49
В заключение отметим, что несколько лет назад были обнаружены совершенное неожиданные и удивительные особенности эффекта Холла в так называемых двумерных электронных слоях, объяснение которых дает лишь квантовая теория (о квантовом эффекте Холла вы можете прочитать в статье С. Г. Семенчинского «Эффект Холла: год 1879 — год 1980» в «Кванте» № 2 за 1987 год).
А. И. Черночан
Альфа-частицы и опыты Резерфорда
Осенью 1903 года из Европы в Канаду отплывал трицатидувхлетный профессор физики Эрнест Резерфорд. Он взел с собой маленькую металлическую коробочку с бесплатным для него грузом — трицать миллиграмм соли радия.
Свиниовая коробочка вызвала опасения у служащих таможни в Нью-Йорке — в то время еще не было законов, касающийся ввоза радия. Драгоценность это или химикат? Надо ли его облагать налогом и каким? Чиновники всегда и веде одинаковы, и американские таможники решили переслать страный груз начальству. Но исследователи тоже взде и всегда одинаковы. И появился раорт, в котором чиновники сообщили своему начальству, что доктор Резерфорд натрез отказылся расстаться со своим сокровищем. И только обязательство профессора провертия ящик через территorio Соединенных Штатов в целости (т. е. неспекулируя веществом) позволило американским чиновникам переложить решение пошлиной проблемы на пленки их канадских коллег. Возможно, благодаря именно этим миллиграмм радия и были сделаны в физике многое замечательные открытия.
Имя Резерфорда встречает в школьном курсе физики в связи с установлением планетарной модели атома. Но Резерфорд — автор и многохудожник, не менее ценных для физики открытий. К ним относятся, в частности, опыты по исследованию природы α-лучей. Рассказем 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 другодругом. Одну пластинку соединяли с полосом заемленной батареи, а другую — с заемленным галванометром. На нижнюю пластинку насыпали тонкий слой соли радия. Излучение соли порождало в воздухе онны, воздух между пластинками переставал быть изолятором, возникал электрический ток, который и фиксировался прибором.
Если соли радия накрыть тонким металлическим листом, часть радияции поглощается, и ток становится слабее в два с лишним раза. Если излучение заэкранировать двумя листами, ток ослабевет почти в шесть раз, если tremя — в одинаковый раз. Казалось бы, и dalleше ток должен сплавно спадает (по экспоненциальному закону). Но удивительно, что опыты это не подтвердили — начиная с пятого листа, ток практически не уменьшался.
Очевидным было предположить, что ониизация воздуха вызывается, по крайней мере, двумя причинами. Или, другими словами, что излучение состоит из двух разных видов: одно излучение порождает сильную изоляцию, но хорошо поглощается металлом, другое —ониизирует воздействие металлом, но это обладает большей проникательностью. Первое излучение Резерфорд называют α-лучами, а второе — β-лучами. Теперь перед учеными вступла проблема исследовать природу этих лучеей.
50
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 влияет точно так же, как электrons.
Что касается α-лучей, то их отклонение в магнитном поле должно время обнаружить не удалалось — даже в сильном поле отклонение оказывается малим. Наконец, в 1903 году Резерфорд добавился положительные результаты и показал, что α-излучение должно состоять из положительного заряженных частиц, движущихся с большими скоростями.
Следующей задачей было определить величины заряда α-частицы.
Опыт 2. Для определения заряда одной α-частицы экспериментально определилось суммарное количество электрических переносимое всем излучением крутиники радия за определенное время, и количество α-частиц, испускаемых радием за это время. Самым сложным было зарегистировать одну часть. Для этого Резерфорд совместно с Гейгером в 1908 году разработали специальный методчета α-частиц, основанный на их инизирующем действии, и создали специальный прибор (известный вам счетчик Гейгера).
Опыт 3. Достаточно большое количество радиоактивного газа радионавдилась в стеклянную трубку A (рис. 1), настолько тонкую, что большинство α-частиц свободно проникало сквозь нее. Эта трубка помещалась внутри более широкой трубки T, к верхней части которой присоединалась небольшая вакуумная трубка V с плаянными в нее электродами. В откачанную трубку T сияу вводилась력ы до тех пор, пока она не достигала нижней части трубки A. Альфачастицы, скопившиеся в трубке T, образовывали газ. Поднимая력ы, этот газ скимал и часть его переводили в вакуумную трубку V. Возбудив там газовый разряд, можно было исследовать его спектральный состав. Любопытно, что лишь через два дня
51
появились первые результаты — была обнаружена желтая (самая яркая) линяя спектра геля. Через шесть дней наблюдали уже весь спектр геля.
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 сцинитляциям, помещили в очень сильное магнитное поле. Так как радиус крутовой орбиты α-частицы пропорционален массе частицы, умноженной на ее скорость, и обратно пропорционален ее заряду, по известным величиным 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 физков появился мощный и прициппально новый инструмент для исследования строения самого.atoma. К началу этих экспериментов Резерфорда по зондированию.atомов α-частицами сложилось следующое представление о строении.atoma.
Atом, модель которого была предложена в 1882 году учительем Резерфорда Дж. Томсоном, напоминал пудинг с изюмом — изюмнками были электроны, а тестом — само atomное пространство. Достоинства этой модели состояли в том, что она позволяет объяснить нейтральность.atoma и удовлетворительно определяла его размеры. Но существовала в физике теорема (теорема Иршоу), которая указывала на то, что система неопо-
пивились первые результаты — была обнаружена желтая (самая яркая) линяя спектра геля. Через шесть дней наблюдали уже весь спектр геля.
Бомбардировака atomов α-частицами и позволила установить строение.atoma.
Опыт 5. Tonкие пластинки исследуемого вещества bombardировались α-частицами и изучались их отклонение. На рисунке 2 приведена прициппальная схема опыта по рассеянию α-частиц. Бомбардирюшение частицы, вылетая из радиоактивного вещества, проядя коллиматор, попадали узким пучком на мишень, представляющего собой очень тонкую золотую фольгу. С помощью экрана, покрытого сцинитляционным веществом, наблюдали рассеяние α-частиц. Углы рассеяния большинства частицы были небольшими — порядка 1°, одnakо небольшие количество частиц рассеявалось на большие углы, и даже были частицы, движущиеся в противоположном направлении.
Проанализировав результаты опытов, Резерфорд пришел к выводу, что столбце сильное отклонение α-частиц возникло только в том случае, если внутри.atoma имеет чрезвычайно сильное электрическое поле, созданное зарядом, связанным с больший массой (ядром.atoma). Резерфордом была разработана и количество теорея рассеяния α-частиц, которая установливала распределение частиц по углам рассеяния. В этой связи любопытен такой факт.
Чтобы в деталях разобраться в вероятностных процесах при прохождении α-частиц через вещество, Резерфорд, известный во всем мире учены, лауреат Нобелевской премии, пожелал pobивать в роли студента. Он пришел к известному манчестерскому математике Лэмбу и попросил разрешения прослушать у него курс по теории вероятности, а также пройти во программу практических занятий. Как писали современники, «то было нетривиальное зреление: мировая знаменность, восседаюшая среди юнцов