Матвей Бронштейн - Занимательная квантовая физика

Для этого следовало собрать как можно больше дополнительных сведений. В частности, нужно было, наконец, узнать, что же такое эта альфа-частица? Имеет ли она элементарный заряд и массу, равную удвоенной массе атома водорода, или же два элементарных заряда и массу, равную учетверенной массе атома водорода, или же три элементарных заряда и массу, равную ушестеренной массе атома водорода, и т. д.?

Резерфорд и Содди рассуждали так: альфа-частица должна быть каким-то атомом, обыкновенным атомом какого-то химического элемента, хотя и положительно заряженным, т. е. потерявшим один, или два, или три и т. д. электрона. Но такого химического элемента, у которого атом имел бы вдвое большую массу, чем атом водорода, по-видимому, не существует. Поэтому первую из перечисленных возможностей приходится отбросить. Но существует атом, который по массе в четыре раза больше атома водорода, — это атом газа гелия, открытого в 1896 году сэром Уильямом Рамзаем. Поэтому весьма вероятно, что альфа-частица — это и есть атом гелия, заряженный двумя положительными элементарными зарядами, т. е. потерявший два электрона. Конечно, такое рассуждение нельзя считать очень убедительным потому, что легко могло бы оказаться, например, и что альфа-частица есть атом кислорода, потерявший восемь электронов (это тоже дало бы правильное значение для отношения e/m, так как знаменатель был бы в 16 раз большим, чем у водородного иона, а числитель — в 8 раз).

Но Резерфорд и Содди считали наиболее вероятным, что альфа-частица есть атом гелия, от которого отколото два электрона. Они основывались на одном факте, который был хорошо известен химикам и геологам, хотя никто до Резерфорда и Содди не мог понять его причины, а именно на том, что гелий встречается в тех минералах, в которых присутствуют радиоактивные вещества торий или уран. Так, например, цейлонский минерал торианит, названный так потому, что он включает значительное количество тория, содержит в себе также и гелий, который можно извлечь из торианита, если его хорошенько накалить на огне. Химики и геологи хорошо знали, что там, где есть уран или торий, там неизменно оказывается и гелий, но причины этого явления они не понимали. Ясно было только то, что эта причина не могла быть чисто химической: гелий не вступает ни в какие химические соединения с другими веществами, а потому нет никаких разумных оснований думать, что гелий приходит извне в минералы, содержащие уран или торий, и остается там.

С точки зрения Резерфорда и Содди, причина должна быть как раз обратная: гелий возникает внутри минералов, содержащих уран или торий, и возникает потому, что он является одним из продуктов радиоактивного распада: альфа-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, постепенно накапливаются внутри минералов, в которых вкраплены радиоактивные вещества, и тот гелий, который химики находят в этих минералах, как раз и состоит из таких альфа-частиц. Гелий этот состоит из обломков давно распавшихся более тяжелых атомов: он представляет последнее звено в той медленной эволюции вещества, которая происходит в земной коре.

Вероятно, не только гелий, находимый в минералах, но и тот гелий, который в огромных количествах поднимается из трещин земной коры в некоторых местах Соединенных Штатов и уже в течение многих лет (со времени первой мировой войны) больше не рассеивается в атмосфере, а используется для наполнения дирижаблей, — даже и этот гелий, вероятно, тоже образовался в результате каких-то радиоактивных процессов в глубоких недрах земного шара.

Эволюция вещества, связанная с радиоактивностью, должна совершаться очень медленно и постепенно: радий, который всегда находят в урановых рудах, безусловно является одним из потомков урана; далее атомы радия, испуская альфа-частицы, превращаются в атомы эманации; эта последняя испытывает какие-то дальнейшие превращения, так как ведь и она испускает альфа-частицы, и т. д., и т. д. Как далеко идет это превращение, когда оно прекращается и какие окончательные продукты, кроме гелия, получаются в результате всего этого последовательного ступенчатого распада — на эти вопросы Резерфорд и Содди тогда (в 1903 году) еще не могли дать окончательного ответа.

Содди переселился из Монреаля в Англию и стал работать вместе с Рамзаем. Они взяли некоторое количество воздуха, к которому была примешана эманация радия, и поместили его в спектроскопическую трубочку. Это — длинная стеклянная трубочка; у концов она шире, а в середине она совсем узка. С того и с другого конца в нее впаяны платиновые проволочки: через эти проволочки можно пропускать электрический ток по газу, запертому в трубочке. Когда через такую спектроскопическую трубочку пропускают ток, то в узком ее месте газ начинает ярко светиться и с помощью спектроскопа можно рассмотреть его спектр.

Спектроскопическая трубочка, в которой Содди и Рамзай обнаружили появление гелия из эманации радия

Рамзай и Содди запаяли трубочку, а затем несколько дней подряд ходили смотреть на спектр эманации. И вот оказалось, что с каждым днем спектральные линии эманации становятся все слабее и слабее. А вместо них загораются другие линии, которых раньше не было, — спектральные линии гелия. С волнением рассматривал Рамзай этот хорошо ему известный спектр. Чем слабее становился спектр эманации радия, тем ярче и ярче разгорался спектр гелия. Гелий рождался на глазах у Рамзая и Содди.

Впоследствии (в 1909 году) Резерфорд сделал (вместе с одним из своих помощников — Ройдсом) другой опыт, еще более убедительно доказавший, что альфа-частица — это атом гелия. Резерфорд и Ройдс заперли эманацию радия в стеклянную трубочку с такими тонкими стенками, что испускаемые эманацией альфа-частицы совершенно свободно проходили сквозь эти стенки. Эту тонкостенную трубку они поместили в стеклянный сосуд, который был вверху соединен со спектроскопической трубочкой. Из сосуда был откачан воздух. После этого они подождали два дня, в течение которых некоторое количество альфа-частиц успело выскочить из тонкостенной трубочки и скопиться в сосуде. Тогда они, наполнив сосуд ртутью, заставили все, что там было, подняться наверх в спектроскопическую трубочку и сжаться там. Через трубочку был пропущен ток, и в поле зрения спектроскопа явственно загоралась желтая спектральная линия гелия. А через шесть дней можно было видеть и другие, менее яркие линии гелиевого спектра. Значит, альфа-частицы, прошедшие через тонкие стенки трубочки, в которой была заперта эманация, и собранные затем в спектроскопической трубочке, действительно оказались самым обыкновенным гелием. Поэтому гипотетическую формулу распада радия следует писать в следующем виде: