Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

В 1909 году Э. Регенер повторил опыты Резерфорда и Гейгера, измеряя таким же способом заряд, переносимый альфа-частицами. Различие заключалось лишь в том, что он в то же время и подсчитывал число альфа-частиц, но не с помощью счетчика Резерфорда — Гейгера, а регистрируя вспышки. Экраном, на котором возникали вспышки при падении — альфа-частиц, служил небольшой алмаз. В результате этой работы у Регенера получалось еще более точное, чем у Резерфорда и Гейгера, значение заряда альфа-частицы, а именно: 9,58 × 10–10 абс. ед.

Если разделить это число на 2, то получится 4,79 × 10–10 абс. ед.

Это число очень близко к тому, которое получил Милликен, когда он измерял (см. предыдущую главу) элементарный электрический заряд.

Рассмотрим еще одно важное следствие, вытекающее из опытов Резерфорда и Гейгера. Мы знаем, что масса каждого атома водорода составляет 1,662 × 10–24 г, а так как атомная масса радия 226, то, значит, масса каждого атома радия равна 3,76 × 10–22 г. В грамме радия, следовательно, имеется 2,66 × 1021 атомов.

Из этих атомов каждую секунду распадается 3,7 × 1010 атомов, т. е. доля, равная дроби

(3,7 × 1010): (2,66 × 1021) = 1,4 × 10–11.

Это значит, что любое наличное количество атомов радия уменьшается в течение каждой секунды примерно на полторы миллиардные доли процента. Всякий, кто умеет вычислять с помощью таблицы логарифмов, очень легко сосчитает, сколько же нужно секунд, чтобы имеющееся количество атомов радия сократилось, например, вдвое. Необходимое для этого число секунд равно[6]

{(2,66 × 1021): (3,7 × 1010)} × Ln2 = 5 × 1010 c

Этот необыкновенно важный результат, полученный таким простым способом, сразу объясняет, почему физики, открывшие радий, сочли его неиссякаемым источником энергии, каким-то «вечным двигателем», никогда не устающим отдавать все новые и новые запасы энергии. В действительности радий устает, энергия его иссякает, но только все это происходит очень медленно. Радон (эманация радия) распадается наполовину в течение четырех дней (точнее говоря, за 3,85 дня), и поэтому уменьшение его радиоактивности было сразу замечено. Но радий распадается наполовину в течение 1600 лет, значит, в течение самой долгой человеческой жизни данный препарат радия останется почти таким же, каким он был. Но все же радий не вечен. Если бы вавилонский царь Хаммураби, царствовавший семь тысяч лет тому назад, положил в свою сокровищницу один грамм радия, то в наше время, даже если бы сокровищница не была разграблена, в ней осталось бы радия не больше чем несколько десятков миллиграммов.

Не бесконечен, хотя и очень велик, тот запас энергии, который радий растрачивает, превращаясь в радон. Измерения показали, что один грамм радия испускает в час 140 калорий тепла. Это количество тепла испускается, однако же, не одним лишь чистым радием, но также и теми радиоактивными продуктами распада радия, которые всегда присутствуют в радиевом препарате и тоже испускают лучи Беккереля, нагревая все окружающие предметы. Немецкий физик Гесс (в 1912 году) попробовал измерить теплоту, испускаемую препаратом чистого радия, из которого были удалены все продукты распада. Оказалось, что один грамм чистого радия дает всего лишь 25 калорий в час, т. е. 6,9 × 10-8 калорий в секунду. А мы знаем, что за секунду распадается часть радия, равная 1,4 × 10–11. Значит, когда распадется весь грамм радия, то выделенная им энергия (при превращении в радон) будет равна

(6,9 × 10-8): (1,4 × 10–11) = 2,05 × 109 Дж.

Четыреста девяносто миллионов калорий — вот сколько энергии отдает грамм радия, превращаясь в радон! И это еще не вся заключенная в нем энергия: ведь и радон распадается дальше, отдавая энергию еще и еще (в дальнейшем мы увидим, сколько энергии выделяется во всей длинной цепи радиоактивных превращений, в которой превращение радия в радон является лишь одним из звеньев). Для того чтобы понять, как велика эта энергия, заметим, что при горении грамма водорода (а это одна из самых энергичных химических реакций) выделяется 34 000 калорий тепла, т. е. приблизительно в 10 тысяч раз меньше, чем при превращении грамма радия в грамм радона. Еще эффективнее получится сравнение, если энергию пересчитать на атомы. Энергия, выделяющаяся при превращении одного атома радия:

Ra → Rn + He,

оказывается (как показывает простенький расчет) в полтора миллиона раз больше, чем энергия, освобождающаяся при образовании одной молекулы воды из водорода и кислорода. Все это показывает, что радиоактивные явления — действительно нечто совершенно несравнимое по масштабу с обычными явлениями химии.

Еще более интересные цифры получаются для продолжительности жизни[7] урана. Количество альфа-частиц, испускаемых ураном, было сосчитано таким же способом, как и количество частиц, испускаемых радием. Отсюда можно было вычислить и продолжительность жизни урана. Оказалось, что данное количество урана должно распасться наполовину в течение четырех с половиной миллиардов лет. Это — огромная цифра даже по сравнению с продолжительностью жизни радия. Четыре с половиной миллиарда лет! Трудно даже представить себе такой огромный промежуток времени. Отсюда следует, что радиоактивность куска урановой руды не могла бы заметно уменьшиться не только за краткий срок человеческой жизни, но даже и за промежуток времени, сравнимый со всей историей человечества. Радиоактивность урана почти бессмертна. В этом смысле, как совершенно справедливо замечает Содди, уран, в сущности говоря, гораздо чудеснее и замечательнее, чем радий: из всех известных нам вещей на земле кусок урановой руды больше всего напоминает «вечный двигатель» — заветную мечту изобретателей. Беда в том, что этот «вечный» или, лучше сказать, «почти вечный» двигатель имеет такую маленькую мощность.

Тот факт, что уран не является «вечным двигателем» на самом деле и что с ним, как с радием, происходит изменение, хотя гораздо более медленное, может быть доказан посредством прямого опыта: из урана постепенно, хотя и весьма медленно, выделяется гелий. Это обнаружил на опыте Содди. Мы приводим из его книжки «Радий и строение атома» рисунок, изображающий прибор, который он использовал, и описание этого прибора. Это описание может служить хорошей иллюстрацией к словам того же Содди о том, что современная физика уже не может утверждать, что «ее величайшие открытия делаются при помощи очень простых приборов, сооруженных из проволоки и сургуча», как с гордостью утверждала старинная наука. Радиоактивные измерения требуют сложных приборов и тончайшей экспериментальной техники. Но дадим слово самому Содди: «На фотоснимке представлен прибор, использовавшийся в моей лаборатории. Это семь совершенно одинаковых аппаратов, стоящих рядом, но независимых и не сообщающихся друг с другом.