Наиболее простым по идее способом является фотографический. Ведь альфа-частица вызывает заметное действие не только тогда, когда она падает на флюоресцирующий экран, но и тогда, когда она падает на фотографическую пластинку.
Треки ос-частиц: а) наблюдается две группы альфа-частиц, излучаемых торием, с пробегами (в воздухе) в 8,6 и 4,8 см; фото Чедвика; б) альфа-лучи от точечного источника полония; фото Ирэн Жолио-Кюри.
В 1910 году японец Киносита внимательно изучил действие отдельных альфа-частиц на фотографическую пластинку и нашел, что каждая альфа-частица вызывает заметное почернение того зернышка светочувствительного слоя, на которое она упала. После того, как пластинка проявлена, можно сосчитать под микроскопом количество почерневших зернышек, и это даст число альфа-частиц, упавших на пластинку. Можно поступить и так: дотронуться до какого-нибудь места светочувствительного слоя острием иголки, которым мы предварительно коснулись радиоактивного препарата. Сейчас же некоторое ничтожное и совершенно невидимое количество радиоактивных атомов перейдет на фотографическую пластинку. Эти атомы станут испускать во все стороны альфа-частицы. Некоторые из альфа-частиц полетят в самой плоскости пластинки, пронизывая одно зерно светочувствительного слоя за другим. Если через некоторое время проявить пластинку, то на ней будут явственно видны следы промчавшихся альфа-частиц в виде лучей, расходящихся во все стороны от того места, до которого мы дотронулись иголкой.
Фотографический метод не очень удобен на практике и потому не получил большого распространения. Гораздо удобнее оказался другой метод — электрический, который был изобретен в 1908 году Резерфордом и его помощником Гейгером.
Идея этого способа заключается в следующем. Мы знаем, что каждая альфа-частица, влетевшая в какой-нибудь сосуд с газом, производит в этом газе ионизацию, отрывая электроны от молекул газа, с которыми она сталкивается, и превращая эти молекулы в ионы. При таком столкновении, как нетрудно сообразить, возникает сразу пара заряженных частиц — одна частица заряжена положительно, а другая отрицательно — пара ионов, как принято говорить. Число ионов, образуемых каждой альфа-частицей, очень велико. Мы знаем, например, что альфа-частица, летящая со скоростью 19 220 км/с[4], производит в воздухе двести тысяч пар ионов на каждом сантиметре своего пути. Но, как ни велико число этих ионов, оно все-таки слишком мало для того, чтобы их можно было непосредственно обнаружить. Необходимы необыкновенно чувствительные приборы, чтобы удалось измерить электрический ток, образуемый несколькими сотнями тысяч движущихся элементарных электрических зарядов. В 1908 году таких чувствительных измерительных приборов вовсе не было. Лишь в 1928 году немецкому физику Гофману удалось построить такой прибор, и то он настолько капризен и чувствителен к малейшим влияниям (дохнешь на него — и он уже расстроился), что работать с ним весьма затруднительно. Резерфорд и Гейгер и не стали стремиться к тому, чтобы непосредственно обнаружить ионы, образуемые отдельной альфа-частицей. Они сообразили, что можно усилить ионизующее действие альфа-частицы, если в том сосуде с газом, через который она пролетает, будет сильное электрическое поле: в этом электрическом поле каждый ион, образовавшийся в результате действия альфа-частицы, получит большую скорость и, сталкиваясь с другими молекулами газа, сам в свою очередь произведет множество новых ионов; эти последние тоже разгоняются в сильном поле, и каждый из них снова образует много других ионов и т. д., и т. д.
Ионизация будет расти как лавина, и поэтому ее легко будет обнаружить даже и не слишком чувствительными приборами.
Счетчик альфа-частиц, сконструированный Резерфордом и Гейгером в 1908 году, был устроен так. По оси длинного латунного цилиндра (25 см длины, 1,77 см в диаметре) проходит проволока. Эта проволока изолирована от цилиндра, потому что она входит в цилиндр и выходит из него через специальные эбонитовые изоляторы. Из цилиндра слегка откачивается воздух (опыт показал, что ионизационная лавина лучше всего образуется в воздухе, когда давление равно нескольким сантиметрам ртутного столба). Посредством батареи аккумуляторов, один полюс которой заземлен, а другой соединяется со стенками латунного цилиндра, создается сильное электрическое поле между стенками цилиндра и проволокой. Проволока соединена с чувствительным прибором, измеряющим ток. В одном из эбонитовых изоляторов сделано маленькое отверстие для впуска альфа-частиц, прикрытое тончайшим слюдяным листком. Как только альфа-частица влетает внутрь цилиндра и ионизует в нем воздух, каждый из образовавшихся ионов сейчас же разгоняется сильным электрическим полем, существующим между проволокой и стенками цилиндра, и начинает производить новые ионы. Лавина растет и развивается, как было описано выше. В результате этого от стенок цилиндра к проволоке идет заметный электрический ток, попадающий в чувствительный электрометр, с которым соединена проволока. Нить электрометра вздрагивает каждый раз, когда в него попадает ток, и все ее движения записываются на кинопленке, движущейся перед электрометром. Такое устройство позволило Резерфорду и Гейгеру отмечать прохождение отдельных альфа-частиц через прибор даже и тогда, когда число альфа-частиц достигало тысячи в минуту.
Впоследствии Гейгер, уже независимо от Резерфорда, разработал и усовершенствовал этот счетчик. «Счетчик Гейгера — Мюллера», представляющий дальнейшее усовершенствование описанного здесь счетчика Резерфорда и Гейгера, является одним из наиболее замечательных и чувствительных приборов современной физики. Но мы не будем описывать его устройство подробно, потому что его основная идея такая же, как у счетчика Резерфорда и Гейгера. Заметим только, что счетчик Гейгера — Мюллера очень чувствителен не только к влетающим в него альфа-частицам, но и к быстрым электронам, и к другим частицам.
Рассмотрим теперь и третий, наиболее замечательный способ «видеть атомы» — способ конденсации водяных паров, придуманный английским физиком Ч. Т. Р. Вильсоном. Этот способ замечателен тем, что он позволяет не только обнаруживать отдельные быстро движущиеся заряженные атомы и электроны, но и видеть и изучать те пути, по которым эти частицы движутся. Основная идея состоит в следующем.
Если в воздухе находятся пары воды или какой-нибудь другой жидкости (например, пары спирта), то они сейчас же превратятся в жидкость, если только достаточно сильно их охладить. Очень простой способ охлаждения заключается в том, чтобы очень быстро увеличить объем сосуда, в котором находятся эти пары. Можно сделать, например, так: устроить камеру в виде трубы, по которой ходит поршень. Если быстро выдвинуть этот поршень, то воздух с водяным паром, находящийся в камере, сразу расширится, а его температура сейчас же упадет. При этом водяной пар превратится в мельчайшие водяные капельки, рассеянные по камере в виде тумана.
Изучая образование этого тумана, Вильсон обнаружил замечательный факт. Он нашел, что туман образуется не всегда. Если пространство в камере совершенно чисто и не содержит даже микроскопических пылинок, то, несмотря на сильное охлаждение камеры при выдвигании поршня, туман не образуется. Водяной пар остается паром, остается, как физики говорят, в переохлажденном состоянии. Но если в камере есть микроскопическая пыль, то пар превращается в жидкость, и притом тем охотнее, чем этой пыли больше. Изучив это явление ближе, Вильсон пришел к заключению, что каждая микроскопическая пылинка является тем центром, вокруг которого происходит конденсация (сгущение, превращение в жидкость) водяного пара. Вокруг каждой микроскопической пылинки образуется капелька воды. Но не только пылинки, плавающие в воздухе, могут служить такими центрами конденсации. Если в воздухе некоторое количество молекул ионизовано, т. е. если в нем есть некоторое число электронов и заряженных электричеством молекул (ионов), то конденсация пара происходит совершенно так же, как если бы там была микроскопическая пыль. Выходит, что не только крохотные твердые пылинки могут служить центрами конденсации, но и ионы (электроны и заряженные молекулы). Водяной пар может оседать на эти ионы, обволакивая их капельками воды. Если в каком-нибудь пространстве содержится переохлажденный водяной пар, который хотел бы сгуститься в жидкость, но не может вследствие отсутствия подходящих центров конденсации, то стоит только образовать в этом пространстве достаточно большое количество ионов (например, рентгеновскими лучами), как пар сейчас же оседает на этих ионах и возникает туман. По-видимому, образование тумана и дождевых капель в нашей атмосфере тоже связано с наличием в воздухе пыли и ионов.
В 30-е годы были проделаны многочисленные опыты, цель которых была — ускорить образование дождевых капель путем разбрасывания с самолета заряженного песка или заряженной пыли. Хотя эти опыты и не дали ценных для сельского хозяйства результатов (такой «искусственный дождь» над большой территорией потребовал бы слишком больших затрат), тем не менее действительно оказалось, что вокруг заряженных пылинок образуются дождевые капли. Этот механизм возникновения капелек дождя и мельчайших капелек тумана, исследованный Вильсоном еще в 1893 году, помог ему в 1911 году построить прибор, позволяющий «видеть атомы».
Идея Вильсона очень проста. Альфа-частица (или другая заряженная быстро движущаяся частица) влетает в камеру, в которой находится воздух с водяным паром. На пути этой частицы образуется большое количество ионов. Если очень быстро увеличить объем камеры (например, выдвигая поршень), то водяной пар охладится и сразу же осядет на ионах, которые густо усеивают путь прошедшей заряженной частицы. Вокруг каждого иона образуется крошечная капелька, но так как ионов очень много, то капельки сольются в целое ожерелье капелек, в длинную струйку воды. Эту струйку можно будет просто увидеть глазом, и можно будет, если мы только захотим, сфотографировать. Мы увидим «туманный след», который точно воспроизвод