История открытия элементарных частиц (стр. 2 из 5)
Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон — была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия α-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц — структурных элементов атомов и их ядер.
Открытие изотопов не прояснило вопрос о строении ядра. К этому времени были известны лишь протоны – ядра водорода, и электроны, а потому естественной была попытка объяснить существование изотопов различными комбинациями этих положительно и отрицательно заряженных частиц. Можно было бы думать, что ядра содержат А протонов, где А – массовое число, и АZ электронов. При этом полный положительный заряд совпадает с атомным номером Z.
Такая простая картина однородного ядра поначалу не противоречила выводу о малых размерах ядра, вытекавшему из опытов Резерфорда. “Естественный радиус” электрона r0 = e2/mc2 (который получается, если приравнять электростатическую энергию e2/r0 заряда, распределенного по сферической оболочке, собственной энергии электрона mc2) составляет r0 = 2,82*10–15 м. Такой электрон достаточно мал, чтобы находиться внутри ядра радиусом 10–14 м, хотя поместить туда большое число частиц было бы затруднительно. В 1920г. Резерфорд и другие ученые рассматривали возможность существования устойчивой комбинации из протона и электрона, воспроизводящей нейтральную частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Однако из-за отсутствия электрического заряда такие частицы с трудом поддавались бы обнаружению. Вряд ли они могли бы и выбивать электроны из металлических поверхностей, как электромагнитные волны при фотоэффекте.
Лишь спустя десятилетие, после того как естественная радиоактивность была глубоко исследована, а радиоактивное излучение стали широко применять, чтобы вызывать искусственное превращение атомов, было надежно установлено существование новой составной части ядра. В 1930 В.Боте и Г.Беккер из Гисенского университета проводили облучение лития и бериллия альфа-частицами и с помощью счетчика Гейгера регистрировали возникающее при этом проникающее излучение. Поскольку на это излучение не оказывали влияния электрические и магнитные поля, и оно обладало большой проникающей способностью, авторы пришли к выводу, что испускается жесткое гамма-излучение. В 1932 Ф.Жолио и И.Кюри повторили опыты с бериллием, пропуская такое проникающее излучение через парафиновый блок. Они обнаружили, что из парафина выходят протоны с необычно высокой энергией, и заключили, что, проходя через парафин, гамма-излучение в результате рассеяния порождает протоны. (В 1923 было установлено, что рентгеновские лучи рассеиваются на электронах, давая комптоновский эффект.)
Дж.Чедвик повторил эксперимент. Он также использовал парафин и с помощью ионизационной камеры, в которой собирался заряд, возникающий при выбивании электронов из атомов, измерял пробег протонов отдачи.
Чедвик использовал также газообразный азот (в камере Вильсона, где вдоль следа заряженной частицы происходит конденсация водяных капелек) для поглощения излучения и измерения пробега атомов отдачи азота. Применив к результатам обоих экспериментов законы сохранения энергии и импульса, он пришел к выводу, что обнаруженное нейтральное излучение – это не гамма-излучение, а поток частиц с массой, близкой к массе протона. Чедвик показал также, что известные источники гамма-излучения не выбивают протонов.
Тем самым было подтверждено существование новой частицы, которую теперь называют нейтроном.
Расщепление металлического бериллия происходило следующим образом:
Альфа-частицы 42He (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с ядрами бериллия (заряд 4, массовое число 9), в результате чего возникали углерод и нейтрон.
Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед. Наблюдаемые характеристики ядер теперь можно было интерпретировать, рассматривая нейтроны и протоны как составные части ядер.
Нейтрон, как теперь известно, на 0,1% тяжелее протона. Свободные нейтроны (вне ядра) претерпевают радиоактивный распад, превращаясь в протон и электрон. Это напоминает о первоначальной гипотезе составной нейтральной частицы. Однако внутри стабильного ядра нейтроны связаны с протонами и самопроизвольно не распадаются.
Начиная с 30-х годов и вплоть до 50-х годов новые частицы открывались главным образом в космических лучах. В 1932 г. в их составе А. Андерсоном была обнаружена первая античастица — позитрон (е+) — частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей. Существование е+ непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928—31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936г. американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании космических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е-, е+.
Позитроны (положительные электроны) в веществе не могут существовать, потому что при замедлении они аннигилируют, соединяясь с отрицательными электронами. В этом процессе, который можно рассматривать как обратный процесс рождения пар, положительный и отрицательный электроны исчезают, при этом образуются фотоны, которым передается их энергия. При аннигиляции электрона и позитрона в большинстве случаев образуются два фотона, значительно реже - один фотон. Однофотонная аннигиляция может произойти только в том случае, когда электрон сильно связан с ядром; участие ядра в этом случае необходимо для сохранения импульса. Двухфотонная аннигиляция, напротив, может происходить и со свободным электроном. Часто процесс аннигиляции происходит после практически полной остановки позитрона. В этом случае испускаются в противоположных направлениях два фотона с равными энергиями.
Позитрон был открыт Андерсоном при изучении космических лучей методом камеры Вильсона. На рисунке, который является репродукцией с полученной Андерсоном фотографии в камере Вильсона, видна положительная частица, входящая в свинцовую пластину толщиной 0,6 см с импульсом 6,3•107 эВ/с и выходящая из нее с импульсом 2,3•107 эВ/с. Можно установить верхний предел для массы этой частицы, допустив, что она теряет энергию только на столкновения. Этот предел составляет 20 me. На основании этой и других сходных фотографий Андерсон выдвинул гипотезу о существовании положительной частицы с массой, примерно равной массе обычного электрона. Это заключение скоро было подтверждено наблюдениями Блэккета и Оккиалини в камере Вильсона. Вскоре после этого Кюри и Жолио открыли, что позитроны образуются при конверсии гамма-лучей радиоактивных источников, а также испускаются искусственными радиоактивными изотопами. Так как фотон, будучи нейтральным, образует пару (позитрон и электрон), то из принципа сохранения электрического заряда следует, что по абсолютной величине заряд позитрона равен заряду электрона.
Первое количественное определение массы позитрона было проделано Тибо, который измерял отношение e/m методом трохоид и пришел к выводу, что массы позитрона и электрона отличаются не больше чем на 15 %. Более поздние эксперименты Шписа и Цана, которые использовали масс-спектрографическую установку, показали, что массы электрона и позитрона совпадают с точностью до 2 %. Еще позже Дюмонд и сотрудники измерили с большой точностью длину волны аннигиляционного излучения. С точностью до ошибок эксперимента (0,2 %) они получили такое значение длины волны, которого следовало ожидать в предположении, что позитрон и электрон имеют равные массы.
Закон сохранения момента количества движения в применении к процессу рождения пар показывает, что позитроны обладают полуцелым спином и, следовательно, подчиняются статистике Ферми. Разумно предположить, что спин позитрона равен 1/2, как и спин электрона.
Пионы и Мюоны. Открытие мезона
Открытие мезона, в отличие от открытия позитрона явилось не результатом единичного наблюдения, а скорее выводом из целой серии экспериментальных и теоретических исследований.
В 1932 году Росси, используя метод совпадений, предложенный Боте и Кольхерстером, показал, что известную часть наблюдаемого на уровне моря космического излучения составляют частицы, способные проникать через свинцовые пластины толщиной до 1 м. Вскоре после этого он также обратил внимание на существование в космических лучах двух различных компонент. Частицы одной компоненты (проникающая компонента) способны проходить через большие толщи вещества, причем степень поглощения их различными веществами приблизительно пропорциональна массе этих веществ. Частицы другой компоненты (ливнеобразующая компонента) быстро поглощаются, в особенности тяжелыми элементами; при этом образуется большое число вторичных частиц (ливни). Эксперименты по изучению прохождения частиц космических лучей через свинцовые пластины, проведенные с камерой Вильсона Андерсоном и Неддемейером, также показали, что существуют две различные компоненты космических лучей. Эти эксперименты показали, что, в то время как в среднем потеря энергии частиц космических лучей в свинце совпадала по порядку величин с теоретически вычисленной потерей на столкновения, некоторые из этих частиц испытывали гораздо большие потери.
В 1934 году Бете и Гайтлер опубликовали теорию радиационных потерь электронов и рождения пар фотонами. Свойства менее проникающей компоненты, наблюдавшейся Андерсоном и Неддемейером, находились в согласии со свойствами электронов, предсказанными теорией Бете и Гайтлера; при этом большие потери объяснялись радиационными процессами. Свойства ливнеобразующего излучения, обнаруженного Росси, также могли быть объяснены в предположении, что это излучение состоит из электронов и фотонов больших энергий. С другой стороны, признавая справедливость теории Бете и Гайтлера, приходилось делать вывод, что "проникающие" частицы в экспериментах Росси и менее поглощающиеся частицы в экспериментах Андерсона и Неддемейера отличаются от электронов. Пришлось предположить, что проникающие частицы тяжелее электронов, так как согласно теории потери энергии на излучение обратно пропорциональны квадрату массы.