Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Пятый: 1946-1958 гг. У-У-У-У-У!!!
*) Физический институт АН СССР им. П, Н. Лебедева.
Нам остается добавить, что в 1958 г. за «Открытие и толкование эффекта Черенкова» советским физикам П. А. Черенкову, И. М. Франку и И. Е. Тамму была присуждена Нобелевская премия по физике. Это было через семь лет после смерти С. И. Вавилова (по положению Нобелевская премия присуждается лишь прижизненно).
4.4. Вопросы и задачи
13. Осколок деления оставил в фотоэмульсии след, изображенный на рис. 11, о. Определите по нему направление движения осколка. Чем объяснить сужение этого следа?
a) O)
Рис. 11. Следы частиц в фотоэмульсии.
14. Теперь по рис. 11, б определите направление движения электрона в фотоэмульсии.
15. В рентгеновской трубке пучок электронов, разогнанный до больших энергий, бомбардирует пластинку из вольфрама. Экспериментаторы измерили спектр рентгеновского излучения, испускаемого электронами при торможении. Он приведен в виде графика на рис. 12. По горизонтальной оси отложена длина волны Л
Рис. 12. Спектр тормозного рентгеновского излучения.
рентгеновских лучей в единицах Ю-11 м, по вертикальной оси — их относительная интенсивность. Найдите, какая разница потенциалов и была приложена к трубке. Почему в качестве тормозящего материала выбран вольфрам?
16. Найти, при какой минимальной энергии электронов возникает в воде эффект Вавилова — Черенкова (показатель преломления воды и = 1,33).
43
Глава 5
ФОТОН И ВЕЩЕСТВО
9 5.1. Фотоэффект и комптон-эффект
В предыдущей главе, когда мы говорили о прохождении электромагнитного излучения через веще-ртво, то использовали волновую картину. Но если дело касается излучения очень высокой частоты (например, гамма-квантов), то классическая физика уже не может объяснить многих (и основных!) из происходящих при этом процессов. Здесь обязательно надо использовать квантовые представления и рассматривать взаимодействие с атомами и ядрами отдельных частиц света — фотонов, имеющих энергию hv и импульс hvfc.
Первый из видов такого взаимодействия носит название фотоэффекта. Он заключается в том, что фотон падает на атом и полностью им поглощается. При этом вылетеет электрон с энергией Ее:
Ee=hv ~ E0; (20)
E0 — та энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы вырвать его из атома, энергия ионизации. Теорию фотоэффекта создал Эйнштейн. В начале нашего века он сделал очень много для рождения квантовой механики. Но, грустный парадокс,— до конца своей жизни не принимал окончательных выводов этой теории.
Фотоэффект не может происходить на отдельном электроне вне поля атома, так как тогда законы сохранения энергии и импульса перестают выполняться одновременно *). Часть импульса фотона обязательно должна принять на себя атом и чем крепче электрон связан, тем легче выполняется это условие. Поэтому фотоэффект с большей вероятностью происходит на электронах внутренних оболочек и на ядрах с большим Z. Вероятность фотоэффекта падает с увеличением энергии фотона.
В дальнейшем нас будет интересовать также так называемый внешний фотоэффект, сопровождающийся выбиванием электронов из поверхности металла. В этом случае
Ee==hv - Евых, (21)
*) См. вадачу 17.
49
где Евых — работа выхода, т. е. работа, необходимая для того, чтобы вырвать электрон с поверхности. Величины ^пых Для металлов невелики, так как отрываются свободные, т.е. не связанные с определенными атомами, электроны. Энергии лежат в диапазоне от 2 до 6 эВ. Таким образом, желтый свет может вырвать электрон из цезия (Евьа = 1,9 эВ), тогда как поверхность платины (^вых — = 6,3 эВ) необходимо освещать для этого ультрафиолетовыми лучами. Избыток импульса при внешнем фотоэффекте принимает металл как целое.
Следующий из процессов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом носит название комптон-эффекта. Артур Комптон в экспериментах 1922—1923 гг. показал, что рентгеновский квант может рассеиваться на свободном электроне с изменением частоты и разность энергий TiV1 — ZiV2 передается электрону. Последовательное объяснение этого явления может быть сделано только при использовании корпускулярных свойств излучения. Как говорил сам Комптон, происходит игра на бильярде шариками-фотонами и шариками-электронами (кстати, термин «фотон» введен Комптоном). Правила этой «игры» следующие:
E6 = ZiV1-ZiV2, (22)
Pe=Pi-PaJ (23)
P3 и р2 — импульсы фотона до и после рассеяния, соответственно, ре — импульс электрона, Ее — его кинетическая энергия. Вероятность такого рассеяния уменьшается с ростом энергии кванта.
5.2. Соотношение неопределенности
Эффект Комптона позволяет проиллюстрировать один из самых удивительных законов микромира — соотношение неопределенности.
Мы уже сталкивались с тем, что квантовая механика иногда запрещает пепрерывное изменение величины,например, энергии электрона, связанного в атоме. Но она еще и вводит ограничения на возможность одновременного точного измерения некоторых величин. В классической физике не возникало никакого сомнения, что зная точную коор-
60
динату частицы, в тот же момент времени можно с любой точностью измерить и ее импульс. А квантовая механика утверждает, что это принципиально невозможно. Нельзя осуществить такой опыт, в котором ошибка в измерении импульса Apx, умноженная на ошибку в знании координаты Ах, была бы меньше, чем постоянная Планка:
