Номер 1, страница 317 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

1. Почему выяснить природу $\alpha$-лучей оказалось гораздо сложнее, чем в случае $\beta$-лучей?

1. Выяснение природы $\alpha$-лучей было более сложной задачей по сравнению с $\beta$-лучами по нескольким ключевым причинам.

Во-первых, из-за существенного различия в удельном заряде ($q/m$). $\beta$-частицы, являющиеся электронами, обладают очень маленькой массой ($m_e \approx 9.11 \times 10^{-31}$ кг) и зарядом, равным элементарному ($q_\beta = -e$). Это приводит к очень большому значению удельного заряда. $\alpha$-частицы, представляющие собой ядра атома гелия ($He^{2+}$), состоят из двух протонов и двух нейтронов. Их масса ($m_\alpha \approx 6.64 \times 10^{-27}$ кг) примерно в 7300 раз больше массы электрона, а заряд в два раза больше по модулю ($q_\alpha = +2e$). Из-за огромной разницы в массе удельный заряд $\alpha$-частиц оказывается значительно меньше, чем у $\beta$-частиц. Отношение их удельных зарядов составляет: $$ \frac{|q/m|_\beta}{|q/m|_\alpha} = \frac{e/m_e}{2e/m_\alpha} = \frac{m_\alpha}{2m_e} \approx \frac{7300 \cdot m_e}{2m_e} \approx 3650 $$ Поскольку отклонение заряженной частицы в электрическом или магнитном поле прямо пропорционально ее удельному заряду, $\alpha$-частицы отклонялись в тысячи раз слабее, чем $\beta$-частицы. Для регистрации их отклонения требовались гораздо более сильные поля и более чувствительные приборы, что сильно усложняло эксперименты по их изучению.

Во-вторых, из-за природы самих частиц. К моменту открытия радиоактивности электроны ($\beta$-частицы) уже были известны науке как катодные лучи, чья природа была установлена Дж. Дж. Томсоном в 1897 году. Поэтому, когда было измерено отношение заряда к массе для $\beta$-частиц и оно совпало с известным значением для электронов, их удалось быстро идентифицировать. $\alpha$-частицы же представляли собой совершенно новый, ранее не наблюдавшийся объект — полностью ионизированные атомы гелия. Ученым нужно было не просто измерить их свойства, но и понять, что это за частица, не имея аналогов.

В-третьих, из-за сложности решающего эксперимента. Окончательное доказательство природы $\alpha$-частиц потребовало гениального и технически сложного эксперимента, проведенного Э. Резерфордом и Т. Ройдсом в 1909 году. Они собирали $\alpha$-частицы в специальную тонкостенную стеклянную трубку, из которой был откачан воздух. Через некоторое время, когда в трубке накапливалось достаточное количество частиц, через нее пропускали электрический разряд и анализировали спектр излучения. Спектр полностью совпадал со спектром известного газа — гелия. Это неопровержимо доказало, что $\alpha$-частицы, нейтрализуя свой заряд, превращаются в атомы гелия. Этот эксперимент был значительно сложнее, чем измерение отклонения в поле, которого было достаточно для идентификации $\beta$-частиц.

В-четвертых, из-за сильного взаимодействия с веществом. $\alpha$-частицы обладают высокой ионизирующей способностью из-за своего большого размера и двойного положительного заряда. Это приводит к тому, что они быстро теряют энергию и имеют очень малый пробег в веществе (несколько сантиметров в воздухе, задерживаются листом бумаги). Такая особенность затрудняла работу с ними в экспериментальных установках, так как даже тонкие окна вакуумных камер или остатки газа могли сильно повлиять на их движение и энергию.

Ответ: Выяснить природу $\alpha$-лучей оказалось сложнее, чем $\beta$-лучей, в основном из-за их значительно меньшего удельного заряда ($q/m$), что делало их отклонение в электрических и магнитных полях очень малым и трудноизмеримым. Кроме того, в отличие от уже известных электронов ($\beta$-частиц), $\alpha$-частицы были новым типом частиц (ядрами гелия), для окончательной идентификации которых потребовался сложный спектроскопический эксперимент. Их малый пробег в веществе также усложнял экспериментальные исследования.