Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 117
Текст из файла (страница 117)
Часы, находившиеся на ракете, покажут меньшую продолжительность путешествия, чем часы, остававшиеся на Земле. Космонавт постареет меньше, чем его.товарищи, не покидавшие Земли. В справедливость этих выводов трудно поверить, и их обозначали как «парадокс часовм Упомянутые опыты с нестабильными частицами заставляют, однако, относится к «парадоксу часов» как к научному факту. Надо заметить, что при скоростях полета порядка десятков километров в секунду, доступных в современной космонавтике, замедление хода часов ничтожно и им можно полностью пренебречь. ч 237.
Космическое излучение (космические лучи). Уже при первых исследованиях радиоактивности было замечено, что в ионизационной камере (рис. 376) наблюдается некоторый незначительный ток даже в отсутствие радиоактивных препаратов. Наличие этого тока доказывало, что какое-то излучение постоянно создает в камере ионнзацию, получившую название о с т а т о ч н о й и о н н з а ц и и. Вначале пытались объяснять остаточную ионизацию примесями радиоактивных веществ в почве и атмосфере. В этом случае остаточная ионизация должна была бы уменьшаться при удалении ионизационной камеры от поверхности Земли. Однако опыты, в которых ионизационные камеры поднимались на аэростатах на большую высоту, показали обратный результат. На высоте 9 км остаточная ионизация оказалась в 40 раз больн»ей, чем на уровне Земли.
Этот результат становится понятным, если допустить, что излучение, создающее остаточную ионизацию, приходит на Землю из«не и на своем пути через атмосферу постепенно поглощается в ней. Дальнейцше опыты п о д т в е р д и л и в н е з е и н о е происхождение излучения и показали также, что его интенсивность слабо зависит от положения на небе Солнца, Луны и других светил, Отсюда следовало, что б03 излучение испускается не каким-либо отдельным небесным телом, а приходит равномерно со всех направлений мирового пространства.
Ввиду этого излучению, вызывающему остаточную ионизацню, было дано название космического излучения или космических лучей. Природа космического излучения оказалась весьма сложной. Только в пятидесятых годах, опираясь на результаты многочисленных исследований, среди которых видное место занимают работы школы советского физика Д. В.
Скобельцына, удалось составить известное представление о картине этого явления в целом. По современным представлениям первичное кос ми ч ее к о е излучение, т. е. излучение, приходящее из мировгях глубин в земную атмосферу, состоит из быстро движущихся положительно заряженных частиц — протонов — и в меньшем чпсле— а-частиц и других ядер. Энергия первичных частиц космического излучения огромна — она измеряется миллиардами электронвольт, а в некоторых случаях доходит даже до фантастических значений 10м эВ; при этом чем больше энергия частицы, тем меньше встречается таких частиц в первичной компоненте.
Относительно механизма ускорения, путем которого во Вселенной образуются частицы такой огромной энергии, существует ряд предположений, исследование которых продолжается. Из первичного космического излучения только малая доля доходит до поверхности Земли. Подавляющая часть первичных частиц еще в верхних слоях атмосферы сталкивается с ядрами атомов, входящих в состав воздуха. Ввиду громадной энергии первичных частиц такие соударения приводят к расщеплению атомных ядер с испусканием быстрых нейтронов, протонов и а-частиц. Кроме того, соударения частиц большой энергии с ядрами сопровождаются образованием новых частиц — различных мезонов и гиперонов (см.
5 234). В зависимости от вида гипероны превращаются в мезон и нуклон (нейтрон или протон), Мезоны превращаются в конечном с ч е те в электроны, позитроны или у-кванты. Итак, в результате соударения быстрой п е р в и ч н о й частицы с атомнь|м ядром образуется значительное количество в т о р и ч н ы х частиц меньшей энергии — протонов, нейтронов, а-частиц, различных гиперонов и мезонов, электронов, позитронов, у-квантов. Пример такого процесса приведен на рис. 418. Вторичные частицы, продвигаясь в атмосфере, в свою очередь р а з м н о ж а ю т с я за счет ядерных расщеплений и других процессов, примером ко- ьоь торых служит образование электронно-позитронных пар у-квантами (см. $ 223). Наряду с размножением частиц в атмосфере происходит их поглощение, аналогично тому, как происходит поглощение а-, р- и у-частиц при прохождении черсз вещество.
В верхних слоях атмосферы преобладающим процессом является размножение, я число частиц космического нзлу. чения нарастает вплоть до высоты -20 км над уровнем моря. Ниже этой границы главную роль играет поглощение, и интенсивность излучения падает. График зависимости интенсивности космического излучения от высоты приведен на рис.
421. 0 20 40 00 30 !00 быаптп, кя Рис. 421. Зависимость интенсивности космического излучения от высоты над уровнем моря. На высотвх выше 50 км присутствует только первичная компонента космического излучения, приходящая из мирового пространства, и интенсивность излучения не зависит от высоты. Ниже 50 км интенсивность вначале увеличивается за счет образования вторичных частиц, а затем падает за счет возрастаюпсего поглощения в ат- мосфере Полная энергия, котору|о приносят космические лучи на Землю, весьма мала по сравнению с энергией, приносимой световым излучением Солнца.
Поэтому влияние космического излучения на неживую природу Земли, по-видимому, невелико. В развитии жизни оно, возможно, существенно, так как ионизующие излучения увеличивают частоту мутаций и, следовательно, скорость эволюции. Исследование космического излучения имеет большое значение для познания элементарных частиц и Вселенной. Космическое излучение является естественной лабораторией, в которой разыгрываются процессы взаимодействия частиц огромной энергии, далеко превосходящей энергию частиц, ускоряемых самыми мощными лабораторными ускорителями.
По мере увеличения энергии элементарных частиц воз- 605 растает богатство явлений, ими вызываемых, полнее раскрываются свойства частиц. Исследования космического излучения привели в свое время к открытию позитрона и ряда мезонов; подробное изучение этих частиц было проведено в дальнейшем с помощью ускорителей. Можно думать, что и в будущем изучение космического излучения будет приносить ценные данные об элементарных частицах, особенно в связи с начинающимся использованием космических лабораторий (спутников). Все больше возрастает также роль космического излучения как источника астрофизической информации, т. е.
сведений о процессах, происходящих в далеких областях Вселенной, где излучение зарождается и распространяется. Радиоуглеродная датировка в археологии. Нейтроны космических лучей, взаимодействуя с атмосферным азотом, образуют !1-активный изотоп углерода "С, так называемый радиоуглерод (период полураспада 5730 лет): ",Х+ и — ",С+,'Н.
Радиоуглерод содержится в воздухе в форме углекислоты, как и обычный углерод "С, в пропорции "С; "Сж - 1: !О". Так как химические свойства всех изотопов углерода очень близки, такая же их пропорция сохраняется и в растениях, усваивающих атмосферную углекислоту, и в организме животных, питающихся растениями, Таким образом, животные и растения обладают крайне слабой, но поддающейся измерению радиоактивностью. После смерти животного или растения поглощение углерода прекращается и активность "С в останках постепенно уменьшается (вдвое за каждый период полураспада, т. е. за каждые 5730 лет). Сравнивая радиоактивность ископаемых органических остатков (отнесенную к 1 г углерода) с радиоактивностью современных растений или животных, можно определить степень распада "С, а следовательно, и возраст остатков.
Для проверки справедливости этой идеи были проведены измерения с объектами известного возраста, в частности с образцами дерева из гробниц египетских фараонов Джосера и Спофру. Измеренная активность "С хорошо соответствовала известным из рукописей датам смерти этих фараонов (примертю 2700 — 2625 лет до нашей эры). Результаты подобных опытов доказали, что удельное содержание "С в углекислоте воздуха за последние 50— 100 тысяч лет оставалось неизменным и что действительно после смерти организма углеродный обмен не происходит.
3тим была заложена основа так называемого радиоуглеродного метода определения возраста (датировки), который теперь довольно широко и с большой пользой применяют в археологии. ф 88. Определите минимальную кинетическую энергию протонов, е необходим)ю для образования.
а) и мезона в реакции р+р. -ьр+р+ле1 б) пары протон — антипротон в реакции р+р — и+р+р+р 89. Зная массу нейтралыюго л-мезона О35,0 МэВ/сэ), определвте энергию т-квантов, образующихся прн распаде покоящегося нейтрального и-мезона; пэ-ь27. 60. Определите максимальную энергию электронов, испускаемых при б-распаде нейтрона, если масса нейтрона равна 939,57 МэВ/сз, а масса атома водорода равна 938,73 МзВ)сз.
Г л а в а ХХУ!. НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 5 238. Ускорители и экспериментальная техника. За последние десятилетия в физике элементарных частиц произошел настоящий переворот, во многом изменивший наши представления о природе материи. Этот переворот был связан прежде всего с быстрым развитием ускорителей и экспериментальной техники. Рост энергии ускорителей, на которые ложится основная тяжесть исследований в области элементарных частиц, играет здесь важную роль по нескольким причинам.
1. С ростом энергии появляется возможность образования новых типов элементарных частиц с большими массами. При меньших энергиях такие частицы просто не могут рождаться в силу законов сохранения энергии и импульса (порог по энергии — см. упражнение 58 к гл. ХХн). 2. Ускорители можно сравнить с гигантскими микроскопами, которые позволяют изучать пространство на очень малых расстояниях, сравнимых с длиной волны де Бройля для ускоренных частиц. Так, частицы с энергией 1 ТэВ= =10' ГэВ характеризуются длиной волны де Бройля Л= =)э/рж1 10 "ем*).
С их помощью можно зондировать области пространства вплоть до 1О " см, где могут проявляться какие-то новые закономерности физики микромира, не замеченные на больших расстояниях. 3. С ростом энергии частиц меняются свойства взаимодействий между ними и характеристики уже известных процессов. Может оказаться, что определенные черты этих явлений прн высоких энергиях начинают проявляться более четко. Именно в опытах при очень больших энергиях уда- ') В выбранных единицах (см. примечание к с. 580) р=) ТэВ/с! 6 4,14 !О ээ 3 10эе ГэВ см р 1Оэ ГэВ лось установить общую природу слабых и электромагнитных сил.
В последние годы были созданы гигантские, даже по сравненщо с огромным Серпуховским ускорителем (рнс. 898), ускорители, позволившие примерно на два порядка увеличить энергию, доступную для образования новых частиц„ При этом важную роль начали играть опыты на так называемых ускорителях-накопителях со встречными пучками, Чем же различаются между собой эти ускорители? В опытах на «обычных» ускорителях, или, как еще говорят, на ускорителях с фиксированными мишенями, исследуются процессы взаимодействия ускоренных частиц с «неподвижными мишенями» вЂ” нуклонами и ядрами атомов вещества, из которого сделаны мишени. При этом только сравнительно малая часть энергии ускоренных протонов или электронов может быть затрачена «полезным образом> — на образование новых частиц, Так как налетающие на мишень бомбардирующие частицы имеют большой начальный импульс, то, в соответствии с законом сохранения, этот импульс должен уноситься всеми вторичными частицами, образующимися при взаимодействии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
