Ряд великих научных открытий был сделан за небольшой период всего лишь в несколько лет, начиная с 1895 г. Эти открытия привели к огромным изменениям как в химии, так и в физике. Рентгеновские лучи были открыты в 1895 г., радиоактивность — в 1896 г., и в том же году были выделены новые радиоактивные элехменты— полоний и радий, а в 1897 г. был открыт электрон.
Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923), профессор физики Вюрцбургского университета (Германия), сообщил в 1895 г. об открытии нового вида лучей, которые он назвал Х-лучами. Эти лучи возникают при прохождении электричества через эвакуированную трубку. Лучи исходят из тех мест трубки, в которых электроны ударяются о стекло. Они обладают способностью проходить через вещества, не пропускающие обычного света, и вызывают почернение фотографической пластинки. Уже через несколько недель после сообщения об ЭТОхМ важном открытии рентгеновские лучи стали применять в медицине для обследования пациентов с переломами костей и другими повреждениями.
Вскоре после открытия рентгеновских лучей французский физик Анри Беккерель (1852—1908) исследовал некоторые минералы, содержащие уран. Он обнаружил, что эти минералы испускают лучи, которые, подобно рентгеновским лучам, могут проходить через черную бумагу и другие непрозрачные материалы и засвечивать фотопластинку. Он обнаружил также, что излучение, испускаемое урансодержащими минералами, может также, подобно рентгеновским лучам, разряжать электроскоп (рис. 3.9), делая воздух электропроводящим.
Рис. 3.9. Простейший электроскоп. В том случае, когда электрический заряд находится на золотой фольге и на поддерживающем устройстве, два листка фольги расходятся под действием сил отталкивания одноименных электрических зарядов.
Мария Склодовская-Кюри (1867—1934) начала тогда же изучать «излучение Беккереля» при помощи метода, основанного на применении электроскопа. Она исследовала многие вещества с целью выяснения, обладают ли они, подобно урану, способностью испускать лучи. Ей удалось обнаружить, что природная урановая смолка, урановая руда, во много раз активнее очищенной окиси урана.
Вместе с мужем профессором Пьером Кюри (1859—1906) Склодовская-Кюри начала разделять урановую руду на фракции и определять их активность по способности разряжать электроскоп. Она выделила фракцию, активность которой в 400 раз превышала активность урана. Эта фракция состояла в основном из сульфида висмута. Основываясь на том, что чистый сульфид висмута не обладает радиоактивностью, она высказала предположение, что в этой фракции присутствует в виде примеси весьма радиоактивный элемент, аналогичный висмуту по своим химическим свойствам. Этот элемент, который она назвала полонием, был первым элементом, открытым благодаря свойству радиоактивности. В том же 1896 г. супруги Кюри выделили новый радиоактивный элемент, названный ими радием.
В 1899 г. Эрнест Резерфорд сообщил, что излучение, испускаемое ураном, состоит по крайней мере из двух типов лучей, которые он назвал альфа- и бета-излучением. Вскоре после этого французский исследователь П. Виллар сообщил, что существует также и третий вид излучения — гамма-излучение.
Альфа-, бета- и гамма-лучи
Схема установки, при помощи которой можно экспериментально показать, что природные радиоактивные вещества испускают лучи трех видов, приведена на рис. 3.10. Пучок исследуемого излучения формируется при прохождении лучей через небольшое отверстие в свинцовом бруске и затем попадает в сильное магнитное поле. На различные лучи магнитное поле действует по-разному, что является доказательством того, что три вида лучей несут разные электрические заряды. Альфа- лучи несут положительный электрический заряд. Бета-лучи — отрицательный электрический заряд и отклоняются магнитом в противоположную сторону по сравнению с отклонением альфа-лучей. Гамма-лучи не несут электрического заряда и не отклоняются магнитом.
Резерфорд установил, что альфа-лучи после их замедления превращаются в газ гелий. Последующие его опыты привели к окончательному выводу: альфа-лучи представляют собой положительно заряженные части атомов гелия, движущиеся с большими скоростями. Бета-лучи— это электроны, также движущиеся с высокими скоростями; по своей природе они аналогичны катодным лучам, возникающим в электрической разрядной трубке. Гамма-лучи представляют собой вид излучения, подобного видимому свету. Они идентичны рентгеновскому излучению, возникающему в рентгеновской трубке, работающей при очень высоком напряжении.
Рис. 3.10. Отклонение альфа- и бета-лучей магнитным полем. 1 — радиоактивное вещество; 2 — свинцовый блок; N — северный полюс магнита; 4 — фотопластинка.
Резерфорд идентифицировал положительно заряженные альфа-частицы с атомами гелия путем эксперимента, в котором альфа-частицы ударялись о тонкую металлическую фольгу и проникали через нее в камеру, после чего ему удалось показать появление в камере гелия. Более того, он показал, что количество гелия в камере соответствует числу альфа-частиц, прошедших через фольгу.