Открытие радиоактивности.

В 1880 г. Анри Беккерель проводил опыты по изучению люминесценции кристаллов двойного сульфата уранила, возникающей при облучении их ультрафиолетовым светом. Люминесценция представляет собой свойство некоторых веществ излучать видимый свет под действием какого-либо внешнего источника энергии. Физики, работавшие с катодными трубками, в стеклянных стенках трубок наблюдали люминесценцию, возникающую при бомбардировке стекла электронами. Немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, изучая это явление, обнаружил, что катодная трубка, обернутая черным картоном, вызывает люминесценцию в платиноцианиде бария, нанесенном на лист бумаги. При включенной катодной трубке лист с платиноцианидом продолжал люминесцировать и тогда, когда Рентген перенес его в соседнюю комнату! Очевидно, катодная трубка испускала та- таинственные лучи, которые могли проникать через черную бумагу. Сообщение об открытии Рентгена, появившееся в декабре 1895 г., вызвало большой интерес его коллег, и ученые стали искать связь между Х-лучами Рентгена и люминесценцией. Открытие Рентгена побудило А. Беккереля возобновить его работы с солями урана. Чтобы выяснить, не являются ли соединения урана

источником Х-лучей (рентгеновских лучей), Беккерель завернул фотопластинку в черную бумагу, поместил на нее несколько кристаллов уранилсульфата и подверг завернутую фотопластинку с кристаллами воздействию солнечного света. Действительно, кристаллы уранилсульфата испускали невидимые лучи, которые проникали сквозь черную бумагу и засвечивали фотопластинку. В конечном счете Беккерель определил, что соли урана, и даже урансодержащие минералы, испускают лучи постоянно, даже не будучи подвергнуты воздействию солнечного света. Это открытие, которое Беккерель представил Академии наук в Париже в 1896 г. [2], имело далеко идущие последствия и привело в течение последующих десятилетий к развитию атомной и ядерной физики и радиохимии.

После того как Беккерель сообщил о своих открытиях, связанных с исследованием солей урана, М. Кюри решила посвятить свою докторскую диссертацию систематическому исследованию, которое позволило бы определить, испускают ли другие элементы и их соединения подобные лучи. Ее труд был вознагражден: Мария Кюри обнаружила, что торий также испускает проникающие лучи [7]. Обратившись к изучению природных урановых и ториевых минералов, Мария Кюри определила, что они значительно более активны, чем чистые соли урана и тория. Это важное наблюдение подсказало ей, что природные урановые руды, например уранинит, должны содержать более сильный источник излучения, чем уран. В конце концов исследования привели к открытию двух новых активных элементов, которые были названы полонием и радием. На том основании, что радий имеет свойство испускать лучи, Мария Кюри предложила новый термин «радиоактивность». Ионизирующее излучение, испускаемое радием, который открыли супруги Кюри в 1898 г., заинтересовало Эрнеста Резерфорда. Э. Резерфорд работал тогда вместе с Дж. Дж. Томсоном в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Он изучал процесс ионизации газов рентгеновскими лучами, а затем занялся исследованием природы излучения радия. В конце 1898 г. Резерфорд переехал в Монреаль, в Университет Мак-Гилла, где он получил должность профессора физики. Год спустя Резерфорд опубликовал сообщение о том, что излучение, испускаемое радиоактивными веществами, состоит из трех компонентов, которые он назвал альфа, бета и гамма. Альфа-компонент, как было впоследствии показано, является ядрами гелия, а бета-компонент - электронами. Оказалось, что только гамма-компонент представляет собой электромагнитное излучение, подобное Х-лучам, открытым Рентгеном.

В 1900 г. в Университет Мак-Гилла поступил на должность ассистента профессора химии Фредерик Содди. В течение двух лет, которые он провел в Монреале, Содди работал с Резерфордом, изучая радиоактивность соединений тория. Эти исследования позволили Содди и Резерфорду сформулировать теорию радиоактивного распада и накопления. Они установили, что атомы радиоактивных элементов самопроизвольно распадаются, образуя атомы других элементов, что распад сопровождается эмиссией а- и Р-частиц и что интенсивность излучения пропорциональна числу радиоактивных атомов. Следовательно, скорость распада выражается формулой: dN/dt = -λN

где λ - постоянная распада, представляющая собой вероятность того, что атом распадется за единичный промежуток времени, N-число радиоактивных атомов.

Были составлены цепочки радиоактивного распада урана и тория и перед исследователями встала запутанная проблема. Обнаружилось, например, что существует несколько типов тория, которые распадаются с различной скоростью. Более того, тщательные определения американского химика Т. В. Ричардза показали, что атомные массы элементов не целочисленны, как предположил в 1815 г. В. Праут. Еще большее недоумение вызвало сообщение Ричардза о том, что свинец, образующийся при распаде урана, имеет атомную массу, отличающуюся от атомной массы обычного свинца [17]. Эти проблемы были разрешены с помощью смелой гипотезы, предложенной Содди. Гипотеза заключалась в том, что место, занимаемое отдельным элементом в периодической таблице, может служить «пристанищем» более чем одному типу атомов. Содди назвал эти атомы изотопами, что по-гречески означает «то же место». Действительно, В. Крукс в 1886 г. попытался объяснить несостоятельность гипотезы Праута, предположив, что атомы одного элемента могут иметь различные целочисленные значения массы и что атомная масса элемента представляет собой среднюю массу смеси различных атомов. Эти идеи получили прямое экспериментальное подтверждение, когда в 1913 г. Дж.Дж. Томсон обнаружил, что неон состоит из двух типов атомов с атомными массами около 20 и 22. Эти наблюдения были сделаны «прибором с положительными лучами», описанном Томсоном [19].