Радиоактивность

Среди тем, разработанных в книге Томсона, видное место занимает радиоактивность. Этой теме посвящена большая глава "Лучи Беккереля". Говоря об открытии радиоактивности, Томсон на первое место ставит наблюдение Генри, сделанное в начале 1896 г. над фосфоресцирующим веществом сернистого цинка. Генри нашел, что, выставленный на солнце, этот цинк действовал на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу. Это наблюдение предшествовало опытам Беккереля, целью которых было установить, не сопровождается ли люминесценция рентгеновским излучением. Выбранная Беккерелем в качестве объекта исследования соль урана оказалась радиоактивной. В книге Томсона описаны важнейшие результаты первого периода исследования радиоактивности, в частности отклонение β-лучей в магнитном поле (Беккерель, 1900), показавшие, что β-лучи тождественны по природе с катодными лучами, отклонение α-лучей в магнитном поле (Резерфорд, Беккерель, 1903), из которого вытекало, что α-лучи заряжены положительно, закон радиоактивного распада тория (Резерфорд и Содди, 1902), ионизирующие свойства радиоактивных веществ и т. д. В дополнениях Томсон приводит последние результаты исследования радиоактивности и, прежде всего, гипотезу радиоактивного распада Резерфорда и Содди.

А. Беккерель

"Резерфорд и Содди (Phil. Mag (6), V, p. 576, 1903),- пишет Томсон,- привели сильные аргументы в пользу предположения, что радиоактивность является результатом разрушения атома; таким образом, атом радия расщепляется, прежде всего, на положительно заряженные частицы, образующие α-лучи, эманацию и, возможно, другие вещества; эманация также распадается на продукты, которые будут веществами, дающими начало индуктивной радиоактивности, эти, поскольку они радиоактивны, снова распадаются на продукты, которые, поскольку они не радиоактивны, не могут быть обнаружены".

Опыт Беккереля

Далее Томсон говорит об открытом Кюри и Лабордом выделении тепла радием (1903) и приводит последние данные о периодах полураспада радиоактивных веществ. Заметим, что Томсон ошибочно приписывает авторство статьи, написанной совместно с А. Лабордом и опубликованной 16 марта 1903 г. в докладах Парижской Академии наук, Марии, а не Пьеру Кюри. Между тем фундаментальный факт непрерывного выделения энергии радием был открыт Пьером Кюри.

Основным прибором, с помощью которого исследовались радиоактивные явления, был электрометр. Он применялся в соединении с ионизирующей камерой. Наиболее часто применяемый квадрантный электрометр был усовершенствован в 1901 г. Долезалеком. В 1908 г. Долезалек построил бинантный электрометр. П. Кюри и М. Кюри обычно пользовались квадрантным электрометром, заряд которого компенсируется зарядом пьезопластинки. В 1903 г. Вильсон построил чувствительный электрометр с золотым листочком. Движения листочка наблюдаются в отсчетный микроскоп с микрометрической шкалой. В 1907 г. Вульф построил двунитный электрометр, кварцевые нити которого платинированы. Через два года, в 1909 г., Эльстер и Гейтель построили однонитный электрометр. С помощью отсчетного микроскопа этим электрометром можно измерить разность потенциалов до 0,003 в. В 1903 г. В. Крукс и независимо от него Эльстер и Гейтель обнаружили, что сернистый цинк под действием α-частиц создает светящиеся вспышки (сцинтилляции), которые можно наблюдать в лупу. Крукс построил для наблюдения этого эффекта прибор, названный им спинтарископом. С помощью этого прибора можно наблюдать отдельные α-частицы. Научное и философское значение этого факта трудно переоценить. Спинтарископ сыграл выдающуюся роль на первом этапе развития атомной и ядерной физики.

К открытию радиоактивности

В том же, 1903 г. Резерфорд и Содди показали, что α-частицы представляют собой положительно заряженные атомы гелия. Обращенную в жидкость эманацию радия (ее назвали сначала "нитоном", а потом "радоном") помещали в небольшую запаянную трубочку. С течением времени в трубочке образовывался газ, спектр которого давал характерную линию гелия. В 1905 г. в Льеже состоялся Первый Международный конгресс по изучению радиологии и ионизации. На этом конгрессе австрийский физик Эгон Швейдлер сделал доклад "О флюктуациях радиоактивных превращений", в котором обосновал статистический закон радиоактивного распада, открытый, как было сказано выше, Э. Резерфордом и Ф. Содди. В 1907 г. Эдгар Мейер и Эрих Регенер применили теорию Швейдлера к определению величины элементарного заряда. Сделанный ими 13 декабря 1907 г. на заседании Немецкого физического общества в Берлине доклад носит название "О флюктуациях радиоактивного излучения и одном методе определения электрического элементарного заряда". Этой работе предшествовало исследование Кольрауша "О флюктуациях радиоактивных превращений" (1906), в котором статистическая теория Швейдлера была подвергнута экспериментальной проверке.

Электрометр Кюри

Мейер и Регенер наблюдали в своем опыте флюктуации стрелки электрометра, изменяя величину тока насыщения путем диафрагмирования полониевого препарата. По закону Швейдлера e√z = const и так как z (число атомов, распадающихся в секунду) пропорционально току насыщения, то, меняя диафрагмы препарата, проверялось соотношение e√i = const. Ток насыщения, а следовательно и z, в опыте варьировался в пределах 1-100, и в этих пределах закон Швейдлера оказался справедливым. Предполагая далее справедливость этого закона из соотношения i = ^z*94000e/_δ. где δ - промежуток времени, а z - число атомов, распадающихся за это время, можно в формуле Швейдлера e = ¹/_√z заменить z на i и из полученного соотношения определить e. При этом e = ^ε2iδ/_94000. Измерения Мейера и Регенера дали для e значение 1,3*10^-10. Как мы видели, измерения Томсона дали для e = 3,4*10^-10. Планк, используя измерения постоянной закона Вина получил из своей формулы излучения значение числа Авогадро N = 6,2*10²³, что в соединении с законом электролиза Фарадея дает для элементарного заряда значение e = 4,69*10^-10 абсолютных электростатических единиц. Работа Мейера и Регенера, конечно, легко уязвима. Довольно произвольная экстраполяция числа ионов, производимых α-частицей на пути своего пробега (понятие длины пробега к этому времени уже стало известно), неточность самого статистического метода - все это дает возможность только определить порядок величины, но не ее более или менее точное значение. Сами авторы пишут, что, к сожалению, их опыты не позволяют решить, несет ли α-частица одинарный или двойной заряд. В связи с отъездом Мейера из Берлина опыты были прерваны. "Они должны быть продолжены другими,- заключают авторы свое сообщение,- специально также для точного определения элементарного заряда".

В. Крукс

Менее чем через два месяца после этого сообщения Регенер сделал на заседании Немецкого физического общества предварительное сообщение "О подсчете α-частиц путем сцинтилляций и величине электрического элементарного заряда". В этом сообщении Регенер вначале кратко описывает "красивые явления сцинтилляций". "На экране (из сернистого цинка.- П. К.) вспыхивают многочисленные светящиеся точки в различных постоянно меняющихся местах, которые производят впечатление, что экран подвергается бомбардировке снарядами, вызывающими при ударе вспышку света. Что действительно а-лучи являются причиной этого явления, подтверждалось неоднократно".

Спинтарископ Крукса (справа разрез; вверху экран, фосфоресцирующий под действием бомбардирующих его α-частиц

Здесь он ссылается на вышедший в 1907 г. немецкий перевод монографии Резерфорда "Радиоактивность". Регенер указывает также со ссылкой на книгу Резерфорда, что "максимальное расстояние, на которое распространяется действие источника излучения, тождественно с тем, до которого обнаруживается ионизирующее действие α-лучей". В своем опыте Регенер подсчитывал вспышки, производимые α-частицами, вылетающими из диафрагмированного препарата полония, на экране из сернистого цинка, помещаемого на различных расстояниях и на различных площадях экрана. Затем измерялся ток насыщения, производимый этим препаратом в ионизационной камере с полусферическим электродом. Измерения Регенера приводят к выводу, что если α-частицы заряжены одним элементарным зарядом, то величина заряда e = 18*10^-10, если же двумя, то e = 4*10^-10. Регенер указывает на необходимость продолжения опытов и на возможность электрического подсчета α-частиц с помощью чувствительного малоемкостного струнного электрометра. Такой подсчет и был осуществлен в опытах Резерфорда и Гейгера в 1908 г. Прежде чем говорить об этих опытах, остановимся на статье Резерфорда, вышедшей в октябре 1906 г., часть которой, посвященная вопросу о массе и скорости α-частиц, была помещена в немецком переводе в годичном сборнике "Jahrbuch der Radioaktivitat und Elektronik" за 1907 г. Резерфорд указывает в своей статье, что массы α-частиц, испускаемых радием A, радием С, радием F и актинием В, а также торием С, в пределах ошибок опыта одинаковы. Точно так же опыты с магнитным отклонением показывают, что α-частицы, получаемые из радия, имеют массу, одинаковую с массой частиц, выбрасываемых радием С.

Э. Резерфорд

Хотя масса α-частиц, испускаемых эманацией радия, еще оставалась неопределенной, однако Резерфорд не сомневается в том, что она остается такой же, как и масса всех α-частиц. "Я думаю,- пишет он,- что не может быть никакого сомнения в том, что α-частицы, испускаемые различными продуктами радия, обладают идентичной массой и отличаются только начальной скоростью".

Далее он продолжает: "Мы можем, таким образом, с полным основанием заключить, что испускаемые различными радиоэлементами α-частицы во всех случаях имеют одну и ту же массу. Это заключение является важным. Оно указывает тем самым, что уран, торий, радий и актиний, которые ведут себя как химически различные элементы, имеют общий продукт превращения.

α-частицы образуют основные единицы материи, из которых построены атомы этих элементов".

Таким образом, вопрос о структуре атома и элементарных частицах уже был поставлен в порядок дня физики. Резерфорд считает α-частицы основным кирпичиком атома, по сравнению с которым "β-и γ-лучи играют совершенно подчиненную роль". Указав, что для водородного иона отношение ^e/_m равно приблизительно 10⁴, а для α-частицы 5,1*10³, т. е. примерно половине, Резерфорд пишет: "Значение ^e/_m для α-частицы можно объяснить на основе допущений, что α-частица:

1. есть молекула водорода, несущая заряд иона водорода,
2. атом гелия, несущий двойной ионный заряд водорода,
3. или половина атома гелия, несущая одинарный ионный заряд".

Схема опыта Мейера и Регенера

Анализируя эти возможности, Резерфорд считает наиболее вероятной вторую, т. е. что α-частицы являются атомами гелия, несущими двойной заряд. Резерфорд приводит данные о пробеге и энергии α-частиц. Он приводит данные Брэгга и Клемана (1904), определивших методом ионизации длины пробега α-частиц, испускаемых Ra, Rn (эманацией), Ra A, Ra С, и длину пробега α-частицы, испускаемой полонием (RaF), полученную Левиным в 1906 г., и производит оценку энергии α-частиц. Итак, за 10 с лишним лет, прошедших после открытия радиоактивности, были открыты многие важные факты радиоактивности: открыт закон радиоактивного распада, радиоактивные элементы, являющиеся членами радиоактивных семейств, открыты три рода излучений и изучены их основные свойства, особенно α-частиц. И все же вопрос о заряде и массе α-частиц еще не был решен окончательно. В 1908 г. Резерфорд и Гейгер предприняли новые попытки определения заряда α-частиц. В их опыте радиоактивный препарат помещался на одном конце длинной стеклянной трубки, из которой выкачивался воздух. Частицы, испускаемые препаратом, двигаясь в вакууме, попадают на диафрагму, отверстие которой закрыто тонким металлическим или слюдяным листком. Отсюда лучи попадают в цилиндрическую ионизационную камеру, давление воздуха в которой и напряжение на электродах подбирается таким образом, чтобы попадание α-частицы вызывало ионизацию столкновением, усиливающую разряд в камере. Струнный электрометр, соединенный с электродом камеры, будет регистрировать прохождение каждой частицы. Отклонения электрометра регистрируются фотографически.

Схема счетчика Гейгера

Определив число α-частиц, испускаемых в секунду радиоактивным препаратом, Резерфорд и Гейгер измерили заряд, накопленный на электрометре, соединенном с экраном, бомбардируемым α-частицами. Зная заряд, накапливаемый на электрометре в секунду, и число частиц, ударяющихся об экран, можно определить заряд одной частицы. Он оказался равным 9,3*10^-10 электростатических единиц. Предположив, что частица несет двойной заряд, Резерфорд и Гейгер нашли величину элементарного заряда равной 4,65*10^-10. Резерфорд позже вспоминал, как их смущал этот результат, ведь наиболее авторитетным считалось число 3,4*10^-10, полученное у Томсона. Однако Лармор сказал ему, что полученный ими результат близко подходит к значению, полученному Планком, и это обстоятельство его ободрило. Так, теория, казалось бы, очень далекая от опытов Резерфорда, подала руку помощи экспериментатору. Заметим, что электрический способ подсчета частиц, примененный Резерфордом и Гейгером, был предшественником будущего замечательного прибора - электрического счетчика. Дальнейшим развитием этого метода явилась ионизационная полусферическая камера с электродом в виде шарика, примененная Резерфордом и Гейгером в 1912 г., из которой выросла конструкция цилиндрического счетчика Гейгера с острием, созданная Гейгером в 1914 г. В сообщении из высшего метрологического учреждения Германии Физико-технического института от 25 июня 1913 г. Гейгер указывал на совместные опыты его и Резерфорда в 1908 г., в которых благодаря ионизации столкновением можно было обнаружить с помощью электрометра отдельные частицы. Он указывал даже, что для такого подсчета особенно пригоден однонитный электрометр, который с помощью фоторегистрации может разрешать отдельные частицы при попадании их в ионизационную камеру со скоростью до 2000 частиц в минуту. Усовершенствуя этот метод, Гейгер разработал конструкцию счетчика, позволяющую считать не только α-частицы, но и значительно слабее ионизирующие β-частицы. "Метод основан на вызывании разряда с острия при прохождении вблизи острия α- или β-частиц". Конструкция первого счетчика, описанного Гейгером, представляла латунную трубку А диаметром около 2 см, в которую через эбонитовую пробку Е вводилась оканчивающаяся тонким острием проволочка D. Острие проволоки находилось примерно на расстоянии 0,8 см от окошечка В в шайбе, закрывающей трубку. Корпус счетчика А находился под положительным потенциалом около 1200 в, а проволока D соединялась с однонитным электрометром. С помощью подходящего жидкостного сопротивления заряд, скопляющийся на электрометре при прохождении регистрируемой частицы отводился к земле в доли секунды. При емкости электрометра около 10 см отклонения нити соответствовали напряжению от 10 до 20 в. Для действия счетчика решающим является качество острия; ширина трубки и расстояние острия от шайбы могут меняться в широких пределах, не ухудшая действия счетчика.

Записи импульсов с первого счетчика Гейгера

При не соответствующем качестве острия уже при напряжении менее 1000 в может начаться самостоятельный разряд. Гейгер, однако, указывает, что определенных правил для изготовления хорошего острия нет. Мы приводим первую гейгеровскую фотографию отклонений электрометра.