Париж. Воскресное утро 1 марта 1896 г. Профессор Национального музея естественной истории Анри (Антуан Анри) Беккерель (1852 — 1908 гг.) обнаруживает, что уранил-калиевый бисульфат1 испускает невидимое излучение, обладающее способностью проходить через непрозрачные тела и засвечивать фотопластинку. Так произошло одно из величайших событий в истории физики — открытие радиоактивности.
Даже знай Беккерель, что такое замечательное явление, как радиоактивность, в природе существует, он все равно не поставил бы более простого, прямого и убедительного опыта: в качестве источника излучения взято соединение урана (элемента, обладающего умеренно высокой радиоактивностью), детектором служит фотоэмульсия (этот метод в ходу и сейчас), и наконец, достаточно велико время экспозиции (по-видимому, четыре дня). Из девяти десятков известных в те времена химических элементов только уран и торий обладают радиоактивностью, которую можно обнаружить столь простым способом. Если бы Беккерель взял не соединение урана, а любое другое вещество (кроме тория и его производных), никакого открытия он бы не совершил. Таким образом, с современной точки зрения успех французского ученого выступает как уникальная счастливая случайность, необходимый комплекс условия эксперимента — выбор образца — реализован вслепую. Но тогда, в марте 1896 г., Беккерель едва ли согласился бы с таким категорическим выводом. И действительно, целью его опытов было обнаружить невидимое «проникающее» излучение, и он нашел (как ему казалось) почти то, что искал.
Какими же соображениями руководствовался Беккерель в своих поисках? Ответ на этот вопрос содержится в лекции, которую он прочитал 11 декабря 1903 г. после получения Нобелевской премии за свое открытие. «В начале 1896 г., — говорил он тогда, — в тот самый день, когда в Париже стало известно об опытах Рентгена и о необычайных свойствах лучей, испускаемых фосфоресцирующими стенками круксовых трубок, я задумал исследовать, не испускает ли такие же лучи и всякое другое фосфоресцирующее вещество»2.
Гипотеза о том, что загадочные рентгеновские лучи сопутствуют всякой флуоресценции, представлялась очень привлекательной. Во-первых, образу мышления физика всегда импонирует перспектива увязать новое, неизвестное явление с чем-то более привычным и изученным, ведь такая «увязка» есть уже первый шаг к разгадке явления. Во-вторых, было ясно: окажись эта гипотеза верной, рентгеновские лучи можно будет получать без всяких высоковакуумиых и высоковольтных устройств. А в-третьих, сулящая важное открытие опытная проверка предположения представлялась крайне простой. Действительно, никаких приборов не нужно. Все, что требуется, это — источник освещения, черная бумага, фотопластинка и, конечно, флуоресцирующий образец. Условия опыта очевидны: следует положить образец на завернутую в черную бумагу фотопластинку, подержать все это некоторое время на солнечном свете (известно, что богатый ультрафиолетовыми лучами солнечный свет эффективно возбуждает флуоресценцию) и затем проявить пластинку. Если флуоресценция образца сопровождается испусканием проникающих рентгеновских лучей, то пластинка под образцом засветится. Обычно пишут, что идею связи флуоресценции с рентгеновскими лучами Беккерель воспринял от знаменитого математика и физика А. Пуанкаре. Действительно, Пуанкаре это предположение высказывал. Но ведь оно совершенно естественно, напрашивается само собой, и чтобы его выдвинуть, математический гений Пуанкаре вовсе не обязателен. Да и в приведенном отрывке из нобелевской лекции Беккерель говорит: «...я задумал». Как бы там ни было, исследования, увенчавшиеся открытием радиоактивности, проводились вполне целенаправленно для проверки этой ошибочной идеи, которая теперь кажется нам столь наивной.
Небезынтересно, что почти одновременно с Беккерелем аналогичные опыты были проведены в Англии известным в те времена электротехником, физиком и историком физики С. Томпсоном. Эти опыты в определенном смысле были даже перспективней беккерелевских, поскольку английский ученый экспериментировал с целым рядом флуоресцирующих веществ, среди которых было не одно, а несколько урановых соединений. Томпсон так же, как и Беккерель, обнаружил, что некоторые образцы, флуоресцируя в солнечных лучах, засвечивают фотопластинки через черную бумагу. То, что этот эффект наблюдался лишь в случае урансодержащих образцов, его, видимо, не слишком удивило: эти материалы флуоресцировали вроде бы поярче. Свои результаты он расценил как подтверждение открытой Рентгеном связи флуоресценции с испусканием невидимого проникающего излучения. Его смутило лишь одно обстоятельство. Естественно было думать, что возникающее невидимое излучение как более проникающее, чем световое, должно быть и более коротковолновым. Но это противоречило правилу Стокса, гласящему, что длина волны флуоресценции всегда больше длины волны излучения, ее возбуждающего. О своих сомнениях Томпсон написал автору этого фундаментального правила. Стокс быстро откликнулся, охотно признал, что открытая им закономерность, возможно, требует доработки, а в конце письма добавил: «Я опасаюсь, что Вы уже опережены Беккерелем».
И во Франции Беккерель был не единственный и даже не первый, кто поставил соответствующие эксперименты. Об опытах Рентгена в Париже узнали сначала из газет — они начали трубить о чудо-лучах в середине января 1896 г., — а потом из сообщения на очередном заседании Парижской академии наук — в понедельник (академики собирались каждый понедельник) 20 января. Спустя всего три недели, 10 февраля, перед уважаемым собранием выступил физиолог и биофизик, профессор Сорбонны и академик Шарль Анри. Он сообщил, что им с помощью фотопластинки зарегистрировано рентгеновское излучение, сопровождающее флуоресценцию сернистого цинка. В следующий понедельник слово на заседании было предоставлено другому академику, на этот раз математику, Болеславу Нивенгловскому, открывшему рентгеновское излучение теперь уже сернистого кальция.
Прошла еще неделя, и очередь дошла до Беккереля, 24 февраля он доложил академикам о своих экспериментах, которые отличались от опытов Анри и Нивенгловского только выбором другого флуоресцирующего материала — уранил-калиевого бисульфата. Подобно своим предшественникам, Беккерель утверждал, что эта соль, флуоресцируя на солнце, испускает «проникающие» лучи, засвечивающие фотопластинку через светонепроницаемую черную бумагу.
Все трое ошибались. Но по-разному. Анри и Нивенгловский просто приняли желаемое за действительное — результаты их опытов воспроизвести в дальнейшем не удалось3. Ошибка Беккереля была совершенно иного сорта, образец действительно флуоресцировал в солнечном свете и действительно испускал невидимое проникающее излучение, но только первое явление никак не было связано со вторым. Последний шаг, оставшийся до великого открытия, как раз и состоял в устранении этой ошибки.
С современной точки зрения кажется, что Беккерелю по сравнению с Анри и Нивенгловским повезло, ведь о радиоактивности урана он и не помышлял. Однако провозвестник атомной эры вряд ли согласился бы и с этим заключением. Снова обратимся к его нобелевской лекции. Вот как он обосновывал в ней свой выбор образца. «Среди фосфоресцирующих тел для исследования особенно подходили соли уранила вследствие необычного строения, которое, по-видимому, обнаруживается гармоническим рядом полос, образующих их спектры поглощения и фосфоресценции». Действительно, спектральные характеристики ураниловых солей очень своеобразны (их изучением занимаются уже более ста лет), но к открытию Беккереля они не имеют ровно никакого отношения: за спектры отвечает электронная оболочка атома (вернее даже, всего радикала UO2), а за радиоактивность — атомное ядро. Таким образом, «теория», подсказавшая Беккерелю правильный выбор образца, столь же неправильна, как и исходная идея всего исследования.
После своего доклада 24 февраля Беккерель решил продолжить эксперименты. Скорее всего, он намеревался изучить, как зарегистрированные им лучи проходят через различные предметы, с тем, чтобы провести сопоставление с рентгеновскими лучами. То ли для удобства работы, то ли для стандартизации экспериментальных условий Беккерель смастерил специальную кассету, в которую можно было вставлять фотопластинки с размещенными на них образцами из различных материалов и различной формы. Препарат уранил-калиевой соли он клал на кассету сверху. К утру 26 февраля все было готово для возобновления экспериментов. Но погода не благоприятствовала, солнце показывалось ненадолго. Таким же был и следующий день. Суммарное время флуоресценции соли за эти два дня было очень невелико. Беккерель отложил свои опыты и спрятал подготовленную кассету с фотопластинкой и препаратом в ящик стола.
1 марта с утра тучи рассеялись, и эксперименты можно было продолжить. Но Беккерель решил сначала проявить пластинку, вставленную в кассету несколькими днями раньше. Почему он так поступил? Об этом можно только догадываться. Впрочем, его действия вполне естественны. Для нового опыта лучше вставить свежую пластинку. А что сделать со старой? Выбросить?.. Но выбросить никогда не поздно. Лучше сначала проявить. Может быть, на ней что-нибудь да есть. Как бы там ни было, Беккерель проявил пластинку и увидел на ней изображение препарата уранил-калиевой соли, причем изображение не менее отчетливое, чем в случае длительной экспозиции в солнечном свете. Этот факт ученый расценил как «весьма важный и неожиданный и в следующем эксперименте с пятичасовой выдержкой в темноте убедился, что солнечный свет вообще не нужен. Дальнейшие опыты логично и закономерно привели Беккереля к пониманию того, что обнаруженное им невидимое излучение к флуоресценции никакого отношения не имеет и связано лишь с присутствием урана. В 1898 г. Мария Кюри назвала это свойство радиоактивностью.
Таким образом, можно сказать, что радиоактивность была обнаружена в незапланированном, случайном эксперименте с длительной выдержкой пластинки под уранил-калиевой солью в темном ящике стола. Это признавал и сам Беккерель. Но вместе с тем он совершенно справедливо отмечал, что такой опыт «...я все равно провел бы рано или поздно, когда я систематически изучил бы для фосфоресцирующих веществ формы воздействия на фотографическую пластинку и их продолжительность...» Против этого трудно возразить. Непреложные правила физического эксперимента предписывают проводить контрольные опыты, т. е. опыты, в которых главный фактор, обусловливающий эффект, по возможности исключен. В данном случае в качестве такого фактора выступал солнечный свет. Странно только, что Беккерель не проделал этот контрольный опыт раньше. Впрочем, эксперименты были еще на начальной стадии (с их начала прошло, видимо, не более двух недель).
Кроме того, если бы Беккерелю не удалось избавиться от заблуждения относительно неразрывной связи невидимого проникающего излучения уранил-калиевой соли с ее флуоресценцией в солнечном свете, это, бесспорно, сделали бы другие. В том, что такие «другие» нашлись бы, не может быть сомнений, поскольку рентгеновские лучи привлекали в это время всеобщее внимание (в одном 1896 г. этой теме было посвящено 1044 публикаций), а беккерелевская уранил-калиевая соль казалась удивительным преобразователем солнечных (ультрафиолетовых) лучей в лучи, во всяком случае очень напоминавшие рентгеновские.
Беккерель первоначально связывал открытый им эффект с действием ультрафиолетовых лучей. Даже если бы это ошибочное предположение не было быстро отброшено, неизбежно последовали бы исследования по влиянию спектрального состава, интенсивности «возбуждающего» облучения, которые обязательно привели бы сначала к выводу об отсутствии такого влияния, а затем и к заключению о том, что наблюдаемый эффект вообще никак не связан с внешним облучением ураниловой соли.
Конечно, несколько странно, что с конца февраля 1895 г. по декабрь 1897 г., когда в исследования включилась М. Кюри, Беккерель проводил свои исследования в полном одиночестве. Вероятно, его результатам не полностью доверяли, особенно после псевдооткрытий Анри, Нивенгловского и других. Но стена недоверия, если таковая и существовала, неизбежно должна была рухнуть — воспроизвести результаты Беккереля мог за несколько часов практически каждый.
Таким образом, опыт с «экспозицией в темноте», которому принято приписывать решающую роль в открытии радиоактивности, явился лишь выступившей в обличье случайности реализацией вполне закономерного и совершенно неизбежного шага, шага, которого с необходимостью требовала стандартная логика развертывания физического исследования. Ситуация несколько напоминает историю открытия электрического тока. Гальвани обнаружил ток, но не смог освободиться от рабочей гипотезы «животного электричества», выйти из-под «гипноза» лягушечьей лапки. Этот шаг пришелся на долю Вольты.
Беккерелю же рабочую гипотезу фосфоресценции удалось опровергнуть самому, так что, образно говоря, он в своем открытии проделал работу и Гальвани, и Вольты.
Действительно, решающим шагом был, конечно, выбор уранового соединения как объекта исследования. Как уже говорилось, соображения, которыми, по его собственным словам, руководствовался Беккерель, были совершенно ошибочными. Скорее всего, для счастливого выбора имелись и другие основания: уранил-калиевый бисульфат флуоресцировал на солнце ярче многих других материалов — и при этом светился желто-зеленым цветом, очень напоминающим оттенок свечения стекла разрядных трубок. Но и эти особенности никак не связаны с радиоактивностью.
Как правило, истолковывая, почему ученый обратился к урановому соединению, с большей или меньшей эффектностью обыгрывают «генеалогическое древо» Беккерелей. Крупными физиками были Антуан Сезар Беккерель (1788 — 1878 гг.) и Александр Эдмон Беккерель (1820 — 1891 гг.) — дед и отец Анри Беккереля4. Оба они интересовались фосфоресценцией и флуоресценцией и внесли в исследование этих явлений очень важный вклад. Они же начали собирать в Национальном музее естественной истории (оба так же, как Анри Беккерель, были его профессорами) ту обширную коллекцию светящихся холодным светом минералов, из которой-то и был взят для знаменитых опытов уранил-калиевый бисульфат. Антуан Сезар Беккерель опубликовал свои первые работы по холодному свечению в 1839 г. Флуоресценцию солей уранила Эдмон Беккерель изучал еще в начале 70-х гг. Несколько позже к нему в этих исследованиях присоединился и Анри, который в 1883 — 1884 гг. получил важные результаты по спектрам флуоресценции этих соединений. Уже после открытия радиоактивности интересные исследования флуоресценции ураниловых солей при низких температурах провел Анри Беккерель, теперь уже со своим сыном Жаном. Последний продолжил изучение этих веществ, правда, больше интересуясь магнитооптическими явлениями.
Конечно, славная физическая династия Беккерелей — примечательный факт в истории физики. И традиционный интерес представителей этого семейства к явлениям холодного свечения и к ураниловым соединениям наверняка сыграл важную роль в том, что Анри Беккерель, отошедший к середине 90-х гг. от активной исследовательской деятельности, столь заинтересовался флуоресценцией разрядных трубок при испускании рентгеновских лучей5. Однако эти обстоятельства свидетельствуют о логике, закономерности деятельности Беккереля как личности, как ученого, но не имеют ни малейшего отношения к внутренней, логике самого научного поиска — исследование только что открытых рентгеновских лучей, как это нам теперь совершенно ясно, отнюдь не требовало постановки опытов с ураном. Даже будучи субъективно закономерной в отношении Беккереля, их постановка в феврале 1896 г. является объективно случайной в отношении физики изучаемых явлений. Сам Беккерель считал, что, не возьмись он за опыты с ураном, открытие радиоактивности произошло бы намного позже. И, соглашаясь с ним, нельзя не признать, что выбор Беккерелей уранового соединения был для всей физической науки, равносилен приобретению счастливого лотерейного билета.
Но была ли у физиков возможность вытянуть этот счастливый билет раньше? М. Г. Клапрот открыл уран в 1789 г. (правда, потом оказалось, что был выделен только окисел урана), а в 1841 г. этот элемент был получен А. Пелиго в виде металла. Ураном и его соединениями уже в те годы занимались и химики и физики, В 1852 г. было открыто фундаментальное для явлений холодного свечения «правило Стокса». При его установлении Г. Стокс экспериментировал и с урановыми соединениями. О многочисленных исследованиях флуоресценции ураниловых солей мы уже говорили. Урановые соединения с давних пор использовались и в технологии. Окислы урана довольно широко применяли в стеклоделии, в частности, например, для получения так называемого уранового стекла (Г. Герц в 80-х гг. применял флуоресцирующий экран из такого стекла в опытах с катодными лучами). Урановые соединения использовали при приготовлении цветных глазурей для керамических изделий, при выделке кож и тканей.
Урановые соединения применяли также в фотоделе для тонирования отпечатков, для усиления «недодержанных» негативов. Казалось бы, при этом необычное поведение урана могло привлечь внимание, ведь его радиоактивное излучение засвечивает фотоматериалы. И действительно, в 1866 г. лейтенант парижской муниципальной гвардии и один из изобретателей фотопластинок Ньепс де Сен-Виктор представил Академии работу «О новых действиях света», в которой сообщал, что ураниловая соль в темноте оказывает фотоактивное действие. Аналогичный эффект наблюдал несколько позднее итальянский химик Арнодон. Но этим результатам, впрочем, по-видимому, недостаточно четким и воспроизводимым, серьезного внимания уделено не было. А ведь зарегистрированного эффекта уже было достаточно, чтобы ухватиться за ниточку, ведущую к великому открытию.
Возможен был и другой путь к радиоактивности, путь вполне закономерный, логичный и сообразный с физикой явления.
Еще Ш. Кулон, проводя свои электростатические измерения, увенчавшиеся в 1785 г. установлением основного закона электростатики, носящего его имя, столкнулся с явлением утечки заряда, которое ему, естественно, очень мешало. Последующие исследования привели его к выводу, что заряд не только «стекает», через изоляционные подставки, но и уносится воздухом. Однако вопрос об электропроводности воздуха долгое время почти не привлекал внимания физиков. По существу, к нему вернулись лишь через сто лет, в контексте работ по электрическому разряду при пониженном давлении, развитию которых способствовал значительный прогресс, достигнутый в это время в области вакуумной техники.
К началу 90-х гг. стало понятно, что электропроводность воздуха связана не только с присутствием в нем влаги и пылевых частиц, но и с его ионизацией.
Новый и сильнейший импульс исследования электропроводности воздуха получили в 1895 г., когда Рентген, открыв свои лучи, обнаружил, что они эффективно ионизируют воздух. Уже в 1896 г. важные работы по изучению этого процесса были начаты в Англии Дж. Дж. Томсоном, Э. Резерфордом и Дж. Таунсеном, в следующем году к этим работам подключился П. Ланжевен.
Именно от этих исследований перешел Резерфорд к изучению радиоактивности. И это понятно, ведь уже через три недели после своего великого открытия Беккерель сообщил, что найденные им лучи также ионизируют воздух. Исследования следующего двадцатилетия показали, что электропроводность воздуха вблизи земной поверхности связана в основном с ионизирующим действием содержащихся в грунте радиоактивных материалов.
Думается, что если бы даже физики случайно не натолкнулись на уран, его удивительное свойство — радиоактивность — все равно было бы обнаружено (конечно, позднее) в ходе систематического изучения круга вопросов, связанных с проводимостью воздуха, в процессе непрерывного совершенствования использовавшихся в соответствующих измерениях электроскопов и электрометров. Ведь единственной (если не считать космического излучения) причиной разряда электроскопа с достаточно высококачественной изоляцией является радиоактивное излучение материалов его конструкции, окружающих предметов, земли. Несомненно, этот сильный и очевидный эффект так же, как повышенная степень ионизации воздуха вблизи скоплений минералов, содержащих уран и торий, со временем был бы замечен. После этого неизбежно встал бы вопрос идентификации элементов, ответственных за ионизацию, т. е. начался бы целенаправленный поиск радиоактивных элементов.
Заметим также, что сразу же после открытия рентгеновских лучей и их ионизирующего действия и еще до экспериментов Беккереля Ч. Т. Р. Вильсон (1869 — 1959 гг.) начал опыты, которые завершились в 1911 г. созданием знаменитой камеры Вильсона, одного из самых замечательных и полезных приборов ядерной физики, прибора, с помощью которого было сделано столько важнейших открытий. В феврале 1896 г. Вильсон, вооружившись позаимствованной у Дж. Дж. Томсона одной из первых рентгеновских трубок, обнаружил, что в баллоне с пересыщенным водяным паром вокруг порождаемых рентгеновскими лучами ионов собираются водяные капельки. Даже если бы радиоактивность не была открыта, изобретенная Вильсоном камера просто не могла бы «не заметить» энергичные частицы (особенно это касается альфа-частиц), вылетающие из атомного ядра при его распаде.
Вероятно, возможны и другие увязанные с общим прогрессом физики «сценарии» обнаружения радиоактивности «в обход» счастливого открытия Беккереля. Едва ли можно утверждать, что это открытие в 1896 г. уже назревало, «носилось в воздухе», как это нередко бывает с другими крупными научными достижениями. «Прогнозы прошлого» — предприятие, еще более сомнительное, чем предсказывание будущего (в последнем случае по крайней мере возможна «экспериментальная проверка»), но все-таки было бы наверняка ошибочным считать, что, не попади Беккерелю под руку уран, человечеству до сих пор бы была неведома радиоактивность. Более того, в связи со сказанным выше относительно развития исследований ионизации воздуха представляется, что, не будь Беккереля, открытие радиоактивности «запоздало бы» не более чем на 10 — 15 лет.
- 1. Химическая формула этой двойной соли K2UО2(SО4) · 2Н20, уранилом называют радикал UO2++
- 2. Рентген указал, что обнаруженные им невидимые лучи испускаются участком стеклянной трубки, который флуоресцирует под действием падающих на него изнутри катодных лучей. Флуоресценцией называют «холодное» свечение, возникающее под действием внешнего облучения и гаснущее практически сразу же, когда внешнее воздействие прекращается. В противоположность этому фосфоресценция продолжается более или менее длительное время и в отсутствие внешнего облучения (например, в темноте). Во времена Беккереля эта терминология еще твердо не установилась, и, говоря о фосфоресценции, он часто имел в виду флуоресценцию.
- 3. Было бы, видимо, неправильно считать это только следствием недостатка должного профессионализма. Вслед за открытием беккереля об «открытиях» невидимых лучей разных типов сообщили несколько высококвалифицированных физиков. Так, сын Анри Беккереля Жан Беккерель в начале 900-х гг, посвятил 10 статей печально известным в истории физики несуществующим N-лучам профессора Р. П. Блондло (Парижская академия даже поспешила присудить за это псевдооткрытие почетную Золотую медаль и крупную премию). Жан Беккерель даже утверждал, что ему удалось передать эти лучи nо проводу.
- 4. Для полноты заметим, что видным физиком стал уже упоминавшийся нами сын (от первого брака) Анри Беккереля Жан Беккерель (1878 — 1953 гг.). Кроме того, первой женой Анри Беккереля была дочь французского физика Ж. С. Жамена (оптикам хорошо известен интерферометр Жамена).
- 5. Сам Анри Беккерель писал: «Открытие радиоактивности должно было быть сделано в лаборатории музея, и если бы мой отец был жив в 1896 г., он бы явился его автором».
Добавить комментарий