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

Наука в фантастике: эпизоды истории Наука в фантастике: эпизоды истории

Как в научной фантастике появился сюжет о затерянных мирах

Наука и жизнь
Первый загар. Где можно погреться уже сейчас Первый загар. Где можно погреться уже сейчас

Отправляемся туда, где сейчас можно подзарядиться солнечными лучами

Лиза
«Невидимка» Дуссе-Алинь «Невидимка» Дуссе-Алинь

Хабаровский край скрывает сохранившиеся в первозданном виде природные уголки

Наука и жизнь
6 неочевидных признаков рабочего стресса. Как восстановиться после выгорания? 6 неочевидных признаков рабочего стресса. Как восстановиться после выгорания?

Как понять, когда причиной вашего стресса является именно работа?

Psychologies
Сырые земли Сырые земли

Почему важно изучать водно-болотные угодья, или ветланды?

Наука и жизнь
Как освоить бег босиком и избежать ошибок новичка Как освоить бег босиком и избежать ошибок новичка

Что такое босоногий бег и чем он полезен?

ТехИнсайдер
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
А вы даете имя авто? Так делает 51% людей А вы даете имя авто? Так делает 51% людей

Похоже, автомобили — это не просто способ добраться из пункта А в пункт Б

ТехИнсайдер
Живые ископаемые Живые ископаемые

Членистоногие не зря послужили источником вдохновения для фантастов

Наука и жизнь
Как выходить из неприятного диалога и держаться от токсичных людей на расстоянии Как выходить из неприятного диалога и держаться от токсичных людей на расстоянии

Как давать отпор токсичным людям с корейской элегантностью?

Forbes
Человеческий фактор Человеческий фактор

Как голландцы спасли свои каналы, а упавший самолет – целый район?

Вокруг света
Рецепт тех самых варенок: как в домашних условиях покрасить джинсы в модный цвет сезона «tie dye» Рецепт тех самых варенок: как в домашних условиях покрасить джинсы в модный цвет сезона «tie dye»

Зачем варили джинсы в СССР и как это делалось

ТехИнсайдер
В скелете вымершего псового с патагонского погребения заподозрили останки питомца индейцев В скелете вымершего псового с патагонского погребения заподозрили останки питомца индейцев

Индейцы, возможно, держали вымерших псовых Dusicyon avus в качестве компаньонов

N+1
Что страшнее: устать или не уметь расслабляться? Что страшнее: устать или не уметь расслабляться?

Умеете ли вы определять меру собственной усталости?

Psychologies
Жена Николая Еременко: «В самом начале нашего романа Коля предупредил меня, что женат» Жена Николая Еременко: «В самом начале нашего романа Коля предупредил меня, что женат»

«Я хочу дать тебе свою фамилию. Никаким женам не давал, а тебе дам»

Караван историй
Эстетика пустыни Эстетика пустыни

Современный интерьер в стиле контемпорари в Дубае

SALON-Interior
Экономика аншлага: к чему приведет театральный бум в России Экономика аншлага: к чему приведет театральный бум в России

В России театральный бум: спектаклей становится больше, цена билетов растет

Forbes
Как и почему в России хотят «выращивать» ипотечных заемщиков на спецдепозитах Как и почему в России хотят «выращивать» ипотечных заемщиков на спецдепозитах

В первом чтении принят законопроект о договорах жилищных сбережений

Forbes
У молодого поколения мозг больше. Это влияет на развитие слабоумия У молодого поколения мозг больше. Это влияет на развитие слабоумия

Больший размер мозга говорит о здоровье мозга и лучших когнитивных функциях

ТехИнсайдер
История одной звездной системы История одной звездной системы

В 366 световых годах от нас находится гигантская звезда Дзета Змееносца

Наука и техника
У миног нашли зачатки симпатической нервной системы У миног нашли зачатки симпатической нервной системы

Раньше считалось, что симпатическая система есть только у челюстных позвоночных

N+1
Как вулканы повлияли на атмосферу Венеры Как вулканы повлияли на атмосферу Венеры

В новой работе исследователей рассматривается вопрос вулканизма на Венере

ТехИнсайдер
Арт-пространство, отель и парк: что строили на месте известных тюрем Арт-пространство, отель и парк: что строили на месте известных тюрем

Чем известна «русская Бастилия» и во что перестраивали другие известные тюрьмы

СНОБ
Зумеры мечтают работать, не работая: что такое ресентеизм Зумеры мечтают работать, не работая: что такое ресентеизм

Действительно ли избегание работы у зумеров кроется в нежелании трудиться?

Psychologies
Сын за отца: Андрей Тарковский — младший о доке «Андрей Рублев: Воспоминания о фильме» Сын за отца: Андрей Тарковский — младший о доке «Андрей Рублев: Воспоминания о фильме»

Чем авторская версия «Рублева» отличается от общедоступной?

Правила жизни
Как подключить телевизор по HDMI Как подключить телевизор по HDMI

Как подключить ноутбук или компьютер к телевизору по HDMI

CHIP
Софья Синицына: «Моя Фрида в «Мастере и Маргарите» — это посвящение папе...» Софья Синицына: «Моя Фрида в «Мастере и Маргарите» — это посвящение папе...»

А папа посоветовал: «Иди в артистки! Они всегда интересно и красиво живут»

Коллекция. Караван историй
Майя Дерен, Аньес Варда, Жюстин Трие: 10 женщин, которые изменили киноиндустрию Майя Дерен, Аньес Варда, Жюстин Трие: 10 женщин, которые изменили киноиндустрию

10 важных шагов женщин в истории кино, без которых оно развивалось бы иначе

Forbes
Удивительно, но факт: подушку безопасности придумали стоматологи Удивительно, но факт: подушку безопасности придумали стоматологи

Благодарить за идею подушки безопасности мы должны двух стоматологов

ТехИнсайдер
Главы моды: как женщины развивают модную индустрию Главы моды: как женщины развивают модную индустрию

Самые влиятельные героини модной индустрии в России и основательницы брендов

Forbes
Открыть в приложении