Как открыли позитрон? Космические лучи. Открытие позитрона

Фотография, по которой был открыт позитрон (здесь прерывистый след его проходит через свинцовую пластину в камере Вильсона), получила в ядерной физике большую известность, чем любой другой снимок. Впервые опубликованная (в виде негатива) в журнале Physical Review семь месяцев спустя после открытия позитрона, она произвела сенсацию в научном мире.

То было недолгое, но блаженное время, когда физики могли убедить себя, что фундаментальные "кирпичики" вещества образуют знакомую ныне любому школьнику троицу: отрицательно заряженная частица (электрон, открытый в 1897 г.), положительно заряженная частица (протон, обнаруженный в 1911 г.) и электрически нейтральная частица (нейтрон, открытый в 1932 г.). Однако вслед за открытием нейтрона Чедвиком на фотоснимках стали обнаруживать серии треков, явно говоривших о существовании еще одной частицы, похожей на электрон, но с положительным электрическим зарядом. Это была первая античастица, и хотя сейчас мы принимаем как должное, что каждой частице соответствует античастица, в то время эта мысль была еще непривычной. Представление об античастицах намного опередило их открытие, так как Поль Дирак еще в 1928 г. теоретически предсказал возможность существования положительно заряженного аналога электрона. Однако лишь после открытия "положительного электрона" стало ясно, что за математической абстракцией стоит физическая реальность. "Открытие позитрона, - вспоминал в 1961 г. Карл Андерсон, - было совершенной случайностью. Несмотря на то что релятивистская электронная теория Дирака предсказывала существование позитрона и об этой теории хорошо знали почти все физики, она не сыграла никакой роли в открытии позитрона".

Летом 1932 г. Карл Андерсон и его руководитель Роберт Милликен начали в Калифорнийском технологическом институте (Калтех) работу по изучению космических лучей с помощью камеры Вильсона. Существование проникающего излучения, приходящего из космоса, было известно еще с 1912 г., когда его открыл Виктор Гесс, совершив полет на воздушном шаре; в 1927 г. это излучение зарегистрировал с помощью камеры Вильсона Д. В. Скобельцын. Новым в опытах Андерсона было использование более мощного электромагнита, способного вызывать отклонение частиц со значительно более высокими энергиями (до 4-5 БэВ), чем прежде. Из 1300 полученных фотографий треков космических лучей 15 убедительно свидетельствовали о существовании новой частицы.

Конечно, физики из Калтеха не спешили с выводами. В отсутствие свинцовой пластины (на снимке - горизонтальная черта посередине) можно было допустить, что трек принадлежит движущемуся вниз электрону. Однако увеличение кривизны траектории над пластиной говорило о потере кинетической энергии, а вряд ли можно было предположить, что электрон приобрел энергию, пройдя через 6-миллиметровый слой свинца. Таким образом, трек должен был начинаться в нижней части снимка, и, следовательно, направление отклонения частицы в магнитном поле указывало на ее положительный заряд. (Может показаться странным, что частица из космических лучей движется снизу вверх, - дело в том, что первоначальное направление движения могло измениться в результате рассеяния.) Далее следовало исключить предположение, что трек принадлежит протону; об этом говорили как длина и кривизна трека, так и его толщина: более тяжелые и медленные частицы (такие, как протоны) создают значительно больше сконденсировавшихся капель воды на единицу длины трека. Так что слабый след, зарегистрированный на фотографии, мог принадлежать лишь легкой частице, подобной электрону.

Оставалось признать, что Андерсон обнаружил новую частицу. В конце статьи, где сообщалось об открытии, он писал, что если природа допускает существование положительных электронов, то она должна была позаботиться и о наличии отрицательных протонов; однако эта симметрия получила свое экспериментальное подтверждение лишь через 24 года.

Вскоре подтверждения существования позитрона последовали от П. М. С. Блэкетта и Дж. С. Оккиалини, которые впервые использовали автоматическую камеру Вильсона, управляемую счетчиками Гейгера. Всего через шесть месяцев после открытия Андерсона они предложили удовлетворительное объяснение образования позитронов в космичесих лучах - спонтанное рождение электронно-позитронных пар из гамма-квантов космических лучей. Работая с прибором, аналогичным тому, с помощью которого они едва не открыли нейтрон, супруги Жолио-Кюри несколько месяцев спустя после открытия Андерсона наблюдали рождение электронно- позитронной пары в лабораторных условиях.

Позитрон (от англ. positive - положительный и «-трон» ) - античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электронный заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд -1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса преобразуется в энергию в форме 2-ух (и еще пореже - трёх и поболее) гамма-квантов.

Позитроны появляются в одном из видов радиоактивного распада (позитронная эмиссия), также при содействии фотонов с энергией больше 1,022 МэВ с веществом. Последний процесс именуется «рождением пар», ибо при его осуществлении фотон, взаимодействуя с электрическим полем ядра, образует вместе с этим электрон и позитрон.

Открытие позитрона

Существование позитрона в первый раз было предположено в 1928 Полем Дираком. Теория Дирака обрисовывала не только лишь электрон с отрицательным электронным зарядом, да и аналогичную частичку с положительным зарядом. Отсутствие таковой частички в природе рассматривалось как указание на «лишние решения» уравнений Дирака. Зато открытие позитрона явилось триумфом теории.

В согласовании с теорией Дирака электрон и позитрон могут рождаться парой, и на этот процесс должна быть затрачена энергия, равная энергии покоя этих частиц, 2-0,511 МэВ. Так как были известны естественные радиоактивные вещества, испускавшие γ-кванты с энергией больше 1 МэВ, представлялось вероятным получить позитроны в лаборатории, что и было изготовлено. Экспериментальное сопоставление параметров позитронов и электронов показало, что все физические свойства этих частиц, не считая знака электронного заряда, совпадают.

Позитрон был открыт в 1932 г. американским физиком Андерсоном при наблюдении галлактического излучения при помощи камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле. Заглавие «позитрон» выдумал сам Андерсон. Любопытно, что Андерсон также предлагал, правда неудачно, переименовать электроны в «негатроны». Он сфотографировал следы частиц, которые очень напоминали следы электронов, однако имели извив под действием магнитного поля, обратный следам электронов, что свидетельствовало о положительном электронном заряде найденных частиц. Скоро после этого открытия, также при помощи камеры Вильсона, были получены фото, проливавшие свет на происхождение позитронов: под действием γ-квантов вторичного галлактического излучения позитроны рождались в парах с обыкновенными электронами. Такие характеристики вновь открытой частички оказались в поразительном согласии с уже имевшейся релятивистской теорией электрона Дирака. В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри во Франции открыли ещё один источник позитронов - β+-радиоактивность.

Позитрон оказался первой открытой античастицей. Существование античастицы электрона и соответствие суммарных параметров 2-ух античастиц выводам теории Дирака, которая имела возможность быть обобщена на другие частички, указывало на возможность парной природы всех простых частиц и ориентировало следующие физические исследования. Такая ориентация оказалась необыкновенно плодотворной, и в текущее время парная природа простых частиц является точно установленным законом природы, обоснованным огромным числом экспериментальных фактов.

Аннигиляция

Из теории Дирака следует, что электрон и позитрон при столкновении должны аннигилировать с освобождением энергии, равной полной энергии сталкивающихся частиц. Оказалось, что этот процесс происходит приемущественно после торможения позитрона в веществе, когда полная энергия 2-ух частиц равна их энергии покоя 1,022 МэВ. На опыте были зарегистрированы пары γ-квантов с энергией по 0,511 МэВ, разлетавшихся в прямо обратных направлениях от мишени, облучавшейся позитронами.

Необходимость появления при аннигиляции электрона и позитрона не 1-го, как минимум 2-ух γ-квантов вытекает из закона сохранения импульса. Суммарный импульс в системе центра тяжести позитрона и электрона до процесса перевоплощения равен нулю, однако если б при аннигиляции появлялся только один γ-квант, он бы уносил импульс, который не равен нулю в хоть какой системе отсчёта.

С 1951 г. понятно, что в неких бесформенных телах, жидкостях и газах позитрон после торможения в значимом числе случаев сходу не аннигилирует, а образует на куцее время связанную с электроном систему, получившую заглавие позитроний. Позитроний в смысле собственных хим параметров аналогичен атому водорода, потому что представляет собой систему, состоящую из единичных положительного и отрицательного электронных зарядов, и может вступать в хим реакции. Так как электрон и позитрон - различные частички, то в связанном состоянии с наинизшей энергией они могут находиться не только лишь с антипараллельными, да и с параллельными спинами. В первом случае полный спин позитрония s = 0, что соответствует парапозитронию , а во 2-м - s = 1, что соответствует ортопозитронию . Любопытно, что аннигиляция электрон-позитронной пары в составе ортопозитрония не может сопровождаться рождением 2-ух γ-квантов. Два γ-кванта уносят друг относительно друга механические моменты, равные 1, и могут составить полный момент, равный нулю, однако не единице. Потому аннигиляция в данном случае сопровождается испусканием трёх γ-квантов с суммарной энергией 1,022 МэВ. Образование ортопозитрония втрое более возможно, чем парапозитрония, потому что отношение статистических весов (2s +1) обоих состояний позитрония 3:1. Но даже в телах с огромным процентом (до 50 %) аннигиляции пары в связанном состоянии, т. е. после образования позитрония, в основном возникают два γ-кванта и только очень изредка три. Дело в том, что время жизни парапозитрония около 10-10 сек, а ортопозитрония - около 10-7 сек. Долгоживущий ортопозитроний, безпрерывно взаимодействующий с атомами среды, не успевает аннигилировать с испусканием трёх γ-квантов до этого, чем позитрон, вводящий в его состав, аннигилирует с сторонним электроном в состоянии с антипараллельными спинами и с испусканием 2-ух γ-квантов.

Возникающие при аннигиляции остановившегося позитрона два гамма-кванта несут энергию по 511 кэВ и разлетаются в строго обратных направлениях. Данный факт позволяет установить положение точки, в какой произошла аннигиляция, и употребляется в позитрон-эмиссионной томографии.

В 2007 экспериментально подтверждено существование связанной системы из 2-ух позитронов и 2-ух электронов (молекулярный позитроний). Такая молекула распадается ещё резвее, чем атомарный позитроний.

Позитроны в природе

Считается, что в 1-ые мгновения после Огромного Взрыва количество позитронов и электронов во Вселенной было приблизительно идиентично, но при остывании эта симметрия нарушилась. Пока температура Вселенной не понизилась до 1 МэВ, термические фотоны повсевременно поддерживали в веществе определённую концентрацию позитронов путём рождения электрон-позитронных пар (такие условия есть и на данный момент в недрах жарких звёзд). После остывания вещества Вселенной ниже порога рождения пар оставшиеся позитроны аннигилировали с излишком электронов.

В космосе позитроны появляются при содействии с веществом гамма-квантов и энергичных частиц галлактических лучей, также при распаде неких типов этих частиц (к примеру, положительных мюонов). Следовательно, часть первичных галлактических лучей составляют позитроны, потому что в отсутствие электронов они размеренны. В неких областях Галактики обнаружены аннигиляционные гамма-линии 511 кэВ, доказывающие присутствие позитронов.

В солнечном термоядерном pp-цикле (также в CNO-цикле) часть реакций сопровождается эмиссией позитрона, который немедля аннигилирует с одним из электронов окружения; следовательно, часть солнечной энергии выделяется в виде позитронов, и в ядре Солнца всегда находится некое их количество (в равновесии меж процессами образования и аннигиляции).

Некие природные радиоактивные ядра (первичные, радиогенные, космогенные) испытывают бета-распад с излучением позитронов. К примеру, часть распадов природного изотопа 40K происходит конкретно по этому каналу. Не считая того, гамма-кванты с энергией более 1,022 МэВ, возникающие при радиоактивных распадах, могут рождать электрон-позитронные пары.

При содействии электрического антинейтрино (с энергией больше 1,8 МэВ) и протона происходит реакция оборотного бета-распада с образованием позитрона. Такая реакция происходит в природе, так как существует поток антинейтрино с энергией выше порога оборотного бета-распада, возникающих, к примеру, при бета-распаде природных радиоактивных ядер.

Позитрон - Википедия

Все известные характеристики позитрона систематизированы в обзоре Particle Data Group (.pdf)

Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. -М. Атомиздат, 1971.

Глядеть также:

Что такое антиматерия?

Что такое аннигиляция?

Изучает взаимодействие γ-квантов с электронной оболочкой атома. Для наблюдения треков электронов он впервые использовал камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Этот метод регистрации позволял по кривизне трека измерять энергию электронов. Источник γ-квантов располагался рядом с камерой Вильсона. Анализируя полученные фотографии, Д. Скобельцын впервые получил ряд новых результатов о механизме взаимодействия γ-квантов с атомом: измерил величины сечений взаимодействия γ-квантов с различными атомами, измерил ионизационные потери при движении заряженной частицы в среде. Однако гораздо больший интерес вызвали наблюдаемые в камере Вильсона не искривленные в магнитном поле траектории электронов высоких энергий. О том, что эти траектории принадлежат электронам, Д. Скобельцын заключил по величине ионизации вдоль трека пролетающей в камере Вильсона частицы. Скобельцын сделал вывод, что эти треки принадлежат электронам космического излучения, но они не искривляются, т.к. имеют большие энергии. Вскоре эта гипотеза получила подтверждение − треки не исчезали после того, как был убран источник γ-излучения. Энергия космических электронов по оценкам Скобельцына составляла ~1 ГэВ. Неожиданно оказалось, что не все частицы искривлялись в магнитном поле в одном направлении. Некоторые частицы отклонялись так, как будто бы имели положительный заряд. Вначале эти следы приняли за положительно заряженные протоны. Однако характер ионизации вдоль трека был такой же, как в случае электронов. Для того, чтобы понять природу этих частиц необходимо было измерить направление движения частиц, измерить их энергию.
Результаты Д. Скобельцына и разработанный им метод детектирования частиц космического излучения вызвали большой интерес физиков. В нескольких лабораториях стали создавать аналогичные установки. В Кавендишской лаборатории этим занялись П. Блэкетт и Дж. Оккиалини , а в США эксперименты с камерой Вильсона в магнитном поле начал молодой научный сотрудник
К. Андерсон , работавший под руководством Нобелевского лауреата Дж. Милликена . К 1932 г. К. Андерсон получил несколько сотен фотографий космических частиц в камере Вильсона в магнитном поле. Так же как и Д. Скобельцын К. Андерсон наблюдал треки как отрицательно, так и положительно заряженных частиц.
В 1932 г. в журнале “Science” появилась заметка К. Андерсона, в которой он сообщал об открытии в составе космических лучей новой частицы. Эта частица имела такую же массу, как и открытый ранее электрон, но имела в отличие от электрона не отрицательный, а положительный электрический заряд. Это наблюдение было сделано Андерсоном по наблюдениям траекторий частиц в камере Вильсона в сильном магнитном поле.
Оказалось, что частицы космических лучей, которые наблюдал К. Андерсон, искривляются в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, в противоположных направлениях, т.е. среди частиц зарегистрированных в камере Вильсона были как отрицательно, так и положительно заряженные частицы.

Рис. 3.1. Следы космических частиц, полученные Андерсоном в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле 20000–25000 эрстед.

После экспериментов Блэкетта и Оккиалини уже не было никаких сомнений, что позитрон − это новая частица. Кроме того им впервые удалось надежно зарегистрировать рождение электрон-позитронной пары при взаимодействии γ-квантов с веществом. Блэкетт и Оккиалини впервые указали на то, что позитрон является той самой частицей, которую предсказал незадолго до этого П. Дирак.
Вскоре выяснилось, что позитроны могут рождаться не только в космических лучах, но и под действием γ-квантов с энергией больше 1 МэВ. Если в камеру Вильсона поместить свинцовую пластинку и облучать её γ-квантами от радиоактивного источника с энергией γ-квантов >1 МэВ, то можно наблюдать две частицы, рождающиеся в одной точке, которые магнитным полем отклоняются в противоположные стороны, это электрон и позитрон. Рождение позитронов всегда происходит в паре с электроном.

γ → e + + e - .

На рис. 3.3 показано рождение электрон-позитронной пары в камере Вильсона, заполненной криптоном.

Рис. 3.3. Рождение пары электрон-позитрон в камере Вильсона.

Открытие позитрона − частицы по своим характеристикам идентичной электрону за исключением знака электрического заряда (у позитрона он положительный) − было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: « Согласно сообщению Андерсона, им найдено несколько следов, которые должны быть приписаны положительно заряженным частицам с ничтожной массой. Андерсон приводит подробное описание этих фотографий, хотя самые фотографии не воспроизведены. На одной из них о направлении движения можно однозначно заключить по изменению кривизны пути после прохождения насквозь свинцовой пластинки. На другой фотографии два следа, выходящие из пластинки, искривляются в противоположных направлениях. На третьей две частицы покидают пластинку, отклоняясь в ту сторону, куда отклонились бы положительные заряды. Длина пробега и характеристическая ионизация − всё это вместе с предыдущим дает Андерсону основание утверждать, что перед нами − положительно заряженные частицы с массой, значительно меньшей, чем масса протона».

П. Блэкетт, Г. Оккиалини. «Разрушение атомов космическими лучами и положительный электрон».

Позитрон был первой обнаруженной частицей из целого класса частиц, которые получили название античастицы . До открытия позитрона казалась загадочной различная роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Почему существует тяжелый положительно заряженный протон, и нет тяжелой частицы с массой протона и отрицательным зарядом? Зато существует легкий отрицательно заряженный электрон. Открытие позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц. В квантовой теории поля электрон и позитрон полностью равноправные частицы. Позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать, так же как электрон, бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два γ‑ кванта (фотона):

е - + е + → 2γ.

Происходит превращение частиц с массой отличной от нуля (масса электрона mc 2 = 0.511 МэВ) в частицы с нулевой массой (фотоны).
Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары частиц – электрона и позитрона. Электрон-позитронные пары рождались γ-квантами с энергией несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра.
При взаимодействии частиц высокой энергии с веществом процессы рождения и аннигиляции частиц и античастиц приводят к рождению большого количества вторичных частиц порожденных высокоэнергетической первичной частицей – каскадных ливней (рис. 3.4, 3.5, 3.6).

1. Описан метод, с помощью которого удается заставить частицы, обладающие огромной энергией, фотографировать следы своих собственных путей в камере Вильсона.
2. Нарисована картина наиболее поразительных, характерных явлений, заснятых этим методом на некоторых из 500 удачных фотографий; подвергся обсуждению вопрос о природе «ливней», состоящих из частиц, дающих на снимках сочетание сразу нескольких и даже многих путей.
3. Рассмотрение пробега, ионизации, кривизны и направления движения частиц приводит к подтверждению взгляда, высказанного впервые Андерсоном, о том, что должны существовать частицы с положительным зарядом, но с массой, скорее сравнимой с массой электрона, чем прогона…
4. Разобран вопрос о происхождении положительных и отрицательных электронов в ливне… Последующее поведение положительных электронов рассмотрено в свете дираковской теории «дырок».

Нобелевская премия по физике

1948 г. − П. Блэкетт. За усовершенствование метода камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации.

Рис. 3.4. Позитрон, созданный гамма-лучами в свинцовой пластине и прошедший сквозь алюминиевую пластину толщиной 0,55 мм. Энергия позитрона над алюминиевой пластиной 820 кэВ, под алюминиевой пластиной 520 кэВ.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Сделать первый шаг в раскрытии этих сложных явлений − значит, прежде всего, путем отождествления установить природу частиц, порождающих следы. Не совсем легко с этим справиться, так как данные, почерпнутые из фотографий и служащие для выводов, зачастую противоречивы. Однако, по-видимому, неизбежно следует придти к тому замечательному, рассеивающему затруднения заключению, которое уже сделал Андерсон при расшифровке аналогичных фотографий. Оно состоит в том, что некоторые из следов нужно приписать частицам, несущим положительный заряд, но имеющим массу, ничтожную сравнительно с массой протона».

Рис. 3.5. Развитие ливня в свинцовых пластинах.

Рис. 3.6. Развитие ливня в свинцовых пластинах.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Чтобы определить знак заряда частицы, надо знать, в каком направлении она двигалась вдоль следа. Есть четыре способа узнать об этом из фотографий:

Частица пронизывает достаточно толстую металлическую пластинку, так что по выходе из нее частица успела потерять заметную долю своей энергии. Очевидно, что в этом случае движение совершается со стороны большего значения Hρ в сторону меньшего. В противном случае пришлось бы допустить существование выигрыша энергии внутри пластинки, а эта возможность настолько маловероятна, что мы вправе ее отбросить. Если, при фотографировании попадется частица совсем медленная, тогда представляется случай обнаружить изменение Hρ, вызываемое благодаря непрестанной потере энергии во время прохождения частицы через газ.

1. С другой стороны, если частица служит причиной появления какой-либо вторичной частицы с достаточной энергией, скажем, при столкновении со свободным электроном, − тогда угол между вторичным следом и первичным, укажет направление движения частиц.
2. Если группа следов расходится из некоторой общей точки или некоторой малой области пространства, тогда существует очень большая вероятность − хотя и не сама достоверность, − что всякая частица такой группы движется, удаляясь от этой области.
3. Если след наблюдается в почти вертикальном направлении, то более вероятно, что частица двигалась вниз, а не вверх. В основу последнего предположения взят бесспорный факт, что ионизация под действием космического излучения увеличивается от глубин к высотам. Однако трудно оценить численно эту вероятность, поскольку не известна повторяемость таких явлений, как зафиксированное на рис. 13, где есть, по крайней мере, одна частица, отразившаяся кверху».

В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены − одни физические объекты являются частицами, а другие − волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Очевидно, что существуют несколько различных процессов, дающих начало сложным путям ливней. В небольшом количестве случаев этот процесс совсем прост. Налетающая частица − обычно отрицательный или положительный электрон − выбивает из отдельного ядра, по всей вероятности, три или более частицы. Рис. 17 с большой наглядностью подтверждает, что налетающая частица выбрасывает из ядра меди 2 электрона (оба с E e ≈ 13·10 6 V) наряду с одним протоном. Извержение могло сопровождаться также и другими частицами, но они, по-видимому, имели слишком недостаточную длину пробега, чтобы преодолеть толщу пластинки и выйти из нее. Рис. 13 дает картину двух электронов (E e ≈ 10·10 6 и 13·10 6 V), вышибленных из ядра свинца книзу, и двух других, с большей энергией ( E e > 100·10 6 V), выбитых кверху. Возможно, что один из последних двух представляет собою налетающую частицу, взрывающую ядро, и тогда другой электрон − один из осколков, летящий при взрыве кверху. Возможно и то, что обе верхние частицы суть продукты разрушения ядра; тогда в этом случае саморазрушение придется приписать какому-то неионизующему агенту.
Однако оба эти случая − сравнительно простые при сопоставлении со сложной картиной обильных ливней. В этом наиболее типичном процессе наблюдается одновременное извержение некоторого числа частиц, вылетающих с огромной энергией. Эти частицы выбрасываются обыкновенно в направлениях, заключенных внутри довольно узкого конуса, но бывают случаи (рис. 12), когда этот конус, довольно широкий. Вполне естественно искать объяснение узкого конуса разлета частиц в том импульсе, который сообщается им в момент удара налетающей частицей, обладающей чрезвычайно большой энергией. Пока еще невозможно установить природу всех частиц, выброшенных из ядра, но, по-видимому, среди них преобладают отрицательные и положительные электроны; есть некоторые, правда, еще недостаточные указания, что в ряде случаев те и другие электроны выбиваются приблизительно в одинаковом количестве.
Возникновение этих частиц возбуждает огромный интерес; в частности, они, несомненно, часто зарождаются внутри материала с легким и средним атомным весом, поскольку излучающие центры обнаружены и в воздухе, и в стекле, и в алюминии, и в меди. Согласно самым последним представлениям о структуре ядра, в таких легких ядрах не должно быть свободных отрицательных электронов. А уже найдено, по крайней мере, положительных и отрицательных электронов, исходящих из отдельного точечного центра излучения в стекле, меди или свинце (рис. 12, 11 и 10) и, следовательно, по всей вероятности, из отдельного ядра.
Существует три возможных гипотезы, которые мы вправе сделать относительно появления этих частиц: они могли существовать в разрушенном ядре с самого начала, еще до акта соударения; они могли существовать в налетающей частице; наконец, они могли возникнуть в течение процесса соударения. За отсутствием каких-либо независимых доказательств самостоятельного существования частиц прежде сотрясения ядра разумно принять последнюю из этих трех гипотез. Затем, учитывая хорошо известные трудности, вырастающие при обращении с электронами внутри ядер как с независимыми механическими объектами, последняя гипотеза, быть может, и в этом смысле имеет большее преимущество. Тогда согласно этой гипотезе все ливни (вместе с обычным β-распадом) следует представлять себе как процесс возникновения частицы в прямом смысле этого слова.
Этот вопрос чрезвычайно близко связан с проблемой строения нейтрона. Согласно взгляду на нейтрон как на сложную частицу, отрицательные электроны в ливнях могут получиться при расщеплении каждого из нейтронов на отрицательный электрон и протон, но эта схема не дает объяснения возникновению положительных электронов. Кроме того, она приводит к тому, что нужно ожидать большего количества следов протонов на фотографиях, чем наблюдается в действительности».

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Существование положительных электронов в этих ливнях немедленно вызывает естественный вопрос: почему же до сих пор они ускользали от наблюдения? Ясно, что они могут обладать только ограниченной продолжительностью жизни как свободные частицы, поскольку они не встречаются ни в одном веществе при нормальных условиях.
Вполне допустимо, что они могут входить в соединение с другими элементарными частицами и образовывать устойчивые ядра, переставая при этом быть свободными. Но кажется более приемлемым, что они исчезают при взаимодействии с отрицательным электроном, выбрасывая при этом 2 кванта или более.
Этот последний механизм дан непосредственно в дираковской теории электронов, Согласно этой теории, квантовые состояния в области отрицательной кинетической энергии, представлявшие прежде непреодолимое препятствие для физической интерпретации, почти все, за немногими исключениями, заполнены отрицательными электронами. Немногие незанятые состояния ведут себя подобно обыкновенным частицам с положительной кинетической энергией и положительным зарядом. Сам Дирак думал отождествить эти «дырки» с протонами, но от этого пришлось отказаться, когда было установлено, что у этих «дырок» должна быть такая же масса, как и у отрицательных электронов. Предстоит непосредственная и важная задача экспериментального определения массы положительного электрона точными измерениями его ионизации и Hρ. Сейчас же можно только сказать, что отсутствие разницы между ионизацией следов у отрицательных и положительных электронов при одинаковом Hρ стало достоверностью, а это косвенно служит временным доказательством равенства их масс.
По теории Дирака, положительные электроны имеют только очень короткую среднюю продолжительность жизни, пока какой-либо отрицательный электрон сверху не соскочит с легкостью вниз, в незанятое состояние. Таким образом «дырка» заполнится, и произойдет исчезновение сразу обоих − и положительного и отрицательного − электронов одновременно; при этом излучится 2 кванта энергии.
Мы чувствуем себя обязанными перед проф. Дираком не только за весьма ценное и неоднократное обсуждение этих вопросов, но также и за позволение привести результаты его вычислений по определению действительной вероятности этого процесса «аннигиляции» (исчезновения) электронов. Размеры поперечного сечения электронов при аннигиляции (в единицах площади) суть:

и γ = (1 − v2/c2) -1/2 , а v − скорость положительного электрона».

В стабильных атомных ядрах существует определенное равновесное соотношение между числом протонов Z и числом нейтронов в ядре N

где A + Z + N. Если число протонов превышает это равновесное значение, то протон p в ядре может в результате β + -распада превратиться в нейтрон n, позитрон e + и электронное нейтрино ν e

p → n + e + + ν e .

Позитроны образуются при β + -распаде атомных ядер. Впервые позитроны образующиеся при β + -распаде наблюдали Ф. Жолио и И. Кюри .
Такой распад происходит только внутри атомного ядра. Свободный протон является стабильной частицей, т.к. его масса m(p) меньше суммы масс нейтрона m(n), позитрона m(e +) и нейтрино m(ν e). Аналогичная ситуация имеет место и в случае ядер, перегруженных нейтронами относительно равновесного значения. Нейтрон n внутри ядра распадается, превращаясь в протон p, электрон e - и электронное антинейтрино e

n → p + e - + e .

Однако в отличие от протона распад свободного нейтрона возможен, т.к. масса покоя нейтрона m(n) больше суммы масс протона m(p), электрона m(e -) и электронного антинейтрино m( e). Распады протонов и нейтронов в атомном ядре привели к появлению чрезвычайно глубокой концепции физики частиц – в результате распада появляются новые частицы, которых не было в начальном состоянии . Протон, электрон и электронное антинейтрино не существуют внутри нейтрона, они образуются при β-распаде нейтрона. Эта концепция впервые была развита Э. Ферми в созданной им теории β-распада.
Процессы β‑распада, аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое элементарная частица. Элементарная частица перестала быть неизменным «кирпичиком» в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы.

Источники позитронов

Позитроны образуются при распаде β + -радиоактивных ядер, большинство из которых получаются искусственным путем или остались на Земле как продукты нуклеосинтеза в звездах.

22 Na − источник позитронов

В качестве источника позитронов широко используется изотоп 22 Na. Период полураспада изотопа 22 Na равен 2.6 года. В 90% случаев распад происходит в результате β + -распада

22 Na → 22 Ne + e + + ν e ,

с образованием стабильного изотопа 22 Ne (рис. 3.7).
В 10% случаев распад 22 Na происходит в результате е-захвата

22 Na + e - → 22 Ne + ν e .

Рис. 3.7. Радиоактивный источник позитронов 22 Na.

Практически 100% распадов происходит на первое возбужденное состояние 22 Ne с энергией E* = 1.27 МэВ, J P = 2 + . Распад в основное состояние 22 Ne J P = 0 + составляет 0.05%. Поэтому β + -распад 22 Na практически всегда сопровождается появлением γ-кванта с энергией 1.27 МэВ.

Космические лучи. Открытие позитрона

В 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица - позитрон.

Еще в 1899 г. М. Склодовская-Кюри, пытаясь объяснить происхождение радиоактивности, выдвинула гипотезу о существовании излучения, заполняющего все мировое пространство. Утверждение, что «мы погружены в непрерывно действующее излучение, избежать которого мы не можем», высказал в 1906 г. Гейтель, описывая свои и Эльстера опыты по измерению ионизации в глубоких шахтах. Гейтель ссылался на утверждение Кука, высказанное в 1903 г., что «над Землей существует сильное проникающее излучение». Однако со всей определенностью существование космического излучения было доказано австрийским физиком Виктором Гессом, поднявшимся с электроскопом на воздушном шаре 7 августа 1912 г. О результатах своего эксперимента он сообщил в статье, опубликованной в ноябрьском номере «Physikalische Zeitschrift». Здесь он писал: «Результаты моих наблюдений лучше всего объясняются предположением, что из мирового пространства на границу атмосферы падает излучение большой проникающей способности». Так были открыты космические лучи. В 1936 г. Гессу за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике.

Последующими работами ученых, в особенности американского физика Милладсена и советского физика Л. В. Мысовского (1888-1939), было подтверждено предположение Гесса и изучены свойства космического излучения.

Милликен и Мысовский, проведя измерения под водой, показали огромную проникающую способность этих лучей. Милликен считал космическое излучение чрезвычайно жесткими у-лучами, и эта точка зрения была общепринятой до 30-х годов XX в.

В 1929 г. советский физик Д. В. Скобельцын применил для исследования космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Метод Скобельцына сразу привел к важному открытию. Скобельцын неопровержимо доказал, что в составе космического излучения имеются заряженные частицы-электроны. Он обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы таких электронов. На его фотографиях были и следы, слабо изогнутые в противоположную электронам сторону, однако с уверенностью сказать что-либо определенное о частицах, оставивших эти следы, Скобельцын не мог.

В 1932 г. американский физик К. Андерсон ввел усовершенствование в метод Скобельцына: он применил магнитное поле, в десять раз сильнее поля, применявшегося Скобельцыным. При этом он сразу обнаружил изогнутые следы, принадлежащие отрицательно и положительно заряженным частицам: электронам и протонам, как он думал вначале.

Чтобы с уверенностью судить о направлении движения частицы, Андерсон разделил камеру на две части свинцовой пластинкой. Частица, пройдя через свинцовую пластинку, замедляется, и ее путь искривляется магнитным полем сильнее. Андерсон получил фотографию частицы, изогнутой в противоположную электронам сторону. Радиус кривизны и характер трека показали, что эта частица обладает массой электрона и положительным зарядом, равным заряду электрона. Эту частицу Андерсон назвал позитрон.

Открытие позитрона заставило вспомнить о теории Дирака. В 1928 г. Дирак получил релятивистское уравнение для электрона. Это уравнение приводило к выводу о существовании спина у электрона и давало точное значение для тонкой структуры энергетических уровней водорода. Однако в теории Дирака была неприятная вещь, получившая название «плюс-минус трудность». В теории относительности существует для энергии соотношение:

Обычно знак минус отбрасывается как не имеющий физического смысла. Область положительных и отрицательных значений энергии была разделена конечным промежутком +m0с 2 - (-m0с 2) = 2m0с 2 . Поскольку в классической теории энергия меняется непрерывно, отрицательные значения энергии отбрасываются. В квантовой теории скачок энергии от отрицательных к положительным значениям допустим. «В квантовой теории, - писал Дирак в 1930 г. в своей книге «Основы квантовой механики», - могут происходить и прерывные переходы, и если электрон первоначально находится в состоянии с положительной кинетической энергией, то он может перескочить в состояние с отрицательной кинетической энергией. Поэтому уже нельзя игнорировать существование состояний с отрицательной энергией, как можно было поступить в классической теории».

В поисках выхода Дирак предложил странную идею. Он предположил, что все электроны Вселенной занимают уровни с отрицательной энергией, согласно принципу Паули, образуя ненаблюдаемый фон Наблюдаем^ только электроны с положительной энергией. «Электроны, - пишет Дирак, -распределены по всему миру с большой плотностью в каждой точке. Совершенная пустота есть та область, где все состояния с отрицательной энергией заняты». «Незаполненные состояния с отрицательной энергией представятся как нечто с положительной энергией, потому что для того, чтобы они исчезли, необходимо внести туда один электрон с отрицательной энергией. Мы предполагаем, что эти незанятые состояния с отрицательной энергией суть протоны».

Теория Дирака была встречена скептически. Вызвал недоверие гипотетический фон электронов, кроме того, теория Дирака, по его словам, «была очень симметрична по отношению к электронам и протонам»-

Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой Открытие позитрона, частицы действительно симметричной электрону, заставило по-новому оценить теорию Дирака, которая по существу предсказывала существование позитрона и других античастиц. На Ленинградской конференции 1933 г. Дирак следующим образом излагал сущность теории позитрона: «Допустим, что в том мире, который мы знаем, почти все электронные состояния с отрицательной энергией заняты электронами. Эта совокупность электронов, сидящих на отрицательных уровнях энергии, вследствие своей однородности не может восприниматься нашими чувствами и измерительными приборами, и только лишь не занятые электронами уровни, являясь чем-то исключительным, каким-то нарушением однородности, могут быть замечены нами совершенно таким же образом, как мы замечаем занятые состояния электронов с положительными Энергиями. Незанятые состояния с отрицательной энергией, т.е. «дырки» в распределении электронов с отрицав тельной энергией, будут восприниматься нами как частицы с положительной энергией; ведь отсутствие отрицательной кинетической энергии равносильно присутствию положительной кинетической энергии, так как минус на минус дает плюс... Представляется разумным отождествить такую «дырку» с позитроном, т. е. утверждать, что позитрон есть «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией».

Естественно, что на незанятый уровень отрицательной энергии может переходить электрон с положительной энергией, излучая избыточную энергию 2m0с 2 в виде квантов у-лучей.

«Согласно теории Дирака, - писал Ф. Жолио, - положительный электрон при столкновении со свободным или слабо связанным отрицательным электроном может исчезать, образуя два фотона, испускаемых в противоположных направлениях. Энергия каждого из фотонов составляет 0,5 10е эВ; сумма этих энергий, равная 106 эВ, соответствует аннигиляции массы двух электронов».

Существует и обратный процесс - «материализация» фотонов, когда «фотоны с достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми ядрами могут создавать положительные электроны... фотон, взаимодействуя с ядром, может создать два электрона с противоположными зарядами».

На Ленинградской конференции Жолио демонстрировал фотографию в камере Вильсона, на которой было зарегистрировано рождение пары электрон - позитрон.

Из книги Звезды: их рождение, жизнь и смерть [Издание третье, переработанное] автора Шкловский Иосиф Самуилович

Глава 4 Космические мазеры Довольно скоро после открытия первых радиолиний межзвездного гидроксила, при выполнении рутинной программы наблюдений различных облаков межзвездного газа на волне 18 см (линия ОН!) совершенно неожиданно было обнаружено новое, исключительное

Из книги Тайны пространства и времени автора Комаров Виктор

Из книги Атомы и электроны автора Бронштейн Матвей Петрович

Глава третья. Электроны и рентгеновские лучи В конце XVIII века знаменитый американец Бенджамин Франклин, прославившийся не только своим участием в борьбе британских колоний в Америке за независимость, но и своими- электрическими опытами и в особенности изобретением

Из книги Беседы автора Дмитриев Алексей Николаевич

Из книги Пять нерешенных проблем науки автора Уиггинс Артур

Спасительные космические лучи Мало предсказать существование новых частиц, нужно подтвердить это в опытах. А поскольку ни у кого не было свидетельств существования позитрона, оно представлялось сомнительным. В начале 1930-х годов американский физик Карл Андерсон привлек

Из книги НИКОЛА ТЕСЛА. ЛЕКЦИИ. СТАТЬИ. автора Тесла Никола

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ ИЛИ ПОТОКИ* В первом отчете о своих эпохальных открытиях Рентген выразил убеждение, что те явления, которые он наблюдал, - следствие неких новых возмущений в эфире. Эта точка зрения требует более тщательного рассмотрения, поскольку, вероятно, она

Из книги О чем рассказывает свет автора Суворов Сергей Георгиевич

IV - ВСЕ ЛУЧИ ОДНОГО ВИДА В предыдущем параграфе объясняется кажущееся существование лучей разного вида, т. е., как утверждают, с различными частотами колебания. По моему мнению, различны и скорость, и, возможно, размер частиц, что полностью объясняет противоречивые

Из книги История лазера автора Бертолотти Марио

КАК КОСМИЧЕСКИЕ СИЛЫ ФОРМИРУЮТ НАШИ СУДЬБЫ* Каждое живое существо - это механизм, Хотя как кажется, влияет на него лишь непосредственное окружение, сфера внешнего воздействия простирается на бесконечное расстояние. Нет такого созвездия, туманности, солнца или планеты

Из книги Твиты о вселенной автора Чаун Маркус

Как физики различают цветные лучи Открытие волновых свойств света дало возможность точно характеризовать отдельные цветные лучи света. Два различных цветных луча, как бы ни казались они нам близкими по цвету, отличаются друг от друга длиной волны или частотой.Из опытов

Из книги Распространненость жизни и уникальность разума? автора Мосевицкий Марк Исаакович

Космические мазеры Здесь читатель может подумать, что мазер это человеческое изобретение. Однако Природа, как часто бывает, показала, что ничто не ново под Луной! Несколько лет назад в радиоастраномии ученые стали проводить наблюдения на частоте 1420 МГц, которая

Из книги Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей автора Дмитриев Александр Станиславович

138. Что такое космические лучи? Это не лучи, а быстрые заряженные частицы из космоса, происхождение которых еще плохо изучено.В 1912, летая на воздушном шаре на высоте 5300 м, австрийский физик Виктор Гесс обнаружил, что атомы в воздухе на больших высотах лишены большей части

Из книги Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра автора Шустов Борис Михайлович

139. Что космические нейтрино говорят нам о Вселенной? Нейтрино - субатомные частицы, практически не имеющие массы. Они редко взаимодействуют с другими частицами, что затрудняет их обнаружение.Нейтрино были постулированы в 1930 Вольфгангом Паули для объяснения

Из книги Мария Кюри. Радиоактивность и элементы [Самый сокровенный секрет материи] автора Паес Адела Муньос

Из книги автора

36 Ловим лучи в мутной воде Для опыта нам потребуются: увеличительное стекло (возможно, подойдут дедушкины или бабушкины очки), трехлитровая банка, свечка, пол чайной ложки муки. Возьми совсем немного обычной муки, пол чайной ложки. Разведи в воде, чтобы она была

Из книги автора

4.3. Негравитационные эффекты. Космические экспедиции к ядрам комет То, что сегодня наука, Завтра - техника. Эдвард Теллер В отличие от астероидов, кометы обнаруживают в своем движении характерные особенности, которые принято называть негравитационными эффектами. Под

Из книги автора

ЛУЧИ В ТЕМНОТЕ Первый вопрос, которым задались супруги, был о предмете исследований Марии. Пьер уже был известным ученым, когда познакомился с Марией, что она прекрасно понимала, несмотря на отсутствие признания со стороны официальных научных учреждений во Франции, таких

−1 и , равную массе электрона. При позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже - трёх и более) .

Позитроны возникают в одном из видов (позитронная эмиссия), а также при взаимодействии с энергией больше 1,022 МэВ с . Последний процесс называется «рождением пар», ибо при его осуществлении фотон, взаимодействуя с электромагнитным полем , образует одновременно и позитрон.

Открытие

Существование позитрона впервые было предположено в . Теория Дирака описывала не только электрон с отрицательным электрическим зарядом, но и аналогичную частицу с положительным зарядом. Отсутствие такой частицы в природе рассматривалось как указание на «лишние решения» уравнений Дирака. Зато открытие позитрона явилось триумфом теории.

В соответствии с теорией Дирака электрон и позитрон могут рождаться парой, и на этот процесс должна быть затрачена энергия, равная энергии покоя этих частиц, 2×0,511 МэВ. Поскольку были известны естественные , испускавшие γ-кванты с энергией больше 1 МэВ, представлялось возможным получить позитроны в лаборатории, что и было сделано. Экспериментальное сравнение свойств позитронов и электронов показало, что все физические характеристики этих частиц, кроме знака электрического заряда, совпадают.

Аннигиляция

Из теории Дирака следует, что электрон и позитрон при столкновении должны с освобождением энергии, равной полной энергии сталкивающихся частиц. Оказалось, что этот процесс происходит главным образом после торможения позитрона в веществе, когда полная энергия двух частиц равна их энергии покоя 1,022 МэВ. На опыте были зарегистрированы пары γ-квантов с энергией по 0,511 МэВ, разлетавшихся в прямо противоположных направлениях от мишени, облучавшейся позитронами. Необходимость возникновения при аннигиляции электрона и позитрона не одного, а двух γ-квантов вытекает из . Суммарный импульс остановившегося позитрона и электрона до процесса превращения равен нулю, но он не может быть нулём при образовании вследствие аннигиляции только одного γ-кванта.

Последствия открытия позитрона

Позитрон оказался первой открытой . Существование античастицы электрона и соответствие суммарных свойств двух античастиц выводам теории Дирака, которая могла быть обобщена на другие частицы, указывало на возможность парной природы всех элементарных частиц и ориентировало последующие физические исследования. Такая ориентация оказалась необычайно плодотворной, и в настоящее время парная природа элементарных частиц является точно установленным законом природы, обоснованным большим числом экспериментальных фактов.

Литература

• Климов А.Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. М. Атомиздат, 1971.