1 J. J. Thomson. Phil. Mag., 1912, 23, 456.
Исходя из этого можно определить минимальную скорость катодных лучей, которая необходима для возбуждения характеристического рентгеновского излучения особого типа, не делая никаких специальных предположений о свойствах излучения. Будет вычислена энергия, которая необходима для удаления электрона из разных колец. Даже если мы будем знать число электронов в кольцах, строгий расчёт минимальной энергии будет сложным, а результат — в большой степени зависящим от принятых допущений, поскольку, как было показано в части I (стр. 101), расчёт нельзя полностью провести на основе обычной механики. Однако мы можем очень простым способом сравнить расчёты с экспериментом, если рассматривать самое внутреннее кольцо и в первом приближении пренебрегать отталкиванием со стороны электронов по сравнению с притяжением со стороны ядра. Рассмотрим простую систему, состоящую из одного связанного электрона, вращающегося по круговой орбите вокруг ядра с зарядом 𝑁𝑒. Полагая в формуле (1) на стр. 109 𝐹 = 𝑁 для скорости электрона получаем
𝑣
=
2π𝑒
ℎ
𝑁
=
2,1⋅10
8
⋅𝑁
.
Общая энергия, которую необходимо сообщить системе, чтобы удалить электрон в бесконечность, равна кинетической энергии связанного электрона. Если электрон удаляется на очень большое расстояние от ядра вследствие соударения с другим, очень быстро движущимся, то наименьшая кинетическая энергия, которую он получает, находясь на большом расстоянии от ядра, должна равняться кинетической энергии связанного электрона до соударения. Следовательно, скорость свободного электрона должна равняться по меньшей мере 𝑣.
Согласно опытам Уиддингтона 1 скорость катодных лучей, которые как раз способны вызвать характеристическое рентгеновское излучение типа 𝐾 — самого жёсткого типа наблюдаемого излучения — элементом с атомным весом 𝐴 от Al до Se, равна примерно 𝐴⋅108 см/сек. Как видно, она равна вычисленному выше значению 𝑣 если положить 𝑁 = 𝐴/2.
1 R. Whiddington. Ргос. Roy. Soc., 1911, А85, 323.
Поскольку мы пришли к приблизительному совпадению с экспериментом, приписывая характеристическое рентгеновское излучение типа 𝐾 самому внутреннему кольцу, можно ожидать, что не существует более жёсткого типа характеристического излучения. На это ясно указывают также наблюдения проникающей способности γ-лучей 2.
2 Е. Rutherford. Phil. Mag., 1912, 24, 453.
Примечательно, что теория даёт почти правильное значение энергии, необходимой для удаления электрона не только из внешнего кольца, но и из внутреннего. Это приблизительное согласие между вычисленными и экспериментальными значениями тем более поражает, если вспомнить, что необходимые в обоих случаях энергии для элемента с атомным весом 70 различаются в 1000 раз.
В связи с этим нужно особо подчеркнуть, что поразительная монохроматичность характеристического рентгеновского излучения, установленная в опытах как по поглощению лучей, так и по их интерференции, недавно наблюдавшейся в опытах по дифракции рентгеновских лучей в кристаллах, согласуется с основным предположением, использованным в части I (см. стр. 89) при рассмотрении линейчатых спектров. Оно состоит в том, что излучение, испускаемое при переходе системы между различными стационарными состояниями, монохроматично.
Полагая 𝐹 = 𝑁 в формуле (4), для диаметра самого внутреннего кольца получаем приближённо 2𝑎 = (1/𝑁)⋅10-8 см. Отсюда при 𝑁 = 100 находим 2𝑎 = 10-10 см, т.е. величину, очень малую по сравнению с обычными атомными размерами, но всё ещё большую по сравнению с размерами, которые нужно ожидать для ядра. По расчётам Резерфорда размеры последнего оказываются порядка 10-12 см.
§ 6. Радиоактивные явления
Согласно излагаемой здесь теории, образование роя электронов, окружающего ядро, сопровождается испусканием энергии; их расположение будет определяться условием, чтобы испущенная энергия была максимальной. Устойчивость, обусловленная этим предположением, кажется соответствующей общим свойствам материи. Но она находится в явном противоречии с явлениями радиоактивности, и согласно теории, следовательно, происхождение этих явлений надо искать не в распределении электронов вокруг ядра.
Необходимым следствием теории строения атома по Резерфорду является внутриядерное происхождение α-частиц. На основании предлагаемой теории надо считать, что и быстрые β-частицы испускаются ядром. Во-первых, спонтанное испускание β-частицы из роя электронов, окружающего ядро, совершенно чуждо принятым свойствам системы. Во-вторых, вряд ли можно ожидать, что испускание α-частицы окажет существенное воздействие на устойчивость электронного роя. Воздействие испускания может быть двоякого рода. С одной стороны, при прохождении через атом частицы могут соударяться со связанными электронами. Это воздействие будет одинаковым с тем, которое оказывает облучение α-частицами других веществ; нельзя ожидать, что оно вызовет последующее испускание β-частиц. С другой стороны, испускание частиц вызовет изменение в расположении связанных электронов, поскольку остающийся у ядра заряд будет отличаться от первоначального. Чтобы рассмотреть последний процесс, представим себе одно единственное кольцо электронов, вращающихся вокруг ядра с зарядом 𝑁𝑒 и допустим, что α-частица выбрасывается в направлении, перпендикулярном плоскости кольца. Выбрасывание частицы, очевидно, не вызывает изменения момента импульса электронов и, если скорость α-частицы мала по сравнению со скоростью электронов (а это осуществляется для внутренних колец атома с большим атомным весом), кольцо постепенно расширяется, а после выбрасывания занимает положение, требуемое теорией для устойчивого кольца, вращающегося вокруг ядра с зарядом (𝑁 - 2)𝑒. Рассмотрение этого простого случая ясно указывает на то, что испускание α-частицы не оказывает продолжительного воздействия на устойчивость внутренних электронных колец в оставшемся атоме.
Вопрос о происхождении β-частиц может быть рассмотрен и с другой точки зрения, основанной на изучении химических и физических свойств радиоактивных веществ. Общеизвестно, что многие радиоактивные вещества имеют очень близкие химические свойства, и поэтому до сих пор не удавалось разделить их химическим путём. Имеются также некоторые данные, что упомянутые вещества имеют одинаковый линейчатый спектр 1. Многие авторы высказали предположение, что эти вещества различаются только по своим радиоактивным свойствам и атомному весу и идентичны по всем остальным физическим и химическим свойствам. Согласно теории, это означает, что заряд ядра, как и расположение окружающих электронов, в некоторых элементах будет одинаковым, и единственное различие будет заключаться в массе и внутренних свойствах ядра. Согласно рассуждениям § 4 это предположение подтверждается тем фактом, что число радиоактивных веществ больше, чем число находящихся в нашем распоряжении мест в периодической системе. Если это предположение верно, то тот факт, что два кажущихся идентичными элемента испускают β-частицы с разной скоростью подтверждает внутриядерное происхождение как α-лучей, так и β-лучей.
1 См.: A. S. Russell, R. Rossi. Ргос. Roy. Soc., 1912, А87, 478.
Этот взгляд на происхождение α- и β-лучей очень просто объясняет связь характера изменения химических свойств радиоактивных веществ с природой испускаемых частиц. Результаты опытов могут быть выражены двумя правилами 2.
При каждом испускании α-частицы номер группы периодической системы, к которой принадлежит конечное ядро, на две единицы меньше номера группы, к которой принадлежит исходное ядро.
При каждом испускании β-частицы номер группы конечного элемента на единицу больше, чем первоначального.
2 См.: A. S. Russеll. Chem. News, 1913, 107, 49; G. v. Hevesy. Phys. Zeitschr., 1913, 14, 49; K. Fajans. Phys. Zs., 1913, 14, 131; Verh. d. D. Phys. Ges., 1913, 15, 240; F. Sоddy. Chem. News, 1913, 107, 97.
