Радиевые часы Рэлея: принцип работы, история открытия и развенчание мифа о вечном двигателе

Явление, которое британский физик Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей) открыл и несколько поэтично назвал «радиевыми часами», долгое время служило наглядным примером иллюзорного «perpetuum mobile» (вечного двигателя). Этот эксперимент демонстрирует удивительный способ преобразования внутренней энергии радиоактивного распада в регулярное механическое движение. На рис. 51 представлено схематическое изображение такого устройства, выполненное в половину его натуральной величины, что позволяет детально рассмотреть конструкцию.

Рис. 51. Схематическое изображение «радиевых часов» лорда Рэлея. В центре вакуумированной стеклянной колбы видна трубка с радием, соединенная с листочками электроскопа. По бокам расположены металлические пластинки для заземления, обеспечивающие цикличность движения.

Конструктивно прибор представляет собой миниатюрный электроскоп, подвешенный к нижнему концу небольшой запаянной стеклянной трубки. Внутри этой трубки, имеющей крайне малый диаметр, содержатся микроскопические следы радия. Вся эта система помещена в стеклянный сосуд большего размера, из которого предварительно откачан воздух для создания вакуума, что необходимо для исключения влияния внешней среды на движение заряженных частиц.

Ключевую роль в работе механизма играет сложный состав радиоактивного излучения. Из радия, в процессе спонтанного распада его атомов, истекает так называемая эманация (радиоактивный газ радон), а также корпускулярное излучение. Среди компонентов этого излучения особое значение имеют альфа-частицы, которые, как установил Рэлей, представляют собой относительно крупные и тяжелые структуры, несущие положительный заряд. Из-за своих размеров и массы они не способны преодолеть толщу стекла и остаются внутри трубки.

В отличие от альфа-частиц, бета-частицы обладают совершенно иными свойствами. Их масса, согласно расчетам, составляет лишь 1/2000 от массы альфа-частиц, при этом они движутся примерно в десять раз быстрее. Именно бета-лучи, представляющие собой поток быстрых электронов, свободно проникают сквозь стеклянные стенки трубки, унося с собой отрицательный электрический заряд. В результате этого процесса внутри исходной трубки начинает накапливаться нескомпенсированный положительный заряд.

Этот накапливающийся положительный заряд передается листочкам электроскопа, которые являются основной подвижной частью системы. Поскольку оба листочка получают заряд одного знака, между ними возникают силы электростатического отталкивания, аналогично тому, как отталкиваются одноименные полюса магнитов. По мере увеличения концентрации зарядов сила отталкивания растет, и листочки постепенно расходятся в стороны, увеличивая угол между собой.

Движение листочков продолжается до тех пор, пока они не коснутся двух металлических пластинок, расположенных по бокам трубки. Эти пластинки через проводники соединены с землей, то есть имеют нулевой потенциал. В момент контакта накопленный заряд мгновенно стекает с листочков через пластинки на землю, в результате чего электростатическое отталкивание исчезает, и листочки под действием силы упругости возвращаются в исходное сведенное положение.

После разрядки процесс начинается заново: радий продолжает излучать бета-частицы, положительный заряд снова накапливается, и листочки опять приходят в движение. Внешне этот цикл выглядит как идеальное самоподдерживающееся движение, не требующее подвода энергии извне. При наблюдении создается полная иллюзия вечного двигателя: не нужно сжигать топливо, вращать динамо-машину или сообщать прибору механический импульс — листочки колеблются с завидным постоянством.

Регулярность этих колебаний, сравнимая с точностью хода маятника, и дала прибору название «часы». Теоретически, регистрируя количество касаний листочков о контакты, действительно можно измерять время, создав уникальный хронометр. Тем не менее, с точки зрения фундаментальной физики, утверждение о «вечности» такого движения является глубоко ошибочным и требует строгого научного пояснения, основанного на законах термодинамики и ядерной физики.

Разгадка кроется в необратимом процессе, лежащем в основе работы прибора — радиоактивном распаде. Атомы радия нестабильны; они беспрестанно распадаются, превращаясь в атомы других элементов и излучая при этом частицы. Этот процесс неумолимо ведет к уменьшению массы самого радия. В первые годы эксплуатации часов эта убыль настолько мала, что ее невозможно зафиксировать без специальных приборов, однако она неуклонно происходит.

Учеными было вычислено, что период полураспада радия составляет около 1600 лет. Это означает, что по прошествии шестнадцати веков от исходного количества вещества останется лишь половина. Интенсивность излучения, а следовательно, и скорость накопления заряда, напрямую зависит от количества нераспавшихся атомов. Со временем «топливо» для часов неумолимо истощается.

Таким образом, если бы гипотетические радиевые часы были созданы в самом начале нашей эры, например, в год Рождества Христова, то к настоящему моменту они прошли бы уже более одного периода полураспада. Активность радия в них снизилась бы более чем наполовину. Это привело бы к тому, что скорость хода таких часов (интервалы между касаниями листочков) составляла бы лишь около четверти от первоначальной, что делает их совершенно непригодными для точного хронометрирования в исторических масштабах.

Следовательно, «радиевые часы» являются не источником «дармовой» энергии, а преобразователем потенциальной энергии, запасенной в атомных ядрах. Они служат блестящим подтверждением закона сохранения энергии, демонстрируя ее переход из одной формы (ядерной) в другую (электрическую и кинетическую). Этот прибор навсегда останется в истории физики как изящная демонстрация первых шагов человечества в освоении внутриатомной энергии.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.