Яков Гегузин - Капля

• Название: Капля
• Автор: Яков Гегузин
• Издательство: «НАУКА»
• Жанр: Физика
• Год: 1973

Книга состоит из отдельных очерков о физиче­ских законах, управляющих поведением капли, об ученых, которым капля помогла решить ряд сложных и важных задач в различных областях науки.

Книга иллюстрирована кадрами скоростной ки­носъемки и будет интересна самому широкому кругу читателей.

---

Семнадцать лет Вильсон изучал образование капель в своей лаборатории один, с глазу на глаз с туманной каме­рой, а после 1911 года камера Вильсона стала достоянием всего человечества: вильсоновские камеры разнообраз­ных усовершенствованных конструкций используются почти во всех лабораториях мира, изучающих строение вещества.

Множество услуг науке оказала капля, рождающаяся в камере Вильсона. Об одной из них я расскажу подробнее: речь идет о роли, Которую сыграла капля в открытии первой античастицы — позитрона, несущей элементарный по­ложительный заряд, по величине равный заряду электрона.

История открытия такова. Прямолинейный трек в ка­мере сообщает о факте пролета частицы. Иногда, глядя на трек, можно понять, в каком направлении частица ле­тела, но практически ничего нельзя сказать ни о ее заряде, ни о ее скорости, во всяком случае точно определить эти величины нельзя. Если же камеру поместить в магнитное поле, в котором заряженные частицы летят по дуге окруж­ности, то по радиусу капельного следа при известном зна­чении напряженности магнитного поля можно узнать о частице многое.

Магнитное поле создает силу, которая вынуждает за­ряженную частицу, летящую по прямой, изменить траек­торию полета, перейти на траекторию, которая является дугой окружности. Радиус этой дуги для частицы с опре­деленным отношением величины заряда к величине мас­сы тем больше, чем больше скорость, и тем меньше, чем больше напряженность магнитного поля. А направление движения частицы по дуге окружности определяется зна­ком ее заряда. Таким образом, в разных условиях опыта, меняя напряженность поля, изменяя радиусы изогнутых орбит, можно получить важные сведения о летящей ча­стице.

В 1932 году американский физик Андерсон, изучавший состав космических лучей, на фотографиях, полученных в камере Вильсона, которая находилась в магнитном поле, обнаружил капельные следы, изгибающиеся в разные сто­роны: следы начинались в одной точке и удалялись друг от друга. К этому времени уже было известно предсказание английского физика-теоретика Дирака о существовании позитрона. Согласно Дираку,исчезновение кванта лучистой энергии должно сопровождаться одновременным рожде­нием двух частиц— электрона и позитрона. Энергия кванта превращается в массу и кинетическую энергию этих частиц. Было сделано естественное предположение, что на фотографии запечатлен предсказанный Дираком процесс, и так как частицы несут заряды разных знаков, магнитное поле отклоняет их в противоположных нап­равлениях.

Предположение, действительно, естественное, разумное, но неоднозначное. А что если произошло чрезвычайно мало­вероятное, но принципиально возможное — камера за­фиксировала треки двух электронов, из которых один ле­тел из данной точки, а другой приближался к ней? В этом случае тоже будут два противоположно изогнутых капель­ных следа, встречающихся в одной точке. Чтобы исклю­чить возможность такого толкования, Андерсон перегоро­дил камеру Вильсона тонкой свинцовой стенкой, рассудив, что частица, пролетевшая через такую стенку, поте­ряет часть энергии и в магнитном поле будет двигаться по дуге с меньшим радиусом, что позволит точно опреде­лить направление полета: частица налетает на свинцовую перегородку с той стороны, где радиус кривизны остав­ляемого трека больше. С помощью этого остроумного при­ема он убедился в том, что две частицы, несущие одинако­вый заряд, вылетают из одной точки и разлетаются в раз­ные стороны. Одна из них — давно известный электрон, а вторая — впервые увиденный позитрон.

В действительности дело делалось не совсем так гладко и последовательно, как об этом здесь рассказано. Андер­сон — чистейшей воды экспериментатор — мог и не знать о совсем недавнем предсказании теоретика Дирака, и об­наружение позитронного трека ему досталось в награду за экспериментальное мастерство и проницательность при изучении фотографий, полученных в камере Вильсона.

В истории открытия позитрона нас главным образом ин­тересует капля, которая помогла увидеть новую частицу— крупинку антивещества!

Пузырьковая камера

В физических лабораториях она появилась сравнительно недавно, о ее рождении американский физик Дональд Гле­зер сообщил в 1952 году в апрельской книжке журнала «PhysicalReview» — «Физическое обозрение».

В тех лабораториях, где для обнаружения и исследова­ния элементарных частиц десятки лет пользовались ка­мерой Вильсона, в послевоенные годы стали появляться задачи, непосильные для нее. Она, восторженно именуе­мая «высшим кассационным судом в физике», не могла зарегистрировать частицы, обладающие очень высокими энергиями, поскольку такие частицы в газовой среде про­летают значительное расстояние, не вступив во взаимодействие ни с ядрами, ни с электронной оболочкой атомов газа. Если это расстояние сравнимо с размером камеры Вильсона, а тем более если существенно превосходит его — частицы пролетят сквозь камеру, ничего не сообщив о себе. Для регистрации таких частиц нужна камера, объ­ем которой заполнен веществом более плотным, чем газ, даже если он сжат значительным давлением.

Легко следовать логике, когда уже известны пройден­ные, точнее, преодоленные трудности на пути к открытию. Эта легкость— привилегия рассказчика, глядящего на старт с финиша, кроме того, у него есть право на некото­рые домыслы, касающиеся деталей пути. Воспользуем­ся этим правом, но будем помнить, что первооткрыватели идут путями резко индивидуальными и на поворотах ру­ководствуются иногда не логикой, а интуицией, иной раз сворачивая в сторону без особых соображений.

Мысль Глезера, решившего создать замену камере Виль­сона, вначале, видимо, развивалась, следуя законам фор­мальной логики. Если в объеме камеры должен находиться не газ, то, следовательно,— либо твердое тело, либо жид­кость. Твердое тело, вообще говоря, может оказаться вполне эффективным детектором частиц высокой энергии. Глезер, разумеется, знал о том, что толстослойные фото­эмульсии успешно применяются для регистрации быстрых частиц, приходящих из космоса. Но эти эмульсии, как, впрочем, и иное твердое тело, обладают существенным не­достатком, который заключается в слишком стойкой памя­ти: трек, созданный быстрой частицей в твердом теле, су­ществует долго в связи с тем, что атомы там перемещаются медленно, и много времени должно пройти, прежде чем изгладится дефектная область, созданная энергичной частицей.

Глезер стремился к созданию иного прибора, который надежно регистрировал бы частицы и быстро «забывал» о них, готовый к приему новых. Мысль обратилась к жид­кости. Формальная логика уступила место соображениям по аналогии, точнее, по «антианалогии». В камере Виль­сона газовая среда в момент регистрации частицы рождает жидкие капли, располагающиеся вдоль ее траектории. Быть может, ситуацию следует «обратить» и заставить жидкую среду рождать газовые капли? В этом случае проблема будет решена, так как удовлетворятся главные требования, предъявляемые к камере: жидкая среда ак­тивно тормозит быстрые частицы и способна скоро запол­нять возникшие вдоль траектории газовые пузырьки, уничтожая их, готовя камеру к приему новых частиц. Дело как будто бы за малым: заставить жидкость рождать газовые пузырьки именно в момент, когда летит частица, и именно вдоль ее траектории. Способ рассуждать по ана­логии и здесь мог оказать услугу. Газовая среда рождает жидкие капли в тот момент, когда она становится неравно­весной, пересыщенной, и когда есть активные центры — ионы, на которых происходит конденсация избыточной влаги. Естественно предположить, что жидкость будет рождать пузырьки в момент наступления неравновесности, например, если вдоль траектории частицы в перегре­той жидкости возникают причины, способствующие раз­витию этих пузырьков вследствие вскипания перегретой жидкости.

Известно, что жидкость длительное время может нахо­диться в перегретом состоянии, не закипая. Особенно лег­ко перегреть жидкость в сосуде под поршнем, который оказывает на нее давление, поскольку вскипание, т. е. образование в объеме жидкости газовых пузырьков, дол­жно было бы сопровождаться увеличением ее объема, а когда этому препятствует поршень, вскипание затруднено. Если мгновенно снять нагрузку с поршня, находящаяся под ним перегретая жидкость закипит. Можно, однако, вски­панием управлять, задав те точки в объеме, где возникнове­ние газового пузырька будет облегчено. Полагая, что та­кими местами могут быть точки вдоль траектории быстрой частицы, взаимодействующей с атомами жидкости, Глезер поставил великолепный эксперимент, обнаружил явле­ние, которое следует именовать «эффектом Глезера». Стек­лянную колбу он заполнил диэтиловым эфиром, который без особых предосторожностей легко можно перегреть более чем на 100 °С. Его точка кипения 34,6° С, а в колбе, с которой экспериментировал Глезер, он был нагрет до 140° С, оставаясь спокойным. Стоило, однако, поднести к стеклу колбы препарат, излучающий γ-лучи,— жидкий диэтиловый эфир мгновенно и бурно вскипал. Исчерпы­вающего понимания механизма этого явления нет. Быть может, дело в том, что в тех точках, где γ-квант (или ионизи­рующая частица) взаимодействует с атомами жидкости, ло­кально повышается температура, и это провоцирует появле­ние газового пузырька; быть может, возникшие при взаи­модействии заряды располагаются на поверхности случайно возникших пузырьков и делают их более жизнеспособны­ми в связи с тем, что, отталкиваясь друг от друга, расши­ряют пузырек. В данном случае важен факт: быстрая, энергичная частица, взаимодействуя с жидкостью, гото­вой вскипеть, создает активные точки, где это вскипание происходит в первую очередь.