Матвей Бронштейн - Атомы и электроны

• Название: Атомы и электроны
• Автор: Матвей Бронштейн
• Издательство: Наука. Главная редакция физико-математической литературы
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1980

Новое издание первой части популярной книги известного советского физика и популяризатора науки М. П. Бронштейна, выходившей в 1935 г. В ней рассказывается о развитии науки, о том, как впервые измерили массы атомов и их размеры, какие работы и опыты привели к открытию электронов и выяснению строения атомов. Книга относится к числу лучших образцов научно-популярных изданий прошлого.

Рассчитана на школьников, преподавателей, студентов.

---

Уильям Крукс пробовал воздействовать в течение нескольких недель альфа-лучами радия на большой бесцветный алмаз. К концу опыта алмаз принял густую зеленую окраску. Стекло и слюда темнели после того, как в течение продолжительного времени подвергались воздействию тех же самых лучей.

Не вызываются ли и плеохроические ореолы действием альфа-лучей? Такая мысль пришла в голову Джоли, и он измерил под микроскопом радиусы этих ореолов с целью узнать, нет ли какой-нибудь связи между ними и длиной пробега альфа-лучей в слюде. Среди альфа-частиц, испускаемых препаратами радия (большая часть которых принадлежит, как мы уже знаем, не самому радию, а дальнейшим продуктам его распада) т наибольшей скоростью и, следовательно, наибольшим пробегом обладает некоторая определенная группа альфа-частиц; выяснилось, что их пробег в слюде равен 0,03 мм.

Когда Джоли измерил радиусы плеодроических ореолов, то оказалось, что в большинстве случаев эти радиусы составляют как раз 0,03 мм! Поэтому Джоли высказал следующее предположение: причиной плеохроических ореолов (или венчиков, как их называют еще) являются маленькие крупинки радиоактивного вещества, вкрапленные в слюду как раз в центре ореола. Эти крупинки, которые в некоторых случаях действительно удавалось обнаружить в микроскоп, испускают во все стороны свои альфа-частицы. Альфа-частицы пробегают некоторое расстояние внутри однородной слюды и останавливаются, застревая на расстоянии, равном длине пробега этих частиц, от центра ореола. Получается шар, центр которого совпадает с вкрапленным кусочком радиоактивного вещества. При срезе можно наблюдать то самое круглое сечение, которое и было замечено геологами. Джоли указал на то, что в некоторых случаях попадаются хорошо развитые ореолы, имеющие сложную структуру. Это объясняется тем, что различные радиоактивные элементы испускают альфа-лучи с различной длиной пробега. В результате получаются концентрические кольца, радиусы которых соответствуют различным длинам пробега.

Вид плеохроического ореола, как указал Джоли, может быть различным в зависимости от возраста минерала. Самые молодые минералы, в которых из урана, находившегося в радиоактивном включении, еще не успело образоваться достаточно большое число атомов, являющихся потомками радия, обладают плеохроическими ореолами с радиусом только 0,013 мм. Более древние минералы обнаруживают и внешнее кольцо с радиусом 0,03 мм, и промежуточные кольца. Внимательно изучая эти еле видимые окрашенные венчики в слюде, Джоли определял с довольно большой уверенностью возраст минерала, пролежавшего в земной коре много столетий. Сравнивая густоту окраски венчика с густотой окраски, вызванной искусственно в слюде, подвергаемой действию известного числа альфа-частиц, Джоли установил, что некоторые образцы слюды имеют возраст в сотни миллионов лет. Количество урана, находившееся в радиоактивном включении в одном исследованном Джоли образце, равнялось 5*10-10 г. Это невообразимо маленькое количество урана испускает всего одну альфа-частицу каждые десять часов. И все же этого оказалось достаточно для того, чтобы за сотни миллионов лет образовать нежный плеохроический венчик, способный рассказать внимательному геологу историю длинных геологических эпох.

Немецкий ученый Мюгге систематически исследовал множество различных минералов, ища в них плеохроические венчики. Он нашел, что голубой плавиковый шпат из Вольсендорфа обнаруживает плеохроические венчики в большем количестве и более разнообразные, нежели какой бы то ни быЛо другой минерал. Концентрические слои видны еще отчетливее, чем в слюде. И радиусу каждого такого слоя соответствует (по длине пробега в плавиковом шпате) одна из групп альфа-частиц, испускаемых ураном и его радиоактивными потомками.

В наши дни уже невозможно сомневаться в том, что плеохроические ореолы действительно имеют радиоактивное происхождение, как это предположил Джоли. Внимательное изучение окраски драгоценных камней, вероятно, тоже покажет, что и она обязана своим происхождением действию лучей радиоактивных веществ,- быть может, ничтожно малого их количества, но действующего в течение огромнейших промежутков времени. Таким образом, основываясь на мелких, но безошибочных признаках, геологи умеют восстановить длинную историю земной коры и с уверенностью оценить продолжительность геологических эпох.

Объяснение плеохроических венчиков, которое дал Джоли, можно сравнить с открытиями Шамполиона и Гротефенда, расшифровавших непонятные письмена давно исчезнувших народов. И подобно тому, как историки вслед за тем сумели шаг за шагом восстановить судьбу этих народов, точно так же и геологи, пользуясь открытием Джоли, читают историю минералов, написанную еле заметными пятнышками окраски, еле заметными плеохроическими венчиками.

Примечания

1

Заметим, что радиоактивность тория и его соединений одновременно с Марией Кюри или даже немножко раньше открыл немецкий физик Шмидт. Но дальнейшие работы Шмидта оказались менее замечательными, чем дальнейшие работы Марии Кюри, а поэтому мы здесь ограничимся рассказом об открытиях, сделанных Марией Кюри.

2

Катанга - в настоящее время провинция Шаба в Заире (Прим. ред.)

3

Фунт - единица массы старой русской системы мер, 1 фунт=409,5 г.

4

Церий. (Прим. ред.)

5

См, примечание на следующую таблицу (Примеч. ред.)

6

Значения атомных масс, данные М. П. Бронштейном, за последующие годы были уточнены и приведены в соответствие с попы си данными. В примечании к таблице М. П. Бронштейн указывал, что в скобках в ней приведены названия тех элементов, открытие которых «еще сомнительно». Это элементы: 85, который, назывался тогда алабамий и 87 - Виргинии; их атомные массы не были известны (ныне это астат и франций соответственно). Подверглись изменению и названия 43-го (мазурий), 61-го (иллиний) и 71-го (Кассиопей) элементов. Наконец, таблица пополнилась трансурановыми элементами, о которых в предположительных тонах говорит М. П. Бронштейн на стр. 56. (Прим. ред.)

7

Отступления от целочисленности связаны с существованием изотопов одного и того же химического элемента таблицы Менделеева, различающихся атомными массами. Открытие изотопов подтвердило правильность гипотезы Праута, (Прим. ред.)

8

Ряд таких «трансурановых» элементов был получен искусственно. (Прим. ред.)

9

Здесь и далее оставлено старое название «микрон» вместо современного «микрометр». (Прим. ред.)

10

Здесь и в дальнейшем М. П. Бронштейн оперирует со значениями некоторых физических величин: заряда электрона е, удельного заряда электрона (отношения заряда к массе) e/m, постоянной Авогадро N и т. д. Приведем уточненные значения этих величин, полученные к нашему времени в результате возросшей точности измерений:

заряд электрона e=4,80325*10-10 ед. СГС,

масса электрона m=9,10956*10-28 г,

удельный заряд электрона e/m=5,27276*1017 ед. СГС/г,

масса атома водорода M= 1,67352*10-24 г,

отношение массы протона к массе электрона М/m=1836,11,

число Авогадро W=6,02217-1023 моль-1. (Прим. ред.)

11

Фонограф - изобретенный в 1877 году Эдисоном аппарат, записывающий и воспроизводящий всевозможные звуки. (Прим. ред.)

12

Аналогичные опыты (независимо от Милликена) были проведены академиком А. Ф. Иоффе. (Прим. ред.)

13

Как ни странно звучит это утверждение, тем не менее оно совершенно справедливо. Попробуем проверить его. По измерениям астрономов, наше Солнце испускает каждую секунду 9*1025 калорий энергии (калория - это то количество энергии, которое тратится на нагревание одного грамма воды на один градус Цельсия). Каждый грамм радия испускает энергию в количестве около 0,04 калорий в секунду. Известно, что масса Солнца 2*1033 г. Значит, если бы оно состояло из чистого радия, то испускало бы около 0,04*2*1033=8*1031 калорий в секунду. Это почти в миллион раз больше той энергии, которую оно испускает в действительности.

14

Числа не вполне сходятся, но это ведь может быть результатом некоторой неточности в измерениях.

15

С такой скоростью летят альфа-частицы, испускаемые так называемым радием С, одним из продуктов распада радона (см. ниже).

16

Или двух фотоаппаратов, если нужно получить стереоскопические снимки.

17

За прошедшее с 1935 г. время камера Вильсона была существенно модифицирована; появились и новые типы камер, позволяющие фиксировать траектории заряженных частиц: пузырьковая (1952 г.) и искровая (1957 г.) камеры. (Прим. ред.)