Атомы и электроны - Бронштейн Матвей Петрович
Рис. 17. Схематическое изображение камеры Вильсона-Шимизу.
При изучении некоторых явлений необходимо иметь фотографии путей огромного множества альфа-частиц, иногда — до одного миллиона. В этом случае необходим прибор автоматического типа, который позволял бы производить много расширений камеры через очень короткие промежутки времени. Для этой цели Шимизу разработал простую конструкцию камеры, позволяющую последовательно производить большое количество снимков. Устройство камеры Шимизу изображено на рисунке. Точно пригнанный к цилиндру поршень качается в камере взад и вперёд под действием мотора. Хотя расширение камеры этой конструкции происходит не так внезапно, как камеры конструкции Вильсона, всё же в ней получаются прекрасные фотографии, если только позаботиться о том, чтобы альфа-частицы впускались в камеру лишь непосредственно перед тем, как поршень займёт своё крайнее положение (максимальный объём камеры). Если применять электрическое поле для очистки камеры от ионов, то она в состоянии работать, расширяясь каждые несколько секунд. Шимизу разработал метод одновременной съёмки на движущейся плёнке по двум взаимно перпендикулярным направлениям, что позволяет определить расположение путей частиц в пространстве.
Фотографии, заснятые с помощью камеры Вильсона, приведены на рис. 15, а, б. На основании этих фотографий обыкновенно говорят, что удалось заснять летящие альфа-частицы. Это выражение не вполне точно, так как фотографировались собственно не сами альфа-частицы и даже не образованные ими ионы, а водяные капельки, осевшие на этих ионах при внезапном увеличении объёма переохлаждённых водяных паров. Но по этим водяным капелькам, густо расположенным на приблизительно прямой линии, можно заключить, что здесь только что пронеслась альфа-частица, подобно тому как вид потоптанных полей и дымящихся развалин свидетельствует о том, что через страну прошли полчища великого завоевателя{6}.
Итак, мы познакомились с четырьмя способами «видеть невидимое», с четырьмя способами наблюдать действия отдельных альфа-частиц: способ вспышек, способ фотографический, способ ионизационной камеры Резерфорда и Гейгера, способ Вильсона[17].
Рассмотрим же те экспериментальные данные подсчёта альфа-частиц, которые были получены в результате применения этих способов.
В 1908 году Резерфорд и Гейгер, применяя свой электрический счётчик, сумели сосчитать число альфа-частиц, испускаемых каждым граммом радия в секунду. Эта задача не так легка, как можно было бы подумать, потому что в препарате радия всегда кроме радия присутствуют ещё атомы других химических элементов, образовавшихся в результате распада атомов радия (мы знаем, что атом радия, испуская альфа-частицу, превращается в атом радона, но ведь атом радона в свою очередь испускает альфа-частицу, значит, распад продолжается и дальше, и в результате получаются другие атомы, которые тоже, быть может, испускают альфа-частицы и т. д.). Поэтому среди альфа-частиц, испускаемых препаратом радия, не всё испускает сам радий, а некоторые (как правило, даже большая часть) испускаются продуктами распада радия. Поэтому Резерфорд и Гейгер должны были разобраться в этой путанице и суметь отделить альфа-частицы, испускаемые самим радием, от альфа-частиц, испускаемых его продуктами распада. Здесь мы не будем вдаваться в описание того, как им удалось это сделать, — достаточно сказать, что им это удалось. Полное количество альфа-частиц, испускаемых одним граммом чистого радия в секунду, оказалось равным 3,7∙1010.
Тридцать семь миллиардов атомов радия из всего количества атомов, составляющих один грамм радия, умирают в течение каждой секунды. Таков был важный результат, полученный Резерфордом и Гейгером.
Не медля ни одного дня, Резерфорд и Гейгер приступили к следующей части своей задачи — к определению заряда альфа-частицы. Они взяли стеклянный сосуд, из которого хорошенько выкачали воздух. Препарат радия, испускавший определённое и уже известное количество альфа-частиц, был помещён на стеклянное блюдечко, находившееся внутри этого сосуда. Напротив блюдечка была расположена металлическая пластинка, соединённая с очень чувствительным электрометром, с помощью которого было возможно измерять падающий на пластинку электрический ток. Нужно было не забывать ещё об одной необходимой предосторожности: препарат радия испускает кроме альфа-лучей ещё и бета-лучи, которые в этом опыте совершенно не нужны. Поэтому весь сосуд был поставлен между полюсами электромагнита, магнитное поле которого сдувало прочь бета-лучи, испускавшиеся препаратом, так что ни один электрон бета-лучей не мог долететь до металлической пластинки, соединённой с электрометром. Альфа-лучи не так сильно искривляются в магнитном поле. Поэтому они долетали до пластинки, и полный заряд всех альфа-частиц мог быть измерен.
Эти опыты Резерфорда и Гейгера показали, что полный заряд альфа-частиц, испускаемых в секунду одним граммом чистого радия, составляет 33,2 абс. ед. Так как число этих альфа-частиц равно 37 миллиардам, то заряд альфа-частиц получится, если разделить 33,2 на 37 миллиардов. Отсюда следует, что заряд каждой альфа-частицы равен 9∙10−10 абс. ед. Это число действительно приблизительно в два раза больше, чем элементарный электрический заряд. (Конечно, то, что оно не точно, а лишь приблизительно в два раза больше, чем элементарный электрический заряд, объясняется только тем, что в таком трудном измерении всегда неизбежны некоторые ошибки, а совсем не тем, что заряд альфа-частицы действительно чем-то отличается от удвоенного заряда водородного иона.) Таким образом, можно было считать непосредственно доказанным, что каждая альфа-частица несёт на себе двойной элементарный заряд, и, следовательно, так как величина e/m в её случае была уже хорошо известна, что масса альфа-частицы в четыре раза больше массы атома водорода. Это и утверждали Резерфорд и Содди ещё в 1903 году, когда они впервые высказали свою гипотезу о превращении элементов. Гипотеза Резерфорда и Содди выдержала ещё одно испытание.
В 1909 году Э. Регенер повторил опыты Резерфорда и Гейгера, измеряя таким же способом заряд, переносимый альфа-частицами. Различие заключалось лишь в том, что он в то же время и подсчитывал число альфа-частиц, но не с помощью счётчика Резерфорда-Гейгера, а регистрируя вспышки. Экраном, на котором возникали вспышки при падении альфа-частиц, служил небольшой алмаз. В результате этой работы у Регенера получалось ещё более точное, чем у Резерфорда и Гейгера, значение заряда альфа-частицы, а именно: 9,58∙10−10 абс. ед.
Если разделить это число на 2, то получится 4,79∙10−10 абс. ед.
Это число очень близко к тому, которое получил Милликен, когда он измерял (см. предыдущую главу) элементарный электрический заряд.
Рассмотрим ещё одно важное следствие, вытекающее из опытов Резерфорда и Гейгера. Мы знаем, что масса каждого атома водорода составляет 1,662∙10−24 г, а так как атомная масса радия 226, то, значит, масса каждого атома радия равна 3,76∙10−22 г. В грамме радия, следовательно, имеется 2,66∙1021 атомов.
Из этих атомов каждую секунду распадается 3,7∙1010 атомов, т. е. доля, равная дроби
(3,7∙1010)/(2,66∙1021)=1,4∙10−11.
Это значит, что любое наличное количество атомов радия уменьшается в течение каждой секунды примерно на полторы миллиардные доли процента. Всякий, кто умеет вычислять с помощью таблицы логарифмов, очень легко сосчитает, сколько же нужно секунд, чтобы имеющееся количество атомов радия сократилось, например, вдвое. Необходимое для этого число секунд равно[18]
