Приложение 1. Методы наблюдения быстрых частиц при ядерных реакциях
В главе I указывалось на значение ионизации в изучении радиоактивности и упоминалось об электроскопе. В настоящем приложении мы кратко остановимся на одном, уже не применяющемся методе, имеющем, как и электроскоп, только историческое значение. Затем мы перейдем к обзору различных методов, применяемых ныне для наблюдения α -частиц, β -частиц (или позитронов), γ -лучей и нейтронов, и их действий.
СЦИНТИЛЛЯЦИЯ
Ближе всего можно подойти к «видению» атома, если наблюдать яркие вспышки света, производимые α -частицей или быстро летящим протоном при их ударе о флуоресцирующий экран. Для этого необходимо только иметь кусочек стекла, покрытого сернистым цинком, микроскоп с небольшим увеличением, темную комнату, хорошо отдохнувшие глаза и, разумеется, источник α -частиц. Большая часть знаменитых опытов Резерфорда, включая и те, которые упоминались в параграфе 1.17, была связана с «подсчетом» сцинтилляций, но этот метод утомителен и, насколько нам известно, полностью вытеснен электрическими методами.
ПРОЦЕСС ИОНИЗАЦИИ
Когда быстрая заряженная частица ( α -частица, или быстрый электрон) проходит через вещество, она разрушает молекулы, с которыми сталкивается, благодаря электрическим силам, действующим между заряженной частицей и электронами в молекуле. Если вещество газообразно, то образовавшиеся в результате столкновений осколки или ионы движутся в разные стороны в электрическом поле; электроны, выбитые из молекул, движутся в одном направлении, а оставшиеся положительные ионы — в другом. α -частица с энергией в миллион электрон-вольт произведет около 18 000 ионизованных атомов, прежде чем остановится, так как в среднем на каждое ионизующее столкновение она затрачивает энергию приблизительно в 60 вольт. Ввиду того, что в процессе ионизации образуются как положительные, так и отрицательные ионы, всего получается 36 000 зарядов, освобождаемых одним быстрым электроном. Так как каждый заряд составляет лишь 1, 6·10 -19 кулонов, общий заряд будет около 6·10 -15 кулонов — величина все же весьма малая. При помощи наилучшего гальванометра можно измерить заряд около 10–10 кулонов. Чувствительность электрометра может быть доведена примерно до 10 -16 кулонов, но электрометр — прибор, чрезвычайно неудобный для применения.
α -частица производит примерно такое же количество ионов, как и β -частица. Она быстрее останавливается, зато производит более значительное количество ионов на единицу длины пробега. γ -лучи в качестве ионизатора значительно менее эффективны. Благодаря комптоновскому рассеянию или фотоэлектрическому эффекту, γ -лучи вырывают из молекулы электрон, и эти вторичные электроны обладают достаточной энергией для того, чтобы вызывать ионизацию. Нейтрон, как говорилось выше, вызывает ионизацию лишь косвенно — осколками расщепляемых ядер или ядрами отдачи при упругих соударениях.
Если нам надо обнаружить ионизующее действие частиц, мы должны, очевидно, воспользоваться результирующим эффектом, вызываемым большим количеством этих частиц, или иметь очень чувствительные способы измерения электрических токов.
ЭЛЕКТРОСКОП
Электроскоп показывает, насколько непосредственно окружающий его воздух сделался электропроводным в результате образования в нем ионов.