Теперь, я надеюсь, мне позволено будет рассказать о моем знакомстве с сущностью радиоактивности. Когда я поступил в Кавендишскую лабораторию в 1895 г., я начал работу по ионизации газов Х-лучами. Я прочел статью Беккереля, и мне захотелось узнать, не одинаковы ли по своей природе ионы, образующиеся от излучения урана и от Х-лучей, и, в частности, меня заинтересовало мнение Беккереля о том, что его излучение есть что-то промежуточное между светом и Х-лучами. Поэтому я приступил к систематическому исследованию излучения и установил, что существует два его типа: одно создает интенсивную ионизацию и поглощается в нескольких сантиметрах воздуха, а другое производит менее сильную ионизацию, но более проникающее. Я назвал их соответственно - и -лучами; когда же в 1898 г. Вийяр открыл еще более проникающий впд излучения, он назвал его лучами.
В 1898 г. я приехал в Мак-Гиллский университет в Монреале и там встретился с Р. Оуэнсом, новым профессором электротехники, который прибыл одновременно со мной. Оуэнс имел стипендию, которая обязывала его проводить некоторые физические исследования; он спросил, не могу ли я ему предложить тему, которую он мог бы исследовать для оправдания этой стипендии. Я предложил ему исследовать с помощью электроскопа торий, радиоактивность которого была тем временем открыта Шмидтом. Я помогал ему в проведении экспериментов, и мы обнаружили некоторые очень странные явления. Оказалось, что радиоактивное воздействие окиси тория может проходить сквозь дюжину листков бумаги, положенных поверх этой окиси, но задерживается тончайшей пластинкой слюды, как будто излучается что-то, способное диффундировать сквозь поры бумаги. Тот факт, что прибор был очень чувствителен к движению воздуха, поддерживал эту диффузионную гипотезу. Затем мы провели эксперименты, в которых воздух проходил над окисью тория, а потом попадал в ионизационную камору. Эти опыты показали, что активность может переноситься воздухом. Однако, когда поток воздуха прекращался, активность в ионизационной камере не сразу исчезала, а уменьшалась постепенно по экспоненциальному закону. Я назвал это газообразное вещество, которое может диффундировать сквозь бумагу, переноситься воздухом и в течение некоторого времени сохранять свою активность, исчезающую по характерному закону, "эманацией тория".
Я установил, что эта эманация обладает чрезвычайно своеобразным свойством делать радиоактивными тела, над которыми она проходит. Казалось, что это свойство скорее всего обусловлено осаждением некой материальной субстанции, а не какой-либо активностью, возникшей в самих телах под действием излучения, так как тогда количество осажденного вещества должно увеличиваться при приложении электрического поля. В те времена многие получали неповторяющиеся и странные результаты, помещая предметы вблизи радиоактивных веществ; по-видимому, все это могло объясняться наличием таких же эманаций, как обнаруженная нами у тория.
Прежде чем считать такое объяснение правильным, необходимо было выяснить истинную природу эманации. Это было очень трудно, так как доступное количество ее всегда было очень мало. С самого начала Содди и я предположили, что это, должно быть, инертный газ вроде гелия, неона или аргона, так как нам никак не удавалось заставить ее соединиться с каким-либо химическим веществом. Мы смогли грубо оценить ее молекулярный вес путем сравнения скорости ее диффузии и других газов с известным молекулярным весом. Используя свойство эманации разряжать электроскоп в качестве меры наличного ее количества, нам удалось, имея в своем распоряжении очень малое количество эманации, измерить эту скорость диффузии. Мы пришли к заключению, что ее атомный вес должен быть примерно равен 100. Затем мы постарались определить, образуется ли эманация непосредственно из тория или же из какого-то промежуточного продукта. Применяя химические методы, мы смогли отделить промежуточное вещество, из которого образуется эманация, и назвали его "торий X".
Примерно в то же время Рамзай заметил, что в большинстве радиоактивных минералов присутствует гелий и что он представляет собой другой газообразный продукт превращений. Впоследствии я сам смог показать, что гелий обусловливается накоплением -частиц.
До 1903 или 1904 г. количество радия было очень ограничено, и большей частью имевшегося в мире радия располагали супруги Кюри, которые выделили его из урановой смолки путем долгого и трудного процесса. Одно из первых сделанных ими наблюдений заключалось в том, что температура радия весом около 100 мг выше температуры окружающего воздуха. Они подсчитали, что 1 г радия должен выделять тепло со скоростью около 100 кал/час. Этот эксперимент всех взбудоражил, ибо даже мысль о существовании какого-либо вещества, температура которого выше температуры окружающего воздуха, была нестерпима для старомодных физиков, и тогда всеобщее распространение получило представление о том, что радий обладает своеобразным свойством действовать в качестве термодинамической машины, использующей тепло воздуха. Я был твердо убежден в том, что тепловой эффект неизбежно есть следствие излучения - и -частиц и что он уменьшается со временем точно так же, как и активность. Впоследствии мы смогли разобраться в причинах тепловых эффектов радиоактивных тел и показать, что в этом процессе нет ничего загадочного. Мы смогли показать, что теплота при этих радиоактивных превращениях может выделяться в огромных количествах. Эти количества, подсчитанные на единицу массы, оказались в миллионы раз больше тех, которые были получены с помощью химических реакций, и мы смогли показать, что это характерно для всех радиоактивных превращений.
Теперь я хочу немного остановиться на экспериментальных доказательствах природы -частиц. Различными экспериментами и с помощью разных сотрудников мне удалось показать, отклоняя -частицы в магнитном поле, что эти частицы есть атомы гелия, несущие два положительных заряда; мы смогли также измерить их скорость. Примерно в то же время (1903 или 1904 г.) Брэгг и Климан сделали свой весьма интересный и важный анализ ионизационной кривой -лучей, показав, что ионизация изменяется вдоль их пути весьма характерным образом. Теперь кривая, описывающая форму такого изменения, известна как "кривая Брэгга".
Я хочу рассказать также о двух важных открытиях, являющихся в большой степени заслугой Содди. Я говорю об открытии закона смещения и открытии изотопов среди радиоактивных элементов.
Исследуя химические свойства радиоактивных веществ, Содди заметил, что часто имеется простое соотношение между положениями в периодической таблице исходных и конечных элементов, участвующих в радиоактивных превращениях. Прежде чем он смог убедиться в общности такого вывода, необходимо было определить химические свойства всех известных радиоактивных элементов, что было далеко не простой задачей, так как многие из них имелись в ничтожных количествах. Такую же работу провел Ган; в результате широкое обобщение, теперь известное как "закон смещения", было сделано почти одновременно А. Расселом, Фаянсом и Содди. Этот закон просто утверждает, что, если вещество испускает -частицу, оно перемещается вниз на два места в периодической таблице, а когда оно испускает -частицу, то оно поднимается в таблице на одно место вверх. Очевидно, что это связано с тем фактом, что -частица несет два положительных заряда, а -частица - один отрицательный заряд.
В отношении изотопов положение было следующим. Многие исследователи при разделении определенных радиоактивных тел натолкнулись на невероятное, почти непреодолимое затруднение. Содди очень заинтересовался этим явлением и обнаружил несколько радиоактивных веществ, которые он не смог разделить. Эти вещества были совершенно различными и обладали характерными радиоактивными свойствами, однако их нельзя было разделить с помощью химических операций. Он обратил также внимание, что в периодической таблице для большой группы радиоактивных элементов даже пет места, и предположил, что существуют элементы, не отделимые с химической точки зрения, но обладающие различными свойствами с точки зрения радиоактивности. Содди назвал соответствующие элементы такого рода "изотопами", и так было положено начало большой области исследований, огромный вклад в которую внес Астон.
II. РАЗВИТИЕ НАШИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРУКТУРЕ АТОМА
В сегодняшней лекции я попытаюсь рассказать очень кратко о развитии наших представлений о частицах, образующих атом, и его структуре.
Одной из наиболее важных частиц в атоме является электрон, и я попытаюсь прежде всего очень коротко изложить вам, как изменились наши представления об электроне за последние 40 лет. Это было в 1897г., когда из экспериментов, проведенных в основном нашим руководителем Дж.Дж. Томсоном, вытекало, что так называемые катодные лучи Крукса состоят из потока частиц очень малой массы, движущихся с очень большой скоростью. Я полагаю, что мы вправе приписать преимущественную роль в этом открытии Дж.Дж. Томсону, поскольку он был первым, кто отклонил эти частицы как в электрическом, так и в магнитном полях, и первый понял, что электрон должен быть составной частью всех атомов, а также придумал методы определения числа электронов в атоме. В первых же экспериментах было обнаружено, что отношение заряда к массе электрона более чем в одну или две тысячи раз превышает таковое же для водорода, легчайшего из известных атомов; одновременно было показано, что электроны в откачанной трубке могут обладать огромными скоростями, приближающимися даже к скорости света. Итак, масса электрона оставалась неизвестной, известно было лишь отношение заряда к массе, но все указывало на то, что электрон очень легок и подвижен. Скотсмен и Сазерленд в Мельбурне высказали очень интересное предположение, что этот легкий электрон, возможно, не что иное, как движущийся единичный электрический заряд, не обладающий связанной с ним материальной массой. Еще в 1881 г. Дж.Дж. Томсон показал, что сфера радиуса a, обладающая зарядом е, по-видимому, имеет дополнительную массу 2e2/3a, что соответствует тому факту, что при движении этой сферы энергия должна переходить в окружающее ее электромагнитное поле. Сазерленд отметил, что, если предположить радиус а достаточно малым, не обязательно считать, что электрон обладает вообще какой-либо "обычной" массой. Если это справедливо, то радиус электрона будет равен около 2x10-13 см. Это была заманчивая идея, и ученые попытались проверить ее справедливость.