Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

Заимствуем из книги Резерфорда, Чедвика и Эллиса «Лучи радиоактивных веществ», вышедшей в Кембридже в 1930 году, подробное описание камеры Вильсона:

«Конструкция камеры, с которой работал Вильсон, видна на приложенном рисунке. Закрытая толстым стеклом цилиндрическая камера А, диаметром в 16,5 см и высотой в 3,4 см, представляет собой пространство, в котором получаются пути частиц. Расширение достигается поворотом вентиля В, который соединяет пространство под „полом“ камеры с сосудом С, из которого предварительно удален воздух насосами (через стеклянную трубку, указанную на рисунке). При открывании вентиля „пол“ камеры внезапно опускается до упора на резиновую подкладку. Деревянные цилиндры D служат только для того, чтобы объем воздуха, перемещающегося при расширении, был меньше. Вентиль В управляется с помощью маятника, который одновременно вызывает разряд мощной конденсаторной батареи через трубку с ртутным паром, где получается яркая вспышка, освещающая пространство внутри камеры настолько интенсивно, что получившиеся пути запечатлеваются на пластинке фотоаппарата, наведенного на внутренность камеры через стекло, которым она покрыта сверху.

Камера все время наполнена насыщенным паром воды, так как ее крышка и дно покрыты тонким слоем влажного желатина. Между „потолком“ и „полом“ камеры при надобности может быть включено электрическое поле (с помощью батареи), служащее для того, чтобы убрать ионы, образовавшиеся в камере, и очистить ее для следующего опыта. При точной регулировке промежутка времени между расширением и вспышкой (фотографированием) эта камера позволяет получить очень резкие и ясные стереоскопические фотографии».

Схематическое изображение камеры Вильсона — Шимизу

При изучении некоторых явлений необходимо иметь фотографии путей огромного множества альфа-частиц, иногда — до одного миллиона. В этом случае необходим прибор автоматического типа, который позволял бы производить много расширений камеры через очень короткие промежутки времени. Для этой цели Шимизу разработал простую конструкцию камеры, позволяющую последовательно производить большое количество снимков. Устройство камеры Шимизу изображено на рисунке. Точно пригнанный к цилиндру поршень качается в камере взад и вперед под действием мотора. Хотя расширение камеры этой конструкции происходит не так внезапно, как камеры конструкции Вильсона, все же в ней получаются прекрасные фотографии, если только позаботиться о том, чтобы альфа-частицы впускались в камеру лишь непосредственно перед тем, как поршень займет свое крайнее положение (максимальный объем камеры). Если применять электрическое поле для очистки камеры от ионов, то она в состоянии работать, расширяясь каждые несколько секунд. Шимизу разработал метод одновременной съемки на движущейся пленке по двум взаимно перпендикулярным направлениям, что позволяет определить расположение путей частиц в пространстве.

Фотографии, заснятые с помощью камеры Вильсона, приведены на стр. 227. На основании этих фотографий обыкновенно говорят, что удалось заснять летящие альфа-частицы. Это выражение не вполне точно, так как фотографировались собственно не сами альфа-частицы и даже не образованные ими ионы, а водяные капельки, осевшие на этих ионах при внезапном увеличении объема переохлажденных водяных паров. Но по этим водяным капелькам, густо расположенным на приблизительно прямой линии, можно заключить, что здесь только что пронеслась альфа-частица, подобно тому как вид потоптанных полей и дымящихся развалин свидетельствует о том, что через страну прошли полчища великого завоевателя.

Итак, мы познакомились с четырьмя способами «видеть невидимое», с четырьмя способами наблюдать действия отдельных альфа-частиц: способ вспышек, способ фотографический, способ ионизационной камеры Резерфорда и Гейгера, способ Вильсона[5].

Рассмотрим же те экспериментальные данные подсчета альфа-частиц, которые были получены в результате применения этих способов.

В 1908 году Резерфорд и Гейгер, применяя свой электрический счетчик, сумели сосчитать число альфа-частиц, испускаемых каждым граммом радия в секунду. Эта задача не так легка, как можно было бы подумать, потому что в препарате радия всегда кроме радия присутствуют еще атомы других химических элементов, образовавшихся в результате распада атомов радия (мы знаем, что атом радия, испуская альфа-частицу, превращается в атом радона, но ведь атом радона в свою очередь испускает альфа-частицу, значит, распад продолжается и дальше, и в результате получаются другие атомы, которые тоже, быть может, испускают альфа-частицы и т. д.). Поэтому среди альфа-частиц, испускаемых препаратом радия, не все испускает сам радий, а некоторые (как правило, даже большая часть) испускаются продуктами распада радия. Поэтому Резерфорд и Гейгер должны были разобраться в этой путанице и суметь отделить альфа-частицы, испускаемые самим радием, от альфа-частиц, испускаемых его продуктами распада. Здесь мы не будем вдаваться в описание того, как им удалось это сделать, — достаточно сказать, что им это удалось. Полное количество альфа-частиц, испускаемых одним граммом чистого радия в секунду, оказалось равным 3,7 × 1010.

Тридцать семь миллиардов атомов радия из всего количества атомов, составляющих один грамм радия, умирают в течение каждой секунды. Таков был важный результат, полученный Резерфордом и Гейгером.

Не медля ни одного дня, Резерфорд и Гейгер приступили к следующей части своей задачи — к определению заряда альфа-частицы. Они взяли стеклянный сосуд, из которого хорошенько выкачали воздух. Препарат радия, испускавший определенное и уже известное количество альфа-частиц, был помещен на стеклянное блюдечко, находившееся внутри этого сосуда. Напротив блюдечка была расположена металлическая пластинка, соединенная с очень чувствительным электрометром, с помощью которого было возможно измерять падающий на пластинку электрический ток. Нужно было не забывать еще об одной необходимой предосторожности: препарат радия испускает кроме альфа-лучей еще и бета-лучи, которые в этом опыте совершенно не нужны. Поэтому весь сосуд был поставлен между полюсами электромагнита, магнитное поле которого сдувало прочь бета-лучи, испускавшиеся препаратом, так что ни один электрон бета-лучей не мог долететь до металлической пластинки, соединенной с электрометром. Альфа-лучи не так сильно искривляются в магнитном поле. Поэтому они долетали до пластинки, и полный заряд всех альфа-частиц мог быть измерен.

Эти опыты Резерфорда и Гейгера показали, что полный заряд альфа-частиц, испускаемых в секунду одним граммом чистого радия, составляет 33,2 абс. ед. Так как число этих альфа-частиц равно 37 миллиардам, то заряд альфа-частиц получится, если разделить 33,2 на 37 миллиардов. Отсюда следует, что заряд каждой альфа-частицы равен 9 × 10–10 абс. ед. Это число действительно приблизительно в два раза больше, чем элементарный электрический заряд. (Конечно, то, что оно не точно, а лишь приблизительно в два раза больше, чем элементарный электрический заряд, объясняется только тем, что в таком трудном измерении всегда неизбежны некоторые ошибки, а совсем не тем, что заряд альфа-частицы действительно чем-то отличается от удвоенного заряда водородного иона.) Таким образом, можно было считать непосредственно доказанным, что каждая альфа-частица несет на себе двойной элементарный заряд, и, следовательно, так как величина e/m в ее случае была уже хорошо известна, что масса альфа-частицы в четыре раза больше массы атома водорода. Это и утверждали Резерфорд и Содди еще в 1903 году, когда они впервые высказали свою гипотезу о превращении элементов. Гипотеза Резерфорда и Содди выдержала еще одно испытание.