История открытия радиоактивности

Н.М.Вострикова

МОУ средняя общеобразовательная школа № 62, Центральный район, г. Воронеж
История науки не может не интересовать ученых – естественников:

ученый находит в ней … многочисленные уроки…

ЛУИ ДЕ БРОЙЛЬ

Использование исторического материала в преподавании физики позволяет решать многие задачи. Одна из первых - пробуждение устойчивого интереса к физике – науке, вторая – повышение качества усвоения научных знаний, формирование научного миропонимания, наконец, история физики позволяет раскрыть перед учащимися общие закономерности и принципы научного познания. Знакомя учащихся с историей науки, мы показываем, как создаются физические теории, какова роль гипотез в развитии физики, в чем особенность научного эксперимента и т.д.

Луи де Бройль указывал: «История науки может дать нам полезные указания о методе преподавания науки». Из опыта преподавания известно, что учащиеся часто делают такие ошибки в понимании важнейших физических понятий и идей, которые аналогичны заблуждениям, имевшим место в историческом процессе формирования этих понятий и идей. [2]

А.Эйнштейн писал о роли историзма в обучении : «Содержание науки можно постигать и анализировать , не вдаваясь в рассмотрение индивидуального развития её создателей. Но при таком односторонне объективном изложении отдельные шаги иногда могут казаться случайными удачами. Понимание того, как стали возможными и даже необходимыми эти шаги, достигается лишь, если проследить за умственным развитием индивидуумов, содействовавших выявлению направления этих шагов».[1]

История открытия радиоактивности - пример научного предвидения, логически строгого творчества и неслучайной “случайности”. В связи с историей открытия радиоактивности необходимо назвать имена первых исследователей: Анри Беккерель, Мария и Пьер Кюри, а также Эрнест Резерфорд, Ханс Вильгельм Гейгер, Эрнест Марсден. Все эти ученые в большей или меньшей степени вложили посильный вклад в первые исследования явления, которое как никакое другое наложило свой отпечаток на развитие науки и техники, культуры и политики . В данной статье предлагается следующий фактический материал.

8 ноября 1895 года Конрад Вильгельм Рентген открыл Х – лучи и исследователи всего мира принялись активно изучать их свойства, напряженно пытались разгадать природу, изучить свойства этих лучей, рассмотреть подобные явления. Эти же вопросы поставил перед собой Анри Беккерель (1852-1908), один из славной династии выдающихся физиков, к которой принадлежали его дед Антуан Сезар (1788-1878), отец Эдмонд(1820-1891) и его сын Жан(1878 -1953).Флуоресценция и фосфоресценция были, так сказать, «семейным делом» Беккерелей. Анри Беккерель с 1882 по 1892 г. продолжал работу отца - спектроскопические исследования фосфоресценции, и в частности фосфоресценции урана.

Как только Анри Беккерель узнал об опытах Рентгена, ему тотчас показалось, что они имеют отношение к тому, чем он занимается, и сразу же, т.е. в начале 1896 г., он задался вопросом, не могут ли рентгеновские лучи испускаться фосфоресцирующими телами, подвергшимися длительному облучению солнечным светом. Среди исследованных фосфоресцирующих веществ были и соли урана. Он завертывал фотографическую пластинку в двойной слой черной бумаги, накладывал сверху кристаллы некоторых соединений урана и затем выставлял на несколько часов на солнечный свет. После проявления пластинки на ней обнаруживался черный отпечаток фосфоресцирующего кристалла. Отпечаток был вызван прошедшими через черную бумагу лучами. 26 и 27 февраля 1896 года пасмурная погода не благоприятствовала опытам и подготовленная пластинка, на которой находился кристалл соединений урана, пролежала в темноте еще и “високосный” день. Тем не менее когда 1 марта Беккерель проявил пластинку, ожидая найти лишь очень слабый отпечаток, то оказалось, что все обстоит так, как и при ярком солнечном свете. Таким образом, проведя еще ряд повторных опытов, Беккерель установил, что солнечный свет не играет роли в получении отпечатков. В данном случае отпечатки создаются не светом фосфоресценции, а какими–то другими, совсем новыми лучами. Беккерель продолжил исследование лучей и установил, что они могут разряжать наэлектризованные тела. В том же году Беккерель доложил о проделанных опытах и полученных результатах на заседаниях Французской академии наук.

Когда в следующем году Мария Кюри – Склодовская выбирает для себя тему докторской диссертации, она останавливается на опубликованных работах Анри Беккереля. Лучи Беккереля в высшей степени заинтриговывают чету Кюри. Откуда возникает эта, хотя и минимальная, энергия, какую непрестанно выделяет содержащее уран вещество в виде излучения? Какова природа этих излучений? На все эти вопросы ответов пока нет: лучи практически не изучены.

Для проведения работы по исследованию нового явления в полное распоряжение Мари предоставляется застекленная мастерская на первом этаже института. Эта комната, загроможденная и сыроватая от пара, служит складом и машинным отделением. Техническое оборудование примитивно. Комфорта никакого. Работать нелегко, точные приборы коварны: подводит влажность, колебания температуры. В рабочей тетради Марии за 6 февраля 1898 года среди цифр и формул есть запись: «Температура 6,25⁰!!». Однако в первые же месяцы исследований Мария получает новый результат: интенсивность таинственного излучения пропорциональна количеству урана в исследуемых образцах, излучение может быть измерено совершенно точно и на него не влияет ни состояние химических соединений урана, ни такие внешние воздействия, как освещенность или температура.

В 1898 г одновременно супруги Кюри и Резерфорд исследовали свойства лучей радия и практически одновременно получили результаты, которые были ими опубликованы; в различных источниках пальма первенства отдается то супругам Кюри, то Резерфорду. Подвергнув лучи радия действию магнитного и электрического полей, ученые обнаружили три вида лучей. Лучи, задерживавшиеся двумя листочками бумаги или слоем воздуха толщиной в несколько сантиметров, были названы альфа – лучами. Свойства бета и гамма – лучей были также изучены Резерфордом. Однако между учеными никогда не возникали вопросы о приоритете открытия, они исследовали природу открытого ими явления, и важным было для них дать людям возможность использовать результаты своих исследований.

Одним из важнейших использований лучей радия было лечение с их помощью некоторых заболеваний. Первые данные о физиологическом воздействии лучей были получены в исследованиях Пьера Кюри. В 1900 году он изучает действие радия на животных. Ученые – медики пришли к заключению: радий, разрушая больные клетки, излечивает волчанку, злокачественные опухоли и некоторые формы рака. Радий полезен, изумительно полезен! Выделение радия имеет значение не только как научный опыт. Должно начаться промышленное производство радия. Кюри кладут начало такому производству. Собственными руками, более руками Марии, они добывают первый на свете грамм радия из восьми тонн уранита разработанным ими способом. С тех пор как стали известны лечебные свойства радия, повсюду начались поиски радиоактивных минералов. Возник вопрос о «закреплении прав», патентовании технологии промышленной добычи радия во всем мире. Однако Мария говорит: “Нельзя. Это противно духу науки”[1]. В дальнейшем Кюри всегда нуждались в средствах на проведение своих исследований.

10 декабря 1903 года Академия наук в Стокгольме публично объявляет, что Нобелевская премия по физике присуждается Анри Беккерелю и супругам Кюри за открытия в области радиоактивности. Кюри принадлежат количественный закон радиоактивного распада, введение в науку понятия периода полураспада, предложение использовать период полураспада как эталон времени для установления абсолютного возраста земных пород. Перегруженные работой супруги Кюри смогли прибыть в Стокгольм только летом 1905 года. На полученные средства они нанимают для своей лаборатории служащих, помогают в открытии санатория, осуществляют денежные подарки польским студентами и т.д. Все добрые дела Мария совершает без всякого шума, разумно.

В 1908 году Нобелевскую премию по химии получил Эрнест Резерфорд за исследования по превращению элементов и по химии радиоактивных веществ.

Резерфорд начинал научную работу с исследования свойств лучей радия. Он не только разделил лучи на три составляющие, но и подробно исследовал свойства каждого вида излучений. Кроме того, он нашел научное применение альфа – лучам, предложив своим сотрудникам Хансу Гейгеру и Эрнесту Марсдену исследовать прохождение альфа – лучей сквозь тонкую золотую фольгу.В 1908г. Гейгер и Марсден начали экспериментальное изучение прохождения альфа – частиц через тонкие пластинки золота и других металлов. Они заметили, что большинство частиц проходит через пластинку почти по прямой и продолжает дальше за пластинкой свой путь так, как будто никакого препятствия со стороны вещества не было. Аналогичное наблюдение было проведено Уильямом Брэггом в 1904 г. Однако только благодаря усердию, настойчивости, трудолюбию, тщательности в наблюдениях Гейгер и Марсден получили результаты, поразившие самого Резерфорда. Оказалось, что одна из 10 000 альфа – частиц – все же сильно отклонялись, причем отклонение было больше прямого угла. Необходимо отметить, что наблюдения велись с помощью простейших средств – сцинтилляционного экрана в полной темноте на протяжении длительного времени, что не могло сказаться на здоровье исследователей. Данные результаты стали основой для предложения Эрнестом Резерфордом принятия модели строения атома, предложенной в декабре 1903 г. японским физиком Хантаро Нагаока: «Очевидно, рассмотренная здесь система будет приблизительно реализована, если мы разместим электроны по кольцу, а положительный заряд в центре» - “система Сатурна”[3, 7]., которая не обратила на себя внимания физиков. Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, используется до сих пор как простейшая переходная модель в элементарном курсе физики для учащихся школ.

Есть необходимость рассказать учащимся и о том, что правила техники безопасности пишутся человеческой кровью. Анри Беккерель положил ампулу с веществом, дающим лучи, в карман жилета и в конце дня получил болезненную язву, которую было необходимо лечить несколько недель. У Пьера Кюри после нескольких лет работы с радием стали болеть суставы. У сотрудников института радия во Франции, которым руководила Мария Склодовская – Кюри, появлялись ожоги кожи рук. В Доме ученых обществ на улице Дантона во Франции Пьер Кюри участвует в организации работы по выработке правил в целях устранения тех опасностей, каким подвергаются исследователи. В дальнейшем Мария Кюри с сотрудниками составляют первые правила работы: необходимо пользоваться специальными щипцами для переноски сосудов с радиоактивными препаратами, помещать сосуды в свинцовые контейнеры, держать сосуды с закрытыми крышками и т.д. Однако сама Мария на протяжении всей научной деятельности непосредственно своими руками работала с радиоактивными препаратами, еще не зная о коварстве лучей радия. Позже профессор Рего писал: «Мадам Кюри может считаться одной из первых жертв длительного общения с радиоактивными телами, которые открыли её муж и она сама»[1, с.343] В 1934 году она умерла от лучевой болезни.

6 июня 1905 года Пьер Кюри выступает перед Стокгольмской академией наук. Он говорит о последствиях открытия радия: в физике оно изменило основные представления. В химии породило смелые гипотезы об источнике той энергии, которая вызывает радиоактивные явления. В геологии и метрологии оно дало ключ к явлениям, до сих пор необъяснимым. Наконец, в биологии действие радия на раковые клетки дало положительные результаты. «…Можно себе представить и то, - говорит Пьер, - что в преступных руках радий способен быть очень опасным, и в связи с этим следует задать такой вопрос: является ли познание тайн природы выгодным для человечества, достаточно ли человечество созрело, чтобы извлекать из него только пользу, или же это познание для него вредоносно? В этом отношении очень характерен пример с открытиями Нобеля: мощные взрывчатые вещества дали возможность проводить удивительные работы. Но они же оказываются страшным орудием разрушения в руках преступных властей, которые вовлекают народы в войны. Я лично принадлежу к людям, мыслящим как Нобель, а именно, что человечество извлечет из новых открытий больше блага, чем зла ».[1, с.208]

В 1934 году дочь Кюри Ирен со своим мужем Фредериком Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность, (Нобелевская премия по химии за 1935 год) которая в дальнейшем и вывела науку и технику 20 века к её основному атомному рубежу. И опять стал нравственный выбор о котором говорил в нобелевской речи Пьер Кюри. Надо отдать должное Ирен и Фредерик оказались достойными родителей: Фредерик, возглавлявший с 1944 до 1950 года развитие атомной науки и техники во Франции, был отстранен от руководства за его отказ вести ядерные исследования в военных целях.
ЛИТЕРАТУРА

1.Е.Кюри, Мария Кюри. М, Атомиздат,1067.

2. Мощанский В.Н., Савелова Е.В. История физики в средней школе.М.,Просвещение,1981.

3.Физический энциклопедический словарь. М., Советская энциклопедия,1984.

4. Храмов Ю.А. Физики, биографический справочник. М., Наука,1983.

5. Бублейников Ф.Д., Веселовский И. Н., Физика и опыт. М, Просвещение, 1970.

6.Большая Российская энциклопедия. М. Научное издательство, Большая Российская энциклопедия, 2005.

7.Марио Льоцци. История физики. М., Мир,1970.,