physics_saveliev_3 (535941), страница 77
Текст из файла (страница 77)
В плоскости экватора внутренний пояс радиации простирается от 600 до 6000 км, внешний пояс — от 20000 до 60000 км. На широтах 60 — 70' оба пояса приближаются к Земле на расстояние в несколько сот километров. Ло недавнего времени космическое излучение было единственным источником частиц с энергией, достаточной для образования мезонов и гиперонов. Позитрон, мюоны, и-мезоны и многие странные частицы (см. $99) была первоначально обнаружены в составе космических лучей. В 1952 г.
в Брукхавене (США) был введен в действие первый синхрофазотрон (см. т. П, $68), который позволил получать протоны существенно большей энер-. гии (до 3 Гэв), чем давали существовавшие до тех пор ускорители. Энергия в 3 Гэв попадает уже в область энергий первичного космического излучения, Поэтому 477 брукхавенский синхрофазотрон получил название к о с. мот рона. В настоящее время (1970 г.) в г. Серпухове (под Москвой) действует ускоритель, позволяющий получать протоны с энергией до 76 Гзе. С появлением ускорителей космические лучи утратили свое исключительное значение при изучении элементарных частиц. Однако они по-прежнему остаются единственным источником частиц сверхвысоких энергий. й 95.
Методы наблюдения элементарных частиц Элементарные частицы удается наблюдать благодаря тем следам, которые онп оставляют при своем прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, ее энергии, импульсе и т. и. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные частицы следов ие оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы нли в момент столкновения с каким- либо ядром. Следовательно, в конечном счете нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными нми заряженными частицами.
Приборы, применяемые для регистрации ионизирующих частиц, подразделяются на две группы. К первой группе относятся устройства, которые регистрируют факт пролета частицы и, кроме того, позволяют в некоторых случаях судить об ее энергии. Вторую группу образу1от так называемые трековые приборы, т. е.
приборы, позволяющие наблюдать следы (треки) частиц в веществе. К числу регистрирующих приборов относятся и он изационные камеры и газоразрядные счетчики и (см. т. П, 5 88). Широкое распространение получили также ч е р е н к о в с к и е с ч е т ч и к и (см. 5 48) и сци нтилл я ци о нные счет ч и к и.
Заряженная частица, пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждение атомов. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы испускают видимый свет. Вещества, в которых заряженные частицы возбуждают заметную световую вспышку (сцинтилляцию), называют ф о с ф б р а м и. Фосфоры бывают органические (бензол, нафталин, антрацен, яафтацец и др.) и неорганические. Наиболее употребитель- 478 счетчики включены по с х е м е с о в п аде н и й, во втором — по с х е м е а н т ис о в п а д е н н й. Применяя различные схемы включений, можно из множества 7! ~.у явлении выделить то, которое представляет интерес. Например, два счетчика Рис. 265.
(рис. 266), установленные один над другим и включенные по схеме совпадений, зарегистрируют летящую вертикально частицу 1 и не зарегистрируют частиц 2 и 3. К числу трековых приборов относятся камеры Вильсона, пузырьковые камеры, искровые камеры и эмульсионные камеры. Кроме того, существуют еще и диффузионные камеры, которых мы, однако, не будем рассматривать. Камера Вильсона. Так называют прибор, созданный английским физиком Ч, Вильсоном в 1912 г. Дорожка из ионов, проложенная летящей заряженной частицей, становится видимой в камере Вильсона, потому что на ионах происходит конденсация пересыщенных паров какой-либо жидкости.
Прибор работает не непрерывно, а циклами. Сравнительно короткое (-0,1 — 1 сек) время чувствительности камеры чередуется с мертвым временем (в 100 — 1000 раз ббльшим), в течение которого 47з ными неорганическими фосфорами являются Еп5 — Ац (Уп5, активированный серебром) и ЫаЗ вЂ” Т!.
Для протонных счетчиков обычно используют пластмассовые сцинтилляторы. Применяются также жидкие сцинтилляторы. Сцинтилляционный счетчик состоит из фосфора, от которого свет подается по специальному светопроводу к фотоумножителю. Импульсы, получающиеся на выходе фотоумножителя, подвергаются счету. Определяется также амплитуда импульсов (которая пропорциональйа интенсивности световых вспышек), что дает дополнительную информацию о регистрируемых частицах. Счетчики часто объединяются в груп- Г пы и включаются так, чтобы регистрировались только такие события, которые Ф' ! отмечаются одновременно несколькими приборами, либо, напротив, только од- 1 ним из них. В первом случае говорят, что камера готовится к следующему рабочему циклу. Пересыщение достигается за счет внезапного охлаждения, вызываемого резким (адиабатическим) расширением рабочей смеси, состоящей из неконденсирующегося газа (гелия, азота, аргона) и паров воды„этилового спирта и т.
п. В этот же момент производится стереоскопическое (т. е. с нескольких точек) фотографирование рабочего объема камеры. Стереофотографии позволяют воссоздать пространственную картину зафиксированного явления. Так как отношение времени чувствительности к мертвому времени очень мало, приходится иногда делать десятки тысяч снимков, прежде чем будет зафиксировано какое-либо событие, обладающее небольшой вероятностью, Чтобы увеличить вероятность наблюдения редких явлений, используются управляемые камеры Вильсона, у которых работой расширительного механизма управляют счетчики частиц, включенные в электронную схему, выделяющую нужное событие.
В 1927 г. советский ученый Д. В. Скобельцын впервые поместил камеру Вильсона между полюсами электромагнита, что сильно расширило ее возможности. По искривлению траектории, вызываемому действием магнитного поля, удается определить знак заряда частицы и ее импульс.
В качестве примера фотографии, полученной с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, может служить рис. 270 (стр. 490). Пузырьковая камера. В изобретенной Д. А. Глезером в 1952 г. пузырьковой камере пересыщеиные пары заменены прозрачной перегретой жидкостью (т, е. жидкостью, находящейся под внешним давлением, меньшим давления ее насыщенных паров; см. т. 1, $120). Пролетевшая через камеру ионизирующая частица вызывает бурное вскипание жидкости, вследствие чего след частицы оказывается обозначенным цепочкой пузырьков нара — образуется трек (см.
рис. 271, стр. 500). Пузырьковая камера, как и камера Вильсона, работает циклами. Запускается камера резким снижением (сбросом) давления, вследствие чего рабочая жидкость переходит в метастабильное перегретое состояние. В качестве ра-' бочей жидкости, которая одновременно служит мишенью для пролетающих через нее частиц, применяются жидкий водород (в этом случае нужны низкие темпе- 460 ратуры), пропан (С1Нз), фреоны (СС!Рз, СС11Га) и т.
д. Рабочий объем камер достигает 1000 л. Искровые камеры. В 1957 г. Краншау и де-Биром был сконструирован прибор для регистрации траектоий заряженных частиц, названный искровой камерой. рибор состоит из системы плоских параллельных друг другу электродов, выполненных в виде каркасов с натянутой на них металлической фольгой либо в виде металлпческих пластин (рнс. 266). Электроды соединяются ,кт61юю- аама Рас. 266.
через один. Одна группа электродов заземляется, а на другую периодически подается кратковременный (длительностью 10 ' сск) высоковольтный импульс (10— 15 кв). Если в момент подачи импульса через камеру пролетит ионнзирующая частица, ее путь будет отмечен цепочкой искр, проскакивающих между электродами. Прибор запускается автоматически с помощью включенных по схеме совпадений дополнительных счетчиков, регистрирующих прохождение через рабочий объем камеры исследуемых частиц. В камерах, наполненных инертными газами, межэлектродное расстояние может достигать нескольких сантиметров, Если направление полета частицы образует с нормалью к электродам угол, не превышающий 40, разряд в таких камерах развивается по направлению трека частицы.
Метод фотоэмульснй. Советские физики Л. В. Мысовский и Л. П. Жданов впервые применили для !6 |1. В. сзвельео, т, п1 48! регистрации элементарных частиц фотопластинки. Заряженная частица, проходя через фотоэмульсию, вызывает такое же действие, как и фотоны. Поэтому после проявления пластиики в эмульсии образуется видимый след (трек) пролетевшей частицы, Недостатком метода фотопластинок была малая толщина эмульсиоиного слоя, вследствие чего получались полностью лишь треки частиц, летящих паралелльио плоскости слоя.
В з м у л ьс и о и н ы х к а и е р а х облучению подвергаются толстые пачки (весам до нескольких десятков килограммов), составленные из отдельных слоев фотоэмульсии (без подложки). После облучения пачка разбирается на слои, р . Зьт. каждый из которых проявляется и просматривается под микроскопом. Для того чтобы можно было проследить путь частицы при переходе из одного слоя в другой, перед разборкой пачки иа все слои наносится с помощью реитгеиовских лучей одинаковая координатная сетка. Получающиеся таким способом треки частиц показаны на рис. 267, иа котором зафиксировано последовательное превращение я-мезона в мюон и затем в позитрон.
9 96. Классы элементарных частиц и виды взаимодействий Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых иа современном уровие развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех паблюдавхпихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как едииое целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга. Примеры таких превращений 462 встречались нам в предыдущей главе (см. (87.5), (89.3), (89.4) и (89.5)).
Для того чтобы объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделить, кроме массы, электрического заряда и спина, рядом дополнительных, характерных для них величин (квантовых чисел), о которых будет речь идти ниже, В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное'), электромагнитное, слабое и гравитационное (мы перечисличи их в порядке убывания интенсивности). Сильное взаимодействие.
Этот вид взаимодействия называют иначе ядерным, так как оно обеспечивает связь нуклонов в ядре (см. 9 89). Интенсивность взаимодействия принято характеризовать безразмерной к о нет антой взаимодействия Оа, Эта же константа характеризует вероятность процессов, обусловленных данным взаимодействием. Для сильных взаимодействий 6' = 6а' = 1. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия г), составляет, как мы знаем, примерно 10 са см. Частица, пролетающая со скоростью, близкой к с, в непосредственной близости к другой частице, будет взаимодействовать с ней в течение времени т = г/с = 10-"~(ЗХ Х10") = 10" сек.
В соответствии с этим говорят, что сильное взаимодействие характеризуется в р е и е и е м взаимодействия т, порядка 10" сек. Электромагнитное взаимодействие. Радиус действия электромагнитного взаимодействия не ограничен (г = = пп). Константа взаимодействия равна гаа — гае— а' ! а Гас Ит ' Следовательно, интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз меньше, чем сильного. Время, необходимое для того, чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его интенсивности (или вероятности). Поэтому для электромагнитного ') Сильное взаимодействие распадается на два вида — спбствен.
но сильное и умеренно сильное, но етого вопроса мм касаться не будем. 483 1аь взаимодействия ~э -21 2 т,=т,—, = 10 сек. е Таблица 8 Время вэеимодейсэвия с. сеи Коистеяте еэеимодействия 0' Вид вэеимодейстевя (О (а," 1О 1О'е (1Оэ лет) Сильное (ялерное) Электромагнитное Слабое (распадное) .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
