Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Про електрон уже багато разів згадувалося в різних розділах цієї книги. Його було відкрито в 1897 р. Дж. Дж. Томсоном, і він став першою загальновизнаною фундаментальною частинкою. Електрони присутні у звичайній речовині й легко відокремлюються від атомних ядер, з якими вони зазвичай зв'язані.
Протон було виявлено в 1886 р. німецьким фізиком Е. Гольдштейном, який спостерігав додатно заряджені промені в розрядній трубці. Спочатку природи цих променів не розуміли. У 1898 р. німецький фізик В. Він приблизно визначив відношення заряду протона до його маси, а точніші вимірювання такого роду, які підтвердили існування протонів як незалежних частинок у трубці, що містить іонізований водень за низького тиску, було виконано в 1906 р. Дж. Дж. Томсоном.
Наступною відкритою частинкою (не враховуючи фотон) став позитрон (антиелектрон), виявлений у 1932 р. американським фізиком Карлом Д. Андерсоном (нар. 1905 р.). Позитрони було знайдено серед частинок, що утворюються при взаємодії космічних променів із речовиною. Позитрон ідентичний електрону, за винятком того, що має електричний заряд, який дорівнює +e (а не −e, як в електрона).
Маса електрона згідно з рівнянням Ейнштейна E = mc2 відповідає енергії 510 976 еВ (0,510976 МеВ; 1 МеВ — це 1 млн електронвольтів). Отже, анігіляція електрона й позитрона призводить до вивільнення 1,022 МеВ енергії, яка може виділятися у вигляді двох фотонів, кожен з енергією 0,511 МеВ і відповідною довжиною хвилі 2,426 пм.
Електрон, що швидко рухається, при зіткненні з анодом у рентгенівській трубці миттєво сповільнюється, і при цьому значна частина його енергії перетворюється на фотон рентгенівського випромінювання. Якщо кінетична енергія електрона перевищує 1,022 МеВ, то ця кількість енергії може перетворитися на електронно-позитронну пару. Таким чином, можна дістати електронно-позитронну пару в лабораторних умовах за допомогою частинок, яким надано велику кінетичну енергію в прискорювачі частинок (його опис дано трохи пізніше в цьому підрозділі). Позитрони, вперше спостережені Андерсоном, виникали разом з електронами при зіткненні частинок космічних променів зі звичайною речовиною. Космічні промені описано в наступному підрозділі.
Нейтрон було відкрито в 1932 р. англійським фізиком Джеймсом Чедвіком (1891—1974). Два німецькі дослідники В. Боте й Г. Беккер у 1930 р. експериментально встановили наявність сильно проникного (жорсткого) випромінювання, яке виникає при бомбардуванні металічного берилію альфа-частинками, що їх випромінює радій. Боте й Беккер вважали, що це випромінювання являє собою гамма-промені. Потім Фредерік Жоліо та його дружина Ірен Жоліо-Кюрі виявили, що випромінювання берилію при проходженні крізь парафін або іншу речовину, що містить водень, спричиняє утворення великого числа протонів. Будучи не в змозі пояснити факт утворення протонів під дією гамма-променів, Чедвік вирішив виконати серію експериментів; їхні результати дали змогу встановити, що випромінювання берилію насправді складається з частинок, які не мають електричного заряду й мають масу, приблизно рівну масі протона. Не маючи електричного заряду, нейтрони слабко взаємодіють з іншими матеріальними частинками, за винятком тих випадків, коли вони підходять до них на дуже близьку відстань, що не перевищує 10−14 м.
Існування антипротона було підтверджено в 1955 р. Сегре, Чемберленом, Вейгандом та Іпсилантісом, які користувалися прискорювачем частинок (синхротроном у Берклі), що давав змогу одержувати частинки з енергією 6 ГеВ (ГеВ — гігаелектронвольт, 1000 МеВ). Маса протонно-електронної пари в 1836 разів більша за масу електронно-позитронної пари, а отже, для виникнення цієї пари важчих частинок потрібна енергія 1836·1,022 МеВ = 1876 МеВ*. Антипротон має від'ємний електричний заряд, масу, що дорівнює масі протона, і спін 1/2.
Про відкриття деяких інших фундаментальних частинок буде сказано в наступних підрозділах цього розділу.
* Ця кількість енергії потрібна для виникнення пари протон — антипротон унаслідок зіткнення двох однакових частинок, що рухаються з рівними швидкостями в протилежних напрямках у даній лабораторній системі координат. Значно більшу кількість енергії — приблизно 6 ГеВ — слід передати частинці, щоб така пара могла виникнути при зіткненні з нерухомою частинкою. Нині проводять експерименти з двома пучками частинок, спрямованими назустріч один одному.
Космічні промені
Космічні промені являють собою частинки, що мають дуже високу енергію й потрапляють на Землю з міжзоряного простору або з інших частин космосу, а також частинки, що утворюються в земній атмосфері під дією космічних променів. Відкриття того факту, що іонізувальне випромінювання, яке спостерігається біля поверхні Землі, надходить із космосу, було зроблено австралійським фізиком Віктором Гессом, який у 1911—1912 рр. виміряв ступінь іонізації земної атмосфери на висоті 5000 м за допомогою повітряних куль. Вивчення космічних променів привело до відкриття не лише позитрона, а й багатьох інших фундаментальних частинок.
Космічні промені, що потрапляють у верхні шари атмосфери, складаються з протонів і ядер важчих атомів, які рухаються з величезними швидкостями. Космічні промені, що досягають поверхні Землі, значною мірою складаються з мезонів, позитронів, електронів і протонів, що утворилися внаслідок реакцій швидких протонів та інших атомних ядер з ядрами атомів, які перебувають у земній атмосфері.
Деякі явища, спричинювані космічними променями, можна пояснити лише в припущенні, що в космічних променях присутні частинки з енергією порядку 1015—1020 еВ. Найбільші прискорювачі, збудовані або такі, що будуються (див. наступний підрозділ), дають або даватимуть частинки з енергіями порядку 106—1012 еВ. Поки що не відомі способи, які дали б змогу прискорювати частинки до таких енергій, якими володіють найшвидші частинки космічних променів; вивчення космічних променів, мабуть, і надалі залишатиметься джерелом інформації про Всесвіт, оскільки таку інформацію не можна дістати жодним іншим шляхом.
Прискорювачі частинок
За останні роки було досягнуто величезних успіхів у лабораторному одержанні частинок, що мають високі швидкості. Першими успішними спробами виявилися роботи, засновані на використанні трансформаторів. Різні дослідники будували трансформатори, які давали змогу одержувати напругу до 3·106 В для роботи з вакуумними трубками, у яких можна було прискорювати протони, дейтрони та ядра атомів гелію. У 1931 р. американський фізик Р. Дж. Ван де Грааф збудував електростатичний генератор, у якому електричний заряд переносився рухомою ізольованою стрічкою до електрода, зарядженого до високого потенціалу. Після цього було збудовано генератори Ван де Граафа, які працювали, створюючи різницю потенціалів до 15·106 В.
Циклотрон винайдено в 1929 р. американським фізиком Ернестом Орландо Лоуренсом (1901—1958). У цьому циклотроні додатні іони (протони, дейтрони або інші легкі ядра) дістають послідовні прискорення при багаторазовому проходженні різниці потенціалів у кілька тисяч вольтів. Заряджені частинки рухаються при цьому по колу під дією магнітного поля, що його створює великий магніт, між полюсами якого розміщено апарат (рис. 20.1). Циклотрони можна використовувати для прискорення частинок приблизно до 100 МеВ. Але більші енергії виявляються недосяжними, бо релятивістська зміна маси частинки призводить до того, що вона рухається не у фазі зі змінним електричним полем.
Новий прискорювач синхротрон, у якому число частинок, що вводяться, і частота змінного поля змінюються таким чином, щоб скомпенсувати релятивістську зміну маси, було запропоновано радянським фізиком В. Векслером і незалежно від нього в 1945 р. американським фізиком Е. М. Макміланом. Практична реалізація принципу синхротрона дала змогу нині одержати частинки, прискорені приблизно до 300 ГеВ; розробляються плани побудови гігантських прискорювачів, що дадуть змогу одержувати частинки з енергіями 500—1000 ГеВ.
Рис. 20.1. Схема циклотрона. 1 — південний полюс магніту вилучено, щоб було видно деталі; 2 — коло генератора, що заряджає електроди дуанта почергово додатно й від'ємно; 3 — додатні іони прискорюються в міру проходження від додатного дуанта до від'ємного; 4 — порожнистий дуант за формою електродів; 5 — вакуумна камера; 6 — від'ємний електрод виводить пучок іонів із магнітного поля; 7 — північний полюс магніту; 8 — магнітне поле (близько 16 000 Гс) відхиляє пучок іонів; радіус тим більший, чим більша швидкість іонів; 9 — пучок іонів, що виходить; 10 — джерело іонів.
Реакції між частинками можна спостерігати, вивчаючи сліди (треки) цих частинок у камері Вільсона або в бульбашковій камері. Камера Вільсона, винайдена в 1911 р. англійським фізиком Ч. Т. Р. Вільсоном (1869—1959), являє собою замкнену посудину, заповнену повітрям, насиченим водяною парою. Якщо швидко збільшити об'єм камери шляхом переміщення поршня, то повітря охолоджується й стає пересиченим водяною парою, внаслідок чого в камері конденсуються краплинки води. Ці краплинки виникають навколо іонів, що утворюються при проходженні крізь газ електрично заряджених частинок високої енергії. Отже, краплинки дають змогу спостерігати шлях проходження таких частинок. Нейтральні частинки не залишають слідів, проте їхню наявність іноді вдається встановити за слідами, що радіально розходяться від точки, у якій нейтральна частинка зазнала перетворення, внаслідок якого виникли заряджені частинки, що мають високу енергію. Останніми роками широко застосовується бульбашкова камера, винайдена в 1952 р. американським фізиком Д. А. Глейзером (нар. 1926 р.). Ця камера містить рідину за температури, дещо вищої за її температуру кипіння. Іони, що утворюються при проходженні крізь рідину частинок з високою енергією, правлять за центри утворення невеликих бульбашок пари, за якими й виявляється рух частинок.
Фотографію, одержану за допомогою камери Вільсона, відтворено на рис. 20.2, а фотографію частинок у бульбашковій камері — на рис. 20.3.
Пристроєм для виявлення слідів частинок, що мають високу енергію, править також іскрова камера. Цей прилад заповнений газом і має ряд металевих пластин, які можна зарядити до такого електричного потенціалу між парою протилежних пластин, що стає можливим проходження іскри від однієї пластини до сусідньої. При проходженні іонів, утворюваних частинкою високої енергії, залишається слід від іскри, що проскакує, причому цей слід можна сфотографувати. В експериментах, проведених у 1962 р. з метою виявлення нейтрино (підрозд. 20.5), застосовували іскрову камеру розміром 3,05×1,8×1,2 м, що мала 90 алюмінієвих пластин площею приблизно 0,4 м2 і завтовшки 25 мм, розташованих на відстані 13 мм одна від одної; камеру заповнювали неоном.
Рис. 20.2. Пряме й дзеркальне зображення двох електронно-позитронних пар, утворених фотоном космічних променів поблизу ядра атома свинцю в свинцевій пластинці завтовшки 1 см у камері Вільсона. Фотографію одержано приблизно в 1934 р. Карлом Д. Андерсоном — першовідкривачем позитрона. Прикладене магнітне поле спричиняє протилежну кривизну слідів електрона й позитрона.