Матвей Бронштейн - Атомы и электроны

В 1909 году Э. Регенер повторил опыты Резерфорда и Гейгера, измеряя таким же способом заряд, переносимый альфа-частицами. Различие заключалось лишь в том, что он в то же время и подсчитывал число альфа-частиц, но не с помощью счетчика Резерфорда - Гейгера, а регистрируя вспышки. Экраном, на котором возникали вспышки при падении- альфа-частиц, служил небольшой алмаз. В результате этой работы у Регенера получалось еще более точное, чем у Резерфорда и Гейгера, значение заряда альфа-частицы, а именно: 9.58*10 -10абс. ед.

Если разделить это число на 2, то получится 4,79*10 -10абс. ед.

Это число очень близко к тому, которое получил Милликен, когда он измерял (см. предыдущую главу) элементарный электрический заряд.

Рассмотрим еще одно важное следствие, вытекающее из опытов Резерфорда и Гейгера. Мы знаем, что масса каждого атома водорода составляет 1,662*10 -24г, а так как атомная масса радия 226, то, значит, масса каждого атома радия равна 3,76*10 -22г. В грамме радия, следовательно, имеется 2,66 *10 21атомов.

Из этих атомов каждую секунду распадается 3,7*10 10атомоd, т. е. доля, равная дроби

(3,7*10 10)/(2,66*10 21) = 1,4.*10 -11.

Это значит, что любое наличное количество атомов радия уменьшается в течение каждой секунды примерно на полторы миллиардные доли процента. Всякий, кто умеет вычислять с помощью таблицы логарифмов, очень легко сосчитает, сколько же нужно секунд, чтобы имеющееся количество атомов радия сократилось, например, вдвое. Необходимое для этого число секунд равно [ 18 ] Ln - натуральный логарифм. Он равен десятичному логарифму, деленному на 0,4343. (Тот, кто не умеет вычислять с логарифмами, может при чтении пропустить все промежуточные выкладки и просто принять результат на веру.).

{(2,66*10 21)/( 3,7*10 10)}*Ln2=5*10 10c

А так как год составляет 3,16*10 7с, то, чтобы узнать, через сколько лет данное количество атомов радия уменьшится ровно вдвое, нужно разделить 5*10 10на 3,16 * 10 7. Ответ гласит: через 1600 лет.

Этот необыкновенно важный результат, полученный таким простым способом, сразу объясняет, почему физики, открывшие радий, сочли его неиссякаемым источником энергии, каким-то «вечным двигателем», никогда не устающим отдавать все новые и новые запасы энергии. В действительности радий устает, энергия его иссякает, но только все это происходит очень медленно. Радон (эманация радия) распадается наполовину в течение четырех дней (точнее говоря, за 3,85 дня), и поэтому уменьшение его радиоактивности было сразу замечено. Но радий распадается наполовину в течение 1600 лет, значит, в течение самой долгой человеческой жизни данный препарат радия останется почти таким же, каким он был. Но все же радий не вечен. Если бы вавилонский царь Хаммураби, царствовавший семь тысяч лет тому назад, положил в свою сокровищницу один грамм радия, то в наше время, даже если бы сокровищница не была разграблена, в ней осталось бы радия не больше чем несколько десятков миллиграммов.

Не бесконечен, хотя и очень велик, тот запас энергии, который радий растрачивает, превращаясь в радон. Измерения показали, что один грамм радия испускает в час 140 калорий тепла. Это количество тепла испускается, однако же, не одним лишь чистым радием, но также и теми радиоактивными продуктами распада радия, которые всегда присутствуют в радиевом препарате и тоже испускают лучи Беккереля, нагревая все окружающие предметы. Немецкий физик Гесс (в 1912 году) попробовал измерить теплоту, испускаемую препаратом чистого радия, из которого были удалены все продукты распада. Оказалось, что один грамм чистого радия дает всего лишь 25 калорий в час, т. е. 6,9*10 -8калорий в секунду. А мы знаем, что за секунду распадается часть радия, равная 1,4*10 -11. Значит, когда распадется весь грамм радия, то выделенная им энергия (при превращении в радон) будет равна

(6,9*10 -8)/( 1,4*10 -11)=2,05*10 9Дж.

Четыреста девяносто миллионов калорий - вот сколько энергии отдает грамм радия, превращаясь в радон! И это еще не вся заключенная в нем энергия: ведь и радон распадается дальше, отдавая энергию еще и еще (в дальнейшем мы увидим, сколько энергии выделяется во всей длинной цепи радиоактивных превращений, в которой превращение радия в радон является лишь одним из звеньев). Для того чтобы понять, как велика эта энергия, заметим, что при горении грамма водорода (а это одна из самых энергичных химических реакций) выделяется 34 000 калорий тепла, т. е. приблизительно в 10 тысяч раз меньше, чем при превращении грамма радия в грамм радона. Еще эффективнее получится сравнение, если энергию пересчитать на атомы. Энергия, выделяющаяся при превращении одного атома радия: