Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Сначала пытались использовать Эйфелеву башшо (300 м), затем в 1909—1910 гг. К. Геккель поднялся на воздушном шаре на высоту около 4 км. Наиболее точные из первых измерений провел, однако, не он, а В. Гесс (5 км). Согласно его данным ионизационный ток вначале уменьшался, а затем быстро возрастал. На высоте 5 км он был уже в три раза больше, чем у поверхности Земли. Гесс высказал предположение, что существует проникающее, ионизирующее излучение, идущее сверху и ослабляемое атмосферой.
В 1922—1926 гг. работы, которые велись группой американских физиков под руководством Р. Милликена на воздушных шарах-зондах (оеи поднимались до 15 км), в горных местностях, под водой, позволили точно установить, что на Землю из мирового пространства падает неизвестное излучение. Мильикен назвал его космическим. Для того чтобы понять ирпроду этого излучения, ионизационный метод уже не годился — он регистрировал следствие (ионизацию), которое могло быть вызвано самыми разными причинами. Чтобы продвигаться дальше в изучении космических лучей, физикам понадобилось
56
обратиться к уже существовавшему в то время прибору — гуманной камере Вильсона.
Представьте себе, как поток влажного воздуха, нагретого землей, поднимается вверх. В более высоких слоях атмосферы воздушные массы расширяются и одновременно охлаждаются. Теперь водяной пар находится уже в пересыщенном состоянии и начинает собираться в капли влаги. Мы говорим: «небо затянулось пеленой тумана». Процесс роста капель в пересыщенном паре оказался непростым. Так, ученые выяснили, что для образования тумана необходимы «центры конденсации» — чаще всего мелкие частицы пыли. Иначе, при некоторых условиях, пар значительное время остается пересыщенным.
Занимался этими вопросами и Чарльз Вильсон. Позднее он рассказывал друзьям, что еще юношей любовался красивейшим явлением, когда туман то появлялся, то исчезал, по мере того, как потоки воздуха то поднимались на гребни Шотландских гор, то вновь опускались в долины. Именно Вильсон открыл, что центрами конденсации пара могут стать не только пылинки, но и ионы, образовавшиеся при облучении пересыщенного пара рентгеновскими лучами или радиацией других видов (альфа-, бета-, гамма-). Со свойственным ему упорством, целеустремленностью и экспериментальным искусством (а Вильсон славился тем, что почти всю аппаратуру делал сам), проработав над этой темой около 15 лет, ученый создал новый прибор для регистрации частиц. Он назвал его «туманной камерой», но очень скоро экспериментаторы переименовали ее в «камеру Вильсона». Опишем теперь в самых общих чертах принцип ее работы. Объем, наполненный парами жидкости (вода, спирт и т. п.), с помощью поршня или диафрагмы резко увеличивается. Пар, тщательно очищенный от пыли, некоторое время (0,1ч-1 с) находится в пересыщенном состоянии и не конденсируется. Если в этот момент через объем пролетает частица, оставляя след из ионов, то на них начинают возникать капли. След частицы становится видимым и может быть сфотографирован. Для этого стенка (или стенки)' камеры делаются прозрачными. Потом, довольно быстро, за счет теплопроводности стенок температура пара повышается и капли исчезают. Надо опять готовить камеру к работе и эта подготовка требует уже десятков секунд. В этом и состоит главный недостаток прибора, как говорят физики, «большое мертвое время». Но прежде чем более
57
совершенные установки вытеснили «туманную камеру>>, прошли десятки лет, и с ее помощью были сделаны выдающиеся открытия. Поэтому Ч. Вильсон «за метод делать видимыми пути заряженных частиц с помощью конденсации пара» получил в 1927 г. Нобелевскую премию по физике *).
Итак, физики могли воочию наблюдать частицы и определять многие их характеристики. Вот на снимках «жирные следы» а-частиц, а вот — редкие капли, образованные быстрыми электронами. Разницу легко объяснить, если воспользоваться приближенной формулой для числа ионов N, образующихся на 1 см пути (см. (19)),
N ~ z2Iv*.
Электрон с энергией 5 МэВ движется практически со скоростью света, а а-частица с той же энергией — в 20 раз медленнее. Кроме того, она имеет в два раза больший заряд.
Но камера еще не могла измерять энергию быстрых электронов и отличать знак заряда. Например, протон, летящий с a с, оставлял такой же след, как и быстрый электрон (хотя энергия протона должна была быть в 2000 раз больше, чем у электрона). Следующее звено в цепи событий связано с именем д. В. Скобельцына.
Молодой ленинградский физик решил использовать камеру Вильсона для фотографирования электронов отдачи, которые появлялись в газе при облучении ее у-лучами (комитон-эффект). Измеряя кривизну траектории электронов на фотографиях, можно найти их импульс **). Мы сейчас не будем останавливаться на исследовании комп-тон-эффекта, которое само по себе дало исключительно интересные результаты.
Вот что писал Скобельцын: «На снимках обнаруживались время от времени прямые пути частиц неизвестного происхождения, почти не отклоняемые магнитным полем, но по своему ионизирующему действию не отличающиеся сколько-нибудь от быстрых ?-лучей, фотографии которых имеются на тех же снимках.
