Kvant. Опыты Резерфорда

Дигилов М. Ю. Альфа-частицы и опыты Резерфорда //Квант. — 1989. — № 3. — С. 49-52.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Осенью 1903 года из Европы в Канаду отплывал тридцатидвухлетний профессор физики Эрнест Резерфорд. Он вез с собой маленькую металлическую коробочку с бесценным для него грузом — тридцать миллиграмм соли радия.

Свинцовая коробочка вызвала опасения у служащих таможни в Нью-Йорке — в то время еще не было законов, касающихся ввоза радия. Драгоценность это или химикат? Надо ли его облагать налогом и каким? Чиновники всегда и везде одинаковы, и американские таможенники решили переслать странный груз начальству. Но исследователи тоже везде и всегда одинаковы. И появился рапорт, в котором чиновники сообщили своему начальству, что доктор Резерфорд наотрез отказался расстаться со своим сокровищем. И только обязательство профессора провезти ящик через территорию Соединенных Штатов в целости (т. е. не спекулируя веществом) позволило американским чиновникам переложить решение пошлинной проблемы на плечи их канадских коллег. Возможно, благодаря именно этим миллиграммам радия и были сделаны в физике многие замечательные открытия.

Имя Резерфорда встречается в школьном курсе физики в связи с установлением планетарной модели атома. Но Резерфорд — автор и многих других, не менее ценных для физики открытий. К ним относятся, в частности, опыты по исследованию природы α-лучей. Расскажем о некоторых из них.

Еще в 1899 году, работая в Кавендишской лаборатории (в Кембриджском университете), Резерфорд установил, что излучение радиоактивных элементов не является однородным. Вот один из таких экспериментов.

Опыт 1.

Две цинковые пластинки располагались горизонтально друг под другом. Одну пластинку соединяли с полюсом заземленной батареи, а другую — с заземленным гальванометром. На нижнюю пластинку насыпали тонкий слой соли радия. Излучение соли порождало в воздухе ионы, воздух между пластинками переставал быть изолятором, возникал электрический ток, который и фиксировался прибором.

Если соль радия накрыть тонким металлическим листом, часть радиации поглощается, и ток становится слабее в два с лишним раза. Если излучение заэкранировать двумя листами, ток ослабевает почти в шесть раз, если тремя — в одиннадцать раз. Казалось бы, и дальше ток должен плавно спадать (по экспоненциальному закону). Но удивительно, что опыты это не подтвердили — начиная с пятого листа, ток практически не уменьшался.

Очевидным было предположить, что ионизация воздуха вызывается, по крайней мере, двумя причинами. Или, другими словами, что излучение состоит из двух разных видов: одно излучение порождает сильную ионизацию, но хорошо поглощается металлом, другое — ионизирует воздух слабее, но зато обладает большей проникающей способностью. Первое излучение Резерфорд назвал α-лучами, а второе — β-лучами. Теперь перед учеными встала проблема исследовать природу этих лучей.

Очень скоро и довольно несложно удалось установить, что β-излучение представляет собой поток свободных электронов. Во всяком случае, в электрическом и магнитном полях β-лучи вели себя точно так же, как электроны.

Что касается α-лучей, то их отклонение в магнитном поле долгое время обнаружить не удавалось — даже в сильном поле отклонение оказывалось малым. Наконец, в 1903 году Резерфорд добился положительных результатов и показал, что α-излучение должно состоять из положительно заряженных частиц, движущихся с большими скоростями.

Следующей задачей было определить величину заряда α-частицы.

Опыт 2.

Для определения заряда одной α-частицы экспериментально определялось суммарное количество электричества, переносимое всем излучением крупинки радия за определенное время, и количество α-частиц, испускаемых радием за это время. Самым сложным было зарегистрировать одну частицу. Для этого Резерфорд совместно с Гейгером в 1908 году разработали специальный метод счета α-частиц, основанный на их ионизирующем действии, и создали специальный прибор (известный вам счетчик Гейгера).

Внутри бронзового цилиндра длиной около 60 см находился разреженный воздух. По оси цилиндра была натянута тонкая проволока. Проволока соединялась с одним полюсом батареи, а поверхность цилиндра — с другим, при этом приложенное напряжение порядка 1000 вольт готово было вот-вот вызвать электрический разряд. Попавшая в цилиндр α-частица производила ионизацию воздуха, образовавшиеся при этом ионы, благодаря соударениям, усиливали ионизацию примерно в 2000 раз, в результате ток через прибор резко возрастал.

Для того чтобы в цилиндр проникали отдельные частицы, крупинка радия помещалась в дальний конец узкой стеклянной трубки длиной около 4,5 м, так что действительно лишь малая доля α-частиц, вылетающих из радия в разные стороны, попадала в цилиндр. Разделив прошедшее количество электричества на число зарегистрированных частиц, Резерфорд получил величину заряда одной α-частицы.

Почти в то же время, в 1909 году, Резерфорд экспериментально показал, что по своей природе α-частицы представляют собой дважды ионизированные атомы гелия. Этот опыт он поставил совместно с Ройдсом.

Опыт 3.

Рис. 1

Достаточно большое количество радиоактивного газа радона вводилось в стеклянную трубку А (рис. 1), настолько тонкую, что большинство α-частиц свободно проникало сквозь нее. Эта трубка помещалась внутрь более широкой трубки T, к верхней части которой присоединялась небольшая вакуумная трубка V с впаянными в нее электродами. В откачанную трубку Т снизу вводилась ртуть до тех пор, пока она не достигала нижней части трубки А, α-частицы, скопившиеся в трубке Т, образовывали газ. Поднимая ртуть, этот газ сжимали и часть его переводили в вакуумную трубку V. Возбудив там газовый разряд, можно было исследовать его спектральный состав. Любопытно, что лишь черве два дня появились первые результаты — была обнаружена желтая (самая яркая) линия спектра гелия. Через шесть дней наблюдали уже весь спектр гелия.

Наконец, из опытов по отклонению α-частиц в магнитном поле можно определить их массу.

Опыт 4.

Камеру Вильсона, в которой наблюдали траектории α-частиц по их сцинтилляциям, поместили в очень сильное магнитное поле. Так как радиус круговой орбиты α-частицы пропорционален массе частицы, умноженной на ее скорость, и обратно пропорционален ее заряду, по известным величинам можно было рассчитать массу α-частицы. Она оказалась равной 6,62·10^-24 г.

Итак, благодаря опытам Резерфорда и его сотрудников, стали известны природа, заряд и масса α-частицы. Кроме того, у физиков появился мощный и принципиально новый инструмент для исследования строения самого атома. К началу этих экспериментов Резерфорда по зондированию атомов α-частицами сложилось следующее представление о строении атома.

Атом, модель которого была предложена в 1882 году учителем Резерфорда Дж. Томсоном, напоминал пудинг с изюмом — изюминками были электроны, а тестом — само атомное пространство. Достоинства этой модели состояли в том, что она позволяла объяснить нейтральность атома и удовлетворительно определяла его размеры. Но существовала в физике теорема (теорема Ирншоу), которая указывала на то, что система неподвижных зарядов является неустойчивой. Кроме того, природа размазанной по всему объему атома положительно заряженной сферы была непонятна.

Бомбардировка атомов α-частицами и позволила установить строение атома.

Опыт 5.

Рис. 2

Тонкие пластинки исследуемого вещества бомбардировались α-частицами и изучалось их отклонение. На рисунке 2 приведена принципиальная схема опыта по рассеянию α-частиц. Бомбардирующие частицы, вылетая из радиоактивного вещества, пройдя коллиматор, попадали узким пучком на мишень, представляющую собой очень тонкую золотую фольгу. С помощью экрана, покрытого сцинтилляционным веществом, наблюдали рассеяние α-частиц. Углы рассеяния большинства частиц были небольшими — порядка 1°, однако небольшое количество частиц рассеивалось на большие углы, и даже были частицы, движущиеся в противоположном направлении. Проанализировав результаты опытов, Резерфорд пришел к выводу, что столь сильное отклонение α-частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле, созданное зарядом, связанным с большой массой (ядром атома). Резерфордом была разработана и количественная теория рассеяния α-частиц, которая устанавливала распределение частиц по углам рассеяния. В этой связи любопытен такой факт.

Чтобы в деталях разобраться в вероятностных процессах при прохождении α-частиц через вещество, Резерфорд, известный во всем мире ученый, лауреат Нобелевской премии, пожелал побывать в роли студента. Он пришел к известному манчестерскому математику Лэмбу и попросил разрешения прослушать у него курс по теории вероятностей, а также пройти всю программу практических занятий. Как писали современники, «то было нетривиальное зрелище: мировая знаменитость, восседающая среди юнцов и склонившаяся над тетрадками с заданными упражнениями».

В 1913 году сотрудники Резерфорда проверили формулу Резерфорда, описывающую рассеяние α-частиц, подсчитав сцинтилляции, наблюдавшиеся под разными углами за одинаковые промежутки времени, и подтвердили ее. Это, безусловно, указывало на справедливость ядерной модели атома. Поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчивом равновесии, Резерфорд отказывается от статической модели атома и предполагает, что электроны в атоме движутся вокруг ядра, описывая искривленные траектории. Но в таком случае электрон должен двигаться с ускорением и, согласно классической электродинамике, излучать электромагнитные волны, что, в свою очередь, должно сопровождаться потерей им энергии. В конечном итоге электрон должен упасть на ядро.

Выход из этого противоречия был найден Нильсом Бором. Но это, как говорится, уже совсем другая история. Ну а опыты Резерфорда? Теперь они важны только для истории физики? Оказывается, нет. Интересно, что спустя почти 60 лет, уже в семидесятых годах метод Резерфорда по зондированию альфа-частицами вещества стал широко использоваться в лабораториях для изучения строения кристаллов, определения в них местоположений различных примесей и установления их состава. Его сейчас так и называют — метод обратного резерфордовского рассеяния. Только в качестве источников α-частиц используются не крошки радия, а мощные ускорители, позволяющие получать их большие потоки с большими энергиями. А прообразом их была маленькая свинцовая коробочка с солью радия, с которой, как вы помните, категорически отказался расстаться доктор Резерфорд в американской таможне.