IV. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

Основной метод, которым пользуются физики для исследования структуры материи—это бомбардировка вещества заряженными частицами высоких энергий. Таким способом удается преодолеть силы отталкивания и получить информацию о внутреннем строении атома. Первым крупным открытием, сделанным таким образом, является наблюдение Резерфордом рассеяния альфа-частиц атомами различных элементов, которое привело к открытию атомного ядра. В 30-е годы были построены ускорители частиц, с помощью которых было сделано много новых открытий. Однако далеко не сразу новая техника достигла желаемого совершенства. Между тем. физики обнаружили мощный естественный источник заряженных частиц, позволивший получить ценные сведения о строении атома. Речь идет о космических лучах.

В начале текущего столетия ученые уже немало знали об альфа, бета- и гамма-лучах — трех разновидностях естественной радиации. Было установлено, что радиоактивные элементы довольно широко распространены в земной коре и создают естественный радиоактивный фон. Ученые считали совершенно логичным, что по мере подъема над земной поверхностью поток радиации должен уменьшаться. Это нашло подтверждение в исследованиях немецкого физика Т. Вульфа, который, поднявшись в 1910 г. на Эйфелеву башню, измерил там радиоактивный фон с помощью электроскопа новой модели.

Всего через год, в 1911 г., молодой австрийский физик Виктор Франц Гесс решил исследовать это явление на больших высотах, используя воздушный шар. В семи полетах на высоте до 5 км Гесс установил, что действительно сначала радиоактивность уменьшается, но с высоты примерно 600 м она начинает расти. В 1912 г. он опубликовал результаты своих весьма точных измерений, из которых следовало, что в земную атмосферу проникает мощная радиация. Открытие австрийского ученого вызвало бурные дискуссии в научной среде. Некоторые видные физики считали, что повышенная радиация на больших высотах объясняется какими-то атмосферными процессами или же облаками пыли, поднимающимися с поверхности Земли.

Внеземное происхождение лучей было окончательно доказано известным американским физиком-экспериментатором Робертом Эндрусом Милликеном. Он использовал воздушные шары с самозаписывающими электроскопами, которые достигали высоты до 15 км и летали там в течение длительного времени. Позднее Милликен провел новый эксперимент. Поскольку источник радиации искали в космосе, Милликен установил детекторы в озерах, расположенных на разной высоте над уровнем моря, и, исследуя поглощение лучей слоем воды, окончательно доказал их внеземное происхождение. Он дал этой радиации название «космические лучи» и попытался связать их происхождение с процессами образования химических элементов (теория, которая впоследствии была отвергнута).

Проникающая сила космических лучей значительно больше естественной радиации минералов или потоков заряженных частиц, полученных на первых небольших ускорителях. Физики решили воспользоваться этим естественным «ускорителем» частиц, и на протяжении почти двух десятилетий исследования с помощью космических лучей служили важнейшим источником информации о строении атома.

В 1928 г. Поль Адриен Морис Дирак построил релятивистскую теорию движения электрона. Из теории Дирака следовала возможность существования положительно заряженного электрона. В то время уже широко велись исследования космических лучей, и в 1932 г. американский физик Карл Дейвид Андерсон открыл частицу с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Это наблюдение было сделано с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Новая частица была названа положительным электроном, или позитроном. При дальнейших исследованиях этой частицы обнаружилось, что при столкновении ее с электроном происходит их аннигиляция (исчезновение частиц) и возникает гамма-излучение. Был открыт и обратный процесс— рождение электронно-позитронной пары из гамма-излучения. Так была доказана справедливость идеи Эйнштейна о связи массы и энергии.

Открытие позитрона явилось блестящим подтверждением чисто теоретического предсказания. Оно продемонстрировало также большое значение космических лучей как источника частиц высокой энергии, позволяющих изучать строение вещества. Эти результаты были высоко оценены Нобелевским комитетом по физике, который в 1936 г. принял решение о присуждении премии Виктору Францу Гессу за открытие космических лучей и Карлу Дейвиду Андерсону за открытие позитронов в этих лучах.

Позитрон был открыт в результате тщательного изучения тысяч фотографий следов (треков) частиц, которые были получены с помощью камеры Вильсона. Действие камеры основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся вдоль траекторий заряженных частиц. Этот замечательный прибор, сыгравший огромную роль в экспериментной ядерной физике, был создан в 1912 г. английским ученым Чарлзом Томсоном Рисом Вильсоном, именем которого он и был назван.

Еще в конце прошлого века, после открытия естественной радиации, наметились основные методы ее исследования. Антуан Анри Беккерель использовал для этой цели фотопластинки, супруги Жолио-Кюри — электроскоп. В 1903 г. Уильям Крукс, будучи уже в весьма солидном возрасте (он родился в 1832 г.), создал прибор для регистрации отдельных альфа-частиц. Спинтарископ Крукса (с ним любил работать Резерфорд) представлял собой пластинку из сернистого цинка, на которой под ударами альфа-частиц возникали вспышки (сцинтилляции); от греческого «спинтар» (вспышка) и происходит название прибора. Главный прибор для исследования заряженных частиц был построен позже и действовал по совершенно иному принципу.

Основные интересы члена Лондонского королевского общества Чарлза Вильсона были сосредоточены на исследовании процессов конденсации водяных паров и образования облаков в атмосфере. Он разработал теорию, согласно которой каждый заряженный ион становится центром конденсации водяных паров воздуха. Поскольку наблюдать образование облаков «в натуре» — задача вряд ли выполнимая, Вильсон сконструировал камеру, в которой с помощью поршневого насоса можно было резко изменять объем и давление, создавая таким образом условия для конденсации пара.

Интерес к ионам неизбежно привел Вильсона к исследованию радиоактивности, ибо естественная радиация — один из важнейших факторов новообразования в атмосфере. Оставалось сделать всего лишь один шаг, чтобы найти связь между этими явлениями. Вильсон установил, что радиоактивное излучение, проходя через камеру, вызывает образование ионов, которые становятся видимыми благодаря конденсирующимся вокруг них капелькам воды. Таким образом, невидимая частица оставляет в камере реально наблюдаемый след из водяных капелек, который можно сфотографировать.

Хотя и с известным опозданием, Чарлзу Томсону Рису Вильсону, создателю прибора, сыгравшего огромную роль в ядерной физике, в 1927 г. была присуждена Нобелевская премия по физике, которую он разделил с Артуром Комптоном. Они были награждены одновременно, поскольку эффект Комптона наблюдался в камере Вильсона.

С помощью камеры Вильсона Карл Андерсон открыл в 1932 г. позитрон. Камера была помещена, в магнитное поле, которое вызывало искривление траектории заряженных частиц; это позволяло быстро и точно идентифицировать их. Через, определенный, интервал времени делались фотоснимки, на которых затем искали следы новых частиц. Были просмотрены тысячи фотографий, прежде чем на нескольких из них удалось обнаружить следы позитронов. Английский физик Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт существенно усовершенствовал камеру Вильсона, что позволило ему достичь значительных результатов без больших затрат. времени и фотоматериалов.

В 1932 г. Блэкетт вместе с итальянским физиком Джузеппе Станиславе Оккиалини. соединил, камеру Вильсона со счетчиками Гейгера, — приборами, способными регистрировать даже отдельные частицы. Блэкетт установил один счетчик над камерой, а другой — под ней; электрическая схема была построена таким образом, что фотографирование, производилось только в тот момент, когда оба счетчика одновременно давали сигнал, — это, означало, что одна и та же частица прошла через них и, следовательно, в камере образовался ее след.

Такая автоматика значительно упростила исследования и дала возможность сделать много, новых открытий.

С помощью своей камеры Блэкетт вместе с Оккиалини также наблюдали позитроны, причем намного более отчетливо, нежели Андерсон. Впоследствии их аппаратура позволила открыть некоторые другие элементарные частицы. За свой оригинальный вклад в экспериментальную ядерную физику Патрик Блэкетт был удостоен в 1948 г. Нобелевской премии по физике.

Новый метод регистрации частиц с использованием двух и более счетчиков, когда регистрация производится только при их одновременном включении, был предложен учеником Макса Планка, немецким физиком Вальтером Вильгельмом Георгом Боте. Так называемый метод совпадений, разработанный им в 1924 г. в Физико-техническом институте Берлинского университета, давал возможность выделить электрический импульс, порожденный отдельной частицей. В 1929 г. Боте использовал этот метод при исследовании космических лучей. В 1938 г. французский физик Пьер Виктор Оже, поставив несколько счетчиков в одну линию, точно определил направление прихода космических лучей и открыл широкие атмосферные ливни (потоки вторичных частиц, возникающие в атмосфере под действием космических лучей высокой энергии).

В 1954 г. Вальтер Боте стал лауреатом Нобелевской премии по физике (30 лет спустя после сделанного им открытия!) за исследования космических лучей. Он разделил награду с Максом Борном, другим крупнейшим физиком, награжденным за теоретические работы в области квантовой механики, выполненные еще в 20-х годах.

В 1937 г. в космических лучах была открыта новая частица, названная мезоном. Она значительно повысила интерес к теории Юкавы о сильном взаимодействии. Исследования в этом направлении были продолжены в 1946 г. английским физиком Сесилом Франком Пауэллом и его сотрудниками — бразильским физиком Незаре Мансуэто Джулио Латтесом и Джузеппе Оккиалини.

Эти ученые исследовали космические лучи, используя новый метод регистрации треков частиц с помощью специальных фотопластинок с толстым эмульсионным слоем. Этим методом, было открыто, несколько видов мезонов, в частности, кроме, тяжелого электрона Андерсона (мю-мезона) был обнаружен заряженный пи-мезон (пион). В 1948 г. Пауэлл вместе с Э. Гарднером впервые. получил мезоны искусственным путем, подтвердив свое открытие.

Уточненные данные показали, что мю-мезон, масса которого в 207 раз превосходит массу электрона, в действительности является частицей, не связанной с сильным взаимодействием. Переносчиками этого взаимодействия оказались пи-мезоны — частицы, которые живут лишь стомиллионную долю секунды, и поэтому их невозможно наблюдать с помощью камеры Вильсона. Масса пи-мезона примерно в 270 раз больше, чем у электрона.

Фотографический метод Сесила Пауэлла, с помощью которого фиксировали след частицы непосредственно на фотоэмульсии, позволил экспериментально доказать справедливость теории сильного взаимодействия Юкавы. В 1950 г. английский ученый стал лауреатом Нобелевской премии по физике за введенный им метод исследования частиц и открытие мезонов.

В последние годы космические лучи интересуют преимущественно астрофизиков. Для исследований в микромире используется другая техника. Вместе с тем ввиду непомерного удорожания ускорительной техники «небесный ускоритель» вновь начинает завоевывать популярность. В составе космических лучей встречаются частицы такой огромной энергии, какую не в состоянии обеспечить ни один ускоритель, построенный человеком. Правда, обнаружение таких частиц — явление чрезвычайно редкое, и подобные исследования требуют довольно много времени, однако это позволяет получать уникальные данные о микромире.