Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Если в начальный момент было N0 атомов, способных распадаться (радиоактивных), то по прошествии времени t их останется
N = No(T^. (16)
31
В этой формуле е — основание натуральных логарифмов, число, равное 2,718..., а т — время жизни радиоактивного ядра. Если мы будем наблюдать за ядрами в течение времени т, то по закону радиоактивного распада (16) их останется
Л— 1\0е —-2^I8-»
!Г. е. 37% начального числа. Остальные 63% распадутся.
Закон радиоактивного распада — один из основополагающих в атомной и ядерной физике *).
На рис. 7 приведена кривая радиоактивного распада свободного нейтрона. Если в какой-то момент времени
О Ю 20 30 W 50
Время, мин
Рис. 7. Закон радиоактивного распада. Распад свободного нейтрона. По оси ординат отложена вероятность обнаружить нераспавший-ся свободный нейтрон через время t.
образовался такой нейтрон, то через 15 минут (время его жизни) с вероятностью 0,63 он распадется.
История исследования радиоактивности на протяжении первой трети нашего века неотделима от имени Резерфорда. Вы смогли убедиться в этом по самому короткому перечню открытий, приведенному на предыдущей странице.
*) В 1931 г. Резерфорд за свои научные заслуги был пожалован званием лорда. На гербе лорда Резерфорда оф Нельсон изображены две скрещивающиеся кривые радиоактивного распада (экспоненты), пересекающие поле геральдического щита.
32
Ученый продолжил этот список. Через три года после того, как Резерфорд был удостоен Нобелевской премии «За исследования по распаду элементов и химии радиоактивных веществ» (1908 г.), в журнале «Philosophical magazine* была опубликована его работа об открытии атомного ядра и о новой модели атома.
3.6. Модель атома Резерфорда
Эта модель основывалась на экспериментах двух его сотрудников — Гейгера и Марсдена. Описанию этих опытов посвящены многие книги, они приводятся на страницах учебников. Поэтому мы будем предельно кратки и в конце предоставим слово самому Резерфорду.
Гейгер и Марсден изучали рассеяние альфа-частиц тонкой золотой фольгой. Огромное большинство частиц, пролетая через фольгу, отклонялось на малые углы, но были и исключения. Примерно одна частица на восемь тысяч отбрасывалась вообще назад. Резерфорд, ознакомившись с этими результатами, представил себе следующую картину происходящего процесса. Вещество состоит в основном из пустоты. Вокруг маленького положительного ядра (маленького, но тяжелого, поскольку вся масса атома сосредоточена в нем), как планеты вокруг Солнца, вращаются электроны. Тогда мало вероятно, что альфа-частица, проходящая через вещество, столкнется с ядром. А соударения с легкими электронами не смогут заметно искривить ее путь. Но уж если произошло столкновение с ядром, то частица рассеется на большой угол, возможно, что и отлетит назад.
Резерфорд был далеко не первым из тех, кто предлагал планетарную модель атома. До него англичанин Дж. Стони, француз Ж. Перрен, японец X. Нагаока и еще несколько ученых высказывали такие же идеи. Но он был первым, кто на основании экспериментов рассчитал и доказал, что вся основная масса вещества сосредоточена в компактных и тяжелых ядрах.
Резерфорд сделал еще один очень смелый шаг — можно сказать, шаг провидца.
Согласно классической электродинамике электроны, движущиеся по окружности (или по эллипсу), ДОЛЖНЫ излучать электромагнитные волны, так как они имеют центростремительное ускорение.
2 А. А. Боровой
33
Итак, электрон теряет энергию и рано или поздно упадет на ядро.
Резерфорд это прекрасно знал, но тем не менее был уверен в своей модели. В опубликованной статье он отодвинул объяснение вопроса об устойчивости атома на будущее. И оказался прав. Уже наступала эра квантогой механики.
Последний раз выступая перед широкой аудиторией в 1936 г. (за год до смерти), Резерфорд вспоминал:
«Помню, что ко мне пришел страшно возбужденный Гейгер и сказал: «Нам удалось наблюдать а-частицы, возвращающиеся назад». Это было самым невероятным событием, которое мне пришлось пережить. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в листок папиросной бумаги, и он вернулся бы назад и угодил бы в вас. Поразмыслив, я понял, что это обратное рассеяние должно быть результатом однократного столкновения, а когда я произвел расчеты, то увидел, что невозможно получить величину того же порядка, разве что вы рассматриваете систему, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в малом ядре. Вот именно тогда у меня родилось представление об атоме с малым массивным центром, несущим заряд. Я математически вычислил, какому закону должно подчиняться рассеяние, и нашел, что число частиц, рассеивающихся под данным углом, должно быть пропорционально толщине рассеивающей фольги, квадрату варяда ядра и обратно пропорционально четвертой степени скорости. Этот вывод в дальнейшем был проверен Гейгером и Марсденом в серии великолепных экспериментов...
Выдвигая теорию ядерного строения атома, я вполне отдавал себе отчет в том, что согласно классической теории электроны должны падать на ядро, а Бор постулировал, что по некоторым неизвестным причинам этого не происходит, и на основании такого предположения он сумел объяснить происхождение спектров. Применяя вполне разумные допущения, он шаг за шагом решил вопрос о расположении электронов во всех атомах периодической таблицы... В результате дальнейших усовершенствований, главным образом внесенных самим Бором, и видоизменений, произведенных Гайзенбергом, Шредингером и Дираком, изменилась вся математическая теория и были введены идеи квантовой механики».
