После того как результаты этих опытов стали известны, изучение медицинского и биологического действия лучей радия приняло широкий характер. Через некоторое время было замечено, что лучи радия по-разному действуют на различные клетки и ткани. Те клетки, которые быстро размножаются, особенно сильно страдают от разрушительного действия лучей радия. Это выдающееся открытие сразу определило практическую ценность лучей. Радий сделался неоценимым помощником врачей в борьбе со страшным бичом человечества - раковыми заболеваниями.
Раковая опухоль состоит из чрезвычайно быстро размножающихся клеток, поэтому лучи радия действуют на неё гораздо разрушительнее, чем на нормальные здоровые ткани. Лечение радием производится следующим образом: препарат радия, помещённый в золотой футляр, располагают возможно ближе к опухоли и в течение некоторого времени производят облучение. Если болезнь не слишком запущена и если опухоль не слишком глубоко залегает в организме, лечение идёт вполне успешно и быстро.
Другое свойство лучей радия, также получившее практическое применение, было замечено сразу же после получения первых сильных его препаратов.
Оказалось, что лучи радия, так же как и солнечные лучи, способны возбуждать флюоресценцию различных флюоресцирующих веществ. Совершенно микроскопические доли радия заставляют ярко светиться в темноте экраны из сернистого цинка, платиносинеродистого бария и других аналогичных веществ.
Примешивая к сернистому цинку ничтожные доли радия, мы получаем состав, непрерывно светящийся в темноте. Этим и воспользовались, например, для производства часов со светящимся циферблатом. Во время первой мировой войны светящимся составом обмазывались ружейные прицелы, чтобы можно было целиться в темноте. Часто им покрывают стрелки и деления различных приборов, чтобы можно было и в темноте видеть их показания. Светящиеся составы применяются и сейчас во многих отраслях техники и в военном деле.
Энергия, излучаемая радием
Флюоресцирующие вещества излучают свой свет только тогда, когда они предварительно освещены солнечным светом. Если предохранить флюоресцирующие вещества от попадания на них солнечных лучей, то они перестают светиться.
Когда было установлено, что и лучи радия тоже вызывают флюоресценцию, учёные сразу же заметили, что дело здесь обстоит весьма своеобразно. Крупинка радия, примешанная, например, к сернистому цинку, заставляет его флюоресцировать непрерывно. И день, и ночь, и неделю, и месяцы, и год велось наблюдение, а сернистый цинк продолжал флюоресцировать без заметного ослабления интенсивности испускаемого им света. Получился весьма парадоксальный результат. Если флюоресценция вызывается радиоактивными лучами, то радий "излучает эти лучи без видимого ослабления интенсивности непрерывна и неопределённо долго.
Как же это может быть? Ведь, наверное, эти лучи, как и всякие другие, обладают энергией? Выходит, что радий непрерывно излучает энергию? Ответ на этот вопрос дал Пьер Кюри.
Вскоре после получения сильных препаратов радия он заметил, что вещество, содержащее радий, всегда теплее, чем окружающие предметы. Этим обстоятельством он и решил воспользоваться для измерения энергии, выделяемой радием. Он взял калориметр - прибор, обычно применяемый для измерения тепловой энергии. Калориметр имел достаточно толстые стенки, чтобы радиоактивные лучи нацело поглощались них и во льду, которым он был наполнен. Так как к тому времени экспериментальные данные о поглощении радиоактивных лучей различными телами были достаточно хорошо известны, такой калориметр можно было сравнительно легко рассчитать. О величине энергии, выделяемой радием, можно было судить по количеству растаявшего льда. Зная, сколько тепла требуется на расплавление одного грамма льда (скрытая теплота плавления) и, взвесив количество расплавившегося льда, можно установить, сколько тепла за выбранный для исследования промежуток времени выделяет взятое количество радия. Отсюда легко рассчитать, сколько энергии выделяет один грамм радия в секунду.
Из этих измерений Кюри нашёл, что один грамм радия выделяет в час 140 малых калорий. 140 малых калорий - это небольшая энергия (напомним, что малая калория - это количество тепла, способное нагреть один грамм воды на один градус Цельсия). Таким образом, энергия, выделяемая радием, так мала, что количество её, необходимое для нагревания одного стакана воды до кипения, выделится одним граммом радия только в течение шести суток.
Энергия, выделяемая радием в один час, невелика. Но ведь она выделяется непрерывно на протяжении очень большого промежутка времени. Следовательно, в общем радий выделяет большое количество энергии. Возникает естественный вопрос, откуда же радий черпает эту энергию?
Одним из основных законов физики является закон сохранения и превращения энергии. Этот закон установлен на основании наблюдений и исследований, охватывающих и обобщающих все известные в науке факты.
Согласно этому закону энергия не возникает и никогда не исчезает; возможны лишь переходы энергии из одной формы в другую.
Следует отметить здесь, что великий русский учёный М. В. Ломоносов, первый открывший существование закона сохранения вещества, ясно видел, что существуют законы сохранения и других основных природных величин и, следовательно, предвосхитил открытие закона сохранения и превращения энергии. В его «Рассуждении о твёрдости и жидкости тел» мы находим такие замечательные строки: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько часов положит кто на бдение, столько же сну отнимет. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силой другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Энергия радиоактивных веществ выделяется в виде радиоактивных лучей и притом непрерывно. Первое время никак не удавалось связать это выделение энергии с каким-либо изменением самих радиоактивных веществ. Казалось, что запас этой энергии в радиоактивных веществах безграничен.
Затруднение, возникшее в связи с излучением радия, усугублялось ещё рядом других фактов, добытых учёными.
Естественно, что когда мы
желаем изучить какое-нибудь,
явление, то прежде всего ищем, какие силы природы влияют
на это явление, что способно изменить характер его. Когда
такие силы найдены, легче наметить путь, по которому надо
идти, чтобы связать рассматриваемое явление с другими, ранее хорошо изученными.
Однако и здесь исследователей постигла неудача. Они не смогли найти никаких
средств, способных подействовать на радий. Ни самые высокие или низкие
температуры, ни самые сильные электрические и магнитные поля, ни огромные
давления, ни сильнейшие химические реактивы, одним словом, ни одно из всех
могущественных средств физической лаборатории не могло оказать влияния на
способность радия излучать энергию.
В начале нашего столетия слово радий было у многих на устах. Загадка радиоактивности волновала всех учёных, особенно физиков, и почти все они стремились найти объяснение этим, казавшимся таинственными, фактам. Путь был один - изучать свойства радиоактивных лучей и искать следы каких-либо изменений, происходящих с радием. Но как искать?
Стремясь разгадать тайну радиоактивности, учёные шли различными путями, и результаты их огромной творческой работы не замедлили сказаться.
Альфа-, бета- и гамма-лучи
Мы уже упоминали о многочисленных попытках повлиять на способность радия излучать радиоактивные лучи. Эти попытки не привели ни к какому результату. Однако, пытаясь воздействовать на радий магнитным полем, Пьер и Мария Кюри обнаружили, что хотя лучеиспускающая способность радия при помещении его в магнитное поле не меняется (интенсивность излучения остаётся неизменной), сами радиоактивные лучи претерпевают сильное изменение при прохождении через магнитное поле. Однородный до вступления в магнитное поле луч разделяется полем на два луча. Один из этих лучей распространяется так, как если бы магнитное поле на него совершенно не действовало; другой луч под влиянием поля резко изменяет направление своего движения.
Ко времени опытов Беккереля физикам уже были известны лучи, способные отклоняться в магнитном поле. Это были лучи, образованные потоком электрически заряженных частиц, движущихся в одном направлении. Из направления отклонения можно определить знак заряда, т. е. установить, является ли заряд частицы положительным или отрицательным. Более подробные сведения могли быть получены при наблюдении движения этих частиц в магнитном и электрическом полях. Как мы увидим далее, в этом случае возможно определить не только заряд, но и его отношение к массе движущейся частицы. Из опытов Кюри вытекало, что движущиеся заряды отрицательны, а измеренное отношение заряда к массе оказалось равным 5,3-1017 электростатических единиц на грамм. Таким же отношением заряда к массе обладают электроны, имеющие отрицательный электрический заряд. Из этого сопоставления можно было заключить, что по крайней мере часть лучей, испускаемых радием, представляет собой поток движущихся электронов.
Была измерена величина скорости электронов, испускаемых радием. Она оказалась весьма большой. Некоторые из электронов имели скорость, близкую к скорости света, т. е. около 3.00 000 км в секунду.
Эти исследования немного приоткрыли таинственное покрывало, окутывающее радиоактивные лучи, - оказалось, что часть их представляет собой поток движущихся электронов. Но что же представляет собой другая часть лучей, которая не отклоняется магнитным полем?
За её исследование взялся Резерфорд. Он заметил, что неотклоняемая в магнитном поле часть радиоактивных лучей обладает такими же странными особенностями в поглощении, как и весь пучок. Хорошо было известно и раньше, что при прохождении радиоактивных лучей через вещество различной толщины они поглощаются сначала очень сильно, а затем медленно, так что, в общем, они могут проходить через значительные толщи вещества. Поэтому можно было думать, что радиоактивные лучи неоднородны и представляют собой «смесь» различных лучей, одни из которых поглощаются сильно, а другие слабо. Такая мысль до опытов Пьера и Марии Кюри никем не высказывалась. Однако, когда опыты Кюри подтвердили сложность состава радиоактивного излучения, естественно было предположить, что сильно поглощаемая часть излучения является потоком электронов, а другая часть этих лучей, которая, подобно лучам Рентгена, не отклоняется магнитом, так же как и лучи Рентгена, сравнительно слабо поглощается веществом. Опыт, однако, показал, что эта часть радиоактивных лучей ведёт себя в отношении поглощения так же, как и весь пучок. Уже очень тонкие слои вещества резко ослабляют её интенсивность, а затем даже сравнительно толстые слои вещества поглощают остающиеся лучи незначительно.
Это различие и побудило Резерфорда к дальнейшим исследованиям.
А что, если и та часть лучей радия, которую Пьер и Мария Кюри не смогли отклонить магнитным полем, тоже неоднородна? Что, если они пользовались слабым магнитным полем? Может быть, сильное магнитное поле окажет иное действие? И Резерфорд повторяет их опыты, но при этом он создаёт магнитное поле, гораздо более сильное, чем в их опытах.
Результат опытов Резерфорда оказался поразительным. Пучок лучей, который в опытах Кюри не отклонялся магнитным полем, в магнитном поле Резерфорда в свою очередь расщепился на две части. Одна из них по-прежнему не отклонялась магнитным полем, а другая часть под действием сильного магнитного поля слегка отклонялась от своего первоначального направления. Весьма интересным оказалось то, что эти лучи отклонялись в сторону, противоположную отклонению электронов. Следовательно, и эта часть радиоактивных лучей представляет собой поток заряженных частиц (ибо на движение незаряженных частиц магнитное поле не действует) и притом заряженных положительно. Опыт показал, что новые составляющие радиоактивных лучей в отношении поглощения вели себя вполне определённым образом.
|
Рис. 1. Схема опыта по разделению радиоактивных лучей магнитным полем. 1—радиоактивное вещество; 2 — свинцовая коробочка с тонким каналом, в котором помещается радиоактивное вещество; 3 — лучи, не отклонённые магнитным полем (гамма-лучи); 4 — лучи, слабо отклоняемые магнитным полем (альфа-лучи); 5 — лучи, сильно отклоняемые магнитным полем (бета-лучи); 6—область, в которой создано магнитное поле. |
Та часть радиоактивного излучения, которая совершенно не отклонялась магнитным полем, поглощалась очень незначительно. Та же часть радиоактивного излучения, которую
Резерфорду впервые удалось отклонить, поглощалась чрезвычайно сильно.
Создавалось впечатление, что лучи, наблюдавшиеся вначале Беккерелем, представляют собой смесь трёх типов лучей.
На рис. 1 приведено схематическое изображение разделения радиоактивных лучей магнитным полем.
Радиоактивные лучи состоят из лучей трёх различных типов. Каждый из них получил своё особое название и обозначение. Их обозначили и назвали тремя первыми буквами греческого алфавита: альфа (), бета () и гамма (). Альфа-лучами назвали те лучи, которые магнитным полем отклоняются слабо и представляют собой поток положительно заряженных частиц. Бета-лучами стали называть те лучи, которые сравнительно сильно отклоняются магнитным полем и представляют собой поток электронов. Гамма-лучами стали называть лучи, которые совсем не отклоняются магнитным полем. Следует отметить, что альфа-лучи отклоняются в магнитном поле в виде узкого пучка, в то время как бета-лучи отклоняются магнитным полем в виде широкого размытого пучка. Это обстоятельство говорит о том, что альфа-лучи, вылетающие из радия, имеют одинаковую энергию, а бета-лучи представляют собой поток электронов различной энергии.
Разделение радиоактивных лучей на альфа-, бета- и гамма-лучи позволило исследовать их свойства отдельно. Вот некоторые результаты этих исследований.
Альфа-лучи поглощаются наиболее сильно. Тонкий листочек слюды или алюминия толщиной всего лишь в 0,05 мм поглощает альфа-лучи почти полностью. Достаточно завернуть радий в обыкновенную писчую бумагу, чтобы поглотить все альфа-лучи. Альфа-лучи сильно поглощаются воздухом. Слой воздуха толщиной всего лишь в 7 см поглощает альфа-лучи радия почти нацело.
Бета-лучи поглощаются веществом значительно слабее. Они в состоянии ещё в заметном количестве пройти через пластинку алюминия толщиной в несколько миллиметров.
Гамма-лучи поглощаются во много раз слабее бета-лучей. Они проходят через пластинку алюминия толщиной в несколько десятков сантиметров. Пластинка свинца толщиной в 1,3 см ослабляет интенсивность гамма-лучей всего лишь в два раза.
Помимо различия в степени поглощения, между альфа-, бета- и гамма-лучами существует большое различие в характере поглощения. Наиболее отчётливо оно проявляется в изменении интенсивности этих лучей при постепенном возрастании толщины поглощающего вещества.
Бета- и гамма-лучи поглощаются постепенно. Уже самые небольшие слои вещества в некоторой мере поглощают эти лучи. Число электронов и интенсивность гамма-лучей постепенно падают с увеличением толщины фильтрующего слоя.
Альфа-лучи ведут себя совершенно иначе. При прохождении через малые слои вещества число альфа-частиц не изменяется. Уменьшается только энергия этих частиц. С возрастанием толщины поглощающего слоя энергия частиц продолжает уменьшаться, но число их сохраняется. Так будет происходить до тех пор, пока толщина поглощающего слоя не достигнет некоторой определённой величины. Фильтр такой толщины задержит сразу все альфа-частицы.
Таким образом, каждая альфа-частица проходит в данном веществе вполне определённый путь. Этот путь принято называть пробегом альфа-частицы. Пробег альфа-частицы зависит от её энергии и от природы вещества, в котором она движется. Установив связь между пробегом и энергией альфа-частиц, можно в дальнейшем по величине пробега определять энергию альфа-частиц. Таким методом измерения энергии альфа-частиц широко пользуются на практике.
Сильное поглощение альфа-частиц может быть использовано для изучения их свойств.
Если взять радиоактивное вещество в виде шарика, то альфа-лучи, выходящие из всего объёма этого шарика, поглощаются в самом шарике. Лишь очень тонкий поверхностный слой этого вещества испускает альфа-лучи, способные выйти наружу. Поэтому вне такого шарика должны наблюдаться главным образом бета- и гамма-лучи. Если же радиоактивное вещество распределить очень тонким слоем, то будут действовать почти- в одинаковом количестве все три рода лучей.
Сравнением действия радиоактивных лучей от толстого радиоактивного источника с действием радиоактивного препарата, распределённого в виде очень тонкого слоя, было установлено, что именно альфа-лучи ответственны за то, что радиоактивные лучи вызывают флюоресценцию и делают воздух проводником электричества.
Хорошо известно, что воздух делается проводником электричества в том случае, если в нём образуются заряженные атомы - ионы. Альфа-лучи ионизуют воздух примерно в сто раз сильнее, чем бета- и гамма-лучи от того же радиоактивного источника. Но на образование ионов - на ионизацию воздуха требуется энергия. Было установлено, что на образование одной пары ионов в воздухе требуется вполне определённая энергия, равная 33 электрон-вольтам[1]. Так как альфа-частицы образуют много ионов, то при своём движении в воздухе они тратят большое количество энергии. Этим и объясняется описанное ранее свойство альфа-лучей сильно поглощаться различными веществами. Впоследствии мы расскажем, как было измерено число пар ионов, создаваемых одной альфа-частицей. Сейчас мы ограничимся только указанием этой цифры. Оказалось, что одна альфа-частица создаёт в воз духе около 200000 пар ионов. Это позволяет нам оценить энергию одной альфа-частицы. Энергия альфа-частицы оказалась приблизительно равной 6000000 электрон-вольт.
[1] В ядерной физике очень употребительна единица энергии, которую принято называть электрон-вольтом. Один электрон-вольт - это энергия, которую приобретает электрон, проходящий в электрическом поле разность потенциалов в 1 вольт. Один электрон-вольт - очень малая единица энергии, равная всего лишь 1,6-10-1Э джоуля
Страницы: 1, 2
