Открытие «беккерелевых» лучей вызвало сенсацию. Многих ученых заинтересовало это явление. В 1898 году французский физик польского происхождения Мария Склодовская-Кюри показала, что источником радиации может быть только атом урана. Больше того, ей удалось отыскать еще один элемент, излучающий радиацию. Им оказался торий. Склодовская-Кюри предложила назвать обнаруженное природное свойство радиоактивностью, а излучающие элементы – радиоэлементами.
Однако ученым не была понятна сущность этого явления. Оно неопровержимо указывало на то, что внутри атома происходят какие-то загадочные процессы. Для продолжения исследований Мария Склодовская-Кюри решила получить уран в чистом виде. Она и ее муж Пьер Кюри провели большую серию опытов и выделили уран из соединений. Но странное дело: этот почти чистый уран излучал радиацию гораздо слабее, чем исходная руда. Супруги-физики воспроизвели эксперимент еще и еще раз. Получалось то же самое. Они начали проверять интенсивность излучения различных минералов урана. И тут обнаружили, что радиоактивность некоторых из них сильнее, чем должно быть, судя по содержанию урана.
«Ненормальность» в поведении различных минералов урана очень удивила супругов Кюри. Напрашивался вывод: значит, в руде, которую обрабатывала Мария Склодовская-Кюри, присутствовало какое-то другое вещество, излучающее сильнее, чем уран. Новый элемент! Снова начались опыты. Супруги Кюри брали радиоактивное вещество и воздействовали на него различными химическими способами. Получались растворы. Растворы отбирались по степени радиоактивности. С наиболее радиоактивными растворами снова проводили химические реакции и снова производили отбор. Так были получены два разных химических раствора, в которых не было урана, но которые продолжали излучать радиацию. На основании этого супруги Кюри сделали единственно возможный вывод: они обнаружили не один новый радиоактивный элемент, а целых два! Теперь нужно было дать им имена. По праву первооткрывателя Мария Склодовская-Кюри предложила назвать один радиоэлемент полонием (в честь ее родины Польши), а второй – радием. Сообщение об открытии полония супруги Кюри опубликовали в июле 1898 года, а радия – полугодом позже.
Следующий шаг сделал вышеупомянутый Анри Беккерель. В 1899 году он показал, что под действием магнита часть радиоактивного излучения отклоняется в противоположном направлении, тогда как другая часть излучается по прямой линии. Постепенно установили, что уран и торий испускают три вида излучения. Один имеет положительный электрический заряд, другой – отрицательный, а третий – не несет никакого заряда. Британский физик Эрнест Резерфорд, выходец из Новой Зеландии, назвал два первых вида радиации «альфа-лучами» и «бета-лучами» по первым двум буквам греческого алфавита. Третий вид вскоре был поименован «гамма-лучами» – по третьей букве.
Со временем выяснилось, что гамма-лучи являются еще одной «светоподобной» формой излучения, но их волны короче, чем у рентгеновских лучей. Альфа– и бета-лучи, переносившие электрические заряды, оказались потоками заряженных частиц («альфа-частицами» и «бета-частицами»), как и катодные лучи. Действительно, изучив в 1900 году бета-частицы, Анри Беккерель обнаружил, что они идентичны по массе и заряду электронам. Они и были электронами.
Вскоре Беккерель сделал еще одно удивительное открытие, о котором не замедлил сообщить Марии и Пьеру Кюри. Французский физик положил пробирку с радием в жилетный карман, и на его теле, в том месте, где находилась пробирка, образовался ожог. Явлением сразу же заинтересовался Пьер Кюри. Не обращая внимания на опасность эксперимента, он привязал пробирку к своему предплечью и носил ее так в течение десяти часов. Вот что он потом записал: «Кожа покраснела на поверхности в шесть квадратных сантиметров; она имеет вид ожога, но не болит или болезненна чуть-чуть. Через некоторое время краснота, не распространяясь, начинает становиться интенсивнее; на двадцатый день образовались струпья, затем рана, которую лечили перевязками». Рана зажила только через два месяца.
Анри Беккерель опубликовал результаты своего невольного эксперимента вместе с наблюдениями Пьера Кюри 3 июля 1901 года. Дата вошла в историю: ведь в тот день родилась новая отрасль науки – радиационная биология (радиобиология).
Как только было обнаружено физиологическое действие лучей радия, этим явлением тотчас заинтересовались французские врачи. Пьер Кюри охотно откликнулся на их предложение принять участие в экспериментах над животными и дал врачам немного радиевых препаратов. Вскоре они пришли к заключению: радий, разрушая больные клетки, излечивает волчанку, злокачественные опухоли и некоторые формы рака. Только этими лучами нужно пользоваться осторожно. В больших дозах они губительно действуют на здоровую ткань. Новый вид лечения назвали «кюритерапией».
Оставался открытым вопрос: что же именно происходит в атомах урана, тория, полония и радия? Почему они излучают частицы и энергию?
В 1903 году, просуммировав открытия, сделанные физиками, Джозеф Томсон выдвинул принципиально новую модель строения атома. Он предположил, что атом представляет собой облако материи с положительным зарядом. Облако имеет форму сферы, в которую вкраплены электроны. «Что-то вроде пудинга с изюмом», как сказал однажды Томсон, когда его спросили о строении атома. Сумма всех положительных зарядов равна сумме отрицательных, и в целом атом нейтрален. При этом электроны расположены в атоме симметрично, но под действием внешних условий (например, под действием электрического поля) они могут смещаться в сторону, колеблясь около некоторого положения равновесия.
Модель Томсона не прожила слишком долго. Его талантливый ученик Эрнест Резерфорд сумел превзойти учителя. Чтобы экспериментально подтвердить существование «пудинга с изюмом» и развеять все сомнения, в 1906 году Резерфорд занялся изучением свойств альфа-частиц. Он установил, что они несут положительный электрический заряд, причем вдвое больший, чем отрицательно заряженный электрон. Если электрон нес заряд, который можно условно обозначить как «-», тогда заряд альфа-частицы оказывался «++». Кроме того, альфа-частица оказалась более тяжелой, чем электрон. Она была такой же массивной, как атом гелия (второй из известных самых легких атомов), и в четыре раза тяжелее атома водорода. Тем не менее альфа-частица проходила сквозь вещество, чего не могли сделать атомы. Поэтому Резерфорд предположил, что она имеет меньший диаметр, чем атомы. Следовательно, несмотря на свою массу, альфа-частица является еще одной субатомной частицей наряду с электроном.
Тогда Эрнест Резерфорд придумал простой и изящный эксперимент. Он построил своего рода пушку, которая представляла собой свинцовый ящик с узкой прорезью; внутрь нее был помещен радий, полученный супругами Кюри. Частицы, испускаемые радием во всех направлениях, кроме одного, поглощались свинцовым экраном, и лишь через прорезь вылетал направленный пучок альфа-частиц. Далее на пути пучка стояло еще несколько свинцовых экранов с узкими прорезями, отсекавших частицы, отклоняющиеся от заданного направления. В результате к мишени подлетал идеально сфокусированный пучок альфа-частиц, а сама мишень была сделана из тончайшего листа золотой фольги. После столкновения с атомами фольги альфа-частицы продолжали свой путь и попадали на люминесцентный экран, установленный позади мишени, на котором при попадании регистрировались вспышки. По ним экспериментатор мог судить, в каком количестве и насколько альфа-частицы отклоняются от направления прямолинейного движения в результате столкновений с атомами фольги.