Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

Гениальное изобретение Крукса, сделанное им в том же 1903 году, в котором Резерфорд и Содди впервые выдвинули свою гипотезу о превращении химических элементов, знаменует, как и эта гипотеза, начало совершенно новой эпохи в физике. Не странно ли, что атомы стали видимой, ощутимой реальностью как раз в то время, когда было уничтожено представление о неразрушимости и непревращаемости атомов? Физики так долго и так тщетно стремились доказать, что атомы действительно существуют, и вот наконец эта цель достигнута: спинтарископ Крукса позволяет видеть действия отдельных атомов — заряженных атомов гелия. Но в то же самое время, когда таким образом реальность атомов доказана совершенно неоспоримо, становится ясным, что атомы совсем не те вечные, бессмертные, неразрушимые частицы, какими их представлял себе Джон Дальтон: атомы рождаются, живут и умирают, с атомами происходят чудесные превращения, ослепительные взрывы, они разлетаются на части, и возникающие при этом осколки — это новые атомы. Похоже на то, что средневековые алхимики, стремившиеся превращать одни химические элементы в другие и так осмеянные за это впоследствии, в конце концов оказались правы. Но не будем преувеличивать их правоту. Вспомним, как все ухищрения лабораторной техники оказались бессильными повлиять на быстроту распада радия, вспомним, какими равнодушными, неприступными и забронированными от всех внешних воздействий оказались атомы этого чудесного вещества.

Все это показывает, что радиоактивность принадлежит совершенно особому миру явлений, с которым физики никогда не встречались раньше, — иными словами, что в радиоактивных явлениях действуют совершенно огромные, чудовищные силы, несравнимые со всем, что было известно физике прежде, и, значит, такие же огромные чудовищные силы требуются для того, чтобы управлять радиоактивными явлениями и изменять их естественное течение. Значит, Джон Дальтон был в каком-то смысле прав, хотя правота его и не была абсолютной, а относилась только к некоторому ограниченному кругу явлений: в пределах этого круга явлений атомы действительно неразрушимы и бессмертны, и требуется далеко перейти за пределы этого круга и привести в действие силы совершенно иного порядка («тонкий и сильный агент» Роберта Бойля) для того, чтобы вызвать превращение одних химических элементов в другие. В обыкновенных явлениях, изучаемых в химической лаборатории, атомы действительно никогда не превращаются друг в друга, и ошибка средневековых алхимиков и заключалась в том, что они пытались вызвать это превращение, не располагая «тонким и сильным агентом», а пользуясь лишь обыкновенными силами, которые развиваются при химических реакциях. В тех случаях, когда они утверждали, что им действительно удалось получить золото из других металлов, все это объяснялось или сознательным надувательством, или экспериментальной ошибкой (например, золото извлекалось из какого-либо химического соединения, содержащего золото, путем замещения золота другим металлом, а неискушенному экспериментатору казалось, что он превращает этот металл в золото).

Как только изобретенный Круксом спинтарископ стал известен остальным физикам, возникла задача счета альфа-частиц. В спинтарископе Крукса такой счет невозможен, потому что иголка находится слишком близко от экрана (несколько миллиметров) и в каждый момент на экран сыплется целый дождь альфа-частиц, так что сосчитать их нет никакой возможности. Но если поставить препарат с известным количеством радия достаточно далеко от экрана (но так, чтобы между препаратом и экраном был не воздух, поглощающий альфа-частицы, а безвоздушное пространство), то можно будет сосчитать количество вспышек, загорающихся на каждом квадратном сантиметре поверхности экрана в среднем в течение секунды. Отсюда уже будет легко сосчитать, сколько альфа-частиц испускает препарат по всем направлениям, т. е, узнать в конце концов, сколько альфа-частиц испускает каждый грамм радия в секунду. Знать это число важно по двум причинам: во-первых, если мы затем каким-нибудь способом измерим заряд, уносимый всеми альфа-частицами, которые вылетают в секунду из грамма радия, то мы можем, разделив его на число этих частиц, узнать заряд отдельной альфа-частицы; во-вторых, зная число альфа-частиц, испускаемых в секунду граммом радия или урана, мы тем самым знаем, сколько атомов радия или урана распадается в секунду из общего числа этих атомов в одном грамме, — иными словами, мы сумеем вычислить быстроту распада радия и урана.

В 1908 году немецкий физик Э. Регенер действительно осуществил такой подсчет числа вспышек. Но этот метод счета альфа-частиц не очень надежен, так как он сильно зависит от состояния глаз наблюдателя: глаза очень быстро утомляются, и поэтому подсчет альфа-частиц по наблюдению вспышек на экране из сернистого цинка требует миллиона предосторожностей. Физики стремились заменить метод вспышек каким-нибудь другим, более объективным (не так сильно зависящим от наблюдателя) и потому более надежным методом. Таких методов было придумано целых три — один замечательнее другого. Эти три объективных метода обнаружения отдельных альфа-частиц мы по порядку опишем и только после этого перейдем к тем результатам, которые были с помощью этих методов получены.

Наиболее простым по идее способом является фотографический. Ведь альфа-частица вызывает заметное действие не только тогда, когда она падает на флюоресцирующий экран, но и тогда, когда она падает на фотографическую пластинку.

Треки ос-частиц: а) наблюдается две группы альфа-частиц, излучаемых торием, с пробегами (в воздухе) в 8,6 и 4,8 см; фото Чедвика; б) альфа-лучи от точечного источника полония; фото Ирэн Жолио-Кюри.

В 1910 году японец Киносита внимательно изучил действие отдельных альфа-частиц на фотографическую пластинку и нашел, что каждая альфа-частица вызывает заметное почернение того зернышка светочувствительного слоя, на которое она упала. После того, как пластинка проявлена, можно сосчитать под микроскопом количество почерневших зернышек, и это даст число альфа-частиц, упавших на пластинку. Можно поступить и так: дотронуться до какого-нибудь места светочувствительного слоя острием иголки, которым мы предварительно коснулись радиоактивного препарата. Сейчас же некоторое ничтожное и совершенно невидимое количество радиоактивных атомов перейдет на фотографическую пластинку. Эти атомы станут испускать во все стороны альфа-частицы. Некоторые из альфа-частиц полетят в самой плоскости пластинки, пронизывая одно зерно светочувствительного слоя за другим. Если через некоторое время проявить пластинку, то на ней будут явственно видны следы промчавшихся альфа-частиц в виде лучей, расходящихся во все стороны от того места, до которого мы дотронулись иголкой.

Фотографический метод не очень удобен на практике и потому не получил большого распространения. Гораздо удобнее оказался другой метод — электрический, который был изобретен в 1908 году Резерфордом и его помощником Гейгером.

Идея этого способа заключается в следующем. Мы знаем, что каждая альфа-частица, влетевшая в какой-нибудь сосуд с газом, производит в этом газе ионизацию, отрывая электроны от молекул газа, с которыми она сталкивается, и превращая эти молекулы в ионы. При таком столкновении, как нетрудно сообразить, возникает сразу пара заряженных частиц — одна частица заряжена положительно, а другая отрицательно — пара ионов, как принято говорить. Число ионов, образуемых каждой альфа-частицей, очень велико. Мы знаем, например, что альфа-частица, летящая со скоростью 19 220 км/с[4], производит в воздухе двести тысяч пар ионов на каждом сантиметре своего пути. Но, как ни велико число этих ионов, оно все-таки слишком мало для того, чтобы их можно было непосредственно обнаружить. Необходимы необыкновенно чувствительные приборы, чтобы удалось измерить электрический ток, образуемый несколькими сотнями тысяч движущихся элементарных электрических зарядов. В 1908 году таких чувствительных измерительных приборов вовсе не было. Лишь в 1928 году немецкому физику Гофману удалось построить такой прибор, и то он настолько капризен и чувствителен к малейшим влияниям (дохнешь на него — и он уже расстроился), что работать с ним весьма затруднительно. Резерфорд и Гейгер и не стали стремиться к тому, чтобы непосредственно обнаружить ионы, образуемые отдельной альфа-частицей. Они сообразили, что можно усилить ионизующее действие альфа-частицы, если в том сосуде с газом, через который она пролетает, будет сильное электрическое поле: в этом электрическом поле каждый ион, образовавшийся в результате действия альфа-частицы, получит большую скорость и, сталкиваясь с другими молекулами газа, сам в свою очередь произведет множество новых ионов; эти последние тоже разгоняются в сильном поле, и каждый из них снова образует много других ионов и т. д., и т. д.