Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Современные альфа- и бета-спектрометры отличаются друг от друга только конструктивными особенностями, размерами (обычно около 1 м) и напряженностью магнитного поля. Они
136
о
Рис. 36. Энергетический спектр а-частиц, снятый магнитным спектрометром
позволяют определять энергию частиц с очень высокой точностью: возможные погрешности не превышают 0,001.
Метод измерения энергии по отклонению в магнитном поле с успехом используется и при исследовании новых частиц в космических лучах или частиц, возникающих при работе мощных ускорителей. Электрический заряд всех известных в настоящее время элементарных частиц равен по абсолютному значению единице или нулю. Таким образом, заряд любой элементарной частицы можно считать известным. Зато массы частиц могут быть самыми различными, и какова масса зарегистрированной счетчиком частицы, заранее никогда сказать нельзя. Но в данном случае массу частицы знать не обязательно.
При всех явлениях, о которых сейчас идет речь, частицы движутся со скоростями, очень близкими к скорости света, а у таких частиц энергия связана с количеством движения р = т V не обычным выражением
Е = р212т,
а формулой
Е=рс9
получаемой из более общего соотношения Е2/с2=р2+т20с2
в предположении, что рс > т0с2. Подставляя сюда полученное ранее выражение для количества движения частицы через магнитную индукцию B9 Тл, и радиус траектории г, м, имеем
Е = есВг.
137
Таким образом, радиус траектории очень быстрой частицы в магнитном поле определяется только ее энергией и не зависит от массы. Если выражать энергию частицы в электрон-вольтах, то последнее соотношение запишется совсем просто:
? = 3-108^.
Рис. 37. Магнитный спектрометр для исследований космического излучения:
1 - полюс магнита; 2 - счетчи-
Обычные магнитные спектрометры для очень быстрых частиц не годятся. Поэтому советские физики А. И. Али-ханов и А. И. Алиханьян для исследований космических лучей разработали оригинальную установку особого типа (рис. 37). Главной частью этой установки был большой электромагнит,
ки (белыми кружками отмечены установленный таким обра-счетчики, в которых при пролете зом, что плоскость зазора
земле. Выше и ниже магнита помещалось несколько рядов близко расположенных счетчиков. В стороне на специальном щите были смонтированы маленькие лампочки, положение которых точно повторяло размещение счетчиков в установке. Всякий раз, когда в счетчике возникал электрический импульс, на мгновение вспыхивала соответствующая этому счетчику лампочка. Шит с лампочками фотографировался автоматически действующим фотоаппаратом, причем с помощью схем совпадений делали так, что фотографирование производилось только при одновременном загорании лампочек по одной в каждом ряду. Полученные снимки позволяли легко воспроизвести траекторию движения частицы в магнитном поле, найти ее радиус г и затем вычислить энергию.
Для измерения энергии частиц космических лучей удается использовать даже магнитное поле Земли! Как известно, напряженность этого поля невелика, зато оно простирается на тысячи километров в околоземном пространстве, так что его
частицы возникли импульсы)
между его полюсами располагалась перпендикулярно
138
влияние на траектории частиц космических лучей довольно значительно. В конечном итоге у поверхности Земли потоки частиц космических лучей, идущих с востока и запада, оказываются различными (рис. 38). По степени этого различия и по известной напряженности магнитного поля Земли удалось установить, что основная масса частиц космических лучей имеет энергию примерно от 1 до 15 ГэВ.
Комбинируя метод отклонения частиц в магнитном поле с другими методами исследования, можно определять энергию многозарядных частиц (ядер элементов тяжелее гелия), когда заранее ничего не известно ни
Рис. 38. Траектории частиц первичных космических лучей в магнитном поле Земли (вид со стороны Северного полюса)
об их заряде, ни о массе. Но эти методы гораздо сложнее, и здесь на них останавливаться не будем.
Следует подчеркнуть, что во всех описанных экспериментах непосредственно измеряют угол отклонения частицы или радиус ее траектории, а энергию вычисляют потом по формулам, в которые входит заряд частицы е. Таким образом, определение изложенным методом очень маленькой величины - энергии частицы - оказалось возможным лишь потому, что предварительно в фундаментальных экспериментах Милликена и других была определена другая маленькая величина — заряд электрона. Как мы видим, аналогичная ситуация имеет место и в большинстве других случаев.
ЭНЕРГИЯ ЧАСТИЦ И АМПЛИТУДА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Магнитные спектрометры — это очень точные, но зато очень сложные и громоздкие приборы, к тому же весьма капризные. К счастью, энергию заряженных
139
частиц можно измерять и другими, гораздо более простыми способами, например по амплитуде импульсов от ионизационных камер или от пропорциональных, сцинтилляционных или полупроводниковых счетчиков.
Выше говорилось о том, что амплитуда электрического импульса, возникающего в ионизационной камере при попадании в нее заряженной частицы, пропорциональна энергии частицы. То же самое можно сказать и об импульсах, получаемых от пропорциональных, сцинтилляционных и полупроводниковых счетчиков. Эта пропорциональность сохраняется и после усиления импульсов, так как при усилении все импульсы увеличиваются в одно и то же число раз. Отсюда видна, по крайней мере, принципиальная возможность определения энергии частицы прямо по электрическим импульсам, поступающим с выхода усилителя.
