Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Следующее элементарное вычисление показывает, что квантовая интерпретация явления выдерживает и количественную проверку. Егчи считать, что для рентгеновского фотона все направления движения после вылета равновероятны, то вероятность попадания фотона в пылинку будет равна Й/4к, где Й вЂ” телесный угол, под которым пылинка видна из точки, откуда исходят рентгеновские лучи.
Если ежесекундно источник испускает в среднем п фотонов,то за время 1 он испустит Х = п1 фотонов. Из них на пылинку попадет в среднем ЖЙ/4к = пеЙ(4к фотонов. Среднее время Е в течение которого на пылинку попадает один фотон, определится из условия неЙ(4к =- 1, откуда В опытах Иоффе и Добронравова было п .= 1000 с '~, Й = (к/4) х х (6. 10 ~/0,02)~, если пылинку считать шариком. Подстановка этих значений в предыдущее выражение дает 1 1800 с — — 30 мин, что согласуется со временем, наблюдавшимся в опытах Иоффе и Добронравова. 2. По классическим представлениям лучистая энергия распространяется от источника в разные стороны одновременно.
Но это не так, если распространение происходит квантами. Отдельные кванты испускаются независимо друг от друга. Этот эффект, если он действительно существует, должен быть выражен тем отчетливее, чем крупнее кванты. Для его обнаружения на опыте Боте (1891 — 1957) в 1924 г. пользовался рентгеновскими лучами. В опытах Боте кванты излучения обнаруживались счетчиками Гейгера П882 — 1945). Счетчик Гейгера прсдставляст собой маленький цилиндрический конденсатор А, наполненный газом под давлением в несколько мм рт. ст, (рис.
15). Внутренней обкладкой конденсатора служит тонкая металлическая Кванты света (Г'л. 1 1 — — Ц ь А 1ч г С бв нить, натянутая вдоль оси цилиндрика, или тщательно заточенное металлическое острие, укрепленное внутри цилиндрика на изоляторе. Внутренняя и наружная обкладки конденсатора соединены через батарею В и очень большое сопротивление В, А нижний конец которого заземлен. Таким образом, между обкладками конденсатора поддерживается разность потенциалов около 1000 В.
Вблизи нити или острия создается сильное резко неоднородное электрическое поле. Если в счетчик попадаеткакаялибо частица (в том числе и фотон), то она ионизует Л молекулы газа. Образовавшиеся электроны и ионы ускоряются этим полем и при столкновениях с молекулами газа сами ионизуют их.
Новыс ионы и электроны также ускоряются, и т.д. Возникает Рис. 15 электронно-ионная лавина, через счетчик проходит импульс электрического тока заметной силы. Из-за этого приложенноенапряжениеперераспределяется. Основная часть напряжения будет приходиться на сопротивление В, а напряжение на конденсаторе счетчика упадет почти до нуля. Ток через счетчик прекратится, напряжение на конденсаторе возрастет, счетчик вернется в рабочее состояние. Импульс электрического тока, прошедший через счетчик, можно обнаружить чувствительным электрометром Е, присоединенным к внутренней обкладке конденсатора счетчика.
По этим импульсам можно регистрировать (считать) каждую отдельную частицу, вызвавшую первичную ионизацию газа, если только время зажигания разряда меньше времени между попаданиями в счетчик двух последовательных частиц. Современные счетчики снабжены автоматически действующими устройствами, производящими такую регистрацию.
Счетчик Гейгера сыграл и продолжает играть большую роль при изучении ядерной физики, космических лучей, элементарных частиц и пр. В опыте Боте применялись два быстродействующих счетчика С~ и Сэ (рис. 16), регистрировавших прохождение каждого рентгеновского кванта. Симметрично между счетчиками помещалась тонкая железная или медная фольга А. Фольга освеацалась сбоку рентгеновскими лучами й достаточной жесткости и благодаря этому сама становилась источником характеристического рентгеновского излучения (рентгеновская флуоресценция). Попадание рентгеновского кванта в один из счетчиков вызывало немедленное (менее чем через 0,001 с) вздрагивание ни- о.
й ти электрометра. Такие вздрагивания Э регистрировались автоматически на движущейся ленте. Если бы из источника А во все стороны распространялись волны, как того требует классическая теория, то срабатывания счетчиков происходили бы одновременно и согласованно (с малыми случайны- Рис. 16 ми вариациями).
Если же источник А испускал бы рентгеновские кванты вправо и влево беспорядочно и независимо, то срабатывания счетчиков были бы также беспорядочными во времени и независимыми. Опыт показал, что все происходит так, как осли бы рентгеновское излучение флуоресценции распространялось в виде квантов, случайно направленных то к правому,ток левому счетчику.Так и должно быть по квантовым представлениям. З 8) Некоторые опыты по обнаружению корпускуллрнык свойств света 49 3. В обоих описанных опытах, по существу, изучались флуктуационные явления в слабых потоках рентгеновского излучения.
Наблюдать аналогичные явления С видимым светом затруднительно из-за малой величины световых квантов в этой области спектра. Чувствительность существующих объективных методов регистрации еще недостаточна, чтобы регистрировать отдельные кванты видимого света. Наблюдения слабых световых потоков проводил С. И. Вавилов. Он воспользовался тем, что периферические участки сетчатки человеческого глаза (пилочки), достаточно долго пробывшего в темноте, обладают необходимой чувствительностью к слабому свету, скоторым приходилось иметь дело на опыте. Вавилов воспользовался также существованием порога зрительного ощущения.
Если число квантов, попадающих при кратковременной вспышке на периферический участок сетчатки, превышает некоторую леинимальную величину по, то глаз видит вспышку. Если же оно меньше по, то вспышка не видна совсем. По оценке Вавилова по составляет всего насколько десятков и, возможно, даже несколько квантов. Существование порога зрительного ощущения систематически использовалось Вавиловым при изучении люминссценции и вместе с Черенковым при открытии явления, носящего их имя.
Используя указанные свойства глаза, Вавилов разработал чувствительный метод визуальных наблюдений флуктуации интенсивности видимого света в слабых световых потоках. В результате многолетних экспериментальных исследований таких флуктуации Вавилов пришел к заключению, что они происходят аналогично флуктуациям числа молекул газа, т.е. так, как если бы свет состоял из конечных порций, или квантов. Глава П СТРОЕНИЕ, ЭНЕРГЕТИтзЕСКИЕ УРОВНИ И СПЕКТРЫ АТОМА 3 9.
Ядерная модель атома и опыты Резерфорда 1. В первой четверти ХХ-го века было установлено, что атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки. Линейные размеры ядра порядка 10 ш — 10 ю см. Размеры самого атома, определяемые электронной оболочкой, примерно в 10э раз больше. Однако почти вся масса атома (не менее 99,95%) сосредоточена в ядре. Это связано с тем, что ядро состоит из «тяжелых» протонов и нейтронов, а электронная оболочка — из одних только «легких» электронов (тр — — !836,15т„т, = 1838»68т,). Число электронов в оболочке нейтрального атома равно заряду ядра, если за единицу принять элементарный заряд (т.е. заряд электрона по абсолю гной величине).
Но электронная оболочка может терять или приобретать электроны. Тогда атом становится элоктричсски заряженным, т.е. превращается в положительный или отрицательный ион. Химические свойства атома определяются электронной оболочкой, точнее, ее наружными электронами. Такие электроны сравнительно слабо связаны с атомом и поэтому наиболее подвержены электрическим воздействиям со стороны наружных электронов соседних атомов. То же относится к силам притяжения или отталкивания между нейгральными атомами и молекулами (к молекулярным силам).
Напротив, протоны и нейтроны прочно связаны внутри ядра. Чтобы воздействовать на ядро, нужны силы, в миллионы раз превосходящие те силы, когорые достаточны для отрыва наружных электронов атома. Однако строение и свойства электронной оболочки определяются в конце концов электрическим полем ядра атома.
2. Если изложенная модель атома соответствует действительности, то атом должен быть в высокой степени прозрачным для пронизывающих его частиц. Для пучка электронов это было установлено еще Ленардом. Однако окончательное экспериментальное доказательство этой модели атома было дано Резерфордом (1871 — 1937) в 1911 г. Поэтому она по справедливости называется моделью Резерфорда. По предложению и под руководством Резерфорда его ученики Гейгер и Чародеи (1889 — 1970) исследовали количественно рассеяние сг-частиц, испускаемых радиоактивными веществами.
В их опытах параллельный пучок о-частиц направлялся в вакууме на тонкую металлическую фольгу и рассеивался ею. Применялся визуальный метод регистрации рассеянных о-частиц. При ударе о флуоресцирующий экран из сернистого цинка сг-частица оставляла на нем вспышку (сцинтилляцию). Отдель- Ядерная модель атома и опыты Резерфорда ные сцинтилляции можно было наблюдать в темноте через лупу или микроскоп.
И экспериментаторы производили подсчет таких сцинтилляций. Оказалось, что подавляющее число ее-частиц рассеивалось на небольшие углы порядка 1 — 3'. Угловое распределение таких частиц хорошо описывалось кривой случайных ошибок Гаусса (1777 — 1855). Однако наблюдались также отдельные о-частицы, отклоняющиеся на большие углы, доходившие до 150'. Относительное число звких час гиц было ничтожно. Например, при прохождении через платиновую фалы"у пучка о-частиц от КаС ') из 8000 падающих частиц в среднем только одна частица отклонялась на угол, превышавший 90'.
Но и этого было бы слишком много, если бы большие отклонения возникали в результате накопления множества случайных отклонений. Резерфорд сделал вывод, что каждое большое отклонение появляется в результате единичного акта взаимодействия какого-то практически точечного силового центра с близко пролетающей ее-частицей. Таким силовым центром и является положительно заряженное ядро атома. Сама и-частица есть также атомное ядро, именно ядро атома гелия. Это подтверждается тем, что ее-частица может быть получена в резулывте двукратной ионизации атома гелия, как это было уже ранее установлено тем же Резерфордом. Электростатическое взаимодействие между этими двумя ядрами и вызывает рассеяние ее-частиц на большие углы. Изложенное подтверждается снимками треков о-частиц в камере Вильсона.
Обычно конец трека ее-частицы никакими особенностями не отличается. Но изредка наблюдаются треки, заканчивающиеся изломами и «вилкамик Такой случай воспроизведен на рис. 17. Здесь зафиксировано столкновение ее-частицы с ядром. В результа- Рнс. 17 те столкновения направление движения ее-частицы резко изменилось, а пришедшее в движение ядро оставило новый трек, который вместе с треком самой «е-частицы образовал «вилкум 3. Резерфорд разработал и количественную теорию рассеяния ««- частиц. В этой теории к взаимодействию се-частицы с ядром приме- ') На самом деле исследовавшиеся о-частицы нспускелись КаС', являющимся короткоживущнм продуктом КаС.
(Период полураспада КвС вЂ” около 10 с) (Гл. Н Строение, энергетические уровни и спектры атома 52 о тбо сФК- =, 2 2 28е (9.1) (см. т. 1, З 58). Здесып масса се-частицы, в ее скорость в «бесконечности», т. е. вдали от ядра, о е -- заряд ядра., 2е — заряд о-частицы, няется закон Кулона. Это, конечно, гипотеза, так как о-частица может подходить к ядру на расстояния порядка 1О 'а см (см, задачу 1 к этому параграфу), а на таких расстояниях закон Кулона нс был проверен экспериментвльно. Разумеется, движение о-частицы в поле ядра Резерфордом рассматривалось классически.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
