Билет 2

1. Что представляют собой загадочные альфа-частицы? Ещё в монреальских экспериментах Резерфорд выяснил, что масса альфа-частиц больше массы водорода. Измерив отношение их заряда к их массе, Резерфорд пришёл к заключению, что они представляют собой не что иное, как атомы гелия, потерявшие по два электрона.

В Манчестере Резерфорд организовал эксперимент, наглядно убедивший всех сомневающихся. Была изготовлена стеклянная трубка с толщиной стенок всего 0, 01 миллиметра. Через такие стенки свободно и проходят альфа-частицы, но они непроницаемы для газообразного гелия. Трубка была помещена внутри другой (с более толстыми стенками), соединённой с капилляром и трубкой Плюккера, с помощью которой исследуют спектр газа. Тонкостенная трубка заполнялась эманацией (выделением) радия, из внешней трубки откачивали воздух. Через некоторое время было замечено, что в ней накапливается газ. Поступить туда он мог только через тонкие стенки первой трубки, затем по капилляру он прошёл в трубку Плюккера. Спектроскоп чётко удостоверил, что это гелий.

Самые упорные скептики могли видеть своими глазами, как гелий образуется из альфа-частиц. Но Резерфорд этим не удовлетворился и поставил контрольный опыт. Внутренняя тонкостенная трубка заполнялась не эманацией, а чистым гелием. Через несколько дней спектроскоп показал, что в разрядной трубке гелия нет – через тонкие стенки газ не проходил, они были проницаемы лишь для альфа-частиц.

В 1908 году Резерфорд стал лауреатом Нобелевской премии. Радиоактивность была совершенно новой областью исследований, и учёные не знали с уверенностью, к какой науке её причислить. А новый лауреат изящно пошутил по этому поводу: «Я имел дело со многими разнообразными превращениями с разными периодами, но самым быстрым из всех оказалось моё собственное превращение в один момент из физика в химика».

2. Мысль о планетарном строении атома высказывалась (и не раз в печати) несколькими исследователями до Резерфорда. Но Резерфорд был первый в том смысле, что все прежние гипотезы были догадками, ни одна из них не опиралась на эксперимент; Резерфорд пришёл к своей модели под напором фактов, полученных в эксперименте.

Появление резерфордовской модели атома навело учёного Рамзая на мысль о том, что необходимым условием трансмутации является раскол ядра атома. Он писал тогда: «Альфа-частица проходит через встречные молекулы, как пуля проходит через мишень…Что же случится, если произойдёт центральное столкновение? По всей вероятности, одно из 8000 столкновений будет таковым. Задетый атом получит количество энергии, эквивалентное поднятию температуры на тысячу миллионов градусов Цельсия. Можно предположить, что в этом случае произойдёт ионизация самого атома. Через семь лет Резерфорд подтвердил эти пророческие слова: он получил из азота кислород.

Инструментарий исследований Резерфорда всё время совершенствовался. Удалось установить, какое расстояние пробегает альфа-частица, сохраняя способность к ионизирующему воздействию, а также замечено, что она оставляет след на фотопластинке.

Резерфорд сконструировал приборчик, представляющий собой горизонтальный цилиндр, заполняющийся газом. В середине цилиндра на особой подставке на расстоянии от передней стенки, превышающем длину пробега альфа – частиц, укреплялся источник радиоактивного излучения. В стенке имелось окошечко с экраном из сернистого цинка, позволяющего с помощью микроскопа наблюдать сцинтилляции (свечение в виде вспышек).

Когда цилиндр заполнили азотом и начали эксперимент, на экране начали замечать вспышки. По расчётам, этого не должно было быть, так как альфа-частицы не могли достигать поверхности экрана. Очевидно, сцинтилляции вызываются ударами других частиц, имеющих большую длину пробега. Опытный Резерфорд, воздействуя электрическими и магнитными полями, измерил заряд и массу этих частиц и со всей вероятностью установил, что это ядра атомов водорода – протоны. Откуда они могли там взяться, если азот был абсолютно чист? Ученик Резерфорда Блекетт выяснил, что альфа-частица, выбивая протон из ядра атома азота, сама в нём «застревает». Ядро азота, поглотившее альфа-частицу, перестаёт быть ядром азота, азот превращался в кислород.

Так в 1919 году была достигнута великая цель – превращение одного элемента в другой по воле человека.

3. Исследования разряда в разряжённом газе предложили немецкие физики В. Гитторф (ученик боннского профессора Ю. Плюккера) и Е. Гольдштейн, англичанин К. Варлей и ряд других учёных. Что же так ярко и мощно светилось в трубке? Чтобы ответить на этот вопрос, учёные заполняли трубки разными газами и получали свечение различной окраски. Больше всего ясности внёс, пожалуй, известный физик и химик Крукс.

В 1874 году в Шеффилдском университете Крукс выступил с докладом «Лучистая материя, или четвёртое состояние вещества». Он продемонстрировал слушателям свечение в газоразрядной трубке, чем сначала разочаровал аудиторию, ибо всё это было ей уже известно. Однако со стороны Крукса такое начало было лишь подготовительной операцией к эффекту. Он на ходу откачал воздух в трубке до одной тысячной атмосферного давления, усилил напряжение – и всё пространство ярко осветилось. Исследователь этим не ограничился: насос продолжал работать, откачивая остатки воздуха из трубки. И вдруг огненный столб погас, и лишь на стекле против катода осталось зеленоватое мерцающее пятно.

Слушатели снова не были удовлетворены, ибо фосфоресценцию стекла при демонстрации эффекта в катодных трубках они наблюдали и ранее. Крукс это предвидел и, обращаясь к присутствующим, спросил примерно так: вы полагаете, что зеленоватое пятно – всего лишь остаточная фосфоресценция стекла? Никакого иного ответа, кроме утвердительного, Крукс не ждал, естественно. И тогда он подключил к источнику тока такую же трубку, но с укреплённым внутри неё крестом, между катодом и противоположной стенкой трубки. Из трубки также откачали воздух, также погасло свечение и также осталось зеленоватое пятно на стекле, но на нём чётко вырисовался силуэт креста. Аудитория ахнула: было яснее ясного, что крест осветили какие – то лучи! Осветили, оставаясь невидимыми и распространяясь, как обычно, прямолинейно. Успех опыта был потрясающе нагляден.