Космические сыщики Горькавый Николай
– Это понятно даже ребёнку! – заявила девочка.
– А сильный ток может делать сотни вещей, в том числе заставить мембрану динамика колебаться – вот усовершенствованный приёмник и зазвучал!
– В радиотехники, что ли, пойти, раз там всё так просто… – пробормотала Галатея.
– А кто сделал первый приёмник? – спросил Андрей.
Джерри откинулся на стуле и начал обо всём рассказывать по порядку:
– Великий шотландец Максвелл в 1865 году доказал с помощью математических уравнений, что должны существовать электромагнитные волны, вызываемые ускорением зарядов. Эти волны могут распространяться даже в пустоте и невидимы, но описываются теми же уравнениями, что и свет, являющийся колебанием электромагнитного поля более высокой частоты, а значит, электромагнитной волной с короткой длиной волны.
В 1879 году знаменитый физик Гельмгольц предложил своему ученику – двадцатидвухлетнему студенту Генриху Герцу – выбрать темой диссертации экспериментальное подтверждение теории Максвелла о существовании длинных электромагнитных волн, которые распространяются со скоростью света. После долгих раздумий Герц отказался от этой темы, выбрав задачу, которую он знал как решать.
– Как подтвердить теорию Максвелла, он не знал? – спросил Андрей.
– Да, Герц не понимал, какой прибор нужно сделать, чтобы поймать невидимые электромагнитные волны большой длины. Он полагал, что прибор будет сложным, это его пугало, и в итоге Герц защитил диссертацию по более понятной теме.
Прошло семь лет, Герц стал профессором в университете Карлсруэ. Однако настоящий учёный никогда не расстаётся с нерешённой проблемой. Как-то Герц заметил, что искры, вызываемые в контуре с источником энергии, неожиданно порождают слабые искры в соседнем контуре, который не связан с первым и не имеет источников энергии.
– Как этот приёмник из проволочного кольца? – указал Андрей на рамку.
– Да. Это наблюдение дало Герцу ключевую идею нового прибора, который мог доказать существование электромагнитных волн.
– Значит, его открытие было случайным? – протянула Галатея.
– Нет. Герц всегда помнил о проблеме, поставленной Гельмгольцем, и всегда, может и неосознанно, искал её решение. Возникновение искр во втором контуре было свидетельством электромагнитной связи между двумя контурами, но эту связь мог заметить лишь тот, кто её искал.
Герц создал простой генератор низкочастотных электромагнитных колебаний, излучавший электромагнитные волны с длиной волны в десятки сантиметров, и исключительно простой приёмник этих волн, который принимал сигнал на расстоянии трёх метров.
– Да уж, проще не бывает, – сказала Галатея, разглядывая проволочную рамку.
– С помощью этих простейших устройств Герц сделал целую серию фундаментальных открытий. Он измерил скорость распространения новой электромагнитной волны, которую впоследствии стали называть радиоволной, – она оказалась равной скорости света. Учёный показал, что радиоволна может отражаться металлическим отражателем, как свет – зеркалом. Пытаясь улучшить видимость слабой искры в приёмнике, Герц поместил его в тёмную коробку и обнаружил, что искра от этого ещё больше слабеет. Он поэкспериментировал с разными коробками и узнал, что некоторые материалы не пропускают новые волны, другие пропускают, но ослабленными, третьи – отражают. Тем самым Герц заложил основы радиолокации. Его передатчик использовал конденсаторы, и в процессе опытов Герц открыл, что облучение ультрафиолетовым светом способствует разрядке конденсаторов. Тем самым Герц открыл фотоэффект, который позднее был объяснён Эйнштейном, получившим за это Нобелевскую премию.
– И всё это было сделано с помощью вот такой рамки?! – восхитилась Галатея.
– Герц умер от болезни в 36 лет, но оставил ярчайший след в науке и технологии. Из его простого прибора выросли радио и телевидение, авиационные радары и мобильные телефоны, радиотелескопы и межпланетная связь.
Интересно, что сам Герц скептически относился к возможностям практического применения своих открытий – считал, что его открытия интересны лишь для развития теоретической науки, как и теория Максвелла: «Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть». Когда Герца спросили: «И что же дальше?» – он пожал плечами и ответил: «Я предполагаю – ничего». На самом деле учёный совершил одно из важнейших открытий в истории человечества, которое вскоре изменило многие области технологии и науки, в том числе астрономию, где возникло новое направление – радиоастрономия.
Фраунгофер показал, что всем знакомый и хорошо видимый солнечный свет несёт информацию о химическом составе звёзд. Герц доказал существование гораздо более длинных электромагнитных волн – радиоволн и повёл наступление на загадки космоса с другой стороны, расширив электромагнитный спектр с видимого диапазона длин волн до более длинноволновой части спектра – радиодиапазона. Радиоволны тоже могут много рассказать о жизни звёзд и туманностей.
В конце короткой жизни Герц вместе со своим студентом Ленардом занялся катодными лучами.
– Это что за лучи? – поинтересовалась Галатея.
– В XIX веке учёные, исследовавшие прохождение электрического тока через воздух, столкнулись с загадкой: если включить в электрическую цепь стеклянную трубку или колбу с двумя электродами – отрицательно заряженным катодом и положительным анодом, – ток по цепи продолжает идти. Правда, для этого нужно откачать воздух из баллона, что требовало от исследователя немалой физической силы.
– Физической силы? – удивилась Галатея.
– В те времена, чтобы получить хороший вакуум, требовалось много раз поднять и опустить сосуд с несколькими килограммами ртути – так был устроен тогдашний вакуумный насос.
Во время эксперимента с вакуумной разрядной трубкой наблюдалось таинственное свечение её стеклянных стенок. Свободный исследователь, англичанин Крукс, провёл в своей частной лаборатории ряд замечательных опытов, которые показали: с катода вылетают потоки таинственной отрицательно заряженной материи, которые стали называть «катодными лучами».
– А как он понял, что материя катодных лучей заряжена отрицательно? – спросил Андрей.
– Он поднёс к трубке магнит, и катодные лучи искривились в том направлении, в каком должны были отклониться отрицательные частицы. Крукс поместил в трубку легкую вертушку, и она завертелась, показав, что катодные лучи обладают механическим действием. Потом разместил в потоке этих лучей металлический крест и увидел, как на флуоресцирующей стенке колбы появилось его изображение. Точнее говоря, тень, потому что металл поглотил катодные лучи.
– Что же это были за лучи? – взмолилась Галатея. – Открой тайну, дядя Джерри!
– Хорошо, не буду вас больше интриговать: катодные лучи были потоком электронов, которые вырывались с поверхности катода и летели к аноду под воздействием электрического поля. Фактически Крукс заложил основы современного телевидения, показав, что потоком электронов, вызывающих свечение экрана, можно рисовать разные картины, управляя движением электронов с помощью магнитного поля. Но тогда учёные ещё не открыли такую частицу, как электрон. Это позднее, в 1897 году, сделал Джозеф Джон Томсон – с помощью усовершенствованной трубки Крукса.
А пока на дворе был 1892 год, и в команду исследователей катодных лучей включились Герц с Ленардом. Герцу удалось показать, что катодные лучи могут проникать сквозь тонкую алюминиевую фольгу. Ленард создал трубку, в которой часть стекла была заменена на алюминиевую пластинку, скорее алюминиевую фольгу толщиной в пять микрон или пять тысячных миллиметра. Из трубки с алюминиевым окошком катодные лучи могли выходить наружу, что было очень полезно в ряде исследований. Ленард заметил, что катодные лучи засвечивают фотопластинки, даже закрытые картоном. В 1894 году в берлинских «Анналах физики и химии» он написал: «Катодные лучи являются фотоактивными.
При достаточно долгой экспозиции можно вполне наблюдать их действие на фотографическую пластинку. На пластинке, помещённой под листом картона, видны чётко очерченные зоны почернения. Над картоном помещались различные металлические пластины, которые в зависимости от степени их проницаемости для катодных лучей казались на фотопластинке более или менее тёмными. Только там, где металлическая пластина имела достаточную толщину, фотопластинка оказывалась незасвеченной. Таким образом, установлено, что катодные лучи проходят сквозь картон и металл».
Ленард ошибался.
– Как можно ошибаться в эксперименте? Это же факт! – удивился Андрей.
Джерри пояснил:
– Ленард неправильно интерпретировал свои бесспорно верные наблюдения, тем самым лишив их истинной ценности. На самом деле, сталкиваясь с веществом разрядной трубки, поток электронов порождал другое излучение – очень короткие, гораздо более короткие, чем свет, электромагнитные волны, в будущем ставшие не менее ценным источником информации о Вселенной. Именно эти лучи засвечивали фотопластинки Ленарда, но он этого не понял, и невидимые лучи получили название «рентгеновских», по имени человека, который год спустя правильно расшифровал их природу.
– А вы расскажете про этого человека? – с просительной интонацией сказала Галатея. – Вы же остаётесь у нас до завтра?
– Договорились. Расскажу! – улыбнулся гость.
Генрих Герц (1857–1894) – великий немецкий физик, первооткрыватель радиоволн.
Катод – электрод, подсоединённый к отрицательному полюсу батареи.
Анод – электрод, подсоединённый к положительному полюсу батареи.
Герман Гельмгольц (1821–1894) – выдающийся немецкий физик и врач. Сформулировал закон сохранения энергии, открыл неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, развивающуюся на границе двух взаимно движущихся сред (типичный пример: волны, растущие на границе воды и воздуха под воздействием ветра).
Фотоэффект – эффект выбивания электронов с поверхности вещества при облучении его светом или любым другим электромагнитным излучением.
Альберт Эйнштейн (1879–1955) – великий физик-теоретик, создатель специальной и общей теории относительности. Объяснил явление фотоэффекта и получил за это Нобелевскую премию (1921).
Уильям Крукс (1832–1919) – видный физик-исследователь, создатель разрядных трубок Крукса. Был президентом Королевского общества.
Филипп Ленард (1862–1947) – немецкий физик, исследовал катодные лучи в разрядных трубках. Лауреат Нобелевской премии по физике (1905).
Джозеф Джон Томсон (1856–1940) – видный английский физик, открыл электрон и создал первую модель атома. Лауреат Нобелевской премии по физике (1906).
Сказка о Рентгене, невидимых лучах и видимых костях
На следующий вечер Галатея, едва дождавшись окончания ужина, сразу вцепилась в Джерри крепкой хваткой:
– Как же были открыты рентгеновские лучи? Меня недавно ими просвечивали!
Гость усмехнулся:
– Безусловно, каждый землянин знаком с рентгеновскими лучами. Они используются для диагностики многих заболеваний и спасли миллионы жизней. Эти лучи открыл очень скромный и честный человек – Вильгельм Конрад Рентген, который родился в Германии, в семье купца в 1845 году. Мать мальчика была родом из Амстердама, и когда Вильгельму исполнилось три года, семья переехала в Голландию. Мальчик любил бродить по лесам и мастерить мелкие механизмы. В 16 лет он поступил в Утрехтскую техническую школу, из которой его отчислили через два года – как раз за честность.
– Разве за это отчисляют? – удивилась Галатея.
– Кто-то нарисовал на преподавателя карикатуру. Этот учитель зашёл в класс, когда Вильгельм рассматривал рисунок. Преподаватель потребовал выдать автора, но Вильгельм отказался назвать имя – за это его и отчислили.
– Действительно пострадал из-за честности! – хмыкнула девочка.
– Из-за этого Вильгельм не мог, как остальные школьники, получить аттестат о среднем образовании и поступить в университет. В течение двух лет он учился самостоятельно, ему разрешили сдать экзамен экстерном. Однако невезение продолжилось: экзамен принимал тот самый обиженный учитель и он провалил Вильгельма, несмотря на его глубокие и обширные знания. В итоге юноша навсегда остался без аттестата зрелости и без права поступить в университет.
– Это несправедливо! – возмутилась Галатея.
– Став взрослым, Вильгельм Рентген написал:
«Школьные экзамены чаще всего не дают основания для оценки способности к определённому предмету: они – к сожалению – необходимое зло. Вообще экзамены! Они необходимы, чтобы уберечь некоторых людей от пожизненной профессии, для которой они были бы слишком ленивы или неумелы, да и то не всегда. В остальном экзамены являются мукой для обоих участников, которая позже часто вызывает страшные сны! Настоящую проверку способности к определённой профессии даёт только дальнейшая жизнь».
– Неужели Вильгельм так и не попал в университет? – спросил Андрей.
– Рентген год посещал лекции в университете Утрехта, не имея права сдавать экзамены. В это время он узнал, что без аттестата зрелости можно поступить в швейцарский Федеральный технологический университет города Цюриха. Для этого требовалось сдать строгий вступительный экзамен, что для Рентгена проблемой не являлось. Но от вступительных экзаменов юношу освободили – благодаря отличным отметкам в школьном табеле, посещению лекций в Утрехте и ввиду зрелого возраста.
Вильгельм получил университетское образование в Швейцарии и стал работать ассистентом профессора Кундта на кафедре физики в Цюрихе. У него была успешная научная карьера…
– Успешнее, чем у того мстительного учителя! – мстительно сказала Галатея.
– Вильгельм Рентген прославился как один из лучших экспериментаторов своего времени. Он преподавал в качестве профессора в Страсбургском, Гиссенском, Вюрцбургском и Мюнхенском университетах.
В 1894 году Рентген, работавший тогда в Вюрцбурге, заинтересовался опытами Ленарда и решил их повторить. Он написал два письма: Ленарду – с просьбой подсказать, где взять тонкую алюминиевую фольгу для встраивания в стенку газоразрядной трубки, и известному стеклодуву Мюллеру-Ункелю в город Брауншвейг – с заказом газоразрядного аппарата. Вскоре Рентген получил от Ленарда два кусочка алюминиевой фольги в подарок, а от стеклодува – новую «катодно-лучевую трубку по Ленарду».
Вильгельм сразу повторил опыты Ленарда и восхитился их красотой. Летом 1894 года его избрали ректором университета города Вюрцбурга, поэтому больше года у него не было времени заниматься научными экспериментами. В своей вступительной речи новый ректор процитировал своего предшественника – П. А. Кирхера, который занимал пост ректора Вюрцбургского университета в XVII веке: «Природа часто проявляет удивительные чудеса даже в самых обычных вещах, однако их замечают только те люди, которые с проницательностью и способной к исследованиям сообразительностью наводят справки у опыта – наставника всех дел».
Только осенью 1895 года Рентген смог вернуться к экспериментам с катодными лучами, где он стал использовать вакуумные трубки по Гитторфу и Круксу.
Ленард нашёл, что фотопластинки возле разрядной трубки засвечены. Внимательный исследователь, Рентген заметил, что катодные лучи в этом не виноваты: фотопластинки засвечивались, даже если бралась классическая стеклянная трубка без алюминиевого окошечка Ленарда, то есть катодные лучи не могли выходить за пределы трубки. Очевидно, речь шла о новом явлении.
Рентген был очень трудолюбив. Занимая пост ректора и являясь уже немолодым пятидесятилетним человеком, он оставался работать по вечерам, когда все лаборанты уходили домой. Поздним вечером пятницы 8 ноября 1895 года, работая в одиночестве, Рентген включил разрядную трубку Гитторфа, обернутую чёрным картоном, и вдруг заметил, что кристаллы платиноцианистого бария, лежавшие неподалёку, засветились зеленоватым светом. Стоило выключить трубку, гасли и кристаллы. Рентген снова включил трубку – и увидел тот же свет. Это был звёздный час учёного! Рентген понял, что натолкнулся на что-то необычное и важное. Он сказал своему близкому другу, биологу Бовери: «Я обнаружил что-то интересное, но не знаю, верны ли мои наблюдения».
Рентген заперся в лаборатории, попросив установить там кровать и приносить ему еду. Семь недель он всесторонне исследовал обнаруженное явление. Огромным плюсом являлось то, что для анализа таинственных лучей не требовалось проявлять фотопластинки: свечение кристаллов платиноцианистого бария служило надёжным и быстрым индикатором невидимого излучения.
Рентген разместил рядом с трубкой бумажный экран, с одной стороны смоченный раствором платиноцианистого бария. При каждом разряде трубки на экране наблюдалось флуоресцирующее свечение, причем независимо от того, какой стороной к трубке повернут экран – смоченной или нет.
– То есть лучи Рентгена проходили и сквозь чёрный картон, и сквозь бумажный экран? – спросила Галатея.
– Да. И если на их пути встречалось какое-то тело, то оно задерживало часть лучей. Прозрачность по отношению к новому излучению зависела от материала тела. Тогда Рентген поместил между трубкой и экраном свою руку. Результат он описал в научной статье: «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, то видны тёмные тени костей на фоне более светлых очертаний руки». Это и было первое рентгеноскопическое исследование.
– Но Ленард делал практически то же самое, но брал не экран, а фотопластинку!
– Разница между опытами Ленарда и Рентгена заключалась в том, что Ленард не понимал происходящее и приписывал засвечивание фотопластинок катодным лучам, состоящим, как мы сегодня знаем, из электронов.
А электроны легко задерживаются самыми незначительными препятствиями. Рентген сразу понял, что имеет дело с новым типом хорошо проникающих лучей, которые он назвал Х-лучами, а мы называем рентгеновскими. Это электромагнитное излучение, только гораздо более короткое по длине волны, чем видимый свет.
Рентген попробовал воздействовать на поток Х-лучей магнитом, но они на него не среагировали, показав принципиальное отличие от катодных лучей. Х-лучи возникают в точке, где катодные лучи соударяются со стеклом разрядной трубки. Можно было варьировать конструкции трубок, заменить стекло на алюминий – Х-лучи продолжали возникать.
Андрей задумался, потом сказал:
– Ленард не провёл контрольный эксперимент. Если он полагал, что фотопластинку засвечивают катодные лучи, вырывающиеся из разрядной трубки через алюминиевое окошко, то он должен был повторить опыт с обычной стеклянной трубкой – из которой катодные лучи не выходят – и убедиться, что эффект исчез. Если бы Ленард провёл такой эксперимент, то обнаружил бы, что эффект засветки пластинок сохраняется, а значит, за него отвечает новое излучение, хорошо проникающее через разные материалы.
Джерри одобрительно кивнул:
– Верно. У тебя мышление учёного.
– Упустил Ленард свой звёздный час! – сказала Галатея. – Если бы не упустил, вместо рентгеноскопии в медицине использовалась бы ленардоскопия.
– За рождественские праздники Рентген написал своё историческое «О новом виде излучения (предварительное сообщение)» и 28 декабря передал его секретарю Физико-медицинского общества города Вюрцбурга. Несмотря на то что в рождественские праздники заседания общества не проводились, статью включили в «Отчёты заседаний», и через несколько дней она вышла в свет в печатном виде.
Уже 5 января 1896 года сенсационная новость об открытии Рентгена появилась в австрийских газетах и была передана во все концы света по телеграфу. 13 января немецкий кайзер Вильгельм II пригласил Рентгена к себе, чтобы тот продемонстрировал ему новое явление. 16 января газета «Нью-Йорк Таймс» опубликовала статью о лучах Рентгена, которые сулят переворот в хирургии.
23 января Рентген сделал первый и единственный официальный доклад о своём открытии перед Физико-медицинским обществом города Вюрцбурга, во время которого была изготовлена знаменитая рентгеновская фотография кисти руки известного анатома фон Кёлликера.
Во всех развитых странах исследователи – профессионалы и любители – бросились изучать новое явление. Уже в феврале 1896 года врачи начали использовать рентгеновские лучи для диагностирования опухоли на кости, нахождения пуль в предплечьях солдат и хирургических операций. За один год этой теме было посвящено более 1000 научных статей, не считая огромного количества газетных и журнальных заметок. Открытие рентгеновских лучей оказалось полезным для медиков и, кроме того, стало возбуждающе новым и ясным для широкой публики.
Перед людьми словно внезапно открылась дверь в волшебное царство. Мир присутствовал при настоящей технической революции. Очень редко какое-либо открытие так быстро меняло жизнь человечества! В том же 1896 году учёные и медики освоили и применили на практике все современные виды использования Х-лучей; в дальнейшем, в основном, происходили технические улучшения и усовершенствования аппаратуры.
Открытие Х-лучей взволновало не только учёных, но и обычное население. Физические лаборатории осаждали врачи и больные. Проводились бесчисленные публичные опыты с демонстрацией изображений скелетов живых людей. Это производило очень сильное впечатление на публику, вплоть до истерик и обмороков.
Открытие Вильгельма Рентгена дало мощный толчок для развития естествознания. Так, в феврале 1896 года, воодушевленный открытием Рентгена, Анри Беккерель открыл естественную радиоактивность. Но это уже другая история.
Рентген активно и бескорыстно способствовал распространению своего открытия, отказавшись от любых возможностей извлечь из него прибыль. Хотя разные фирмы, почуяв огромный доход от аппарата, просвечивающего человека насквозь, делали учёному очень выгодные предложения. Широкий интерес публики вместе с усилиями самого Рентгена, создавшего удобную для генерации рентгеновских лучей трубку с катодом из вогнутого алюминиевого зеркала, способствовал быстрому прогрессу рентгенотехники, её применению в медицине и промышленности.
Слава Рентгена росла со скоростью снежной лавины, что ему, человеку скромному, очень не нравилось.
В 1901 году Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии в области физики. Премию ему вручили в Стокгольме, в большом зале Музыкальной академии, в присутствии наследного принца Швеции. После вручения награды скромный Рентген отказался от речи, а премиальные деньги передал Вюрцбургскому университету. Когда баварский принц наградил его высшей наградой Баварии, которая давала право на дворянство, Рентген не стал претендовать на титул и приставку «фон».
– Не думаю, что дворянство сделало бы Рентгена более уважаемым человеком, – сказал Андрей.
Джерри кивнул:
– Именем Рентгена назвали единицу дозы облучения – рентген, а рентгеновские лучи, которые используют миллиарды землян, являются лучшим памятником автору этого замечательного открытия. Рентген расширил электромагнитный спектр в коротковолновую сторону от видимого света – аналогично тому, что Герц сделал с длинноволновой частью спектра. Общеизвестный спектр электромагнитных колебаний, который тогда состоял из видимого света, обрамлённого по краям инфракрасным излучением и ультрафиолетом, распахнулся в обе стороны в тысячи раз, открыв для исследователей новые способы изучения и земных материалов, и космических объектов. Сейчас существуют спутники, которые видят небо в рентгеновских лучах, и вид «рентгеновского» неба поражает своей красотой и информативностью.
– Значит, даже когда исследователи таинственных излучений не думали о космических исследованиях, они всё равно являлись космическими сыщиками? – спросила Галатея.
– Конечно, без их работ современные космические исследования были бы просто невозможны.
Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) – немецко-голландский физик, открывший в конце 1895 года рентгеновские лучи. Первый лауреат Нобелевской премии по физике (1901). Научный руководитель Абрама Федоровича Иоффе (1880–1960), российского учёного, ставшего «отцом» советской физики.
Рентгеновские лучи – электромагнитное излучение с длиной волны от 0,005 до 10 нанометров – более короткой, чем у ультрафиолетового излучения (10-380 нанометров) и видимого света (380–780 нанометров). Нанометр – это 109 метра, или одна миллионная часть миллиметра.
Август Кундт (1839–1894) – известный немецкий физик, научный руководитель Вильгельма Рентгена и выдающегося российского физика Петра Лебедева (1866–1912).
Страсбургский университет – французский университет, расположен в Страсбурге и основан в 1538 году.
Гиссенский университет – старейший университет города Гиссена немецкого княжества Гиссен-Дармштадт, основанный в 1607 году.
Вюрцбургский университет – один из старейших немецких университетов, расположен в Вюрцбурге. Основан в 1402 году (первое основание) и 1582-м (повторное основание).
Мюнхенский университет – один из старейших университетов Германии, основанный в 1472 году.
Иоганн Вильгельм Гитторф (1824–1914) – немецкий физик и химик. Для своих исследований разработал специальную разрядную трубку – трубку Гитторфа. Первым в 1868–1869 годах открыл катодные лучи и сравнил их с электрическим током, но его работы остались малоизвестными. Через 10 лет Крукс повторил открытие Гитторфа и более подробно изучил свойства катодных лучей.
Томас Бовери (1862–1915) – немецкий биолог, друг Вильгельма Рентгена. В 1904 году обосновал хромосомную теорию наследственности.
Альберт фон Кёлликер (1817–1905) – известный немецкий анатом и физиолог.
Сказка о таинственном излучении Сен-Виктора и Беккереля
Уран – распространённый химический элемент: в земной коре его в 40 раз больше, чем серебра, и в 500 раз – чем золота. Уран можно найти практически везде – в минералах и почве, в воде рек и океанов.
Золотистая окись урана, находимая в рудниках и по берегам рек, использовалась как краска для узоров на глиняных вазах ещё две тысячи лет назад. Впоследствии минералы, содержащие уран, стали добавлять в расплав при варке цветного стекла. Оказалось, что урановое стекло красиво светится при воздействии ультрафиолетового излучения, и с конца XIX века начался настоящий бум в производстве праздничной посуды из стекла с примесью урана. Забегая вперед, отметим, что, когда в 1940-х годах стало известно военное применение урана, власти США конфисковали все его запасы, в том числе тарелки и вазы из уранового стекла, хранившиеся на складах. В 1950-х годах производство светящейся урановой посуды возобновилось и было окончательно прекращено только в 1972 году, когда опасность радиоактивного облучения стала всем очевидна.
Впервые чистый уран – тяжёлый металл стального цвета – получил французский химик Пелиго в 1840 году. В XIX веке уран и его соединения привлекли внимание многих исследователей. В 1804-м немецкий химик Гелен заметил, что раствор хлорида урана на свету быстро меняет ярко-жёлтый цвет на зелёный. Этот факт решил использовать химик-экспериментатор Сен-Виктор, который в середине XIX века искал способ получить цветные фотографии с помощью светочувствительных солей металлов. В 1857 году он обнаружил, что его фотопластинки засвечиваются солями урана. Химик задумался: возможно, за этот эффект отвечает фосфоресценция или флуоресценция?
– Это что за зверьки? – не выдержала Галатея напора незнакомых терминов.
Дзинтара пояснила:
– Так называют нетепловое свечение вещества. Флуоресценцией называют свечение, например, кристаллов платиноцианистого бария, облучённых рентгеновскими лучами, или уранового стекла под воздействием ультрафиолета. Некоторые предметы, занесённые с яркого света в темноту, светятся довольно долго – этот эффект называется фосфоресценцией. При исчезновении внешнего фактора флуоресценция прекращается за долю секунды; в случае фосфоресценции свечение длится до нескольких часов или дней.
Андрей сказал:
– У меня где-то есть фосфоресцирующие кубики: если подержать их на ярком солнце, они в темноте светятся зелёным из угла моей комнаты. Постепенно свечение слабеет, и к утру их почти не видно.
Дзинтара согласилась:
– Да, эффект ослабления свечения типичен для фосфоресцирующих веществ. Но Сен-Виктор обнаружил, что его пластинки засвечиваются даже образцами солей урана, которые полгода провели в темноте, то есть они никак не могли фосфоресцировать. В 1861 году учёный решил, что соли урана дают «радиацию, невидимую нашему глазу». Мишель Шеврель, видный учёный и руководитель Сен-Виктора, высоко оценил его работу, назвав её «фундаментальным открытием». В 1868 году французский физик Эдмонд Беккерель опубликовал книгу «Свет», где описал опыты Сен-Виктора с солями урана и фотопластинками.
– Значит, это Сен-Виктор открыл радиоактивное излучение?! – воскликнул Андрей.
Дзинтара вздохнула:
– И да и нет. Открытие делает не только учёный, но и всё общество. Мало открыть дверь в неизвестное, нужно, чтобы кто-нибудь согласился туда войти. Если учёный открыл что-то непривычное, значительно опережающее существующий уровень знаний, его открытие может не получить отклика у других учёных, не станет работать на развитие науки. Такое открытие «молчит» – так было с гелиоцентрической системой Аристарха Самосского, генетической работой Менделя и космогоническими идеями Канта. Через десятки, сотни, а то и тысячи лет «молчащее» открытие повторно открывают другие учёные, и оно начинает влиять на прогресс общества, встраиваться в общее здание науки. Чтобы открытие «прозвучало», цивилизация должно быть к нему готова. В середине XIX века природа света оставалась непонятной и тем более ничего не было известно о строении атома и существовании невидимых излучений. В подобных условиях работа Сен-Виктора оказалась почти незамеченной.
– Невидимой! – подала голос Галатея.
– За вторую половину XIX века произошли серьёзные изменения: в 1865 году Максвелл доказал электромагнитную природу света, в 1886-м Герц обнаружил невидимое радиоизлучение, в эти же годы активно исследовались катодные лучи, а в конце 1895 года Рентген открыл невидимые Х-лучи. Всё это качественно изменило отношение учёных к возможности открытия новых невидимых излучений.
Эдмону Беккерелю в его опытах со светом активно помогал сын Антуан, которому на момент публикации книги «Свет» было 14 лет. Впоследствии он сам стал учёным, занимался вопросами фотографии и люминесценции солей урана.
Династия Беккерелей дала миру четыре поколения учёных. Антуан Беккерель стал в семье третьим главой кафедры физики в Национальном музее естественной истории Франции. Как только он узнал об открытии рентгеновских лучей, то подумал, что они могут испускаться при фосфоресценции тел, которой он сам занимался. Учёный полагал, что, полежав на ярком солнечном свете, вещество может испускать не только обычный свет, но и Х-лучи.
Антуан Беккерель был неправ, зато среди образцов фосфоресцирующих веществ у него были соли урана (сульфат уранила-дикалия). Однажды Антуан запланировал исследование на ярком солнечном свете, но из-за туч, закрывших небо, отложил эксперимент. Фотопластинки, завёрнутые в плотную чёрную бумагу, он положил в стол вместе с образцами солей урана.
На следующий день учёный обнаружил, что лежавшая в столе фотопластинка оказалась засвеченной, несмотря на то что была завёрнута в плотную чёрную бумагу. Существенной разницей по сравнению с опытами Сен-Виктора являлось то, что фотопластинки засвечивались сквозь плотную чёрную бумагу, которая задержала бы любое видимое излучение. Дальнейшие опыты Беккереля показали, что излучение не зависит от температуры и вызывает ионизацию воздуха, как и лучи Рентгена.
Антуан Беккерель правильно установил причину засветки – невидимое излучение от урана. В то время уже можно было достать металлический уран. Беккерель сравнил его радиоактивность с излучением от солей урана и выяснил, что чистый металл даёт в три с половиной раза более сильное излучение, нежели его соль, которая содержала и другие химические элементы. Значит, именно уран отвечает за засветку фотопластинок!
В своих статьях Антуан Беккерель сослался на работы Ленарда, ученика Герца, и Рентгена, в которых тоже исследовались невидимые излучения. Работа Беккереля считается классическим примером случайного открытия, которое было сделано хорошо подготовленным к этому учёным.
– Если он читал книгу своего отца, Эдмона Беккереля, то, конечно, он был хорошо подготовлен, – отметил Андрей.
Дзинтара продолжила:
– Общество восприняло открытие радиоактивности не только благодаря работам Герца, Ленарда и Рентгена, но и с помощью открытия Пьера и Марии Кюри, которые изучили радиоактивность тория и нашли новые радиоактивные химические элементы. О научных достижениях супругов Кюри мы поговорим в следующий раз.
Излучение, которое исследовал Беккерель, какое-то время называли «лучами Беккереля». За открытие радиоактивности в 1903 году Беккерель получил Нобелевскую премию по физике, разделив её с Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри. Он стал знаменит, его выбрали академиком Французской академии науки, а потом – даже её секретарём. Именем Беккереля названа единица радиоактивности – беккерель, лунный кратер и кратер на Марсе.
Уран – химический элемент с обозначением U и атомным номером 92 (равным числу протонов в ядре) в Периодической таблице Менделеева. Тяжёлый металл стального цвета. Радиоактивен.
Торий – химический элемент с обозначением Th и номером 90 в Периодической таблице Менделеева. Серый мягкий металл. Слабо радиоактивен.
Эжен Пелиго (1811–1890) – французский химик, получивший в 1840 году металлический уран.
Адольф Гелен (1775–1815) – немецкий химик, открывший светочувствительность солей урана.
Абель Ньепс Сен-Виктор (1805–1870) – французский исследователь, разрабатывавший метод цветной фотографии и открывший, что невидимое излучение солей урана засвечивает фотопластинку.
Мишель Шеврель (1786–1889) – французский естествоиспытатель, исследователь жирных кислот и процесса мыловарения. Прожил 102 года и в конце жизни изучал на себе процесс старения организма, внеся вклад в науку геронтологию.
Люминесценция – эффект нетеплового свечения вещества под действием различных факторов: света, химических реакций, ионизирующих излучений, электрического тока, звука, трения и т. д.
Флуоресценция – частный случай люминесценции, связанный с облучением светом, ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. Флуоресценция практически мгновенно прекращается, когда внешнее облучение исчезает.
Фосфоресценция – эффект, аналогичный флуоресценции, но с гораздо более длительным периодом затухания свечения – от секунд и дольше.
Аристарх Самосский (310–230 гг. до н. э.) – гениальный древнегреческий астроном и математик, создавший первую гелиоцентрическую модель мира. В честь Аристарха назван лунный кратер, астероид и аэропорт на его родине – острове Самос.
Грегор Мендель (1822–1884) – великий ботаник, основоположник учения о наследственности. Жил и работал в австрийском городе Брюнне (ныне – чешский город Брно).
Эдмон Беккерель (1820–1891) – французский физик, исследовавший эффекты флуоресценции. Отец Антуана Беккереля.
Антуан Беккерель (1852–1908) – французский физик, открывший радиоактивность урана. Один из первых лауреатов Нобелевской премии (1903).
Сказка о философском камне и гувернантке, получившей две Нобелевские премии
Философский камень – так в Средневековье называли гипотетическое вещество, которое превращало свинец в золото. Ему приписывали и многие другие волшебные свойства, но умение трансформировать дешёвые металлы в драгоценное золото было самым привлекательным. Поэтому аристократы того времени часто финансировали работы придворных алхимиков, обещавших изготовить философский камень и принести своему господину несметные богатства.
– Они их обманывали! – засмеялась Галатея.
– Это не исключено, но многие алхимики искренне верили в возможность создания такого вещества и тратили на его поиски всю жизнь. Нельзя сказать, что поиски были бесплодными: попутно алхимики сделали немало замечательных открытий, которые стали основой современной химии, но, увы, создать философский камень им не удалось. Способ преобразования химических элементов был открыт заметно позже и не оправдал надежд на получение дешёвого золота.
– Неужели всё-таки нашли способ превращать обычные металлы в золото? – удивилась Галатея.
– Да, но давайте я расскажу обо всём по порядку, – сказала Дзинтара. – Эта история началась, когда одна бедная польская гувернантка приехала в Париж, чтобы стать физиком.
– Мама! – воскликнула девочка. – Ты уверена, что рассказываешь по порядку? Я уже ничего не понимаю!
– Ага, – призадумалась Дзинтара. – Тогда начнём историю пораньше. В семье варшавского учителя гимназии росли сын и четверо дочерей. Девушки мечтали учиться в университете, но семья была небогата, и, кроме того, в Польше, которая в конце XIX века являлась провинцией Российской империи, возможностей для получения женщинами университетского образования практически не было.
– Ужасная несправедливость! – пробурчала Галатея, большая поборница справедливости и равенства.
Дзинтара отметила:
– Младшая сестра Мария закончила в Варшаве подпольные женские курсы, называвшиеся «Летучий университет».
– Подпольные? – переспросил Андрей. – То есть они учились, нарушая закон?
– Скорее, нарушая традиции. Дипломы таких курсов никто не признавал. Чтобы преодолеть нехватку средств на обучение, две сестры – Мария и Бронислава, которая была старше Марии на два года, заключили дружеское соглашение: получить образование по очереди, финансово поддерживая друг друга. Мария стала работать гувернанткой и помогала деньгами Брониславе, давая ей возможность получить среднее образование в Варшаве, а потом уехать в Париж, чтобы там учиться медицине. Получив профессию медика и выйдя в Париже замуж за польского врача-эмигранта, Бронислава, в свою очередь, пригласила сестру в столицу Франции, пообещав помочь деньгами.
В 1891 году Мария Склодовская, уже опытная гувернантка в возрасте 24 лет, приехала в Париж, чтобы поступить в знаменитый парижский университет – Сорбонну.
– Теперь стало гораздо понятнее! – облегчённо вздохнула Галатея.
– Паровоз, пыхтя белым паром, подкатил пассажирские вагоны к длинному перрону парижского вокзала. Мария вышла из вагона, и для неё началась совсем другая жизнь. Париж покорил молодую полячку – это был огромный город со знаменитыми театрами, дворцами и университетами. Она поступила в Сорбонну и поселилась неподалёку в маленькой холодной мансарде Латинского квартала – традиционном месте обитания столичных студентов. Из мансарды открывался прекрасный вид на крыши и заросли каминных труб квартала.
Мария всегда отличалась трудолюбием и прилежанием к учебе и в Сорбонне проявила эти качества во всей полноте. Пренебрегая едой и сном, она училась так интенсивно, что закончила Сорбонну одной из лучших, получив сразу два диплома – физика и математика. Успехи Марии были настолько впечатляющими, что её оставили в университете для самостоятельной научной работы. Мария Склодовская стала первой в истории Сорбонны женщиной-преподавателем.
– Раньше там преподавали только мужчины? – не поверила своим ушам Галатея.
– Да, в конце XIX века во Франции образованию женщин тоже уделялось мало внимания, – сказала Дзинтара. – В это время Мария познакомилась с Пьером Кюри, который заведовал лабораторией в Школе промышленной физики и химии. Они поженились и стали работать вместе.
Когда супруги Кюри узнали об опытах Беккереля, Мария выбрала радиоактивность темой для своей диссертации. Она решила проверить, насколько одинаковой радиоактивностью обладают образцы урана из разных месторождений. В то время уже было известно, что излучение урана вызывает ионизацию воздуха и увеличивает его проводимость, которую можно измерить с помощью простого электрического прибора – электроскопа, чей заряд убывал при радиоактивном облучении.
– Это проще, чем всё время проявлять фотопластинки! – отметил Андрей.
– Верно, это облегчало работу. Но её всё равно было очень много. Измерив ионизацию от разных образцов урановой руды, Мария Кюри убедилась, что руда, доставленная из чешского месторождения Йоахимсталь (ныне – Яхимов), в четыре раза активнее, чем образцы из других месторождений. Супруги Кюри предположили, что в этой руде, кроме урана, присутствует ещё какой-то активный элемент. В 1898 году они открыли его и назвали полонием в честь Польши – родины Марии. Через несколько месяцев супруги Кюри обнаружили в урановой руде ещё один радиоактивный элемент. Спектральные исследования показали, что это новый элемент, который назвали радием. С 1898 по 1902 год в плохо приспособленном сарае, расположенном на улице Ломон, супруги Кюри переработали восемь тонн урановой руды – и в итоге получили образец радия, который обладал такой радиоактивностью, что светился в темноте.
В это же время было открыто и биологическое воздействие радиации. Произошло это так: Анри Беккерель попросил у супругов Кюри образец радиоактивного вещества для своего публичного выступления. Пробирку с образцом он положил в кармашек жилета и вечером обнаружил, что на коже под карманом образовалось покраснение. Пьер Кюри решил повторить опыт на себе и привязал на несколько дней пробирку к предплечью. В результате на предплечье образовалась язва, которая не заживала два месяца. Супруги Кюри стали замечать, что в процессе работы с радиоактивными препаратами руки тоже покрывались язвочками. Их это не остановило, и они продолжили исследования.
Супруги Кюри не стали патентовать свои открытия, желая сделать их достоянием всего человечества. За свои открытия Мария и Пьер вместе с Беккерелем получили Нобелевскую премию в области физики 1903 года «за выдающиеся заслуги в совместных исследованиях явлений радиации». На полученные деньги они купили необходимое оборудование для своей лаборатории и – наконец-то! – ванну для своей квартиры.
Когда Огюст Конт рассуждал о непостижимости химического состава звёзд, он, очевидно, полагал, что проблема изучения звёзд заключается в их невероятной удалённости. Работы Фраунгофера, Герца и Рентгена заложили основу для дистанционного химического анализа звёзд – по слабому свечению, улавливаемому на Земле. Но, как показали работы супругов Кюри, вещество звёзд можно потрогать и своими руками.
Известный физик Вайскопф так описал связь исследований супругов Кюри с космосом: «Когда Мария и Пьер Кюри выделили радий в знаменитом сарае в Школе промышленной физики и химии, когда их охватил трепет при виде сверхъестественного свечения этого вещества в темноте, они оказались созерцателями явления, выходящего за пределы обычного атомного мира окружающей нас среды. Теперь мы знаем, что супруги Кюри увидели нечто, дошедшее до нас из тех времен, когда земное вещество находилось в совсем иных условиях, внутри взрывающейся звезды. Естественные радиоактивные вещества являются последними свидетелями, последними ещё тлеющими угольками, оставшимися от тех полных событиями времён, когда образовывались химические элементы».
По мнению Вайскопфа, работы Марии Склодовской-Кюри открыли новый этап в развитии науки: «Она сама, её сотрудники и преемники исследовали космические процессы на Земле: они воспроизвели подобные процессы в земных условиях… Физика вышла на новый рубеж, и это можно назвать прыжком в космос».
– То есть уран и радий тоже образовались в космосе? – спросила Галатея.
– Да, в момент взрыва сверхновой звезды элементарные частицы и ядра обычных, нерадиоактивных, элементов сталкивались с такой скоростью, что сливались, образуя все возможные тяжёлые химические элементы – включая уран, радий и другие химические элементы тяжелее железа. Эти элементы часто радиоактивны, потому что они отдают энергию, поглощённую в момент взрыва сверхновой.
– Значит, звёзды и оказались тем самым философским камнем, который искали алхимики? – спросил Андрей.
– По существу, ты прав: звёзды являются философским камнем, превращающим звёздное железо в земное золото, рассеянное в минералах и собранное в золотых жилах. Но я имела в виду нечто другое, то, о чём ещё не успела рассказать, – сказала Дзинтара.
– Так рассказывай же! – поторопила её Галатея.
– После получения Нобелевской премии Мария продолжила работу с радиоактивными элементами, к 1910 году выделив чистый металлический радий и доказав, что он является самостоятельным химическим элементом. В это время Марию Склодовскую-Кюри выдвинули кандидатом во Французскую академию наук. По этому поводу среди академиков разгорелись яростные споры.
– Почему? – удивилась Галатея. – Ведь она уже получила Нобелевскую премию!
– Французская академия наук была очень консервативной организацией, в неё никогда не избирались женщины.
– Ах, вот в чём дело, – протянула Галатея. – Но ведь когда-то надо начинать!
– К сожалению, кандидатура Марии Склодовской-Кюри была провалена на выборах в академию, не добрав всего пары голосов.
– Безобразие! – возмутилась Галатея. – Она была умнее многих этих академиков!
– Более того, в следующем, 1911, году Мария получила вторую Нобелевскую премию, уже по химии – «за выдающиеся заслуги в развитии химии: открытие элементов радия и полония, выделение радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента». Мария Склодовская-Кюри стала первой и до сих пор единственной женщиной в мире, дважды ставшей Нобелевским лауреатом.
– Тем самым она посадила в глубокую лужу своих противников, – с удовлетворением отметил Андрей.
– Академия сама себя посадила в лужу, не выбрав столь достойного учёного в свои ряды, – пожала плечами Дзинтара. – История супругов Кюри не заканчивается на Пьере и Марии. Старшая дочь Марии Кюри – Ирен – родилась за год до открытия радия и из-за активной научной работы матери выросла под присмотром дедушки-врача, Эжена Кюри. Ирен тоже закончила Сорбонну – с перерывом на несколько месяцев, когда помогала матери в работе над двадцатью фронтовыми рентгеновскими аппаратами, созданными Марией Склодовской-Кюри. Шла Первая мировая война, и эти мобильные установки оказывали хирургам огромную помощь в поиске шрапнели и осколков у раненых бойцов, спасли много жизней. Однако они были небезопасны: работая с рентгеновскими установками, а также изготавливая лечебные радиоактивные препараты, Мария и Ирен получили значительные дозы радиации, которые впоследствии вызвали у них лейкемию.
– Они были героинями, спасали раненых и сражались с врагами! – выпалила Галатея.
– Позже Ирен стала работать ассистентом в Радиевом институте. Здесь она познакомилась с другим ассистентом – Фредериком Жолио. Они поженились в 1926 году и начали работать вместе, выступая в науке и жизни как супруги Жолио-Кюри. Двойную фамилию носили оба.
– Полное равноправие! – удовлетворенно отметила Галатея. – Я тоже… – и она замолчала, решив не делиться своими планами на будущее.
– Супруги Жолио-Кюри сделали немало интересных открытий, но самая выдающаяся их работа стала современным вариантом философского камня.
– Наконец-то мы добрались до сути! – хлопнула в ладоши Галатея.
– К этому времени учёные научились видеть отдельные элементарные частицы…
– Мама, ты шутишь?! – засмеялась Галатея. – Даже мне ясно, что это невозможно. Элементарные частицы такие маленькие! Никто не может увидеть электрон.
– Не совсем так. В 1897 году шотландский физик Вильсон заметил, что в перенасыщенном водяном паре вокруг ионов образуются капельки воды – проще говоря, туман, который видим обычному глазу. На основе этого эффекта учёный сконструировал прибор, названный «камерой Вильсона». Он был настолько ценен, что в 1927 году Вильсон (вместе с Комптоном) получил за него Нобелевскую премию по физике: камера позволяла видеть движение отдельных элементарных частиц!
– Ух ты! – воскликнула Галатея.
– Элементарная частица влетала в камеру Вильсона, наполненную перенасыщенным водяным паром, и вызывала ионизацию молекул вдоль траектории своего движения – до тех пор, пока не расходовала всю энергию и не останавливалась. Расположенные вдоль траектории ионы начинали собирать на себе капельки воды, и в результате в камере появлялась туманная линия. Если камеру Вильсона помещали в магнитное поле, траектория иона загибалась, а то и закручивалась в спираль. Направление изгиба говорило о знаке заряда частицы, а кривизна траектории – о скорости и отношении её заряда к массе.
Таким образом, камера Вильсона позволяла увидеть траектории движения отдельных элементарных частиц. И хотя сами они, конечно, оставались невидимыми, камеру Вильсона назвали «открытым окном в атомный мир».
– Хочу посмотреть в камеру Вильсона! – заявила Галатея.
Читать бесплатно другие книги:
