Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
13. Интересным примером процесса рождения является появление электронно-позитронных пар при прохождении Y-квантов в электрическом поле атома. Процесс заключается в рождении материаль-
ных частиц из электромагнитного излучения. На рис. 13А, представляющем собой фотографию так называемого каскадного ливня в камере Вильсона, «видны» многие примеры такого явления. Объяснение тому, что видно на рисунках (см. также рис. 13В и 13Q, заключается в следующем. Если заряженная частица большой энергии (электрон или позитрон) проходит через одну из горизонтальных свинцовых пластин, видных на снимке, то она может слегка отклониться в поле одного из атомов. При таком отклонении скорость частицы меняется и соответственно возникает электромагнитное излучение в виде v-квантов. (Частица в пластинке может, конечно, испытать последовательные отклонения в поле нескольких атомов. В этом
! оаряженная частица
I у-кВант
у-нЗант / / .
V' /
I / Заряженная / I частица
' I
Рис. 13 В. Заряженная частица большой энергии (например, позитрон или электрон) отклоняется электрическим полем атома. В результате полученного ускорения она испускает у-квант. Это явление носит название тормозного излучения. Заштрихованная часть рисунка соответствует веществу, например свинцовой пластине в камере Вильсона
Рис. 13С. v-квант большой энергии в электрическом поле атома образует электронно-.поэит-ронную пару. Это явление называется образованием пар. Тормозное излучение и образование пар ответственны за развитие каскадного ливня, показанного на рис. 13А
случае будет испущено несколько 7-квантов.) Возникающие в этом процессе 7-кванты могут рождать электронно-позитронные пары в полях других атомов, с которыми они встречаются при прохождении через пластину. Эти заряженные частицы, сталкиваясь с атомами, в свою очередь образуют новые 7-кванты, а последние образуют новые частицы и т. д.
Таким образом, единичная заряженная частица или единичный 7-квант может дать начало каскаду, состоящему из 7-квантов, электронов и позитронов. Заряженные частицы оставляют в камере видимые следы. Они и образуют наблюдаемую на рис. 13А картину ливня. 7-кванты не оставляют следа на фотографии.
Показанный на правой части снимка каскадный ливень возник от 7-кванта, вошедшего сверху в первую пластину. Энергия этого 7-кванта близка к 20 ГэВ. Слева от этого ливня виден второй ливень. Он был создан заряженной частицей заметно меньшей энергии. По-видимому, происхождение обоих ливней связано с каким-то событием, произошедшим где-то в стенке камеры, вне поля зрения. Большинство заметных на снимке частиц движется сверху вниз. Харак-
22
терная особенность рассматриваемых процессов заключается в том, что чем больше энергия частицы в ливне, тем ближе направление ее движения к направлению движения первичной частицы; частицы меньшей энергии могут отойти далеко от оси ливня. При внимательном рассмотрении снимка можно заметить, что вторичные ливни, связанные с частицами, ушедшими от основного направления, быстро «вымирают». Каскадный ливень исчезает, когда первичная энергия оказывается раздробленной между столь большим числом вторичных заряженных частиц и у-квантов, что они уже не способны к дальнейшему рождению пар. В конце концов частицы малых энергий поглощаются в свинцовых пластинах.
Энергию частицы, создавшей ливень, можно оценить по числу созданных ею вторичных заряженных частиц.
14. Описанные процессы рождения и аннигиляции частиц являются важной особенностью природы. Очевидно, что эти явления не имеют аналогии ни в раздроблении куска вещества, ни в химических реакциях. Мы в состоянии описать химическую реакцию, сказав, что новые молекулы образуются из элементов, входивших в состав других молекул. При таком описании атомы можно считать составными частями молекулы. Рассмотрим в противоположность этому случай, когда две сталкивающиеся частицы сохраняются и после столкновения, в котором рождаются также и новые частицы. Очевидно, что такой процесс нельзя описать как перераспределение некоторых элементов, из которых состоят исходные частицы, в новые сложные системы. В равной степени подобное описание не годится для явлений, связанных с исчезновением исходных частиц. Характерным примером такого явления можно считать аннигиляцию электронно-позитронной пары: две материальные частицы, существовавшие вначале, полностью исчезают, и вместо них образуются укванты.
15. Чтобы выяснить экспериментально, является ли частица элементарной или сложной, мы создаем условия для столкновения двух частиц и исследуем продукты реакции. Действуя этим методом, нам удается расщепить молекулу на отдельные атомы, а атомы — на электроны и ядра. Именно поэтому можно утверждать, что молекулы состоят из атомов, которые в свою очередь построены из электронов и ядер. Физики XIX столетия ошибались, полагая, что атомы неразрушимы и неделимы. Оказалось, что атом можно разрушить. То же следует сказать и о ядре. Его разрушение требует, однако, затраты гораздо большей энергии, чем разрушение атома. В этом смысле ядро несравненно более устойчиво, чем атом.
