Химия и Химики № 2 2014. Спинтарископ

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Спинтарископ: распад атомов происходит на ваших глазах

Прошлая неделя ознаменовалась приходом долгожданной посылки, содержимое которой выглядит впечатляюще: металлический цилиндр с регулируемым объективом на одном конце и винтом на другой:

Если Вы посмотрите в объектив этого устройства, называемого "спинтарископ", - в большинстве случаев, вы почти наверняка ничего не увидите. После этого Вы наверняка удивитесь, узнав, что такие скромные устройства были очень популярны в начале 1900-х. С одной стороны, их использовали как детские игрушки, с другой - спинтарископ был символом принадлежности к ученой элите.

Секрет успеха спинтарископа в том, что он позволяет, казалось бы, невозможное - увидеть отдельные акты радиоактивного распада невооруженным глазом.

Так что же такое спинтарископ? В сущности, это источник ионизирующего излучения и детектор (со вспомогательными элементами), как показано ниже:

Примечание: eyepiece - окуляр, lens - линза, scintillation screen - сцинцилляторный экран, radioactive source - источник ионизирующего излучения, alpha rays - альфа-излучение, light - свет, adjustment screw - регулировочный винт.

Небольшой радиоактивный источник (подробности мы обсудим позже) испускает альфа-частицы, которые сталкиваются с экраном из сульфида цинка (ZnS). Экран дает вспышки света (так называемые сцинтилляции) в местах попадания альфа-частиц. Эти мельчайшие вспышки, увеличенные обычной линзой, можно рассмотреть через окуляр. Каждая вспышка, которую видит зритель, это след одного ядерного распада. Регулируя нижний винт, можно эффективно увеличивать или уменьшать скорость, с которой альфа-частицы попадают на экран, превращая поток частиц в струйки или наоборот.

Это довольно красивое явление, о котором стоит упомянуть, но спинтарископ имеет еще и историческое значение: он был первым изобретенным устройством, способным обнаруживать отдельные радиоактивные частицы, предшественником счетчика Гейгера!

Краткая история открытия радиоактивности будет здесь весьма кстати. В 1896 году радиоактивность по счастливой случайности была обнаружена парижским ученым Анри Беккерелем в ходе исследований флуоресценции и фосфоресценции. Вдохновленный недавним и сенсационным открытием рентгеновских лучей Вильгельмом Рентгеном в 1895 году, Беккерель полагал, что "светящиеся в темноте" материалы также могут выделять рентгеновские лучи. Он обернул фотопластинки в черную бумагу, чтобы защитить их от солнечного света, затем поместил образец урана на пластинку на свету. Беккерель полагал, что уран испускает рентгеновские лучи, которые засвечивают фотопластинку, и, казалось бы, он нашел тому подтверждение. Тем не менее, когда он положил пластинки и образец урана в темный ящик на несколько дней, пластины оказались еще темнее, чем раньше! Очевидно, некоторое новое загадочное излучение от урана затемняло пластину. Вскоре это излучение было названо Беккерелевскими лучами.

Это монументальное открытие было омрачено помешательством на рентгеновских лучах, которое длилось в течение нескольких лет. Все изменилось, когда Мария Кюри обнаружила явление радиоактивности у других элементов. Она открыла радиоактивность у тория, но публикация была задержана на несколько недель. Тем не менее, в 1898 году она и ее муж Пьер изолировали новый радиоактивный элемент полоний, и после нескольких лет изнурительного труда вдвоем выделили новый и очень мощный радиоактивный элемент - радий.

Радий разжег настоящее волнение в научном сообществе. Он более чем в миллион раз превосходит по радиоактивности уран, поэтому некоторое время радий казался неисчерпаемым источником энергии. Загадка привлекла внимание ряда исследователей, среди которых был лондонский химик и физик Уильям Крукс (1832-1919).

В начале 1900-х годов Крукс был уже состоявшемся и успешным ученым. Примерно в 1870 году он изобрел трубку Крукса, раннюю версию электроразрядной трубки, которая сыграла важную роль в открытии, как электрона, так и рентгеновских лучей. Однако специализировался Крукс в области спектроскопии, так путем измерения испускания света атомами он открыл элемент таллий в 1861 году и помог идентифицировать первый изолированный образец гелия на Земле в 1895 году. С другой стороны, репутацию ученого серьезно подрывал тот факт, что Крукс был страстным исследователем спиритических явлений и его легкомысленный характер так раздражал научное сообщество, что зашел разговор о лишении Крукса статуса ученого в Королевском Обществе.

В 1903 году Крукс приступил к изучению свойств радия, работая на собственном энтузиазме. Он опубликовал многие свои результаты в журнале The Chemical News (Химические Новости), что было не так уж и сложно, учитывая, что он был его редактором!

Открытие, которое привело к спинтарископу, было абсолютно случайным, так же, как открытие рентгеновских лучей или радиоактивности. Крукс рассказал о нем 3 апреля 1903 года в статье, озаглавленной "Эманации радия" [1]. Его изложение было несколько строже, чем в более поздних популярных заметках. Он начинает с описания своих экспериментов с радием и его взаимодействия с чувствительными к излучению материалами:

Раствор почти чистого нитрата радия, который использовался для спектрографических работ, упаривали досуха в чашке, а кристаллический остаток рассматривали в темной комнате. Он был слабо светящийся.

Экран платиноцианида бария, помещенный около остатка, светился зеленым светом, интенсивность которого зависит от расстояния, разделяющего их. Фосфоресценция исчезла, как только экран был удален из области влияния радия.

Экран с гексагональной обманкой Сидота (сульфид цинка), хорошо зарекомендовавший себя для обнаружения полония, в присутствии радия почти так же светился, как и экран платиноцианида, но там было больше остаточной фосфоресценции, продолжительностью от нескольких минут до получаса или более - в зависимости от силы и продолжительности первоначального воздействия.

Единственное, следует отметить, что Крукс в своих первоначальных экспериментах наблюдал непрерывное свечение. Он продолжает статью обсуждением некоторых физических эффектов радиоактивности:

Замечено сохранение радиоактивности стеклянных сосудов, в которых содержали радий. Фильтры, стаканы, посуда, используемые в лаборатории для операций с радием, после того, как были вымыты обычным способом, остаются радиоактивными; кусок экрана с обманкой, помещенный внутрь стакана или другого сосуда немедленно начинает светиться, как и в присутствии радия.

Экран чувствителен к механическим ударам. Касание кончиком перочинного ножа вызывает внезапную вспышку света, а царапина проявляется как исчезающая светящаяся линия.

Кристалл алмаза, помещенный около нитрата радия, светился бледно-голубовато-зеленым светом, так же как это было в "сияющей" трубке под влиянием катодной бомбардировки. При удалении алмаза от радия он переставал светиться, но, когда его положили на чувствительный экран, он производил фосфоресценцию, которая длилась несколько минут.

"Сияющая трубка" просто другое название для трубки Круксовского типа, которая производит светящийся голубовато-зеленый пучок электронов. Крукс отмечает, что алмаз светится подобным светом, но не делает из этого никаких незамедлительных выводов.

Именно данная осечка в манипуляциях с алмазом в итоге привела к замечательному открытию:

Во время этих манипуляций алмаз случайно коснулся нитрата радия в миске, и, таким образом несколько незаметных зерен соли радия занесены на экран из сернистого цинка. Поверхность сразу была усеяна блестящими пятнышками зеленого света, причем некоторые из них более миллиметра в поперечнике, хотя вызывающие их частицы были слишком малы, чтобы быть обнаружены на белом экране при дневном свете.

В популярных заметках обычно говорится, что Крукс, просыпав радий на поверхность экрана, использовал увеличительное стекло, чтобы искать драгоценные крупицы радия. Это может показаться современному читателю жадностью, но радий был одним из самых ценных веществ в мире на тот момент. В докладе У. Д. Хаммера в январском выпуске The Chemical News 1903 года сообщается:

Крупный продавец химических реактивов сообщил мне недавно, что переработка 5000 тонн урановых отходов, вероятно, не приведет к производству даже килограмма радия. Настоящая рыночная цена в этой стране - 4.5 долларов за грамм или примерно 2000 долларов за фунт.

И это еще в долларах 1903 года! Доклад Крукса продолжается с описания явления при увеличении:

В темной комнате, под микроскопом с 2/3-дюймовым объективом каждое световое пятно выглядит темным центром, окруженным светящимся ореолом, простирающимся на некоторое расстояние вокруг. Сам темный центр, кажется, выстреливает свет с интервалами в разных направлениях. Вне ореола темная поверхность экрана сверкает искрами света. Две вспышки не сменяют друг друга на том же месте, а разбросаны по поверхности, появляются и исчезают мгновенно, - никогда ранее подобное не наблюдалось.

В этой первой работе Крукс установил все основные свойства, которые лягут в основу спинтарископа, даже улавливается некая поэтичность в его описании:

Твердый кусочек радия нитрата медленно приближают к экрану. Общее свечение экрана, наблюдаемого невооруженным глазом, изменяется в зависимости от расстояния радия до него. Если наблюдать экран через лупу, радий кажется горами, а на экране слабо светящиеся, мерцающие пятна редко разбросаны по поверхности. При приближении радия к экрану пятна становятся более многочисленными и яркими, до тех пор, пока следующие друг за другом мерцания начинают происходить так быстро, что поверхность выглядит, как бушующее световое море. Когда мерцающих точек мало и нет остаточного свечения, искры следующие друг за другом, выглядят звездами на черном небе.

Стоит отметить, что значимость открытия заключалась в визуализации частиц, а не осознании того, что излучение состоит из частиц. В конце своей статьи Крукс сам размышляет о природе излучения:

Кажется вероятным, что в этих явлениях мы фактически наблюдаем бомбардировку экрана электронами выбрасываемыми радием со скоростью порядка скорости света; каждое мерцание результат воздействия электрона на экран.

Отметим, что Крукс был не совсем прав!

Он, не теряя времени, проводил дальнейшие наблюдения. Некоторые из них были описаны только месяц спустя, в майском номере The Chemical News в статье под названием "Некоторые свойства эманации радия" [2]. Даже за это короткое время исследователи поняли, что радиоактивность радия гораздо сложнее, чем предполагали изначально:

Эманации радия бывают трех видов. Один такой же, как излучение катода, теперь отождествляется со свободными электронами - атомами электричества, испускаемыми в пространство, не говоря уже о плотной материи - определяемой как "материя в четвертом или ультра-газообразном состоянии", "спутники" Кельвина, "тельца" или "частицы" Томсона; бестелесные ионные заряды, сохраняющие индивидуальность и неповторимость.

Электроны отклоняются в магнитном поле. Они выстреливали из радия со скоростью около двух третей от световой, но постепенно замедлялись от столкновений с атомами воздуха.

Другой вид эманации радия не подвержен воздействию обычного магнитного поля и не способен проходить через очень тонкие материальные препятствия. Он имеет энергию около одной тысячной от той, что излучала отклоняемая эманация. Он превращает воздух в проводник и сильнее воздействует на фотопластинку. Это положительно заряженные атомы. Их масса огромна по сравнению с массой электронов.

Третий вид эманации также производится радием. Помимо высоко проникающих лучей, отклоняемых магнитом, есть и другие очень проникающие лучи, которые вовсе не подвержены магнетизму. Они всегда сопровождают другие эманации и являются рентгеновскими лучами - колебаниями эфира, которые образуются в качестве вторичного явления при внезапном снижении скорости электронов твердым веществом, что вызывает серию Стоксовских "импульсов" или взрывных эфирных волн, испускаемых в окружающее пространство.

Это прекрасный момент, чтобы поговорить о том, что мы теперь знаем о радиоактивности и природе радия! Ядра всех атомов состоят из набора положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Легкие элементы, такие как гелий (2 протона, 2 нейтрона) и кислород (8 протонов, 8 нейтронов) образуют стабильные ядра, зато тяжелые элементы являются неустойчивыми, их ядра имеют тенденцию к распаду. Нестабильность связана с избытком энергии: полная энергия ядра элемента больше, чем энергия его отдельных частей, что заставляет ядро "стремиться" распасться.

Есть три способа, с помощью которого тяжелый атом может сбросить эту избыточную энергию; эти процессы известны как "альфа-", "бета-" и "гамма-" распады, таинственные названия являются отражением того исторического факта, что никто не знал, что они из себя представляют! Альфа-распад представляет собой выброс альфа-частицы (она же ядро гелия: 2 протона, 2 нейтрона) из радиоактивного ядра, как это имеет место при распаде радия:

Радий распадается до радона, который в свою очередь путем альфа-распада превращается в полоний:

Полоний в свою очередь распадается до радиоактивной формы свинца, а свинец распадается через бета-распад - высвобождая электрон с высокой энергией, превращая нейтрон в протон:

Третий тип радиоактивного распада - гамма-распад сопровождается высвобождением электромагнитного излучения (которое получило название гамма-лучей). Так как радий, следуя по сложной цепочке распада, превращается во все новые радиоактивные атомы, в его образце можно зафиксировать все три типа радиоактивного распада.

Следует подчеркнуть, что такое глубокое понимание строения ядра и природы радиоактивности придет гораздо позже - после того, как в 1909 году будут обнаружены одиночные ядра в знаменитом эксперименте Гейгера-Марсдена.

Хотя Крукс не мог понять все детали того, что наблюдал, он увидел возможность найти нечто интересное в "бушующем море" распадов. В конце своего майского номера Крукс описывает новое изобретение - спинтарископ:

Спинтарископ
Удобным способом наблюдать эти мерцания является подходящий по размерам экран из сульфида цинка, который расположен в конце латунной трубки с пятнышком (около миллиметра) соли радия перед ним и объективом на другом конце. Фокусировка, для улучшения наблюдения эффектов, делается движением объектива внутрь или наружу трубки. Я предлагаю назвать этот маленький инструмент "Спинтарископ" от греческого слова σπιυθαρις, что означает мерцание.

Спинтарископ и все эксперименты с радием Крукс лично продемонстрировал на необычном мероприятии Королевского Научного Общества 15 мая 1903 года. Это мероприятие "Ученая вечеринка" состоялась в историческом Берлингтон-Хаус в Лондоне и представляла собой собрание всех интригующих феноменов из области всех естественных наук.

Подробное описание этого мероприятия было дано в выпуске Фармацевтического журнала за 1903 год [3].

В списке чудес "пять образцов Hydrophidae, ядовитых морских змей, которые роятся вокруг побережья Индии", "новый когерер, для беспроводной телеграфии, продемонстрированный сэром Оливером Лоджом и д-ром Александром Мюрхедом" и "аппарат Роуланда для разрушения микроорганизмов путем механического дробления при замораживании с помощью жидкого воздуха". Однако действительно захватывающей была работа Крукса:

Другая экспозиция, которая привлекает больше внимания, чем все остальное, посвящена демонстрации свойств эманации радия сэром Уильямом Круксом. Были радиоавтографы, фотографии, световые эффекты эманации радия и маленький гениальный инструмент, который Уильям Крукс называет спинтарископ, предназначенный в качестве удобного приспособления для показа мерцаний кусочка нитрата радия.

Согласно другим данным, спинтарископ стал сенсацией, продавался и как игрушка, и как серьезный научный инструмент! Коммерциализация спинтарископа не заняла много времени, поскольку в этом же 1903 году в Nature указывается:

Если оглянуться назад, становится ясно, что радий представлял собой плохой выбор вещества, предназначенного для распространения среди широкой общественности, а тем более - детей. Сам радий химически похож на кальций и может замещать кальций в костях, если его проглотить, что приводит к раку. Кроме того, продуктом распада радия является газ радон, который также имеет высокую вероятность проникновения в организм (например, через легкие). Реальность опасности радия, наконец, осознали в 1920 году, когда многие женщины, которые наносили светящиеся состав на циферблаты часов, умерли от лучевой болезни, вызванной радием.

Современные спинтарископы содержат торий или америций, элементы, которые не представляют насколько серьезную опасность.

Имея все это в виду, я не знал чего ожидать от моего собственного спинтарископа. Сцинтилляции от него настолько слабые, что нужно сидеть в темноте в течение 20 минут, ожидая, пока глаза станут достаточно чувствительными, чтобы видеть их. В описании к устройству сказано, что некоторые люди рождаются без достаточной светочувствительности и никогда не смогут увидеть вспышки. Это заявление заставило меня задаться вопросом, неужели я стал жертвой тщательно продуманного жульничества: "Как, Вы ничего не видите? Что ж, Вы один из неудачников".

Когда я сидел один в туалете, размышляя о том, что за радиоактивный материал был в моем спинтарископе, я начал замечать тусклый свет, исходящий от окуляра. Я подождал еще несколько минут и заглянул внутрь. Там было "светящееся бушующее море" Крукса. Я просидел довольно долго, глядя на вспышки света, размывающиеся по экрану, как дождь по окну и пребывая в восторге: простой спинтарископ позволяет заглянуть в историю науки и глубоко постичь суть неуловимых физических явлений.
_________________________________________________________________

1. W. Crookes, "The emanations of radium," Chemical News 87 (1903), 157-158.

2. W. Crookes, "Certain properties of the emanations of radium," Chemical News 87 (1903), 221.

3. "The Royal Society's Conversazione," The Pharmaceutical Journal 70 (1903), 714.

Комментарии

^К1 В старом журнале "Электричество" (1903 №9-11) нам встретилась любопытная заметка, относящаяся к теме спинтарископа/сцинтилляций:

Новые опыты с радием
В. Крукс

Производя опыты с азотнокислым радием, Вильям Крукс сделал несколько интересных наблюдений. Все тела, бывшие хоть раз в соприкосновении с радием, становились сами радиоактивными и притом на весьма продолжительное время. Стеклянные сосуды, фильтры, чашки, служившие для приготовления радия, сохраняли радиоактивность даже после тщательной промывки водой. Алмазы, поднесенные к радию, светятся синевато-зеленым светом*, который тотчас исчезает по удалению радия. Однако раз освещенный радием алмаз заставляет светиться чувствительный экран. Во время одного из опытов алмаз слегка коснулся радия и несколько ничтожно малых крупинок радия были перенесены случайно на экран, покрытый сернистокислым цинком. Поверхность экрана немедленно покрылась в нескольких местах ярко светящимися пятнами, причем некоторые из них имели в диаметре больше 1 мм., хотя породившие их частички радия совершенно не были видны невооруженным глазом. При исследовании этих пятен под микроскопом в затемненной комнате оказалось следующее. Каждое пятно состоит из темного ядра, вокруг которого видно светящееся кольцо. Из ядра чрез некоторые промежутки времени вылетают по разным направлениям снопы света, так что экран кажется мерцающим. Снаружи светлых колец экран также мерцает. Сильный электромагнит не оказывает никакого действия на эти мерцания. Обнаружив это явление, Крукс пытался рассмотреть, не происходит ли оно при освещении радием экрана извне. При приближении радия к экрану последний начинает светиться и невооруженный глаз не видит в свечении нечего особенного. Однако под микроскопом и в этом случае были видны мерцания, которые, по мере приближении радия к экрану, становились все ярче и чаще и при наибольшем приближении экран представлял вид "волнующегося светящегося моря". Если погрузить платиновую проволоку в раствор азотнокислого радия, высушить и поднести к экрану, то появляются яркие мерцания, которые немедленно прекращаются при удалении проволоки. Если же проволокой коснуться экрана, то образуется светящееся пятно, являющееся центром мерцаний, и явление не прекращается в течение нескольких недель. Покровное стеклышко, очень тонкий листок алюминия или слюды, помещенные между экраном и радием, не уничтожают свечения экрана, но совершенно уничтожают мерцания. При пропускании сильной струи воздуха между радием и экраном мерцание не прекращается. Рентгеновы лучи не дают мерцания. Во время работы с радием пальцы скоро покрываются им в виде мельчайшей пыли. При приближении их к экрану замечается яркое свечение, невооруженному глазу кажущееся сплошным, а под микроскопом ярко мерцающее. Чтобы узнать, не влияет ли упругость воздуха на мерцание, небольшой экран был помещен в стеклянной трубке вместе с радием, укрепленным на куске железа. Посредством магнита можно было приближать радий к экрану и удалять. Свечение наблюдалось в микроскоп через окошко, закрытое плоскопараллельной пластинкой. Сильное разрежение воздуха в трубке не оказало заметного влияния на интенсивность мерцания экрана. Что касается частоты мерцания, то ее довольно трудно определить. При расстоянии радия от экрана в 5 см. частота была около 1-2 мерцаний в секунду. При расстоянии 1-2 см. они так часты, что их невозможно сосчитать. Мерцания производятся, по-видимому, эманациями радия с весьма незначительной проникающей способностью. Если поместить радий сзади экрана, покрытого сернистокислым цинком, то мерцания совершенно исчезают: находящаяся сзади толстая бумага совершенно их задерживает. Все описанные явления видны и на экране, покрытом платино-цианистым барием, но в ослабленном виде. Объяснение явления пока не найдено; Крукс предполагает гипотезу, по которой мерцания и вспышки света порождаются ударами электронов, вылетающих из радия. Однако эта гипотеза еще очень мало имеет за себя.

(Electrician, 1903)

* По данным А. Беккереля относительная яркость радиолюминесценции:

ZnS (Cu) - 13.34

Ba[Pt(CN)₄] - 1.99

Алмаз - 1.14

К сожалению, используя очень слабый америциевый источник из детектора дыма, не удастся обнаружить хоть сколько-нибудь слабого свечения алмаза или сцинтилляций на нем, при наблюдении в микроскоп.

Проверка подлинности алмазов с помощью радия