Файл: Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике.pdf

...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.

Процедура измерений обычно заключалась в следующем: пока источник был свежим и, следовательно, сильным, иа каждой из нескольких фольг из разных материалов прово­ дился ряд измерений под большими углами, при которых рассеяние было сравнительно менее частым. «Через несколь­ ко дней», когда источник частично распадался, «повторя­ лись измерения для малых углов», чтобы обеспечить необ­ ходимую поправку на распад источника, и затем «интервал исследуемых значений углов расширялся. Таким образом, в течение нескольких недель исследовался весь интервал углов».

Основные результаты этих измерений приведены в табл. 5. 1. Две серии измерений проводились с серебря­ ными фольгамн одинаковой толщины и две серии — с зо­ лотыми фольгамн разной толщины.

82 ГЛАВА 5

Она состоит из источника излучения R , диафрагмы D , рассеиваю­ щей фольги F и экрана с сульфидом цинка Z. на котором наблюдались рассеянные а-частицы. Основная часть установки находилась внутри цилиндрического латунного кольца Л , торцы которого были плоскими и могли герметически закрываться двумя стеклянными пластинами

Источник излучения R устанавливался прямо против слюдяной пла­ стинки, которая была покрыта воском и закрывала отверстие £ ...

Узкий пучок а-частнц, сформированный диафрагмой D, направлялся на рассеивающую фольгу. В диске S имелось шесть отверстий, располо­ женных на одинаковом расстоянии от центра; пять из них перекрыва­ лись различными фольгами. Отверстие, остававшееся открытым, исполь­ зовалось для определения естественного фона. Диск фиксировался на стержне Р, прикрепленном к стеклянному сочленению М , так что его можно было вращать и соответственно устанавливать разные фольги против диафрагмы. Рассеянные а-часгнцы наблюдались с помощью микроскопа на экране Z из сульфида цинка, приклеенном к внутренней стороне стеклянной пластины С.

Приготовление источника в этом случае требовало го­ раздо больших усилий, чем в других экспериментах, так как неоднородность его, несущественная при проверке уг­ ловой зависимости, здесь была недопустима. Удалось при­ готовить источник, состоящий из смеси RaA и RaC. Первый полностью распадается спустя 20 мин после приготовления, так что остается только чистый RaC; последний можно использовать в течение следующего часа, после чего уже начинает мешать небольшое количество эманации, остав­ шееся в источнике из-за несовершенства способа пригото­ вления. Таким образом, источник мог использоваться толь­ ко в течение очень коротких интервалов времени, что огра­ ничивало число отсчетов для каждой из фолы, а следова­ тельно, и точность измерений.

Другим фактором, также ограничивающим точность из­ мерений, был «естественный фон», обусловленный рассея­ нием а-частиц на остальных частях аппаратуры. Этот фон был столь велик, что в некоторых случаях совершенно искажал измеряемый эффект. Это было преодолено установ­ кой дополнительного экрана, который не позволял части­ цам, рассеянным на концах диафрагмы, попасть на сцинтиллирующий экран.

Измерения проводились на золоте, олове, серебре, меди и алюминии. Полученные результаты наносились на гра­