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

38 ГЛАВА 3

ранних работ, основывался на том факте, что радиоактив­ ные лучи ионизируют воздух, через который они проходят. Непосредственно измерявшейся величиной была скорость разряда, вызванного этой ионизацией в зазоре плоскопа­ раллельного воздушного конденсатора. Пластины его рас­ полагались горизонтально с зазором в 4 см. Слой радиоак­ тивного вещества был нанесен на нижнюю пластину. Пла­ стины заряжались до разности потенциалов примерно 100 В. Скорость, с которой уменьшалась разность потенциалов, измерялась с помощью чувствительного электрометра; скорость утечки заряда считалась пропорциональной «ин­ тенсивности» излучения11.

Следующим этапом было изучение поглощения излуче­ ния. Очевидно, можно было ожидать, что однородное излу­ чение, проходя через какую-либо среду, не совсем непроз­ рачную для него, будет частично поглощаться, причем доля поглощенного излучения будет экспоненциально воз­ растать с толщиной среды, пройденной излучением. Ско­ рость этого роста должна зависеть как от свойства поглоти­ теля, так и от характеристик излучения. В то время такой метод исследования уже широко применялся при изучении радиоактивного излучения. Однако в случае тория, когда в качестве поглотителя использовался одинарный лист пис­ чей бумаги, результаты оказались своеобразными в том смысле, что они зависели от того, выходило ли излучение из «тонкого» слоя (небольшого количества мелкого порош­ ка) или из «толстого» слоя. В первом случае поглощение довольно хорошо следовало ожидаемому экспоненциально­ му закону. При этом интенсивность ослаблялась до 8% на­ чальной интенсивности при прохождении слоя бумаги тол­ щиной 0,08 мм. Однако в случае толстого слоя радиоактив-

Сейчас известно, что скорость разряда такого конденсатора зави­ сит не от одного, а от двух свойств излучения: от числа радиоактивных распадов в единицу времени и от энергии испускаемых в распаде частиц. Однако в то время, к которому относятся описанные исследования, еще не было надежно установлено, что излучение, по крайней мере частично, состоит из заряженных частиц, и, конечно, значительно позднее были изучены количественные характеристики взаимодействия заряжен­ ных частиц с воздухом. В этой связи очевидно, что описанный электри­ ческий метод был вполне пригоден для сравнения различных образцов одного и того же радиоактивного вещества, но мог привести к ошибоч­ ным результатам при сравнении различных источников излучения.

ного вещества бумага толщиной 0,08 мм ослабляла интен­ сивность лишь до 74% первоначальной, причем дополни­ тельные слои бумаги давали незначительный эффект.

Различие в толщине радиоактивного слоя сказывалось также в различной чувствительности скорости разряда к по­ токам воздуха. «Если направить слабый поток воздуха в зазор между пластинами, то скорость разряда, вызванного толстым слоем окиси тория11, сильно уменьшается... При аналогичном эксперименте с ураном скорость утечки (за­ ряда) не обнаруживает сколько-нибудь заметного измене­ ния». Последнее утверждение указывает, что данный эффект не является результатом метода или условий измерений, а действительно связан с поведением тория. «Для тонкого слоя окиси уменьшение скорости утечки мало, но для тол­ стого слоя окиси скорость утечки может снижаться до ве­ личины, составляющей менее одной трети ее первоначаль­ ного значения».

Далее следует особенно важное предложение, все еще от­ носящееся к случаю толстого слоя. «Если на слой окиси тория наложить лист бумаги двойной толщины, то скорость утечки между пластинами может быть уменьшена более чем в 20 раз с помощью слабого непрерывного потока возду­ ха». Напомним, что одна лишь бумага слабо влияла на ин­ тенсивность излучения от толстого слоя тория. Дополни­ тельное же воздействие потока воздуха приводило к тому, что излучения от толстого и тонкого слоев оказывались сход­ ными по отношению к их поглощению бумагой.

Таким образом, излучение от тонкого слоя окиси тория было нормальным, подчиняющимся обычному закону по­ глощения и не подверженным воздействию потока воздуха. Излучение же от толстого слоя, хотя, вероятно, и включа­ ло в себя малую компоненту нормального вида, в основном было другого вида. Оно поглощалось необычным образом и было сильно подвержено воздействию потоков воздуха. На основании этого Резерфорд пришел к следующему вы­ воду:

11 Торий исследовался в форме химического соединения, обычно в виде окиси тория, которая была выбрана из соображении удобства ее приготовления и легкости работы с ней. В оригинальных текстах тер­ мины «торий», «окись» и «окись тория» почти всюду употребляются как равноценные.

Свойства, проявляемые соединениями тория, находят исчерпы­ вающее объяснение, если предположить, что, кроме обычного излуче­ ния, из массы активного вещества испускается также большое число радиоактивных частиц. Эта «эманация» может проходить сквозь зна­ чительную толщу бумаги. Радиоактивные частицы, испускаемые со­ единениями тория, постепенно диффундируют через газ в ближайшие окрестности и становятся центрами ионизации по всему объему газа. Тот факт, что слабыіі поток воздуха оказывает малое влияние в случае тонких слоев окиси тория, обусловлен преобладанием в этом случае скорости утечки, вызванной обычной радиацией, над скоростью утечки, вызванной эманацией. Для толстого слоя окиси тория скорость утечки, обусловленная обычной радиацией, практически совпадает со скоростью утечки, вызванной тонким поверхностным слоем, так как радиация может проходить лишь короткое расстояние в соли. Что же касается эманации, то она способна диффундировать с расстояний до нескольких миллиметров под поверхностью соединения, и скорость утечки, обуслов­ ленная ею, становится много больше скорости утечки, вызванной одним лишь излучением.

Теория «эманации» позволяет дать объяснение воздействия слабых потоков воздуха... Очень слабое движенію воздуха, если оно непрерывно, уносит с собой значительное число радиоактивных центров из пространства между пластинами... Эманация продолжает ионизиро­ вать газ в своей окрестности в течение нескольких минут, так что уда­ ление частиц из пространства между пластинами уменьшает скорость разряда пластин.

Короче говоря, торий выделяет какую-то субстанцию, которая в свою очередь способна производить ионизацию и которая, если и не является газом, то по крайней мере на­ ходится в таком виде, что может переноситься потоком воз­ духа.

Остальная часть первой статьи главным образом каса­ лась вопроса о влиянии различных условий на образование эманации. Однако там же указывались еще три свойства самой эманации. Одно из них заключается в том, что ее соб­ ственная радиоактивность уменьшается экспоненциально со временем, убывая в 2 раза примерно за каждую минуту. Это было одной из первых прямых демонстраций уменьшения радиоактивности со временем, и вполне возможно, что, ког­ да Резерфорд представил свою статью (сентябрь 1899 г.), он ничего не знал о какой-либо другой такой работе1*.

Спад радиоактивности со временем впервые был обнаружен Элстером и Гейтелем в 1899 г. Большая часть радиоактивных веществ, которые были выделены и идентифицированы в то время, распадались так медленно, что обычно исследователи не замечали изменения их радиоактивности.

Второе свойство, которое Резерфорд вполне обоснованно называет «весьма удивительным», состояло в том, что «по­ ложительные ионы, образованные в газе эманацией, обла­ дают способностью вызывать радиоактивность в любом ве­ ществе, в которое они попадают».

Третье свойство заключалось в том, что эманация пред­ ставляла собой или вела себя как самый настоящий газ. «Эманация проходит сквозь пробку из ваты, нисколько не теряя свою радиоактивную способность... Она также не меняет своих свойств при пропускании через горячую или холодную воду, концентрированную или слабую серную кислоту. В этом отношении она подобна, обычному газу. С другой стороны, ион не может пройти сквозь пробку из ваты или проходить через воду, не потеряв своего заряда». По-видимому, Резерфорд предполагал, что радиоактивность эманации может быть проявлением каких-то свойств ионов, образуемых излучением тория.

Вторая статья этой серии посвящена «возбужденной ра­ диоактивности» — активности, связанной с упомянутым выше вторым свойством. Существенным результатом этой ра­ боты было установление того факта, что возбужденная ак­ тивность «каким-то образом обусловлена „эманацией“ или чем-то, что сопровождает ее, но не вызвана прямым воздей­ ствием излучения окиси тория». Было установлено также, что она уменьшается с периодом примерно в 11 ч и что она сопровождается выпадением некоего осадка, хотя и в чрез­ вычайно малом количестве.

В третьей статье этой серии, в которой Содди впервые выступил в качестве соавтора, сообщается об эксперимен­ тах, в которых был сделан поистине решающий шаг. Иссле­ дователи поставили перед собой ряд вопросов, большая часть которых была связана с образованием эманации, но один нз них касался более полного выявления природы самой эманации. Точнее, они желали «увидеть, обладает ли эма­ нация такими химическими свойствами, которые позволили бы отождествить ее с каким-нибудь известным видом материи». Здесь опыт Содди как химика и его знания совре­ менных методов исследования в химии были неоценимыми.

Аппаратура, использовавшаяся в этой части исследова­ ний, в своих основных чертах была, вероятно, такой же, как ив экспериментах по изучению образования эманации.

Фиг. 3.1. Установка, применявшаяся Резерфордом и Содди для исследования эманации тория [Phil. Mag., 4, 569 (1902), Fig. 1; обозначения изменены для наглядности.]

[На фиг. 3.1] показана схема экспериментальной установки для сравнения эманационных способностей различных веществ. Последние в виде мелкого порошка насыпались в неглубокий свинцовый сосуд, вставленный в стеклянный цилиндр С длиной 17 см и диаметром 3,25 см, закрытый с обоих концов резиновыми пробками. Поток воздуха из большого газового баллона, пройдя по трубке, содержащей вату для

в которой задерживались капельки серной кислоты, захваченные пото­ ком воздуха. Эманация в смеси с воздухом выходила из цилиндра С сквозь пробку из ваты'О, которая полностью задерживала все заряжен­ ные носители, имевшиеся в эманации, и поступала в длинный латунный цилиндр длиной 75 см и диаметром 6 см. Этот цилиндр, изолированный парафиновыми блоками, был соединен с одним из полюсов батареи небольших свинцовых аккумуляторов другой полюс которой был заземлен. Три электрода Е , F и Н , имеющие одинаковую длину, были закреплены вдоль оси латунного цилиндра с помощью латунных стерж­ ней, проходивших сквозь эбонитовые пробки, вставленные в стейку цилиндра. Проходящий через газ ток, обусловленный наличием в ци­ линдре эманации, измерялся с помощью уайтовской модели квадрант­ ного электрометра Кельвина...2* Специальный изолированный пере­ ключатель позволял быстро подсоединять к одной из пар квадрантов электрометра любой из электродов Е, F , Н по отдельности или все вместе. Другая пара квадрантов была постоянно заземлена.

При разности потенциалов батареи 50 В типичное зна­ чение тока составляло примерно несколько десятков пи­ коампер (1 пА=10~12А), что давало примерно за 10 с откло­ нение в 100 делений по шкале прибора (цена деления не

оЭто устройство в отношении химических процессов, протекающих

внем, и их электрического действия, но не в деталях строения, иден­ тично нескольким автомобильным свинцовым аккумуляторам, соеди­ ненным последовательно.

2) Принцип действия этого прибора описан в приложении А.