Павел Власов - Беседы о рентгеновских лучах (второе издание)

И еще, как видно, и В. Рентген, и А. Беккерель, и любой человек, и вообще род людской имел дело с икс-лучами 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).

— 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 счетчик 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. Жолио-Кюри. 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.