II. Катодные и β-лучи

Наиболее детальные измерения торможения катодных лучей при прохождении через вещество были проведены Уиддингтоном ¹. Используя катодные лучи со скоростью от 5⋅10⁹ до 9⋅10⁹ см/сек, он нашёл, что зависимость скорости от пройденного в веществе пути описывается формулой вида (5). Определение входящей в эту формулу константы 𝑎 дало:

¹ R. Whiddington. Proc. Roy. Soc., 1912, А84, 560.

для алюминия:

𝑎

=

7,32⋅10

⁴²

для золота:

𝑎

=

2,54⋅10

⁴³

для воздуха (при 760 мм рт. ст. и 15° С):

𝑎

=

2,0⋅10

⁴⁰

Подставляя в выражение для 𝑎, приведённое на стр. 72, 𝑉₀=7⋅10⁹ см/сек, а также значения величин 𝑟 и ∑ ln 𝑛_𝑠, найденные выше по поглощению α-лучей, имеем

для алюминия:

𝑎

=

1,9⋅10

⁴³

для золота:

𝑎

=

7,3⋅10

⁴³

для воздуха:

𝑎

=

1,1⋅10

⁴⁰

Мы видим, что измеренные и вычисленные значения согласуются по порядку величины, но различие между ними всё же существенно; в случае алюминия и золота вычисленные значения в 3 раза больше измеренных, а в случае воздуха — в 2 раза меньше. При объяснении этого различия следует иметь в виду исключительные экспериментальные трудности. Отсюда следует, что отношение скорости торможения в алюминии и в воздухе, найденное в экспериментах Уиддингтона, оказывается примерно в 5 раз меньше, чем в опытах с α-лучами. Это обстоятельство трудно согласовать как с данными опытов с α-лучами различных скоростей, так и с результатами сравнения экспериментов с β- и α-лучами, согласно которым скорость торможения в различных веществах, рассчитанная на один атом, больше для веществ с большим атомным весом, а отношение скоростей торможения для двух данных элементов возрастает с ростом скорости лучей.

Измерения торможения β-лучей были проведены в случае очень высоких энергий В. Вильсоном ¹ и недавно О. Байером ² для меньших энергий. При этом Байер в экспериментах с алюминием, используя β-лучи со скоростями от 1⋅10¹⁰ до 2⋅10¹⁰ см/сек, нашёл, что изменение скорости описывается соотношением того же вида, как и найденное Уиддингтоном. Для скорости 1,5⋅10¹⁰ см/сек он нашёл, что константа 𝑎 равна примерно 1,1⋅10⁴².

¹ W. Wilson. Ргос. Roy. Soc., 1910, А84, 141.

² О. v. Ваеуеr. Phys. Zs., 1912, 13, 485.

Подставляя в выражение для 𝑎, приведённое на стр. 72 значения 𝑟 и ∑ ln 𝑛_𝑠, определённые из данных по α-лучам, находим в случае рассматриваемой скорости

𝑎=1,7⋅10

⁴²

При этом продольная масса электрона 𝑀, движущегося со скоростью, примерно равной половине скорости света, полагалась равной 1,54 𝑚 (Влияние зависимости массы частиц от скорости на величину константы 𝑎 при этой скорости уже значительно, но такая зависимость не изменяет существенным образом вид соотношения между 𝑉 и 𝑥.)

Таким образом мы видим, что в случае β-лучей большой скорости соответствие с опытом оказывается лучшим, чем в приведённом выше случае катодных лучей.

Байер провёл также измерения торможения β-лучей в олове, меди и платине. Результаты этих опытов показывают, что скорость торможения примерно пропорциональна плотности вещества (при неизменной скорости β-лучей). В случае элементов с более высоким атомным весом поглощение несколько больше при той же массе, отнесённой к 1 см². Эти результаты находятся в соответствии с предсказаниями теории.

Результаты эксперимента Вильсона по торможению очень быстрых β-лучей в алюминии лучше описываются выражением вида 𝐸_𝑠-𝐸_𝑥=𝑘𝑥, где 𝐸 — энергия β-частицы, чем формулой (4). Этого как раз и следовало ожидать из теоретических соображений. Действительно, при скоростях, очень близких к скорости света, величина 𝑉² меняется медленно по сравнению с энергией частицы вследствие очень сильной зависимости её массы от скорости. При этом из формулы (3) следует, что соотношение между энергией частицы и пройденным ею в веществе расстоянием для рассматриваемых скоростей становится таким, какое было найдено Вильсоном. Из табл. 2 работы Вильсона ¹ имеем

при 𝑉=2,8⋅10

¹⁰

см/сек

,

𝑑𝐸

𝑑𝑥

=-8,0⋅10

^-6

.

¹ См. W. Wilson. Proc. Roy. Soc., 1910, А84, 147.

Из формулы (3), подставляя использованные ранее значения 𝑟 и ∑ ln 𝑛_𝑠 получаем при этой скорости

𝑑𝐸

𝑑𝑥

=-8,8⋅10

^-6

.

Это значение удовлетворительно согласуется с данными Вильсона. Лучшее согласие между теорией и экспериментом для быстрых β-лучей, чем для медленных β-лучей и катодных лучей, вероятно, связано с более простыми экспериментальными условиями в случае быстрых лучей, так как эти последние при прохождении через вещество в большей степени сохраняют первоначальную однородность скоростей, чем медленные лучи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенная в этой статье теория торможения заряженных частиц при их движении через вещество связывает скорость торможения с частотой собственных колебаний электронов в атомах поглощающего вещества.

Показано, что поглощение α-лучей в самых лёгких элементах может быть рассчитано с помощью данных о числе электронов в атомах и их собственных частотах, получаемых из теории дисперсии; полученные результаты находятся в хорошем согласии с экспериментом. Показано, что и для элементов с бо́льшим атомным весом имеется согласие по порядку величины между ожидаемым числом и собственными частотами электронов и соответствующими им значениями, полученными с помощью рассматриваемой теории из данных по поглощению α-лучей.

Показано, далее, что теория может объяснить вид найденных из экспериментов с катодными и β-лучами соотношений, связывающих скорость лучей с величиной пройденного ими в веществе пути. Величины констант, входящих в рассматриваемые соотношения, очень хорошо согласуются с экспериментальными данными в случае быстрых β-лучей и несколько хуже — для медленных β-лучей и катодных лучей. Последнее обстоятельство, вероятно, связано с большими экспериментальными трудностями при работе с этими лучами.

Принимая теорию Резерфорда о строении атома, можно с большой уверенностью утверждать на основании данных о поглощении α-лучей, что атом водорода содержит один электрон, а атом гелия — два электрона вне положительно заряженного ядра; последнее обстоятельство непосредственно следовало из теории Резерфорда.

Аналогичные вопросы, а также некоторая дальнейшая информация о строении атомов, которую можно получить из экспериментов по поглощению α-лучей, будут обсуждены подробнее в последующей статье.

Я хотел бы выразить искреннюю благодарность проф. Резерфорду за то внимание, с которым он относился к этой работе, и за ценные советы, полученные от него.

Физическая лаборатория

Манчестерского университета

Август 1912 г.

5 О СТРОЕНИИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ ^*

^*On the Constitution of Atoms and Molecules. Phil. Mag. 1913, 26, p. 1—25 (часть I), p. 476—502 (часть II), p. 857—875 (часть III).

ВВЕДЕНИЕ

Для объяснения результатов опытов по расстоянию α-частиц веществом Резерфорд ¹ выдвинул свою теорию строения атома. Согласно этой теории, атом состоит из положительно заряженного ядра и системы окружающих его электронов, удерживаемых силами притяжения ядра. Общий отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. В ядре содержится основная часть массы атома, а его линейные размеры исключительно малы по сравнению с линейными размерами всего атома. Число электронов в атоме приблизительно равно половине атомного веса. К этой модели атома нужно относиться с большим вниманием, ибо, как показал Резерфорд, предположение о существовании таких ядер необходимо для объяснения опытных данных по рассеянию α-лучей на большие углы ².