История открытия и некоторые факты о гамма-лучах

Наука и жизньНаука

Самый энергичный свет

Некоторые факты о гамма-лучах

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов.

Французский физик и химик Поль Виллар (1860—1934) — первооткрыватель гамма-лучей. Источник: BNF

Гамма-лучи — высокочастотное электромагнитное излучение, обладающее фотонами с наибольшей энергией, способными «пробить» металлическую или бетонную преграду. Оно рождается на Земле и в космосе, в микромире — при радиоактивном распаде и аннигиляции частиц и в грандиозных астрономических процессах гибели звёзд и формирования галактик. Гамма-излучение используется человеком не только в научных целях, но и в медицине и промышленности.

1Открытие и происхождение названия. Забытый Поль Виллар

Авторитет Эрнеста Резерфорда настолько велик, что очень часто открытие гамма-излучения приписывается ему, однако это не так. Восстановим хронологию событий. В 1896 году французский физик Анри Беккерель открыл радиоактивность. Он обнаружил, что соединение урана испускает «невидимую радиацию» (radiatio переводится с латыни как «излучение»). Это породило настоящий бум исследований. В 1898 году Пьер и Мария Кюри открыли ещё два вещества: полоний и радий, активность которых была выше урана. В 1903 году все трое получили Нобелевскую премию по физике.

Источник: Российская государственная библиотека (РГБ)

В 1899 году Эрнест Резерфорд, работавший тогда в Канаде, выделил две составляющие радиоактивного излучения урана по степени их поглощения в веществе. В своём опыте он пропускал радиацию урана между находящимися под напряжением электродами. Из-за ионизации газ между электродами начинал проводить ток, по величине которого Резерфорд оценивал интенсивность радиоактивного излучения. Затем на его пути он поставил алюминиевую пластинку и выяснил, что ток при этом уменьшался, но не прекращался. Отсюда Резерфорд сделал вывод, что одни лучи урана легко поглощаются, а другие обладают большей проникающей способностью. Первые он назвал альфа-излучением (α), а вторые бета-излучением (β) по первым буквам греческого алфавита, как он написал в своей статье, «для удобства», но названия прижились и дожили до наших дней.

Мог ли Резерфорд открыть тогда же гамма-излучение? Нет. Основным источником гамма-излучения в цепочке распада изотопа урана-238 является радий-226. То количество урана, которое Резерфорд использовал в своём эксперименте, содержало мало радия и соответственно излучало так мало гамма-квантов, что их просто невозможно было обнаружить.

Фактически открыл гамма-лучи в 1900 году французский химик и физик Поль Виллар (в русскоязычной литературе его фамилия Villard чаще всего пишется именно так) при исследовании радиоактивности радия, который ему выделили супруги Кюри. Открытие произошло случайно, когда Виллар изучал бета-лучи, интерес к которым у него возник из-за их похожести на катодные лучи в вакуумных трубках (теперь-то мы уже знаем, что и то и другое — электроны). В отличие от Резерфорда, он фиксировал бета-излучение на фотопластинке, которая была в конверте из плотной бумаги, поглощавшей альфа-лучи. Однако на фотографии он неожиданно увидел следы двух лучей вместо одного. Пятно от одного луча было расплывчатым, другой луч распространялся строго по прямой линии и давал резкое пятно. Виллар попытался их разделить с помощью магнитного поля, поскольку из опытов Кюри уже было известно, что бета-лучи в нём изгибаются. Но «узкий» луч в магнитном поле не отклонился. Виллар хитроумно проверил проникающую способность нового излучения, поставив друг за другом две фотопластинки из стекла толщиной 1 см. На второй пластинке остался только след неотклонённого луча без заметного ослабления, а бета-лучи первая пластина поглотила. Незначительно его ослабила и свинцовая фольга толщиной 0,3 мм.

Отдадим должное Виллару. Он пришёл, по большому счёту, к совершенно правильному выводу, что радиоактивное излучение радия содержит третий компонент, являющийся разновидностью рентгеновских лучей. Сделав это важное открытие, Виллар тем не менее не претендовал на то, что открыл новый вид излучения, ведь рентгеновские лучи уже были хорошо известны, он сам занимался их изучением с 1897 года. Любопытно, что Беккерель ревниво наблюдал за экспериментами конкурента и первоначально даже пытался отрицать наличие проникающих лучей на том основании, что их существование не могло быть незамеченным в экспериментах, проведённых им и Кюри. Позднее он признал этот факт и даже упомянул о нём в своей статье 1901 года в журнале «Nature».

Однако в целом на открытие Виллара никто не обратил особого внимания — физики и химики были заняты исследованием альфа- и бета-лучей. Почему же так произошло? По-видимому, злую шутку здесь сыграло именно сходство с рентгеновскими лучами, получать которые было значительно проще. Достаточно вспомнить, что для выделения 1 грамма радия супруги Кюри за четыре года (1898—1902) вручную переработали 8 тонн урановой руды! И пусть позднее Мария писала, что при наличии средств и оборудования они справились бы за год, трудоёмкость процесса потрясала. Рентгеновские же лучи создавались по уже хорошо отлаженной технологии с помощью электронно-лучевых трубок (сначала трубок Крукса), которые были во всех лабораториях. Да и получать рентгеновские снимки было намного проще и быстрее. Кроме того, они давали более наглядные результаты. Мария Кюри, включившая так называемую гамма-рентгенограмму в свою докторскую диссертацию, отметила слабый контраст на ней между костью и мягкими тканями и необходимость в длительном времени экспозиции. Сказывалась большая проникающая способность. Так что исследователи предпочитали рентген. Лишь Резерфорд, повторив опыты Виллара, в 1903 году по аналогии дал самому проникающему излучению название гамма-лучи. Его подхватила Мария Кюри, и оно прочно вошло в физику.

Траектории трёх видов радиоактивных лучей в магнитном поле. Разные линии соответствуют различным энергиям α и β частиц. Рисунок из книги М. Склодовской-Кюри «Исследования над радиоактивными веществами» (1904). Источник: Российская государственная библиотека (РГБ).

Обсуждению гамма-лучей мешало и то, что они, по-видимому, не вписывались в физические представления того времени об атомах. Понять, откуда в атоме берутся частицы, физики могли, но вот с рентгеновскими или гамма-лучами возникали непреодолимые сложности.

А сам Виллар, то ли обидевшись на коллег, то ли разочаровавшись в теме, забросил её, перейдя к решению других проблем. Заметим, вполне успешно, ибо в 1908 году он стал членом Французской академии наук. Так или иначе, всё это привело к тому, что в настоящее время имя первооткрывателя гамма-лучей мало известно, он остался в тени гигантов той эпохи.

2Природа гамма-лучей. И всё-таки это свет!

То, что и рентгеновские, и гамма-лучи представляют собой электромагнитные волны, удалось выяснить не сразу. Для доказательства волновой природы требовалось обнаружить у них волновые свойства, такие как дифракция — огибание препятствий и интерференция — сложение волн с образованием так называемой интерференционной картины. Последняя представляет собой чередование в пространстве максимумов и минимумов, то есть участков, где волны усиливают друг друга или ослабляют. Для монохроматического света (одной длины волны) — это набор тёмных и светлых пятен.

У видимого света волновые свойства демонстрируются с помощью дифракционной решётки — набора щелей, проходя через которые свет отклоняется (это и есть дифракция), а волны от разных щелей интерферируют. Проблема в том, что для заметной дифракции расстояние между щелями должно быть сравнимо с длиной волны, которая для рентгеновского и гамма-диапазонов настолько мала, что изготовить такую дифракционную решётку невозможно.

Тут и пришла на помощь кристаллическая решётка, имеющая «щели» нужного размера. Замечательная идея использовать кристалл в качестве пространственной дифракционной решётки для рентгеновского излучения в 1912 году пришла в голову немецкому физику Максу фон Лауэ. Два его студента — Вальтер Фридрих и Пауль Книппинг эту дифракцию обнаружили, и для рентгеновского излучения задача была решена: волновой характер установлен, длины волн измерены. Стоит отметить, что благодаря двум Уильямам Брэггам, отцу и сыну, этот метод превратился в основу рентгеноструктурного анализа — мощнейшего метода исследования структуры кристаллов, а также рентгеновской спектроскопии. За это Лауэ и Брэгги стали лауреатами Нобелевской премии в 1914 и 1915 годах.

А в 1914 году Резерфорд, на этот раз вместе с Эдвардом Андраде, тем же методом на кристалле каменной соли доказали электромагнитную природу и мягкого (самого длинноволнового) гамма-излучения. А затем придумали, как это сделать и для более жёсткого излучения, используя отражение от кристалла.

Схема (слева) получения рентгенограммы (лауэграммы) кристалла NaCl (справа). Каждое пятно — след дифракционного луча, рассеянного кристаллом. Их число и расположение зависят от кристаллической решётки и её ориентации относительно пучка рентгеновского излучения. А расстояния между пятнами зависят от длины волны излучения. Для дифракции гамма-лучей картина аналогична. Источники: Cdang/Wikimedia Commons/GNU, bse.sci-lib.com (с изменениями).

3Где границы гамма-диапазона?

Гамма-излучение при радиоактивном распаде имело бóльшую частоту и меньшую длину волны, чем излучение рентгеновских трубок начала XX века, а потому заняло крайнее место на шкале электромагнитных волн, на котором остаётся и по сей день. И долгое время излучение относили к гамма-диапазону, если оно имело длину волны меньше заданной. Однако не всё так просто!

Открыв разные справочники, мы увидим довольно большой разброс граничных значений. Большинство зарубежных изданий дают для гамма-излучения длину волны менее 10−11 м, частоту выше 3⋅1019 Гц, а энергию фотона, соответственно, больше 124 кэВ. А вот отечественная физическая энциклопедия даёт значения, отличающиеся на порядок: 10−10 м и 3⋅1018 Гц. Приходилось мне встречать и другие значения, например, 10

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Идти навстречу светилу! Идти навстречу светилу!

История института солнечно-земной физики уходит корнями в докосмическую эру

Наука и жизнь
Валерия Гай Германика Валерия Гай Германика

Валерия Гай Германика: уникальная оптика в наблюдении за подростковым бунтом

Собака.ru
Сырые земли Сырые земли

Почему важно изучать водно-болотные угодья, или ветланды?

Наука и жизнь
Первый элемент Первый элемент

Академик Михаил Федонкин — о сформировавшихся под влиянием жизни минералах

Наука
Воздушный океан... Воздушный океан...

Мы все живём где-то на дне воздушного океана

Наука и жизнь
Как защитить детей от сексуализированного насилия: инструкция для родителей Как защитить детей от сексуализированного насилия: инструкция для родителей

Почему важно говорить о сексуализированном насилии над детьми?

Psychologies
Бескишечные морские черви, нефть, газ и жизнь на других планетах Бескишечные морские черви, нефть, газ и жизнь на других планетах

За чей счет существуют классические погонофоры?

Наука и жизнь
Как зародился образ женщины-домохозяйки и при чем здесь капитализм Как зародился образ женщины-домохозяйки и при чем здесь капитализм

В какой момент женщина стала ответственной за домашний уют?

Psychologies
«Нет, ваше величество…» «Нет, ваше величество…»

Как любой большой человек, Канкрин оценивался крайне противоречиво

Дилетант
Анатолий Вассерман: «В эпоху благополучия люди тратят силы не на деторождение» Анатолий Вассерман: «В эпоху благополучия люди тратят силы не на деторождение»

Анатолий Вассерман — о том, какие проблемы стоят перед страной

ФедералПресс
Додекаэдры Древнего Рима Додекаэдры Древнего Рима

Археологов давно волнуют странные предметы, попадающиеся при раскопках в Риме

Наука и жизнь
Управление неизбежностью: что делать до и после кибератаки Управление неизбежностью: что делать до и после кибератаки

Как подготовиться к киберинциденту и что нужно делать, когда он уже случился?

Forbes
Как людям с ОКР комфортно работать и полностью раскрыть свои таланты Как людям с ОКР комфортно работать и полностью раскрыть свои таланты

Почему нейроотличия — это не всегда плохо и как обратить симптомы в свою пользу

Inc.
Первая пятилетка Первая пятилетка

Нереальные цифры, которые показались советским руководителям неамбициозными

Наука
Осторожно: огнеопасно! Осторожно: огнеопасно!

Музыкант и диджей Дельфин — о том, как важно чувствовать сегодняшний момент

Grazia
Полмиллиона лет назад предки человека охотились на слонов, подстерегая их на путях сезонных миграций Полмиллиона лет назад предки человека охотились на слонов, подстерегая их на путях сезонных миграций

Слоны были основой рациона Homo erectus

ТехИнсайдер
Загадки прекрасных дам Загадки прекрасных дам

Как и зачем древние люди в разных частях континента начали создавать «венер»

Вокруг света
На велосипеде по стране На велосипеде по стране

Как специалист по ракетам стала фанатом велосипедного туризма

Отдых в России
Их не читали две тысячи лет Их не читали две тысячи лет

ИИ позволил начать чтение свитков, две тысячи лет остававшиеся недоступными

Дилетант
Никита Волков: «Делай всё во время и не сомневайся» Никита Волков: «Делай всё во время и не сомневайся»

Актер Никита Волков — о ремейках, выборе ролей и жизненном уроке на тему любви

VOICE
Галлицы опылили крошечные цветки орхидеи оберонии Галлицы опылили крошечные цветки орхидеи оберонии

Ранее считалось, что галлицы не опыляют орхидеи, но это оказалось не так

N+1
10 пушистых и «плюшевых» пород кошек: для семей, в которых любят обниматься 10 пушистых и «плюшевых» пород кошек: для семей, в которых любят обниматься

Кошки пород, представленных в подборке, любят ласку, а также пушисты!

VOICE
«От саванны до дивана: Эволюционная история кошек» «От саванны до дивана: Эволюционная история кошек»

Почему внешность домашних кошек разнообразнее, чем у их предков

N+1
Отмыть неотмываемое: как избавиться от следов перманентного маркера с любой поверхности Отмыть неотмываемое: как избавиться от следов перманентного маркера с любой поверхности

Чем отмыть перманентный маркер с разных поверхностей без специальных средств

ТехИнсайдер
Сила притяжения: почему различия — не помеха любви Сила притяжения: почему различия — не помеха любви

На чем держится любовь?

Psychologies
Смерть, кушетка и платяной шкаф Смерть, кушетка и платяной шкаф

«По Фрейду»: психоаналитик и теолог отвечают не на те вопросы

Weekend
Сводим счеты Сводим счеты

Как оптимизировать семейный бюджет: льготы, подписки и другие лайфхаки

Лиза
Лего выдающихся джентльменов Лего выдающихся джентльменов

Как наследник основателя LEGO придумал концепцию гаража для состоятельных людей

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Сценарист-фантаст и режиссер-провокатор: 9 фильмов Алекса Гарленда, которые стоит посмотреть Сценарист-фантаст и режиссер-провокатор: 9 фильмов Алекса Гарленда, которые стоит посмотреть

Освежите в памяти всю фильмографию Алекса Гарленда

Правила жизни
Как икс стал неизвестным и к чему это привело Как икс стал неизвестным и к чему это привело

Почему неизвестную величину принято обозначать именно буквой x?

Наука и жизнь
Открыть в приложении