Охотники за частицами
Шрифт:
Пощупать нельзя. А увидеть? Такая мысль уже не один год волнует Чарлза Вильсона. Всему виной давно открытое им явление. Мы о нем уже рассказывали: если из газа убрать пылинки, то газ можно заставить конденсироваться на ионах. Правда, для начала его нужно перевести в состояние пересыщенного пара.
Помните коротенький раздел «Изотермы реального газа» из школьного курса физики? Если и забыли, то не беда: все равно придется вспомнить. Есть у газа такое неустойчивое состояние, как пересыщенный пар.
Обычный насыщенный пар легко конденсируется в капельки жидкости при понижении температуры. Примером тому запотевшие стекла или роса. Это высадился на холодную поверхность водяной пар из воздуха.
Но если насыщенный пар не подводить к низкой температуре, а охладить «рывком», то он может и не перейти в жидкость, а остаться паром. Но это состояние столь же неустойчиво, как положение неукрепленного камня на склоне горы.
Небольшой толчок — и вниз летит уже каменная лавина. Такой толчок дают пылинки в пересыщенном паре. На них-то и начинается быстрая конденсация пара. И такой же толчок, как выяснил Вильсон, могут создавать ионы. Тогда в сосуде быстро образуется туман из медленно оседающих мельчайших капелек жидкости. Туман такой же густой, как знаменитые лондонские туманы, столь ненавистные англичанам.
По мере увеличения давления пара его объем изменяется по жирно начерченной кривой. В левой части кривая относится к пару, в правой — к жидкости. Если давление повышать плавно, то пар, дойдя до горизонтального участка кривой, пройдет по нему и постепенно сконденсируется в жидкость. Если же давление изменить рывком, то пар может оказаться в неустойчивом пересыщенном состоянии. В таком состоянии пар и находится в камере Вильсона при внезапном расширении ее объема. Аналогичным путем можно перевести жидкость в столь же неустойчивое перегретое состояние. Перегретая жидкость используется в пузырьковых камерах, описанных в главе 7.
Капельки тумана рассеивают свет — потому-то они и видны. А что, если…
Но надо рассказать по порядку. Наполним камеру жидкостью и подберем ее температуру так, чтобы в камере образовался насыщенный пар. Затем резко увеличим объем камеры, например отодвинем одну ее стенку. Температура резко упадет, пар станет пересыщенным.
Если в этот момент в камеру влетит частица, то она вдоль своего пути образует цепочку ионов. На этих ионах осядут первые капельки воды.
Если теперь осветить внутренность камеры яркой вспышкой света… Быстро, пока ионы, подталкиваемые случайными ударами со стороны молекул пара, не разошлись в разные стороны.
Смотрите! Э, впрочем, не годится. Память — недолговечное хранилище для таких вещей. Давайте быстренько фотоаппарат. Выдержка — в тысячные доли секунды. Здесь не скажешь ионам: «Спокойно, снимаю!»
И все. Затем нужно проявить фотопластинку. Можно для удобства сделать с нее позитивный отпечаток.
А вот теперь смотрите. На пластинке во всю ее длину протянулся тонкий белый след. Это и есть след пролетевшей частицы. Она оставила его в виде цепочки ионов в камере Вильсона.
< image l:href="#"/>Такой «пунктирный» след в виде цепочки пузырьков жидкости, осевших на ионах, оставляет в камере Вильсона электрон.
Так физики «увидели» первую частицу. Увидели, конечно, не саму ее. Предстоит вам еще прочитать разочаровывающие строки, из которых вы узнаете, что увидеть даже с помощью приборов ни одной атомной частицы нельзя…
Но вот след, оставленный частицей, увидеть можно. Он и запечатлен на фотопластинке.
Однако считайте, что вам повезло. Частица соблаговолила влететь в камеру в тот момент, когда камера сработала. Влети она немного раньше или немного позже — на фотопластинке ничего не обнаружить.
Камера Вильсона — это капкан, захлопывающийся вслепую. Словно охотник пожелал ловить зверя капканом, который захлопывался бы, скажем, раз десять в час. А вдруг зверь сунет в него ногу именно в это время!
Но, как известно, все капканы устроены иначе. Они срабатывают только от зверя, а не подобно пасти кота, когда он охотится за мухами. Физикам и предстояло соорудить такой капкан. Одной пружины — камеры — оказалось мало. Нужна была еще доска, наступив на которую зверь освободил бы пружину. Такой доской стал счетчик.
Летела себе частица, и никому до нее не было дела. Разбегались с ее пути покалеченные атомы, и наконец, стал на дороге счетчик Гейгера. Прошла частица сквозь него, понеслась электронная лавина к аноду, побежали «жалобщики»-ионы к катоду. И электрический импульс дал знать камере о прилете частицы.
«Вот мы ее сейчас… сфотографируем!» — включила камера лампы-вспышки. И сфотографировала… пустое место. Летела частица — да не через камеру. Через счетчик проскочила, а камеру миновала: не по дороге.
И в самом деле, очень часто вовсе не по дороге. Скажем, прилетела частица в счетчик сверху, а камера стоит сбоку.
Загнать счетчик в камеру? Невыполнимая задача. Чем меньше в камере «всяких посторонних» предметов, тем легче, точнее и лучше она работает.
Да и не нужно, чтобы камера считала все частицы, которые в нее попадают. Но такую фразу физики получили право сказать лишь много лет спустя, когда досконально изучили многих гостей, побывавших в камере, когда визитные карточки этих гостей смогли многое рассказать об их природе и свойствах. А пока что каждый гость дорог, и камера готова широко раскрыть свои гостеприимные объятия.
Но раскрывать свои объятия каждый раз, когда слышатся шаги за дверью дома, хлопотно и даже неприятно. Надо подождать, пока раздастся звонок.
И этот звонок дает… второй счетчик. Он установлен вслед за первым так, что частица, пройдя через оба счетчика, должна неминуемо побывать в камере. Причем звонок последует только в том случае, если импульсы в обоих счетчиках возникнут практически одновременно.
Даже на людной улице маловероятно, чтобы у дверей дома послышались одновременно шаги двух людей, идущих не к вам. Так и в счетчиках: вероятность того, что в один из них попадет одна, а в другой одновременно другая частица, даже в обильном потоке частиц весьма невелика.
Когда физики хотят избавиться и от этого неприятного совпадения, то ставят друг за другом даже три счетчика. Тогда уже совпадение становится почти невероятным. Такая комбинация счетчиков оправданно названа телескопом. Она выделяет частицы, следующие по вполне определенному направлению. Так же, как телескоп улавливает свет от какой-то одной звезды, а не от всего небосвода сразу.
На этом рисунке два счетчика Гейгера, установленные спереди и сзади камеры Вильсона, образуют телескоп счетчиков. Из великого множества световых лучей, идущих по всевозможным направлениям, обычный телескоп отбирает только те, которые распространяются по данному направлению, например от выбранной для наблюдения звезды. Так и телескоп счетчиков отбирает из множества частиц, летящих по всевозможным направлениям, только те, что испускаются определенным источником и должны неминуемо пройти через камеру.