Валерий Чолаков
Нобеловите награди (6) (Учени и открития (1901–1982))

Загадъчни лъчи

В края на 18 век редица физици се заеха с изучаване на електрическите явления. Изследването на това ново взаимодействие във всички негови аспекти бе една от главните линии в развитието на физическата наука през 19 век.

Най-напред бяха разкрити закономерностите в протичането на електрически ток през твърди тела. Това породи електротехниката. После бе изследвано преминаването на електричество през течности. Към края на века това доведе до теорията за електролитната дисоциация, която има много голямо значение за обясняване на химическите реакции. Най-трудни бяха експериментите при преминаването на електричество през газове. Учените наблюдаваха най-разнообразни ефекти, но не можеха да обяснят какво виждат.

В 1855 г. немският физик Юлиус Плюкер конструира специална тръба, която запълваше с различни газове, за да изследва техните спектри. Трябваше да се намери начин за загряване на газа, за да започне той да свети. Плюкер реши да използва за целта електрическия разряд. Наблюдавайки спектрите, той между другото отбеляза, че стъклото на тръбата започва да флуоресцира по време на електрическото разреждане. Това се смята за първото описание на катодните лъчи.

С подобни изследвания през 60-те години на миналия век се зае и немският учен Йохан Хитторф. Той конструира различни тръби специално за изследване на електрическите разреждания през разредени газове. Той също видя флуоресценцията, открита от Плюкер, и в 1869 г. описа свойствата на новия вид лъчи.

Само две години по-късно френският физик Варле изказа хипотезата, че това са малки електрически заредени частици, изхвърлени от катода.

Тази идея получи потвърждение в 1879 г., когато английският физик Уилиам Крукс постави в една модифицирана вакуумна тръба малтийски кръст от слюда. Този кръст спираше част от катодните лъчи и хвърляше сянка върху флуоресциращия екран. С помощта на магнит сянката се преместваше, което бе изтълкувано от Крукс като доказателство, че катодните лъчи са поток от отрицателни частици. Не всички обаче приеха това твърдение. Три години преди Крукс немският физик Голдщайн предложи вълнова теория за катодните лъчи. Тя се базираше на наблюденията на Хайнрих Херц, че тези лъчи преминават през тънки пластинки от злато, сребро или алуминий. Физиците не можеха да допуснат, че материални частици са способни да преминават безпрепятствено през веществото.

В 1892 г. Хайнрих Херц посъветва своя асистент Филип Ленард да раздели катодната тръба на две с алуминиево фолио и по този начин да изследва катодните лъчи в две отделни пространства с различни налягания на газовете в тях. Развивайки тази идея, Ленард направя катодна тръба с прозорче от фолио и установи, че това дава възможност да се изведат катодните лъчи извън тръбата. Това нововъведение бе използвано в многобройни експерименти с важни резултати и донесе на Филип Ленард Нобеловата награда по физика за 1905 г.

Решаващият експеримент за разгадаването на тайната на катодните лъчи бе направен от английския физик Джозеф Джон Томсън в 1897 г. Потокът от катодни лъчи бе пропуснат между две електрически заредени метални пластинки, като бе подложен едновременно на влиянието на магнитно и електрично поле. Това даде възможност да се изчисли скоростта на частиците и впоследствие съотношението между масата и заряда. Томсън установи, че тази частица — атом на отрицателното електричество, е около 1800 пъти по-лека от положително заредения водороден атом. Тя бе наречена електрон, название, идващо от гръцкото име на кехлибара, предложено от ирландския физик Джордж Стоуни още в 1874 г. Откриването на електрона донесе на Дж. Дж. Томсън Нобеловата награда по физика за 1906 г.

От изследванията върху катодните лъчи се стигна до откриването на първата елементарна частица. Използването на вакуумни тръби доведе и до откриването на един нов вид електромагнитно излъчване, което бе сензация за широката публика в края на миналия век. Това бяха лъчите, забелязани случайно от Вилхелм Рьонтген. Експериментите на този изследовател предизвикаха истинска буря в научния свят. Само за една година бяха публикувани над хиляда работи за новите лъчи. Изказваха се най-различни хипотези за техния източник. Известният френски математик и физик Анри Поанкаре, който имаше навика щедро да раздава идеите си сред научния свят, предложи да се провери дали урановите соли, които флуоресцират под действието на слънчевата светлина, не излъчват и рентгенови лъчи. Стъклото на рентгеновата тръба флуоресцира със зелена светлина и по това прилича на светенето на уранови кристали, след като са държани на слънце. Това външно сходство насочи Поанкаре към идеята за възможна връзка между флуоресценцията и рентгеновите лъчи.

С проверката на тази хипотеза се зае френският физик Антоан Анри Бекерел. В неговото семейство изследванията върху флуоресценцията имаха голяма традиция. Още неговият дядо Антоан Сезар Бекерел, известен учен и член на Парижката академия, е правил експерименти в тази област. Бащата Александър Едмон Бекерел, също академик и дори президент на академията, класифицира явленията на фосфоресценция и тяхната зависимост от различни външни въздействия.

Опитите на Анри Бекерел бяха съвсем прости. Той вземаше фотографска плака, завиваше я в черна хартия и слагаше върху нея уранови кристалчета. След като оставяше плаката известно време на слънце, той я проявяваше и с удовлетворение откриваше върху нея силуетите на кристалчетата. На пръв поглед това бе потвърждение на хипотезата, че урановите кристали, флуоресцирайки под действието на светлината, излъчват рентгенови лъчи. Но Бекерел, един учен с твърде висока квалификация, реши да направи и контролен опит. Той постави кристалчета върху фотоплака, без да ги облъчва със светлина. Въпреки това те излъчваха някакви лъчи, без да флуоресцират. По-нататъшните експерименти показаха, че тези ефекти се предизвикват всъщност от урана, който се съдържа в кристалите. Бекерел откри, че новите лъчи йонизират въздуха и го правят електропроводим. Това даде възможност те да се изследват с електроскоп.

Откриването на естествената радиация бе за физиката като навлизане в един нов свят. В крайна сметка това доведе до представите за сложната структура на атома и овладяването на атомната енергия. Откритието на Анри Бекерел го направи лауреат на Нобеловата награда по физика за 1903 г. Заедно с него бяха наградени и двама други изследователи на естествената радиоактивност — френските физици Пиер и Мария Кюри.

Използвайки факта, че радиацията на урана йонизира въздуха, Мария Кюри започна изследвания с електроскоп, за да види дали няма и други такива вещества. През 1898 г. тя установи, едновременно с Шмит в Германия, че елементът торий е също радиоактивен. Освен това тя забеляза, че някои съединения на урана и тория излъчват по-силно, отколкото следва от процентното съдържание на тези елементи. Това навеждаше на идеята за съществуването на неизвестни радиоактивни субстанции.

Мария и Пиер Кюри предприеха химически анализ на някои уранови минерали и след като преработиха тонове руда, през юли 1898 г. откриха нов химически елемент. Той бе наречен полоний, на името на родината на Мария Склодовска-Кюри. През декември същата година бе открит още един елемент, който заради силното си излъчване получи названието радий.

Съпрузите Кюри са пионерите на съвременната атомна физика. Самият термин „радиоактивност“ бе предложен от Мария Кюри. Пиер Кюри в 1901 г. откри биологическото действие на радиацията, а в 1903 г. формулира закона за снижаване на радиоактивността и въведе понятието „период на полуразпадане“. Той предложи да се използва това явление за установяване на абсолютната възраст на земните скали. В същата година Пиер Кюри, заедно с Ала Бор, установи, че един грам радий отделя сто калории топлина на час. Това подсказваше съществуването на огромен източник на енергия, скрит в атома. За съжаление този талантлив изследовател загина при нещастен случай през 1906 г. едва 47-годишен. Изследванията бяха продължени от Мария Кюри, която в 1910 г., заедно с химика А. Дебиерн, изолира радия в чисто състояние. Тя определи неговото атомно тегло и посочи мястото му в периодичната таблица, което й донесе за втори път Нобелова награда, този път по химия, през 1911 г.