Текст книги "Охотники за частицами"

Автор книги: Виталий Рыдник

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 17 страниц)

Меняются листочки, двигается экран, а наши исследователи все сидят месяцами в затемненной лаборатории и считают вспышки. Непонятное начинается, когда экран устанавливается по ту же сторону листочка, что и препарат радия. Экран вспыхивает и при этом!

Дайте понять… Пока экран за листочком, в его вспышках нет ничего необычного: альфа-лучи проходят через тесто «атомного пирога», конечно рассеиваясь в нем, и идут дальше, к экрану. Но вот экран обогнул листочек и стал перед ним по ту же сторону, что и препарат. Число вспышек резко уменьшилось, но они все же остались. Может быть, альфа-частицы попадают на экран прямо из ампулы? Это легко проверить – достаточно убрать листочек. Вспышки прекращаются, как по мановению волшебной палочки. Значит, не в ампуле дело.

Но тогда в чем же? Как могут альфа-частицы отразиться от «клейкого пирога» и вернуться назад? Вот где пища для раздумий Резерфорду!

…Что-то когда-то он читал о кометах. Кометами много занимались в начале века. Длинные хвосты, огибающие Солнце, издревле поражали людское воображение. «Грозят кометы мором и войной!» – изрекали взволнованные поэты, а на папертях церквей толкался испуганный народ, слушая грозные пророчества юродивых.

В начале века мрак рассеялся.

Петр Николаевич Лебедев доказал, что свет оказывает давление на тела. И хвосты оказались выбросами кометного вещества под действием солнечных лучей. Но тело кометы все же притягивается Солнцем. Да, что-то не то…

А что было бы, если комета вся отталкивалась бы Солнцем? Как бы она шла мимо Солнца? Здесь одно размышление не помогает, нужен расчет. Резерфорд считает… Через несколько дней, довольный и шумно веселый, он является в лабораторию, отряхивает снег с шапки и голосом, похожим на львиный рык, объявляет: «Теперь я знаю, как выглядит атом!»

«Белые рабы» Гейгер и Марсден вопросительно смотрят на учителя, а тот, не раздеваясь, присаживается к столу и рисует… солнечную систему. Вот он посадил в центре Солнце, жирно зачернил его, пририсовал орбиты планет. Возле Солнца крупно написал «ядрышко». А чтобы снять последние следы недоумения с лиц учеников, в центральном кружочке жирно поставил «+» и по планеткам разбросал «минусы». Планетки – электроны!..

Так изобразил строение атома Резерфорд. Вокруг ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, по определенным орбитам кружится хоровод легоньких электронов. Эти орбиты могут иметь вид не только окружностей, но и эллипсов.

Только так можно понять странное отражение альфа-частиц назад, взволнованно говорит Резерфорд Гейгеру и Марсдену. Словно альфа-частицы в глубине атома наталкиваются на высокую электрическую горку. Как саночки! – те из них, что попадают на горку сбоку, проходят дальше, только немного сбившись с пути. А те, что налетают на горку в лоб, – те скатываются назад. Назад – в этом весь секрет!

Когда альфа-частицы влетают в атом, они обнаруживают скрытую в его недрах высокую гору – ядро. Пытаясь атаковать эту гору сбоку, альфа-частицы отклоняются, сильнее или слабее, в стороны от исходного направления полета – рассеиваются. Те же частицы, которые пытаются взять эту гору в лоб, бесславно скатываются назад. Именно эти отраженные назад альфа-частицы навели Резерфорда на мысль о существовании атомного ядра.

Через два месяца рисунок «солнечного атома» появится на страницах «Философского журнала», издаваемого Кембриджским университетом. А оттуда начнет свое полувековое шествие по страницам бесчисленных книг…

Атом, подобный Солнечной системе, как-то сразу и бесповоротно входит в сознание физиков. Странный, всем своим видом бросающий вызов классической физике, еще далеко не сдавшей своих позиций, – и все же… Иногда красота научной идеи сразу поражает в сердце, минуя слабые протесты ума.

Но надо еще доказать, что эта «красота» имеет право на существование. Электроны не могут вращаться вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.

На помощь приходит Бор

Помните? Ускоренно движущийся заряд должен непрерывно излучать. Излучая, он теряет энергию. Теряя энергию, он должен замедлять свое вращение. Замедляя свое вращение, он должен в конце концов остановиться.

И в этот момент сила электрического притяжения электрона к ядру атома станет безраздельным хозяином положения. Мгновение – электрон исчезает в ядре, за ним второй, третий. И с ними прекращает свое существование сам атом.

Что-то здесь не так… Снова исследователь оказывается, подобно Планку, подобно Эйнштейну, перед тяжелейшим выбором: либо неверна модель, либо неверна… старая физика. На сей раз эта альтернатива стоит перед Резерфордом и молодым датчанином Нильсом Бором. Он только третий год работает с Резерфордом, но уже успел проникнуться глубочайшим уважением к своему учителю.

Обидно будет, если любимое творение учителя отвергнет строгая критика. Но она необходима. «Платон мне друг, но истина дороже!» Бор ищет истину. И в клещах трудного выбора, что ни говори, ему все же легче, чем его предшественникам, дерзнувшим первыми посягнуть на старую физику.

Уже идет 1913 год. Уже позади теория квантов и теория относительности. И великие эти примеры не могут не придать Бору смелости.

Электрон можно сохранить от гибели в ядре, а с ним сохранить и сам атом, если электрон не будет излучать на орбите электромагнитные волны. Другого выхода нет. Так пусть это и будет выход. Запретить электрону излучать на орбите! На какой бы орбите он ни был. Ибо, как показывает несложный подсчет, таких орбит может быть много.

Запретить – и без всяких! Бор пока не знает, как обосновать свой запрет. И поэтому скромно называет его постулатом, то есть предложением, принимаемым без доказательств.

Но атом все же испускает излучение – свет, например. Надо в запрете, выходит, оставить лазейку? Что-то вроде «нет правил без исключений»? Так Бор приходит ко второй находке. Правда, чтобы не покривить душой, он должен признать долю участия в этой находке за своим «научным дедом» Томсоном.

Электрон испускает излучение в тот неуловимо короткий миг, когда прыгает с орбиты на орбиту. И в этот момент на свет рождается… фотон.

Вот когда атом Резерфорда обретает физическую плоть! Не беда, что второе положение Бора тоже постулат, что оно пока что столь же недоказуемо, как и первое. Притягательная сила новой теории атома столь велика, что перед ней не может устоять ни один физик. Не проходит и трех лет, как она, подобно палочке-считалочке, уже выдает ответы на сотни вопросов, которыми ее забросали физики. И правильные ответы!

Сразу удалось разрешить серьезнейшую трудность старой физики – помните, с линейчатыми спектрами? Перестает быть загадкой удивительная повторяемость свойств химических элементов, впервые подмеченная Дмитрием Ивановичем Менделеевым.

Эта повторяемость и легла в основу созданной им периодической системы химических элементов. Чем объяснить ее? – Менделеев не знал. Конечно, к тому времени уже были известны атомы. И Менделеев установил, что свойства химических элементов периодически зависят от веса их атомов.

Но почему? На этот вопрос в те годы ответа дать было нельзя. Еще не были известны электроны, еще не знали, как устроены атомы.

Теперь же, в десятые годы нашего века, «солнечноподобная» атомная картина Резерфорда и Бора без промедлений объясняет периодический закон Менделеева. Химические свойства атомов – а о периодичности именно этих свойств идет речь – определяются просто числом электронов на самой внешней, наиболее удаленной от ядра оболочке атома.

Сколько в ней может быть электронов? Наблюдения показывают, что не более восьми. От одного до восьми электронов, а значит, всего восемь типов химического поведения атомов, восемь валентностей. Когда атомы соединяются в молекулы, в игру вступают электроны на самых наружных атомных орбитах.

Вот здесь и лежит ключ к валентностям, заключает в 1914 году немецкий химик Вальтер Коссель. Это заключение и образует ту основу, на которой начинает развиваться новая, современная химия. Не та, что вслепую колдует у пробирок, а зрячая, вооруженная точным представлением и расчетом.

И это только малая доля открытий, которые вдруг хлынули из нового атома, как из рога изобилия. В этом быстром потоке нового знания ядро может считать себя обойденным. Не до него! Физики удовлетворяются пока самыми общими сведениями о нем: ядро положительно заряжено; в нем сосредоточена почти вся масса атома; оно имеет размеры, в десятки тысяч раз меньше, чем те орбиты, по которым вокруг него вращаются электроны.

Из чего оно состоит? Самое легкое ядро – это, как показывает опыт, ядро атома водорода. Вероятно, оно содержит в себе одну положительную частицу. Ядро простейшее, а потому переносит свое название и на свою частицу. Ее называют протон, что по-гречески и означает «простейший». Следующее – ядро атома гелия – вчетверо массивнее. Значит, в нем четыре протона и так далее.

А чтобы ядро могло долго и устойчиво существовать, несмотря на взаимную вражду его положительных частиц, в него нужно добавить цемента. Как и двадцатью годами раньше, когда физики пытались сдержать в атоме разлетающиеся электроны.

Пусть эти же электроны и будут цементом для протонов. Тогда ядро гелия можно составить, с его двойным положительным зарядом, из четырех протонов и двух электронов.

Вот пока и все внимание, которое уделили физики ядру. Третья выдающаяся частица атомного мира – протон – на сей раз открыта как-то «заурядно». Словно некий прочный продукт резерфордовского атома. И тут же большинство физиков забывает о нем. Забывает надолго. В следующее двадцатилетие физики заняты совсем другими вещами.

Но не забывают о ядре ни Томсон, ни Резерфорд, ни их ученики. Кажется, что они пошли теперь не в ногу с веком, в стороне от основного потока физики.

Время покажет, что это не так. «Ядерная» тишина десятых и двадцатых годов подготовляет грандиозные открытия тридцатых годов, мощно потрясшие человечество…

Глава 2
Град из космоса

О чистоте

Мойте руки перед едой! Врачам, долго и успешно пропагандирующим этот лозунг, обеспечена поддержка физиков.

Ибо любой физический – да и не только физический – опыт есть результат упорной борьбы человека с природой. Она нисколько не стремится к чистоте. Напротив, все, что можно, она перемешивает друг с другом. Да еще так тесно, что отделить одно от другого нередко требует колоссального труда и немалого хитроумия.

История физики – это история борьбы за чистоту опыта. Интересующему явлению всегда сопутствует компания побочных явлений. Эти явления постоянно мешают; нередко они совсем маскируют нужное явление.

Допустим, – и это ближе к нашей теме – физик изучает электрический разряд в чистом газе, к примеру, в аргоне. Значит, прежде всего надо получить чистый газ. Аргон добывается из воздуха, где его ничтожные доли процента.

Сегодня физик может не беспокоиться: к его услугам мощная химическая промышленность. Но еще полвека назад он должен был добывать аргон собственными руками.

Процедура извлечения аргона из воздуха длинна и хлопотна. Пришлось бы долго описывать ее. Но вот аргон получен. Чистый? Конечно, нет. Абсолютно чистых веществ человек еще никогда не имел в своем распоряжении.

Все вещества, даже очень чистые, хоть и немного, но загрязнены примесями. Аргон, например, запачкан следами кислорода – очень неприятного газа. Дело в том, что кислород, как выяснилось впоследствии, очень активно вмешивается в ход электрического разряда и может сильно напортить в опытах.

Совсем избавиться от кислорода невозможно. Физик в нашем рассказе удовлетворяется примесью, скажем, одного атома кислорода на тысячу атомов аргона.

Следующий этап – ввести аргон в сосуд, в котором будет проходить опыт. Теперь надо очищать сосуд. Задача эта еще труднее. Она напоминает работу билетеров в кинотеатре, когда закончился детский сеанс и должен начаться взрослый. Да еще с грозным аншлагом: «Дети до 16 лет не допускаются!» Такое объявление способно только разжечь мальчишечье любопытство.

И, вместо того чтобы чинно проследовать на выход, мальчишки прячутся по всем закоулкам зала. Вспугнутые билетерами, они выскакивают в двери, чтобы вернуться через окна. Несмотря на все старания билетеров, на взрослом сеансе всегда останется «примесь» мальчишек.

Примерно так и получается при откачке воздуха из сосуда перед наполнением его чистым газом. И, подобно билетерам, физики мирятся с неизбежным злом. Лишь бы этого «зла» было поменьше!

Пойдемте дальше. Если физик собирается изучать ионизацию в газе – а ее и создает электрический разряд, – то прежде всего надо убрать ионизацию, появившуюся еще в отсутствие этого разряда. Фон, как говорят физики. Если изучаемая ионизация будет слаба, то фон ее может начисто скрыть.

Наш физик работает уже в начале двадцатого века. Он уже знает о существовании радиоактивности, знает, что она может обнаружиться и по ионизации газа. Те же уран и радий – пусть в ничтожных количествах – обитают во всех земных породах. С этими породами они попадают во все строительные материалы. Все здания, хоть и очень слабо, но радиоактивны.

Значит, на вольный воздух! Но и тут нет полного спасения. Радий, распадаясь, постоянно выделяет радиоактивный газ – радон. А радон уходит в воздух. Правда, если выкачать воздух из опытного сосуда, от радона можно практически избавиться. Но не выкачаешь же всю атмосферу!

Чтобы радиоактивные излучения не проникали в сосуд, его надо заэкранировать со всех сторон свинцом. Ну, теперь, кажется, все в порядке? Наш физик вместо ответа беспомощно показывает на листочки заряженного электроскопа. Да, они меньше опали по сравнению с тем, что было до того, как приняли защитные меры. Меньше опали, но все же опали. Хоть маленькая, а все же ионизация осталась.

Ну и ладно: мало ли какие бывают мелкие погрешности в опыте! О странной «неуничтожимой» ионизации забыли. Но не все: нашлись дотошные ученые, которые решили дойти до конца, и среди них известный уже нам Чарлз Вильсон. Однако осуществление их намерения откладывалось из года в год.

Тем временем непонятным явлением заинтересовались австрийцы. Земля, воздух – источник радиоактивной грязи. Так подальше от них, – решили эти ученые. И поднялись в небо на воздушных шарах. Первые километры подъема. Ионизация действительно уменьшается. Но затем начинается непонятное: ионизация начинает снова расти, причем весьма быстро. Австриец Виктор Гесс, одним из первых обнаруживший это примечательное явление, перебрав в уме все возможные его причины, высказывает удивительную мысль. Эта ионизация вызывается какими-то сильно проникающими лучами неземного происхождения!

Как всегда, когда высказывается что-то удивительно смелое, нужно время, чтобы еще и еще раз проверить его. И, если оно правильно, свыкнуться с ним. Но историю мало волнуют судьбы научных открытий. Через четыре года после открытия Гесса в Европе вспыхнула первая мировая война.

И все же в считанные мирные годы перед первой мировой войной немецкий физик Вернер Кольхерстер успевает подняться еще выше Гесса и подтвердить его результаты. На высоте двенадцати километров, когда Земля за окном иллюминатора воздушного шара скрылась в сизой дымке, приборы показали, что ионизация возросла в целых тридцать раз!

Да, ее явно вызвали лучи неземного происхождения. Таинственные лучи, идущие из глубин космоса.

Как «слушают» излучения

Град невидимых частиц, бесперебойно бомбардирующих Землю! Ученые ухитрились сделать его и видимым и слышимым.

Следы всегда остаются. По счастью, неведомые пока частицы космических лучей не вняли этому предупреждению юристов.

Они, по образному сравнению известного их исследователя Пьера Оже, напоминают мотоциклистов, на недозволенной скорости врезающихся в толпу.

Мы предпочтем менее печальный образ – сильного зверя, попавшего в заповедный лес. Этот образ тоже далек от истинного: наш зверь, вместо того, чтобы задрать первую попавшуюся ему на пути жертву, предпочитает лишь содрать с нее кусок шкуры и несется дальше, к следующей жертве. Путь его очерчен покалеченными обитателями леса. Наконец, растратив все свои силы, наш зверь где-то укладывается на отдых.

После появления «планетарной» модели атома Резерфорда нам уже понятно, что обитатели заповедного леса – атомы, ядра которых одеты в электронные шкуры. Стоит вырвать хотя бы небольшой кусок шкуры – и атом превращается в электрически заряженный ион. Если включить теперь электрическое поле, то покалеченные атомы побегут «жаловаться» к катоду. Кусочки шкур тоже не останутся в неподвижности – они, словно подхваченные ветром, понесутся к аноду. Это, как мы уже догадываемся, – электроны.

В газе пошел электрический ток! Страшно слабенький, далеко за пределами чувствительности самых совершенных амперметров, – но все же ток. Тем временем он выбрался через электроды из сосуда и побежал по проводничку к электроскопу. И предварительно заряженный электроскоп стал разряжаться: листочки его начали опадать. Так получили первую ионизационную камеру.

Нет, она не позволяет еще ничего слышать и видеть. Но она уже может сигнализировать: в лесу появились хищники! И она уже может даже примерно оценить, сколько их появляется, скажем, за час или за день. Именно с ионизационной камерой проводили свои первые измерения Гесс и Кольхерстер.

Немного спустя физики обзавелись новым капканом для частиц. Не иначе, как Ганс Гейгер – «белый раб» своего учителя Резерфорда – безумно устал от бесконечного сидения в темной комнате, где на экране время от времени появлялись слабенькие вспышки от альфа-частиц. А может быть, и не настолько устал, чтобы ему в голову не приходили любопытные мысли.

Во всяком случае, именно он придумал счетчик частиц, который получил его имя. Теперь уже можно было следить за появлением каждого хищника в заповедном лесу. Посмотреть на схему – та же ионизационная камера: тот же сосуд с двумя электродами, на которые подано напряжение.

Однако на этом их сходство кончается. Дальше начинается нечто невообразимое.

Гейгер, видимо, начисто лишен жалости к лесным обитателям. Придав своим электродам особую форму (вот она показана на рисунке), Гейгер создает около анода электрический ветер чудовищной силы. Куски шкур, сорванные хищником, несутся здесь с такой бешеной скоростью, что от столкновения с ними не поздоровится и уцелевшим зверям. А удрать от этой бойни мирные звери не в состоянии – они слишком неповоротливы.

Растет несущаяся к аноду лавина электронных шкур, растет число задранных зверей, бегущих «жаловаться» катоду. Немногочисленные электроны, созданные влетевшей в сосуд частицей, быстро размножаются и возле анода превращаются в могучий поток.

Слабенький ток в ионизационной камере сменяется мощным импульсом тока в счетчике Гейгера. Именно импульсом: потому что ток в счетчике прекращается, как только последние «жалобщики» достигнут катода.

Толчея электронов, ионов и нейтральных атомов в счетчике Гейгера. Возле нити анода электроны настолько энергичны, что рождают настоящую лавину из ионов и вторичных электронов.

Мощный импульс от каждой частицы, вылетевшей в счетчик, – это хорошо. Ток можно вывести из счетчика и послать, например, на какое-нибудь реле. Прошел этот ток через магнит, магнит оттянул сердечник, удерживающий пружинку, та распрямилась – и хлопнула одна пластинка о другую.

Щелчок! Частица услышана!

Теперь сиди себе, считай щелчки – вместо того, чтобы, напрягая до боли глаза, считать бледные вспышки на экране.

Ведь это было наказание, когда сразу поступало много частиц и экран почти одновременно вспыхивал в десятках точек!

Пока что счетчик – такой простенький – выручает. Но погодите, придет время, и он проявит свои несовершенства. Он будет попадать в такие могучие потоки частиц, что не успеет с ними справляться. И тогда наблюдатель вместо аккуратного пощелкивания услышит захлебывающийся пулеметный треск!

Смена «судьи»

Да, счетчик явно не справляется. Он оказывается в положении финишного судьи, который мирно стоял на беговой дорожке и вдруг попал на кросс, где бегут тысячи спортсменов. Что ж, скажете вы, нужна автоматика.

Да, и она была создана. Но сначала предстояло улучшить самого «судью». Он оказался даже более несовершенным, чем это можно было думать в первое время его деятельности.

Прежде всего он, если так можно выразиться, «спал на ходу». Он добросовестно поднимал свой флажок, когда бегун грудью рвал ленточку, но забывал его опустить, причем на довольно долгое время. Если за первым бегуном быстро финишировал второй или даже несколько бегунов, то он их просто не засчитывал.

Легко понять почему. Помните, импульс заканчивался, лишь когда последние «жалобщики» – ионы – приходили на катод? Ужасно нерасторопными были они! Электронная лавина давно уже вся ушла в анод, а ионы все идут и идут. И, пока последний не дойдет, счетчик не засчитает появления следующей частицы.

И это еще не все. Под конец своего пути, подгоняемые электрическим ветром, жалобщики могли так «разъяряться», что, подлетая к катоду, сами начинали хищно срывать шкуры с атомов, мирно живущих в катоде. В газе появлялись новые электроны, возникала новая их лавина – на сей раз не вызванная никакой влетевшей частицей. В результате появлялся ложный импульс. Теперь можно было бы засчитать даже несуществующие частицы!

Тогда физики додумались: оборвать разряд сразу после того, как электронная лавина долетит до анода! Обойдемся без медлительных ионов! А они тем временем воссоединятся с электронами, не поспевшими к аноду, – и счетчик снова готов к работе.

Так было укорочено время бездействия счетчика, метко названное мертвым временем. И, что важно, это мертвое время теперь стало точно известно. Отныне, даже если частицы и попадали в счетчик, когда он «спал», можно было примерно подсчитать и их число, зная, сколько времени счетчик «спит», а сколько «бодрствует».

А нерасторопное реле, которое захлебывалось треском от непосильной нагрузки, заменили электронными приборами, которые «выдавали» сразу число засчитанных частиц. Сейчас этот треск можно послушать только ради быстропроходящего любопытства. А глаз – тот нужен только для того, чтобы прямо считывать показания прибора.

Неугомонные физики, однако, захотели большего. Они захотели возложить на судью еще обязанности секундометриста, чтобы тот определял и скорость, а с нею – энергию влетевших частиц. В атомном мире это можно было сделать. Ведь число содранных шкур, при одном и том же числе зверей, попавшихся на пути хищника, зависит от его «силы». Чем хищник энергичнее, тем больше зверей он задерет, пока не выдохнется до конца.

Иными словами, чем энергичнее частица, влетевшая в счетчик, тем сильнее будет импульс от электронов, попавших на анод. Но тогда уже не годится лавина, возникающая в счетчике Гейгера. Она оказывается одной и той же, независимо от того, создана она десятком или сотней первых электронов, содранных влетевшей в счетчик частицей.

Такой счетчик отметит появление частицы, но он совершенно равнодушен к тому, с какой скоростью она пролетела сквозь него. Пробудить у счетчика интерес к этому, однако, нетрудно: нужно лишь немного сбавить напряжение на его электродах. И этого достаточно. Тогда импульс будет пропорционален энергии влетевшей частицы. А сам счетчик получает название пропорционального. Он был придуман Гейгером и Марсденом еще раньше, чем тот счетчик, который мы описали выше.

Не только слышать, но и видеть

Удовлетворится ли человек посылкой автоматических станций в космос? Достаточно ли ему будет обмениваться «радиопрограммами» с обитателями других звездных миров, как о том повествует писатель-фантаст в «Туманности Андромеды»? Скорее всего – нет. Жадное человеческое любопытство требует: пощупать своими руками! Увидеть своими глазами!

В атомном мире пощупать ничего нельзя. Бесстрастное пощелкивание счетчика вполне может удовлетворить физика. Но в каждом физике живет еще человек. И человек куда более любопытный, чем многие из его окружающих.

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.

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.

Телескоп направлен на… Землю

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.

Итак, к вам пришли: счетчики дали звонок. Теперь можно раскрывать объятия. Но кому? Пока сигнал от счетчиков дошел до камеры, пока вспыхнул свет, частицы… – чуть было не сказал: «и след простыл». Нет, след, который оставила частица в охлажденной при расширении камере, «горячий».