Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Еще один способ определения энергии а-частиц заключается в подсчете числа пар ионов, создаваемых ими при движении через газ. Об этом способе речь будет идти позже, здесь же отметим, что и он дает примерно то же значение.
В гл. 2 указывалось, что средняя энергия теплового движения атома при нормальной температуре составляет всего
* 1МэВ = 106эВ; 1 кэВ = 103эВ.
40
0,025 эВ. Энергия, выделяющаяся в расчете на один атом при химических реакциях, оказывается порядка 1—2 эВ. Таким образом, энергия радиоактивного распада в несколько миллионов раз больше энергии, выделяющейся при любом ранее известном процессе. Если бы все атомы в куске радия распались одновременно, то температура образовавшегося газа достигла бы нескольких сотен миллионов градусов!
Возникает естественный вопрос: откуда берется эта энергия? Ведь радиоактивный распад происходит "сам по себе", без всякого внешнего воздействия. Более того, никакими внешними воздействиями (температурой, давлением, химическими реакциями и т. п.) не удавалось хотя бы в малой степени ускорить или замедлить распад или изменить его энергию. Создавалось впечатление, будто в недрах вещества непрерывно в течение веков и тысячелетий рождается энергия "из ничего". Многие ученые уже начинали сомневаться в непогрешимости закона сохранения энергии при атомных явлениях. Но закон сохранения энергии был справедлив, как всегда, и в этом случае, а объяснение выделения огромного (в расчете на один атом) количества энергии при радиоактивном распаде было найдено лишь несколько лет спустя, когда накопился достаточный экспериментальный и теоретический материал.
ОТКРЫТИЕ АТОМНОГО ЯДРА
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО РАЗМЕРОВ
И ЗАРЯДА ПО РАССЕЯНИЮ
а-ЧАСтиц
В 1906 году Резерфорд заметил, что при прохождении через слой воздуха пучок а-частиц несколько расходится. Это явление естественно было объяснить рассеянием а-частиц молекулами газа, входящего в состав воздуха.
Работая под руководством Резерфорда, Гейгер и Марсден провели серию опытов по изучению рассеяния а-частиц не только воздухом, но и тонкими фольгами из разных металлов (рис. 6). Для регистрации а-частиц они пользовались сцин-тиллирующим экраном. В результате этих опытов было установлено, что подавляющее число а-частиц при рассеянии отклоняется незначительно, но отдельные частицы изменяют направление движения на угол 90° и более, причем число сильно откло-
41
Рис. 6. Схема опыта Гейгера и Марсдена:
1 - источник а-частиц; 2 -защитный чехол; 3 - фольга из исследуемого материала; 4 -вращающийся корпус; 5 - экран; 6 - микроскоп
няющихся частиц тем больше, чем выше порядковый номер элемента мишени.
Результаты опытов Гейгера и Марсдена невозможно было объяснить в рамках модели атома Томсона. Ведь по этой модели атом в целом электрически нейтрален, следовательно, на расстоянии подействовать на а-частицу не может. Да и внутриатомное вещество, по Томсону, в среднем нейтрально, а столкновения с отдельными электронами могли лишь незначительно изменить направление полета а-частицы, так как ее масса гораздо больше массы электрона; подобно этому случайное столкновение винтовочной пули с комаром не спасет мишень от попадания. Значит, в атоме есть какая-то массивная компактная часть, несущая электрический заряд, на которой и происходит рассеяние а-частиц.
Простой расчет показывает, какое значение должен иметь заряд атома мишени и на какое расстояние должна подойти к нему а-частица, чтобы сила электростатического взаимодействия отбросила ее назад. Предположим, что ответственная за рассеяние часть атома мишени имеет положительный электрический заряд q (ибо отрицательные электроны не могут привести к заметному рассеянию) и что а-частица, имеющая заряд qa, летит точно по линии, проходящей через центр атома. Характер протекания столкновения очевиден: приближаясь к атому, а-частица под действием электростатической силы отталкивания постепенно должна терять свою скорость; в некоторой точке она на мгновение совсем остановится, после чего под действием той же силы начнет движение обратно. В момент остановки вся первоначальная кинетическая энергия частицы переходит в потенциальную, поэтому расстояние точки остановки от центра рассеивающего атома можно найти из соотношения
* Напомним,что электрическая постоянная б0 « 8,8510"12 Кпа/(м2.Н).
42
В этом соотношении энергия и заряд а-частицы могут считаться известными. Заряд, который следует приписать рассеивающей части атома, тоже примерно известен: по крайней мере, он одного порядка с зарядом а-частицы, а если и больше его, то в десять или от силы в несколько десятков раз (ведь а-частица — тоже атом!). Наблюдение рассеяния а-частиц на атомах гелия, проведенное потом Блэкеттом, подтвердило, что в данном случае все характеристики "снаряда" и "мишени" одинаковы.
Итак, в написанном соотношении остается одна неизвестная величина г, которую можно теперь легко найти. Предполагая, что q = 2Oe, qa = Ie и Еа = 6 МэВ - 9,6-10"13 Дж, находим
r = qqal(4it€0E(d «9,6•1O-15 м,
значит, область, занятая зарядом, должна быть во всяком случае не больше этой величины, а может быть, даже и еще меньше!
