20
Опыты Резерфорда и явление радиоактивности
Опыты Резерфорда, о которых рассказывается в § 93 «Физики 10», двояко связаны с явлением радиоактивности. С одной стороны, в этих опытах для бомбардировки atomов тяжелых элементов использовались положительные заряженные быстрыя альфачастицы, испускаемые радиоактивными веществами. Радиоактивность, таким образом, для опытов. С другой стороны, результаты опытов Резерфорда, приведшие к созданию планетарной модели атома, позволили подойти к обяснению самого явления радиоактивности, до того бышнего в высшей степени загадочных.
Из опытов Резерфорда выяснили, что atom любого элемента состоит из положительного заряженного ядра, размеры которого в десяти или даже сотни тысяч раз меньше атома, и отрицательно заряженных электронов, образующих электронную оболочку. При этом оказалось, что электрический заряд ядра, если его выразить через заряд электрона, принятый за единицу, равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. В символьческой записи ядр их заряд выразяется порядковым номером, который записывается в виде нижнего индекса при символье элемента. Верхний же индекс обозначает массу ядра, выраженную в atomных единицах массы. Например, ядра atomов железа и золота символьически записываются так:
Radioактивность — явление ядерное. В какой же части атом — ядре или электронной оболочке — происходит процесс, приводящий к испусканию радиоактивных излучений (альфа-, бета- и gamma-излучений)?
Нетрудно понять, что все дело в atomном ядре. Это видно, во-первых, из того, что один из видов излучения — альфа-излучение — это поток быстрых положительных заряженных частиц, а также в электронной оболочке просто нет. Правда, другой вид излучения — бета-излучение, состоящее из электронов, — в принципе
21
мог бы исходить и из электронной оболочки. Однако, и это во-вторых, энергия бета-частиц столбела (она достигает миллионов электронов), что электронная оболочка такую энергию сообщить явно не может. Известно, например, что при химических реакциях, в которых atoms участвуют своим электронными оболочками, энергия, приходящая на один atom, равна примерно 1 эВ. Энергия квантов видимого света, которые несомненно возникают в электронной оболочке, тоже около 1 эВ. Только энергия квантов penetrates лучей (они также испускают электронной оболочкой) может достигаться и даже десять тысяч электронов. Миллионов же электроновят электронная оболочка «свойм» электронам сообщить не может.
Таким образом, и альфа- и бета-частицы могут испускаться только в результате каких-то процессов в atomном ядре. То же можно сказать и оGamma-излучении.
Радиоактивные превращения. Итак, радиоактивные излучения испускаются ядрами atomов радиоактивных элементов. Заряд же ядра равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Тогда из закона сохранения электрического заряда прямо следует, что когда какое-нибудь ядро испускает заряженную частицу, заряд ядра должен измениться. А это значит, что оно превращается в ядро atomа другого элемента, занимающего другую клетку таблицы.
Как выяснили, альфа-частица обладает положительным электрическим зарядом, вдвое большим зарядом электрона, и массой, внутреннего большей atomной единицей массы. Поэтому ядро, испускшее альфа-частицу, превращается в ядро atomа элемента, у которого порядковый номер на две единицей меньше исходного, а масса меньше на четыре единиццы. Если, например, радиоактивный элемент полной с порядковым номером 84 и относительной atomной массой 218 испускает альфа-частицу, то он превращается в ядро atomа элемента, занимающего клетку номер 82 таблицы (это свинец) с относительной atomной массой 214:
Поскольку α-частица представляет собой ядро atomа геля, этот процесс можно записать иначе:
Происходит, как говоря, pasnad ядра полония на две части — ядро свинца и ядро геля.
Несколько иначе обстоит дело при испускании ядром бета-частицы, то есть быстрое электронное. Оно приводит не к уменьшению заряда ядра, а к его увеличению на одну единицу и,