Переход:.....Назад

Количество бета-частиц из радия Е
К. Дж. Эмелеус, студент колледжа Святого Джона из г. Хатчинсон
(представлена профессором сэром Э. Резерфордом)
[Корректура от 19 мая 1924 г.]

Когда радиоактивный элемент распадается с испуканием бета-лучей, причем не испытывая других видов распада, можно ожидать, что при распаде каждого атома испускается по крайней мере одна бета-частица: одна частица вылетает из ядра, а другие, возможно, возникают при поглощении сопутствующего гамма-излучения системой орбитальных электронов атома . Для радия В и радия С, измеряя заряд, приобретаемый камерой, облучаемой бета-излучением от известного количества радиоактивного вещества, а также по скорости возрастания положительного заряда самих бета-источников, изолированных от камеры, Мозли [1] (Moseley, Proc. Roy. Soc., A., 87,230, 1912) сделал вывод, что из каждого распадающегося атома испускается около 1,1 бета-частиц. Дениц и Дуэйн [2] (J. Denysz and W. Duane, C. R., 155, 500, 1912) , пользуясь аналогичным методом, обнаружили, что радий В и радий С вместе взятые дают по крайней мере три бета-частицы. Однако Мозли [1] (Moseley, Proc. Roy. Soc., A, 87, 230, 1912) обнаружил, что радий Е, по всей вероятности, испускает немного меньше, чем 0,5 бета-частиц и отметил, что этот необычный результат, похоже, находится в согласии с некоторыми ионизационными измерениями Гейгера и Коварика [3] (H. Geiger and Kovarik, Phil Mag., (6), 22, 604, 1911). Для объяснения этих результатов он предположил, что радий Е испускает мягкие лучи, которые не обнаруживаются в его экспериментах. С другой стороны Хан и Мейтнер [4] (Hahn and Meitner, Phys. Z., 9, 321, 697, 1908) сфотографировали   магнитный спектр радия Е и обнаружили частицы в широком диапазоне значений от Hr =5000 до Hr =1600 при максимальной интенсивности в области Hr =2100: результат, подтвержденный недавно в неопубликованных работах Боута, в которых использовался фотографический метод регистрации, и Меджвика, использовавшего электрический метод. И даже если, что кажется вполне возможным, диапазон продолжается в область меньших значений Hr , чем определено при первых измерениях, интенсивность частиц в этом диапазоне ничтожна. Поэтому объяснение Мозли выглядит неправдоподобным.

Мозли столкнулся со значительными трудностями в экспериментах с радием Е потому, что он вынужден был измерять очень малые токи. Поэтому вполне возможно, что его результат был менее точным, чем он его считал. В настоящем исследовании частицы регистрировались индивидуально при помощи электрического счетчика [5] (H. Geiger, Phys. Z., 14, 1129, 1913), т.е. использовался более чувствительный метод. И это исследование показывает, что из каждого распадающегося атома испускается около одной бета-частицы.

Для исследования можно использовать два метода. В первом из них берется сильный источник из чистого радия Е и определяется его бета-активность. Затем после полного распада по альфа-активности получающегося радия F по известным коэффициентам превращения можно вычислить первоначально имеющееся в источнике количество радия Е. К сожалению, уменьшить исходное количество радия F, что позволило бы произвести точное определение последующего увеличения его количества, не удалось. Скорость распада радия F составляет около 1/30 части от скорости распада радия Е. Поэтому если, например, в равновесии с радием Е в источнике находилось только 3% радия F, эти три процента дадут почти такое же количество альфа-частиц, которое будет излучаться радием F, получающимся при распаде радия Е.

Во втором методе, который и использовался в процессе исследования, эти два вещества берутся в равновесии. Тогда скорости их распада одинаковы и отношение числа бета-частиц к числу альфа-частиц дает число бета-частиц, рождающихся при распаде одного атома радия Е, конечно в предположении, что при распаде одного атома радия F испускается одна альфа-частица.

Использованное при исследовании устройство показано на рис. 1. Счетчик (С) состоял из латунной трубки длиной 3,5 см и диаметром 1,5 см, отполированной изнутри. Частицы проникали в него через слюдяное окошко, толщина которого эквивалентна толщине 8 мм воздуха при нормальных температуре и давлении для альфа-частиц. Это окошко перекрывало отверстие диаметром 0,5 мм в платиновом листе толщиной 0,8 мм. Этот платиновый лист крепился воском к трубке счетчика так, что отверстие находилось в центре трубки. Игла счетчика была из платины и ее кончик располагался точно по центру трубы счетчика на расстоянии 1 см от слюды. Игла была впаяна в латунный стержень, изолированный от корпуса счетчика (трубы) эбонитовым изолятором. Игла была соединена электрически с нитью струнного электрометра (G) и соединена с землей через сопротивление величиной около 10³ мегаом. Корпус счетчика соединялся с положительным выводом генератора, способного давать до 3000 вольт. Попадание альфа-частицы или бета-частицы в счетчик вызывало возникновение разряда между острием иглы и корпусом счетчика, который приводил к мгновенному изменению потенциала иглы, что фиксировалось по отклонению нити [fibre] электрометра.

(Примечание Мамаева А. В.: Если читатель посмотрит на рис. 2 ниже, он увидит, что фиксировались альфа- и бета-частицы с интенсивностью 33 частицы в минуту (точка Р), то есть примерно одна частица в 2 секунды. Но инерционность самого прибора (электрометра) механического типа достаточно велика. Поэтому это "мгновенное" изменение потенциала иглы существенно ухудшалось инерционностью прибора механического типа и если, например, нить электрометра успевала отклониться за 1 секунду, то из средних 2-х секунд между  двумя следующими друг за другом отклонениями прибор не в сотоянии был отреагировать на половину возникавших "мгновенных" изменений потенциометра иглы. О каком доверии к такому эксперименту тогда может идти речь?)

Источник (S) был закреплен на оси стеклянной трубки длиной 14 см и диаметром 5 см, находящейся между полюсами электромагнита, способного создавать поле до 500 гаусс. Конец стеклянной трубки, находящийся у счетчика, был закрыт латунной чашкой (D) с центральным отверстием диаметром 4 мм. Это отверстие было перекрыто слюдой с эквивалентной толщиной 1,2 см  воздуха. Второй конец стеклянной трубки заканчивался латунным фланцем (F) и мог закрываться плоской латунной плитой Р с трубой (Q). Перед источником S находилась латунная диафрагма, припаянная к основанию источника. Отверстие в диафрагме было небольшим, что предотвращало попадание в счетчик бета-лучей, однократно отраженных от стенок стеклянной трубки. Для уменьшения отражений края отверстия в чашке D и в диафрагме были выполнены конусообразными, так что вершина конуса была направлена в сторону источника. На латунной раме, привинченной к чашке D, через изолятор крепился счетчик С. Между счетчиком С и чашкой D размещалось латунное колесо W, при вращении которого траектория частиц проходила либо через слой металла толщиной 2 мм, либо через слой слюды различной толщины. Как колесо, так и чашка D заземлялись, а торец счетчика располагался на таком минимальном удалении от колеса, чтобы еще не возникало искрение. Вследствие этого путь частицы в воздухе составлял 0,45 см.

В качестве источника S использовалась часть стеклянной трубки, в которой в течение 3-х лет содержалась эманация. Она разбивалась на мелкие кусочки, которые и крепились на латунном стержне с латунным основанием. Основание с источником и диафрагмой вдвигалось в стеклянную трубку, которая затем закрывалась и откачивалась через трубу Q сначала при помощи масляного насоса, а затем при помощи древесно-угольной жидкостной воздушной трубки [charcoal-liquid air tube]. Активный материал этого источника содержал радий D + E + F, причем количество двух последних составляющих не превышало 2% в равновесном отношении [6] (St. Meyer and E. v. Schweideler, Radioaktivitat, p. 365). В дополнение к бета-излучению радия Е имеется бета-излучение радия D, но Мейтнер [7] (Meitner, Phys. Z., 16, 272, 1915) показала, что оно очень мягкое – с коэффициентом поглощения в алюминии, равным m =5500 см^-1, хотя ее результаты и не отрицают возможность существования небольшого количества более проникающего излучения. Из  всех трех веществ имеется также и небольшое гамма-излучение, главным образом, мягкое, но его количество ничтожно мало. Таким образом, применительно к целям настоящего исследования источник можно рассматривать как состоящий из радия Е и радия F в равновесии.

При предварительных экспериментах было обнаружено, что количество регистрируемых счетчиком частиц быстро увеличивалось при увеличении потенциала от 1200 до 1550 вольт, но только на 3% при увеличении потенциала от 1580 до 1740 вольт. При 1800 вольтах острие иглы часто разряжалось без видимых внешних причин. В эксперименте использовался потенциал 1740 вольт, а при частых перерывах в опытах подсчитывалось число ложных срабатываний, т.е. число разрядов, когда на пути бета-лучей располагалась металлическая часть колеса W. Они были вызваны в основном гамма-лучами и икс-лучами от других частей здания. Использование свинцовых экранов позволило уменьшить число ложных срабатываний до 1 – 2 в минуту.

В начале опыта подсчитывалось число срабатываний счетчика при таком положении колеса, когда частицы проходили сквозь воздух. Это было общее количество альфа-частиц от радия F и бета-частиц от радия Е, поступающих в счетчик за данное время. Затем включалось магнитное поле величиной 350 гаусс для отклонения бета-частиц. Альфа-частицы не испытывали значительных отклонений и их число определялось по количеству срабатываний счетчика при втором подсчете. Поле в окрестности счетчика было менее 12 гаусс и это было подтверждено в дополнительном эксперименте, чтобы не повлиять на количество обнаруживаемых альфа-частиц. Полное отклонение бета-частиц было подтверждено размещением на пути частиц перед счетчиком слюдяной пластины с эквивалентной толщиной 1,6 см воздуха, когда ничего, кроме обычных ложных срабатываний, не обнаруживалось. В конце эксперимента был проведен ряд подсчетов при различной толщине слюдяных пластин на пути частиц и при отсутствии магнитного поля. Это осуществлено с той целью, чтобы показать несомненное наличие поглощения бета-лучей веществом, располагающимся между источником и счетчиком.

[Примечание Мамаева А. В.: Очень интересно то, как именно подсчитывалось количество одних бета-частиц. Ведь если магнитное поле отключено, то на счетчик Гейгера поступают и бета-частицы, и альфа-частицы. Если же магнитное поле включено, то на счетчик Гейгера поступают одни только альфа-частицы (A field of 350 gauss was then applied to deflect the b-particles. The a-particles were not appreciably affected and their number was found by a second count.) Не вызывает доверия такой эксперимент!]

Эти результаты приведена ны рис. 2, где N – число бета-частиц, регистрируемых счетчиком за одну минуту (после учета ложных срабатываний); t – общее количество поглощающего материала на пути частиц, выраженное в эквивалентных сантиметрах воздуха для альфа частиц. Кружками показаны зафиксированные в эксперименте значения. Крестом показано количество бета-частиц при нулевом поглощении, вычисленное методом логарифмической экстраполяции. Точка Р – результат первого подсчета, когда частицы проходят через воздушный зазор в колесе и при выключенном магнитном поле.

Каждым 17,1 альфа-частицам от источника соответствует 24,5 бета-частиц. Не все из последних были первоначально испущены по направлению к счетчику. Некоторые были испущены в противоположном направлении и изменили направление своего движения на обратное в стекле источника.

Используя электрический счетчик измерено число альфа-частиц и бета-частиц от источника из радия D, а также радия Е и радия F в состояния равновесия: обнаружено, что после введения поправки на отражение в источнике их число примерно одинаково. В соответствии с ранее проведенным исследованием по поглощению бета-частиц бета-частицы, испускаемые радием D не будут обнаруживаться в условиях настоящего эксперимента. При этом предположении наблюдаемое бета-излучение вызвано распадами радия Е, а так как он находится в состоянии равновесия с радием F, отсюда следует, что около одной бета-частицы испускается на один распадающийся атом радия Е.

[1]. Moseley, Proc. Roy. Soc., A., 87, 230 (1912).
[2]. J. Danysz and W. Duane, C. R. 155, 500 (1912);  Sill. J., (4), 35, 295 (1913);   J. Danysz, Theses, Univ. Paris (1913).
[3]. H. Geiger and Kovarik, Phil. Mag., (6), 22, 604 (1911).
[4]. Hahn and Meitner, Phys. Z., 9, 321, 697 (1908).
[5]. H. Geiger, Phys. Z., 14, 1129 (1913).
[6]. St. Meyer and E. v. Schweidler, Radioaktivitat, p. 365.
[7]. Meitner, Phys. Z., 16, 272 (1915).
[8]. Kovarik, Phil Mag., 20, 849 (1910).
[9]. Kovarik and McKeehan, Phys. Z., 15, 434, (1914). Оригинал этой статьи можно скачать отсюда Kovarik.zip (1.7 MB), а перевод ее на русский язык можно прочитать здесь Коварик & Маккихен "Поглощение и отражение бета-частиц при измерениях методом прямого счета".

Переход:.....Назад