Страница 21 из 92
Еще в конце прошлого века, после открытия естественной радиации, наметились основные методы ее исследования. Антуан Анри Беккерель использовал для этой цели фотопластинки, супруги Жолио-Кюри — электроскоп. В 1903 г. Уильям Крукс, будучи уже в весьма солидном возрасте (он родился в 1832 г.), создал прибор для регистрации отдельных альфа-частиц. Спинтарископ Крукса (с ним любил работать Резерфорд) представлял собой пластинку из сернистого цинка, на которой под ударами альфа-частиц возникали вспышки (сцинтилляции); от греческого «спинтар» (вспышка) и происходит название прибора. Главный прибор для исследования заряженных частиц был построен позже и действовал по совершенно иному принципу.
Основные интересы члена Лондонского королевского общества Чарлза Вильсона были сосредоточены на исследовании процессов конденсации водяных паров и образования облаков в атмосфере. Он разработал теорию, согласно которой каждый заряженный ион становится центром конденсации водяных паров воздуха. Поскольку наблюдать образование облаков «в натуре» — задача вряд ли выполнимая, Вильсон сконструировал камеру, в которой с помощью поршневого насоса можно было резко изменять объем и давление, создавая таким образом условия для конденсации пара.
Интерес к ионам неизбежно привел Вильсона к исследованию радиоактивности, ибо естественная радиация — один из важнейших факторов новообразования в атмосфере. Оставалось сделать всего лишь один шаг, чтобы найти связь между этими явлениями. Вильсон установил, что радиоактивное излучение, проходя через камеру, вызывает образование ионов, которые становятся видимыми благодаря конденсирующимся вокруг них капелькам воды. Таким образом, невидимая частица оставляет в камере реально наблюдаемый след из водяных капелек, который можно сфотографировать.
Хотя и с известным опозданием, Чарлзу Томсону Рису Вильсону, создателю прибора, сыгравшего огромную роль в ядерной физике, в 1927 г. была присуждена Нобелевская премия по физике, которую он разделил с Артуром Комптоном. Они были награждены одновременно, поскольку эффект Комптона наблюдался в камере Вильсона.
С помощью камеры Вильсона Карл Андерсон открыл в 1932 г. позитрон. Камера была помещена, в магнитное поле, которое вызывало искривление траектории заряженных частиц; это позволяло быстро и точно идентифицировать их. Через, определенный, интервал времени делались фотоснимки, на которых затем искали следы новых частиц. Были просмотрены тысячи фотографий, прежде чем на нескольких из них удалось обнаружить следы позитронов. Английский физик Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт существенно усовершенствовал камеру Вильсона, что позволило ему достичь значительных результатов без больших затрат. времени и фотоматериалов.
В 1932 г. Блэкетт вместе с итальянским физиком Джузеппе Станиславе Оккиалини. соединил, камеру Вильсона со счетчиками Гейгера, — приборами, способными регистрировать даже отдельные частицы. Блэкетт установил один счетчик над камерой, а другой — под ней; электрическая схема была построена таким образом, что фотографирование, производилось только в тот момент, когда оба счетчика одновременно давали сигнал, — это, означало, что одна и та же частица прошла через них и, следовательно, в камере образовался ее след.
Такая автоматика значительно упростила исследования и дала возможность сделать много, новых открытий.
С помощью своей камеры Блэкетт вместе с Оккиалини также наблюдали позитроны, причем намного более отчетливо, нежели Андерсон. Впоследствии их аппаратура позволила открыть некоторые другие элементарные частицы. За свой оригинальный вклад в экспериментальную ядерную физику Патрик Блэкетт был удостоен в 1948 г. Нобелевской премии по физике.
Новый метод регистрации частиц с использованием двух и более счетчиков, когда регистрация производится только при их одновременном включении, был предложен учеником Макса Планка, немецким физиком Вальтером Вильгельмом Георгом Боте. Так называемый метод совпадений, разработанный им в 1924 г. в Физико-техническом институте Берлинского университета, давал возможность выделить электрический импульс, порожденный отдельной частицей. В 1929 г. Боте использовал этот метод при исследовании космических лучей. В 1938 г. французский физик Пьер Виктор Оже, поставив несколько счетчиков в одну линию, точно определил направление прихода космических лучей и открыл широкие атмосферные ливни (потоки вторичных частиц, возникающие в атмосфере под действием космических лучей высокой энергии).
В 1954 г. Вальтер Боте стал лауреатом Нобелевской премии по физике (30 лет спустя после сделанного им открытия!) за исследования космических лучей. Он разделил награду с Максом Борном, другим крупнейшим физиком, награжденным за теоретические работы в области квантовой механики, выполненные еще в 20-х годах.
В 1937 г. в космических лучах была открыта новая частица, названная мезоном. Она значительно повысила интерес к теории Юкавы о сильном взаимодействии. Исследования в этом направлении были продолжены в 1946 г. английским физиком Сесилом Франком Пауэллом и его сотрудниками — бразильским физиком Незаре Мансуэто Джулио Латтесом и Джузеппе Оккиалини.
Эти ученые исследовали космические лучи, используя новый метод регистрации треков частиц с помощью специальных фотопластинок с толстым эмульсионным слоем. Этим методом, было открыто, несколько видов мезонов, в частности, кроме, тяжелого электрона Андерсона (мю-мезона) был обнаружен заряженный пи-мезон (пион). В 1948 г. Пауэлл вместе с Э. Гарднером впервые. получил мезоны искусственным путем, подтвердив свое открытие.
Уточненные данные показали, что мю-мезон, масса которого в 207 раз превосходит массу электрона, в действительности является частицей, не связанной с сильным взаимодействием. Переносчиками этого взаимодействия оказались пи-мезоны — частицы, которые живут лишь стомиллионную долю секунды, и поэтому их невозможно наблюдать с помощью камеры Вильсона. Масса пи-мезона примерно в 270 раз больше, чем у электрона.
Фотографический метод Сесила Пауэлла, с помощью которого фиксировали след частицы непосредственно на фотоэмульсии, позволил экспериментально доказать справедливость теории сильного взаимодействия Юкавы. В 1950 г. английский ученый стал лауреатом Нобелевской премии по физике за введенный им метод исследования частиц и открытие мезонов.
В последние годы космические лучи интересуют преимущественно астрофизиков. Для исследований в микромире используется другая техника. Вместе с тем ввиду непомерного удорожания ускорительной техники «небесный ускоритель» вновь начинает завоевывать популярность. В составе космических лучей встречаются частицы такой огромной энергии, какую не в состоянии обеспечить ни один ускоритель, построенный человеком. Правда, обнаружение таких частиц — явление чрезвычайно редкое, и подобные исследования требуют довольно много времени, однако это позволяет получать уникальные данные о микромире.
Элементарные частицы
Представление об атоме как о наименьшей, неделимой структурной частице вещества претерпело с конца прошлого столетия принципиальные изменения. Физики установили, что он представляет собой сложную структуру, состоящую из более мелких частиц.
Прежде всего был открыт электрон, который сравнительно легко отрывается от атома и, кроме того, участвует в процессах излучения света. В 1897 г. Джозеф Джон Томсон окончательно идентифицировал электрон и определил основные его характеристики. Тогда же было установлено, что элементарным носителем положительного заряда является ион водорода, который Резёрфорд назвал в 1914 г. протоном. Спустя шесть лет Резерфорд предсказал существование нейтрона, открытого Чедвиком в 1932 г. В том же году был обнаружен и предсказанный Дираком позитрон. Тем временем опыты Комптона показали, что фотон также можно рассматривать как частицу (эта мысль была высказана Эйнштейном еще в 1905 г.).
Чтобы объяснить некоторые особенности бета-распада, Вольфганг Паули в 1931 г. постулировал существование нейтральной частицы, чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом. Итальянский физик Энрико Ферми назвал ее «нейтрино» («маленький нейтрон»). Лишь в 1959 г. Фредерик Райнес и Клайд Лоррен Коуэн смогли обнаружить нейтрино.