Матвей Бронштейн - Атомы и электроны

• Название: Атомы и электроны
• Автор: Матвей Бронштейн
• Издательство: Наука. Главная редакция физико-математической литературы
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1980

Новое издание первой части популярной книги известного советского физика и популяризатора науки М. П. Бронштейна, выходившей в 1935 г. В ней рассказывается о развитии науки, о том, как впервые измерили массы атомов и их размеры, какие работы и опыты привели к открытию электронов и выяснению строения атомов. Книга относится к числу лучших образцов научно-популярных изданий прошлого.

Рассчитана на школьников, преподавателей, студентов.

---

Что же такое представляют собой эти положительно заряженные частицы, из которых состоят альфа-лучи? Ответ на этот вопрос дал Резерфорд. Он начал с того, что нашел отношение e/m для этих частиц совершенно таким же образом, как это было сделано для электронов катодных лучей и бета-лучей, т. е. измеряя отклонение лучей электрическим и магнитным полями. Результат получился следующий: для альфа-лучей e/m = 1,444*1014 абс. ед.

Однако из предыдущей главы мы знаем, что для водородного иона, заряженного одним положительным элементарным зарядом, можно написать: e/M = 2,895*1014 абс. ед.

Мы видим, что у альфа-частицы (так мы будем называть положительно заряженные частицы, поток которых выбрасывается радием в виде альфа-лучей) отношение заряда к массе вдвое меньше, чем у водородного иона[ 14 ]. Так как заряд электрона или, что то же самое, равный ему по величине (хотя и обратный по знаку) заряд водородного иона в электролите есть «атом электрического флюида» и не может делиться на части, то заряд альфа частицы может быть или такой же самый, как у водо-1 родного иона (и тогда ее масса должна быть в два раза больше), или он может равняться удвоенному заряду во-1 дородного иона (тогда масса альфа-частицы должна быт! уже не в два, а в четыре раза больше массы водородного иона), или он равняется утроенному заряду водородного иона (тогда масса будет в шесть раз больше массы водородного иона) и т. д. Так как масса водородного! иона практически не отличается от массы водородного] атома, то получаются следующие возможности: или альфа-частица в два раза тяжелее водородного атома и несет на себе один положительный элементарный заряда или альфа-частица в четыре раза тяжелее водородного! атома (т. е. имеет массу атома гелия) и несет на себе! два положительных элементарных заряда; и т. д.

Какая бы из этих возможностей ни была верна, все! равно альфа-частица должна быть сравнительно тяжелой] частицей, т. е. иметь массу, близкую уже не к массе электрона, а к массе атомов. Масса альфа-частицы должна превосходить массу электрона по крайней мере в несколько тысяч раз, и, хотя скорость альфа-частиц, по измерениям Резерфорда, гораздо меньше, чем скорость электронов бета-лучей (по крайней мере в несколько раз), все равно альфа-частица должна обладать гораздо большей энергией движения, чем менее тяжелый электрон, вылетающий из тех же радиоактивных веществ. Альфа-лучи могут быть названы снарядами тяжелой артиллерии радиоактивных веществ; бета-лучи по сравнению с ними - это беглый огонь пулемета.

Поэтому к двум фактам, открытым Резерфордом и Содди и указанным на с.110, необходимо прибавить еще и третий необычайной важности факт.

Атомы радия и других радиоактивных веществ испускают весьма быстрые электроны, а также и альфа-частицы, по крайней мере в два раза (а может быть, и больше) превосходящие по массе атом водорода.

Когда Резерфорд и Содди собрали и сопоставили эти три факта, то они, как настоящие герои детективной истории, решили, что теперь уже пора выставить гипотезу, которая дала бы объяснение загадочных явлений радиоактивности. Гипотеза, которую они придумали и опубликовали (в 1903 году), заключается в следующем.

Атомы радиоактивных веществ взрываются, распадаются на части. Лучи Беккереля, которые испускаются радиоактивными веществами,- это осколки, отлетающие от атома при таком взрыве. Неверно, что все атомы бессмертны, что они живут вечно, не изменяются, не стареют, не разрушаются. Все это предрассудок, как и то, что атомы не могут быть разделены на части. Предрассудок о неделимости атома был уничтожен благодаря открытию электрона, которое показало, что атом - сложная система, состоящая из более мелких частиц. Таким же образом исследование радиоактивности должно уничтожить предрассудок о бессмертии атомов. Атом радиоактивного вещества живет некоторое время, а затем умирает, взрываясь на части и разбрызгивая во все стороны свои осколки. Но не у всех радиоактивных атомов одинаковая «смертность»: атомы эманации радия вымирают очень быстро, так что через несколько дней от первоначального количества эманации радия остается только небольшая часть, а атомы самого радия или урана вымирают гораздо медленнее, так что даже через несколько лет практически мы не можем еще заметить никакого уменьшения их количества. Но все же и они умирают и дают об этом знать своими лучами Беккереля. Эманация радия, постепенно возникающая из радия, состоит из атомов эманации радия. Так как в лучах Беккереля, испускаемых радием, никаких тяжелых частиц, кроме альфа-частиц, не обнаружено, то самое естественное предположение, которое можно сделать, заключается в том, что атом радия распадается на атом эманации радия и альфа-частицу, что можно записать так:

атом радия  атом эманации + альфа-частица.

При таком распаде летят еще и мелкие брызги в виде электронов и гамма-лучей (что касается гамма-лучей, то они ничем не отличаются от очень жестких, т. е. очень пропинающих, лучей Рентгена). Выходит, что после смерти атома радия образовался атом другого вещества - эманации радия - и альфа-частица, которая, вероятно, тоже является атомом какого-то вещества. В радиоактивных явлениях мы имеем дело с превращением одних химических элементов в другие, с рождением и смертью атомов, т. е. как раз со всем тем, что считал невозможным Дальтон и все химики XIX столетия, но к чему стремились средневековые «делатели золота». Правда, средневековые алхимики стремились превращать одни химические элементы в другие по собственному желанию.

стремились управлять этим превращением, а радий, как мы видели, остается совершенно равнодушным ко всем попыткам физиков как-то повлиять па интенсивность испускаемых им лучей Беккереля и замедлить или ускорить его распад. Но, как знать, может быть, когда-нибудь и удастся добыть тот «тонкий и сильный агент», о котором мечтал Роберт Бойль, и научиться управлять с его помощью радиоактивными явлениями, замедляя и ускоряя их по произволу, вызывая распад атомов там, где он не хочет происходить сам собою, и прекращая его там, где он происходит.

Но не для того нам пригодится этот «тонкий и сильный агент», чтобы добывать золото,- этот хотя и полезный, но все же не очень важный химический элемент. Есть вещи поважнее золота, и их мы найдем в недрах атомов. Радий - это склад энергии. Его запас энергии не безграничен, потому что, с точки зрения гипотезы Резерфорда и Содди, в радии, как и в горящем топливе, что-то тратится, и это что-то есть он сам: атомы радия уничтожаются, превращаясь в другие атомы. Но все-таки этот запас энергии очень велик (когда Резерфорд и Содди впервые выставили свою гипотезу, его нельзя было даже приблизительно учесть). Грамм радия - это резервуар энергии, резервуар, из которого она вытекает медленно и неохотно. Удастся ли когда-нибудь открыть кран пошире - так, чтобы она вытекала быстрей? А может быть, и другие атомы тоже радиоактивны, по только отдают свои лучи так медленно и так мало, что мы не в состоянии этого заметить? И есть ли какие-нибудь способы заставить эти атомы распадаться на части быстрее, чем они распадаются сами? Какими могущественными стали бы люди, если бы им удалось взнуздать и подчинить себе эти таинственные силы, клокочущие в недрах атомов! «Люди, которые могли бы это сделать,- писал Содди,- не особенно нуждались бы в том, чтобы в поте лица своего добывать хлеб свой. Они могли бы переделать пустыни, растопить обледенелые полюсы, сделать весь мир веселым райским садом». И какими жалкими показались бы им те запасы энергии - сила воды и ветра, химическая энергия безумно растрачиваемых нами угля и нефти,- которыми располагает современное человечество. Подчинив себе радиоактивность, люди совершили бы такой же огромный скачок вперед, какой они совершили когда-то, когда первобытный человек, подчинив себе огонь, сделался повелителем и господином остальных животных.

Такова была гипотеза Резерфорда и Содди. Такова была предложенная ими разгадка радиоактивности. Она открывала перед физикой широчайшие перспективы. Она в корне меняла все физические представления, относящиеся к атомам и к их судьбе. Она была смела, необычна. Но была ли она правильна?

Предстояло проделать огромную работу, проверить во всех деталях эту «гипотезу превращения элементов», как называли ее Резерфорд и Содди, объяснить все темные, неясные пункты. И прежде всего, конечно, нужно было проверить, действительно ли атом радия превращается в атом эманации радия и в альфа-частицу.

Для этого следовало собрать как можно больше дополнительных сведений. В частности, нужно было, наконец, узнать, что же такое эта альфа-частица? Имеет ли она элементарный заряд и массу, равную удвоенной массе атома водорода, или же два элементарных заряда и массу, равную учетверенной массе атома водорода, или же три элементарных заряда и массу, равную ушестеренной массе атома водорода, и т. д.?