Атомы и электроны
Шрифт:
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
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.
17
За прошедшее с 1935 г. время камера Вильсона была существенно модифицирована; появились и новые типы камер, позволяющие фиксировать траектории заряженных частиц: пузырьковая (1952 г.) и искровая (1957 г.) камеры. (Прим. ред.)
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
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]
18
Ln — натуральный логарифм. Он равен десятичному логарифму, делённому на 0,4343. (Тот, кто не умеет вычислять с логарифмами, может при чтении пропустить все промежуточные выкладки и просто принять результат на веру.).
(2,66•1021)/(3,7•1010)•Ln(2)=5•1010 c
А так как год составляет 3,16•107 с, то, чтобы узнать, через сколько лет данное количество атомов радия уменьшится ровно вдвое, нужно разделить 5•1010 на 3,16•107. Ответ гласит: через 1600 лет.
Этот необыкновенно важный результат, полученный таким простым способом, сразу объясняет, почему физики, открывшие радий, сочли его неиссякаемым источником энергии, каким-то «вечным двигателем», никогда не устающим отдавать всё новые и новые запасы энергии. В действительности радий устаёт, энергия его иссякает, но только всё это происходит очень медленно. Радон (эманация радия) распадается наполовину в течение четырёх дней (точнее говоря, за 3,85 дня), и поэтому уменьшение его радиоактивности было сразу замечено. Но радий распадается наполовину в течение 1600 лет, значит, в течение самой долгой человеческой жизни данный препарат радия останется почти таким же, каким он был. Но всё же радий не вечен. Если бы вавилонский царь Хаммураби, царствовавший семь тысяч лет тому назад, положил в свою сокровищницу один грамм радия, то в наше время, даже если бы сокровищница не была разграблена, в ней осталось бы радия не больше чем несколько десятков миллиграммов.
Не бесконечен, хотя и очень велик, тот запас энергии, который радий растрачивает, превращаясь в радон. Измерения показали, что один грамм радия испускает в час 140 калорий тепла. Это количество тепла испускается, однако же, не одним лишь чистым радием, но также и теми радиоактивными продуктами распада радия, которые всегда присутствуют в радиевом препарате и тоже испускают лучи Беккереля, нагревая все окружающие предметы. Немецкий физик Гесс (в 1912 году) попробовал измерить теплоту, испускаемую препаратом чистого радия, из которого были удалены все продукты распада. Оказалось, что один грамм чистого радия даёт всего лишь 25 калорий в час, т. е. 6,9•10– 8 калорий в секунду. А мы знаем, что за секунду распадается часть радия, равная 1,4•10– 11. Значит, когда распадётся весь грамм радия, то выделенная им энергия (при превращении в радон) будет равна
(6,9•10– 8)/(1,4•10– 11)=2,05•109 Дж.
Четыреста девяносто миллионов калорий — вот сколько энергии отдаёт грамм радия, превращаясь в радон! И это ещё не вся заключённая в нём энергия: ведь и радон распадается дальше, отдавая энергию ещё и ещё (в дальнейшем мы увидим, сколько энергии выделяется во всей длинной цепи радиоактивных превращений, в которой превращение радия в радон является лишь одним из звеньев). Для того чтобы понять, как велика эта энергия, заметим, что при горении грамма водорода (а это одна из самых энергичных химических реакций) выделяется 34000 калорий тепла, т. е. приблизительно в 10 тысяч раз меньше, чем при превращении грамма радия в грамм радона. Ещё эффективнее получится сравнение, если энергию пересчитать на атомы. Энергия, выделяющаяся при превращении одного атома радия: Ra->Rn+He, оказывается (как показывает простенький расчёт) в полтора миллиона раз больше, чем энергия, освобождающаяся при образовании одной молекулы воды из водорода и кислорода. Всё это показывает, что радиоактивные явления — действительно нечто совершенно несравнимое по масштабу с обычными явлениями химии.