Лучи или заряженные частицы?

  • Лучи или заряженные частицы?    Пытаясь разобраться в свойствах вновь открытых лучей, физики вначале причисляли их к тем же электромагнитным волнам, что и рентгеновы или гамма-лучи радия.

    Серьезным аргументом в пользу такого, как выяснилось потом, заблуждения была именно необычайная проникающая способность космических лучей.

    Действительно, если проанализировать состав различных радиоактивных лучей, то среди них можно выделить не только электромагнитные волны, но и потоки электрически заряженных частиц — легких отрицательных электронов (бета-частицы) или сравнительно тяжелых, положительно заряженных частиц (альфа-частицы).

    Проникающая способность бета-частиц и особенно альфа-частиц во много раз меньше, чем у гамма-лучей, несмотря на то, что все они несут примерно одинаковые запасы энергии. Дело в том, что взаимодействие электрически заряженных частиц с атомарными электронами вещества простирается гораздо дальше, чем те небольшие расстояния, которые характерны для «столкновений» фотонов с электронами. Это приводит к тому, что потеря энергии альфа- и бета-частиц на ионизацию атомов вещества происходит гораздо чаще, чем потеря энергии в пучке фотонов. Однако нельзя забывать, что полное поглощение частиц или лучей произойдет только при полной потере их энергии, а если бы начальный запас энергии был очень велик, то и проникающая способность могла бы стать достаточно большой.

    Впервые правильная постановка альтернативы — «лучи или частицы» — возникла после опытов известного советского физика Д. В. Скобельцына. В 1927 году Скобельцын впервые применил к изучению космических лучей не обычный электрометр, а камеру Вильсона. Это прибор, который позволяет не просто регистрировать, а наблюдать, если не сами по себе невидимые лучи, то во всяком случае следы, оставленные ими при взаимодействии с веществом. Принцип устройства и работы этого прибора, названного по имени его изобретателя английского физика Ч. Вильсона, в общих чертах можно пояснить следующим образом.

    Сосуд с прозрачными стенками содержит в себе смесь насыщенных паров спирта (или другой жидкости) с каким-либо газом. Опусканием поршня или вообще путем расширения можно добиться резкого охлаждения газа в рабочем объеме, в связи с чем пар переходит в «пересыщенное» состояние и конденсируется в мельчайшие капельки тумана. Однако при соблюдении идеальной чистоты газа и всего объема камеры можно осуществить такие условия, когда туман, вообще говоря, не образуется, несмотря на наличие пересыщенного пара. И только при появлении отдельных ионов в объеме камеры на них начинают оседать молекулы жидкости, а пар конденсируется в капельки. Конденсация пара на ионах позволяет хорошо проследить путь любой заряженной частицы, которая разбивает на ионы молекулы газа вдоль всего своего пути в камере. Освещая камеру сильным пучком обычного света, можно не только наблюдать, но и фотографировать следы заряженных частиц.

    Важным дополнением к камере Вильсона в опытах Скобельцына явился магнит, который искривлял следы заряженных частиц (в частности бета-частиц радия) и позволял тем самым измерять их энергию.

    Действительно, хорошо известно, что магнитное поле отклоняет не только проводник с током но и отдельные заряженные частицы, заставляя их двигаться в простейшем случае по дуге окружности. Чем больше скорость и энергия (точнее, чем больше импульс — произведение скорости на массу частицы), тем слабее сказывается отклоняющее действие магнитного поля, тем меньше следы частиц будут отличаться от прямолинейных. Производя соответствующие наблюдения над бета-частицами радия, которые довольно сильно искривлялись магнитным полем, Скобельцын впервые обнаружил на отдельных снимках в камере Вильсона какие-то совершенно прямолинейные следы неизвестного происхождения. Понадобилась немалая прозорливость ученого, чтобы связать эти прямолинейные следы с космическими лучами, увидеть возможность объяснения огромной проникающей способности космических лучей за счет заряженных частиц огромной энергии.

    В камере дополнительно помещена горизонтальная пластина свинца, которая позволяет исследовать взаимодействие заряженных частиц большой энергии с веществом. Здесь нам необходимо сделать небольшое отступление, чтобы познакомить читателя с той единицей, которой привыкли измерять энергию физики, работающие над исследованием отдельных «элементарных», в том числе и заряженных частиц материи. Этой единицей служит электрон-вольт, и он равен энергии, которую получает любая частица с зарядом электрона после разгона ее в электрическом поле с разностью потенциалов 1 вольт. Таким образом, например, каждый электрон, проходящий через нить лампы накаливания в городской сети, выделяет на своем пути энергию 120 электрон-вольт (сокращенно 120 эв). Измеренная в тех же единицах энергия одной бета-частицы радия составляет уже миллионы электрон-вольт. Скобельцын своими опытами впервые показал, что энергия заряженных частиц, связанных с космическими лучами, должна измеряться по крайней мере сотнями миллионов электрон-вольт (сокращенно Мэв).

    Дальнейшие опыты других физиков, которые проводились с помощью более совершенных камер Вильсона и более сильных магнитных полей, привели к еще белее неожиданным открытиям. При изучении следов заряженных частиц различной энергии американский физик К. Андерсон и вслед за ним англичане Блеккет и Оккиалини (в 1933 году) обнаружили интересное явление, один из примеров которого изображен на прилагаемом снимке. Из одной и той же точки выходят две частицы одинаковой массы, одна с отрицательным, а другая с положительным зарядом. Как показали многие точные измерения аналогичных следов, отрицательно заряженная частица — это обычный электрон, каких много имеется в любом атоме вещества. Зато вторая частица (названная позитроном) была совершенно неизвестного типа, не встречавшаяся никогда раньше в «земных», лабораторных условиях. Как выяснилось впоследствии, позитрон в паре с электроном может появляться при прохождении гамма-кванта достаточно большой энергии сквозь электрическое поле атомного ядра, причем сам квант полностью исчезает, превращаясь в две новые заряженные частицы.

    С другой стороны, пролетая с большой скоростью мимо других атомных ядер, и электрон и позитрон испытывают своеобразное торможение, теряя часть своей энергии на испускание новых гамма-квантов или фотонов.

    Именно второй процесс и происходит, например, в лабораторной рентгеновской трубке электронного типа, но только энергия получаемых здесь фотонов гораздо меньше, чем в космических лучах, когда она измеряется уже не тысячами, а многими миллионами электрон-вольт.

    Итак, было установлено, что гамма-лучи большой энергии могут рождать электроны (в паре с позитронами), но и электроны с тем же «успехом», точнее, примерно с той же вероятностью могут рождать гамма-лучи. Поэтому в земной атмосфере всегда имеется смешанный поток заряженных частиц и фотонов. Каков же состав исходного или, как принято говорить, первичного космического излучения, попадающего на границу земной атмосферы?

    Тэги: Лучи, заряженные частицы