшие исследования поддерживали ее в горе. Она стала первой женщиной, которая читала лекции во французском университете и возглавляла там кафедру, при этом продолжая работу в лаборатории. Ей хотелось выделить из соли чистый металлический радий. И уже после смерти мужа, в 1910 году – через 12 лет после начала исследований – это удалось, наконец, сделать. И за это в следующем году ей была вручена вторая Нобелевская премия.

12 лет работы с радиоактивными материалами… За эти годы радиоактивная пыль пропитала буквально все в лаборатории и доме Кюри. Когда через полвека к листочку из блокнота, в котором супруги Кюри вели свои записи, поднесли прибор для замера ионизирующего излучения (он называется счетчик Гейгера), счетчик тревожно застрекотал, оповещая о высоком уровне радиации. А когда этот листок положили на фотопластинку, лучи от микроскопических радиоактивных пылинок, застрявших в бумаге, эту пластинку засветили. На фото даже был виден след от пальца – то ли Марии, то ли Пьера Кюри, которые когда-то держали в руках этот радиоактивный блокнотный листок.

Физик Резерфорд выдвинул гипо́тезу (научное предположение), что радиоактивное излучение – это следствие распада атомных ядер. При распаде, по мысли Резерфорда, радий превращается в другой элемент. Как мы с вами уже знаем, эта гипотеза потом подтвердилась.

Ученые, увлеченно изучающие распад атомных ядер, выяснили, что при этом процессе образуются целых три вида излучения. Как выяснили? Да легко – они пропускали таинственные лучи между полюсами обычного магнита. К тому времени люди уже давно знали, что магнит влияет на летящие электрические заряды, отклоняя положительные заряды в одну сторону, а отрицательные в другую. И пытались таким образом определить: а не являются ли таинственные лучи просто-напросто потоком заряженных частиц? Если магнит на них повлияет, значит таинственные «лучи» – это просто поток заряженных частичек. Все гениальное просто!