Атомы и электроны

Эти опыты Резерфорда и Гейгера показали, что полный заряд альфа-частиц, испускаемых в секунду одним граммом чистого радия, составляет 33,2 абс. ед. Так как число этих альфа-частиц равно 37 миллиардам, то заряд альфа-частиц получится, если разделить 33,2 на 37 миллиардов. Отсюда следует, что заряд каждой альфа-частицы равен 9•10^-10 абс. ед. Это число действительно приблизительно в два раза больше, чем элементарный электрический заряд. (Конечно, то, что оно не точно, а лишь приблизительно в два раза больше, чем элементарный электрический заряд, объясняется только тем, что в таком трудном измерении всегда неизбежны некоторые ошибки, а совсем не тем, что заряд альфа-частицы действительно чем-то отличается от удвоенного заряда водородного иона.) Таким образом, можно было считать непосредственно доказанным, что каждая альфа-частица несёт на себе двойной элементарный заряд, и, следовательно, так как величина e/m в её случае была уже хорошо известна, что масса альфа-частицы в четыре раза больше массы атома водорода. Это и утверждали Резерфорд и Содди ещё в 1903 году, когда они впервые высказали свою гипотезу о превращении элементов. Гипотеза Резерфорда и Содди выдержала ещё одно испытание.

В 1909 году Э. Регенер повторил опыты Резерфорда и Гейгера, измеряя таким же способом заряд, переносимый альфа-частицами. Различие заключалось лишь в том, что он в то же время и подсчитывал число альфа-частиц, но не с помощью счётчика Резерфорда-Гейгера, а регистрируя вспышки. Экраном, на котором возникали вспышки при падении альфа-частиц, служил небольшой алмаз. В результате этой работы у Регенера получалось ещё более точное, чем у Резерфорда и Гейгера, значение заряда альфа-частицы, а именно: 9,58•10^-10 абс. ед.

Если разделить это число на 2, то получится 4,79•10^-10 абс. ед.

Это число очень близко к тому, которое получил Милликен, когда он измерял (см. предыдущую главу) элементарный электрический заряд.

Рассмотрим ещё одно важное следствие, вытекающее из опытов Резерфорда и Гейгера. Мы знаем, что масса каждого атома водорода составляет 1,662•10^-24 г, а так как атомная масса радия 226, то, значит, масса каждого атома радия равна 3,76•10^-22 г. В грамме радия, следовательно, имеется 2,66•10²¹ атомов.

Из этих атомов каждую секунду распадается 3,7•10¹⁰ атомов, т. е. доля, равная дроби

(3,7•10¹⁰)/(2,66•10²¹)=1,4•10^-11.

Это значит, что любое наличное количество атомов радия уменьшается в течение каждой секунды примерно на полторы миллиардные доли процента. Всякий, кто умеет вычислять с помощью таблицы логарифмов, очень легко сосчитает, сколько же нужно секунд, чтобы имеющееся количество атомов радия сократилось, например, вдвое. Необходимое для этого число секунд равно[18]

(2,66•10²¹)/(3,7•10¹⁰)•Ln(2)=5•10¹⁰ c

А так как год составляет 3,16•10⁷ с, то, чтобы узнать, через сколько лет данное количество атомов радия уменьшится ровно вдвое, нужно разделить 5•10¹⁰ на 3,16•10⁷. Ответ гласит: через 1600 лет.

Этот необыкновенно важный результат, полученный таким простым способом, сразу объясняет, почему физики, открывшие радий, сочли его неиссякаемым источником энергии, каким-то «вечным двигателем», никогда не устающим отдавать всё новые и новые запасы энергии. В действительности радий устаёт, энергия его иссякает, но только всё это происходит очень медленно. Радон (эманация радия) распадается наполовину в течение четырёх дней (точнее говоря, за 3,85 дня), и поэтому уменьшение его радиоактивности было сразу замечено. Но радий распадается наполовину в течение 1600 лет, значит, в течение самой долгой человеческой жизни данный препарат радия останется почти таким же, каким он был. Но всё же радий не вечен. Если бы вавилонский царь Хаммураби, царствовавший семь тысяч лет тому назад, положил в свою сокровищницу один грамм радия, то в наше время, даже если бы сокровищница не была разграблена, в ней осталось бы радия не больше чем несколько десятков миллиграммов.

Не бесконечен, хотя и очень велик, тот запас энергии, который радий растрачивает, превращаясь в радон. Измерения показали, что один грамм радия испускает в час 140 калорий тепла. Это количество тепла испускается, однако же, не одним лишь чистым радием, но также и теми радиоактивными продуктами распада радия, которые всегда присутствуют в радиевом препарате и тоже испускают лучи Беккереля, нагревая все окружающие предметы. Немецкий физик Гесс (в 1912 году) попробовал измерить теплоту, испускаемую препаратом чистого радия, из которого были удалены все продукты распада. Оказалось, что один грамм чистого радия даёт всего лишь 25 калорий в час, т. е. 6,9•10^-8 калорий в секунду. А мы знаем, что за секунду распадается часть радия, равная 1,4•10^-11. Значит, когда распадётся весь грамм радия, то выделенная им энергия (при превращении в радон) будет равна

(6,9•10^-8)/(1,4•10^-11)=2,05•10⁹ Дж.