История открытия основных элементарных частиц
ительный 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 1920 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 (рис. 1), в которой собирался заряд,
возникающий при выбивании электронов из атомов, измерял пробег протонов
отдачи.
Рис.1
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. На рис. 2 схематически
показана структура нескольких легких ядер.
Рис.2
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.
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.
В связи с этим обсуждалась возможность краха теории излучения при
больших энергиях. В качестве альтернативы Вильямс в 1934 году высказал
предположение, что проникающие частицы космических лучей, возможно,
обладают массой протона. Одна из трудностей, связанных с этой гипотезой,
заключалась в необходимости существования не только положительных, но и
отрицательных протонов, потому что эксперименты с камерой Вильсона
показали, что проникающие частицы космических лучей имеют заряды обоих
знаков. Более того, на некоторых фотографиях, полученных Андерсоном и
Неддемейером в камере Вильсона, можно было видеть частицы, которые не
излучали подобно электронам, но, однако, были не такими тяжелыми, как
протоны. Таким образом, к концу 1936 года стало почти очевидным, что в
космических лучах имеются, кроме электронов, еще и частицы до тех пор
неизвестного типа, предположительно частицы с массой, промежуточной между
массой электрона и массой протона. Следует отметить также, что в 1935 году
Юкава из чисто теоретических соображений предсказал существование подобных
частиц.
Существование частиц с промежуточной массой было непосредственно
доказано в 1937 году экспериментами Неддемейера и Андерсона и Стрита и
Стивенсона.
Эксперименты Неддемейера и Андерсона явились продолжением (с
улучшенной методикой) упоминавшихся выше исследований по потерям энергии
частиц космических лучей. Они были проведены в камере Вильсона, помещенной
в магнитное поле и разделенной на две половины платиновой пластиной
толщиной 1 см. Потери импульса для отдельных частиц космических лучей
определялись путем измерения кривизны следа до и после пластины.
Поглощающиеся частицы легко могут быть интерпретированы как электроны.
Такая интерпретация подкрепляется тем, что поглощающиеся частицы в отличие
от проникающих часто вызывают в платиновом поглотителе вторичные процессы и
по большей части встречаются группами (по две и больше). Именно этого и
следовало ожидать, так как многие из электронов, наблюдаемых при такой же
геометрии эксперимента, что у Неддемейера и Андерсона, входят в состав
ливней, образующихся в окружающем веществе. Что касается природы
проникающих частиц, то здесь многое пояснили два следующих результата,
полученных Неддемейером и Андерсоном.
1). Несмотря на то, что поглощающиеся частицы относительно чаще
встречаются при малых значениях импульсов, а проникающие частицы наоборот
(более часты при больших значениях импульсов), имеется интервал импульсов,
в котором представлены и поглощающиеся и проникающие частицы. Таким
образом, различие в поведении этих двух сортов частиц не может быть
приписано различию в энергиях. Этот результат исключает возможность считать
проникающие частицы электронами, объясняя их поведение несправедливостью
теории излучения при больших энергиях.
2). Имеется некоторое число проникающих частиц с импульсами меньше 200
Мэв/с, которые производят не большую ионизацию, чем однозарядная частица
вблизи минимума кривой ионизации. Это означает, что проникающие частицы
космических лучей значительно легче, чем протоны, поскольку протон с
импульсом меньше 200 Мэв/с производит удельную ионизацию, примерно в 10 раз
превышающую минимальную.
Стрит и Стивенсон попытались непосредственно оценить массу частиц
космических лучей путем одновременного измерения импульса и удельной
ионизации. Они использовали камеру Вильсона, которая управлялась системой
счетчиков Гейгера-Мюллера, в
| |  скачать работу |
История открытия основных элементарных частиц |
