Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

В современных сцинтилляционных счетчиках используются более эффективные сцинтилляторы, а вспышки подсчитываются с помощью фотоэлементов и электроники.

Если же в трубке присутствует газ (например, углекислый или кислород), количество вспышек на экране становится меньше. Это происходит потому, что, сталкиваясь с молекулами газа, альфа-частицы замедляются и некоторые из них присоединяют электроны и становятся обычными атомами гелия. Поэтому до экрана «добирается» меньше частиц, и уровень их кинетической энергии ниже.

Однако если заполнить трубку водородом, то на экране время от времени начинают появляться очень яркие вспышки. Это можно объяснить тем, что иногда альфа-частица сталкивается с ядром водорода (то есть с протоном) и тот, оставив свой электрон, устремляется вперед. В этом случае скорость протона будет гораздо выше, чем у тяжелых ядер углерода и кислорода, и достаточной для того, чтобы при его столкновении с экраном возникла яркая вспышка.

Резерфорд обнаружил, что если заполнить трубку азотом, то на экране также появляются фотонные вспышки. Альфа-частица не могла толкнуть ядро атома азота сильнее, чем ядра углерода или кислорода, но вполне могла выбить из него протон, который и устремлялся к экрану.

В 1925 году английский физик Патрик Блэкетт (1897–1974) доказал это. Он бомбардировал альфа-частицами атомы азота внутри камеры Вильсона. В большинстве случаев альфа-частица оставляла за собой след из водяных капель, не сталкиваясь ни с одним ядром, и, когда ее энергия уменьшалась, присоединяла электроны и исчезала. Однако одна из 350 000 альфа-частиц все же встречала на своем пути препятствие.

В этом случае след ее траектории раздваивался на конце. Один конец был тоньше и довольно длинный. Это — ионизирующий протон, с меньшим, чем у альфа-частицы, зарядом (+1 против +2). Второй след был толстый и короткий. Это — отскочившее ядро атома азота, лишенное большинства электронов, благодаря чему оно получило высокий положительный заряд и соответственно сильные ионизирующие свойства. Тем не менее оно двигалось медленно и, быстро набрав электроны, лишилось этих свойств. Никаких следов альфа-частицы не было, значит, она присоединилась к ядру атома азота.

В 1919 году Резерфорд стал первым, кому удалось изменить структуру атомного ядра, то есть провести первую искусственную ядерную реакцию. (Это что-то вроде «ядерной химии»: нуклоны перераспределяются аналогично тому, как перераспределяются электроны в процессе обычной химической реакции.)

Предположим, вначале у нас было ядро атома азота (7 протонов, 7 нейтронов). Добавим сюда альфа-частицу (2 протона, 2 нейрона) и вычтем протон, который был «выбит» альфа-частицей. Получаем атом, состоящий из 8 протонов и 9 нейтронов, то есть кислород–17. В записи это выглядит так:

где подстрочный индекс — атомные числа, а надстрочный — массовые. 2He 4— это ядро атома гелия, или альфа-частица, а 1H 1— ядро атома водорода, или протон. Обратите внимание, что сумма атомных чисел и правой, и левой частей формулы равняется 9, а массовых чисел — 18. Согласно законам сохранения электрического заряда и массы, при любых ядерных реакциях суммы атомных и массовых чисел исходных и образующихся продуктов должны быть равны.

Физики разработали и более короткий способ записи формул ядерных реакций. Так как по названию элемента можно узнать его атомное число, в формуле его просто не пишут. Символом альфа-частицы является α, а протона — p. Таким образом, формулу 9.1 можно представить как: N 14(α, p)O 17.

По этой системе в левой части записывается ядро-мишень, затем в круглых скобках название ударяющей по нему частицы, потом — выбиваемой частицы. В правой части записывается остаточное ядро. Все семейство (α, p)-реакций можно представить в виде аналогичной формулы: в любой из таких реакций атомное число остаточного ядра будет на 1, а массовое — на 3 выше, чем у ядра-мишени.

Резерфорд провел и другие (α, p)-реакиии, однако встретился с серьезными ограничениями. Дело в том, что и альфа-частица, и ядро-мишень обладают положительным зарядом и отталкивают друг друга. Чем выше атомное число ядра, тем сильнее они отталкиваются, и даже самым быстрым альфа-частицам радиоактивных элементов не хватает энергии, чтобы преодолеть силы отталкивания ядер элементов с зарядом выше калия (+19).

Нужно было найти способ получения субатомных частиц, энергия которых была бы выше, чем у радиоактивных частиц.

Заряженную частицу можно ускорить, подвергнув ее действию электрического поля, направленного по ходу движения частицы. Чем выше потенциал этого электрического поля, тем выше ускорение и энергия частицы.

Частица с единичным зарядом, например электрон, под действием электрического поля напряжением 1 вольт получает заряд энергии, равный 1 электронвольту (сокращенно эв). 1 эв равен 1,6∙10 –12. Для более крупных зарядов используется килоэлектронвольт (Кэв). 1 Кэв равняется 1000 эв.

Существуют также мегаэлектронвольт (Мэв), равный миллиону электронвольт, и биллион электронвольт (Бэв) [134] В разных частях света слово «биллион» имеет разные значения. Например, для американца эта миллиард (1 000 000 000), в то время как для англичанина — биллион (1 000 000 000 000). То, что американцы называют биллионом, англичане назовут «тысячей миллионов». В Великобритании 1 000 000 000 электронвольт называют гигаэлектронвольт (Гэв). . Биллион электронвольт равняется 1,6∙10 –8. В принципе это очень небольшое количество энергии, но для одной субатомной частицы оно просто огромно.

В последнее время в электронвольтах все чаще обозначают массу субатомных частиц. Масса электрона равна 9,1∙10 –28граммов. По формуле Эйнштейна e = mc 2 (см. ч. II) получаем энергетический эквивалент, равный 8,2∙10 –7эрг, что, в свою очередь, равно 510 000 эв, или 0,51 Мэв.

Длину волны электромагнитного излучения также можно представить в электронвольтах. Согласно квантовой теории, e = hν, где e — энергия одного кванта электромагнитного излучения, эрг; h — постоянная Планка, эрг/сек, ν — частота излучения, Гц.

Таким образом, длина волны (обозначается λ, — «лямбда») равняется пройденному излучением за одну секунду в вакууме расстоянию (c), деленному на количество образовавшихся за это время волн, то есть частоту излучения ν:

или

Поставив c/λ в формулу квантовой теории e = hν , получим:

или

где h равняется 6,62∙10 –27эрг-с, а c — 3,00∙10 10см в секунду, соответственно hc равняется 1,99∙10 –16эрг. Приводим уравнение 9.5 к виду: