Такова цена ошибки, допущенной и затем исправленной А. Беккерелем. Но вот ведь что любопытно: икс-лучи, которые он искал вне рентгеновской трубки, действительно можно было найти именно там, где он начал свою разведку. Их испускают некоторые радиоактивные изотопы. Иные непосредственно, исторгая их из собственных атомных недр. У других это не первичное, а вторичное явление: излучение, которое возникает при обстреле металлической мишени микропулями, альфаи бета-частицами. Иначе говоря, оно могло встретиться и А. Беккерелю, когда тот вставлял фигурные металлические прокладки между фотопластинкой и урановой солью, которая, как установил Э. Резерфорд, с силой выбрасывает альфа- и бета-частицы.
Мало того, свечение некоторых минералов вполне логично связывать с рентгеновской радиацией, как пытался делать А. Пуанкаре. Действительно, если она генерируется содержащимися в них радиоизотопами, fo может вызвать рентгенолюминесценцию таких минералов. Без помощи катодной трубки!
Правда, нельзя не оговориться: рентгеновская радиация от изотопных источников тысячекратно слабее, чем от испускающих ее специальных трубок, во всяком случае, нынешних. Так что практически А. Беккерель едва ли имел возможность зарегистрировать столь тонкие эффекты, хотя теоретически она и тогда была реальной.
Так мы впервые столкнулись с естественными генераторами этой радиации, которые слабее современного рентгеновского аппарата, тем более ускорителя или атомного реактора. Однако изотопные ее источники применяются широко, поскольку они малогабаритны, а значит, компактнее, легче и, кроме того, дешевле.
И еще, как видно, и В. Рентген, и А. Беккерель, и любой человек, и вообще род людской имел дело с икслучами с того самого времени, как появился на свет.
Причем не только с небесными, но и земными - теми, которые испускаются, например, почвой, вернее, вкрапленными в нее радиоизотопами. Речь идет о естественной радиоактивности, которая окружает нас всегда и везде.
Правда, ее средний уровень (фон) мизерен: как мы помним, он не превышает 0,125 рентгена за год, причем на 2/3 обусловлен именно земными факторами и лишь на 1/3 - небесными (космические лучи).
11.
- Читатель свыкся с тем, что не только в небесах, но и в земных условиях рентгеновская радиация возникает при высоких температурах: ядерные взрывы и все такое прочее. Или при высоких скоростях порождающих ее электронов: в катодных ли трубках, в синхротронах или туманностях. А у нас под ногами? Разве атом - рентгеновский аппарат?
- Ах вот оно что! Вы затронули интересный вопрос, и на нем стоит, пожалуй, остановиться поподробнее.
"Этого не может быть, потому что этого быть не может никогда". Примерно так отреагировали авторитеты на открытие, о котором пойдет речь.
...Три с лишним десятилетия подряд наука об атоме "пробавлялась" только тремя разновидностями радиоактивности: альфа, бета, гамма. Первые две были вписаны в азбуку ядерной физики, если помните, Э. Резерфордом в 1899 году, третья - П. Виллардом в 1901-м.
Лишь в 1934 году супруги Ф. и И. Жолио-Кюри опознали среди беглецов из ядра позитрон (близнец электрона, но уже без отрицательной характеристики: у него заряд противоположного знака - положительный).
Наступил 1935 год.
Братья И. и Б. Курчатовы, несмотря на молодость, не были "зелеными" новичками ни в физике вообще, ни в атомной в частности. 32-летний И. Курчатов уже десятый год работал в Ленинградском физико-техническом институте. С 1932 года возглавлял там отдел ядерной физики. Б. Курчатову тоже не были чужды проблемы радиоактивности, хотя занимался он больше полупроводниками. Однако явление, с которым столкнулись оба, могло озадачить и маститых ветеранов науки об атоме.
В начале 1935 года счегчик ядерных излучений бесстрастно возвестил сотрудникам Курчатовской лаборатории о том, чего на первый взгляд быть не должно.
Исследователи взяли бром и стали бомбардировать его нейтронами, открытыми совсем недавно - в 1932 году. Ожидалось, что этот элемент даст, как обычно, две свои активные разновидности: одну - с 18-минутным периодом полураспада, другую - с четырехчасовым.
Так, по крайней мере, свидетельствовали опыты итальянца Э. Ферми, который впоследствии, в 1942 году, запустил первый атомный котел.
Что же, смесь и впрямь дала радиацию обоих типов, но... Одновременно обнаружилось и другое излучение - неведомое. Оно уменьшало свою интенсивность вдвое не через 18 минут и не через 4 часа, а лишь по прошествии полутора суток.
У брома два стабильных изотопа: один с массовым числом 79, другой - 81. Поглотив нейтрон, первый превращается в бром-80, второй - в бром-82. Оба новорожденных атома активны, причем ни один из них, судя по результатам Э. Ферми, не должен быть столь долговечным. Откуда взяться более живучему?
Тщательный анализ, исследования и расчеты И. Курчатова, Б. Курчатова, Л. Мысовского и Л. Русинова привели к однозначному заключению: налицо новый тип радиоактивности, ускользнувший от зорких глаз Э. Ферми.
Выяснилось, что полуторачасовым периодом обладает бром-82. Ни один из двух других упомянутых сроков жизни, более коротких, к нему касательства не имеет.
Оба они относятся к брому-80. Парадоксально, но факт:
атомы-близнецы неодинаковы. При полной идентичности химических и физических свойств, ядерной и электронной структуры часть атомов брома-80 уменьшает общую интенсивность радиации вдвое через 18 минут, а часть через 4 часа.
Как оказалось, в последнем случае особенность ядер в том, что они возбуждены. Излучая гамма-кванты, ядра переходят в основное, более устойчивое, состояние и начинают испускать те же электроны, что их более спокойные двойники.
Так к уже известным типам радиоактивности примкнула ядерная изомерия. Сейчас былые диковинки, ядерные изомеры, исчисляются многими и многими дюжинами.
Открытие братьев И. и Б. Курчатовых, Л. Мысовского и Л. Русинова стало в один ряд с открытиями Э. Резерфорда, П. Вилларда и супругов Ф. и И. ЖолиоКюри. Но признано оно было не сразу. "Трудно поверить в существование изомерных, атомных ядер, то есть таких, которые при равном атомном номере обладают различными радиоактивными свойствами. Мы надеемся после проведения экспериментов узнать, стоит ли Заниматься вопросом об изомерных ядрах" - так на физическом съезде в Цюрихе в 1936 году заявила Л. Мейтнер, которая вскоре открыла деление урановых ядер.
Справедливости ради надо сказать, что Л. Мейтнер тогда же добавила: "Предположение о существовании изомерных ядер дало бы возможность объяснить искусственные превращения урана".
В 1938 году ядерную изомерию обнаружили Н.Ферев и Э. Бретчер (Англия). Повторно и попозже. Тем не менее в 1963 Году один канадский научный журнал, посвященный проблемам ядерной энергии, поместил таблицу видов радиоактивности, где в качестве первооткрывателей фигурировали... британские специалисты, а не советские. Неосведомленность?
Но не ради этого затеян разговор о ядерной изомерии. Ее механизм поможет нам понять, как атом превращается в рентгеновскую трубку микроскопических размеров.
Выше говорилось, что рентгеновской и гамма-радиации принадлежат соседние области на непрерывном спектре, причем одна незаметно переходит в другую.
Там же поднимался бессмертный вопрос, детски наивный и философски мудрый: где начало того конца, которым оканчивается начало? Теперь, познакомившись с ядерной изомерией, мы, возможно, сумеем пусть не распутать, а хотя бы разрубить этот гордиев узел.
Гамма-излучение может быть мягче рентгеновского.
И наоборот: рентгеновское - жестче гамма-излучения.
Притом различить их физически невозможно! Почему же тогда оба они называются по-разному? Может, просто потому, что одно было открыто раньше другого, а когда установили их тождество, традиция увековечила терминологическую путаницу? Попробуем разобраться.
Вскоре после того, как Э. Резерфорд "разделил неделимый", а затем подготовил его "архитектурный проект" в виде планетарной модели, стало постепенно выясняться, что в атоме сосуществуют как бы два микромира. Во-первых, центральное ядро. Во-вторых, периферийные (орбитальные) электроны. С первым начали связывать гамма-радиацию, со вторыми рентгеновскую. И тут есть своя логика.
Вспомним, что значит один элемент превращается в другой. По сути, вот что: из одного ядра возникает другое. При этом второе, "дочернее", может образоваться в возбужденном состоянии, которое неустойчиво. Чтобы обрести стабильность, "дочь" испускает гамма-кванты, после чего "успокаивается". Такие переходы обычно мгновенны, отнимают что-то около 1/12 секунды. Но длительность их резко возрастает с уменьшением энергии переходов (а стало быть, и жесткости гамма-квантов). В некоторых случаях процесс завершается через часы, дни, месяцы, годы, десятилетия.
Иначе говоря, из одинаковых ядер иные могут существовать в основном, иные - в возбужденном состоянии. Вот их-то и называют изомерами (от греческого "изос" - "равный" и "мерос" - "доля"). И тут начинается самое интересное.
Оказывается, у многих из них переход к устойчивости не сопровождается столь заметным внешне эффектом, как "пушечный залп" гамма-квантами, покидающими атом. Возбужденное ядро может избавиться от избыточной энергии иначе, на внутриатомном уровне.
Передать ее своим же спутникам-электронам. Те, в свою очередь, переходят в неустойчивое состояние, возбуждаются. И один из них вылетает вон из атома.
Это так называемая внутренняя конверсия (от латинского "изменение", "преобразование"). Нас интересует не сама она, а ее следствие: вместо гамма-излучения (первичного, ядерного) наблюдается рентгеновское (вторичное, орбитальное). Как же оно рождается?
Когда один из электронов покидает их компанию навсегда, на освободившееся место тотчас перескакивает другой. Возможна и последующая "перетасовка", поскольку заполнение одной вакансии влечет за собой появление другой. А каждый прыжок с орбиты на орбиту сверху вниз сопровождается испусканием кванта энергии, который тем мощнее (жестче), чем значительней разница между верхним и нижним уровнями. Но в любом случае эта вторичная радиация мягче первичной, не состоявшейся. Она может быть видимой, световой, и незримой, рентгеновской.
Так генерируют ее и радиоизотопы, которые вкраплены в любую горную породу... - в Антарктиде ли, в Сахаре или Сибири. Для этого им не нужна высокая температура, не требуется тепло, подводимое извне. Напротив, они сами нагревают земную кору и лежащую под ней мантию, выделяя энергию в процессе распада.
А в недрах Солнца, которые раскалены до многих миллионов градусов? Там, как мы знаем, доминирует именно рентгеновская радиация. Порождается они опять-таки электронами, но свободными, оторванными от своего атома, ставшего ионом. При той несусветной жаре они наделены огромной энергией. Ошибаясь, тормозясь, они теряют ее, испуская жесткие кванты. Возможны, конечно, и другие механизмы. Например, ион, сталкиваясь со сверхскоростными частицами, возбуждается и, переходя в более спокойное состояние, выбрасывает избыток энергии сгустками - рентгеновскими квантами. Он действует как пулемет: подзарядка, стрельба. И так далее.
Нечто подобное происходит с плазмой и на Земле, при ядерных взрывах например.
Электроны работают и в рентгеновской трубке. Разогнанные внешним электрическим полем, они с силой ударяются в антикатод. Замедляясь в плотной среде металла, то есть опять-таки теряя энергию, они высвобождают ее в виде жестких квантов. Тормозом служит внутреннее электрическое поле, создаваемое ядра"- ми бомбардируемого вещества. Пролетая поблизости от них, быстрые заряженные частицы вынуждены преодолевать это препятствие, на что и расходуют свои силы.
Наконец, в ускорителе электронов они излучают в том же диапазоне при взаимодействии с магнитным полем (синхротронный эффект).
Итак, куда ни посмотришь, первоисточники икслучей - не что иное, как электроны, самые многочисленные и самые миниатюрные рентгеновские трубки, сконструированные самой природой, действующие как внутри атома, так и вне его.
А как с гамма-радиацией? Когда разобрались, что к чему, ей стали приписывать особое происхождение.