Физические явления, физика, статьи по физике.

Столь высокая энергия сверхбыстрых частиц вызвана, с одной

стороны, их большой массой, а с другой — высокой скоростью,

которая приближается к предельной скорости, то есть скорости

света в вакууме. Когда такие быстрые частицы проходят сквозь

прозрачные вещества (воду, слюду, стекло), их движение практи­

чески не замедляется. Сам же свет, наоборот, тормозится этими

веществами очень сильно — обратно пропорционально коэффи­

циенту преломления (см. ч. II). Таким образом, в некоторых ве­

ществах заряженная частица перемещается быстрее, чем свет, но

ее скорость никогда не превышает скорость света в вакууме.

Такая «сверхсветовая» частица отбрасывает контровое излу­

чение, аналогично тому, как сверхзвуковая пуля отбрасывает

назад конус звуковых волн. Это явление было обнаружено в

1934 году советским ученым Павлом Алексеевичем Черенковым

(1904—1990) и получило название черепковское излучение.

По длине волны черенковского излучения, его яркости и

направлению можно опеределить массу, заряд и скорость дви­

жущейся частицы. В конце 1940-х годов американский физик

Иван Геттинг предложил схему черенковского счетчика, позво­

ляющего по излучению выделять частицы высокой энергии из

потока обычных частиц. Черенковские счетчики дали ученым

массу сведений о быстрых частицах.

В 1940-х годах началось исследование космического излуче­

ния с помощью высотных шаров и ракет. На больших высотах

удалось зафиксировать первичное излучение, то есть сами кос­

мические частицы, а не излучения, появляющиеся в результате

столкновения космических частиц и атомных ядер. Оказалось,

что большая часть (около 80%) космических лучей являются

частицами очень высокой энергии, а большая часть остальных —

альфа-частицами. Около 2,5% составляют ядра более тяжелых

элементов, вплоть до железа.

Все это указывало на то, что космические частицы являют­

ся голыми ядрами основного вещества, из которого состоит все

во Вселенной. Элементы космических лучей содержатся в про­

порции, схожей с пропорцией элементов внутри большинства

звезд, например Солнца.

В действительности Солнце является одним из источников

космических частиц. Мощные солнечные вспышки приводят к

образованию космических лучей, падающих на Землю. Однако

Солнце — не единственный и далеко не самый мощный источ­

ник космических лучей, так как иначе они падали бы на Зем­

лю исключительно со стороны Солнца, а этого не происходит.

Более того, энергия испускаемых Солнцем космических частиц

сравнительно невысока.

Встает вопрос: каким образом космические частицы получа­

ют свою огромную энергию? В результате ядерных реакций не

выделяется такого количества энергии. Даже при полном пере­

ходе массы в энергию энергия космических лучей все равно

выше.

Предположим, что космические лучи являются протонами и

ядрами других элементов пусть высокой, но не необыкновенно

высокой энергии. Эти частицы разгоняются каким-либо есте­

ственным ускорителем «космического масштаба». Магнитные

поля солнечных пятен могут разгонять частицы до средних ско­

ростей. Звезды с более интенсивными магнитными полями или

даже общее магнитное поле галактики способны ускорять час­

тицы и до более высоких скоростей.

Галактику в этом отношении можно рассматривать как гигант­

ский циклотрон, по которому вихрем проносятся протоны и

атомные ядра, набирая энергию и двигаясь по расширяющейся

спирали. Если они не сталкиваются с каким-либо материальным

объектом, то через некоторое время уровень их энергии возрас­

тает настолько, что они покидают галактику.

Земля прерывает разгон этих частиц. Самыми быстрыми

частицами, скорее всего, являются частицы, прилетевшие к

нам из других галактик. Возможно, что некоторые галактики

с необыкновенно интенсивными магнитными полями могут

ускорять космические частицы до больших скоростей, чем

наши, и могут являться важными источниками самых быстрых

частиц. Однако обнаружить такие галактики пока не удалось.

No Comments »

В конце концов в 1911 году австрийский физик Виктор Гесс

(1883—1964) сделал решающий шаг: он поднял электроскоп на

несколько километров вверх на воздушном шаре. Воздушная

прослойка послужила экраном от слабых излучений земной по­

верхности. К его удивлению, скорость разряда электроскопа не

только не понизилась, но и, наоборот, резко возросла. После­

дующие запуски шаров с электроскопами на борту подтверди­

ли это, и Гесс заявил, что, какова бы ни была природа нового

излучения, оно исходило из космоса, а вовсе не с Земли.

Роберт Милликен (измеривший заряд электрона) сыграл ве­

дущую роль во время самых первых исследований этого новою

излучения и в 1925 году предложил назвать их космическими

лучами, так как они исходили из космоса.

Проникающая способность космических лучей выше, чем

рентгеновских, и Милликен выяснил, что они являются фор­

мой электромагнитного излучения, длина волны которого ко­

роче, а частота — выше, чем даже у гамма-лучей. Физики

предположили, что это излучение является потоком частиц.

Так как излучение исходило из космоса, появлялся способ вы­

яснить, является ли оно потоком частиц или же электромаг­

нитным излучением. Если космические лучи являются элект­

ромагнитным излучением, то они будут падать равномерно на

всю поверхность Земли (в том случае, если они приходят со

всех сторон) и электромагнитное поле Земли не окажет на них

никакого влияния.

Если же космические лучи являются потоком заряженных

частиц, они будут отклоняться магнитными линиями Земли,

причем частицы, энергия которых меньше, будут отклоняться

сильнее. В этом случае ближе к магнитным полюсам концент­

рация космических лучей будет усиливаться, а на магнитной

экватор они падать практически не будут.

В 1920-х годах американский физик Артур Комптон (1892—

1962) занимался изучением этого широтного эффекта. В нача­

ле 1930-х годов ему удалось доказать, что широтный эффект

действительно существует, а космические лучи являются пото­

ком частиц, а не электромагнитным излучением. Поэтому мож­

но смело говорить о космических частицах.

В 1930 году итальянский физик Бруно Росси высказал пред­

положение, что раз космические лучи являются метельчатыми

по своей природе, то магнитное поле должно отклонять их на

восток, если космические частицы обладают положительным

зарядом, то есть больше космических лучей будет падать с за-

падной стороны, и наоборот, если космические частицы заря­

жены отрицательно.

Для подтверждения существования этого эффекта недостаточ­

но просто обнаружить появление космической частицы, нужно

определить направление, откуда она появилась. Для этого был

использован разработанный немецким физиком Вальтером Боте

(1891 — 1957) счетчик совпадений. Такой счетчик состоит из двух и

более счетчиков Гейгера, установленных на одной оси. Когда

вдоль этой оси движется космическая частица, она проходит

сквозь все счетчики. Электрическая цепь построена таким обра­

зом, что частица будет зафиксирована и посчитана только тогда,

когда она пройдет сквозь все счетчики (прочем скорость быстрой

частицы настолько высока, что для прохождения сквозь все счет­

чики ей требуется одно мгновение). Направляя ось счетчиков в

разные стороны, получим «телескоп для космических лучей».

На оси счетчиков также можно поместить камеру Вильсона

и настроить электрическую цепь так, чтобы при обнулении

счетчиков камера расширялась. Капли расширяющейся каме­

ры Вильсона «поймают» недолго существующие нейтроны. А

если к цепи подключить еще и фотокамеру и настроить ее так,

чтобы при каждом расширении она автоматически делала сни­

мок, то космическая частица сама себя сфотографирует.

В 1935 году американский физик Томас Джонсон с помощью

счетчика совпадений доказал, что с запада приходит больше

космических лучей, чем с востока. Ученые решили, что косми­

ческие частицы обладают положительным зарядом.

Пониманию подлинной природы космических частиц мешал

тот факт, что многие из них не долетали до поверхности зем­

ли, ударяясь о то или иное атомное ядро в атмосфере, в резуль­

тате чего происходили ядерные реакции и появлялось вторичное

излучение очень высокой энергии. Часть этого излучения состо­

ит из нейтронов, которые могут в результате (п, />)-реакции с

азотом-14 образовывать углерод-14 или же, выбивая из азо­

та-14 ядра трития (Н

3

), образовывать углерод-12 в результате

(п, 0-реакции. Эти ядра трития и являются источником неболь­

шого количества существующего на Земле Н

3

.

Космические лучи вызывают и другие явления, которые не­

возможно воспроизвести в лабораторных условиях, так как че­

ловечество пока еще не научилось ускорять частицы до ско­

ростей космических частиц с наиболее высокой проникающей

способностью. Современные ускорители способны разгонять

частицы более чем до 30 млрд электронвольт, в то время как

космические частицы обладают энергиями в миллиарды мил­

лиардов электронвольт.

No Comments »

Итак, пока в нашем с вами атомном мире живут лишь элект­

роны, протоны и нейтроны, однако даже с помощью лишь этих

частиц мне удалось многое вам объяснить. В начале 1930-х годов

эти частицы были единственными известными субатомными ча­

стицами. С помощью электронов, протонов и нейтронов очень

легко было объяснить устройство Вселенной в целом, и ученые

надеялись, что больше никаких субатомных частиц не существу­

ет. Однако некоторые теоретики предположили существование и

других типов частиц, которые и были обнаружены в бомбардиру­

ющем Землю излучении из космоса. Об этих излучениях мы сей­

час и поговорим.

В начале XX века физики занимались поисками новых видов

излучений. Открытие радиоволн, рентгеновских лучей и разнооб­

разных радиоактивных излучений заставило ученых, так сказать,

повысить чувствительность к этому феномену

1

.

Тем не менее самое знаменательное открытие в данной об­

ласти было сделано при попытке исключить излучение, а не

обнаружить его. Использующийся для обнаружения проника­

ющего излучения электроскоп с золотыми листками (см. гл. 7)

работал слишком уж хорошо. В 1900 году несколько ученых,

среди которых стоит отметить Вильсона (изобретателя каме­

ры Вильсона), обнаружили, что электроскоп медленно терял

свой заряд, даже когда поблизости не было радиоактивных ве­

ществ. Наиболее вероятным объяснением этого явления ка­

залось то, что в почве повсеместно присутствуют небольшие

количества радиоактивных веществ, порождающие паразитные

излучения.

Однако было обнаружено, что, даже если вывезти электро­

скоп далеко в море или, еще лучше, закрыть экраном из ме­

талла, непроницаемого для известных излучений и не испус-

кающего проникающих излучений, потеря заряда электроско­

пом хотя и замедлялась, но не останавливалась.

No Comments »