Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Каким бы сюрпризом ни были рентгеновские лучи, аппарат с вакуумными трубками Рентгена, по крайней мере, что-то делал для активного снабжения энергией, которая нужна для создания радиации, пропуская электрический ток через трубки. Когда ток отключали, рентгеновские лучи исчезали[229]. Следующее открытие было гораздо более загадочным: Анри Беккерель[230], следом за работой Рентгена, обнаружил, что смеси урана[231] испускают рентгеновские лучи и другую радиацию все время, без всякого притока энергии. Это, казалось, было спонтанным созданием энергии из ниоткуда, что, согласно принятым законам физики, невозможно, и начались попытки найти источники радиоактивности.

Одним из наиболее успешных ученых по изучению радиоактивности и (по факту) создателем термина «радиоактивность» была Мария Склодовская-Кюри[232], которая начала экспериментировать с урановыми смесями вскоре после объявления Беккереля и показала, что радиация, исходящая изнутри атомов урана, не является результатом какого-то химического процесса, включающего взаимодействия между большими молекулами. Она также обнаружила, что некоторые руды, содержащие уран, были даже радиоактивнее, чем добытый из них очищенный уран, что указывало на присутствие какого-то другого неизвестного радиоактивного элемента.

Мария Кюри запустила длинный проект для обнаружения и выделения этого нового элемента, и затем к ней присоединился ее муж Пьер. Работая вместе в импровизированной лаборатории во дворе при Парижском университете, который немецкий физик Вильгельм Оствальд[233] описал как «помесь между конюшней и картофельным сараем», Кюри открыли два новых элемента – полоний[234] и радий, что привело обоих к Нобелевским премиям. В 1903 году чета Кюри и Беккерель разделили премию по физике[235] за их эксперименты по радиоактивности, а в 1911-м Мария одна[236] получила премию по химии за выделение радия и полония.

Примерно в то же время Эрнест Резерфорд, работавший тогда в Университете Макгилла в Монреале, проводил свои собственные эксперименты с радиоактивностью и разработал современную классификацию радиаций как альфа-, бета- и гамма-формы излучения. Они были упорядочены по своей проникающей силе, при этом альфа-частицы с наименьшей проникающей силой (альфа-излучение легко блокируется несколькими листами бумаги) и гамма-лучами как наиболее проникающими[237] (они могут пройти некоторое расстояние даже через такие плотные материалы, как свинец). В 1900 году Беккерель показал, что бета-частицы являются высокоэнергетическими электронами, и в 1905-м Резерфорд обнаружил, что альфа-частицы – это двойной ионизированный гелий[238]; гамма-лучи, как было показано в 1914 году, – высокоэнергетические фотоны.

Радиоактивность была плодотворной областью для исследований в ранние 1900-е годы сразу и как объект исследования, и как инструмент для изучения других вопросов. В 1909-м эксперимент Марсдена и Гейгера в лаборатории Резерфорда, в результате которого было обнаружено существование ядер (что обсуждалось в главе 4), был проведен с помощью высокоэнергетических альфа-частиц, излучаемых радием. Однако какой процесс создавал это излучение и в особенности откуда берется необходимая энергия, оставалось загадкой.

Проблема была продемонстрирована измерениями, сделанными Хансом Гейгером в 1921 году при исследовании взаимодействий альфа-частиц с ураном. Обстреливание высокоэнергетическими частицами атомов урана показало, что отталкивающее взаимодействие между ядрами урана и положительно заряженными альфа-частицами будет отталкивать частицы с энергией порядка 8.6 МэВ (миллионы электрон-вольт) или меньше[239], что находится в соответствии с ожиданиями от заряда ядра урана. Однако уран сам по себе радиоактивен и излучает альфа-частицы с энергией порядка 4.2 МэВ – гораздо ниже минимальной энергии, необходимой, чтобы альфа-частица попала в ядро.

Если мы посмотрим на эту проблему с точки зрения энергии, становится ясно, почему это невозможно в классической физике. Частица имеет два вида энергии: кинетическую энергию, благодаря своему движению, и потенциальную, благодаря своим взаимодействиям, притягивающим или отталкивающим.