Прохождение α-частиц через вещества

В 1904 г. проф. университета в Аделаиде Уильям Брэгг сделал на собрании Австралийской ассоциации преуспеяния наук в Новой Зеландии доклад о прохождении частиц через вещество. Он исходил из идеи, что "атом представляет совокупность электронов, разделенных пустым пространством, размеры которого велики по сравнению с объемом самих электронов". Поскольку один электрон, обладающий достаточной скоростью, способен проходить через силовое поле, господствующее в атоме, то и α-частица, представляющая, как думал Брэггг совокупность электронов, также должна при достаточной скорости проходить через вещество. "Я был поражен,- писал Брэгг,- что в этом случае α-частица не обнаруживает рассеяния".

Результаты своих исследований по прохождению α-частиц через вещество Брэгг в своем докладе в январе 1904 г. формулировал следующим образом: "Не будет правильным сказать, что величина излучения, проникшего на расстояние, пропорциональна выражению e^-αх, скорее, будет правильней сказать, что:

1. число α-частиц, проникших на данное расстояние, не меняется значительно с расстоянием до некоторого критического значения, при прохождении которого наблюдается быстрый спад;
2. энергия α-частиц, проникающих на данное расстояние, постоянно уменьшается с возрастанием расстояния и исчезает при том же критическом значении.

Это утверждение является выражением того, чего мы должны ожидать, если ответственной за поглощение излучения будет только ионизация, расходующая энергию".

Схема установки для опытов Брэгга

Отсюда Брэгг делает вывод, что "если α-частица движется по прямому направлению без отклонения и если она расходует энергию на производство ионизации вдоль своего трека, то она должна иметь длину пробега (range) и ионизационный эффект потока α-лучей должен внезапно прекращаться на определенном расстоянии от начала потока, расстоянии, которое должно зависеть от начальной скорости частицы и природы пересекаемого лучами материала".

Как мы уже видели, фотографии в камере Вильсона, полученные в 1911 г., наглядно демонстрируют справедливость этого утверждения. Но уже до этих фотографий были получены важные результаты, относящиеся к длине пробега α-частицы. Так, в докладе 1904 г. Брэгг смог четко формулировать следующие выводы:

• α-частица не рассеивается заметно при прохождении через вещество, но "поглощается" только посредством траты ее энергии на ионизацию.
• α-частица имеет определенную длину пробега, зависящую для данного материала от начальной скорости.
• Радий в состоянии равновесия содержит четыре субстанции, каждая из которых выбрасывает α-частицы одного и того же сорта, но с разными начальными скоростями.
• Длина пробега α-частицы самого радия составляет около 3,3 см.
• α-частица производит тем большую ионизацию, чем меньше становится ее скорость.

Следует отметить, что факт существования определенного пробега α-частиц был установлен для частиц, испускаемых полонием, Марией Кюри-Склодовской (1900). В своей диссертации она писала: "Лучи полония распространяются в воздухе лишь на расстояние нескольких (4-6) сантиметров от источника".

Для определения длины пробега α-частиц Брэгг пользовался ионизационным методом.

Г. Гейгер

В мае 1909 г. Гейгер опубликовал работу по определению длины пробега α-частиц методом, несколько отличающимся от метода Брэгга. Гейгер получил характерную кривую с пиком на конце перед внезапным обрывом кривой. Это показывает, что все α-частицы, выходящие из одного источника, движутся с одной и той же начальной скоростью. Гейгер установил соотношение между начальной скоростью α-частиц и длиной пробега. Согласно этому соотношению длина пробега R пропорциональна кубу начальной скорости R = kv³. На последних участках пробега этот закон не применим.

Длина пробега является важной характеристикой радиоактивного вещества. В 1911 -1912 гг. Гейгер и Нэтолл установили фундаментальное соотношение между длиной пробега α-частиц и постоянной распада радиоактивного элемента λ. Закон Гейгера-Нэтолла приближенно имеет вид

Так как R будет тем больше, чем больше энергия частиц, то из закона Гейгера-Нэтолла следует, что, чем более энергичные частицы выбрасывает вещество, тем скорее оно распадается. Объяснение этому факту дала квантовая механика. Сам факт говорит в пользу принципа Зоммерфельда-Саккура-Умова, хотя эти авторы на него не ссылались.

Брэгг исследовал пробеги в различных веществах. Для характеристики торможения частиц в различных веществах он ввел понятие "задерживающей способности" (Stopping power). Если R - длина пробега в исследуемом веществе, R₀ - длина пробега в веществе, выбираемом в качестве эталона, d и d₀ - плотности этих веществ и А и А₀ - их атомные веса, то задерживающая способность вещества А относительно вещества А₀ выражается формулой

Брэгг и Клеман установили, что задерживающая способность пропорциональна корню квадратному из его атомного веса. Брэгг полагал, что рассеяние α-частиц в веществе ничтожно. Он писал: "Меня поразило, что в таком случае (случае прохождения α-частиц через атомы вещества.- П. К.) α-частица не обнаруживает рассеяния. В случае если даже α-частица столкнется с электроном атомной системы, столкновение не должно оказать заметного влияния на движение α-частицы, последняя будет в тысячи раз тяжелее электрона. Следовательно α-частица должна продолжать двигаться прямолинейно, проходя без отклонения через все атомы, которые она встречает".