Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
229
Анализ, основанный на разбиении процесса на две стадии, иногда очень удобен, в частности, это относится к опытам по рассеянию. Мы изучаем взаимодействие частицы из пучка с частицей в мишени. Стадия приготовления заключается в установке мишени и создании пучка в ускорителе. Стадия измерений заключается в наблюдении частиц, испускаемых из той области мишени, где происходит взаимодействие. К тому же классу принадлежат опыты с пучками света. «Приготовление» фотонов происходит в источнике, который может быть какой-нибудь «лампой» с системой линз, призм, поляризаторов, щелей и т. п. Измерения производятся в некоторой области наблюдения, физически отделенной от источника. Измерительным прибором может служить, например, фотоумножитель, соединенный с некоторыми оптическими устройствами.
22. Характерной особенностью измерений в микрофизике является то, что мы можем их многократно повторять, каждый раз приводя систему в одно и то же состояние. Поэтому результат измерений имеет статистический характер: мы говорим, что из N упавших на мишень фотонов в среднем N' фотонов регистрируется фотоумножителем. Одиночный опыт или однократное измерение имеет дело лишь с одним фотоном, но в окончательном результате производится статистическое усреднение по большому числу идентичных экспериментов.
Конечно, два одинаковых опыта в принципе не идентичны, потому что они произведены в разные моменты времени. Однако мы верим, что законы .природы инвариантны относительно смещения во времени, и поэтому момент времени, в который произведены измерения, безразличен. По этой причине последовательность повторенных одиночных экспериментов можно считать последовательностью идентичных экспериментов (в том смысле, что предварительное состояние системы в каждом опыте одно и то же).
23. Пучок состоит из очень большого числа частиц, но если его интенсивность не слишком велика, то в каждом индивидуальном рассеянии участвует лишь одна частица из пучка. Это условие всегда выполняется при рассеянии материальных частиц и почти всегда при рассеянии фотонов. Поэтому можно считать, что пучок состоит из одной частицы. Практическим способом многократного повторения одиночного опыта (в котором участвует одновременно одна частица) является опыт с пучком частиц.
В опытах по рассеянию служить мишенью может как тонкая пластина или фольга твердого вещества, так и газ или жидкость, заключенные в контейнер. Если интенсивность пучка достаточно велика, то может случиться, что в мишени одновременно произойдут два или больше взаимодействия. Это не мешает считать пучок состоящим из одной частицы, так как два (или несколько) одновременных взаимодействия в мишени полностью друг от друга независимы. Они соответствуют двум элементарным и независимым опытам, выполненным в одно и то же время.
В принципе можно осуществить опыт с пучком очень малой интенсивности, равной, скажем, одной частице в минуту. В этом слу-
230
чае мы уверены, что с мишенью одновременно взаимодействует лишь одна частица. Опыты по рассеянию методически проще описывать как последовательность элементарных опытов, выполняемых с пучком интенсивностью в одну частицу. Поэтому в дальнейшем мы будем считать, что имеем дело с пучком столь малой интенсивности. В действительности в реальном опыте мы не только не ограничиваем интенсивность пучка, но почти всегда стремимся, работать с наибольшей из доступных интенсивностей.
Лазающий сеет
Внутреннее Стеклянное окна
npt 'бодящ ее покрытие, / Лолупрозрауньш
< / / еротокатад
/ / , Решетка
/ ¦' Фскуа/ру^ ‘-о -
4V $ 2 ---------- -J/span
Ч V. ' \ ‘г *
„У*
5
Рис. 24А. Схема фотоумножителя, широко используемого в качестве детектора фотонов; / —10 — днноды, 11 — анод. Фотоны попадают в трубку через стеклянное входное окно к Еыбивают электроны из очень тонкой пленки щелочного металла, нанесенного на внутреннюю поверхность окна. Электроны ускоряются к диноду 1 и фокусируются на [*.ем.'Каждый электрон, достигший динода I, образует несколько вторичных электронов. Оки ускоряются и фокусируются на диноде 2, из которого в свою очередь выбивают вторичные электроны, н т. д. Каждому фотону соответствует лавина электронов, достигающая анода. Все устройство аналогично, таким образом, фотоэлементу с усилителем, заключенным в общий стеклянный сосуд. В фотоумножителе легко достичь усиления тока порядка 108.
24. Для иллюстрации этих идей рассмотрим опыт с пучком света. Проанализируем единичный опыт, т. е. последовательность явлений, происходящих после того, как фотон покидает источник. Допустим, что регистрирующая система представляет собой некоторое оптическое устройство, снабженное счетчиком фотонов (например, фотоумножителем). После испускания фотона мы замечаем, что некоторые счетчики «срабатывают», а другие нет, и отмечаем сработавшие счетчики. Представим себе, что еще до появления следующего фотона все регистрирующие устройства приводятся в исходное состояние, и ждем следующего фотона. После восстановления исходного состояния могут сработать счетчики, но совсем не обязательно те самые, которые сработали в предыдущем опыте. Вновь регистрируем этот факт, восстанавливаем исходное состоя-
