Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Всю эту информацию физики получили в течение всего нескольких лет, однако она носила в основном качественный характер. Тем не менее в ней содержались совершенно новые, фундаментальные сведения о строении веществ, без которых невозможно было бы дальнейшее развитие как атомной физики в целом, так и техники измерений атомных величин в частности. К тому же сделанные открытия поставили перед учеными ряд конкретных задач, непосредственно связанных с измерениями: необходимо было научиться измерять продолжительность существования атомов радиоактивных веществ, число распадов в любом образце, энергию и скорость вылетающих частиц и т. д. Все эти сведения нужны были физикам для создания и проверки новых гипотез о строении вещества, с помощью которых можно было бы объяснить вновь открываемые факты и тем самым глубже понять окружающий мир.
Одним из наиболее важных вопросов, которые предстояло решить, был вопрос о строении атома. Сам факт распада атома на атомы других элементов свидетельствовал о его сложной структуре. К тому же из атома при распаде вылетают заряженные частицы; но ведь в обычном состоянии он электрически нейтрален, значит, в нем есть и другие частицы с зарядом про-
38
тивоположного знака, а это опять-таки указывает на сложную структуру атома.
На первый взгляд, все эти факты можно было связать с предложенной еще до открытия радиоактивности моделью атома Томсона. Желая объяснить появление электронов в катодных лучах, Томсон предположил, что атомы — это маленькие сферы из положительно заряженной "жидкости", в которой "плавают" отрицательно заряженные электроны. Гипотеза Томсона объясняла многие известные в то время факты: появление свободных электронов при нагреве металлов, возникновение катодных лучей и, что уже отмечалось, некоторые эффекты, связанные с радиоактивностью. Поэтому теория Томсона быстро завоевала себе много сторонников.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ РАСПАДА
В 1903 году Пьер Кюри и Лаборд заметили, что соединения радия всегда немного теплее окружающей среды. Поместив некоторое количество одного из таких соединений в обычный калориметр, нетрудно было установить, что каждый грамм радия выделяет около 590 Дж/ч. Разделив это значение на число распадов, происходящих в 1 г радия за 1 ч, можно было определить количество энергии, выделяющейся при одном акте распада. Но как вычислить количество распадов? Проще всего это можно было бы сделать подсчетом сцинтилляций в спинтарископе Крукса, однако в 1 г радия, распады происходят столь часто, что человеческий глаз не в состоянии фиксировать отдельные вспышки. Даже наименьшее количество вещества, уверенно отвешиваемого на химических весах, — 0,1 мг — все еще велико для спинтарископа. Если же только слегка прикоснуться кончиком иголки к радиоактивному соединению, то количество захваченного вещества будет небольшим и считать сцинтилляции будет легко. Однако в этом случае неизвестно, какое именно количество радия находится* на иголке, а следовательно, нельзя определить число распадов в 1 г радия за 1 ч. В подобных случаях поступают следующим образом.
Отвешивают, например, количество соли, содержащее 5 мг радия, и растворяют его в 5 л воды. Если теперь перемешать хорошо раствор, а затем тоненькой стеклянной трубочкой перенести капельку этого раствора объемом 1 мм3 на иголку
39
спинтарископа и дать ей испариться, то, как легко подсчитать, на иголке окажется 10"9 г радия. Зная значение видимой в лупу площади поверхности экрана из сернистого цинка и расстояние от иголки до экрана, легко подсчитать, какую долю а-частиц может заметить наблюдатель. Допустим, что в условиях эксперимента только одна а-частица из 100 попадает в поле зрения наблюдателя. Если бы мы действительно осуществили такой опыт, то в результате длительного наблюдения установили бы, что в среднем за 100 с возникает 37 вспышек. Так как мы регистрируем только сотую долю всех а-частиц, полное число распадов в нашем образце составляет 3700 за 100 с, или 37 расп./с, а в 1 г радия число распадов в 109 раз больше, т. е. 3,7•1O10 расп./с, или 1,33•1O14 расп./ч. Теперь учтем то обстоятельство, что в радии после очистки довольно быстро накапливаются три продукта его распада, атомы которых тоже испускают а-частицы. Полученное в опыте с калориметром значение 590 Дж/ч следует отнести ко всем этим распадам, т. е. на долю самого радия приходится энергия, примерно в 4 раза меньшая. Разделив 590 на 4, а потом еще на 1,33•1O14, найдем, что на долю одного распада приходится энергия, равная примерно 1,Ы0"12 Дж, или 6,8 МэВ (мегаэлектрон-вольт*).
Другой путь измерения энергии распада основан на непосредственном определении энергии вылетающих частиц. Как отмечалось выше, изучение отклонения частиц в электрическом и магнитном полях позволяет найти не только отношение заряда к массе, но и скорость частицы, а зная массу и скорость частиц, нетрудно подсчитать и их энергию. После опытов Резерфорда и Содди можно было смело утверждать, что а-частица - это дважды ионизованный атом гелия; следовательно, масса а-частицы в 4 раза больше массы атома водорода и равна примерно 6,6-10"24 г. В 1908 году Резерфорд и Гейгер провели соответствующие опыты и получили для энергии а-частиц почти то же значение, что и в опыте с калориметром, — около 6 МэВ.
