книги из ГПНТБ / Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике

5

АТОМНОЕ ЯДРО

В 1911 г. атомная гипотеза уже имела под собой твердый фундамент, каким являлись выводы из работы Перрена. С другой стороны, эксперименты Резерфорда и Содди разрушили представление о неизменности атома. Правда, радиоактивность рассматривалась как довольно специфи­ ческое явление. Ни в одном исследовании не было получено никаких данных, касающихся структуры атома, и о ней было известно очень мало. Существовало мнение, что «кор­ пускулы», которые теперь мы называем электронами, иг­ рают некую роль в структуре атома, но эта роль остава­ лась неизвестной; ясно было лишь то, что электроны опре­ деленно имеют отношение к спектру света, излучаемого

атомом.

Тем не менее к этому времени были выдвинуты по край­ ней мере три различные гипотезы. Первая из них принадле­ жала лорду Кельвину (1902 г.), но отстаивал ее главным образом Дж. Дж. Томсон, и поэтому соответствующая модель получила название томсоновского атома. Томсон опубликовал в 1904 г. пространную статью об атоме и продолжал работать над его изучением еще в течение нес­ кольких лет. Согласно этой модели, заряд и масса атома распределены равномерно по объему сферы диаметром по­ рядка 1 ангстрем (1 Â =10-8 см). Электроны представлялись как бы вкрапленными в эту сферу, подобно изюму в пудин­ ге, вследствие чего такую модель часто называли моделью «пудинга с изюмом». Томсон исследовал возможные рав­ новесные распределения электронов в атоме и пришел к выводу, что можно ожидать периодичности некоторых атомных свойств, которая качественно совпадала с резуль­ татами имевшихся наблюдений.

Вторая гипотеза, опубликованная в 1903 г., принадле­ жала профессору Кильского университета Филиппу Ле-

нарду; последний пришел к ней в результате своих иссле­ дований катодных лучей (работа, за которую ему была присуждена Нобелевская премия). Результаты исследова­ ний, как отмечает Ленард, позволяют прежде всего сделать вывод, что «атомы различных веществ построены из различ­ ного числа составляющих одного и того же типа. Эти сос­ тавляющие он назвал «динамидами». Из почти полной проз­ рачности тонких фольг для катодных лучей он сделал вы­ вод, что объем динамид составляет лишь ничтожно малую часть (порядка ІО-12) объема всего атома (линейный размер которого он также правильно оценил в несколько ангстрем). Далее, он высказал гипотезу, что динамида может представ­ лять собой тесное объединение электрона с положительно заряженным телом, обладающим значительно большей мас­ сой, чем электрон. Однако он не попытался исследовать динамику своей модели, и на нее не обратили особого вни­ мания (к большому огорчению Ленарда).

Третья модель была разработана японским ученым X. Нагаокой п. Его доклад на заседании японского физи­ ко-математического общества был в полном объеме опубли­ кован в «Трудах» этого Общества, но «расширенный рефе­ рат» статьи появился в начале 1904 г. в английском журнале Nature. Вкратце сущность идеи Нагаоки заключалась в том, что атом он представлял в виде массивного положи­ тельного заряда, вокруг которого по окружности через определенные интервалы располагаются электроны, Первым анализ такой системы провел Максвелл для колец Сатурна. Нагаока обнаружил, что электростатическое отталкива­ ние, существующее между электронами (в отличие от гра­ витационного притяжения между частицами колец Сатурна) не меняет результата максвелловского анализа. Далее, он предположил, что малые колебания электронов относитель­ но положений равновесия вызывают оптическое излучение, и получил качественное и частично количественное согла­ сие с наблюдаемыми свойствами оптических спектров. Он также предположил, что достаточно сильное возмущение

П Западный читатель может заметно удивиться, обнаружив, что японцы внесли значительный вклад в развитие науки в начале нашего столетия. Действительно, начиная с 1868 г. японское правительство сильно поощряло развитие науки и участие японцев в научных исследо­ ваниях.

72 ГЛАВА 5

может разрушить атом; при этом электроны вылетают в ви­ де ß-частиц, а положительный заряд образует а-части- цы. Эта модель сразу же была раскритикована на основании того, что, если она электрически нейтральна, то должна быть весьма нестабильной. Нагаока возражал, что его мо­ дель не должна воспроизводить внутреннюю структуру атома, и, следовательно, может и не быть нейтральной. Однако при этом он не упоминал о тех эффектах, которые следовало бы ожидать из-За присутствия остальных элект­ ронов. Его модель также почти не получила дальнейшего развития.

Решающий шаг в развитии представлений о структуре атома был сделан в результате исследования рассеяния сс-частиц, выполненного под руководством Резерфорда ста­ жером Гансом Гейгером и аспирантом Эрнстом Марсденом в Манчестерском университете. Они обнаружили, что а- частицы отклоняются на очень большие углы. со слишком большой вероятностью, чтобы это можно было объяснить, не прибегая к гипотезе о наличии в атоме массивного ядра очень малых размеров. Эта работа и описывается в настоя­ щей главе.

Проблема рассеяния а-частиц привлекла внимание Ре­ зерфорда еще в 1906 г., когда он работал в университете Мак-Гилла. Он заметил, что коллимированный с помощью отверстий пучок а-частиц, проходящий через воздух, ос­ тавляет на фотопластинке четко очерченное пятно, но если на его пути поставить пластинку слюды толщиной всего лишь в 20 мкм, то пятно расплывается. Это расплывание соответствует отклонению части а-частиц приблизительно на 2°. Оценив напряженность и протяженность поля, кото­ рое могло бы вызвать такое отклонение, Резерфорд пришел к выводу, что при прохождении через слюду а-частица должна испытывать воздействие электрического поля на­ пряженностью порядка ІО8 В/см. «Такой результат,— за­ ключил он,— определенно означает, что в атомах материи должны быть сосредоточены огромные электрические силы».

рекомендовал ее Гейгеру, который и выполнил полуколш чественное исследование, опубликованное в 1908 г. Ис­ пользованная им аппаратура изображена на фиг. 5.1.

АТО М Н О Е Я Д Р О

73

Фиг. 5.1. Схема установки, использовавшейся Гейгером для исследования рассеяния а-частнц. [Ргос. Roy. Soc. (London), А81, 174 (1908), Fig. 1; некоторые обозначения изменены для наглядности.]

Основная часть установки состояла нз стеклянной трубки длиной примерно 2 м и диаметром около 4 см. а-частицы, испускаемые сильным источником небольших размеров, укрепленным внутри конуса R , проходили через узкую щель S и создавали изображение этой щели на фосфоресцирующем экране Z, приклеенном ко дну стеклянной трубки. Ширина щели составляла 0,9 мм, а ширина геометрического изображе­ ния на экране была примерно 2 мм в зависимости от размеров источника и расстояния, на котором он находился. Число сцинтилляций в различ­ ных точках экрана подсчитывалось непосредственно с помощью соответ­ ствующего микроскопа М с 50-кратным увеличением. Площадь экрана, просматриваемая в микроскоп, составляла приблизительно 1 мм2. Число сосчитанных сцинтилляций варьировалось от 2—3 до примерно 80 в минуту... Микроскоп был смонтирован на салазках Р Р , так что можно было наблюдать сцинтилляции, происходящие на различных расстояниях от центра пучка. Положение микроскопа при этом фикси­ ровалось на миллиметровой шкале, прикрепленной к салазкам.

Необходимо сделать несколько замечаний о сцинтилляцпонном методе, который в этом эксперименте заменил по­ лучение грубого фотографического изображения, исполь­ зовавшееся в прежних работах, и применялся для детекти­ рования во всех исследованиях, описываемых в настоящей главе. Тот факт, что сульфид цинка сцинтиллирует при бом­ бардировке его а-частицами, был уже известен; так, Ре­ зерфорд упоминал о нем в своей книге о радиоактивности, опубликованной в 1904 г. Первым, кто применил это явле­ ние в качестве средства исследования, был, по-видимому, экспериментатор из Берлина Эрих Регенер, опублико­ вавший свои исследования в 1908 г. Он отмечал ряд условий, необходимых для успешного применения метода. Так, преж­ де всего необходим тщательный выбор параметров линз микроскопа, с тем чтобы достичь максимальной яркости

74 Г Л А В А 5

свечения от каждой а-частицы. Далее, для того чтобы глаз все время оставался сфокусированным на сцинтиллирующий экран, желательно слабо подсвечивать экран обычной лам­ пой. Наконец, самое важное— перед началом измерений глаза наблюдателя должны адаптироваться к темноте, для чего он должен пробыть по крайней мере 5 мин в затемнен­ ной комнате. Кроме того, как дополнительно отметил Ре­ зерфорд и Гейгер, из-за быстрого утомления глаза трудно производить подсчет в течение более чем 2 мин непрерывно. Регенер писал, что «подсчет числа вспышек производился с помощью аппарата Морзе [по-видимому, представлявшего собой разновидность электромагнитного устройства, про­ изводящего метку при опускании ключа] и секундомера», а Резерфорд и Гейгер писали, что «обычно подсчитывалось 100 сцинтилляций и отмечалось время по секундомеру». Каков бы ни был метод подсчета, ясно, что он был утоми­ тельным и требовал чрезвычайного напряжения внимания.

Результаты, полученные Гейгером, приведены в виде кривых на фиг. 5.2.

Кривая А показывает распределение сцинтилляций, когда а-ча- стицы двигались в вакууме, поддерживаемом активированным углем *>...

Вторая кривая, В показывает эффект, вызванный тем, что щель покры­ валась одним листком золота 2>. Площадь, на которой наблюдались сцинтилляции, оказалась значительно больше, и различие в распреде­ лении сцинтилляции могло быть легко отмечено невооруженным гла­ зом... Третья кривая, С, показывает эффект, обусловленный двумя листками золота.

Следует отметить, что измерения Гейгера охватывали интервал отклонений а-частиц от оси пучка лишь до 10 мм по экрану, что при расстоянии от щели до экрана в 54 см соответствуют углу в 1° или около того. Даже при таком угле число отсчетов заметно падало, однако очень мало частиц рассеивалось на углы, большие, чем этот.

30 лет спустя в своей лекции Резерфорд следующим образом описал последующие события 3): «Однажды ко мне

Фиг. 5.2. Кривые, полученные Гейгером при изучении рассеяния а-частиц. [Ргос. Roy. Soc. (London), А81, 176 (1908), Fig.2.]

пришел Гейгер и спросил: «Не думаете ли Вы, что молодой Марсден, которого я обучаю методам работы с радиоактив­ ностью, должен начать небольшое исследование?» Теперь и я так думаю — ответил я. «Почему бы ему не посмотреть, не рассеиваются ли а-частицы на большие углы?» Я могу сказать Вам по секрету, что я не верил в это, потому что мы знали, что а-частица — это очень быстрая тяжелая час­ тица с огромной энергией, и можно показать, что если рас­ сеяние обусловлено накоплением эффекта от последова­ тельных рассеяний на малые углы, то вероятность рассея­ ния а-частицы назад должна быть очень мала».

Результаты измерений Гейгера и Марсдена, опублико­ ванные в 1909 г., обнаружили поразительно много случаев

I P L.

Фиг. 5.3. Схема первой установки, использованной Гейгером и Марсденом для измерения рассеяния а-частиц. [Ргос. Roy. Soc. (London), А82, 499 (1909), Fig. 3.]

рассеяния а-частиц на большие углы. Хотя в этих экспе­ риментах точность была более высокой по сравнению с пре­ дыдущими результатами Гейгера, тем не менее эти данные были все еще сравнительно грубыми.

...в качестве источника, излучающего а-частнцы, использовался раднй-С, осажденный на пластинку небольших размеров. Эксперимен­ тальная установка, схематически показанная на фиг. 3 [здесь фиг. 5.3], была устроена так, чтоа-частицы, вылетавшие с пластинки А , попадали на платиновый отражатель R площадью примерно 1 см2 в среднем под углом 90°. Отраженные частицы попадали в различные точки экрана S , где и подсчитывались...

Количество радня-С, осажденного на пластинку, определялось по его у-актнвностн. Число а-частиц, испускаемых пластинкой в 1 с, оп­ ределялось, исходя из количества радня-С, в предположении, что из эквивалентного 1 г Ra количества RaC излучается 3 ,4 -1010 частиц в 1 с1>. По известным значениям расстояния от источника до отражателя и площади последнего нетрудно было вычислить число частиц, падающих на отражатель. Для нахождения полного числа отраженных частиц предполагалось, что они распределены равномерно по полусфере с центром, расположенном в середине отражателя.

Три серии измерений показали, что в этих условиях одна из 8000 падающих а-частиц отражается назад.

В уже цитированной лекции 2) Резерфорд следующим образом описывает свою реакцию, когда он узнал о таком результате:1

11 Это число ранее было определено Резерфордом и Гейгером в том самом исследовании, которое стимулировало дальнейшую работу по изучению рассеяния а-частиц.

21 См.' примечание 3 на стр. 74.

...Я помню... ко мне пришел очень взволнованный Гейгер и сказал: «Мы, кажется, получили несколько случаев рассеяния ос-частиц назад...» Это самое невероятное событие, которое было в моей жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в папиросную бумагу и он, отразившись от нее, попал бы в вас. При анализе этого я понял, что такое рассеяние назад должно быть результа­ том однократного столкновения и, произведя расчеты, увидел, что это никоим образом невозможно, если не предположить, что подавляющая часть массы атома сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда

уменя и зародилась идея об атоме с крошечным массивным центром,

вкотором сосредоточен заряд 1).

Резерфорд, очевидно, понимал, что в рамках томсоновской модели атома падающая частица не должна подвергаться воздействию очень большой силы в результате столкнове­ ния с атомом и, следовательно, не должна рассеиваться в одном акте взаимодействия на очень большие углы. Скорее всего такое отклонение могло бы произойти вследствие накопления эффекта в ряде последовательных отклонений на малые углы. Однако, хотя вероятность многократного рассеяния а-частицы при прохождении сквозь вещество, состоящее из томсоновских атомов, достаточно велика, тем не менее очень неправдоподобно, что большое число откло­ нений произойдет в одном и том же направлении. Следо­ вательно, результирующее отклонение на большой угол будет чрезвычайно маловероятным.

Хотя Резерфорд не был ни сильным математиком, ни теоретиком, он понимал также, что если положительный заряд сконцентрирован в очень малом объеме, то в одном акте соударения возможны проявления очень больших кулоновских сил, необходимых для такого отклонения на большой угол. В то же время, хотя вероятность столкнове­ ния в этом случае сильно уменьшается, вероятность мно­ гократного столкновения (по крайней мере в тонкой фоль­ ге) уменьшается значительно сильнее. Он разработал де-1

11 В какой мере Резерфорд находился под влиянием модели Нагаоки, с которой его идея имеет некоторые очевидные сходства, невоз­ можно установить. Он определенно знал о ней — в его статье, посвя­ щенной деталям теории, имеется ссылка на работу Нагаоки — и вполне возможно, что он обсуждал свою идею с Нагаокой, когда последний приезжал в Манчестер в 1910 г.

хождении сквозь фольгу толщиной t пропорциональна fcosec4(0/2). С другой стороны, для томсоновской модели изменение вероятности с толщиной должно происходить по

кономерностях было столь значительным, что вполне до­ пускало экспериментальную проверку, ио для этого, ко­ нечно, эксперимент нужно было выполнить со значительно большей точностью, чем предыдущие работы. Статья Ре­ зерфорда заканчивалась замечанием, что «эксперименты в этом направлении уже ставятся Гейгером и Марсденом».

Результаты рассматриваемых исследований были опу­ бликованы в 1913 г. При конструировании аппаратуры было учтено то условие, что для получения измеримых эффектов необходим интенсивный пучок а-частиц. Как по­ казано на фиг. 5.4, установка

...состояла в основном из прочной цилиндрической металлической камеры В, где помещались источник а-частиц R , рассеивающая фольга F и микроскоп М , на котором был жестко закреплен экран из сульфида цинка S. Камера укреплялась на круглой платформе А с делениями по образующей; платформа могла вращаться благодаря коническому герме­ тическому сочленению С. При повороте платформы вокруг своей оси камера, а вместе с ней и микроскоп перемещались, тогда как рассеи­ вающая фольга и излучающий источник оставались неподвижными, поскольку они были укреплены на трубке Т, которая в свою очередь была прикреплена в станине L . Камера В сверху прикрывалась матовым стеклом Р и могла быть откачана через трубку Т.

Источник а-частиц ... представлял собой маленькую тонкостенную стеклянную трубку диаметром примерно 1 мм, содержавшую большое количество хорошо очищенной эманации радия.а-частицы, излучаемые эманацией и ее активным осадком, могли проходить сквозь стекло без значительного уменьшения их пробега. Неоднородность источника, обусловленная присутствием различных групп а-частиц из эманаций, RaA и RaC, не мешала применению в этих экспериментах предсказан­ ного теорией закона углового распределения, поскольку различные группы а-частиц рассеивались согласно одному и тому же закону.

Странно, но в этой статье нет слова «ядро». Нет там и явного упо­ минания о предположении, что масса атома сконцентрирована совместно с зарядом, хотя это неявно предполагалось при рассмотрении динамики системы.

Фиг. 5.4. Схема последней установки Гейгера и Марсдена, использо­ ванной для измерения углового распределения рассеянных а-частиц.

[Phil. Mag., 25, 607 (1913), Fig. 1.]

С помощью диафрагмы, установленной в нише D, пучок а-частиц направлялся перпендикулярно рассеивающей фольге F . Поворачивая микроскоп, можно было наблюдать на экране S а-частицы, рассеянные в различных направлениях... Наблюдения в разных экспериментах велись для углов отклонения от 5 до 150°. При измерении рассеяния на большие углы экран из сульфида цинка оказывался расположенным очень близко к источнику и сильно люминесцировал под действием ß- и у-лучей. Это очень затрудняло подсчет сцинтилляций ота-частиц. Влия­ ние ß-лучей уменьшалось настолько, насколько это возможно, благо­ даря применению свинцового контейнера (заштрихованного на схеме). Однако количество свинца лимитировалось пространством, которое он мог занимать, и поэтому наблюдения под углом от 150 до 180° не могли производиться...

Даже когда из камеры удалялась рассеивающая фольга, на экраненаблюдалось некоторое число сцинтилляций. Очевидно, они были обус­ ловлены рассеянием излучения на стенках камеры и на краях диа­ фрагмы, ограничивавшей пучок а-частиц. Этот эффект был уменьшен настолько, насколько оказалось возможным... Число таких случайных а-частиц определялось при различных положениях микроскопа путем удаления рассеивающей фольги, так что можно было с уверенностью вносить необходимые поправки на описанный эффект.