Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Из предыдущего ясно, что открытие каждой новой частицы неотделимо от измерения ее массы, поэтому данной проблеме постоянно уделяется большое внимание; для измерений массы используются все средства современной экспериментальной техники. Пузырьковую камеру очень удобно применять в сочетании с магнитным полем, что позволяет по одному снимку определить и длину пробега, и радиус траектории частицы. При измерении масс частиц широко используются и другие экспериментальные средства, о которых речь шла выше: фотоэмульсии, камеры Вильсона, системы счетчиков в комбинации с мощными.магнитами; расчеты проводят на основе соотношения Эйнштейна. Таблица элементарных частиц показывает, сколь велики достигнутые к настоящему времени успехи в "охоте" за новыми элементарными частицами.
ИЗМЕРЕНИЕ МАССЫ НЕЙТРОНА
Открытый Чедвиком в 1932 году нейтрон назван так потому, что он электрически нейтрален. По этой же причине нейтроны не отклоняются в магнитном поле и не оставляют следов в камере Вильсона или в фотоэмульсии. Впрочем, при попадании быстрых нейтронов в камеру Вильсона или в фотоэмульсию можно наблюдать следы ядер
167
отдачи. Данное обстоятельство и было использовано Чедвиком для первого измерения массы нейтрона.
Вычислим энергию ядра, которую оно приобретает при лобовом попадании в него быстрой частицы. Обозначим массы ядра и частицы M и /и, а их скорости после столкновения и и v соответственно.
Скорость частицы до удара V0 связана с ее начальной энергией обычным соотношением E0-YYi Vo /2. Закон сохранения энергии для нашего случая запишется в следующем виде:
т wl/2 = rnv212 +Mu212.
Одновременно должен соблюдаться и закон сохранения количества движения:
YYlW0 =YYIV +Ми.
Исключая из этих равенств скорость частицы после столкновения, получаем
и= V0 [2т/{т +M)], откуда энергия ядра отдачи
Mu2 M 4т2 , AmM
E=-= — -г vg= --E0.
2 2 (т+М)2 (т+М)2
Бели начальная энергия частицы E0 известна, а энергия ядра отдачи измерена экспериментально, то определение массы частицы т не составляет никакого труда. Однако на первых порах энергию нейтронов измерять не умели. Значит, ее надо было исключить. Это можно было сделать, проведя измерения энергии, передаваемой нейтронами ядрам двух различных элементов, для чего требовалось провести два последовательных эксперимента с одним и тем же источником нейтронов и разными газами в камере Вильсона. Обозначив массы атомов мятых газов M1 и Af2, а их энергии после лобового столкновения с нейтронами E1 и E29 напишем два соотношения:
_ AmM1 AmM2
Ei - ¦ E0; E2- -*Е0.
(m+JfO2 (m +M2)2
Деля первое из них на второе и решая полученное уравнение относительно YYi9 получаем
т = (M1 ^E1M2 -M2 у/Е2М1)/(\/12~мГ- у/еЖ)-
168
Эта формула позволяет по известным значениям M1 и M2 и измеренным E1 и E2 найти массу нейтрона. В результате анализа данных проведенных экспериментов Чедвик убедился в том, что масса нейтрона примерно равна массе протона. Последующие более точные измерения, основанные на обработке результатов исследований различных ядерных реакций, показали, что в действительности нейтрон немного тяжелее протона, но различие их масс весьма мало — в массовых единицах, о которых шла речь в начале книги, масса протона тр = 1,00727647; масса нейтрона тп = 1,00866501.
ЧЕМУ РАВНА МАССА НЕЙТРИНО?
Прежде всего отметим, что нейтрино долгое время называли гипотетической частицей. Этими словами подчеркивали тот факт, что в ядерную физику понятие нейтрино было введено не на базе прямых экспериментальных данных, а на основании предположения, гипотезы. Вкратце дело сводилось к следующему.
Согласно соотношению Эйнштейна выделяющаяся при |3-распаде энергия должна определяться разностью масс исходного и конечного атомов:
E0=(M1-M2)C2.
Так как для каждого конкретного случая значения масс Mx и M2 вполне определенные, значение E? тоже должно быть вполне определенным. Другими словами, следовало ожидать, что при ?-распаде все электроны имеют одну и ту же энергию (как а-частицы при а-распаде). Однако эксперимент показал, что энергетический спектр j3-частиц — непрерывный, причем 0-частицы имеют энергии от нуля до максимального значения, равного как раз E?.
Но если электрон может вылетать с энергией меньшей, чем E?, то куда же денется остальная часть энергии? Может быть, при 0-распаде кроме электронов испускаются еще какие-нибудь частицы, например 7-кванты, которые и уносят остальную часть энергии? Для проверки этого предположения и послужил эксперимент с калориметром, упоминавшийся ранее. В массивных стенках калориметра должна поглощаться излучение всех известных видов. Для проверки проводились измерения с препаратами 210Bi, при 0-распаде которого 7-кванты вообще
169
не образуются. Разделив выделившееся в калориметре количество теплоты на число распадов в образце, мы должны получить полную энергию 0-распада, а не только энергию 0-частиц. Но как это ни странно, эксперимент с калориметром дал тот же результат, что и эксперимент по прямому измерению энергии /3-частиц: средняя энергия распада оказалась меньше, чем следует из убыли массы ядра. Оставалось предположить, как это и сделал Паули, что при /3-распаде возникает какая-то совершенно особая частица, способная свободно проникать через толстые стенки калориметра. Бели такая частица действительно существует, то она заведомо нейтральна, так как любая заряженная частица неизбежно теряла бы свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов. Но это и не нейтрон, так как убыль массы при 0-распаде (M1 -M2) в сотни раз меньше массы нейтрона. Вот эта неведомая нейтральная частица, очень легкая и неуловимая, и получила название нейтрино.
