1.2 Рассеяние микрочастиц

1.2.1 Постановка экспериментов по рассеянию

В период становления современной физики многие из сущест­венных успехов были достигнуты при изучении пучков заряженных частиц. Исследования Дж. Дж. Томсона и других ученых в области катодных лучей привели к открытию электрона и позволили опре­делить его удельный заряд. Усовершенствовав методику, В. Кауф­ман продемонстрировал релятивистскую зависимость им­­­­пульса, быстрых электронов от скорости. Аналогичными способами Дж. Дж. Томсон экспериментально доказал существование изотопов а развитие Ф. Астоном этой техники дало возможность изучать энергии связи атомных ядер (масс-спектроскопия). Все эти опыты и ана­логичные им дали сведения о природе и свойствах заряженных час­тиц, причем основой служило изучение поведения этих частиц во внеш­них электромагнитных полях.

Попутно выяснилось, что сами пучки заряженных, а впоследствии и нейтральных частиц являются наиболее удобным и эффективным орудием изучения структуры вещества. Достаточно вспомнить, что решающую роль в процессе формирования планетарной модели атома сыграло исследование Э. Резерфордом с сотрудниками рассеяния а-частиц веществом. Опыты Франка—Герца по рассеянию электронов на атомах дали непосредственное доказательство существования дис­кретных стационарных состояний, постулированных Н. Бором.

Дальнейшее развитие метода рассеяния выявило его универсаль­ность и многогранность. Именно с помощью этого метода была получена и получается ныне практически вся информация о структуре и свойствах микромира, причем постоянно планируются и проводятся все новые и новые опыты по рассеянию. Они всегда ставятся так, что весь процесс можно разделить на три основных этапа.

1. Источники, снабженные коллимирующими устройствами и мо­­но­хро­маторами, создают параллельные пучки частиц с почти одинаковыми энергиями для частиц данного пучка. Эти пучки достаточ­но разрежены, и взаимодействием между отдельными частицами в них можно пренебречь. Кроме того, сначала пучки удалены друг от друга, так что каждую из частиц на первой стадии можно считать свободной.

2. Частицы из разных пучков сближаются и вступают в область взаимодействия. Взаимодействие приводит к изменению состояния движения частиц и к разного рода превращениям (переход старых частиц в возбужденные состояния, рождение новых частиц и т. п.).

3. Частицы после взаимодействия (как старые, так и родившиеся в процессе соударения) удаляются друг от друга, и их снова можно считать свободными. Эти частицы регистрируются детекторами, которые рас­положены достаточно далеко от области взаимодействия. Назначение детекторов — зафиксировать образовавшиеся частицы и измерить необходимые их характеристики.

Основные задачи экспериментаторов состоят в изготовлении над­лежащих источников и детекторов, в реальном проведении опыта по рассеянию и в регистрации образовавшихся частиц, которая предпо­лагает также измерение их характеристик. Цель теоретика — по за­данному начальному состоянию и известному взаимодействию пред­сказать результат опыта, т. е. конечное состояние частиц (точнее, вероятности, с которыми реализуются различные конечные состояния). Но чаще всего теоретикам приходится решать обратную задачу: по заданному начальному состоянию и по полученным от эксперимен­таторов сведениям о конечных состояниях восстанавливать детали структуры частиц и характеристики взаимодействия.

Процесс рассеяния частиц состоит из совокупности взаимодействий их друг с другом со следующими результатами:

• изменение лишь состоя­ния движения исходных частиц; в этом случае говорят об упругом ра­­­­­­ссеянии, примерами могут служить рассеяние α-частиц на ядрах в опытах Резерфорда и рассеяние фотонов на электронах в опытах Комптона.

• взаимодействие может быть неупругим и сопровождаться перестройкой их внутренней структуры, т. е. переходами в возбужденные состояния, именно к такого рода экспериментам относятся опыты Франка — Герца.

• взаимодействие может представлять собой реакцию, когда в конечном состоянии появляются новые частицы; соответствующие примеры дают многочисленные ядерные реакции и процессы взаимопревраще­ний элементарных частиц.

• к процессам рассеяния можно отнести и движение заряженных частиц во внешнем электромагнитном поле, поскольку можно счи­тать, что поле играет роль как бы второго пучка; под эту категорию подпадают опыты Дж. Дж. Томсона с катодными лучами, вся масс-спектроскопия, опыты Штерна — Герлаха, радиоспектроскопические методы измерения магнитных мо­ментов частиц и т. п.

• в число процессов рассеяния можно включить и распа­ды нестабильных частиц; в этом случае име­ется всего один исходный пучок, роль которого часто играет непод­вижный образец, содержащий исследуемые частицы.

Все процессы рассеяния управляются определенными законами сохранения, в том числе законами сохранения энергии, импульса, заряда и др. Если данный конкретный процесс разрешен всеми законами сохранения, то он обязательно протекает с той или иной отличной от нуля вероятностью. Когда процесс рассеяния запрещен хотя бы од­ним законом сохранения, он не идет, и говорят, что данный канал является закрытым. Такая ситуация возникает, например, когда рассматривается реакция, протекающая с поглощением энергии, причем энергия налетающей частицы мала.