Самый энергичный свет
Некоторые факты о гамма-лучах
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.
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.
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.
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