Занимательная квантовая физика

В 1910 году японец Киносита внимательно изучил действие отдельных альфа-частиц на фотографическую пластинку и нашел, что каждая альфа-частица вызывает заметное почернение того зернышка светочувствительного слоя, на которое она упала. После того, как пластинка проявлена, можно сосчитать под микроскопом количество почерневших зернышек, и это даст число альфа-частиц, упавших на пластинку. Можно поступить и так: дотронуться до какого-нибудь места светочувствительного слоя острием иголки, которым мы предварительно коснулись радиоактивного препарата. Сейчас же некоторое ничтожное и совершенно невидимое количество радиоактивных атомов перейдет на фотографическую пластинку. Эти атомы станут испускать во все стороны альфа-частицы. Некоторые из альфа-частиц полетят в самой плоскости пластинки, пронизывая одно зерно светочувствительного слоя за другим. Если через некоторое время проявить пластинку, то на ней будут явственно видны следы промчавшихся альфа-частиц в виде лучей, расходящихся во все стороны от того места, до которого мы дотронулись иголкой.

Фотографический метод не очень удобен на практике и потому не получил большого распространения. Гораздо удобнее оказался другой метод — электрический, который был изобретен в 1908 году Резерфордом и его помощником Гейгером.

Идея этого способа заключается в следующем. Мы знаем, что каждая альфа-частица, влетевшая в какой-нибудь сосуд с газом, производит в этом газе ионизацию, отрывая электроны от молекул газа, с которыми она сталкивается, и превращая эти молекулы в ионы. При таком столкновении, как нетрудно сообразить, возникает сразу пара заряженных частиц — одна частица заряжена положительно, а другая отрицательно — пара ионов, как принято говорить. Число ионов, образуемых каждой альфа-частицей, очень велико. Мы знаем, например, что альфа-частица, летящая со скоростью 19 220 км/с[4], производит в воздухе двести тысяч пар ионов на каждом сантиметре своего пути. Но, как ни велико число этих ионов, оно все-таки слишком мало для того, чтобы их можно было непосредственно обнаружить. Необходимы необыкновенно чувствительные приборы, чтобы удалось измерить электрический ток, образуемый несколькими сотнями тысяч движущихся элементарных электрических зарядов. В 1908 году таких чувствительных измерительных приборов вовсе не было. Лишь в 1928 году немецкому физику Гофману удалось построить такой прибор, и то он настолько капризен и чувствителен к малейшим влияниям (дохнешь на него — и он уже расстроился), что работать с ним весьма затруднительно. Резерфорд и Гейгер и не стали стремиться к тому, чтобы непосредственно обнаружить ионы, образуемые отдельной альфа-частицей. Они сообразили, что можно усилить ионизующее действие альфа-частицы, если в том сосуде с газом, через который она пролетает, будет сильное электрическое поле: в этом электрическом поле каждый ион, образовавшийся в результате действия альфа-частицы, получит большую скорость и, сталкиваясь с другими молекулами газа, сам в свою очередь произведет множество новых ионов; эти последние тоже разгоняются в сильном поле, и каждый из них снова образует много других ионов и т. д., и т. д.

Ионизация будет расти как лавина, и поэтому ее легко будет обнаружить даже и не слишком чувствительными приборами.

Счетчик альфа-частиц, сконструированный Резерфордом и Гейгером в 1908 году, был устроен так. По оси длинного латунного цилиндра (25 см длины, 1,77 см в диаметре) проходит проволока. Эта проволока изолирована от цилиндра, потому что она входит в цилиндр и выходит из него через специальные эбонитовые изоляторы. Из цилиндра слегка откачивается воздух (опыт показал, что ионизационная лавина лучше всего образуется в воздухе, когда давление равно нескольким сантиметрам ртутного столба). Посредством батареи аккумуляторов, один полюс которой заземлен, а другой соединяется со стенками латунного цилиндра, создается сильное электрическое поле между стенками цилиндра и проволокой. Проволока соединена с чувствительным прибором, измеряющим ток. В одном из эбонитовых изоляторов сделано маленькое отверстие для впуска альфа-частиц, прикрытое тончайшим слюдяным листком. Как только альфа-частица влетает внутрь цилиндра и ионизует в нем воздух, каждый из образовавшихся ионов сейчас же разгоняется сильным электрическим полем, существующим между проволокой и стенками цилиндра, и начинает производить новые ионы. Лавина растет и развивается, как было описано выше. В результате этого от стенок цилиндра к проволоке идет заметный электрический ток, попадающий в чувствительный электрометр, с которым соединена проволока. Нить электрометра вздрагивает каждый раз, когда в него попадает ток, и все ее движения записываются на кинопленке, движущейся перед электрометром. Такое устройство позволило Резерфорду и Гейгеру отмечать прохождение отдельных альфа-частиц через прибор даже и тогда, когда число альфа-частиц достигало тысячи в минуту.