Как радиация помогла измерить число Авогадр
Вы уже знаете, что I моль вещества содержит огромное число частиц - примерно 6 ¦ 102-атомов, ионов или молекул. Как же удалось их подсчитать? Методов определения числа Авогадро было придумано много, по ТОЛЬКО один из первых методов был основан на прямом подсчете атомов.
Конечно, полное число атомов в моле вещества не сосчи- тать лаже за все то время, что существует человечество. Но, во-первых, можно считать атомы не в моле, а в небольшой его части, а во-вторых, считать не все атомы, а только небольшую, но заранее известную их часть. Однако начнем по порядку.В 1903 году один из наиболее талантливых физиков-экспериментаторов XX века Эрнест Резерфорд (1871 — 1937) показал, что открытый незадолго до этого новый химический элемент радий испускает положительно заряженные частицы, летящие с большой скоростью. Необходимо было выяснить, много ли таких частин (их назвали альфа- частицами) испускает радий за 1 секунду. Как это сделать? В 1908 году Резерфорд выяснил это очень остроумным способом: в работе ему помогал молодой немецкий физик Ханс Гейгер (1882—1945), именем которого назван счетчик радиоактивного излучения. Для работы они использовали простой прибор, названный спинтарископом. В нем имеется маленькая стеклянная пластинка, покрытая специальным составом - люминофором. Если в темноте к пластинке с люминофором поднести близко радий или какое-либо его химическое соединение, покрытие начнет ярко светиться. Чем меньше радия в образце и чем дальше он расположен от пластинки, тем слабее свечение. Но самое удивительное открывается взгляду, если смотреть на пластинку через сильное увеличительное стекло, а лучше — в микроскоп: вместо равномерного свечения будут видны то там, то тут отдельные яркие вспышки. которые гут же гаснут (рис. 7.6). Впечатление такое, как будто на фоне черного неба видно множество вспыхивающих и гаснущих звезд. Зрелище незабываемое!
Рис.
7.6. Так выглядяз вспышки на жране от попавших в пего альфа-частицЭто явление объясняется тем, что каждая альфа-частица, достигшая люминофора, вызывает в нем кратковременную вспышку света. Если частиц много, то и вспышек будет много. Если же частиц мало, то вспышки будут редкими, и их вполне можно будет сосчитать. Каждая вспышка сигнализирует о том, что распался один атом радия, на основании чего Резерфорд заключил: «Впервые в истории стало возможным регистрировать отдельные атомы вещества».
В этом и состояла идея: сосчитать число альфа-частиц, попадающих на пластинку за определенное время на определенном расстоянии от источника излучения, а затем рассчитать общее число частиц, вылетающих из образца. Для этого в лаборатории Резерфорда изготовили прибор.
і 2 з 4 который он назвал «стреляющей
nj^L / \ / трубкой» (рис. 7.7). Крошечное ко-
Ij^S— — \ ^ личество радиоактивного вещества
+ б s (оно содержало всего 0,055 мг радия) поместили на кончик иголки, ук-
Рис. 7.7. Прибор для определения рс плен ной на одном конце трубки.
скорости распада радия: На другом конце трубки на расстоя- / пробка е укрепленным на острие
радиоактивным образцом; - вакууми- НИИ 1,5 М бЫЛО МЭЛеНЬКОе ОТВЄрСТИЄ
рованная стеклянная трубка; 3 - калиб- диаметром 1,25 ММ, через КОТОрОС
роминое отверстие ш конце короткой альфа-частицы вылетали из трубки части трубки; 4 - увеличительное стекло;
5 - стеклянная пластинка со слоем люми- » ТУТ ^ Ударялись О ПЛЗСТИ НКу С ЛЮ-
нофора (со стороны отверстия); б - лис- МИНОфОрОМ, ЧТО сопровождалось
точек слюды, закрывающий отверстие; вспышкой. Для успешного проведе-
7- откачка воздуха насосом " _
ния этого опыта требовалась полная темнота, поэтому экспериментатору приходилось заранис провести не меньше часа в темном помещении, чтобы его зрение стало более чувствительным, а сл едо вател ь но, бо л е е вое п р и и мчи вы м к с л а б ы м в с п ы ш - кам света. Физиологи знают, что привыкание (адаптация) глаза к темноте в тысячи раз повышает его чувствительность.
Но это была не единственная и не главная трудность в эксперименте.
Оказалось, что альфа-частицы, испускаемые радием, пролетают в воздухе всего несколько сантиметров: им «мешают» лететь по прямой молекулы азота и кислорода в воздухе. Значит, надо было с помощью насоса удалить воздух из трубки, т. е. создать в ней вакуум. А как это сделать, если в трубке на другом ее конце имеется отверстие? Через него воздух будет быстро проникать в трубку, и никакого вакуума создать в ней не удастся. Для таких прекрасных экспериментаторов, как Резерфорд и Гейгер, это не составило особой проблемы. С помощью воска они приклеили снаружи к отверстию листочек слюды. Он был такой тонкий, что практически не задерживал альфа-частицы, которые свободно проходили через него. В то же время воздух уже не мог попасть в трубку и нарушить вакуум.И вот, наконец, все готово к эксперименту: вакуум достиг нужной глубины, глаза привыкли к темноте. Осталось поудобнее устроиться перед микроскопом и включить секундомер...
Вот одна атьфа-частица пролетела сквозь заклеенную слюдой дырочку - вспышка! Проходит несколько секунд - еще одна вспышка, потом третья, четвертая. Опыт длился 10 минут, после чего экспери-ментатора сменил его помощник: чтобы не было ошибки, опыт надо повторить не один раз, а потом взять среднее значение. Оказалось, что за 10 минут наблюдается в среднем 49 вспышек, значит, столько же альфа-частиц прошло за это время через отверстие. А сколько их всего вылетело за 10 минут из «кончика иголки»? 168
Расчет очень прост. Альфа-частицы летят из образца равномерно во все стороны. Значит, во сколько раз площадь отверстия меньше площади всей сферы (диаметром 1,5 м), во столько же раз число разле-тевшихся частиц больше числа подсчитанных вспышек. Площадь отверстия (она равна mf-/4\ вы, наверное, уже знаете эту формулу) легко сосчитать по его диаметру d\ она равна 1.23 мм2. Площадь сферы радиусом /-(она равна 4л:/-'), выраженная в квадратных миллиметрах, получается огромной: 2,83 ¦ I07 мм- — в 23 миллиона раз больше площади отверстия. Значит, во столько же раз больше альфа-частиц вылетело из образца, т.
е. 49 ¦ 23 • I06 = 1,13 • 10" — больше миллиарда! В этом и заключалась хитрость опыта: регистрировалась лишь ничтожная часть частиц, испускаемых радиоактивным источником. Теперь, зная массу радия в образце и время измерения, совсем просто вычислить, сколько альфа-частиц испускает за 1 секунду I грамм радия. Оказалось - очень много: 1,13- 107(600 ¦ 0,055 ¦ 10~3) = 3,42- 10'"-больше 34 миллиардов! Позднее это значение было несколько уточнено: оно оказалось чуть больше — 37 миллиардов. В течение длительного времени эта константа была основной единицей измерения радиоактивности; ее назвали кюри — в честь Марии и Пьера Кюри, французских ученых, открывших в 1898 году радий и выделивших его в чистом виде.А как с помощью радия определили число Авогадро? Это уже другая история. Еще в 1895 году английский химик Уильям Рамзай (1852— 1916), который прославился открытием в воздухе аргона, обнаружил в минерале клевеите другой благородный газ — гелий. Впоследствии значительные количества гелия были обнаружены и в других минералах - но только в тех, которые содержали уран и торий. Это казалось удивительным и странным — откуда в минералах мог взяться редкий газ? Когда Резерфорд начал исследовать природу альфа-частиц, испус-каемых радиоактивными минералами, стало ясно, что гелий является продуктом радиоактивного распада. Оказалось, чло альфа-частицы — это фактически те же атомы гелия, только без электронов и летящие с огромной скоростью. Когда они тормозятся, сталкиваясь с другими атомами, натыкаясь на стенки сосуда, они захватывают электроны и превращаются в атомы гелия. Значит, каждую секунду один грамм радия выделяет десятки миллиардов атомов гелия. Выделяется гелий и другими радионуклидами, в том числе продуктами распада радия. Поэтому минералы, содержащие радиоактивные элементы, за миллионы лег своего существования выделяют значительные количества гелия. Частично гелий попадает в атмосферу, а частично «застревает» в минералах и может быть там обнаружен чувствительными методами.
Идея эксперимента стала Резерфорду ясна: надо измерить, какой объем гелия выделяется известным количеством радия за определен- ный срок и исходя из этого объема рассчитать число молей гелия.
К тому времени было уже хорошо известно, что 1 моль газа при нормальном атмосферном давлении и температуре О "С занимает объем 22,4 литра.В 1911 году Резерфорд — на этот раз с молодым американским физиком Бертраном Болтвудом (1890-1927) - приступил к решающему эксперименту. Для опыта взяли соль радия, которую одолжила Резерфорду Венская академия наук. Соль содержала 193 мг чистого радия — огромное, особенно по тем временам, количество, стоившее громадных денег. Из-за начавшейся в 1914 году войны Резерфорд не смог вернуть радий в Австрию. Лишь в конце 20-х годов Кембриджский университет, где работал Резерфорд, согласился выплатить за предоставленный радий 3000 фунтов стерлингов — с рассрочкой платежа на 6 лет.
Но вернемся к опыту Резерфорда и Болтвуда. Они насыпали радиоактивную соль в платиновую капсулу с дырочками в крышке, а капсулу поместили в стеклянную трубку из специального тугоплавкого стекла, в которой был создан вакуум. В таком виде прибор оставили на 83 дня. Решив, что времени прошло достаточно, ученые нагрели стеклянную трубку вместе с платиновой капсулой до красного каления; при этом из соли выделился газообразный гелий, количество которого было точно измерено. Расчеты показали, что каждый день соль радия выделяла 0,0206 мм5 гелия (или 0,107 мм3 в расчете на 1 г радия). Зная скорость испускания альфа-частиц радием и учитывая, что альфа-частицы (и. следовательно, атомы гелия) образуются не только из радия, но также из продуктов его распада, ученые рассчитали число атомов гелия в одном моле этого газа. Оно оказал ос о равным 6,110". В те годы это было самое точное значение числа Авогадро (современное значение 6,0 22 1 4 1 5 1 023). Так опыты с радием помогли подсчитать число атомов в известном количестве вещества. Это было замечательное достижение человеческого разума.
В последующие годы были и другие, не менее выдающиеся достижения в этой области. Они привели к значительным успехам во многих отраслях науки и техники, но одновременно — к взрывам ядерных бомб, к авариям на атомных электростанциях. Но так было всегда: любые достижения науки можно использовать как на пользу, так и во вред человечеству. Как писал Д. И. Менделеев, изобретение Нобелем динамита, конечно, привело к значительному увеличению взрывной силы мин и снарядов; однако ученый надеялся, что мирное использование новых взрывчатых веществ окажется для человечества более важным, чем их военное применение. Эти слова великого химика не потеряли своей актуальности и в наши дни.