Кудрявцев Степанович - Курс истории физики

• Название: Курс истории физики
• Автор: Кудрявцев Степанович
• Издательство: Просвещение
• Жанр: Физика
• Год: 1982

Курс истории физики предназначен для студентов педагогических институтов. В нём изложена история мировой физики от древности до наших дней. Книга состоит из трёх частей. В первой освещена история становления физической науки, заканчивающейся Ньютоном. Последняя, третья часть посвящена истории становления квантовой, релятивисткой и ядерной физики.

---

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 2m0с2 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.

Ускорители

Богатый событиями в ядерной физике 1932 г. ознаменовался и другими важными достижениями в этой области. Главнейшим из этих достижений было расщепление ядра лития искусственно ускоренными протонами. Еще в 1922 г. Резерфорд, сравнивая ядра с хорошо защищенной крепостью, указывал, что «лишь а-частицы, как наиболее концентрированные источники энергии, являются наиболее подходящими для нападения на эти хорошо защищенные сооружения». Далее он говорил: «Если бы в нашем распоряжении были заряженные атомы с энергией, в десять раз превосходящей энергию а-частицы радия, то, вероятно, мы могли бы проникнуть в нуклеарную структуру всех атомов, а иногда вызвать их разрушение».

Частицы, ускоряемые сегодня на Серпуховском ускорителе, обладают энергией, в тысячу раз большей, чем та, о которой мечтал Резерфорд. Путь к получению частиц высокой энергии начался в 30-х годах. Именно тогда начали разрабатывать ускорители заряженных частиц. Уже в 1928 г. с помощью последовательно соединенных трансформаторных обмоток удалось получить напряжение 750 кВ. В 1931 г. Ван-де-Грааф построил электростатический ускоритель, позволяющий ускорить ионы до нескольких миллионов электрон-вольт.

В 1930 г. в Кембридже Кокрофт и Уолтон, применяя каскадный метод увеличения напряжения, получили водородные ионы, ускоренные до нескольких сот киловольт. В 1932 г., направляя усиленные таким образом ионы на литиевую мишень, они осуществили расщепление ядра 3Li7 на два ядра гелия. Ядра гелия разлетались с энергией около 8,5 МэВ. Это была первая ядерная реакция, осуществленная на ускорителе, и авторы ее Джон Кокрофт (1897-1967) и Э. Уолтон были удостоены в 1951 г. Нобелевской премии.

В 1931 г. Слоан и Лоуренс (1901-1958) построили линейный ускоритель ионов, в котором ионы, проходя через ряд цилиндров увеличивающейся длины, ускорялись высокочастотным напряжением, подобранным так, что в зазоре между цилиндрами ионы попадали в ускоряющую фазу.

Но особенно важным для развития ядерной физики было создание циклического ускорителя — циклотрона.

Принцип циклотрона был предложен Лоуренсом и Эдлефсеном в 1930 г. В 1932 г. под руководством Лоуренса был построен циклотрон с диаметром полюсных наконечников 28 см, ускоряющий протоны до 1,2 МэВ. В 1939 г. Лоуренс за изобретение циклотрона был удостоен Нобелевской премии.

В июле 1932 г. на V Международной конференции по электричеству состоялось обсуждение проблем ядерной физики. С обзорным докладом «Современное состояние физики атомного ядра» выступил Энрико ферми. В этом докладе ферми все еще держался гипотезы: «Все атомные ядра состоят из двух частиц — электронов и ядер водорода (протонов)». Далее ферми указывал, что некоторые ядра «обладают собственным механическим моментом», выраженным целым или полуцелым числом в единицах h/2п Существование момента ядра обнаруживается в таких явлениях:

а) чередование интенсивностей в полосатых спектрах;

б) сверхтонкая структура спектральных линий атомов.

ферми указывал далее, что «любая система из протонов и электронов должна:

а) подчиняться статистике Бозе — Эйнштейна или принципу Паули в зависимости от того, является ли число частиц этой системы четным или нечетным;

б) иметь собственный момент, равный целому числу или кратному целому числу, деленному на 2, в зависимости от того, четно или нечетно число частиц в системе».

Ядро азота не подчиняется этим правилам, согласно которым для ядра азота должен быть справедлив принцип Паули, в то время как наблюдения Разетти над раман-эффектом для молекулы азота показали, вне всякого сомнения, что для ядра азота справедлива статистика Бозе — Эйнштейна. «Отсюда был сделан вывод, — пишет ферми, — что эта аномалия возникает вследствие того, что ядро атома азота содержит нечетное число электронов».

Как видно, в июле 1932 г. азотная катастрофа продолжала существовать.

Ферми подробно останавливается на теории а-распада, предложенной Гамовым в 1928 г. Гамов (1904-1968), а также Герни и Кондон (1902-1974) применяли к испусканию а-частицы ядром идеи волновой механики, развитые для анализа прохождения частиц через потенциальный барьер. Эта теория была одним из достижений новой квантовой механики.

В отношении в-распада существует трудность, связанная с непрерывным спектром энергии в-частиц. «Этот факт, — писал ферми, — имеет большую теоретическую важность, поскольку он, по-видимому, находится в противоречии со всеми теориями атомного ядра, в которых предполагается справедливость принципа сохранения энергии». Ферми упоминает о гипотезе Паули, предпринятой для объяснения этого противоречия. Он пишет: «Согласно предположению Паули было бы возможно вообразить, что внутри атомного ядра находятся нейтроны, которые испускались бы одновременно с (3-частицами. Эти нейтроны могли бы проходить через большие толщи вещества, практически не теряя своей энергии, и потому были бы практически ненаблюдаемы».

Ферми пришлось употребить в своем докладе слово «нейтрон» дважды. В заключительных заметках он говорит об интерпретации Чедвиком берил-лиевого излучения:

«Продолжая опыты Боте, а также И. Кюри и ф. Жолио, Чедвик сумел доказать, что излучение бериллия способно сообщить движение также ядрам тяжелее протона; в связи с этим он выдвинул гипотезу, что излучение бериллия представляет собой не у-лучи, а нейтроны с массой, равной массе протона».

Термин «нейтрон» сохранился для нейтральных частиц с массой протона. «Нейтроны» же Паули по предложению ферми были названы на Сольвеевском конгрессе 1933 г. «нейтрино». На конгрессе же 1932 г. ферми пришлось давать разъяснение по поводу термина «нейтрон» в р-распаде. Ему резонно возразили, что нейтроны из-за их массы не могут играть той роли, какая им приписывалась гипотезой Паули, ферми отвечал, что «такими нейтронами являются не те, которые были открыты, но нейтроны с гораздо меньшей массой». Именно ферми в дальнейшем удалось построить теорию (в-распада, основанную на гипотезе нейтрино.

В 1933 г. происходило освоение идей, внесенных в ядерную физику. Помимо уже упоминавшейся конференции по атомному ядру, состоявшейся в Ленинграде в сентябре 1933 г., проблемы ядра обсуждались на Седьмом Сольвеевском конгрессе, состоявшемся в октябре 1933 г. Конгресс был очень представительным, председательствовал П. Ланжевен. В работе конгресса принимали участие Э. Резерфорд, Н. Бор, М. Склодовская-Кюри, Дж. Чед-вик, П. Блэккет, Дж. Кокрофт, В. Боте. В. Гейзенберг, Э. Шредингер, В. Паули, Э. ферми, Луи де Бройль, П. Дирак и другие физики. От советских ученых в конгрессе принимал участие А. ф. Иоффе.