Альфа-частицы

А что такое альфа-лучи? Они отклоняются в противоположную от бета-лучей сторону, а это значит, что они состоят из положительно заряженных альфа-частиц. Тот факт, что альфа-лучи лишь незначительно отклоняются электромагнитным полем, которое сильно отклоняет бета-лучи, говорит о том, что масса альфа-частиц намного выше массы электронов.

Впрочем, такие прецеденты уже были. За десять лет до открытия радиоактивности были обнаружены другие потоки тяжелых частиц. В 1886 году Гольдштейн (тот самый, который дал катодной трубке ее название) впервые применил катодную трубку с перфорированным катодом. Он обнаружил, что, когда электроны, появляющиеся под действием электрического тока отрицательно заряженных катодных лучей, начинают двигаться от катода к аноду, сквозь отверстия в катоде в противоположном направлении устремляются лучи совсем другого излучения. Гольдштейн назвал эти лучи каналовыми, так как они проходили сквозь катод по каналам (т. е. через отверстия).

Направление туннельных лучей противоположно направлению катодных лучей, следовательно, они состоят из положительно заряженных частиц. Поэтому Джозеф Томсон и предложил называть их положительными лучами.

Можно предположить, что частицы позитивных лучей — это положительно заряженные аналоги частиц катодных лучей, «анодные лучи». Однако это не так. Немецкий физик Вильгельм Вин (1864–1928) измерил их e/m соотношение и на основе полученных низких значений предположил, что частицы положительных лучей были гораздо тяжелее электронов. Их масса соответствовала массе атомов.

Более того, значение e/m варьировалось в зависимости от вещества, из которого сделан катод, и от свойств остаточных газов в катодно-лучевой трубке. На модели атома Резерфорда основывалось предположение, что если катодные лучи состоят из «выбитых» из атомов электронов, то положительные лучи состоят из того, что от этих атомов осталось. То есть из положительно заряженных атомных ядер, а их масса варьируется в зависимости от элемента, из которого они получены[128].

Положительная частица с самым высоким соотношением e/m, а значит, самая легкая, являлась ядром атома водорода. Если принять за значение заряда +1, т. е. противоположное значение заряду электрона, тогда масса частицы должна превышать массу электрона в 1836 раз. В 1924 году Резерфорд прекратил безуспешные поиски частицы легче ядра водорода и предложил принять массу этого ядра за противоположное число электрона, несмотря на разницу в массе. (Подлинное противоположное число было открыто лишь 20 лет спустя, см. гл. 13.)

В 1920 году Резерфорд предложил назвать положительно заряженные частицы протонами (от греч. «первый»).

Резерфорд предположил, что ядра атомов всех элементов состоят, хотя бы частично, из ядра водорода. Об этом говорил еще Праут. Гипотеза Праута возродилась, приняв более сложную форму. Снова поднялся похоронивший в XIX веке гипотезу Праута вопрос о нецелочисленных атомных весах. Мы поговорим о нем чуть ниже.

Давайте вернемся к альфа-частицам. В 1906 году Резерфорд измерил значение соотношения e/m для этой частицы и обнаружил, это значение это эквивалентно значению e/m атома гелия. В 1909 году он разрешил этот вопрос окончательно, поместив радиоактивное вещество в тонкостенную трубку, находящуюся внутри толстостенной трубки, и откачав воздух из пространства между стенками. Альфа-частицы проникали сквозь тонкую стенку, однако задерживались в пространстве между стенками. Там они присоединяли электроны и превращались в обычные атомы. Проведенный через несколько дней спектроскопический анализ показал, что это были атомы гелия.

Атомный вес гелия равняется 4, таким образом, ядро гелия в 4 раза тяжелее ядра водорода. Если бы соотношение e/m ядра атома гелия было таким же, как и у ядра атома водорода, то положительный заряд ядра атома гелия был бы в 4 раза выше положительного заряда ядра атома водорода. Однако значение соотношения e/m ядра атома гелия в два раза меньше значения соотношения e/m протона. Итак, если масса протона (т. е. ядра атома водорода) равняется 1, а заряд 2–1, то масса альфа-частицы (а ядро атома гелия и есть альфа-частица) будет иметь массу 4 и заряд 4–2.

Казалось бы, раз альфа-частица имеет массу 4, то она должна состоять из 4 протонов. Однако она не может состоять из 4 протонов, так как в этом случае ее заряд будет +4. Впрочем, этот парадокс можно довольно легко объяснить. Радиоактивные вещества, помимо альфа-частиц, излучают еще и бета-частицы (электроны), поэтому можно предположить, что ядро, кроме протонов, содержит еще и электроны. Тогда получается, что альфа-частица состоит из 4 протонов и 2 электронов. Присутствие 2 электронов практически никак не повлияет на массу, которая так и останется равной 4, а общий заряд будет +2.

Существование электронов внутри ядра удовлетворяло ученых и с еще одной точки зрения. Дело в том, что атомное ядро не может состоять лишь из одних протонов, так как протоны имеют положительный заряд и, учитывая небольшие размеры ядра, они будут отталкиваться друг от друга с колоссальной силой. В то же время электроны внутри атомного ядра играют роль своеобразного «цемента», соединяющего протоны.

Подобные рассуждения привели к появлению протонно-электронной модели атомного ядра. Согласно этой модели, ядро атома состоит как из протонов, так и из электронов (за исключением ядра атома водорода, так как оно состоит лишь из одного протона, и поэтому ему не нужен электрон-связка).

Количество протонов в ядре любого атома равняется атомному весу этого элемента (А)[129], в то время как количество электронов равняется количеству, необходимому для погашения заряда всех протонов, минус атомное число элемнта (2). Таким образом, количество необходимых электронов равняется A – Z. Заряд же оставшихся протонов гасится электронами, находящимися за пределами ядра. Таким образом, в атоме, обладающем нейтральным зарядом, Z «внеядерных электронов».

Приведем несколько примеров. Атомный вес атома углерода равняется 12, атомное число — 6, значит, ядро атома углерода должно состоять из 12 протонов и 12–6, то есть 6 электронов. Атомный вес атома мышьяка — 75, атомное число — 33, значит, его ядро состоит из 75 протонов и 75–33, то есть 42 электронов. Атомный вес атома урана — 238, атомное число — 92, значит, ядро атома урана состоит из 238 протонов и 238–92, или 146 электронов. Даже атом водорода не является исключением из этого общего правила: его атомный вес равняется 1, атомное число — 1, значит, ядро атома водорода состоит из 1 протона, а количество электронов равняется 1 – 1, т. е. в ядре атома водорода электронов нет.

К сожалению, протонно-электронная модель атомного ядра не давала объяснения по целому ряду вопросов. Например, каково направление ядерного спина! Спин протона или электрона может быть либо +?, либо –?, а общая сумма спинов может быть целым числом (как положительным, так и отрицательным), положительным или отрицательным дробным числом, например (-)¹/₂ ,(-)³/₂, (-)⁵/₂ и т. д., или же равняться нулю.

Атомный вес атома азота равен 14, атомное число — 7, тогда согласно протонно-электронной модели ядро атома азота должно состоять из 14 протонов и 7 электронов, а общее количество частиц в ядре азота должно равняться 21. Сумма спинов (как положительных, так и отрицательных) 21 частицы в любом случае является дробным числом. Однако наблюдения показали — спин ядра азота является целым числом. Тогда ученые предположили, что сумма электронов и протонов в ядре азота не равна 21 и вообще не может равняться нечетному числу. С другой стороны, она не может быть и четным числом, так как атомный вес азота 14, а атомное число — 7.

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