В главе I указывалось на значение ионизации в изучении радиоактивности и упоминалось об электроскопе. В настоящем приложении мы кратко остановимся на одном, уже не применяющемся методе, имеющем, как и электроскоп, только историческое значение. Затем мы перейдем к обзору различных методов, применяемых ныне для наблюдения α-частиц, β-частиц (или позитронов), γ-лучей и нейтронов, и их действий.
СЦИНТИЛЛЯЦИЯ
Ближе всего можно подойти к «видению» атома, если наблюдать яркие вспышки света, производимые α-частицей или быстро летящим протоном при их ударе о флуоресцирующий экран. Для этого необходимо только иметь кусочек стекла, покрытого сернистым цинком, микроскоп с небольшим увеличением, темную комнату, хорошо отдохнувшие глаза и, разумеется, источник α-частиц. Большая часть знаменитых опытов Резерфорда, включая и те, которые упоминались в параграфе 1.17, была связана с «подсчетом» сцинтилляций, но этот метод утомителен и, насколько нам известно, полностью вытеснен электрическими методами.
ПРОЦЕСС ИОНИЗАЦИИ
Когда быстрая заряженная частица (α-частица, или быстрый электрон) проходит через вещество, она разрушает молекулы, с которыми сталкивается, благодаря электрическим силам, действующим между заряженной частицей и электронами в молекуле. Если вещество газообразно, то образовавшиеся в результате столкновений осколки или ионы движутся в разные стороны в электрическом поле; электроны, выбитые из молекул, движутся в одном направлении, а оставшиеся положительные ионы — в другом. α-частица с энергией в миллион электрон-вольт произведет около 18 000 ионизованных атомов, прежде чем остановится, так как в среднем на каждое ионизующее столкновение она затрачивает энергию приблизительно в 60 вольт. Ввиду того, что в процессе ионизации образуются как положительные, так и отрицательные ионы, всего получается 36 000 зарядов, освобождаемых одним быстрым электроном. Так как каждый заряд составляет лишь 1, 6·10-19 кулонов, общий заряд будет около 6·10-15 кулонов — величина все же весьма малая. При помощи наилучшего гальванометра можно измерить заряд около 10–10 кулонов. Чувствительность электрометра может быть доведена примерно до 10-16 кулонов, но электрометр — прибор, чрезвычайно неудобный для применения.
α-частица производит примерно такое же количество ионов, как и β-частица. Она быстрее останавливается, зато производит более значительное количество ионов на единицу длины пробега. γ-лучи в качестве ионизатора значительно менее эффективны. Благодаря комптоновскому рассеянию или фотоэлектрическому эффекту, γ-лучи вырывают из молекулы электрон, и эти вторичные электроны обладают достаточной энергией для того, чтобы вызывать ионизацию. Нейтрон, как говорилось выше, вызывает ионизацию лишь косвенно — осколками расщепляемых ядер или ядрами отдачи при упругих соударениях.
Если нам надо обнаружить ионизующее действие частиц, мы должны, очевидно, воспользоваться результирующим эффектом, вызываемым большим количеством этих частиц, или иметь очень чувствительные способы измерения электрических токов.
ЭЛЕКТРОСКОП
Электроскоп показывает, насколько непосредственно окружающий его воздух сделался электропроводным в результате образования в нем ионов.
Простейший электроскоп представляет собою золотой листочек длиной в несколько сантиметров, подвешенный на петле к вертикальному изолированному стержню. Когда стержень заряжается, золотой листочек, сложенный вдвое, получает тот же заряд, и оба его конца расходятся на некоторый угол вследствие отталкивания одноименных зарядов. По мере того, как заряд уменьшается, листочки постепенно опадают, и скорость их спадания является мерой проводимости окружающего воздуха.
Более надежный электроскоп был придуман К.К. Лауритсеном, который заменил золотой листочек кварцевой нитью. Вместо силы тяжести, в качестве восстанавливающей силы, он пользовался упругостью нити. Проводимость нити достигается тонким металлическим покрытием. Прибор заряжается, и нить, после первоначального отклонения, постепенно возвращается в исходное положение. Положение нити отмечается при помощи небольшого микроскопа.
Эти приборы могут изготовляться переносными, прочными и достаточно чувствительными. Они являются обычными стандартными приборами для определения интенсивности γ-излучения и, в частности, для предупреждения опасного облучения.
ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ
Ионизационная камера измеряет полное число произведенных в ней ионов. Она обычно состоит из двух плоских электродов, между которыми создается электрическое поле, достаточно сильное для того, чтобы притягивать к электродам все ионы прежде, чем они успеют рекомбинировать, но недостаточно сильное, чтобы производить вторичные ноны, как это имеет место в некоторых приборах, описанных ниже.
Применяя чувствительный усилитель, с помощью ионизационной камеры можно измерить даже ионизацию, вызываемую отдельной α-частицей. Ионизационная камера может применяться, подобно электроскопу, для измерения полной величины ионизации, происходящей за определенный промежуток времени.
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЕ СЧЕТЧИКИ
Хотя с помощью ионизационной камеры и можно отмечать отдельные α-частицы, гораздо удобнее заставить возникающие первоначально ионы производить другие ионы в той же области электрического поля; от усилительного контура при этих условиях потребуется меньшая чувствительность.
В пропорциональном счетчике один из электродов представляет собой тонкую проволоку, натянутую по оси полого цилиндра, являющегося вторым электродом. Проволока создает вблизи себя сильное электрическое поле даже при сравнительно небольших разностях потенциалов между нею и другим электродом. Это сильное поле быстро ускоряет первичные ионы, образованные α- или β-частицей или фотоном, а эти ускоренные первичные ионы (в частности, электроны) производят в свою очередь вторичные ионы в газе, которым заполнен счетчик, так что импульс тока значительно увеличивается.
Такие счетчики можно сконструировать и применять так, чтобы общее число образовавшихся ионов было пропорционально числу первичных ионов. После усиления импульс тока можно наблюдать при помощи осциллографа; величина импульса будет пропорциональна ионизации, создаваемой первоначальной частицей. При таком способе весьма легко различать α-частицы, β-частицы и фотоны, а усилитель можно так конструировать, чтобы отсчитывать только импульсы, превосходящие заданную величину. Таким образом, пропорциональным счетчиком можно подсчитать α-частицы на фоне β-частиц, и даже можно регистрировать α-частицы, имеющие энергию, большую определенной величины.
СЧЕТЧИКИ ГЕЙГЕРА-МЮЛЛЕРА
Если в пропорциональном счетчике повышать напряжение, наступает момент, когда первичные ионы, получившиеся от одиночной α-частицы, β-частицы или фотона, не только умножат число первичных ионов в объеме своего образования, но и вызовут разряд во всем счетчике. Происходящее здесь явление напоминает действие спускового крючка огнестрельного оружия. Сила тока через счетчик не зависит от числа первично образовавшихся ионов; более того, ток продолжался бы бесконечно, если бы не были предприняты меры для его погашения. Погашение может быть достигнуто такой электрической схемой, в которой напряжение будет падать, как только пройдет ток; можно также для погашения тока пользоваться смесью газов в счетчике, которые «отравляют» поверхность электрода, как только происходит разряд, тем самым временно препятствуя дальнейшей эмиссии электронов. Можно комбинировать и оба метода. Счетчик Гейгера-Мюллера был построен раньше, чем пропорциальный счетчик, и остается самым чувствительным прибором для обнаружения ионизующего излучения, но все его функции сводятся к «подсчету» любого ионизующего излучения, проходящего через счетчик, будь то α-частицы, протоны, электроны или фотоны.
ИЗМЕРЕНИЯ О ПОМОЩЬЮ СЧЕТЧИКОВ
Одно дело излагать различные принципы ионизационных камер, счетчиков и т. п., другое дело — конструировать их и успешно ими пользоваться. Стенки камеры счетчика должны позволять частицам проникать в счетчик. Для γ-лучей это проблема второстепенная, но для сравнительно медленных электронов, позитронов и α-частиц стенки должны быть весьма тонкими или иметь тонкие окна.
Существует большое разнообразие в деталях самих счетчиков, в промежутке между электродами и размерах электродов, в природе газа, заполняющего камеру, в его давлении и т. д.
Истолкование получаемых с помощью счетчика результатов не просто. Следует учитывать влияние поглощения стенками счетчика и любыми внешними поглотителями, следует учитывать геометрию счетчика по отношению к источнику для того, чтобы иметь возможность из отсчета найти фактическое число ядерных процессов, и, наконец, что иногда весьма важно, должны быть приняты во внимание статистические отклонения, так как все ядерные реакции подчиняются законам теории вероятностей.
КАМЕРА ВИЛЬСОНА
Существует метод наблюдения ядерных частиц, который тоже основан на их ионизующем действии, но не является электрическим. В этом методе использован тот факт, что перенасыщенный пар легче конденсируется на ионах, чем на нейтральных молекулах. Если воздух, насыщенный водяными парами, охлаждать путем расширения сейчас же после прохождения через него α-частицы, на ионах, образованных α-частицей, осаждаются крошечные капельки воды. Они достаточно сильно рассеивают яркий свет, так что можно видеть или фотографировать действительный путь α-частицы.
Этот метод, разработанный К.Т. Вильсоном в Кембридже (Англия) примерно в 1912 году, оказался чрезвычайно плодотворным в изучении поведения отдельных частиц: α-частиц, протонов, электронов, позитронов, мезотронов, фотонов и быстрых атомов, получающихся от столкновений с α-частицами, протонами или нейтронами. В отличие от метода сцинтилляций, применявшегося наряду с данным методом много лет, метод Вильсона не превзойден до сих пор и все еще широко применяется; особенно он полезен для изучения деталей столкновений между ядерными частицами и атомами.
ФОТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД
Пути отдельных частиц, проходящих через вещество, можно также наблюдать в фотографической эмульсии, но длины пробега так малы, что приходится прибегать к микроскопу. На пути движения частиц образуются прямолинейные группы зерен, хорошо различимые в микроскоп. Этот метод наблюдения фактически не требует никакого оборудования, но он утомителен, и применимость его ограничена. Общим потемнением фотографической пленки можно пользоваться для измерения общей интенсивности излучений. Эти пленки применялись как дополнение к электроскопам, или вместо них, в технике безопасности во многих частях Проекта.
НАБЛЮДЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ НЕЙТРОНОВ
Ни один из описанных методов не может быть непосредственно применен к нейтронам. Однако, заряженные частицы, вызываемые нейтронами, дают возможность и в этом случае использовать электрические методы. Заряженные частицы образуются нейтронами в результате упругих соударений с ядром и ядерных реакций. Как уже говорилось, быстрый нейтрон, проходя сквозь вещество, иногда приближается к атомному ядру настолько близко, что сообщает ему большой импульс и энергию. Ядро при этом становится быстрой заряженной частицей, способной вызвать ионизацию в ионизационной камере, счетчике или камере Вильсона. Если скорость мала (тепловые нейтроны), ядро, воспринявшее удар, не будет обладать энергией, достаточной для ионизации. Однако, тепловой нейтрон при своем поглощении может вызвать расщепление ядра с выделением энергии и ионизацией. Таким образом, для обнаружения быстрых нейтронов имеется выбор между упругим столкновением и ядерной реакцией; для обнаружения же тепловых нейтронов могут служить лишь вызываемые ими ядерные превращения.
Наиболее употребительной реакцией является 5B10(n, α)3Li7. Выделяющиеся в ней 2, 5 MeV энергии, которые распределяются между α-частицей и ядром 3Li7 достаточны для осуществления ионизации. Превращение ядра бора под действием нейтрона происходит в ионизационной камере или пропорциональном счетчике, наполненных газообразным трехфтористым бором.
Один из наиболее ценных методов измерения плотности нейтронов при помощи ядерных реакций связан с искусственной радиоактивностью. Листочек фольги из материала, который делается радиоактивным под действием бомбардировки нейтронами, помещается в то место, где желательно измерить интенсивность нейтронов. Через определенный промежуток времени листочек удаляется, и его активность измеряется электроскопом или счетчиком. Степень вызванной в нем активности служит мерой количества нейтронов, которые были поглощены. Недостаток этого способа в том, что он не дает мгновенного показания, как ионизационная камера или счетчик.
Одним из самых интересных методов, разработанных при осуществлении Проекта, является использование реакции деления урана для обнаружения нейтронов. При помощи разделенных изотопов урана можно регистрировать отдельно быстрые и медленные нейтроны.
Так как вероятность взаимодействий нейтрона с ядром различна для каждой реакции и зависит от скорости нейтрона, перевод отсчетов или измерений тока в числа и скорости нейтронов значительно труднее, чем для других ядерных частиц. Не следует удивляться, если два искусных исследователя дают различные значения для одной и той же ядерной постоянной. Лишь путем тщательного сравнения и истолкования ряда тонких и взаимно связанных экспериментов удается отделить основные факты от случайных погрешностей опытов.