3.2: Серендіпіті в науці - рентгенівські промені та радіоактивність

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20460

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Мета навчання

Зрозумійте значення відкриття рентгенівських променів і радіоактивності для сучасного погляду на будову атома.

Відкриття радіоактивності відбувалося протягом декількох років, починаючи з відкриття рентгенівських променів в 1895 році Вільгельмом Конрадом Рентгеном і продовжуючи з такими людьми, як Анрі Беккерель і сім'я Кюрі. Застосування рентгенівських променів та радіоактивних матеріалів є далекосяжним у медицині та промисловості. Радіоактивний матеріал використовується у всьому, від ядерних реакторів до ізотопних сольових розчинів. Ці технології дозволяють нам використовувати велику кількість енергії та спостерігати за біологічними системами способами, які були немислимі менше століття тому. Як буде розглянуто в розділі3.4, британський фізик Ернест Резерфорд (1871-1937) провів експерименти (на основі роботи Кюрі), які привели до сучасного погляду на будову атома.

Рентген: Відкриття рентгенівських променів

З розділу 3.1 ми побачили, як Джей Джей Томсон виявив електрон за допомогою електронно-променевих трубок (ЕПТ). У листопаді 1895 року німецький фізик на ім'я Вільгельм Рентген (Рентген) використав цю саму технологію для виявлення рентгенівського знімка. Промінь Рентгена походить від ЕПТ і реагував з екраном платиноціаніду барію для флуоресценції. Побачивши це, Рентген розмістив об'єкти між цим променем і екраном. Він зазначив, що промінь все одно буде проникати в речовини і залишати зображення на фотоплівці.

Назвавши цей тип випромінювання, Рентген відбився назад до своїх експериментів. Він не зміг впевнено пояснити свої спостереження. З цієї причини він вирішив назвати цей новий тип випромінювання рентгенівським. Протягом усього життя він продовжує досліджувати цю технологію і навіть використовував дружину в якості випробуваного (див. Розділ 1 для її рентгенівського зображення). Ніколи не патентуючи цей винахід, Рентген вільно ділився рентгенівським знімком з іншими дослідниками та медичними працівниками. У 1901 році він був удостоєний Нобелівської премії з фізики за роботу з рентгенівським знімком.

Як і у випадку з будь-якою новою технологією, люди шукали способи застосування рентгенівського знімка до повсякденного життя. Томас Едісон, винахідник лампочки, вважав, що середньостатистична людина повинна мати в своєму будинку рентгенівський апарат. Він розробив рентгенівські апарати, щоб бути меншими і портативними. На жаль, багато його техніків померли від радіаційного отруєння.

Перший_медика_рентгенів_by_Вільгельм_Рентген_його дружина_анна_берта_ludwig' s_hand_-_18951222.gif — Малюнок\(\PageIndex{1}\)

Рука mit Ringen (Рука з кільцями): відбиток першого «медичного» рентгенівського знімка Вільгельма Рентгена руки його дружини, зроблений 22 грудня 1895 року.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): (зліва) Фотографія Вільгельма Конрада Ренгтена, першовідкривача рентгенівських променів. (праворуч) Хірургічна операція під час Першої світової війни за допомогою флюороскопа, який використовував рентген для пошуку вбудованих куль

Під час Едісона люди влаштовували рентгенівські вечірки у своїх будинках. Ведучий цих посиденьок дозволив би гостям рентгенівські знімки різних частин свого тіла. Люди залишали б ці події зі своїми сувенірами в обрамленні. Рентгенівські промені навіть використовувалися для вимірювання розміру стопи. Такі пристрої, як флюороскоп, розміщувалися в взуттєвих магазинах. Техніки, споживачі та спостерігачі могли дивитися в окулярів, поки стопа була рентгенівська. Непотрібне вплив радіації в ці часи не розглядалося як небезпека. У цю епоху більшість вважали, що це найбільш точний спосіб вимірювання стопи.

Шкідливий вплив та різне використання рентгенівських променів

У листопаді 1896 року в Nature була опублікована стаття під назвою «Шкідливий вплив рентгенівських променів». Свідок був рентгенівським демонстрантом влітку в Лондоні. Тому він оплачував себе протягом усього літа з розрахунку кілька годин на день впливу. Він свідчив: «У перші два-три тижні я не відчував незручностей, але через деякий час на пальцях правої руки з'явилося безліч темних плям, які проколювалися під шкірою, і поступово вони ставали дуже болючими; решта шкіри червоніла і сильно запалилася. Руці було так погано, що мені було постійно змушений купати його в дуже холодній воді Мазь на мить заспокоює біль, але епідерміс висох став твердим і жовтим, як пергамент, і зовсім невідчутний, тому я не здивувався, коли моя рука почала лущитися. «

«Незабаром шкіра і нігті відпадають, а пальці набрякають, біль залишається постійною. Я втратила шкіру правої і лівої рук, і чотири нігті зникли з правої руки, а два лівих і три інших були готові відвалитися. Протягом більше шести тижнів я не міг нічого тримати в правій руці, і я не можу тримати ручку з моменту втрати нігтів...»

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Радіаційне отруєння внаслідок надмірного опромінення рентгенівських променів.

Різні програми використовують різні частини рентгенівського спектра.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Рентгенівські промені є частиною електромагнітного спектра, довжина хвиль коротша за видиме світло.

Відкриття радіоактивності

Коли Беккерель почув про відкриття Рентгена, він задумався, чи дадуть його флуоресцентні мінерали ті ж рентгенівські промені. Беккерель помістив деякі зі своїх гірських кристалів поверх добре покритої фотопластини і посадив їх під сонячне світло. Сонячне світло змусило кристали світитися яскравим флуоресцентним світлом, але коли Беккерель розробив фільм, він був дуже розчарований. Він виявив, що лише один з його мінералів, уранова сіль, запітніла фотографічну пластину. Він вирішив спробувати ще раз, і цього разу залишити їх на сонці на більш тривалий період часу. На щастя, погода не співпрацювала, і Беккерелю довелося залишити кристали та плівку, що зберігаються в ящику протягом декількох похмурих днів. Перш ніж продовжити свої експерименти, Беккерель вирішив перевірити одну з фотопластин, щоб переконатися, що хімічні речовини все ще хороші. На його подив, він виявив, що плита була оголена в місцях, де вона була поблизу уранових порід, і деякі з цих порід взагалі не піддавалися впливу сонячного світла. У більш пізніх експериментах Беккерель підтвердив, що випромінювання з урану не має зв'язку зі світлом або флуоресценцією, але кількість випромінювання було прямо пропорційно концентрації урану в породі. Беккерель виявив радіоактивність.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Зображення фотографічної пластини Беккереля, яка була запотіта під впливом радіації уранової солі. Тінь металевого мальтійського хреста, розміщеного між пластиною і урановою сіллю, добре видно (суспільне надбання).

Кюрі і Радій

Один з помічників Беккереля, молодий польський вчений на ім'я Марія Склодовська (щоб стати Марією Кюрі після того, як вона вийшла заміж за П'єра Кюрі), зацікавилася феноменом радіоактивності. З чоловіком вона вирішила з'ясувати, чи є хімічні речовини, крім урану, радіоактивними. Австрійський уряд був радий відправити Curies тонну піччбленди з гірничодобувного регіону Йоахімшталь, оскільки це було відходи, які все одно довелося утилізувати. Кюрі хотіли pitchblende, тому що це був залишок видобутку урану. Від тонни pitchblende Кюрі\(0.10 \: \text{g}\) відокремився від раніше невідомого елемента, радію, у вигляді сполуки хлориду радію. Цей радій був у багато разів радіоактивніше, ніж уран.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Марі (зліва) та П'єр Кюрі (середній) з Анрі Беккерелем (праворуч) розділили Нобелівську премію 1903 року

До 1902 року світ усвідомлював нове явище під назвою радіоактивність та нові елементи, які демонстрували природну радіоактивність. За цю роботу Беккерель і Кюрі розділили Нобелівську премію з фізики 1903 року. Ці три дослідники продовжували працювати з небезпечними радіоактивними матеріалами. Вони відчували різні недуги, включали опіки і слабкість при дотику до цих речовин. У 1906 році П'єр Кюрі випадково потрапив під запряжену конем віз. Він негайно помер від ран і залишив Марі з двома маленькими дітьми (Ірен, 9 років і Єва, 2 роки). Після його смерті Марі продовжила свої дослідження, визначивши новий елемент, Полоній. У 1911 році вона була удостоєна Нобелівської премії з хімії за відкриття радію і полонію. На сьогоднішній день Марі Кюрі - єдина людина, яка коли-небудь отримала дві Нобелівські премії в галузі наук.

Відео\(\PageIndex{2}\): Всі знають, що отримати Нобелівську премію - це велика справа, але чому ми взагалі маємо Нобелівську премію? І чому це має значення?

Резюме

Анрі Беккерель, Марія Кюрі та П'єр Кюрі поділилися відкриттям радіоактивності.
Вільгельм Ренгтген використовував електронно-променеві трубки для виявлення рентгенівського випромінювання.