Электроны вылетают из атомов

В 90‑х годах прошлого столетия в биографии электрона оказались записанными ответы на три анкетных вопроса: «имя», «масса» и «заряд». Однако сведения, занесенные в две последние графы, не заслуживали безусловного доверия, их следовало подтвердить непосредственными лабораторными измерениями. Но должно было пройти почти пятнадцать лет, прежде чем нашли способ, как определить опытным путем точные значения массы и заряда электрона.

За этот промежуток времени ученые, продолжая исследовать мир предельно малых частиц, сумели приобрести сведения и для четвертой графы анкеты: «местожительство».

В 1896 году были впервые замечены явления радиоактивности урана, способность его испускать невидимые лучи. Три года спустя знаменитый физик Мария Склодовская‑Кюри, совместно со своим мужем Пьером Кюри, нашла новые радиоактивные, то есть излучающие элементы. Радиоактивными оказались кроме урана: полоний, радий, торий.

Уран и торий были известны и ранее, а радий и полоний были открыты Склодовской‑Кюри, которая выделила их из урановой руды.

Радиоактивные вещества привлекали внимание физиков своими необычайными, поистине волшебными свойствами. В присутствии радия драгоценные камни даже в полной темноте начинают сверкать и искриться, а краски, изготовленные с примесью сернистого цинка, излучают лунное зеленоватое свечение. Стекло пробирки с радием со временем меняет окраску и приобретает фиолетовый оттенок. Электрические машины в присутствии радия перестают действовать, так как воздух под влиянием лучей радия становится проводником электричества. Прикосновение пробирки с радием к коже вызывает тяжелые трудно заживляемые ожоги.

Радий портит фотографические пластинки, упакованные даже не в картонные, а в металлические коробки.

Самые обычные вещества, соприкасавшиеся с радием в свою очередь становятся радиоактивными. Лучи радиоактивных веществ проходят сквозь стекло и металлы (рис. 38).

Рис. 38. Излучение радиоактивных элементов проникает сквозь непрозрачные тела. На рисунке изображена медаль, сфотографированная с помощью радиоактивных лучей.

Открытие радиоактивных элементов подтвердило гениальное предвидение, высказанное Фридрихом Энгельсом и русскими передовыми учеными прошлого века – А. М. Бутлеровым и Н. А. Умовым том, что атомы лишь кажутся неделимыми, на самом же деле они представляют особые сложные миры.

Однажды в лаборатории Кюри произошел чрезвычайно интересный случай, показавший ученым одну важную особенность радия.

Крупинки радиевой соли, добытые Марией Склодовской из отходов урановой руды, супруги хранили в ампулах, – в небольших, наглухо запаянных, стеклянных трубочках. Пьеру Кюри для опытов понадобилась новая порция радия. Кюри взял в одну руку ампулу, а в другую нож, намереваясь метким и осторожным ударом отбить кончик ампулы так, чтобы не рассыпать драгоценное вещество. Намечая место удара, Пьер Кюри приложил лезвие ножа к ампуле и в тот же момент услышал характерный треск электрической искры. В стеклянной стенке ампулы появилась трещинка и маленькая круглая дырочка.

Пьер Кюри позвал жену, и они вдвоем сквозь лупу стали рассматривать отверстие, пробитое неизвестно откуда взявшейся искрой.

Пьер Кюри взял из шкафа другую ампулу, и оба исследователя, напрягая слух и зрение, склонились над ней. Пьер Кюри осторожно приблизил нож к ампуле. Как только лезвие коснулось стекла, раздался треск электрической искры. Пьер Кюри почувствовал легкий толчок в руку, а в стекле ампулы появилась крошечная круглая дырочка. Сомнений не оставалось: за время хранения радий выделил электрические заряды.

Затем было обнаружено, что радий непрерывно выделяет из себя газ радон, который со временем превращается в обычный гелий. Распад атомов больше не вызывал сомнений.

Бета‑частицы оказались электронами

Так как радиоактивные элементы, распадаясь, выбрасывают какие‑то частицы, то физики занялись исследованием излучения радия. Они надеялись, что в лучах радия окажутся осколки атомов, и это позволит судить об устройстве самих атомов.

Чтобы исследовать все, что вылетает из атомов радиоактивных элементов, был построен несложный прибор. Его главная часть состояла из пустотелой свинцовой «бомбочки» с очень толстыми стенками. В эту бомбочку поместили небольшое количество радиевой соли.

Свинец для изготовления бомбочки был выбран потому, что он поглощает излучение радия и, тем самым, мешает частицам разлетаться во все стороны. Излучение радия должно было проникать за пределы свинцовой бомбочки только через маленькое круглое отверстие – окошко, просверленное в стенке свинцового кубика.

На некотором расстоянии против окошка поместили экран, покрытый сернистым цинком. Когда в лаборатории потушили свет, ученые увидели на экране светящееся зеленоватое пятнышко – след лучей радия, выходящих из отверстия.

Затем к невидимой струйке, вырывавшейся из отверстия в свинцовом кубике, поднесли магнит, и тотчас на экране зеленоватое пятнышко разделилось на части. Вместо одного пятнышка заискрились три. Это наглядно свидетельствовало, что струйка частиц, излучаемая радием, под влиянием магнита распалась на три самостоятельных и разнородных луча (рис. 39).

Рис. 39. Под воздействием магнитного поля поток радиоактивного излучения разделился на три ветки.

Среднее пятнышко осталось на прежнем месте, – очевидно, в излучении радия есть нечто такое, что не имеет электрического заряда и потому не поддается влиянию магнитного поля. Ученые назвали этот вид излучения гамма‑лучами. По своим свойствам гамма‑лучи близки свету или ультрафиолетовым лучам.

Второе пятнышко отошло от среднего положения на очень небольшое расстояние, оно только слегка отклонилось в сторону; это указывало, что масса частиц, образующих второй луч, сравнительно велика. Направление, в котором отклонялись летящие частицы, свидетельствовало об их положительном заряде. Этот поток тяжелых, положительно заряженных частиц ученые назвали альфа‑лучами, а частицы – альфа‑частицами. Они оказались ядрами атомов гелия.

Третья струйка изогнулась точь‑в‑точь так же, как и электронный луч в катодной трубке. Эта струйка состояла из отрицательно заряженных частиц, которые получили название бета‑частиц. После всесторонней проверки выяснилось, что бета‑частицы обладают всеми свойствами электронов, иными словами, они и есть самые обыкновенные электроны.

Этим‑то и объясняется странное явление, которое пришлось наблюдать Кюри, когда они вскрывали ампулы с радиевой солью. Быстрые электроны прорывались сквозь тонкое стекло ампул, а положительный заряд накапливался в ампуле и пробивал стекло, когда Кюри касался его ножом.

Бета‑частицы содержатся в излучении многих радиоактивных элементов. Следовательно, при распаде атомов наряду с другими лучами и частицами возникают также и электроны. Ученые того времени сделали поэтому вывод, что электроны входят непременной частью в состав атомов.[7] Это было необычайно важным открытием. Оно окончательно и бесповоротно доказало, что местообитанием электронов, а может быть даже и их родиной, являются атомы.