Альфа, бета-частицы

В традиционной лекции по поводу вручения ему премии Астон предсказал огромные возможности энергии, скрытой внутри атомного ядра, а также появление атомных электростанций и ядерной бомбы. В 1935 году канадский физик А. Демпстер, применив разработанную Астоном методику, совершил очень важный шаг в этом направлении. Он показал, что из 1000 атомов урана 993 - это атомы изотопа уран-238 и всего 7 атомов урана-235. Огромное значение этого открытия оценили очень быстро.

Таким образом, после столетия попыток экспериментально доказать справедливость гипотезы Праута эта идея получила подтверждение. Элементы оказались построены из однородных "кирпичиков" - хотя и не из водородных атомов, но все-таки из частиц с такой же массой. А причина того, что атомные веса имели нецелочисленные значения, была в том, что элементы состоят из изотопов с различным количеством таких "кирпичиков" в ядре. Фактически даже взятый за стандарт кислород с атомным весом 16,000 не был однородным элементом. На каждые 10 000 атомов обычного кислорода приходится 20 атомов кислорода-18 и четыре атома кислорода-17.

По сути дела, имеются лишь считаные элементы, состоящие из "одного изотопа". (Такое выражение не совсем верно по смыслу, поскольку называть элемент одноизотопным - все равно что говорить о женщине, родившей одного ребенка, будто она родила одного близнеца.)

К таким элементам относятся бериллий, у всех его атомов массовое число 9; фтор, состоящий целиком из фтора-19; алюминий (алюминий-27) и несколько других. В 1947 году ядро с определенной структурой было предложено называть нуклидом, поэтому уместно сказать, что такой элемент, как алюминий, имеет только один нуклид.

Альфа, бета, гамма- частицы

После того как Резерфорд открыл первую ядерную частицу (альфа-частицу), физики стали энергично "рыться" в атомном ядре, пытаясь превратить один элемент в другой или расколоть его, чтобы посмотреть, как оно устроено. На первых шагах они использовали только альфа-частицы. И в этом деле особенно преуспел тот же Резерфорд. В одном из самых плодотворных его экспериментов поток альфа-частиц в вакууме бомбардировал мишень, покрытую сульфидом цинка. Каждое соударение вызывало вспышку (этот эффект был впервые обнаружен Круксом в 1903 году), поэтому каждую альфа-частицу удавалось зафиксировать невооруженным глазом. Поместив перед мишенью металлический диск, экспериментаторы перекрыли поток альфа-частиц, и вспышки прекратились. Однако, когда внутрь камеры был закачан водород, вспышки на мишени снова появились, несмотря на расположенный перед ней диск. Более того, эти вспышки по виду заметно отличались от прежних: появились какие-то новые частицы, с более высокой проникающей способностью. Предположили, что это быстрые протоны, которые альфа-частицы выбивали из ядер водорода, посылая их вперед. Выбитые таким образом протоны, будучи легче самих альфа-частиц, мчались с куда большей скоростью, проникали через металлический диск и ударяли в мишень.

Этот инструмент для фиксации отдельных частиц с помощью вспыхивающего от соударения экрана носит название сцинтиляционного счетчика. Чтобы подсчитать точное количество таких вспышек, вначале Резерфорд с сотрудниками по 10-15 минут должны были провести в полной темноте, чтобы глаза адаптировались к этим условиям, а уже затем приступали к тщательным подсчетам. Современные сцинтилляторы уже не зависят от человеческого глаза и умения быстро считать в уме. Вспышки трансформируются в электрические импульсы и подсчитываются автоматически. Конечный результат просто считывается с экрана прибора. Более точный подсчет ведется несколькими счетчиками, поскольку каждый, как правило, фиксирует лишь одну из двух или даже четырех вспышек. После Второй мировой войны в них стали использовать более чувствительные органические соединения вместо сульфида цинка.

Опыты Резерфорда дали много неожиданных результатов. Когда водород заменили азотом, сульфидно-цинковый экран продолжал вспыхивать практически с той же интенсивностью и частотой. Из чего Резерфорд сделал вывод, что альфа-частицы могут выбить протоны также из ядер азота.

Чтобы понять, как это происходит, Резерфорд обратился к паровой камере Вильсона. Этот прибор, изобретенный шотландским физиком Ч. Вильсоном в 1895 году, представляет собой стеклянную емкость с поршнем, заполненную насыщенным водяным паром. Когда поршень отводится назад, воздух в камере расширяется и, как следствие, охлаждается. В результате понижения температуры пар в камере перенасыщается, поэтому любая заряженная частица вызывает мгновенную конденсацию воды. По мере того как частица пролетает через камеру, она ионизирует атомы на своем пути, оставляя след из мелких капель на своем пути.

Изучение этих следов позволяет много узнать о характере частиц, Так, легкие бета-частицы оставляют после себя тонкие извилистые линии; они отклоняются даже при прохождении рядом с электронами. От намного более массивных альфа-частиц остаются толстые прямые следы, но при столкновении частиц с ядрами в следах появляются резкие изломы. В случае присоединения двух электронов альфа-частица превращается в нейтральный атом гелия и след заканчивается. Кроме величины и характера следов, имеются и другие способы идентификации частиц с помощью паровой камеры. Их поведение в магнитном поле позволяет определить знак заряда частиц, а количество изгибов на пути - их массу и энергию. В наше время физики накопили огромную библиотеку фотографий таких треков, благодаря которым легко распознают знакомые отпечатки. За изобретение своей газопаровой камеры Вильсон удостоен Нобелевской премии по физике за 1927 год.