Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Зачем нужно было это исследование? Напомним, что заряд ядра связан с наличием в нем протонов. Поэтому сведения о распределении заряда дают нам информацию о структуре ядра, что очень важно для построения его теории. Не зная фактов, можно предполагать все, что угодно. Проще всего представить ядро в виде равномерно заряженного шарика, т. е. считать, что протоны в нем равномерно перемешаны с нейтронами. Но можно также предположить, что электростатические силы приведут к расталкиванию одноименно заряженных протонов, в результате чего они сконцентрируются у поверхности ядра и плотность зарядов в центре ядра будет ниже, чем у его поверхности. Как это ни странно, но оказалось возможным обосновать и противоположную точку зрения, согласно которой протоны должны концентрироваться в центре ядра. Итак, решающее слово должен был сказать эксперимент.
Эксперимент Хофстедтера (рис. 46) заключался в наблюдении рассеяния очень быстрых электронов энергиями сотни мегаэлектрон-вольт тонкими слоями различных веществ. В ходе эксперимента измеряли число электронов, рассеянных на тот или иной угол, для чего детектор электронов последовательно устанавливали в различные положения относительно образца. Результаты эксперимента представлялись в виде кривой зависимости числа зарегистрированных электронов от угла рассеяния.
Да, но причем здесь ядро и распределение зарядов в нем? Для того чтобы понять, как Хофстедтер анализировал резуль-
159
Рис. 46. Схема опыта Хофстедтера:
1 - линейный ускоритель электронов; 2 - отклоняющие магниты; 3 - бетонная защита; 4 - образец исследуемого материала; 5 - детектор
таты своих экспериментов, давайте немного порассуждаем.
Прежде всего необходимо отметить, что для очень быстрых электронов, падающих на мишень, электроны атомных оболочек не являются серьезной помехой. Другое дело тяжелое ядро, несущее сильно сконцентрированный заряд. Правда, и его быстрый электрон пронизывает насквозь, словно игла комок ваты, но все же сильное электрическое поле ядра может заставить электрон несколько отклониться в сторону.
Предположим сначала, что весь заряд ядра сосредоточен в точке, и рассмотрим несколько электронов, пролетающих на разных расстояниях от него. Чем ближе к ядру пролетает электрон, тем больше действующая на него сила и тем сильнее он отклоняется от первоначального направления движения (сплошные линии на рис. 47,л). Но совершенно ясно, что число электронов, пролетающих вдали от ядра, гораздо больше числа более "удачливых" электронов, пролетающих вблизи него. Поэтому число рассеяний на малые углы всегда будет больше, чем на большие. Вероятность рассеяния на тот или иной угол можно вычислить теоретически и изобразить зависимостью числа рассеянных частиц от угла рассеяния (сплошная линия на рис. 47,5).
Теперь рассмотрим другой случай, когда прежний заряд ядра не сконцентрирован в точке, а равномерно распределен по объему ядра, которое мы представим себе в виде маленькой сферы. Нетрудно сообразить, что траектории электронов, не пересекающих ядро, будут такими же, как и в предыдущем случае, поскольку внешнее поле заряженной сферы такое же, как у точечного заряда. В то же время траектории электронов, проле-
160
Рис. 47. Рассеяние электронов при различных распределениях электрического заряда в ядре:
а - траектории электронов; б - зависимость числа рассеянных электронов от угла рассеяния; сплошные линии соответствуют точечному заряду, пунктирные - заряду, распределенному по сфере
тающих сквозь ядро, существенно изменятся: внутри ядра каждый электрон будет отклоняться слабее, чем в предыдущем случае, так как теперь часть заряда будет тянуть его в противоположную сторону (пунктирные кривые на рис. 47 ,л). В результате вероятность рассеяния на малые углы окажется еще больше, чем в предыдущем случае, и кривая зависимости числа рассеянных частиц от угла станет падать еще более круто (пунктирная кривая на рис. 47,о). Точная форма этой кривой зависит от того, как распределен заряд внутри ядра. Можно рассчитать серию таких- кривых при самых различных предположениях о характере распределения заряда, а потом, сравнивая их с результатами эксперимента, отобрать наилучшую, точнее всего совпадающую с экспериментальной, и таким образом узнать, какое из сделанных предположений ближе всего к истине.
В результате своих экспериментов Хофстедтер установил, что заряд в ядре распределен неравномерно. В средней части плотность заряда примерно постоянна, а у краев она постепенно уменьшается. Таким образом, ядро не имеет резкой границы. Поэтому оно похоже не на твердый шарик и не на каплю жидкости, а, скорее, на облачко с размытыми краями. Еще удивительнее было то, что аналогичный результат был получен Хоф-стедтером и для протона: его заряд (элементарный заряд!) также оказался "размазанным". Нечего и говорить о том, сколь важен этот результат для Построения теории элементарных частиц.
161
Глава 10 ИЗМЕРЕНИЕ МАССЫ ИЗМЕРЕНИЕ МАССЫ АТОМОВ
Заряд является важной, но не единственной характеристикой частицы. Выше отмечалось, что заряды всех элементарных частиц по абсолютному значению равны единице или нулю, поэтому, узнав заряд, еще ничего нельзя сказать о том, какая частица была зарегистрирована. То же самое относится и к ядру: заряд ядра указывает лишь на название химического элемента, но ничего не говорит о том, с каким изотопом этого элемента пришлось столкнуться. Значительно большую информацию о ядрах и частицах может дать измерение их массы.
