Сергей Капица. Физика и физики 20 века

Эрнест Резерфорд - РАДИОАКТИВНОСТЬ

Мы приводим предисловие и введение к первой книге Резерфорда «Радиоактивность», опубликованной в 1904 г.

РАДИОАКТИВНОСТЬ

Предисловие

В этой книге я предпринял попытку дать, с физической точкп зрения, полное и связное описание свойств естественных радиоактивных тел. Несмотря на новизну предмета, наши познания свойств радиоактивных веществ развиваются очень быстро и в настоящее время есть обширная информация по этому вопросу, рассеянная по множеству различных научных журналов.

Явления, наблюдаемые у радиоактивных тел, исключительно сложны. Поэтому существенно необходима какая‑то форма теории для того, чтобы разумным образом связать накопленную в настоящее время массу экспериментальных фактов. Я нашел, что теория того, что атомы радиоактивных тел претерпевают спонтанный распад, оказывается исключительно полезной не только для установления связи объяснения известных явлений, но также и для предсказания новых направлений исследования.

Интерпретация результатов в значительной мере основана именно на теории распада и тех следствиях, которые логически получаются от приложения этой теории к явлениям радиоактивности.

Стремительное продвижение наших знаний о радиоактивности зависит от сведений, полученных ранее в исследованиях по электрическим свойствам газов. На действии, оказываемом излучениями радиоактивных тел, образующих заряженные носители тока или ионы в газе, основан точный количественный метод исследования свойств излучений и процесса радиоактивности. Этот метод дает также возможность определить с достаточной достоверностью порядки различных величин, с которыми приходится иметь дело.

По этим причинам было решено дать краткое изложение электрических свойств газов, необходимое в той степени, которая нужна для интерпретации результатов измерений радиоактивности электрическим методом. Глава о ионной теории проводимости газов была написана до выхода в свет недавней книги Дж. Дж. Томсона «Прохождение электричества через газы», в которой весь этот вопрос изложен полным и последовательным образом.

Нами также добавлена короткая глава о методах измерений, которые, по опыту автора и других, наиболее подходящи для точных исследований в радиоактивности. Можно надеяться, что это описание поможет тем, кто захочет практически ознакомиться с методами, использованными при измерении радиоактивности.

Я благодарен г‑ну В. Ч. Дампье Ветхаму, члену Королевского общества, одному из редакторов кембриджской серии книг по физике, за многочисленные ценные замечания и за большое внимание и труд, который он взял на себя при чтении корректур. Я также очень обязан моей жене и мисс X. Брукс за помощь в просмотре корректур и г‑ну Р. К. Мак Клангу за сверку указателя.

Физический корпус Макдональда, Монреаль.

Февраль 1904 г.

Глава I РАДИОАКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Введение

Конец прошлого и начало нового века отмечены очень быстрым возрастанием наших знаний в области исключительно важной, но сравнительно мало известной – связи между электричеством и материей. Никакие другие области науки не были столь полны неожиданностями для исследователя как по исключительности природы наблюдаемых явлений, так и по тем законам, которые управляют ими. Чем больше этот вопрос изучали, тем сложнее оказывалось строение вещества, которое может быть причиной удивительных наблюдаемых явлений. В то время кап экспериментальные результаты привели нас к взгляду о сложности строения атома, они одновременно лишь сильнейшим образом подтвердили старую теорию о прерывной или атомной структуре материи. Изучение радиоактивных веществ и прохождение электричества через газы предоставило очень сильные экспериментальные свидетельства в подтверждение основных идей существующих кинетических теорий. Это также указывало, что атом не является наименьшей материальной частицей, а сам является сложной структурой, составленной из ряда меньших тел.

Первоначальный толчок изучению этих вопросов был дан опытами Ленарда с катодными лучами и открытием Рентгеном Х‑лучей. Исследование электропроводности газов, возникающей под действием Х‑лучей, привело к ясной картине механизма передачи электричества через газы посредством заряженных попов. Эта ионная теория проводимости газов дала удовлетворительное объяснение не только прохождению электричества через пламена и пары, но также тем сложным явлениям, которые наблюдаются при электрических разрядах в вакуумных трубках. В то же самое время дальнейшее исследование катодных лучей показало, что они состоят из потока материальных частиц, движущихся с большой скоростью и обладающих кажущейся массой, малой по сравнению с массой атома водорода. Была также выяснена связь между катодными лучами и рентгеновским излучением. Многие из этих блестящих экспериментальных исследований природы электрического разряда были проведены профессором Дж. Дж. Томсоном и его учениками в Кавендишской лаборатории в Кембридже.

Исследование природных веществ с целыо выяснить, не дают ли они невидимых излучений наподобие Х‑лучей, привело к открытию радиоактивных тел, обладающих свойством самопроизвольного излучения не видимых глазом лучей, но обнаруживаемых по своему действию на фотографическую пластинку или но способности разряжать электрически заряженные тела. Детальное изучение радиоактивных веществ привело к открытию многих новых и удивительных явлений, которые пролили свет не только на природу самих излучений, но также и на процессы, происходящие в этих веществах. Несмотря на сложную природу этих явлений, наши знания по этому предмету продвигаются с большой стремительностью, и в настоящее время накоплено большое количество опытных данных.

Чтобы объяснить явление радиоактивности, предложена теория, в которой атомы радиоактивных элементов рассматриваются как способные к спонтанному распаду и порождению ряда радиоактивных веществ, химически отличающихся по своим свойствам от материнских элементов. Излучения, сопровождающие развал атомов, дают относительную меру скорости этих превращений. Эта теория удовлетворительно объясняет все известные сведения о радиоактивности и соединяет воедино массу разрозненных фактов в однородное целое. С этой точки зрения непрерывное излучение энергии от активных тел получается от внутренней собственной энергии атома и никоим образом не противоречит закону сохранения энергии. В то же самое время это указывает на громадные запасы скрытой энергии, находящейся в самих радиоатомах. Этот запас энергии прежде не наблюдался, потому что невозможно разрушить атомы элементов па более простые формы имеющимися в нашем распоряжении химическими и физическими силами.

По этой теории в радиоактивных телах мы являлись свидетелями истинного преобразования вещества. Этот процесс распада изучался не прямыми химическими методами, а по способности радиоактивных тел давать определенного вида излучение. За исключением лишь случая такого весьма активного элемента, как радий, процесс распада происходит настолько медленно, что понадобились бы сотни, если не тысячи лет для того, чтобы накопилось достаточное количество превращенных атомов, которые стали бы доступны обнаружению весами или спектроскопом. Однако в радии процесс распада происходит с такой скоростью, что и в ограниченное время можно получить четкое химическое доказательство его превращений. Недавнее доказательство того, что гелий может быть получен из радия, дает веское подтверждение этой теории; именно на гелий указывали как на возможный продукт распада радиоактивных элементов даже до получения экспериментальных тому доказательств. Если получение гелия из радия будет окончательно подтверждено, то дальнейшее изучение радиоактивных тел обещает открыть новые и важные области химических исследований.

В данной книге опытные факты о радиоактивности и связь между ними объясняются на основе теории распада. Многие явления можно наблюдать количественно, и основной упор сделан именно на работы такого рода. Именно согласие какой‑либо теории с фактами, которые она пытается объяснить, должно в конечном итоге быть основано на данных точных измерений.

Ценность любой рабочей теории основана на той совокупности экспериментальных фактов, которые она может объяснить, и на ее способности предложить новые направления исследований. В этом отношении рабочая гипотеза распада, безотносительно к тому, будет ли в конечном итоге показана ее правильность или нет, уже оправдана по своим результатам.