Э. Резерфорд, Philos. Mag. (6)5, 177 Магнитное и

1903
Э. Резерфорд, Philos. Mag. (6)5, 177
Магнитное и электрическое отклонение легко поглощаемых
лучей радия
Э. Резерфорд,
(Получено в феврале 1903 г.)
Радий дает три различных вида излучения: —
(1) α лучи, которые очень легко поглощаются тонким слоем вещества
и которые увеличивают ионизацию газа, что наблюдается в обычных
экспериментальных условиях.
(2) β лучи, которые состоят из отрицательно заряженных частиц,
обладающих высокой скоростью, и которые во всех отношениях аналогичны катодным лучам, возникающим в вакуумной трубке.
(3) γ лучи, которые не отклоняются магнитным полем и имеют высокую проникающую способность.
Эти лучи сильно различаются по своей проникающей способности.
Следующие приблизительные данные о толщине слоя алюминия, уменьшающего интенсивность излучения наполовину, иллюстрируют это различие.
Излучение
Толщина алюминия
α лучи
β лучи
γ лучи
0.0005 см.
0.05 см.
8 см.
В этой статье представлен отчет об экспериментах, показывающих,
что α лучи отклоняются сильными магнитным и электрическим полями.
Это отклонение противоположно тому, которое наблюдается у катодных
лучей, поэтому это излучение должно состоять из положительно заряженных частиц, обладающих высокой скоростью. В одной из предыду1
щих статей1 я представил косвенное экспериментальное подтверждение
той точки зрения, что α лучи представляют собой поток заряженных
частиц. Предварительные эксперименты, предпринятые для уяснения
этого вопроса в последние два года, дали отрицательные результаты.
Отклонение даже в сильном магнитном поле настолько мало, что для
его обнаружения и измерения требуются специальные методы. Малость
магнитного отклонения α лучей по сравнению с катодными лучами в
вакуумной трубке подтверждается тем, что α лучи, направленные под
прямым углом в магнитное поле величиной в 10,000 единиц СГС , описывают дугу окружности радиуса около 39 см, а катодные лучи в тех
же условиях описывают окружность радиуса около 0.01 см.
В предыдущих экспериментах использовался радий активности 1000,
но такое излучение недостаточно для получения необходимых результатов . Применявшийся метод заключался в пропускании лучей сквозь
узкие щели и выяснении того, изменяется ли скорость разрядки, вызванной испускаемыми лучами, под воздействием магнитного поля. Но
когда для обнаружения незначительного отклонения лучей они пропускались сквозь достаточно узкие щели , скорость разрядки , вызванной
испускаемыми лучами, становилась слишком мала для измерений даже
чувствительным электрометром.
Я получил недавно образец радия 2 активностью 19, 000, и заменив
электрометр электроскопом, смог продолжить эксперименты и показать,
что α лучи отклоняются сильным магнитным полем.
Магнитное отклонение лучей.
На рис. 1 A показана общая организация эксперимента . Лучи, испускаемые тонким слоем радия, поднимались вверх сквозь ряд параллельных
узких щелей G, а затем сквозь тонкий слой алюминиевой фольги толщиной 0.00034 см в сосуд V . Ионизация, вызванная лучами в сосуде,
измерялась по скорости опадания золотых листков электроскопа B. Это
было сделано по методу Ч.Т.Р. Вильсона, который применялся в его
1
Phil. Mag. Jan. 1903, p. 113. Стретт давно высказал предположение(Phil. Trans.
Roy. Soc. 1900) , что α лучи состоят из положительно заряженных частиц, испускаемых активным веществом. Та же идея недавно была выдвинута сэром У. Круксом
(Proc. Roy. Soc. 1900).
2
Образец радия активности выше обычной был получен в Societe Centrale de
Products Chimiques, благодаря П.М. Кюри.
2
Рис. 1:
экспериментах по ионизации воздуха. Система золотых листков была
изолирована внутри сосуда с помощью капельки серы C и могла быть
заряженя посредством подвижного провода D, далее заземленного.
Скорость опадания золотых листков наблюдалась в микроскоп через
маленькие окошки из слюды, сделанные в сосуде.
Чтобы увеличить ионизацию в сосуде, лучи пропускались сквозь 2025 щелей равной ширины, расположенных параллельно друг другу. Для
этого в краевых пластинах были с равными интервалами нарезаны желобки, в которые были вставлены медные пластины. Система металлических пластин показана в разрезе на рис. 1 B.
Ширина щели изменялась в разных экспериментах от 0.42 до 0.1 см.
Магнитное поле было направлено перпендикулярно плоскости рисунка и параллельно щелям.
Сосуд и система пластин были спаяны со свинцовой пластиной P ,
3
чтобы лучи входили в сосуд V только сквозь алюминиевую фольгу.
В этих экспериментах необходим постоянный поток газа, проходящего сверху вниз между пластинами, чтобы предотвратить попадание
эманации радия в сосуд. Присутствие в сосуде небольшого количества
этой эманации, которую постоянно производит радий, оказало бы большое ионизационное действие и полностью скрыло бы эффект, который
должен наблюдаться.
Для этой цели в сосуд направлялся постоянный поток водорода в
секунду, проходивший сквозь пористую алюминиевую фольгу и между
пластинами, унося с собой из прибора эманацию.
Использование водорода вместо воздуха значительно упрощает эксперимент, поскольку он увеличивает ионизационный ток, вызванный α
лучами в сосуде , и ( в то же самое время) значительно уменьшает ток,
вызванный β и γ лучами.
Это следует непосредственно из того, что α лучи гораздо легче поглощаются воздухом, чем водородом, в то время как скорость образования
ионов за счет β и γ лучей в водороде намного меньше, чем в воздухе.
Поэтому интенсивность α лучей после прохождения между пластинами
выше, если использовать водород; а так как лучи в сосуде проходят в
водороде путь, достаточный для значительного поглощения, суммарная
ионизация, вызванная ими, в водороде больше, чем в воздухе.
С помощью самого большого электромагнита в лабораториии мне
удалось отклонить только 30 процентов α лучей. Благодаря профессору
Оуэнсу of the Electrical Engineering Department, мне была предоставлена возможность использовать верхнюю часть магнита 30-киловаттной
динамо-машины Эдисона. Suitable pole–pieces are at present being made
для получения сильного магнитного поля в большой области; with rough
pole–pieces я смог получить достаточно сильное поле для того, чтобы
полностью отклонить α лучи
Далее следует пример наблюдения магнитного отклонения: —
Полюса1.90 × 2.50 см.
Напряженность поля между полюсами 8370 единиц.
Прибор из 25 параллельных пластин длиной 3.70 см, шириной 0.70
см, при средней воздушной прослойке между пластинами 0.42 см.
Толщина слоя радия под пластинами 1.4 см.
Скорость разрядки
электроскопа,
вольт в минуту.
(1)
Без магнитного поля
8.33
4
Рис. 2:
(2)
(3)
(4)
С магнитным полем
Радий покрыт тонким слоем слюды
для поглощения всех α лучей
Радий покрыт слюдой и действует магнитное поле
1.72
0.93
0.92
Пластина слюды толщиной 0.01 см достаточна для того чтобы полностью поглотить все α лучи, но β и γ лучи проходят сквозь нее без
заметного поглощения. Разность между (1) и (3), 7.40 вольт в минуту,
дает скорость разрядки, вызванной только α лучами; разность между
(2) и (3), 0.79 вольт в минуту , обусловлена воздействием α лучей, не
отклоненных приложенным магнитным полем.
Таким образом, доля α лучей, не отклоняемых полем, составляет 11
процентов. Небольшое различие между (2) и (4) вызвано незначительной
ионизацией за счет β лучей, так как они полностью отклоняются магнитным полем. Вероятно, ионизация, обусловленная β лучами , была бы
на самом деле больше; но остаточное магнитное поле при отключении
тока достаточно велико для полного их отклонения еще до попадания
в сосуд. (4) включает в себя действие γ лучей вместе с естественной
утечкой заряда с электроскопа в водороде.
В этом эксперименте присутствовало значительное фоновое поле,
действующее на лучи вне полюсов магнита. Величина этого поля в разных частях прибора показано на рис. 2.
Следующая таблица показывает скорость разрядки за счет α лучей
в зависимости от напряженности магнитного поля. Максимальное значение без магнитного поля принято за 100.
Эти результаты показаны графически на рис. 3.
5
Рис. 3:
Магнитное поле
между полюсами счет α лучей
Скорость разрядки
0
единиц
единиц
единиц
единиц
единиц
100
66
50
33
23
11
3720
4840
6500
7360
8370
СГС
СГС
СГС
СГС
СГС
Кривая (рис. 3) показывает, что доля отклоненных лучей примерно
пропорциональна магнитному полю.
Если применять другой прибор со средним расстоянием между щелями 0.055 см, лучи полностью отклоняются постоянным магнитным
полем напряженностью 8400 единиц, действующим по всей длине пла6
Рис. 4:
стин.
Для того чтобы определить направление отклонения, лучи пропускались сквозь щели шириной 1 мм. Каждая щель была почти наполовину
прикрыта медной пластиной, в которой прорезаны отверстия, в точном
соответствии с системой параллельных пластин. Рис. 4 представляет
увеличенную секцию из трех пластин,
где металлическая пластина C наполовину закрывает щель AB. Если
приложить магнитное поле, недостаточно большое для отклонения всех
лучей, скорость разрядки в сосуде при отклонении лучей в направлении
от A к B должна быть гораздо больше, чем в случае с обратным магнитным полем, т.е. когда лучи отклоняются в направлении от B к A.
Это и было обнаружено: в то время как скорость разрядки не намного
уменьшалась под воздействием поля в одном направлении, она снижалась примерно на четверть при обращении поля.
Таким образом было выяснено, что направление отклонения в магнитном поле противоположно отклонению катодных лучей, т.е. исследуемые лучи состоят из положительно заряженных частиц.
7
Электрическое отклонение лучей.
Прибор аналогичен тому, который применялся для магнитного отклонения, за исключением того, что медные стенки, которые удерживали
пластины в нужном положении, были заменены эбонитом.
Были использованы двадцать пять пластин длиной 4.50 см, шириной 1.5 см, воздушная прослойка в среднем составляла 0.055 см. Радий
был расположен на 0.85 см ниже пластин. Ряд пластин был соединен
и заряжен с помощью батареи небольших аккумуляторов до разности
потенциалов в 600 вольт. Как и в эксперименте с магнитным полем,
применялся поток водорода .
При разности потенциалов 600 вольт наблюдалось существенное различие 3 в 7 процентов в скорости разрядки за счет α лучей при наличии и
отсутствии электрического поля. Большую разность потенциалов обеспечить невозможно, поскольку в присутствии радия между пластинами
проходит искра.
Доля отклоненных лучей в этом эксперименте слишком мала для
того , чтобы определить направление отклонения в электрическом поле.
Определение скорости лучей.
Трудно достоверно определить кривизну траектории лучей в данном
магнитном поле, исходя из доли отклоненных лучей, поскольку некоторые из лучей, ударяющих в стенки параллельных пластин, отклоняются
и проходят в сосуд.
Тем не менее, из определения величины магнитного поля, необходимого для полного отклонения лучей, было получено, что
Hρ = 390, 000,
где H = напряженность магнитного поля, ρ = радиус кривизны траектории лучей.
Это дает верхнюю границу значения Hρ.
3
В последующих экспериментах, которые еще не завершены, мне удалось отклонить около 45 процентов α лучей в сильном электрическом поле.
8
С помощью обычного уравнения отклонения движущегося заряженного тела было получено, что скорость V лучей равна
V = 2.5 × 109 см/с,
и что значение e/m, отношение заряда носителя к его массе, равно
e
= 6 × 103 .
m
Эти результаты являются только грубыми приближениями и всего лишь
указывают на порядок значений этих величин, так как электрическое
отклонение было слишком мало для точных измерений. Сейчас продолжаются эксперименты с применением специальной аппаратуры, и есть
надежда, что будут получены большее электрическое отклонение, а следовательно, и более точное значение этих констант для лучей. 4
Таким образом, α лучи радия очень похожи на катодные лучи ( Canal
Strahlen ), наблюдавшиеся Гольдштейном, которые, как было показано
Вином, являются положительно заряженными телами, движущимися с
высокой скоростью. Однако скорость α лучей значительно больше скорости Canal Strahlen.
Общие соображения.
Все виды излучения излучение урана, тория и радия, а также излучение эманации и воэбужденных тел,– в значительной степени состоят
из α лучей. Эти лучи несильно отличаются по проникающей способности, и по-видимому, во всех случаях α излучение представляет собой
заряженные частицы, перемещающиеся с большими скоростями.
В предыдущей статье 5 было показано, что полная энергия, излученная в виде α лучей телами с постоянной радиоактивностью, примерно
в 1000 раз больше энергии, излученной в виде β лучей. Этот результат
основан на допущении о том, что суммарное число ионов, образованных
этими двумя типами лучей при полном поглощении в воздухе, является мерой излученной энергии. Таким образом, α лучи дают решающий
4
α лучи – сложное явление, и возможно, они состоят из частиц, движущихся
со скоростями, заключенными в определенных границах, поскольку это излучение
включает в себя α излучение эманации и возбужденной активности, которые присутствуют в радии.
5
Резерфорд и Грайер, Phil. Mag. сентябрь 1902.
9
вклад в излучение энергии активными телами, и следовательно, любая
оценка излученной энергии, основанная на данных об одних только β
лучах, дает гораздо меньшее значение.
Идет подготовка экспериментов по определению заряда, переносимого α лучами, и есть надежда вывести из этого скорость испускания
активными веществами энергии в виде α лучей.
Характерα лучей как движущихся частиц очень легко их некоторые отличительные свойства. С этой точки зрения ионизация газа α
лучами вызвана столкновениями движущихся масс с молекулами газа.
Отсюда сразу следуют изменение скорости образования ионов при изменении давления газа и изменение поглощения лучей в твердых телах
и в газах при изменении их плотности. Также просто объясняется тот
замечательный факт, что поглощение α лучей при заданной толщине
материала, определяемое электрическим методом, возрастает вместе с
увеличением толщины предварительно пройденного материала. Необходимо лишь предположить, что как скорость движущихся частиц уменьшается вследствие столкновения с молекулами поглощающего вещества,
так и ионизирующая способность лучей быстро уменьшается. Очень вероятно, что это так, поскольку, по-видимому, нет сомнения в том, что
носитель положительного заряда не может ионизировать газ при скорости, меньшей некоторой сравнимой со скоростью движения молекул.
Интересно изучить ту роль, которую, вероятно, играют α лучи в радиоактивных телах, исходя из общего взгляда на радиоактивность, который был предложен мистером Содди и мной в Phil. Mag. за сентябрь
и ноябрь 1902 года. Там показано, что радиоактивность обусловлена
цепью химических изменений, в которой непрерывно образуются новые
виды радиоактивного вещества, и что постоянная радиоактивность хорошо известных активных веществ является равновесным процессом, в
котором образование нового активного вещества уравновешивается снижением активности вещества, уже образовавшегося. В связи с этими
исследованиями возникают некоторые очень интересные вопросы. Найдено, что остаточная активность урана и тория, освобожденных посредством химических процессов от урана-X и тория-X, состоит целиком из
α лучей. С другой стороны, излучение урана-X 6 состоит почти целиком
из β лучей, в то время как излучение тория-X 7 состоит и из α лучей, и
из β лучей, Похожие результаты, вероятно, имеют место и для радия,
так как Кюри показали, что радий, растворенный в воде, а затем выпа6
7
Содди, Proc. Chem. soc. 1902.
Резерфорд и Грайер, Phil. Mag., сентябрь 1902.
10
ренный до сухого остатка, на время в значительной степени утрачивает
свою способность испускать β лучи.
Итак, кажется вероятным, что испускание α лучей продолжается независимо от испускания β лучей. По-видимому, нет сомнений в том, что
испускание β лучей активными веществами вторичное явление, и что
α лучи играют самую заметную роль в изменениях, происходящих в радиоактивном веществе. Результаты, полученные к настоящему времени,
подводят к заключению о том, что начало цепочки химических изменений, происходящих в радиоактивных телах, обусловлено излучением α
лучей, т.е. испусканием атомом тяжелой заряженной массы. Оставшаяся часть является нестойкой и подвергается дальнейшим химическим
изменениям, которые снова сопровождаются излучением α лучей, а в
некоторых случаях также и β лучей.
Способность радиоактивных тел, видимо спонтанно, испускать большие массы с огромными скоростями говорит в пользу той точки зрения,
что атомы устроены, по крайней мере частично, как быстро вращающиеся или колеблющиеся системы заряженных тел, тяжелых по сравнению
с электроном. Внезапный уход этих масс со своей орбиты может быть
вызван действием внутренних или внешних сил, о которых мы в настоящее время ничего не знаем.
Из природы α лучей как потока частиц следует также, что радиоактивные тела, заключенные в запаянные сосуды с достаточно тонкими
для пропускания α лучей стенками, должны уменьшаться в весе. Такое
уменьшение недавно наблюдал Heydweiler у радия, но видимо, в таких
условиях, что α лучи значительно поглощались стеклянной трубкой, содержащей активное вещество.
В этой связи очень важно выяснить, вызвана ли потеря веса, наблюдавшаяся Heydweiler , уменьшением веса самого радия или уменьшением веса стеклянной оболочки; ведь хорошо известно, что лучи радия
вызывают свечение в стеклянной трубке, и возможно, поверхность стекла подвергается некоторому химическому изменению, чем, возможно,
и объясняются наблюдаемые явления.
Университет Мак-Гилла,
Монреаль, 10 ноября 1902 г.
11