Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

Альфа-лучи легко задерживаются и поглощаются даже сравнительно очень тонкими слоями вещества. Например, достаточно завернуть радий в обыкновенную писчую бумагу или закрыть его листком слюды или алюминия толщиной в 0,05 мм, чтобы альфа-лучи почти полностью поглотились. А бета- и гамма-лучи проходят через такие листки совершенно свободно. Вообще можно считать, что проникающая способность бета-лучей примерно в 100 раз больше проникающей способности альфа-лучей, а проникающая способность гамма-лучей в десять или в сто раз превосходит проникающую способность бета-лучей. Слой в 5 мм алюминия или в 1 мм свинца достаточен, чтобы задержать большую часть бета-лучей, а гамма-лучи проходят через этот слой еще довольно свободно.

Из-за того, что альфа-лучи так легко поглощаются, возникает вот какое любопытное обстоятельство: если взять какой-нибудь препарат радия и придать ему форму шарика, то он будет испускать сравнительно немного альфа-лучей, потому что большая часть альфа-лучей, испускаемая внутренними слоями этого шарика, успеет поглотиться внутри шарика еще раньше, чем доберется до его поверхности. Поэтому наружу выйдет лишь очень малая доля всех испускаемых альфа-лучей. Но если взять тот же самый препарат и размазать его в виде очень тоненького слоя по какой-нибудь тарелочке или пластинке, то альфа-лучей будет очень много и их действие будет гораздо сильнее, чем действие бета-и гамма-лучей того же самого препарата. С помощью такого препарата можно обнаружить удивительные действия альфа-лучей.

Так, например, легко показать на опыте, что альфа-лучи гораздо сильнее ионизуют воздух, чем бета- и гамма-лучи. Содди доказал это следующим опытом. Он размазал 1 мг бромистого радия по поверхности платиновой тарелочки (около шести квадратных сантиметров). Затем он взял наэлектризованную шелковую кисточку. Эта кисточка служила как бы электрометром: когда клеточка наэлектризована, все ее нити отталкиваются друг от друга и расходятся в виде конуса, а как только кисточка разрядится, нити снова спадут и будут свисать вертикально. Когда Содди поднес свою наэлектризованную кисточку к размазанному по тарелочке бромистому радию, покрытому сверху листком почтовой бумаги, кисточка оставалась наэлектризованной и ее нити не хотели спадать. Но как только Содди передвинул листок бумаги и приоткрыл небольшую часть поверхности, смазанной бромистым радием, кисточка немедленно разрядилась и ее шелковые нити сейчас же повисли. Значит, бета- и гамма-лучи, испускаемые одним миллиграммом бромистого радия и проходящие сквозь листок бумаги, не действуют на заряженную кисточку, а альфа-лучи действуют очень сильно. Когда Содди поднес такую же заряженную шелковую кисточку к 30 мг бромистого радия, закрытого листком слюды для поглощения альфа-лучей, то кисточка сложилась, но все же не так быстро, как от действия альфа-лучей, испускаемых лишь одним миллиграммом бромистого радия. Выходит, что альфа-лучи одного миллиграмма бромистого радия ионизуют сильнее, чем бета- и гамма-лучи, и поглощаются так сильно, что их энергия очень быстро расходуется на ионизацию тех веществ, через которые они проходят.

Поглощение альфа-лучей в воздухе и в других веществах тщательно изучил У. Г. Брэгг (тот самый, который впоследствии вместе со своим сыном У. Л. Брэггом построил спектроскоп для рентгеновских лучей). Брэгг нашел, что альфа-лучи каждого радиоактивного вещества проходят в каждой данной среде путь совершенно определенной длины, после чего сразу останавливаются. Поэтому нужно говорить о совершенно определенной «длине пробега» данных альфа-лучей в данном веществе. Это понятно: положительная частица альфа-лучей, проходя, например, через воздух, все время ионизует молекулы воздуха, отрывая от них электроны. На ионизацию каждой молекулы она затрачивает определенное количество энергии. Поэтому после каждой ионизации энергия частицы уменьшается на какую-то величину. Наконец, когда весь ее запас энергии будет таким образом исчерпан, она остановится.

В одном из своих опытов Брэгг взял стеклянный шар радиусом 7,5 см и расположил в его центре пластинку с размазанным на ней препаратом радия. Стенки шара были изнутри вымазаны сернистым цинком — это вещество, которое обладает способностью флюоресцировать белым светом, когда на него падают альфа-лучи. Но самые быстрые альфа-лучи, испускаемые препаратом, проходят в воздухе при обыкновенном давлении только 7,1 см. Поэтому они останавливаются, не дойдя от центра шара до вымазанных сернистым цинком стенок, и никакого свечения нет. Но стоит только начать выкачивать из шара воздух — при первом же ходе поршня насоса стенки шара начинают светиться. Это значит, что, становясь более разреженным, воздух начинает лучше пропускать альфа-лучи, и их длина пробега, таким образом, увеличивается и достигает величины 7,5 см. Поэтому они успевают добежать до сернистого цинка и заставить его светиться. При дальнейшем откачивании воздуха свечение сернистого цинка становится все ярче и ярче; это показывает, что альфа-лучи, которые успевают добежать до сернистого цинка, растрачивают на ионизацию воздуха все меньшую и меньшую часть своей энергии.

Что же такое представляют собой эти положительно заряженные частицы, из которых состоят альфа-лучи? Ответ на этот вопрос дал Резерфорд. Он начал с того, что нашел отношение e/m для этих частиц совершенно таким же образом, как это было сделано для электронов катодных лучей и бета-лучей, т. е. измеряя отклонение лучей электрическим и магнитным полями. Результат получился следующий: для альфа-лучей e/m = 1,444 × 1014 абс. ед.

Однако из предыдущей главы мы знаем, что для водородного иона, заряженного одним положительным элементарным зарядом, можно написать: e/M = 2,895 × 1014 абс. ед.

Мы видим, что у альфа-частицы (так мы будем называть положительно заряженные частицы, поток которых выбрасывается радием в виде альфа-лучей) отношение заряда к массе вдвое меньше, чем у водородного иона. Так как заряд электрона или, что то же самое, равный ему по величине (хотя и обратный по знаку) заряд водородного иона в электролите есть «атом электрического флюида» и не может делиться на части, то заряд альфа частицы может быть или такой же самый, как у водородного иона (и тогда ее масса должна быть в два раза больше), или он может равняться удвоенному заряду водородного иона (тогда масса альфа-частицы должна быт! уже не в два, а в четыре раза больше массы водородного иона), или он равняется утроенному заряду водородного иона (тогда масса будет в шесть раз больше массы водородного иона) и т. д. Так как масса водородного иона практически не отличается от массы водородного атома, то получаются следующие возможности: или альфа-частица в два раза тяжелее водородного атома и несет на себе один положительный элементарный заряда или альфа-частица в четыре раза тяжелее водородного атома (т. е. имеет массу атома гелия) и несет на себе два положительных элементарных заряда; и так далее.

Какая бы из этих возможностей ни была верна, все равно альфа-частица должна быть сравнительно тяжелой частицей, то есть иметь массу, близкую уже не к массе электрона, а к массе атомов. Масса альфа-частицы должна превосходить массу электрона по крайней мере в несколько тысяч раз, и, хотя скорость альфа-частиц, по измерениям Резерфорда, гораздо меньше, чем скорость электронов бета-лучей (по крайней мере в несколько раз), все равно альфа-частица должна обладать гораздо большей энергией движения, чем менее тяжелый электрон, вылетающий из тех же радиоактивных веществ. Альфа-лучи могут быть названы снарядами тяжелой артиллерии радиоактивных веществ; бета-лучи по сравнению с ними — это беглый огонь пулемета.