Реферат: История открытия основных элементарных частиц

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 наравлениях 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 m_e . 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 предположть, что спин позитрона равен 1/2, как и спин электрона.

Открытие нейтрона.

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 АZ 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 r ₀ = e ² /mc ² (который получа­ется, если приравнять электростатическую энергию e ² /r ₀ заряда, распре­деленного по сферической оболочке, собственной энергии электрона mc ² ) составляет r ₀ = 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 ⁴ ₂ He (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, включенной на ан­тисовпадения. Этим достигался отбор частиц, близких к концу своего пробега. Камера помещалась в магнитное поле напряженностью 3500 гс; камера срабатывала с задержкой около 1 сек, что позволяло произво­дить счет капелек. Среди большого числа фотографий Стрит и Стивенсон нашли одну, представлявшую чрезвычайный интерес.

На этой фотографии виден след частицы с импульсом 29 Мэв/с, ионизация которой примерно в шесть раз превышает минимальную. Эта частица обладает отрицательным зарядом, поскольку она движется вниз. Судя по импульсу и удельной ионизации, ее масса оказывается равной примерно 175 массам электрона; вероятная ошибка, составляющая 25 %, обусловлена неточностью измерения удельной ионизации. Заметим, что электрон, обладающий импульсом 29 Мэв/с, имеет практически минимальную ионизацию. С другой стороны, частицы с таким импульсом и массой протона (либо движущийся вверх обычный протон, либо отрицательный протон, движущийся вниз) обладают удельной ионизацией, которая примерно в 200 раз превышает минимальную; кроме того, пробег такого протона в газе камеры должен быть меньше 1 см. В то же время след, о котором идет речь, ясно виден на протяжении 7 см, после чего он выходит из освещенного объема.

Описанные выше эксперименты безусловно доказали, что проникающие частицы действительно являются более тяжелыми, чем электроны, но более легкими, чем протоны. Кроме того, эксперимент Стрита и Стивенсона дал первую примерную оценку массы этой новой частицы, которую мы можем теперь назвать ее общепринятым именем - мезон.

Вывод.