1612725063-eb24d9660fd97b365f78091f0a818088 (828996), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Эта идея оказалась очень плодотворной (гл. П1, $ 4 — 6). Тот факт, что ядра могут излучать электроны (р-распад), потребовал теперь нового объяснения, которое мы изложим не сколько позже. 8) 7. Космические ьуззи. Позвтроказ Предположение, что положительные и отрицательные элементарные электрические заряды сильно различаются по массе, означало бы неоправданную асимметрию природы. Все выдвигавшиеся до сих пор теории симметричны по отношению к знаку заряда.
Поэтому еще задолго до нашего времени было бы вполне резонно высказать мысль. что соответственно обеим известным нам частицам, и тяжелой положительной, и легкой отрицательной, в природе существуют частицы с противоположными знаками заряда: положительный электрон и отрицательный протон. Однако обосновать это предположение удалось только при релятивистской формулировке квантовой механики, предложенной Дираком в 1928 г. (гл. Ъ"1, $8). А в действительности открытие положительных электронов, или «позитронов», совершилось экспериментально и вне связи с этими идеями при наблюдениях так называемых космических лучей. Эти лучи сами по себе представляют большой интерес, поэтому мы немного расскажем об их открытии и исследовании.
Как уже отмечалось ($1 этой главы), газы при нормальных условиях плохо проводят электрический ток. Но их проводимость можно увеличить, не только приложив нужную разность потенциалов при пониженном давлении (этот способ мы уже рассмотрели), но также действуя на газ любым видом корпускулярного излучения нли (высокочастотными) электромагнитными волнами. Эти лучи отрывают электроны от атомов илн молекул, а электрическое поле приводит и электроны, и остатки атомов — ионы — в движение. Для обнаружения излучений и исследования их свойств применяются ионизационные каме- Гл.
!1. Элвмантарныв часпщы ры — небольшие сосуды, наполненные газом и снабженные электродами. Для измерения интенсивности излучения по ион. ному току нужно удостовериться, что в отсутствие радиации ток равен нулю. Однако было обнаружено, что он никогда пол постыл не исчезает. Остаточную ионизацию пытались объяс нить слабым радиоактивным излучением Земли.
Но оказалось, что ее неспособны подавить даже толстые свинцовые экраны; слабая ионизация всегда остается (Резерфорд, Макленнан, 1903 г.). Излучение, вызывающее эту ионизацию, должно было бы обладать гораздо большей проникающей способностью, чем любые известные нам у-лучи. Гоккель (1909 г.) обнаружил, что оно не исчезает при подъеме измерительной аппаратуры над поверхностью Земли, как следовало бы ожидать, если бы источ. ники его были на Земле. Затем Хасс (1912 г.), используя воз. душные шары.
провел измерения на высотах свыше 5 км и на. шел, что интенсивность излучения даже возрастает с высотой. Он обнаружил также, что интенсивность одинакова ночью н днем (и, следовательно, источником лучей не может быть Солнце). Таким образом выяснилооь, что лучи приходят из межзвездного пространства; они были названы космическими лучами. Эксперименты проводились на все больших и больших высотах Коль* хйрстером (1914 г.), а затем Милликеном, Тицардом и Регене« ром. Автоматические шары-зонды Регенера (1935 г.) поднима* лись до высоты 30 км.
Космические лучи были обнаружены и на дне глубоких озер — на глубинах более 500 м (Милликен, Регенер, 1928 г.). Более точные исследования проводилнсь с комошью камеры Вильсона в сильных магнитных полях (впервые их осуществил Скобельцын в 1929 г.).
Треки частиц имеют вид окружностей малой кривизны; определив радиусы окружностей, можно вы. числить скорости и энергии частиц. Оказалось, что лучи состоят нз чрезвычайно быстрых частиц; среди них нередки электроны, для разгона которых нужна была бй разность потенциалов порядка 100 †10 мв. Конечно, на земной поверхности мы наблюдаем отнюдь не первичное космическое излучение, а смесь различных вторич. ных частиц, в том числе и электроны, выбитые из молекул воз. духа в результате различных процессов, которые мы опишем ниже. Некоторую определенность в вопрос о природе первичных частиц вносит тот факт, что их интенсивность зависит от географической широты (Клей, 1927 г.): интенсивность меньше на экваторе, чем на полюсах.
Отсюда следует, что мы имеем дело с заряженными частицами, испытывающими отклонение в магнитном поле Земли. В самом деле, рой заряженных частиц, попадая в поле магнита, собирается преимущественно у Э 7. Космические .юуии. Поаитроисс полюсов — этот факт хорошо известен и именно его использо. вал Ширмер (около 1903 г.) для объяснения полярных сияний.
Сверх того, можно определить знак заряда прилетающих ча стиц, так как положительные и отрицательные частицы по-раз ному отклоняются магнитным полем Земли. Положительные ча стицы отклоняются к западу, отрицательные — к востоку. Эта асимметрия распределения по долготе позволяет показать, что по крайней мере в первичных космических лучах большинство частиц заряжено положительно. Сейчас вполне точно установлено, что большинство этих частиц — протоны. Однако присутствуют также ядра гелия, компоненты группы СХО и некоторые тяжелые ядра, такие, как железо.
Имеется целый ряд различных гипотез о происхождении космических лучей, хотя более или менее единодушно мнение, что их энергия обязана либо хаотическому рассеянию в больших намагниченных облаках (Ферми, 1954 г.), либо эффектам типа синхротронного ускорения (гл. П1, $ 6), например, в Крабовидной туманности.
В первом случае частицы получают энергию за счет намагниченных облаков; процесс в известной мере сходен с замедле- вием нейтронов в низкотемпературном замедлителе (только наоборот: нейтроны не теряют энергию, а приобретают ее). Достоинство этого механизма, предложенного Ферми, заключается в том, что он естественным образом объясняет наблюдаемое распределение энергии первичных космических частиц. Однако едва ли подлежит сомнению, что Крабовидная туманность тоже является источником космических лучей, хотя с этой точки зрения, к сожалению, не удается достаточно просто объяснить наблюдаемый энергетический спектр.
Двигаясь через атмосферу, первичные протоны вызывают образование вторичных частиц, среди них множество электронов; ниже мы объясним механизм этого процесса, Андерсон первый заметил, что часто на фотографиях появляются два вида треков, имеющих противоположные знаки кри. визны, хотя н те и другие выглядят как следы электронов (фото 3). Эти треки можно истолковать либо как принадлежащие положительным электронам, либо как принадлежащие частицам, движущимся навстречу друг другу.
Вторая возмож. ность исключается следующим образом. В камеру поместили свинцовую пластинку и исследовали треки прошедших через нее частиц. В этом случае скорость давшей трек частицы обязательно должна уменьшиться, так что кривизна пути частицы за пластинкой становится больше, чем перед ней; это и позволяет определить направление движения частиц (фото 4).
Так было доказано существование позитрона. Гл. И, З»вм«мтармие часгичм С теоретической точки зрения открытие позитрона — событие огромного значения. Оно подтверждает уже упоминав шуюся теорию Дирака, согласно которой ни электрон, ни по зитрон сами по себе не являются неизменными и неразрушимыми, но могуг аннигилировать, столкнувшись друг с другом, а освобождающаяся энергия излучается в виде световых волн.
Наоборот, световые волны достаточно большой энергии могут при определенных условиях родить «пару»: электрон+ +позитрон. Имеются экспериментальные доказательства существования обоих процессов. Факт преобладания отрицатель« ных электронов в нашем реальном мире не противоречит теории. В 1933 г. Блекетт и Оккиалини обнаружили, что часто из стенок камеры вылетает целый ливень частиц, причем треки одних имеют положительную, а других отрицательную кривизну. Эти потоки состоят, таким образом, из положительных и отрицательных электронов.
В настоящее время их возникновение вполне объяснено. Они рождаются в каскадных процессах (Карлсон и Оппенгеймер, Баба и Гайтлер, 1937 г.). Пусть очень быстрый электрон проходит сквозь атом или молекулу; он отклонится в электрическом поле атомного ядра. При любом изменении скорости или искривлении пути быстрый электрон излучает свет, причем чем электрон быстрее, тем меньше длина волны излучения. Самые быстрые из получаемых обычными способами в лабораторияхэлектронов излучают свет с рентгеновской длиной волны. В случае космических электронов длины волн могут быть даже короче, чем у у-лучей.
И теоретические, н экспериментальные исследования показали, что зти сверхжесткне у-лучи генерируются с такой интенсивностью, что электроны, проходя через вещество, очень быстро останавливаются, отдавая всю свою энергию этим лучам. Однако сверхжесткие у-лучи не остаются пассивными. Проходя через вещество, онн превращаются в «электронные пары», о чем мы упоминали выше. Составляющие такие пары положительные н отрицательные электроны имеют, конечно, меньшую энергию, чем первоначальный электрон, но если энергия последнего достаточна велика, то и энергия положительного и отрицательного вторичных электронов может оказаться достаточной, что бы вновь излучить сверхжесткие у-лучи. Таким образом, процесс повторяется снова, образуются все новые и новые пары, пока весь запас энергии не будет исчерпан, и энергия каждого отдельного электрона не окажется слишком малой для дальнейшего размножения.
Мощности таких ливней могут колебаться от двух до нескольких тысяч частиц в зависимости от энергии первичного электрона. В В. Мезоны и ядерные силы Образование ливней происходит очень быстро. Если, например, космический электрон проникает в свинцовую пластинку, достаточно 1 — 3 см свинца, чтобы ливень достиг максимальных размеров, и вскоре после этого все частицы ливня замедляют,ся настолько, что уже не могут выйти из пластинки, если ее толщина составляет, скажем, 5 см. Поэтому ни электроны, нн вторичные частицы не могут пройти сквозь свинцовые пластинки толщиной более нескольких сантиметров. Однако при исследовании космических лучей были обнаружены частицы с гораздо большей проникающей способностью, преодолевающие в свинце пути до 1 м и даже больше (Боте и Кольхерстер, 1928 г.).
Природа этих проникающих частиц долГое время оставалась для физиков загадкой. Ясно, что в рамках данного выше объяснения природы ливней (а эксперименты не оставляют сомнений в его правильности) проникающие частицы не могут быть электронами. Эта дилемма привела к открытию частиц нового типа, названных мезомажц.
)р 8. Мезонэд и ядержэзе сплэз') Нетрудно видеть, какими свойствами должна обладать частица, чтобы она отдавала меньше энергии сверхжестким у-квантам, чем электроны, и, таким обазом, имела ббльшую проникающую способность. Очевидно, что отклонение, которое испытывает частица, проходя через атом, зависит от ее массы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
