Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Квантовая механика установила законы природы, действующие внутри атома. Однако она была пока неприменима к частицам, движущимся со скоростью, близкой к скорости света. Надо было сделать следующий шаг и объединить квантовую механику и теорию относительности. Он был сделан Дираком.
«Из-за того, что я стал писателем, не следует думать, что я никогда на стремился к какой-либо достойной деятельности». Эту шутку Бернарда Шоу вполне мог бы повторить молодой человек из Бристоля, который стремился к весьма достойной деятельности инженера-электрика, а стал автором многих «безумных идей» физики XX века. Его полное имя Поль Андриен Морис Дирак. Лишившись места в Бристоле, он приехал в Кембридж и увлекся только еще рождающейся областью физики — квантовой механикой.
53
Позднее Дирак говорил: «Я благодарен судьбе, что родился вовремя: будь я старше или моложе на несколько лет, мне не представились бы столь блестящие возможности.'Казалось, все благоприятствовало мне...» И прежде всего исключительная одаренность — добавим мы.
И вот, в январе 1928 г. Поль Дирак вывел уравнение, описывающее поведение быстрых электронов. Из уравнения Дирака вытекало существование у электрона спина, магнитного момента; оно объясняло некоторые особенности структуры уровней энергии в атоме. Все хорошо, но уравнение допускало решения, при которых электрон мог иметь отрицательную кинетическую энергию.
Приблизительно три года шли дебаты теоретиков об этих «не физических» решениях, пока выход из сложившегося положения не нашел сам автор. Мы не можем привести здесь его рассуждения, а сообщим только окончательный вывод — согласно Дираку (1931 г.) наряду с электронами в природе должны существовать частицы, по всем своим свойствам тождественные электрону (масса, спин), но с положительным зарядом + е*).
Если такая частица придет в соприкосновение с электроном, то обе они исчезнут — аннигилируют, а масса частиц, согласно соотношению Эйнштейна E = тс2, перейдет в энергию образовавшихся гамма-квантов:
е+ + е" 2у (0,511 МэВ + 0,511 МэВ 1,022 МэВ).
Пожалуй никто, кроме Дирака (да и он не проявлял особой уверенности), не принял такого толкования отрицательных решений. Нильс Бор, Вольфганг Паули не разделяли точки зрения молодого ученого.
Но пришел 1932 год. В летописи экспериментальной физики он отмечен совершенно особо как год многих выдающихся открытий. Его называли «золотой год», «год чудес», а позднее более научно: «год информационного взрыва» **). Самыми важными событиями стали: открытие нейтрона и обнаружение в космических лучах первой из античастиц — позитрона.
*) И с противоположным знаком магнитного момента **) За экспериментальные достижения 1932 г. были присуждены четыре Нобелевских премии. Три из них — в 1934, 1935 и Wob гг. Четвертая позднее = в 1951 г.
54
5.4. «Случайное» открытие
Часто говорят о том, что позитрон обнаружили случайно. Писать так стало почти традиционным. Действительно, Карл Андерсон, который и совершил это открытие, проводил эксперименты, «цель которых состояла в измерении энергетического спектра электронов, образующихся в атмосфере и в материалах, благодаря приходящему из космоса излучению». Ни о каких позитронах (положительных электронах, как их тогда называли) речь не шла.
Но что означает «случайное» открытие? Эрнест Pe-.зерфорд писал об этом: «Наука продвигается вперед шаг ва шагом, и труд любого человека зависит от труда его предшественников. Если до вас дошел слух о внезапном, неожиданном открытии, как говорится, гром среди ясного неба, можете быть уверены, что оно созрело в результате влияния одних людей на других, и именно это взаимное влияние открывает необычайные возможности прогресса науки. Успех ученых зависит не от идей или удачи отдельного человека, а от объединенной мудрости многих тысяч людей, размышляющих над одной и той же проблемой, и каждый вносит свою небольшую лепту в великое здание знания, которое постепенно воздвигается».
Примером подтверждения этих слов может служить обнаружение позитрона. Оно было подготовлено:
первыми исследованиями космических лучей;
созданием камеры Вильсона;
работами советского физика Д. В. Скобельцына
и, конечно же, предсказанием его существования.
1932 г. (как мы увидим и дальше) был не только «гоном чудес», но и «годом исполняющихся предсказаний».
5.5. Космические лучи и камера Вильсона
Всем, наверное, знаком школьный прибор — электроскоп. Если его зарядить, то листочки со временем опадают и это происходит, как бы хорошо ни была изолирована подставка и каким бы герметичным пи был кожух. Напрашивается естественный вывод, что в воздухе всегда присутствуют носители заряда — ионы иих ток разряжает электроскоп. Каково происхождение этих ионов?
55
Попытка ответить на этот вопрос сыграла важную роль в обнаружении космического излучения.
В начале нашего века, после открытия радиоактивности, положение, кагалось, прояснилось. Ничтожное количество радиоактивных элементов всегда присутствует в почве, стенах здания, материалах установок и, наконец, в самих экспериментаторах. В атмосферу попадают радиоактивные газы (правда, они быстро распадаются). Это идущее отовсюду излучение и приводит к ионизации воздуха. Вместе с тем экспериментальная техника улучшалась, на смену относительно простым приборам пришли сложлые — электрометры, которые могли уловить присутствие даже нескольких десятков ионов в 1 см3 воздуха. Желая еще больше увеличить их чувствительность, электрометры окружали слоем свинца, поглощавшего внешнее излучение, и выдерживали несколько суток, чтобы внутри прибора распались радиоактивные газы. Тем не меі;ее ігок разрядки шел. Была высказана гипотеза о том, что через свинец проникает энергичное излучение земных пород. А поскольку начало нашего века ознаменовалось удивительными успехами в воздухоплавании, то почему бы не подняться над поверхностью Земли и тем самым не удалиться от ее излучения? Так и было сделано.
