Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

В главе I указывалось на значение ионизации в изучении радиоактивности и упоминалось об электроскопе. В настоящем приложении мы кратко остановимся на одном, уже не применяющемся методе, имеющем, как и электроскоп, только историческое значение. Затем мы перейдем к обзору различных методов, применяемых ныне для наблюдения α -частиц, β -частиц (или позитронов), γ -лучей и нейтронов, и их действий.

Ближе всего можно подойти к «видению» атома, если наблюдать яркие вспышки света, производимые α -частицей или быстро летящим протоном при их ударе о флуоресцирующий экран. Для этого необходимо только иметь кусочек стекла, покрытого сернистым цинком, микроскоп с небольшим увеличением, темную комнату, хорошо отдохнувшие глаза и, разумеется, источник α -частиц. Большая часть знаменитых опытов Резерфорда, включая и те, которые упоминались в параграфе 1.17, была связана с «подсчетом» сцинтилляций, но этот метод утомителен и, насколько нам известно, полностью вытеснен электрическими методами.

Когда быстрая заряженная частица ( α -частица, или быстрый электрон) проходит через вещество, она разрушает молекулы, с которыми сталкивается, благодаря электрическим силам, действующим между заряженной частицей и электронами в молекуле. Если вещество газообразно, то образовавшиеся в результате столкновений осколки или ионы движутся в разные стороны в электрическом поле; электроны, выбитые из молекул, движутся в одном направлении, а оставшиеся положительные ионы — в другом. α -частица с энергией в миллион электрон-вольт произведет около 18 000 ионизованных атомов, прежде чем остановится, так как в среднем на каждое ионизующее столкновение она затрачивает энергию приблизительно в 60 вольт. Ввиду того, что в процессе ионизации образуются как положительные, так и отрицательные ионы, всего получается 36 000 зарядов, освобождаемых одним быстрым электроном. Так как каждый заряд составляет лишь 1, 6·10 -19кулонов, общий заряд будет около 6·10 -15кулонов — величина все же весьма малая. При помощи наилучшего гальванометра можно измерить заряд около 10–10 кулонов. Чувствительность электрометра может быть доведена примерно до 10 -16кулонов, но электрометр — прибор, чрезвычайно неудобный для применения.

α -частица производит примерно такое же количество ионов, как и β -частица. Она быстрее останавливается, зато производит более значительное количество ионов на единицу длины пробега. γ -лучи в качестве ионизатора значительно менее эффективны. Благодаря комптоновскому рассеянию или фотоэлектрическому эффекту, γ -лучи вырывают из молекулы электрон, и эти вторичные электроны обладают достаточной энергией для того, чтобы вызывать ионизацию. Нейтрон, как говорилось выше, вызывает ионизацию лишь косвенно — осколками расщепляемых ядер или ядрами отдачи при упругих соударениях.

Если нам надо обнаружить ионизующее действие частиц, мы должны, очевидно, воспользоваться результирующим эффектом, вызываемым большим количеством этих частиц, или иметь очень чувствительные способы измерения электрических токов.

Электроскоп показывает, насколько непосредственно окружающий его воздух сделался электропроводным в результате образования в нем ионов.

Простейший электроскоп представляет собою золотой листочек длиной в несколько сантиметров, подвешенный на петле к вертикальному изолированному стержню. Когда стержень заряжается, золотой листочек, сложенный вдвое, получает тот же заряд, и оба его конца расходятся на некоторый угол вследствие отталкивания одноименных зарядов. По мере того, как заряд уменьшается, листочки постепенно опадают, и скорость их спадания является мерой проводимости окружающего воздуха.

Более надежный электроскоп был придуман К.К. Лауритсеном, который заменил золотой листочек кварцевой нитью. Вместо силы тяжести, в качестве восстанавливающей силы, он пользовался упругостью нити. Проводимость нити достигается тонким металлическим покрытием. Прибор заряжается, и нить, после первоначального отклонения, постепенно возвращается в исходное положение. Положение нити отмечается при помощи небольшого микроскопа.

Эти приборы могут изготовляться переносными, прочными и достаточно чувствительными. Они являются обычными стандартными приборами для определения интенсивности γ -излучения и, в частности, для предупреждения опасного облучения.

Ионизационная камера измеряет полное число произведенных в ней ионов. Она обычно состоит из двух плоских электродов, между которыми создается электрическое поле, достаточно сильное для того, чтобы притягивать к электродам все ионы прежде, чем они успеют рекомбинировать, но недостаточно сильное, чтобы производить вторичные ноны, как это имеет место в некоторых приборах, описанных ниже.

Применяя чувствительный усилитель, с помощью ионизационной камеры можно измерить даже ионизацию, вызываемую отдельной α -частицей. Ионизационная камера может применяться, подобно электроскопу, для измерения полной величины ионизации, происходящей за определенный промежуток времени.

Хотя с помощью ионизационной камеры и можно отмечать отдельные α -частицы, гораздо удобнее заставить возникающие первоначально ионы производить другие ионы в той же области электрического поля; от усилительного контура при этих условиях потребуется меньшая чувствительность.

В пропорциональном счетчике один из электродов представляет собой тонкую проволоку, натянутую по оси полого цилиндра, являющегося вторым электродом. Проволока создает вблизи себя сильное электрическое поле даже при сравнительно небольших разностях потенциалов между нею и другим электродом. Это сильное поле быстро ускоряет первичные ионы, образованные α - или β -частицей или фотоном, а эти ускоренные первичные ионы (в частности, электроны) производят в свою очередь вторичные ионы в газе, которым заполнен счетчик, так что импульс тока значительно увеличивается.

Такие счетчики можно сконструировать и применять так, чтобы общее число образовавшихся ионов было пропорционально числу первичных ионов. После усиления импульс тока можно наблюдать при помощи осциллографа; величина импульса будет пропорциональна ионизации, создаваемой первоначальной частицей. При таком способе весьма легко различать α -частицы, β -частицы и фотоны, а усилитель можно так конструировать, чтобы отсчитывать только импульсы, превосходящие заданную величину. Таким образом, пропорциональным счетчиком можно подсчитать α -частицы на фоне β -частиц, и даже можно регистрировать α -частицы, имеющие энергию, большую определенной величины.