Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Данные о ядерных спинах других элементов также противоречили протонно-электронной модели атомного ядра, что и привело к полному отказу от нее.

Обнаружение частиц

Так в чем же все-таки было дело? По одной из версий, электроны и протоны внутри ядра являлись единой частицей, так как из-за крошечных размеров ядра они находились в непосредственной близости и спаивались в одну частицу. Поскольку масса электрона ничтожно мала, масса такой частицы приблизительно равняется массе протона, а ее заряд равен 0, так как заряд протона (+1) погашается зарядом электрона (-1). Согласно этой версии, ядро атома азота состоит из 7 протонов и 7 «спаянных частиц», а общее число частиц равняется 14, то есть четному числу.

В 1920 году были высказаны первые предположения о том, что внутри атомного ядра присутствуют еще и незаряженные частицы, масса которых равна массе протонов. Однако в течение следующих 10 лет ученым так и не удалось найти никаких доказательств существования таких частиц. Но это еще не значило, что их не существует, так как физики знали, что незаряженная частица и должна быть неуловимой.

Обычные методы обнаружения основывались на ионизирующем свойстве субатомных частиц. Именно так, например, удалось обнаружить радиоактивное излучение с помощью электроскопа.

Когда ученые только-только начинали изучать радиоактивность, для обнаружения субатомных частиц использовались два устройства. Прототип первого был сконструирован в 1913 году немецким физиком Хансом Гейгером (1882–1945). В свое время Гейгер помогал Резерфорду проводить эксперименты, которые впоследствии привели к созданию ядерной модели атома. В 1928 году Гейгер совместно с немецким физиком С. Мюллером значительно усовершенствовал прибор, получивший название счетчик Гейгера — Мюллера.

Счетчик Гейгера — Мюллера представляет собой покрытую полосками металла стеклянную трубку, заполненную аргоном, в центре которой находится нить из тонкого металла. На трубку подается электрический ток: нить является анодом, а металлические полоски цилиндра — катодом, причем разность их потенциалов недостаточна для возникновения искры.

Когда в трубку попадает заряженная частица, она сталкивается с атомом аргона, выбивая из него один и более электронов. Под действием электрического тока эти электроны устремляются к аноду, ионизируя при этом другие атомы аргона. Появляются еще несколько электронов, которые ионизируют еще несколько атомов аргона, и т. д. То есть одна лишь заряженная частица запускает процесс ионизации аргона, и через небольшой период времени количество ионов становится достаточным для того, чтобы аргон начал проводить ток. Тогда в трубке возникает электрическая искра, и разность потенциалов трубки на мгновение становится равной нулю.

Электрический разряд, или импульс, можно преобразовать в звуковой щелчок, обозначающий проход одной субатомной частицы сквозь трубку. По количеству щелчков можно приблизительно определить на слух уровень радиационного излучения (поэтому счетчики Гейгера — Мюллера используются при разведке урана), а с помощью автоматики можно подсчитать и точное количество импульсов.

Если же нужно нечто большее, чем просто посчитать субатомные частицы, то можно воспользоваться прибором, изобретенным в 1911 году шотландским физиком Чарлзом Вильсоном (1869–1959). Ученый занимался исследованиями облакообразования и пришел к выводу, что капельки воды, из которых состоят облака, образуются вокруг частиц пыли и также могут образовываться вокруг ионов. Если же в воздухе нет ни пыли, ни ионов, то облака образовываться не будут, а воздух станет перенасыщенным, то есть водяного пара в таком воздухе будет больше, чем обычно.

Вильсон поместил некоторый объем насыщенного водяными парами воздуха в камеру с поршнем. Если поршень вытянуть, то воздух расширится и его температура понизится. Холодный воздух не может содержать такое же, что и теплый, количество водяного пара, и обычно при понижении температуры часть пара конденсируется в виде капелек воды. Однако при отсутствии пыли и ионов конденсация происходить не может, и холодный воздух становится перенасыщенным.

Если сквозь камеру с перенасыщенным воздухом проходит субатомная частица, то за ней создается след из ионов, вокруг которых образуются капли воды. По этим каплям можно определить траекторию полета субатомной частицы.

Можно многое узнать о частице по оставленному ею в камере Вильсона следу. Также по следу можно идентифицировать различные типы частиц. Например, альфа-частица образует множество ионов, а ее след является прямой линией, так как благодаря большой массе альфа-частица при столкновении с электронами не отклоняется, но она отклоняется, причем почти на 90°, только при столкновении с ядром. В результате столкновения ядро лишается части своих электронов, становясь ионизирующей частицей, и отскакивает в сторону. Поэтому четкий и прямой след альфа-частицы обычно раздваивается с одного конца. По длине оставленного альфа-частицей следа можно судить о ее исходной энергии.

Бета-частица, масса которой намного меньше массы альфа-частицы, гораздо легче меняет направление своего движения и образует меньше ионов. Она оставляет тонкий и волнообразный след. Гаммаи рентгеновские лучи выбивают из атомов электроны, и последние, становясь ионизирующими частицами, оставляют расходящиеся в разные стороны следы. Поэтому след гамма- и рентгеновского излучения нечеткий, размытый и «пушистый».

Если поместить камеру Вильсона между двумя разноименными полюсами магнита, то заряженные частицы будут двигаться по криволинейным траекториям, о чем можно будет судить по оставляемым ими следам. По направлению кривой можно определить, является заряд частицы положительным или отрицательным, а по остроте кривой можно вычислить значение соотношения e/m.

Камера Вильсона

Для образования электронов необходимо, чтобы летящая частица обладала электрическим зарядом. Положительно заряженная частица притягивает электроны встречающихся на пути атомов, а отрицательно заряженная будет их отталкивать. Незаряженная частица не притягивает, не отталкивает электроны и не образует ионов. Таким образом, такую незаряженную частицу невозможно обнаружить с помощью счетчика Гейгера — Мюллера или камеры Вильсона (и любого другого разработанного позже устройства). Если незаряженные частицы существуют, то их можно обнаружить лишь косвенно.

Именно поэтому ученым в течение 10 лет не удавалось обнаружить нейтральную частицу и разработать более совершенную модель атома, чем протонно-электронная.

Нейтрон

В начале 1930 года появились данные о том, что под действием альфа-лучей бериллий начинает испускать какой-то неизвестный тип излучения. Это излучение обладало высокой проникающей способностью и не меняло своего направления под действием магнитного поля. Сначала решили, что это гамма-лучи. Однако новое излучение не являлось гамма-лучами, так как не обладало ионизирующим свойством и его невозможно было обнаружить с помощью электроскопа.