Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Структура атома

Итак, из фотографий атомных событий мы ясно видим, что атомы в основном пусты и лишь во внешних их областях находятся легкие подвижные электроны. Атомы должны иметь очень маленькие массивные ядра, содержащие большую часть массы, — с ними быстрые альфа-частицы изредка сталкиваются. Измерения отклоненных треков (углы, счет водяных капель и др.) показывают, что эти редкие столкновения являются упругими, кинетическая энергия и момент сохраняются. Сталкивающиеся тела ведут себя подобно твердым упругим биллиардным шарам.

Как и при столкновении шаров, измерения углов позволяют нам узнать относительные массы. В воздухе альфа-частица сталкивается с объектом, имеющим массу, в несколько раз большую, чем ее собственная. В гелии «вилка» всегда составляет угол 90°, из чего можно заключить, что в этом случае альфа-частица сталкивается с объектом, имеющим массу, равную ее собственной (см. гл. 26, задача 22 ). Углы разлета частиц в водороде показывают, что сильные столкновения происходят с объектом, имеющим лишь 1/ 4массы альфа-частицы. Вспомним относительные атомные массы из химии:

водород 1, гелий 4, азот 14, кислород 16 и электрон (в той же шкале) 1/1840.

Измерения «вилок» дают для альфа-частицы массу 4, позволяя предположить, что она ион гелия. Если это гелий, то ничего удивительного нет в таких коротких и прямых треках — тяжелый, электрически заряженный атом гелия идет напролом через воздух и срывает электроны, в 7000 раз более легкие, чем он сам.

Фиг. 48. Фотография в камере Вильсона.

Треки β -лучей. Один быстрый β -луч пересекает камеру. Другие треки принадлежат медленным лучам ( С. Т. R. WiIsоn , Proc. Roy. Soc. bond.). Источник излучения находится слева.

Фиг. 49. Фотография в камере Вильсона.

Электроны, выбитые из атомов пучком рентгеновских лучей, проходящих во влажном воздухе (слева направо). Пучок γ- лучей производит подобное действие, образуя меньшее количество более длинных треков ( С. Т. R. WiIsоn , Ргос. Roy. Soc. Lond.).

Фиг. 50. Фотография в камере Вильсона.

β -лучи в магнитном поле. Поле не очень сильное. Радиоактивный источник находится на поверхности цилиндра — в левой части рисунка ( Е. С. Crittenden , Jr.).

Фиг. 51. Фотография в камере Вильсона.

α -лучи в магнитном поле. Поле очень сильное. Обратите внимание на увеличение кривизны и заметный загиб у конца траектории, где частица уже замедлена многими столкновениями ( П. Л. Капица ) (из книги: Rutherford, Chadwick and Ellis, Radioactive Substances and their Radiations, Cambridge Univ. Press). Источник излучения находится слева.

Треки бета-лучей

Посмотрите на фотографию бета-лучей, проходящих во влажном воздухе. Длинные разбросанные треки с отдельными ионами здесь и там и с множеством искривлений. Картина ясная: быстрый электрон пролетает среди других электронов той же массы, находящихся во власти всех локальных электрических полей.

Треки гамма-лучей

Поток гамма-лучей сам по себе не дает видимых треков. Гамма-луч обычно идет прямо, подобно свету, проходящему через стекло, не оказывая никакого воздействия на вещество. Иногда он выбивает электрон, который освобождается с малой энергией отдачи. В конце концов гамма-луч встречает некоторый электрон в атоме, который он выбрасывает, передавая ему всю свою энергию. Такие электроны, излучаемые приблизительно во все стороны от пучка, дают разбросанные во все стороны треки, подобные трекам бета-лучей.

Разделение «лучей» электрическим и магнитным полями

Прежде чем изображения в камере Вильсона получили четкое объяснение, потоки «лучей» были проанализированы пропусканием их в вакууме через электрическое и магнитное поля. Отклонения в электрическом поле пропорциональны e / mv 2; в магнитном поле отклонения пропорциональны e / mv ; сопоставление результатов позволяет найти v и е / m :

α) Альфа-частицы имеют положительный заряд; имеют е / М , составляющее ровно половину от е / М для водородных ионов, Н +; излучаются с различными скоростями вплоть до 16 000 км/сек.

β) Бета-частицы имеют отрицательный заряд; имеют такое же отношение е / m , как электроны, эмиттируемые из нагретых нитей [126], и т. д. Это действительно электроны; излучаются с высокими скоростями вплоть до 294 000 км/сек (98 % скорости света).