> Техника, страница 58 > Лучи корпускулярные

Лучи корпускулярные

Лучи корпускулярные, поток частиц, в отличие от лучей волновых, например электромагнитных (смотрите Лучи световые) или звуковых. Однако при таком их определении граница между корпускулами и волнами становится неопределенной. Действительно, распространение волн имеет многие черты, общие с движением корпускул; поэтому Ньютон считал свет потоком корпускул (отсюда и этот термин), Брагг считал у-лучи (по своей природе сходные с рентгеновыми лучами и светом) корпускулярными. С другой стороны, типичные Л. к., катодные, считались Герцем и Яуманом волновым явлением. Причина такого систематическ го смешения понятий выяснена современной волновой механикой. Законы движения частиц и законы распространения волн чрезвычайно близки.

Движение частиц происходит так, как это вытекает из распространения и сложения сопровождающих их волн, правда, не электромагнитных. Волновые явления, сопровождающие движение материальных частиц, подчинены аналогичным законам, с той существенной разницей, что, следя за перемещением определенной фазы волны (например ее нулевого значения или максимума), мы получаем скорости, во столько раз превышающие скорость света, во сколько раз наблюдаемая нами скорость v частицы меньше скорости с света. Длина волны Я этих материальных волн равна (в см):

λ=—,

mv

где h—универсальная постоянная Планка, равная 6,55Ю^-27 эрг-ск., a m—масса частицы в г; для случаев, рассматриваемых в механике,m имеет порядок 1-Б10⁶ г; v= 1-MO⁵ см/ск и следовательно Я получает значения 10 ^27_т-10 ³⁷ см, ничтожные не только по сравнению с телом, но и с его элементами—атомами (10^-8слг),электронами(10~¹³ см) и протонами (10^-16 см). Из законов волнового движения следует, что такие волны распространяются совершенно так же, как материальные точки в классической механике. Для движения отдельных атомов с массой порядка 10“²² г и скоростями 10° см/ск Я получается порядка 1СГ⁹ см, и для электронов с массой д=9Ю~²⁸ г и скоростью г>=10⁹ см/ск Я достигает величины 10"⁸сж, то есть становится сравнимой с размерами атомов и между-атомных расстояний. Поэтому именно здесь и удалось впервые обнаружить волновой характер движения электронов. Девисон показал, что пучок электронов испытывает в кристалле те же явления интерференции, которые всегда по праву считались типичной характеристикой волновых явлений. Штерн обнаружил те же волновые свойства и в движении другой составной части вещества— протона.

С другой стороны, типичные волновые явления, как свет и рентгеновы лучи, во многих отношениях напоминают движение частиц, называемых в этом случае квантами (смотрите). Испускание света в одном месте и поглощение его в другом, сопровождаемое каким-нибудь видимым эффектом, происходит всегда целыми порциями — квантами. Эйнштейн высказал еще в 1905 г. предположение, что эти порции-кванты существуют не только в момент испускания или поглощения, но что самое распространение световых волн связано с движением квантов. Энергия кванта и и зависит от числа v колебаний в ск.: u=hv.

Известно, что световые и звуковые волны можно рассматривать как прямолинейно распространяющиеся лучи, если все тела и отверстия, с которыми мы имеем дело, очень велики по сравнению с длиной водны. Те же самые свет и звук обнаруживают свой волновой характер в явлениях дифракции и интерференции, как только встречаются с объектами, размеры которых сравнимы с длиной их волн. Как мы видели, волны, связанные с движением атомов, электронов и протонов, очень малы; поэтому в обычных явлениях механики, имеющей дело с крупными предметами, волновые свойства движения не проявляются. В световых явлениях, и в особенности в распространении радиоволн, волновые явления становятся совершенно очевидными. Однако резкой границы здесь провести нельзя. Можно было бы усматривать отличие Л. к. от волновых в том, что первые являются потоком частиц, обладающих определенной массой, тогда как вторые связаны лишь с переносом энергии. Однако современная физика (теория относительности) видит в массе лишь проявление запаса энергии, не различая их между собою. Всякий запас энергии в и эргов представляет собою массу m ^ г, где с—скорость света, равная с= 3 10¹⁰е.и/еге. Если мы хотим провести различие между корпускулярными и волновыми лучами, то можем назвать корпускулярными лучи, переносящие материю (протоны, электроны или системы из них—атомы, молекулы, материальные тела) и сопровождаемые не электромагнитными волнами, а волнами материальными. Так как частицы материи состоят из зарядов, то наряду с материальными волнами всегда происходит и перенос электрическ. (и магнитных) полей. Относя к электромагнитным волнам радио, свет, рентгеновы лучи, у-лучи радиоактивных веществ и мировую проникающую радиацию, мы разобьем Л. к. на отрицательные (электронные), положительные и нейтральные (атомные и молекулярные).

Электронные лучи. Гйтторф впервые наблюдал появление в разрядной трубке выходящего из катода синеватого пучка света. Крукс показал на ряде изящных опытов, что эти катодные лучи ведут себя, как поток частиц более мелких, чем атомы (названных им четвертым состоянием материи), и отклоняемых магнитным полем как отрицательно заряженные частицы. Долго не удавалось однако обнаружить ни переносимого ими заряда ни создаваемого ими магнитного поля. Первое было установлено Перреном в 1905 г., второе—Иоффе в 1911 году Томсон, изучая отклонение катодных лучей в магнитном и эле-ктрическ. поле, определил характерную для электронов величину: отношение заряда их ε (измеренного в абсолютной электромагнитной системе) к массе μ в г : --=1,76 · 10⁷.

Милликен непосредственно измерил заряд газовых ионов, а Иоффе установил, что и заряд электрона совпадает с ним и равен 4,77· IO”¹⁰ CGSE=1,59· 10~²⁰ CGSM. Отсюда следует, что масса электрона μ=9·10~²⁸3. Абрагам еще в 1902 г. мог свести эту массу к энергии электрич. поля, создаваемого электроном, и объяснить его инерцию изменением магнитного поля при ускорении электрона. Электромагнитная масса электрона возрастает по мере приближения скорости v электрона к скорости с света. Теория относительности дает зависимость /j от », спра-

« μο

ведливую для всякой массы μ=———

/5-S

где до—масса при достаточно малой v. Источником электронов в катодной трубке м. б. или а) положительные ионы остаточного газа, ударяющие о металлич. катод и вырывающие из него электроны, или б) нагревание катода до t°, при которых электроны выбрасываются из поверхности тепловым движением,или в) освещение видимым или ультрафиолетовым светом. Все три вида катодных лучей имеют широкое технич. применение. 1) Рентгеновы трубки, газовые, использующие удар ионов, или трубки Кулиджа с накаливаемым катодом используют катодные лучи при разности потенциалов от 10 до 200 kV для создания в месте их встречи с антикатодом рентгеновых лучей. 2) Ленард впервые выпустил катодные лучи через тонкое алюминиевое окошко в воздух, где они вызывают синеватое свечение и рассеиваются на протяжении нескольких миллиметров. Кулидж, создавая катодные лучи в несколько сот kV (300—900 kV), выпускает их через никелевую пластинку в воздух, где они распространяются на многие десятки см, производя крайне интенсивные химич., биологич. и световые эффекты. При помощи таких электронных пушек осуществляются технические химич. реакции. 3) Громадную роль в современной технике имеют генераторные, усилительные и выпрямительные пустотные приборы, использующие потоки электронов, по преимуществу вызванных накаливанием катода. 4) Ртутные выпрямители используют удар ионов о катод и достигают громадных мощностей. 5) Фотоэлемент ы—пустотные приборы, где электроны создаются освещением катода из щелочных металлов натрия, калия, рубидия или цезия светом, служат основой передачи изображений, видения на расстоянии, звукового кино и имеют кроме того разнообрази, применения, например для сортировки сигар по цвету. 6) Катодные осциллографы используют способность катодных лучей отклоняться в электрич. и магнитном поле для записи быстро меняющихся токов или процессов (например ов).

Другую группу электронных лучей представляют собою β-лучи, испускаемые рядом радиоактивн. элементов (U-X^U-Xa.U-Y, Ra, Ra-B, Ra-C, Ra-C", Ra-D, Ra-E, Ac, Rd-Ac, Ac-B, Ac-C, Ac-C", Ms-Th, Ms-Th₂, Rd-Th, Th-B, Th-C, Th-C"); /S-лучи выходят из ядра атома и увеличивают его положительный заряд на единицу. Скорости электронов чрезвычайно близко подходят к скорости света; наибольшую скорость имеют /3-лучи, испускаемые Th-C, 2,997 10¹⁰ см/ск, наименьшую—Th-C и Th-C"~0,87 · 10¹⁰ см/ск. Проходя через магнитное поле, пучок /8-лу-

чей отклоняется тем более, чем меньше его скорость. Если имеются /S-лучи различных скоростей, то магнитное поле разлагает их в «спектр» по скоростям. В спектре имеются группы электронов вполне определенных скоростей, например Ra испускает электроны со скоростями 1,56 · 10¹⁰ см/ск и 2,05-10¹⁰ см/ск. Но с несомненностью установлено, что часто /3-лучи имеют всевозможные скорости, лежащие между определенными пределами (сплошной спектр),например Ra-B между 1,08 -10¹⁰ и 2,41 10¹⁰ см/ск. Испускание и спектры /3-лучей связаны со спектрами у-лучей. Обнаруживаются /1-лучи по их действию на фотографическую пластинку, по вызываемой ими флуоресценции и по ионизации газа. Когда /1-лучи проходят в атмосфере пересыщенного пара, они расщепляют молекулы воздуха на ионы, на каждый из кот рьйс оседают капельки, так что каждый прошедший электрон оставляет след из ряда капелек воды (камера Вильсона). Пропуская электронные лучи через газ, находящийся в Электрическом поле, немного только не доходящем до пробоя, можно отмечать каждый проходящий электрон по внезапному нарастанию ионизационного тока (счетчик Гейгера). Кроме /3-лучей радиоактивные вещества испускают и медленные электроны, называемые г5-лучами.

Положительные лучи. В то время как отрицательные лучи представляют собою почти всегда потоки электронов, в положительных мы должны различать а) положительные ионы (каналовые лучи), б) ядра гелия (а-лучи) и в) протоны (Н-лучи). Каналов ые лучи получили свое название благодаря тому, что наблюдались впервые Гольдштейном как поток положительных ионов, проходящих сквозь каналы в катоде. В разрядной трубке они светятся красноватым светом, обладают положительным зарядом, который непрерывно теряют и вновь приобретают при столкновениях с молекулами газа. Для изучения их поддерживают в пространстве перед катодом, откуда они выходят, достаточную плотность газа и выкачивают возможно лучше пространство за катодом, куда они проходят сквозь тонкие каналы в металлическом катоде. Каналовые лучи, и в особенности их свечение, были изучены Штар-ком и В. Вином: первый обнаружил явление Допплера, которое позволяет определить скорость движения каналовых частиц; второй изучил затухание света свободно летящей частицы. Набивши анод смесью соли данного металла с углем и иодом, можно получать потоки положительных ионов (анодные лучи). Большое значение получили а-лучи, выбрасываемые ядрами радиоактивных элементов. Заряд их и атомный номер при этом уменьшаются на 2 единицы; α-лучи вызывают почернение фотографической пластинки, на флуоресцирующем экране каждая а-час-тица вызывает вспышку свечения (сцинти-ляция); вспышки служат для счета а-частиц. В камере Вильсона они оставляют след из капелек воды, осевших на ионах, в счетчике Гейгера дают резкие усиления тока; а-лучи вызывают сильную ионизацию воздуха, теряя при этом свою энергию. Когда энергия падает ниже определенного предела, иониза ция, сцинтиляция и фотографии, действие прекращаются. В воздухе α-частицы имеют поэтому вполне определенную легко наблюдаемую длину пробега, зависящую от их начальной скорости. При давлении 760 миллиметров и температуре 0° α-лучи Ra имеют например пробег 3,21 сантиметров соответственно начальной скорости 1,51 10⁹ см/ск; Ra-F (полоний)—3,72 сантиметров соответственно скорости 1,59 10⁹ см/ск; Ra-A— 4,48 сантиметров при скорости 1,69· 10⁹ см/ск; Ra-C 6,60 сантиметров при скорости 1,922 10⁹ см/ск. Однако в очень небольшом количестве наблюдаются и α-лучи с пробегом в 11 сантиметров и 8 см. а-частица имеет двойной положительный заряд, однако незадолго до прекращения ионизации она начинает перезаряжаться, то теряя то приобретая 1—2 заряда. Рутерфорд заметил, что быстрые α-частицы при столкновении с ядрами некоторых элементов (с нечетным атомным номером), вырывают из состава ядра атома протоны (Н-частицы). Процесс этот можно наблюдать в вильсоно-вой камере, где след α-частицы раздваивается: кроме отброшенной после столкновения с посторонним ядром в другом направлении α-частицы, вылетает и новая частица с гораздо большим пробегом, обладающая таким отношением заряда к массе, которое свойственно водородному ядру. Полет вновь возникшей Н-частицы можно наблюдать и методом сцинтиляции. Эти опыты впервые осуществили искусственный распад элементов. Положительные лучи играют важную роль в модели атома. Учение о составе ядер элементов из протонов и электронов было обосновано точными измерениями массы различных атомов в потоке положительных лучей (массовый спектрограф Астона, см. Изотопы). Пучок положительных ионов проходит здесь через электрическ. и магнитное поле, отклоняясь на разные величины в зависимости от массы иона. Если имеются разные атомы, то и отклонения их различны. Таким путем удалось обнаружить, что хлор с ат. в 35,47 представляет собой смесь двух изотопов с ат. в 35 и 37. Ат. в каждого атома, как выяснилось из измерений, выражается целым числом (за исключением водорода—1,0077).

Нейтральные молекулярные лучи. Их получают обыкновенно испарением вещества в хорошей пустоте. Встретив стенку сосуда, молекулы частью прилипают, частью рассеиваются во все стороны. При охлаждении стенок до некоторой темп-ры (зависящей впрочем от плотности пучка молекул) рассеяние резко уменьшается, и весь пучок молекул конденсируется на стенке. Чтобы получить резко очерченный пучок молекул или атомов, стенки, на которые может попасть пучок, охлаждают жидким воздухом. То место, на к-рое попадает пучок, обнаруживают либо по налету вещества, либо по химич. действию, либо наконец, как это и делает Штерн, по нарастанию давления в закрытой камере со щелью, пропускающей пучок молекул внутрь. Изучение молекулярных лучей позволило измерить как величину тепловых скоростей молекул, так и распределение их по скоростям (закон Максвелла), определить длину свободного пробега молекул газа и измерить ионизационные потенциалы различных молекул. Особое значение получили опыты Штерна и Герлаха, пропустивших молекулярный пучок через сильное магнитное поле с резким градиентом (вдоль полюса электромагнита, имевшего форму острой призмы). Пучок молекул при этом разбился резко на два пучка. В одном из них магнитные моменты молекул направлены точно по полю, в другом точно против него— в полном согласии с теорией квантов. В атомах с многоквантовыми магнитными электронами имеется соответственно большее число групп. Молекулярные лучи получают все большее значение для изучения молекулярных магнитных и электрических свойств вещества, а также для изучения волнового характера движения материи.

Лит.: Хвольсон О. Д., Курс физики, т. 5, Берлин, 1923; Семенов Η. Н., Электронные явления, Л., 1928; Эйхенвальд А. А., Электричество, 5 изд., М,— Л., 1928; Thomson .Т. J. The Passage of Electricity through Gases, Cambridge, 1928; Lenard P., Quantitatives fiber Iiathodenstrahlen, Lpz., 1918; Thomson J. J. Rays of Positive Electricity a. their Application to Chemical Analysis. L., 1921; Gehrcke E., Die Strahlen der posit iven Elek-trizitat, Lpz., 1909; Handbuch d Radiologie, hrsg. v. E. Marx, B. 1—6, Lpz., 1916—25. А. Иоффе.