Зі статті Е
Добре відомо, що - і -частки при зіткненнях з атомами речовини відчувають відхилення від прямолінійного шляху. Це розсіяння значно помітніше у β-частинок, ніж у α-частинок, оскільки вони мають значно менші імпульси та енергію. Тому немає сумніву в тому, що так швидко рухомі частинки проникають крізь атоми, що зустрічаються на їх шляху, і що відхилення, що спостерігаються, обумовлені сильним електричним полем, що діє всередині атомної системи. Зазвичай передбачалося, що розсіювання пучка - або -променів при проходженні через тонку платівку речовини є результат накладання численних малих розсіянь при проходженні атомів речовини. Однак спостереження, проведені Гейгером і Марсденом по розсіянню α-променів, показали, що деяка кількість α-часток при одноразовому зіткненні зазнає відхилення на кут, більший за 90°. Вони виявили, наприклад, що невелика частина падаючих -частинок, приблизно 1 з 20 000, повертається в середньому на 90° при проходженні крізь шар золотої фольги товщиною 0,00004 см, що еквівалентно гальмівної здатності -частки в 1,6 . Гейгер пізніше показав, що найімовірніший кут відхилення пучка -частинок, що проходять крізь золоту фольгу зазначеної товщини, становить близько 0,87°. Простий розрахунок, заснований на теорії ймовірності, показує, що ймовірність відхилення -частки на 90° зникаюче мала. До того ж, як буде видно з подальшого, кутовий розподіл α-часток при великих відхиленнях не підкоряється імовірнісному закону, якщо вважати, що такі великі відхилення є результатом великої кількості малих відхилень. Очевидно, розумніше припустити, що відхилення великий кут обумовленіодноразовим атомним зіткненням, тому що ймовірність такого ж повторного зіткнення в більшості випадків надзвичайно мала. Простий розрахунок показує, що в атомі має існувати сильне електричне поле, щоб при зіткненні одноразово створювалося настільки велике відхилення.
Нещодавно Дж. Дж. Томсон запропонував теорію, що пояснює розсіювання заряджених частинок під час проходження крізь тонкі шари речовини. У ній передбачається, що атом складається зNнегативно заряджених електронів та рівної кількості позитивної електрики, рівномірно розподіленої всередині сфери. Відхилення негативно заряджених частинок під час проходження через атом зумовлено двома причинами: 1) відштовхуванням від електронів, розташованих усередині атома; 2) тяжіння позитивної електрики атома. Теорія Дж. Дж. Томсона заснована на припущенні, що розсіювання, обумовлене одиничним атомним зіткненням, мало і що передбачувана структура атома не створює дуже великих відхилень -частинок при проходженні ними атома, якщо не передбачається, що діаметр сфери позитивної електрики малий в порівнянні з діаметром сфери впливу атома
Оскільки α - і β -частки перетинають атом, то з докладного вивчення характеру відхилень можна отримати деякі уявлення про структуру атома, що створює ефекти, що спостерігаються. Справді, розсіювання заряджених часток, що швидко рухаються, являє собою один з найбільш перспективних методів вирішення цієї проблеми. Поява сцинтиляційного методу рахунку окремих α-частинок створює надзвичайні можливості для дослідження, і досліди Гейгера за допомогою цього методу вже багато внесли в наші знання про розсіювання α-частинок речовиною.
. Розглянемо теоретично одноразові зіткнення з атомом простої структури, здатноїзабезпечити великі відхилення α-частинки, а потім порівняємо висновки з теорії з наявними експериментальними даними.
Розглянемо атом, у центрі якого є заряд ± Ne , оточений сферою електрикиезарядом±Ne ,який, за припущенням, рівномірно розподілений усередині сфери радіусуR (е-фундаментальна одиниця заряду, що дорівнює 4,65 10-10 ел.-стат. од.). Припустимо, що з відстанях, менших 10-12 див, як центральний заряд, і заряд α-частинки вважатимуться зосередженими у точці. Буде показано, що основні висновки теорії не залежать від того, який центральний заряд є позитивним або негативним. Для зручності приймемо позитивний знак. На цій стадії немає потреби розглядати питання про стійкість передбачуваного атома, оскільки це, мабуть, залежатиме від деталей будови атома і руху заряджених частин, що входять до його складу.
Як свідчить простий розрахунок, за всіх відхиленнях, великих 1°, без помітної помилки вважатимуться, що відхилення зумовлено лише полем центрального заряду. Можливі одноразові відхилення, зумовлені негативною електрикою, якщо вона розподілена у вигляді частинок, на цій стадії теорії не беруться до уваги. Далі буде показано, що його вплив мало в порівнянні з дією центрального поля.
. Виміряний Гейгером розподіл розсіяних α-частинок під різними кутами знаходиться в добрій згоді з теорією одноразового розсіювання, і цей розподіл не можна пояснити з теорії складного розсіювання.
. Дані розсіювання β-променів, як і для α-променів, показують, що центральний заряд в атомі приблизно пропорційний атомній вазі.
При зіставленні. теорії з експериментальними результатамипередбачалося, що атом складається з сконцентрованого в точці центрального заряду і великі одноразові відхилення α - і β -часток зумовлені головним чином впливом сильного центрального поля, через яке ці частинки проходять. Вплив рівного, але протилежного за знаком компенсуючого заряду, за припущенням рівномірно розподіленого всередині сфери, ми знехтували.
Розглянемо коротко деякі дані, що підтримують зроблені припущення. Для визначеності розглянемо проходження α -частки, що швидко рухається крізь атом, що має позитивний центральний зарядNe ,який оточений компенсуючим зарядомNелектронів. Пам'ятаючи, що маса, імпульс і кінетична енергія α-часток набагато більше відповідних величин для електрона, що швидко рухається, з міркувань динаміки здається неможливим, щоб α-частка могла відхилятися під великим кутом внаслідок того, що близько підійшла до електрона, навіть якщо він швидко рухається і утримується великими електричними силами. Розумно припустити, що ймовірність одноразових відхилень на великий кут у разі якщо й не дорівнює нулю, то має бути надзвичайно мала порівняно з розсіюванням на центральному заряді.
Цікаво перевірити, наскільки експериментальні дані дозволяють вирішити питання розмірах центрального заряду. Нехай, наприклад, центральний заряд складається зNодиничних зарядів, розподілених за таким обсягом, що велике одноразове відхилення обумовлено головним чином складовими зарядами, а не зовнішнім полем, утвореним цими зарядами. У § 3 було показано, що частка α-часток, розсіяних під великим кутом, пропорційна(NeE ) 2(деNe— зосереджений у точці центральний заряд,Ε -заряд відхиленої частинки). Якщо, однак,ці заряди розташовані в окремих точках, то частка α-часток, розсіяних під даним кутом, пропорційнаNe 2 , анеN 2 e 2 .У цьому розрахунку нехтується впливом маси складових частинок і враховується лише дія електричного поля.
Було показано, що величина центрального точкового заряду для золота дорівнює 100, тому величина розподіленого заряду, необхідна для створення тієї ж відносної частки одноразових відхилень на великий кут, повинна дорівнювати 10000. У цих умовах маса складових частинок повинна бути мала в порівнянні з α -Частинок, і відразу ж виникають труднощі отримання великих одноразових відхилень. Крім того, при настільки великому розподіленому заряді відносна роль складного розсіювання виявиться значнішою, ніж одноразового. Наприклад, ймовірний малий кут відхилення пучка α-частинок, що проходять через тонку золоту фольгу, повинен бути набагато більшим, ніж експериментально, що спостерігався Гейгером. Таким чином, розсіювання на великий і малий кути не можна пояснити на основі припущення про центральний заряд однієї і тієї ж величини.
При розгляді даних загалом, мабуть, найпростішим є припущення, що атом має центральний заряд, розподілений дуже малому обсягу, і що великі одноразові відхилення обумовлені центральним зарядом загалом, а чи не його складовими частинами.
* Відхилення частки на значний кут при зіткненні з одним атомом у цій статті називатиметься «одноразовим» розсіюванням, а відхилення частки внаслідок безлічі малих відхилень «складним» розсіянням — Прим авт.
Зі статті «Зіткнення α-часток з легкими атомами»
з ядерної теорії будови атома випливає, що ядра легких атомів при зіткненнях з -частинами повиннінаводитись у швидкий рух. Розглядаючи ці зіткнення, можна просто показати, що в результаті лобового зіткнення атом водню набуває швидкість, що перевищує в 1,6 рази ту швидкість, яку -частка мала до удару, причому енергія атома водню буде становити 0,64 енергії падаючої -частки. Такі Н-атоми, що летять з великою швидкістю, можуть легко зареєстровані за допомогою методу сцинтиляцій.
Оскільки число спостерігалися Н-атомів у звичайних умовах було більш ніж у 100 разів менше числа α-часток, то виявити Н-атоми, що вилетіли в напрямку α-часток, можна було тільки в тому випадку, коли α-частки затримувалися поглинаючими екранами. Ближче 3 см від екрану встановлювати інтенсивне джерело було неможливо, оскільки під дією γ-випромінювання та швидких β-променів виникало світіння, що заважало проводити рахунок слабких сцинтиляцій. Для відхилення β-променів, що викликають добре помітне свічення екрану, потрібно сильне магнітне поле.
Аномальний ефект в азоті.
. Якщо об'єм вводився сухий кисень або вуглекислий газ, то число сцинтиляцій зменшувалося приблизно до величини, очікуваної виходячи з гальмівної здатності шару газу.
Несподіваний ефект, однак, виявили, коли ввели сухе повітря. Замість зменшення кількість сцинтиляцій зросла і для поглинання, що відповідає близько 19 см повітря, це число стало приблизно вдвічі більшим, ніж у вакуумі. З цього експерименту було ясно, що -частки при проходженні через повітря дають початок довгопробіжним сцинтиляціям, яскравість яких оку здається приблизно такою ж, як яскравість Н-сцинтиляцій.
Аномальний ефект спостерігався в повітрі і не спостерігався в кисні або двоокису вуглецю, тому він повинен бути викликаний азотом або іншим газом, що є присутнім в атмосферному повітрі. У чистому азоті число довгопробіжних сцинтиляцій у тих самих умовах перевищувало кількість сцинтиляцій у повітрі. В результаті ретельних експериментів було знайдено, що ставленняефектів дорівнює 1,25, т. е. тій величині, яку слід було очікувати, якщо сцинтиляції викликані азотом. Довгопробіжні атоми в азоті як за своїм пробігом, так і за яскравістю сцинтиляцій надзвичайно схожі на -атоми і, ймовірно, являють собою атоми водню. якщо це дійсно так, то ми повинні зробити висновок, що атоми азоту розпадаються під дією величезних сил, що розвиваються. близькому зіткненні з швидкою α-частинкою, і що атом водню, що звільняється, утворює складову частину ядра азоту.
Якщо взяти до уваги величезну енергію руху α-частки, що випускається радієм С, то близьке зіткнення такої α-частки з легким атомом є найбільш відповідним засобом руйнування ядра. Виникають в ядрі при таких близьких зіткненнях сили, мабуть, найбільші з усіх, які можуть бути отримані в даний час доступними способами. Якщо врахувати величезні сили, що розвиваються тут, то не настільки дивно, що розпадається атом азоту, скільки те, що сама α-частка уникає руйнування на свої компоненти. Загалом результати вказують, що якщо експериментально стане можливим отримувати α-частки або подібні до них снаряди ще більшої енергії, то ми могли б, ймовірно, зруйнувати ядерні структури багатьох легких атомів.