§ 212. излучение. Камера Вильсона

Как мы видели, радиоактивные излучения обладают ионизационным и фотографическим действием. Оба эти действия свойственны как быстрым заряженным частицам, так и рентгеновскому излучению, представляющим собой электромагнитные волны. Чтобы выяснить, обладает ли радиоактивное излучение зарядом, достаточно подвергнуть его действию электрического или магнитного поля.

Рассмотрим следующий опыт. В откачанную коробку (рис. 377, а) перед узкой щелью в свинцовой перегородке 2 помещен радиоактивный препарат 1 (например, крупинка радия). Установим по другую сторону щели фотографическую пластинку 3. После проявления мы увидим на ней черную полоску — теневое изображение щели. Свинцовая перегородка, следовательно, задерживает радиоактивные лучи; и они проходят в виде узкого пучка через щель. Поместим теперь коробку между полюсами сильного магнита (рис. 377, б) и снова установим в положение 3 фотопластинку. Проявив пластинку, обнаружим на ней уже не одну, а три полоски, из которых средняя соответствует прямолинейному распространению пучка из препарата через щель.

Рис. 377. Отклонение радиоактивного излучения магнитным полем: а) траектории лучей в магнитном поле (штриховой круг – проекция полюсов магнита; линии поля направлены из-за плоскости чертежа на нас); в) лист бумаги толщиной  полностью поглощает излучение, 1 — радиоактивный препарат, 2 — свинцовый экран, 3 — фотопластинка, 4 — лист бумаги толщины

Таким образом, в магнитном поле пучок радиоактивного излучения разделился на три составляющие, из которых две отклоняются полем в противоположные стороны, а третья не испытывает отклонения. Первые две составляющие представляют собой потоки противоположно заряженных частиц. Положительно заряженные частицы получили название частиц или излучения. Отрицательно заряженные частицы называют частицами или излучением. Магнитное поле отклоняет частицы несравненно слабее, чем частицы. Нейтральная компонента, не испытывающая отклонения в магнитном поле, получила название излучения.

излучения сильно отличаются друг от друга по свойствам, в частности по способности проникать сквозь вещество. Для исследования проникающей способности радиоактивного излучения можно использовать тот же прибор (рис. 377, в). Будем помещать между препаратом 1 и щелью экраны возрастающей толщины, производить снимки в присутствии магнитного поля и отмечать, начиная с какой толщины экрана исчезнут следы лучей каждого рода.

Оказывается, первым исчезает след частиц. частицы полностью поглощаются уже листом бумаги толщины около  (рис. 377, в; 378, а). Поток частиц постепенно ослабляется с увеличением толщины экрана и поглощается полностью при толщине алюминиевого экрана в несколько миллиметров (рис. 378, 6). Наиболее проникающим является излучение. Слой алюминия толщины  почти не ослабляет интенсивности излучения.

Рис. 378. Поглощение радиактивных излучений веществом

Вещества с большим атомным номером обладают значительно большим поглощающим действием для излучения; в этом отношении излучение сходно с рентгеновским. Так,  свинца  ослабляет пучок излучения примерно в два раза (рис. 378, в).

Различие в свойствах излучений наглядно проявляется в так называемой камере Вильсона — приборе для наблюдения путей быстрых заряженных частиц. Камера Вильсона (рис. 379) представляет собой стеклянный цилиндр 1 со стеклянной крышкой, в котором может перемещаться поршень 2. Объем цилиндра над поршнем заполнен воздухом, насыщенным паром воды (или спирта). При резком опускании поршня воздух в камере охлаждается вследствие быстрого расширения. Пар воды становится пересыщенным, т. е. создаются условия для конденсации пара на ядрах конденсации (см. том I, § 300). В качестве ядер конденсации могут служить продукты ионизации воздуха. Ионы поляризуют молекулы воды и притягивают их к себе, облегчая этим конденсацию. Ядрами конденсации могут служить также частички пыли, но при работе с камерой Вильсона воздух в ней тщательно очищают.

Рис. 379. Камера Вильсона (упрощенная схема): 1 – стеклянный цилиндр, 2 — поршень, 3 — осветитель, 4 – фотоаппарат. Воздух над поршнем насыщен паром воды

Пусть пар в камере находится в состоянии пересыщения. Быстрая заряженная частица, пролетая через камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. На каждом ионе оседает капелька, и траектория частицы становится видимой в виде туманного следа. Освещая туманные следы сбоку сильной лампой 3 (рис. 379), можно сфотографировать их через прозрачную крышку камеры. Такие фотографии изображены на рис. 380 и 381. С помощью этого замечательного метода мы имеем возможность наблюдать траекторию полета (след) одной-единственной  или  частицы. Туманные следы существуют в камере недолго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок камеры, и капли испаряются. Чтобы получить новые следы, необходимо удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать воздух поршнем, выждать, пока воздух в камере, нагревшийся при сжатии, охладится, и произвести новое расширение.

Рис. 380. Следы  и частиц в камере Вильсона. Частицы испускаются радиоактивным препаратом, помещенным в нижние части камеры: а) частицы: камер в магнитном поле  направленном перпендикулярно плоскости рисунка от пас; б) частицы: магнитное поле  направлено на нас

Рис. 381. Фотография следов в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле и облучаемой излучением. Вверху - расположение источника: 1 — радиоактивный препарат, 2 — свинцовый экран с щелью,  — пучок излучения

Ценность камеры Вильсона как физического прибора значительно возрастает, если поместить ее в магнитное поле, как это сделали советские физики Петр Леонидович Капица (1894—1984) и Дмитрий Владимирович Скобельцын (р. 1892). Магнитное поле искривляет траектории частиц (рис. 380). Направление изгиба следа позволяет судить о знаке заряда частицы; измерив радиус траектории, можно определить скорость частицы, если известны ее масса и заряд (см. § 198).

Длина следов частиц в воздухе при атмосферном давлении составляет около  и много меньше длины следов большинства частиц. Следы частиц гораздо жирнее следов частиц, что свидетельствует о меньшей ионизующей способности последних.

На рис. 381 представлена камера Вильсона, помещенная в магнитное поле и облучаемая источником излучения. Пучки излучения не отклоняются магнитным полем, и их траектории в камере должны представлять собой прямые линии, исходящие из источника. Таких прямолинейных следов на фотографии нет. Следовательно, излучение не оставляет на своем пути непрерывной цепочки ионизованных атомов. Действие излучения на вещество сводится к редкому выбиванию из атомов электронов, которым за счет энергии квантов сообщается большая скорость; эти электроны затем производят ионизацию атомов среды. Траектории таких электронов, изогнутые магнитным полем, видны на рис. 381. Большинство электронов исходит из стенок камеры.

Отметим в заключение, что большинство радиоактивных веществ излучает только один род частиц — либо частицы, либо частицы. Испускание частиц часто (но не всегда) сопровождается испусканием излучения.