Вихман Э. Квантовая физика (Вихман Э. Квантовая физика.djvu), страница 6

Ясно и просто. Дальнейшие подтверждения атомной гипотезы связаны с успехами кинетической теории газов, развитой в работах Максвелла и 18 Больцмана. Эта теория смогла объяснить многие свойства газов, исходя из предположения, что газ в сосуде представляет собой рой молекул, беспорядочно движущихся и непрерывно сталкивающихся со стенками и друг с другом. Кинетическая теория позволила оценить постоянную Авогадро: У«=6,02.10«» моль ', представляющую собой число молекул в моле любого газа, (Молам любого химического соединения мы называем такое его количество, масса которого„ выраженная в граммах, равна молекулярной массе соединения»).1 Первая грубая оценка значения 1»'«была сделана Лошмндтом в 1865 г. Имея такие указания о существовании атомов, трудно поверить, что вплоть до конца прошлого века некоторые ученые отрицали атомную гипотезу на основании отсутствия прямых (!) доказательств атомного строения вещества.

1О. «Атомы» греческих философов не идентичны атомам нашего времени. Прежде всего, наши атомы нельзя считать неделимыми: они построены нз протонов, нейтронов и электронов. Роль «атомов» в понимании греков в какой-то степени играют именно протоны, нейтроны, электроны н множество других элементарных частиц. Что мы понимаем под «элементарной частицей»? Точный смысл этого понятия в настоящее время спорен, но для наших целей практически достаточно простого ответа на поставленный вопрос: частнпу можно считать элементарной, если ее нельзя описать как сложную систему, состоящую из других, более элементарных объектов.

Айы не в состоянии указать на «части» элементарной частицы, она не «построена» из чего-то более простого. На ией наши попытки мысленного деления закончились. При таком определении элементарны протон, нейтрон и электрон, но не атом водорода и не ядро урана. Итак, вот в чем суть идеи, что вещество не может быть бесконечно делимо: невозможно понять строение вещества, исходя из принципа, что сколь угодно малая часть по своим свойствам подобна целому.

В конце концов такой процесс деления теряет смысл; мы приходим к неделимым объектам, и они являются нашими элементарными частицами. 11. Как доказать, что электрон дейсгпеительяо элементаренг Окажется ли объект, представляющийся сегодня элементарным, завтра сложным? В конце концов, то, что мы сегодня считаем атомами, в прошлом столетии было элементарными частицами.

Не может ли история повториться? Существует большое число экспериментальных фактов, показывающих, что история не повторится: частицы, подобные электрону, протону или нейтрону, никогда не окажутся сложными в том же смысле, в каком сложен атом водорода. Попытаемся понять смысл этих фактов. Если два кусочка мрамора, направленные навстречу с большой скоростью, столкнутся, то они разлетятся на более мелкие осколки. «) В настоящее время моль определяется как количество вещества системы, содержащей столько структурных элементов, сколько содержится атомов в нуклиде "С массой 0,012 кг.— Прим. рад.

Аналогично, две молекулы водорода, если их энергия достаточно велика, сталкиваясь, образуют осколки. Если энергия не была слишком велика, то среди осколков мы обнаружим атомы водоРода' протоны, электроны,— иными словами, объекты, из которых пестрое ны молекулы водорода. То, что произошло в этих случаях, мож~~ быть описано следующим образом. При столкновении действовали гг о Пионы !)7пропуонав Рнейтранов и Прппон — ф Про)пон )(« у~ 9— дуров)он сс - ноетоио ю' проорано о"найжрона 7 протонов 7 нейтронов ф /7раупан Рис.

1!А. Схелг ° «нческое представление ядерной реакции:и частица ядро гелия) сталкивается с ядром а«отз. в результате,образуется ядро кислорода н протон. Именно эта реакция, открытая Резерв рдом в !9!о г . была первым наблюд-»нем превращения одних стабильных ндер в другие (П ° гагг)огк Š— Рйг). Мзй.. 1919, т Зт). В опыте Резерфорда ааот бомбар. дировалсяа-частица ги радиоактивного источника, в реакция идентифицкровзлась по наблюдению испущенных протонов. Этот рисунок аналогичен р)с 9А и показывает, что ндра состоят иэ протонов н иещ ропса. а ядерная реакция заключается (при малых энергиях) в перераспределении эти« частиц между ядрвмн.

Такой рясуаоь не следует понимать буквально: ядра «не похо» н» на то, что показа««о на рисунке Рис. 12А. Схема, иллюстрирующая рождеане двух пионов при столкновении дву» протонов больщой энергии. Заряд одного пиона равен .)-е. второго †.е (е — элементарный ааряд). Полный заряд в рзссмюриваемой реакции, конечно, сокранкется. После столкновения оба протона продолжают существовать и возникают две новые частицы О гевидно. что нанвныс модели, подобные показанным на рис 9Л и 1)А. здесь не годятся: явление нельзя рассмат ° рнвать изн„лпсрегруппировку» неких элементов, нз которых «состоят» протоны силы, превосходящие силы сцепления, удерживающие отдельные части как мрамора, так и молекулы водорода, и этн объекты развалились.

Аналогичным образом можно интерпретировать множество ядерных реакций. Ядра состоят из протонов и нейтронов, и если протон, обладающий большой энергией, попадает в ядро, он может выбить из него несколько протонов и нейтронов. 12. Однако если мы изучаем столкновения двух элементарных частиц, например двух протонов, прн достаточно большой энергии, то обнаружим явления, качественно отличные от рассмотренных выше. Например, если протон очень большой энергии сталкивается с другим протоном, то после столкновения оба протона останутся протонами, но мы обнаружим также среди продуктов реакции одну или,несколько новых элементарных частиц, например п-мезоны. Мы говорим, что в такой реакции родились и-мезоны (их называют также пионамп).

Но этим не исчерпываются явления, вызванные столкновением протона с протоном: протоны могут исчезнуть, вместо них могут возникнуть новые частицы, называемые К-мезонами и гиперонами. Аналогично, при столкновениях двух быстрых электронов конечными продуктами распада могут оказаться упри электрона и один позитрон (позитрон отличается от электрона только знаком своего ис. 1ЗА, зратография каскадного ливня в камере Вильсона. Вбльщая часть видимых следов принадлежит электронам и позитронам, движущимся сверху вниз.

Частица и верхнем правом углу камеры, проходящая ло остановки через три пластины. может быть пивном Дальней. шее обсуждение см. в тексте электрического заряда). Но, с другой стороны, столкновение электрона с позитроном может привести и к исчезновению обеих частиц (это явление иосит название аннигиляции), сопровождаюп1емуся возникновением электромагнитного излучения в виде у-квантов. 13. Интересным примером процесса рождения является появление электронно-позитронных пар при прохождении у-квантов в электрическом поле атома.

Процесс заключается в рождении матерналь- 21 ных частиц из электромагнитного излучения. На Рис с. 1ЗЛ, представляющем собой фотографию так называемого каскадного ливня в камере Вильсона, «видныр многие примеры такого явления ения. Объяснение тому, что видно на рисунках (см. также рис. 1ЗВ н 1ЗС) ключается в следующем. Если заряженная частица большой энергии (электрон илн позитрон) проходит через одну нз горизонтал~~ых свинцовых пластин, видных на снимке, то она может слегка отклониться в поле одного нз атомов, При такой! отклонении скорость частицы меняется и соответственно возникает электромагнитное излучение в виде у-квантов. (Частица в пластинке может, конечно, испытать последовательные отклонения в поле нескольких атомов, В этом / / / у- йт/гу////г / . / / / улй и/г/ерзал раб///////а Эаряменнол о//сую////гз / / Зг-/СА/йу// / / / / 7//з"///////су/ Луб!у/л// Рис.

!Зй. Заряженная частица большой энергии (например. позитрон или элентрон! отклон»- ется электрическим полем атома В результате полученного ускорения она испускает у-квант. Это явление носит название тормозного излучения. Заштрихованная часть рисунка соотвегст. «уст вешеству. например свинцовой пластине в камере Вильсона Рис.

!зс. у-квант большой энергии в электрическом поле атома образует электронно-позитронную пару. Это явление называется образованием пар. Тормозное излучение и образование пар ответственны за развитие каскадного ливня, наказанного на рис. !ЗЛ случае будет испущено несколько у-квантов.) Возникающие в этом процессе у-кванты могут рождать электронно-позитронные пары в полях других атомов, с которыми они встречаются при прохождении через пластину. Эти заряженные частицы, сталкиваясь с атомами, в свою очередь образуют новые у-кванты, а последние образуют новые частицы и т. д. Таким образом, единичная заряженная частица или единичный у-квант может дать начало каскаду, состоящему из у-квантов, электронов и позитронов.

Заряженные частицы оставляют в камере видимые следы. Они и образуют наблюдаемую на рис. 13/й картину ливня. у-кванты не оставляют следа на фотографии. Показанный на правой части снимка каскадный ливень возник от у-кванта, вошедшего сверху в первую пластину. Энергия этого у-кванта близка к 20 ГэВ.

Слева от этого ливня виден второй ливень. Он был создан заряженной частицей заметно меньшей энергии. Повидимому, происхождение обоих ливней связано с каким-то событием, произошедшим где-то в стенке камеры, вне поля зрения. Большинство заметных на снимке частиц движется сверху вниз. Харак- терная особенность рассматриваемых процессов заключается в том, что чем больше энергия частицы в лиане, тем ближе направление ее движения к направлению движения первичной частицы; частицы меньшей энергии могут отойти далеко от оси ливня. При внимательном рассмотрении снимка можно заметить, что вторичные ливни, связанные с частицами, ушедшими от основного направления, быстро «вымирают».

Каскадный ливень исчезает, когда первичная энергия оказывается раздробленной между столь большим числом вторичных заряженных частиц и у-квантов, что они уже не способны к дальнейшему рождению пар. В конце концов частицы малых энергий поглощаются в свинцовых пластинах. Энергию частицы, создавшей ливень, можно оценить по числу созданных ею вторичных заряженных частиц. 14, Описанные процессы рождения и аннигиляции частиц являются важной особенностью природы. Очевидно, что эти явления не имеют аналогии ни в раздроблении куска вещества, ни в химических реакциях.