Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
*) Внешне простой принцип работы туманной камеры (его описание есть даже в школьных учебниках) не дает ни малейшего представления о тех физических и технических трудностяхі которые возникали при ее изготовлении и наладке. **) Вспомним формулы из п. 3.2,
58
Дальнейшие наблюдения, которые были опубликованы в 1925 г., позволили установить, что появление путей таких «ультра-р-лучей» отнюдь не связано с прохождением через камеру Вильсона у-лучей, что налицо поток частиц, пронизывающих атмосферу». Таких быстрых, что они не отклонялись в относительно слабом поле камеры.
Скобельцын доказал также, что ионизация, создаваемая космическим излучением, может быть объяснена «ультра-Р-частицами». На ряде снимков Скобельцына был виден целый поток быстрых частиц. Их назвали космическими ливнями.
Итак, звенья цепочки, ведущей к позитрону, были собраны:
1. Открыты космические лучи и выяснено, что в их состав входят заряженные частицы;
2. Создан прибор — камера Вильсона, помещенная в магнитное поле. Вот только поле пока еще было мало и не отклоняло «ультра-р-лучи».
5.6. Позитрон и «пары»
Мы уже упоминали имя Роберта Эндрюса Милликена. Это был выдающийся физик, получивший в 1923 г. Нобелевскую премию «за работы по изучению элементарного заряда электричества (е~) и фотоэлектрического эффекта». По воспоминаниям друзей он ссчетал в себе (кроме многих других исключительных черт) два качества, которые было трудно не заметить. Разговорчивость, во много раз превышающую среднюю норму, и выдающуюся физическую интуицию. Сыграло ли какую-нибудь роль первое для открытия позитрона — осталось неизвестным. Но второе оказалось решающим. Узнав об опытах Скобельцына, Милликен сразу же поручил одному из своих сотрудников — Карлу Андерсону — начать исследования космического излучения с помощью камеры Вильсона, но уже помещенной в значительно более сильное магнитное поле (в 20 раз большей величины). Это потребовало и экспериментального искусства, и исключительных для того времени технических средств.
И вот получены фотографии, на которых видны искривленные траектории космических частиц. Плотность ионизации и радиус кривизны траектории — все говорило о том, что некоторые из них принадлежат электронам. Но
59
как объяснить появление следов с «неправильной» кривизной, «завернутых» в противоположную сторону. На фотографиях их приблизительно столько же, сколько и электронных!
Первое предположение, и весьма естественное, заключалось в том, что это протоны. Другой знак заряда — другой знак кривизны траектории. Но исследование фстографий привело к выводу, что ионизирующая способность положительных частиц практически та же, что и у электронов. Следовательно, скорость их близка к скорости света, импульс велик и в магнитном поле они не должны были отклоняться, как электроны. Вывод один — не протоны.
Второе предположение заключалось в том, что «неправильные частицы» — электроны, но летящие в противоположном направлении — снизу вверх. Тогда Андерсон поставил посередине камеры свинцовую пластину. И определил, что частицы летят сверху вниз, поскольку кривизна их траектории в нижней половине камеры больше — они потеряли часть энергии, пролетая через свинец. При полете снизу вверх картина была бы обратная: траектория частиц имела бы меньший радиус кривизны в верхней части камеры.
И вот в 1932 г. Андерсон предположил, что новые частицы не что иное, как «положительные электроны» с массой те и зарядом -\-е. Его доказательства вскоре были убедительно подтверждены в экспериментах Блэкетта и Оккиалини. Они показали, кроме того, что появление позитронов в камере связано с ливнями космического излучения.
Самое поразительное было даже не в открытии новой частицы, хотя в физике, особенно в то время, это было событием первостепенной важности. Поразительным было то, что обнаружилась частица, предсказанная в 1931 г., в существование которой никто не верил.
«Мелодия превращается в скрипку» — это слова академика С. И. Вавилова. На одной из лекций он рассказывал о процессе, обратном реакции аннигиляции позитрона, когда летящий гамма-квант рождает пару электрон-|--f-позитрон: j
7 -> е+ + е~.
Такой процесс превращения электромагнитного поля в вещество был открыт почти одновременно в 1933 г. четырь-
60
і'я группами физиков: во Франции, Германии, Англии и США.
Существует два обязательных условия рождения пары. Первое — энергия гамма-кванта должна превышать сумму энергий покоя компонент пары:
Еу > 2тес2 « 1,02 МэВ.
И, второе, присутствие ядра или электрона, которые должны принять на себя избыток энергии и импульса. Иначе нарушатся законы их сохранения.
Это можно доказать строго (предоставляем это читателю). А мы ограничимся следующими рассуждением. Всегда можно выбрать такую систему отсчета, в которой полный импульс образовавшейся пары равен нулю. Для гамма-кванта, летящего со скоростью света, такой системы выбрать нельзя. Поэтому необходимо присутствие третьего тела, которому он мог бы передать часть импульса и энергии.
Теперь мы можем окончить затянувшееся отступление и возвратиться к прохождению у-квантов через вещество. Рождение электронно-позитронных пар объяснило одпы непонятный эффект, с которым в 1930 г. столкнулись исследователи. Они изучали прохождение жесткого гамма-излучения через различные материалы и обнаружили аномально сильное поглощение квантов. Гораздо большее, чем это предсказывала существовавшая теория. (А в то время с помощью квантовой механики физики могли точно рассчитать такие процессы, как фотоэффект и комптон-эффект.) Расчеты и эксперимент стали полностью совпадать после открытия третьего процесса.
