Атомы и электроны
Шрифт:
Фотографический метод не очень удобен на практике и потому не получил большого распространения. Гораздо удобнее оказался другой метод — электрический, который был изобретён в 1908 году Резерфордом и его помощником Гейгером.
Идея этого способа заключается в следующем. Мы знаем, что каждая альфа-частица, влетевшая в какой-нибудь сосуд с газом, производит в этом газе ионизацию, отрывая электроны от молекул газа, с которыми она сталкивается, и превращая эти молекулы в ионы. При таком столкновении, как нетрудно сообразить, возникает сразу пара заряженных частиц — одна частица заряжена положительно, а другая отрицательно — пара ионов, как принято говорить. Число ионов, образуемых каждой альфа-частицей, очень велико. Мы знаем, например, что альфа-частица, летящая со скоростью 19220 км/с [15] , производит в воздухе двести тысяч пар ионов на каждом сантиметре своего пути. Но, как ни велико число этих ионов, оно всё-таки слишком мало для того, чтобы их можно было непосредственно обнаружить. Необходимы необыкновенно чувствительные приборы, чтобы удалось измерить электрический ток, образуемый несколькими сотнями тысяч движущихся элементарных электрических
15
С такой скоростью летят альфа-частицы, испускаемые так называемым радием С, одним из продуктов распада радона (см. ниже).
Ионизация будет расти как лавина, и поэтому её легко будет обнаружить даже и не слишком чувствительными приборами.
Счётчик альфа-частиц, сконструированный Резерфордом и Гейгером в 1908 году, был устроен так. По оси длинного латунного цилиндра (25 см длины, 1,77 см в диаметре) проходит проволока. Эта проволока изолирована от цилиндра, потому что она входит в цилиндр и выходит из него через специальные эбонитовые изоляторы. Из цилиндра слегка откачивается воздух (опыт показал, что ионизационная лавина лучше всего образуется в воздухе, когда давление равно нескольким сантиметрам ртутного столба). Посредством батареи аккумуляторов, один полюс которой заземлён, а другой соединяется со стенками латунного цилиндра, создаётся сильное электрическое поле между стенками цилиндра и проволокой. Проволока соединена с чувствительным прибором, измеряющим ток. В одном из эбонитовых изоляторов сделано маленькое отверстие для впуска альфа-частиц, прикрытое тончайшим слюдяным листком. Как только альфа-частица влетает внутрь цилиндра и ионизует в нём воздух, каждый из образовавшихся ионов сейчас же разгоняется сильным электрическим полем, существующим между проволокой и стенками цилиндра, и начинает производить новые ионы. Лавина растёт и развивается, как было описано выше. В результате этого от стенок цилиндра к проволоке идёт заметный электрический ток, попадающий в чувствительный электрометр, с которым соединена проволока. Нить электрометра вздрагивает каждый раз, когда в него попадает ток, и все её движения записываются на киноплёнке, движущейся перед электрометром. Такое устройство позволило Резерфорду и Гейгеру отмечать прохождение отдельных альфа-частиц через прибор даже и тогда, когда число альфа-частиц достигало тысячи в минуту.
Впоследствии Гейгер, уже независимо от Резерфорда, разработал и усовершенствовал этот счётчик. «Счётчик Гейгера-Мюллера», представляющий дальнейшее усовершенствование описанного здесь счётчика Резерфорда и Гейгера, является одним из наиболее замечательных и чувствительных приборов современной физики. Но мы не будем описывать его устройство подробно, потому что его основная идея такая же, как у счётчика Резерфорда и Гейгера. Заметим только, что счётчик Гейгера-Мюллера очень чувствителен не только к влетающим в него альфа-частицам, но и к быстрым электронам, и к другим частицам.
Рассмотрим теперь и третий, наиболее замечательный способ «видеть атомы» — способ конденсации водяных паров, придуманный английским физиком Ч. Т. Р. Вильсоном. Этот способ замечателен тем, что он позволяет не только обнаруживать отдельные быстро движущиеся заряженные атомы и электроны, но и видеть и изучать те пути, по которым эти частицы движутся. Основная идея состоит в следующем.
Если в воздухе находятся пары воды или какой-нибудь другой жидкости (например, пары спирта), то они сейчас же превратятся в жидкость, если только достаточно сильно их охладить. Очень простой способ охлаждения заключается в том, чтобы очень быстро увеличить объём сосуда, в котором находятся эти пары. Можно сделать, например, так: устроить камеру в виде трубы, по которой ходит поршень. Если быстро выдвинуть этот поршень, то воздух с водяным паром, находящийся в камере, сразу расширится а его температура сейчас же упадёт. При этом водяной пар превратится в мельчайшие водяные капельки, рассеянные по камере в виде тумана.
Изучая образование этого тумана, Вильсон обнаружил замечательный факт. Он нашёл, что туман образуется не всегда. Если пространство в камере совершенно чисто и не содержит даже микроскопических пылинок, то, несмотря на сильное охлаждение камеры при выдвигании поршня, туман не образуется. Водяной пар остаётся паром, остаётся, как физики говорят, в переохлаждённом состоянии. Но если в камере есть микроскопическая пыль, то пар превращается в жидкость, и притом тем охотнее, чем этой пыли больше. Изучив это явление ближе, Вильсон пришёл к заключению, что каждая микроскопическая пылинка является тем центром, вокруг которого происходит конденсация (сгущение, превращение в жидкость) водяного пара. Вокруг каждой микроскопической пылинки образуется капелька воды. Но не только пылинки, плавающие в воздухе, могут служить такими центрами конденсации. Если в воздухе некоторое количество молекул ионизовано, т. е. если в нём есть некоторое число электронов и заряженных электричеством молекул (ионов), то конденсация пара происходит совершенно так же, как если бы там была микроскопическая пыль. Выходит, что не только крохотные твёрдые пылинки могут служить центрами конденсации, но и ионы (электроны и заряженные молекулы). Водяной пар может оседать на эти ионы, обволакивая их капельками воды. Если
В 30-е годы были проделаны многочисленные опыты, цель которых была — ускорить образование дождевых капель путём разбрасывания с самолёта заряженного песка или заряженной пыли. Хотя эти опыты и не дали ценных для сельского хозяйства результатов (такой «искусственный дождь» над большой территорией потребовал бы слишком больших затрат), тем не менее действительно оказалось, что вокруг заряженных пылинок образуются дождевые капли. Этот механизм возникновения капелек дождя и мельчайших капелек тумана, исследованный Вильсоном ещё в 1893 году, помог ему в 1911 году построить прибор, позволяющий «видеть атомы».
Идея Вильсона очень проста. Альфа-частица (или другая заряженная быстро движущаяся частица) влетает в камеру, в которой находится воздух с водяным паром. На пути этой частицы образуется большое количество ионов. Если очень быстро увеличить объём камеры (например, выдвигая поршень), то водяной пар охладится и сразу же осядет на ионах, которые густо усеивают путь прошедшей заряженной частицы. Вокруг каждого иона образуется крошечная капелька, но так как ионов очень много, то капельки сольются в целое ожерелье капелек, в длинную струйку воды. Эту струйку можно будет просто увидеть глазом, и можно будет, если мы только захотим, сфотографировать. Мы увидим «туманный след», который точно воспроизводит тот путь, по которому только что прошла заряженная частица. Мы увидим путь отдельной альфа-частицы или путь отдельного электрона! В спинтарископе Крукса мы видим гораздо меньше: там каждая альфа-частица отмечала вспышкой на экране только одну точку своего пути — точку пересечения пути с экраном, — а здесь мы увидим весь её путь в целом.
Рис. 16. Схематическое изображение камеры Вильсона.
Мы сможем увидеть своими глазами, как пути быстрых альфа-частиц искривляются в сильном магнитном поле, мы сможем увидеть, как альфа-частица меняет направление своего движения, столкнувшись с каким-нибудь атомом, мы сможем увидеть всё то, о чём атомная физика раньше говорила, не имея никакой возможности непосредственно проверить правильность своих слов. Поистине камеру Вильсона можно назвать одним из самых чудесных физических приборов, изобретённых в XX столетии.
Заимствуем из книги Резерфорда, Чедвика и Эллиса «Лучи радиоактивных веществ», вышедшей в Кембридже в 1930 году, подробное описание камеры Вильсона:
«Конструкция камеры, с которой работал Вильсон, видна на приложенном рисунке. Закрытая толстым стеклом цилиндрическая камера A, диаметром в 16,5 см и высотой в 3,4 см, представляет собой пространство, в котором получаются пути частиц. Расширение достигается поворотом вентиля B, который соединяет пространство под „полом“ камеры с сосудом C, из которого предварительно удалён воздух насосами (через стеклянную трубку, указанную на рисунке). При открывании вентиля „пол“ камеры внезапно опускается до упора на резиновую подкладку. Деревянные цилиндры D служат только для того, чтобы объём воздуха, перемещающегося при расширении, был меньше. Вентиль B управляется с помощью маятника, который одновременно вызывает разряд мощной конденсаторной батареи через трубку с ртутным паром, где получается яркая вспышка, освещающая пространство внутри камеры настолько интенсивно, что получившиеся пути запечатлеваются на пластинке фотоаппарата [16] , наведённого на внутренность камеры через стекло, которым она покрыта сверху.
Камера всё время наполнена насыщенным паром воды, так как её крышка и дно покрыты тонким слоем влажного желатина. Между „потолком“ и „полом“ камеры при надобности может быть включено электрическое поле (с помощью батареи), служащее для того, чтобы убрать ионы, образовавшиеся в камере, и очистить её для следующего опыта. При точной регулировке промежутка времени между расширением и вспышкой (фотографированием) эта камера позволяет получить очень резкие и ясные стереоскопические фотографии».
16
Или двух фотоаппаратов, если нужно получить стереоскопические снимки.
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.