Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Положительные электроны, «позитроны»

На полученном в 1932 г. удивительном фотоснимке в камере Вильсона ясно видно, что существуют положительные электроны. Карл Андерсон фотографировал треки частиц высокой энергии, приходящих из космического пространства (прямо на нас). Этот всепроникающий поток космических лучей доходит до нас в виде смеси протонов, электронов, нейтронов и других частиц, заряженных и незаряженных. Первичными частицами являются протоны и другие атомные ядра с энергиями в миллионы или даже в миллиарды Мэв. Многие из них проходят, невредимо через нашу атмосферу, часть же тормозится в беспорядочных столкновениях, производя «вторичное космическое излучение»: γ -кванты, ливни электронов, протонов, нейтронов и мезонов. Магнитное поле Земли настолько сильно закручивает траектории заряженных частиц, что на экваторе частицы с низкой энергией не могут достигнуть поверхности Земли. Чтобы измерить импульсы этих частице помощью камеры Вильсона, физики, исследуя смесь первичных и вторичных частиц, используют сильное магнитное поле. Стенки из тяжелого металла задерживают частицы локального происхождения, они не задерживают космические лучи высоких энергий, и те проходят через камеру. Для того чтобы происходило расширение камеры, когда частица проходит в выбранном направлении, систему счетчиков Гейгера можно расположить по схеме «следящего телескопа». Электроны очень высокой энергии легко проходят через камеру, стенки и т. д., оставляя треки из водяных капель, сконденсировавшихся на ионах внутри камеры, которые можно сфотографировать. Ионы, созданные столь быстрой частицей, довольно редко разбросаны на ее пути. Поэтому оставленный ею трек выглядит «тонким», но тем не менее его легко можно сфотографировать. Андерсон сфотографировал трек, который был похож на трек быстрого электрона (импульс частицы определялся по отклонению в магнитном поле, пронизывающем камеру. При этом длина трека исключала возможность принять его за трек более тяжелой частицы, такой, как протон). Андерсон решил, что он обнаружил положительный электрон.

Задача 2. Доказательства того, что существует положительный электрон (см. фотографию Андерсона , фиг. 123)

а) Если Андерсон определил по форме, что это трек электрона, что нашел бы он, измерив кривизну трека в разных точках?

б) Если трек был закручен в сторону, противоположную большинству треков на подобных фотоснимках, то он был оставлен либо положительным электроном, подобным отрицательному, либо отрицательным электроном, который имел…?

в) Чтобы решить, какое из двух предположений в пункте б) правильно, Андерсон перегородил камеру металлической пластинкой, надеясь сфотографировать трек, который пронижет пластинку. См. его удачный фотоснимок. На основании чего по этому фотоснимку можно утверждать, что трек принадлежит положительному электрону?

Положительные электроны, называемые теперь позитронами , были предсказаны за несколько лет до этого П. А. М. Дираком на основе умозрительной теории. Так что, когда Андерсон сделал свое открытие, теория готова была его объяснить. В целях математической завершенности и симметрии развиваемой им теории Дирак предположил, что существует целое море электронов с отрицательной кинетической энергией , если хотите, нереальных и, следовательно, не наблюдаемых. Однако если одному из таких эфемерных электронов с «отрицательной энергией» — ( е -) передать энергию (2 mс 2), достаточную для того, чтобы его энергия стала положительной, возникает обычный электрон е -и «дырка» в океане мифических — ( е -) электронов. Эта «дырка» затем будет вести себя как реальный положительный электрон. Таким образом, теория предсказывала положительный электрон как нечто вроде зеркального отображения обычного электрона. В терминах «античастиц» позитрон отвечает «антиэлектрону».

Поскольку удалось обнаружить в камере Вильсона реальный е +-электрон, то начали искать, а затем и обнаружили ранее предсказанное событие рождения «из ничего» пары е +и е -. γ -лучи высокой энергии, падая на атом, способны затратить свою энергию на создание пары электронов е -и е +. Это не что иное, как создание излучением вещества — материальных частиц (фиг. 156).

Задача 3. Энергия, необходимая для создания пары

Масса покоя электрона и позитрона одинакова и равна 1/ 1840массы протона (масса протона соответствует энергии 940 Мэв).

а) Какой энергией (наименьшей) должен обладать γ -луч, чтобы быть способным родить пару е -и е +?

б) Какой кинетической энергией (в эв ) должен обладать электрон, чтобы его полная масса в неподвижной системе координат была вдвое больше его массы покоя?

в) Насколько тяжелее казался бы β -луч с кинетической энергией 2 Мэв по сравнению с электроном, движущимся с малой скоростью?

г) Какую энергию (в эв ) должен иметь γ -луч для создания пары е -и е + и выбрасывания каждой частицы с кинетической энергией 2 Мэв?

Фактически γ -луч с такой энергией создал бы в камере Вильсона неподвижную пару. γ- луч с большей энергией (более крупный квант, с более короткой длиной волны) способен превратить избыток энергии в кинетическую энергию пары и толкнуть электрон и позитрон вперед. Тогда в камере Вильсона с магнитным полем такая пара будет видна как буква V(фиг. 124). Массивное атомное ядро служит γ -лучу как бы наковальней, на которой он выковывает пару — процесс идет при условии выполнения закона сохранения энергии и импульса. В камере Вильсона рождение пар происходит вблизи ядер атомов газа или ядер металлической пластинки, помещенной в камеру для того, чтобы сделать этот процесс более вероятным.

Когда было найдено, что многие искусственно созданные радиоактивные атомы излучают позитроны е +(или β +), последние стали привычным явлением. Обычный атом, в ядро которого на циклотроне влетел лишний протон, часто оказывается нестабильным. Для своих размеров новое ядро чувствует себя пересыщенным протонами (или, что то же самое, обедненным нейтронами). Поэтому с большой вероятностью могут произойти следующие превращения:

[A] один из протонов —> нейтрон и электрон, причем электрон должен унести с собой положительный заряд, т. е. это должен быть β +в силу универсального закона сохранения заряда [161]. Ядро другого радиоактивного атома может оказаться переобогащенным нейтронами, и тогда в нестабильном ядре:

[B] нейтрон —> протон + электрон, причем электрон уносит с собой отрицательный заряд, т. е. излучается β - [162].