Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Первая оценка массы атома оказалась возможной после того, как в результате кропотливых опытов Перрена было определено число атомов в моле. Следующий шаг был сделан Томсоном, разделившим изотопы неона и измерившим их массы. Дальнейшие задачи сводились к уточнению полученных результатов и к измерению масс всех известных ранее и вновь открываемых разновидностей ядер.
На первых порах каждый экспериментатор создавал сам для себя необходимые приборы, вкладывая в них максимум выдумки и виртуозного технического искусства. Так, Рамзей при определении атомной массы эманации радия создал весы, чувствительность которых намного превосходила чувствительность любых других весов в мире. Теперь же относительные массы атомов определяют на серийных заводских приборах, называемых масс-спектрометрами и масс-спектрографами. Работа как тех, так и других основана на уже известном принципе отклонения частиц в электрическом и магнитном полях. Различие заключается только в методе регистрации отклоненных частиц: в масс-спектрометре число ионов определяют по создаваемому ими току или по числу регистрируемых детектором электрических импульсов, а в масс-спектрографе — по степени почернения фотопластинки.
Перед началом работы прибор градуируют, пуская в него ионы известной массы (например, ионы углерода) и подбирая напряженность магнитного поля так, чтобы эти ионы попадали в регистрирующую систему. Затем в тот же прибор вводят ионы исследуемого вещества. Для того чтобы они попали в регистри-
162
рующую систему, напряженности полей приходится изменять. А так как степень отклонения частиц в электрическом и магнитном полях обратно пропорциональна их массам, то по результатам эксперимента можно непосредственно узнать, во сколько раз масса исследуемых атомов отличается от массы атомов углерода, и тем самым определить атомную массу вещества.
Точный расчет и тщательное изготовление позволили создать масс-спектрометры и масс-спектрографы очень высокой разрешающей способности. В настоящее время массы атомов известны с такой точностью, что абсолютная погрешность в большинстве случаев не превышает нескольких единиц в шестой значащей цифре. Этой точности можно позавидовать и при многих измерениях в мире больших масштабов. Ведь если бы с такой же точностью была измерена масса легкового автомобиля, то погрешность не превышала бы нескольких граммов, т. е. была бы меньше, чем масса грязи на его колесах!
ИЗМЕРЕНИЕ МАСС НОВЫХ ЧАСТИЦ
В середине 3Ox годов физики знали, что вещество состоит из частиц трех видов: электронов, протонов и нейтронов. Кроме того, были известны положительные электроны — позитроны, 7-кванты, которые в некотором смысле тоже можно отнести к частицам, и высказывались предположения об образовании при ?-распаде особых нейтральных частиц — нейтрино. Вот, казалось бы, и все "кирпичики" Вселенной. Более того, поскольку строение всех существующих тел и все известные явления можно объяснить только этими частицами, можно было предположить, что для других частиц и места в природе нет.
И вот в 1936 году Андерсон и Неддермейер, продолжая исследования космических лучей, в ходе которых за пять лет до этого был открыт положительно заряженный электрон (позитрон), обнаружили частицы, очень похожие на электроны, но в то же время отличающиеся от них. Андерсон и Неддермейер использовали в своих экспериментах камеру Вильсона, помещенную в сильное магнитное поле и перегороженную посредине пластинкой свинца или какого-нибудь другого металла. Наблюдая изменение кривизны траектории частиц до и после пластинки, можно было определять потери количества движения,
163
связанные с торможением частиц в свинце. Как уже отмечалось, при больших энергиях электроны теряют энергию в основном при генерации тормозного излучения. Так как масса электрона мала, при взаимодействии с ядром он должен испытывать сильное торможение, в результате чего возникающее излучение оказывается весьма интенсивным и уно-
сит значительную долю энер-Рис. 48. Следы электрона (7) и гии. Поэтому кривизна следа мюона (2) в камере Вильсона, электрона до и после пла-
B некоторых случаях Андерсон и Неддермейер отмечали на своих фотографиях именно такую картину. Однако в других случаях кривизна следов почти не изменялась даже после пластинки платины толщиной 1 см. Столь высокая проникающая способность частиц говорила о том, что они крайне "неохотно" теряют энергию на излучение, откуда можно было заключить, что их масса значительно больше массы электрона. В то же время плотность их следов была такой же, как у электронов; это говорило о том, что их электрический заряд по абсолютному значению равен элементарному заряду. Что же это за частицы? Может быть, протоны? Для ответа на этот вопрос надо было точно измерить их массу.
Затруднения при решении данной задачи были связаны с тем, что, как можно заметить из предыдущего, ни одна из наблюдаемых непосредственно в эксперименте величин (радиус траектории, плотность следа, длина пробега, амплитуда импульса и другие) не зависит только от массы частицы. Поэтому, чтобы определить массу, необходимо измерять каждый раз по крайней мере две из этих величин. Но это-то и связано с определенными трудностями, так как требования к условиям эксперимента оказьюаются различными. В самом деле, если частица не очень быстрая, то длину ее пробега измерить просто, но радиус траектории определяется не очень точно, так как медленные частицы легко сбиваются с дороги встречными атомами и их след получается с изломами. Напротив, быстрые частицы дают плавные
