Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

602 Гл. XXV. Элементарные частицы

лиарды электронвольт теряет вследствие ионизации только часть своей энергии).

Однако в камере Вильсона или газоразрядном счетчике чувствительный слой (в пересчете на плотное вещество) крайне тонок. В связи с этим получили применение некоторые другие методы регистрации частиц.

Очень плодотворным оказался фотографический метод. В специальных мелкозернистых фотоэмульсиях каждая заряженная частица, пересекающая эмульсию, оставляет след, который после проявления пластинки обнаруживается под микроскопом в виде цепочки черных зерен. По х а р а к т е р у с л е д а, оставленного частицей в фотоэмульсии, м о ж н о у с т а н о в и т ь природу этой частицы — ее з а р я д, м а с с у, а также э н е р г и ю. Фотографический метод удобен не только из-за того, что можно использовать толстые слои вещества, но и потому, что в фотопластинке, в отличие от камеры Вильсона, следы заряженных частиц не исчезают вскоре после пролета частицы. При изучении редко случающихся событий пластинки могут экспонироваться длительное время; это особенно полезно в исследованиях космических лучей. Примеры редких событий, запечатленных в фотоэмульсии, приведены выше на рис. 414, 415; особенно интересен рис. 418.

Другой замечательный метод основан на использовании свойств перегретых жидкостей (см. том I, § 299). При нагреве очень чистой жидкости до температуры, даже чуть большей температуры кипения, жидкость не вскипает, так как поверхностное натяжение препятствует образованию пузырьков пара. Американский физик Дональд Глезер (р. 1926) заметил в 1952 г., что перегретая жидкость мгновенно вскипает при достаточно интенсивном γ-облучении: добавочная энергия, выделяемая в следах быстрых электронов, создаваемых в жидкости γ-излучением, обеспечивает условия для образования пузырьков.

На основе этого явления Глезер разработал так называемую жидкостную пузырьковую камеру. Жидкость при повышенном давлении нагревается до температуры, близкой, но меньшей температуры кипения. Затем давление, а с ним и температура кипения понижаются и жидкость оказывается перегретой. Вдоль траектории заряженной частицы, пересекающей в этот момент жидкость, формируется след пузырьков пара. При подходящем освещении он может быть запечатлен фотоаппаратом. Как правило, пузырьковые камеры располагают между полюсами сильного электромагнита, магнитное поле искривляет траектории частиц. Измеряя длину следа частицы, радиус его кривизны, плотность

Рис. 418. Превращения частиц, зафиксированные в стопке фотоэмульсий, облученной космическими лучами. В точке E невидимая быстрая нейтральная частица вызвала расщепление одного из ядер фотоэмульсии и образовала мезоны («звезда» из 21 следа). Один из мезонов, K+-мезон, пройдя путь около 6 см (на снимке приведены лишь начало и конец следа; при использованном на фотографии увеличении длина всего следа была бы 30 м), остановился в точке C и распался по схеме K+ → π+ + π+ + π−. π−-мезон, след которого направлен вниз, в точке D захватился ядром 16O, вызвав его расщепление. Одним из осколков расщепления было ядро 8Li, которое путем β-распада превратилось в ядро 8Ве, мгновенно распадающееся на две летящие в противоположные стороны α-частицы — на снимке они образуют «молоток», π+-ме- зон, остановившись, превратился в μ+-мюон (и нейтрино) (точка B). Окончание следа μ+-мюона приведено в правом верхнем углу рисунка;

виден след позитрона, образованного при распаде μ+ → e+ + 2ν

Рис. 420. Следы пар электрон–позитрон в пузырьковой камере. Водородная камера облучалась энергичными заряженными частицами и γ-квантами. Тройка следов (стрелка с надписью «тройка») — результат взаимодействия γ-кванта с электроном, приведшего к образованию пары e+–e− (спирали, закручивающиеся в противоположные стороны); слабо искривленный след принадлежит первичному электрону, получившему в этом процессе большую энергию. Стрелка с надписью «пара» указывает на пару e+–e−, образованную γ-квантом на протоне; протон не дает видимого следа, так как ввиду большой массы не

получает при взаимодействии с γ-квантом достаточной энергии

§ 236. Парадокс часов. В заключение остановимся на любопытном предсказании теории относительности Эйнштейна, которое получило прямое подтверждение в опытах с элементарными частицами.

Рассмотрим нестабильную частицу, которая в с о с т о я н и и п о к о я характеризуется средним временем жизни до распада τ0. Если эта частица движется равномерно со скоростью v, то ока-

606 Гл. XXV. Элементарные частицы

зывается, что среднее время жизни, наблюдаемое в лаборатории

1− v2/c2

Спомощью соотношений, приведенных в § 200, это выражение можно привести к виду

покоя. Среднее время жизни частицы возрастает пропорционально ее полной энергии. В опытах с быстрыми мюонами, π-мезонами и K-мезонами наблюдалось возрастание среднего времени жизни этих частиц в десятки раз в точном соответствии с законом (236.1). Это явление можно характеризовать как замедление времени в движущихся телах. В самом деле, процессы, идущие внутри нестабильной частицы, можно рассматривать как некоторые часы, отсчитывающие время. Неподвижные часы отсчитали несколько средних времен жизни, и частица должна

прошла только малая доля среднего времени жизни τ0, и частица еще «жива».

Теория относительности распространяет этот вывод на любые физические процессы; биологические процессы не составляют исключения.

Представим ракету, стартующую с Земли, путешествующую в космосе со скоростью, близкой к скорости света, и возвращающуюся на Землю. Часы, находившиеся на ракете, покажут меньшую продолжительность путешествия, чем часы, остававшиеся на Земле. Космонавт постареет меньше, чем его товарищи, не покидавшие Земли. В справедливость этих выводов трудно поверить, и их обозначали как «парадокс часов». Упомянутые опыты с нестабильными частицами заставляют, однако, относится к «парадоксу часов» как к научному факту. Надо заметить, что при скоростях полета порядка десятков километров в секунду, доступных в современной космонавтике, замедление хода часов ничтожно и им можно полностью пренебречь.

§ 237. Космическое излучение (космические лучи). Уже при первых исследованиях радиоактивности было замечено, что в ионизационной камере (рис. 376) наблюдается некоторый незначительный ток даже в отсутствие радиоактивных

препаратов. Наличие этого тока доказывало, что какое-то излучение постоянно создает в камере ионизацию, получившую название о с т а т о ч н о й и о н и з а ц и и. Вначале пытались объяснить остаточную ионизацию примесями радиоактивных веществ в почве и атмосфере. В этом случае остаточная ионизация должна была бы уменьшаться при удалении ионизационной камеры от поверхности Земли. Однако опыты, в которых ионизационные камеры поднимались на аэростатах на большую высоту, показали обратный результат. На высоте 9 км остаточная ионизация оказалась в 40 раз большей, чем на уровне Земли. Этот результат становится понятным, если допустить, что излучение, создающее остаточную ионизацию, приходит на Землю извне и на своем пути через атмосферу постепенно поглощается в ней. Дальнейшие опыты п о д т в е р д и л и в н е з е м н о е происхождение излучения и показали также, что его интенсивность слабо зависит от положения на небе Солнца, Луны и других светил. Отсюда следовало, что излучение испускается не каким-либо отдельным небесным телом, а приходит равномерно со всех направлений мирового пространства. Ввиду этого излучению, вызывающему остаточную ионизацию, было дано название

космического излучения или космических лучей.

Природа космического излучения оказалась весьма сложной. Только в пятидесятых годах, опираясь на результаты многочисленных исследований, среди которых видное место занимают работы школы советского физика Д. В. Скобельцына, удалось составить известное представление о картине этого явления в це-

глубин в земную атмосферу, состоит из быстро движущихся положительно заряженных частиц — протонов — и в меньшем числе — α-частиц и других ядер. Энергия первичных частиц космического излучения огромна — она измеряется миллиардами электронвольт, а в некоторых случаях доходит даже до фантастических значений 1021 эВ; при этом чем больше энергия частицы, тем меньше встречается таких частиц в первичной компоненте. Относительно механизма ускорения, путем которого во Вселенной образуются частицы такой огромной энергии, существует ряд предположений, исследование которых продолжается.

Из первичного космического излучения только малая доля доходит до поверхности Земли. Подавляющая часть первичных частиц еще в верхних слоях атмосферы сталкивается с ядрами атомов, входящих в состав воздуха. Ввиду громадной энергии первичных частиц такие соударения приводят к расщепле-

на неживую природу Земли, по-видимому, невелико. В развитии жизни оно, возможно, существенно, так как ионизующие излучения увеличивают частоту мутаций и, следовательно, скорость эволюции. Исследование космического излучения имеет большое значение для познания элементарных частиц и Вселенной. Космическое излучение является естественной лабораторией, в которой разыгрываются процессы взаимодействия частиц огромной энергии, далеко превосходящей энергию частиц, ускоряемых самыми мощными лабораторными ускорителями. По мере увеличения энергии элементарных частиц возрастает богатство явлений, ими вызываемых, полнее раскрываются свойства частиц.

Исследования космического излучения привели в свое время к открытию позитрона и ряда мезонов; подробное изучение этих частиц было проведено в дальнейшем с помощью ускорителей. Можно думать, что и в будущем изучение космического излучения будет приносить ценные данные об элементарных частицах, особенно в связи с начинающимся использованием космических лабораторий (спутников). Все больше возрастает также роль космического излучения как источника астрофизической информации, т. е. сведений о процессах, происходящих в далеких областях Вселенной, где излучение зарождается и распространяется.

Радиоуглеродная датировка в археологии. Нейтроны космических лучей, взаимодействуя с атмосферным азотом, образуют β-активный изотоп углерода 14С, так называемый радиоуглерод (период полураспада 5730 лет):

147 N + n → 146 C + 11H.

Радиоуглерод содержится в воздухе в форме углекислоты, как и обычный углерод 12С, в пропорции 14С : 12С ≈ 1 : 1012. Так как химические свойства всех изотопов углерода очень близки, такая же их пропорция сохраняется и в растениях, усваивающих атмосферную углекислоту, и в организме животных, питающихся растениями. Таким образом, животные и растения обладают крайне слабой, но поддающейся измерению радиоактивностью.

После смерти животного или растения поглощение углерода прекращается и активность 14С в останках постепенно уменьшается (вдвое за каждый период полураспада, т. е. за каждые 5730 лет). Сравнивая радиоактивность ископаемых органических остатков (отнесенную к 1 г углерода) с радиоактивностью современных растений или животных, можно определить степень распада 14С, а следовательно, и возраст остатков.

20 Г. С. Ландсберг

Для проверки справедливости этой идеи были проведены измерения с объектами известного возраста, в частности с образцами дерева из гробниц египетских фараонов Джосера и Спофру. Измеренная активность 14С хорошо соответствовала известным из рукописей датам смерти этих фараонов (примерно 2700–2625 лет до нашей эры).

Результаты подобных опытов доказали, что удельное содержание 14С в углекислоте воздуха за последние 50–100 тысяч лет оставалось неизменным и что действительно после смерти организма углеродный обмен не происходит. Этим была заложена основа так называемого радиоуглеродного метода определения возраста (датировки), который теперь довольно широко и с большой пользой применяют в археологии.

60. Определите максимальную энергию электронов, испускаемых при β-распаде нейтрона, если масса нейтрона равна 939,57 МэВ/c2, а масса атома водорода равна 938,73 МэВ/c2.