Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Легко себе представить, что если бы К. Андерсон не открыл «вовремя» позитрона, то это вполне могли сделать те, кто изучал поглощение квантов в веществе. И это полностью согласуется со словами Э. Резерфорда о случайных открытиях, которые мы приводили.
Итак, следы гамма-кванта, оставленные в веществе, всегда связаны со вторичными частицами — электронами или электроныо-позитронными парами.
При разных энергиях излучения Ev преобладают по очереди все три процесса. Например, при прохождении сквозь свинец при Ev <^ 0,5 МэВ первенство принадлежит фотоэффекту, в диапазоне энергий 0,5 МэВ < Еу <С <5 МэВ — комптон-эффекту, для Еу > 5 МэВ — рож-
61
дению пар. Вообще же гамма-излучение взаимодействует с веществом на много порядков слабее заряженных частиц. Если необходимо ослабить пучок квантов с энергией ЮМэВ в 1000 раз, то необходимая толщина вещества составит 3,5 м воды или 1.3 см свинца (для а-частиц такой же энергии понадобился бы слой воды в десять тысяч раз тоньше).
5.7. Антивещество
Открытие позитрона позволило впервые заглянуть в антимир. Но уже в своей замечательной работе 1931 г. Дирак упоминает о возможности существования такой частицы, как антипротон. Позднее физики пришли к выводу, что каждой из многих существующих элементарных частиц соответствует своя античастица с такой же массой, спином, но с противоположными знаками заряда и магнитного момента. Бывают случаи, когда частица и античастица совпадают. Это имеет место для гамма-кванта. Встречаясь, частица и античастица исчезают — аннигилируют. При этом рождаются гамма-кванты (или другие частицы). Иногда позитрон, летящий в. веществе, не сразу аннигилирует с электроном, а образует с ним единую систему — нечто вроде водородного атома, в котором роль протона играет позитрон. Такая система носит название «позитроний» и живет очень недолго — около 10~10 с.
Следующие шаги в антимир — открытие антипротона и антинейтрона — были сделаны только через четверть века. Для этого понадобилось создать ускорители частиц высоких энергий. На этих машинах (о них еще речь впереди) были получены и первые антиядра.
В 1970 г. советские ученые синтезировали ядро, состоящее из двух антипротонов и антинейтрона — антигелий 3.
Хотя рассказ об антивеществе можно продолжать еще очень долго, мы должны вернуться к следующим видам взаимодействия. На страницах этой книги читатель еще раз услышит об античастице в главе «Радиохимия. Солнце и нейтрино».
.62
5.8. Вопросы и задачи
17. Может ли гамма-квант с энергией Av п импульсом hv/c передать их изолированному электрону, т. е. может ли произойти фотоэффект на одном электроне?
18. Основные законы фотоэффекта были установлены выдающимся русским физиком А. Г. Столетовым (1888 г.). Результаты своих опытов он суммировал в двенадцати тезисах. Вот некоторые из них:
«1. Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд...
2. Это действие лучей есть строго униполярное; положительный заряд лучами не уносится...
4. Разряжающим действием обладают — если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими — лучи самой высокой преломляемости ... (Л < 195•1O-0 мм) ...
12. ... действие лучей усиливается с повышением температуры».
На основании современных представлений о фотоэффекте объясните эти тезисы, а для пункта 4 определите работу выхода металла, поверхность которого освещалась.
19. В опытах, поставленных в 1923 г., Артур Комптон обнаружил, что если рентгеновское излучение с длиной волны К рассеивать на каком-либо веществе (в первых опытах использовался графит), то наблюдаются кванты с большей длиной волны К' и разность AK = V — Я растет с увеличением угла рассеяния. Покажите это, используя формулы (22) и (23) и считая, что скорость электрона много меньше скорости света (нерелятивистский случай).
Глава 6 ВНУТРИ ЯДРА
6.1. Нейтроны и ядерные силы
Открыв ядерное ядро, необходимо было сделать следующий шаг — понять, что же находится внутри него. Опыты Резерфорда показали, что положительный заряд в ядре несут тяжелые частицы — протоны. Но при попытках объяснить соотношение между зарядом и массой ядер, более сложных, чем водород, сразу же возникали трудности. Если они состоят из протонов, то почему заряд ядра гелия в два раза больше, чем у протона, а масса больше в четыре раза? Такое несоответствие возникает и для других ядер. Тогда предположили, что наряду с протонами в ядре содержатся и электроны. В ядре гелия четыре протона и два электрона, которые и компенсируют заряд двух протонов. В тяжелых ядрах электронов больше. Казалось, такая гипотеза объясняет структуру материи, но появившаяся квантовая механика воспротивилась желанию фн-
63
зиков «запихнуть» электроны в ядро. Действительно, если электрон находится внутри него, то неопределенность его координаты Ar не может сильно превышать размеры ядра, скажем, 10"14м. Тогда минимальные значения неопределенности импульса Ap = TiIAr ^ 10~20 кг -м/с (согласно соотношению неопределенности Гайзенберга) и энергии электрона AK т Ар-с > 20 МэВ.
