Физика (стр. 49 )

Счетчик Гейгера–Мюллера по конструкции и принципу действия существенно не отличается от пропорционального счетчика, но он работает в области вольтамперной характеристики, соответствующей самостоятельному разряду, т. е. в области высоких напряжений, когда выходной импульс не зависит от первичной ионизации. Этот счетчик регистрирует частицу без измерения ее энергии. Для регистрации отдельных импульсов возникший самостоятельный разряд нужно гасить. Для этого последовательно с нитью (анодом) включается такое сопротивление, чтобы возникший в счетчике ток разряда вызывал на сопротивлении падение напряжения, достаточное для прерывания разряда.

5. Полупроводниковый счетчик. Основным элементом этого счетчика является полупроводниковый диод, который имеет очень малую толщину рабочей области (десятые доли миллиметра). Вследствие этого счетчик не может регистрировать высокоэнергетические частицы. Но он обладает высокой надежностью и может работать в магнитных полях, поскольку для полупроводников магниторезистивный эффект (зависимость сопротивления от напряженности магнитного поля) очень мал.

К числу трековых приборов относятся камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая камера и ядерные фотоэмульсии.

1. Камера Вильсона. Так называют прибор, созданный английским физиком Вильсоном в 1912 г. Дорожка из ионов, проложенная летящей заряженной частицей, становится видимой в камере Вильсона, потому что на ионах происходит конденсация пересыщенных паров какой-либо жидкости. Выполняется камера обычно в виде стеклянного цилиндра с плотно прилегающим поршнем. Цилиндр наполняется нейтральным газом, насыщенным парами воды или спирта. При резком расширении газа пар становится пересыщенным, и на траекториях частиц, пролетевших через камеру, образуются треки из тумана, которые фотографируются под разными углами. По внешнему виду треков можно судить о типе пролетевших частиц, об их количестве и их энергии. Поместив камеру в магнитное поле, можно по искривлению траекторий частиц судить о знаке их заряда.

Камера Вильсона долгое время была единственным прибором трекового типа. Однако и она не лишена недостатков, главный из которых – малое рабочее время, которое составляет примерно 1 % от времени, затрачиваемого на подготовку камеры к очередному запуску.

2. Диффузионная камера является разновидностью камеры Вильсона. Пересыщение достигается диффузией паров спирта от нагреваемой крышки к охлаждаемому дну. Возле дна возникает слой пересыщенного пара, в котором пролетающие заряженные частицы создают треки. В отличие от камеры Вильсона диффузионная камера работает непрерывно.

3. Пузырьковая камера. Этот прибор тоже является модификацией камеры Вильсона. Рабочим веществом является перегретая жидкость под высоким давлением. Резким сбросом давления жидкость переводится в неустойчивое перегретое состояние. Пролетающая частица вызывает резкое вскипание жидкости, и траектория оказывается обозначенной цепочкой пузырьков пара. Трек, как и в камере Вильсона, фотографируется.

Пузырьковая камера работает циклами. Ее размеры такие же, как и размеры камеры Вильсона. Жидкость много плотнее пара, что позволяет использовать камеру для исследования длинных цепей рождений и распадов высокоэнергетических частиц.

4. Ядерные фотоэмульсии. При использовании этого метода регистрации заряженная частица проходит в эмульсии, вызывая ионизацию атомов. После проявления эмульсии следы заряженных частиц обнаруживаются в виде цепочки зерен серебра. Эмульсия – среда более плотная, чем пар в камере Вильсона или жидкость в пузырьковой камере, поэтому протяженность трека в эмульсии более короткая. (Трек длиной в эмульсии соответствует треку длиной в камере Вильсона.) Метод фотоэмульсий применяется для изучения частиц сверхвысоких энергий, которые находятся в космических лучах либо получаются в ускорителях.

Преимущества счетчиков и трековых детекторов объединены в искровых камерах, в которых быстрота регистрации, свойственная счетчикам, сочетается с более полной информацией о частицах, получаемой в камерах. Можно сказать, что искровая камера – это набор счетчиков. Информация в искровых камерах выдается немедленно, без последующей обработки. В то же время по действию многих счетчиков можно установить треки частиц.

5.3.3. Виды взаимодействия элементарных частиц

Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое.

Элементарные частицы могут взаимно превращаться друг в друга. В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Первый вид взаимодействия иначе называют ядерным, так как он обеспечивает связь нуклонов в ядре. Им обусловлена исключительная прочность ядра, лежащая в основе исключительной устойчивости любого вещества на Земле. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие, составляет . Частица, пролетающая со скоростью, близкой к скорости света, в непосредственной близости к другой частице, будет взаимодействовать с ней в течение времени .

Электромагнитное взаимодействие характеризуется неограниченным радиусом действия, в его основе лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех заряженных элементарных частиц и обеспечивает существование атомов и молекул: им обусловлено взаимодействие положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в раз меньше сильного. Время, необходимое для того, чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его интенсивности. Поэтому для электромагнитного взаимодействия .

Слабое взаимодействие, также как и сильное, является короткодействующим, т. е. осуществляется на малых расстояниях и ответственно за многие распады ядер и элементарных частиц. Это наиболее слабое из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно характеризуется довольно большим временем жизни распадающихся частиц: .

Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира в силу малости масс частиц гравитационное взаимодействие существенной роли не играет. Радиус действия его неограничен, время действия .

Для всех типов взаимодействия элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.

Характерным признаком сильного взаимодействия является зарядовая независимость ядерных сил, т. е. силы, действующие между парами , , , одинаковы. Если бы в ядре осуществлялось только сильное взаимодействие, то зарядовая независимость ядерных сил привела бы к одинаковым значениям всех масс нуклонов. Различие в массах нуклонов (а также p-мезонов) обусловлено электромагнитным взаимодействием: энергии взаимодействующих заряженных и нейтральных частиц различны, поэтому и массы заряженных и нейтральных частиц оказываются неодинаковыми.

5.3.4. Частицы и античастицы

В 1928 г. английский физик Дирак вывел релятивистское волновое уравнение, которое позволило предсказать для каждой элементарной частицы существование античастицы, в частности, для электрона было предсказано существование античастицы – позитрона.

Из уравнения Дирака для полной энергии свободной частицы получаются не только положительные, но и отрицательные значения энергии:

.

Между наименьшей положительной энергией () и наибольшей отрицательной энергией () имеется интервал значений энергии, которые не могут реализоваться. В неквантовой теории энергия изменяется непрерывно и поэтому не может пересечь запрещенную зону. По этой причине считается, что энергия не может быть отрицательной. По квантовой теории энергия может изменяться скачком, поэтому запрещенная зона не может воспрепятствовать переходу частицы в состояния с отрицательной энергией. Из соотношения следует, что масса частицы с отрицательной энергией тоже будет отрицательной. Под действием тормозящей силы частица с отрицательной массой должна была бы не замедляться, а ускоряться, совершая над тормозящей силой бесконечно большое количество работы.

Чтобы обойти эту трудность в трактовке состояний частиц с отрицательными значениями энергии, Дирак предположил, что переходы частиц в состояния с отрицательной энергией не наблюдаются по той причине, что все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты частицами. (Принцип Паули запрещает находиться в одном и том же состоянии более чем одной частице.)

Поскольку заняты все без исключения уровни энергии ниже запрещенной зоны, частицы на этих уровнях никак себя не обнаруживают, подобно тому, как в диэлектрике электроны, заполняющие все уровни валентной зоны, никак не реагируют на действие электрического поля. Если одной из частиц, находящихся на отрицательных уровнях энергии, сообщить энергию, не меньшую ширины запрещенной зоны то частица перейдет в состояние с положительной энергией и будет вести себя как обычная частица с положительной массой (рис. 5.3.1, а). Вакансия, образовавшаяся в отрицательных уровнях энергии, должна вести себя, как такая же частица, но имеющая заряд противоположного знака. Действительно, отсутствие частицы, обладающей отрицательными массой и зарядом, будет восприниматься как наличие частицы с положительной массой и положительным зарядом.