Текст книги "Охотники за частицами"

Автор книги: Виталий Рыдник

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 17 страниц)

Но поторопитесь, он быстро «остывает», уже через считанные доли секунды колонка ионов, на которую осели капельки сконденсировавшегося пара, теряет свои стройные очертания. А камера наполняется настоящим туманом: конденсация идет полным ходом.

Что ж, меры приняты: сработала быстродействующая автоматика. Получен хороший, интересный снимок.

А камера тем временем снова готовится к работе. Прежде всего из нее надо убрать ионы и туман. Производится поджатие, камера возвращается к исходному объему и температуре. Ионы высасываются из объема небольшим вспомогательным электрическим полем (чтобы никаких лавин и «разъяренных жалобщиков» не было – это только затягивает время подготовки камеры). Теперь можно производить новое расширение, и камера снова готова раскрывать свои «фотообъятия».

Телескоп счетчиков можно сориентировать в любом направлении, направить на любую точку неба… и Земли. Что касается Земли, то она так же мешает изучению космических лучей, как сами эти лучи мешают измерениям «земной» ионизации. Помните? – с этой помехи все и началось.

Да, к сожалению, телескоп счетчиков имеет неприятное отличие от обычного телескопа. Он, вроде двуглавого орла, одновременно смотрит направо и налево, или вверх и вниз. Он одинаково чутко отзывается на частицы, пришедшие как по данному, так и в точности противоположному направлению. Иными словами, он не позволяет отличить частицу, пришедшую из какого-нибудь атома урана, запрятанного в земной толще, от частицы, прилетевшей из неведомых космических глубин.

Однако можно на один «глаз» телескопа надеть «шоры». Кстати, физики так и делают: экранируют телескоп снизу толщей свинца, который хорошо поглощает «земное» радиоактивное излучение.

Камера дает первый урожай

Но вот исследователь направляет телескоп на Землю. Неподалеку от телескопа он располагает радиоактивный препарат, в стенке камеры делает небольшое окошечко и закрывает его тонкой металлической пластинкой.

На пластинку падает пучок альфа-лучей от препарата. Толщину ее можно подобрать так, что все бета-лучи застрянут в пластинке. Это – для той же чистоты опыта.

Собственно говоря, на первых порах исследователь обходится даже без придуманного позже телескопа. Он помещает радиевый препарат вплотную к стенке камеры. Альфа-частиц много, и добрая их половина влетает в камеру.

Опыт, конечно, затягивается. Еще никакой электроники нет, и камера, бывает, срабатывает впустую. Но вот на одной фотографии исследователь – его можно назвать Эрнест Резерфорд – замечает любопытное явление. Один след в веере жирных следов альфа-частиц как бы расщепился надвое.

Фотография первой увиденной человеком ядерной реакции. В широком веере альфа-частиц, падающих снизу на камеру Вильсона, одна частица налетела на ядро азота и на мгновение слилась с ним. Спустя это мгновение вправо отлетело новообразовавшееся ядро кислорода, оставив короткий жирный след. Влево понесся протон.

Такое впечатление, как будто альфа-частица распалась на две. Но это обманчивое впечатление. За добрых двадцать лет работы с этими частицами Резерфорд ни разу не замечал, чтобы они дробились. Но зато он в первый раз в своей жизни заметил, как они разбили – что?

Ядро атома азота! К такому выводу приходит ученый после тщательного анализа снимка. Альфа-частица встретилась в полете с ядром атома азота, которых полным-полно в камере, и превратила его в ядро кислорода. А излишек энергии поделили между собой это новое ядро и освободившийся из атома протон.

Понял ли ученый всю важность своего открытия? Наверное, понял: Резерфорд был дальновидным ученым. А открыл он не много не мало, как первую ядерную реакцию. Мечта средневековых алхимиков свершилась: один химический элемент «на глазах» превратился в другой.

Хотя, присутствуй при этом открытии алхимики, они были бы явно разочарованы: превращение происходило с ничтожными, почти невесомыми количествами вещества. Англичанин Патрик Блеккет, повторив опыт Резерфорда, сделал и изучил двадцать с лишним тысяч фотографий. На них оставили след более пятисот тысяч альфа-частиц.

Но только восемь из них попало в ядро азота и превратило его в ядро кислорода! Слишком «пустотелая» мишень – атом. Слишком мала запрятанная в его недрах цель – ядро.

Однако алхимикам пришлось бы ждать недолго: спустя четверть века философский камень современных алхимиков, попав в злобные руки, превратился в расплавленные чудовищным жаром камни Хиросимы!

И только спустя еще несколько лет этот камень в поистине добрых руках советских людей стал творить во все возрастающем количестве золото нашего века – атомную энергию.

Добрый посев Вильсона дал первый урожай. Чудесная камера стала настоящим окном в сокровенный атомный мир.

Но окном, которое открывается слишком редко, а открывшись, позволяет увидеть не так много, как хотелось бы, сетовали физики. Малое число рабочих циклов: львиную долю времени отнимает только подготовка камеры к работе. Малая плотность газа, а значит, путь частицы проходит скорее не по лесу, полному зверей, а словно в пустыне. Частица, пролетевшая насквозь всю камеру и ни разу не столкнувшаяся ни с одним ядром, что толку от нее?

Вы слышите? Это уже новые голоса. Это говорят физики-ядерщики – молодое поколение ученых, взращенное на открытиях Резерфорда. Уже идут двадцатые годы, и на передний край физики начинает выходить самая сокровенная «деталь» атома.

Но в их хоре можно слышать и голоса «космиков» – исследователей космических лучей. Им тоже хотелось бы иметь в своем распоряжении постоянно действующую камеру, в которой ядра были бы «напиханы» гораздо плотнее, чем в паре.

Значит, нужно «камеру» сделать из твердого вещества – оно в тысячи раз плотнее газа. Но как сделать, чтобы оно было чувствительно ко всем этим электронам, протонам и альфа-частицам?

Где взять это вещество?

А оно давно уже придумано – это фотографическая эмульсия. То, что на нее действует не только свет, а и радиоактивное излучение, тоже давно открыто. Именно случайно обнаруженная засвеченная фотопластинка, лежавшая по соседству с урановой солью, и позволила Анри Беккерелю открыть радиоактивность.

Что же осталось? Только сделать слой фотоэмульсии на стеклянной пластинке потолще: чем больше ядер встретила частица на своем пути, тем больше вероятность, что она столкнется хотя бы с одним из них. Это и предлагает в начале двадцатых годов молодой советский физик Лев Александрович Мысовский.

Так родились толстослойные, как их называют, фотопластинки, на которых запечатлевают свои следы частицы. Но разглядеть эти следы теперь не так просто, как на фотографии, сделанной в камере Вильсона. Их приходится рассматривать «по частям». Частицы уходят и в глубь фотоэмульсии.

Пришлось изучать следы частиц так, как это делают биологи, изучая живые клетки: резать эмульсию после проявления на тоненькие слои и каждый слой изучать отдельно. А затем сопоставлять друг с другом то, что найдено на последовательных слоях.

Вот из таких «обрезков» фотоэмульсии после ее проявления и составляется след влетевшей в нее частицы. Для этого фотоэмульсию надо разрезать на тоненькие слои, и те кусочки, в которых прослеживается путь интересующей частицы, тщательно подогнать друг к другу.

Неудобно, скажете? Согласен. Тем паче, что для воссоздания цельной картины приходилось привлекать пространственное воображение, а это у многих людей сопряжено с большими усилиями. Но зато число всяких интересных событий резко возросло. А со временем физики придумали рассматривать срезы с фотоэмульсией через пару зеркал, перпендикулярных друг другу, и сразу получать картину следа в пространстве. Теперь задача «реконструкции» следов частиц по их «обрезкам» значительно упростилась.

Ионизационные камеры, счетчики Гейгера, пропорциональные счетчики, камеры Вильсона, фотографические эмульсии… За каких-нибудь пятнадцать лет «космики» обзавелись солидным экспериментальным хозяйством. Можно было начинать «штурм космоса».

Героическая эпоха

И штурм начался. Бес странствий и приключений словно вселился в физиков. Не преувеличивая, пользуясь словами Пьера Оже, можно это время назвать «героической эпохой» в исследовании космических лучей.

Со своими сложными и хрупкими приборами физики лезли под огромные соляные кучи в солеварнях, уходили в катакомбы под большими городами, дрожали от пронизывающей сырости в глубоких рудниках и шахтах, задыхались в непривычных водолазных костюмах на дне озер и морей, поднимались на заснеженные горы, взлетали на аэростатах и самолетах.

И порой расплачивались собственными жизнями за стремление побольше знать. В седой кремлевской стене покоится прах трех отважных советских исследователей – Усыскина, Васенко и Федосеенко. Они погибли при аварии стратостата, на котором в 1934 году поднялись на высоту 22 километра, чтобы исследовать интенсивность потоков космических лучей на больших высотах.

Обжигались у негреющего космического огня и те ученые, которые месяцами и годами не сходили с высочайших горных пиков. Они хотели знать, зависит ли поведение космических лучей от смены дня и ночи, от погоды, от сезона, один и тот же ли поток падает из космоса на Землю весной или осенью, в этот и в следующий год. Что ж, космические лучи открывали эту тайну. Но они несли в себе зародыши и других жутких тайн. Ученые внезапно заболевали белокровием, количество лейкоцитов в их крови угрожающе возрастало. Иногда не помогали самые героические меры, и люди погибали. У других в зрелые годы вдруг снова начинали расти кости. Молодые цветущие люди сходили с гор навеки обезображенными.

Да, это было сродни язвам на руках Пьера и Мари Кюри, годами работавших с радиоактивными препаратами. Сегодня мы уже знаем, что это такое – лучевая болезнь! В те годы ученые еще не знали, что исследование сильнопроникающих излучений – занятие, вовсе не безопасное для организма человека…

Знаменитый швейцарский исследователь Огюст Пикар не доверял инженерам. Он сам разрабатывал и строил те корабли, на которых затем исследовал космические лучи. В начале тридцатых годов он одним из первых поднялся за двадцатикилометровый рубеж на своем воздушном шаре. Несколько лет спустя он первым погрузился в морскую пучину на несколько километров в удивительно прочной батисфере. Еще никому на земном шаре не удалось повторить подвиг Пикара, сделавшего почти тридцатикилометровый «разрез» через воздушный и водный океаны Земли.

Что ж, добытые результаты стоили подвига не только научного, но и просто человеческого. Выяснилось, что интенсивность космических лучей сравнительно медленно спадает по мере приближения к поверхности Земли. Да и сама «твердь земная», являющаяся отличной защитой от радиоактивных излучений, не в состоянии полностью задержать космические лучи. Их можно было обнаружить и в самых глубоких шахтах.

Этот рисунок отчетливо показывает то удобство, которое достигается при переходе от шкалы скоростей к шкале энергий частиц. При скоростях частиц, близких к скорости света, значение скорости может измениться лишь на какой-нибудь десяток процентов. Энергия и масса же частиц при этом (вертикальные столбики) может измениться в десятки и даже в сотни и тысячи раз.

Тем временем родилась новая разновидность «космиков» – кругосветные путешественники. Они колесили по земному шару вдоль и поперек в буквальном смысле слова – то есть и по широтам и по меридианам. С каждым годом все более рассеивался туман неопределенных результатов, неоправданных догадок. И наконец стало ясно, что космический град обдувает Землю совсем не так равномерно и постоянно, как это казалось первым исследователям.

Американский физик Артур Комптон составил карту того, как распределяется космический град по поверхности земли. Она немного похожа на те карты, которыми пользуются синоптики для предсказания погоды. Только на этой карте сплошные линии охватывают точки не с одинаковым атмосферным давлением, а с одинаковой интенсивностью космических лучей. А рядом с ними Комптон нанес на карту пунктирные линии, связывающие пункты с одинаковой напряженностью земного магнитного поля.

И оказалось, что сплошные линии довольно хорошо следуют ходу пунктирных линий. Это могло означать одно: важнейшей причиной неравномерности космического облучения Земли служит ее собственное магнитное поле. Магнитный ветер сбивает в сторону космический град.

На карте Земли Комптон провел сплошные линии через точки, в которых по его измерениям интенсивность космических лучей оказалась примерно одинаковой. Эти линии были названы изокосмами. Легко видеть, что они идут почти так же, как пунктирные линии, соединяющие точки с равной силой земного магнитного поля. Из этого и был сделан вывод, что магнитное поле Земли сильно влияет на приходящие к ней космические частицы. А отсюда – один шаг до заключения, что в составе космических лучей присутствуют электрически заряженные частицы.

Физики приняли этот вывод с удовлетворением. Они уже давно знали, что в составе космических лучей присутствуют электрически заряженные частицы. Эти частицы неминуемо должны отклоняться в сторону от исходного направления полета, попадая в магнитное поле.

Теперь, зная силу магнитного поля Земли, по этому отклонению можно было судить о скорости космических частиц. Подсчет дал колоссальную цифру – скорость их лишь совсем немного отличалась от скорости света.

С такими значениями скорости физикам стало неудобно работать. Уже задолго до того теория относительности предсказывала, что в околосветовой области даже незначительному увеличению скорости будет отвечать гигантский прирост энергии частиц. Физики перешли к более растянутой, а значит, более удобной для измерений и расчетов шкале энергий.

И стали выражать ее в особых единицах – электрон-вольтах. Сама по себе эта единица невелика – лишь около одной триллионной доли эрга (а сам эрг – тоже «комариная» энергия). Но не забудем, что ею обладают частицы с массой в триллион-триллионные доли грамма.

Частицы космических лучей имеют энергии порядка миллиардов электрон-вольт и даже более. Если бы такой энергией обладала, скажем, каждая частица летящего камешка, то его остановка была бы равносильна взрыву водородной бомбы.

Так выглядят по сегодняшним представлениям радиационные пояса Земли – ловушки космических частиц. Во внутреннем поясе, простирающемся на высотах примерно от 600 до 6000 километров, живут в основном протоны с энергиями до сотен миллионов электрон-вольт. Во внешнем поясе, удаленном от Земли на 20–60 тысяч километров, существуют в основном электроны с энергиями до миллионов электрон-вольт. Длительное пребывание в этих поясах связано с серьезной опасностью для здоровья космонавтов. Поэтому в будущем выход людей в межпланетное пространство будет, видимо, осуществляться вблизи магнитных полюсов Земли (они не совпадают с географическими полюсами), где радиационные пояса наиболее тонки.

Легко представить себе, какие он произвел бы разрушения. И столь же нетрудно понять, какие разрушения производят космические частицы в атомном мире.

В космических лучах есть однако не столь энергичные частицы. Магнитное поле Земли указывает им «от ворот поворот», но не выпускает их обратно в космос. Подлетая к Земле, космический град попадает словно в мешок. Более энергичные частицы пробивают стенки мешка и достигают Земли, а менее энергичные остаются в мешке, где и пребывают весьма длительное время.

Несколько лет назад первые рисунки этого мешка, напоминающего по форме баранку, обошли страницы всех газет. Это знаменитые радиационные пояса, которые удалось обнаружить уже при первых запусках искусственных спутников Земли!

Выяснили физики и то, что интенсивность космического града нерегулярно колеблется во времени – варьирует, как говорят ученые. Уже почти сорок лет изучаются эти вариации. От чего они только не зависят! От атмосферных условий, от географического положения места наблюдения, от времени суток и года, от активности Солнца – мы перечислили лишь малую долю всех факторов. Расшифровать тайный смысл этих вариаций оказалось настолько трудным делом, что оно далеко не закончено и поныне. Здесь физикам работы еще на много лет вперед!

Но эта работа исключительно интересна. Именно она позволит ответить на вопрос, откуда берутся космические лучи. Это доподлинно пока еще неизвестно. Некоторый пай в общий котел – в основном в виде не очень энергичных частиц – вносит наше Солнце. Более же энергичные градины прилетают из неведомых глубин нашей звездной системы – Галактики, а быть может, и из еще более далеких и грандиозных межгалактических просторов.

Иногда в космический град затесываются частицы с совершенно чудовищными энергиями в миллиарды миллиардов электрон-вольт. Где они образовались, где ускорились до столь фантастической энергии? Сегодня на это еще нет окончательного ответа.

Но когда он будет получен, физикам радостно пожмут руки астрономы. Ибо тогда Вселенная, просвеченная космическими лучами «собственного изготовления», раскроет глубочайшие загадки своего строения!

Перед новым штурмом

Мы – на пороге тридцатых годов нашего века. Заканчивается первый этап «героической эпохи» в изучении космических лучей.

Получено немало. Выяснено, как ведут себя космические лучи в магнитном поле Земли. Удалось примерно установить, какими энергиями обладают космические частицы. Физики узнали, как космические лучи проходят через воздух, горные породы.

Все яснее понимают они, что, видимо, должны быть первичные и вторичные космические лучи: град частиц, приходящих из глубин Вселенной, должен претерпевать изменения при прохождении через атмосферу, рождать в ней потоки «земных» частиц. Мы ведь живем на дне воздушного океана. «Чистые» космические лучи, достигая этого дна, должны обязательно «загрязняться» примесью частиц, выбитых ими из атомов земной атмосферы. Как отделить друг от друга «истинные» космические лучи и их примеси? Физики тридцатых годов этого пока не умеют.

Все яснее видят они, что космические лучи, достигающие земной поверхности, как будто неоднородны, состоят из разных частиц. Одни частицы проникают глубоко в толщу Земли, тогда как другие задерживаются уже в тонком ее слое. Разные ли это частицы или одинаковые, но с существенно разными энергиями? И этого еще не ведают ученые в те годы.

И, наконец, чтó это за частицы? Вероятно, протоны и электроны, может быть, еще и гамма-лучи – больше ничего ведь быть не может.

Уже получены многие тысячи фотографий следов космических лучей. Читатель может удивиться. В те годы космические лучи были такими же, как и сегодня. Почему же в них тогда не были открыты десятки частиц? Ведь они ясно давали о себе знать!

Что ж, на это можно ответить так: и тысячу лет назад свет был таким, как сегодня. Однако же не открыли тогда, что он состоит из фотонов!

Одной зоркости зрения мало. Нужна еще зоркость мысли. Глаз видит то, что ищет ум. А головы теоретиков в те годы еще не искали новых частиц. Пока что им хватало уже открытых. Первую картину атомного мира можно было сложить и из этих частиц.

Но подождите немного. Уже близко то время, когда теоретикам начнет не хватать известных частиц. Тогда они скажут экспериментаторам: «Ищите новые частицы!» И даже укажут им, что приблизительно надо искать.

И пойдут экспериментаторы в толпу космических лучей, вооруженные, как детективы, лишь словесными портретами разыскиваемых частиц. И разыщут они почти все то, на что им указали теоретики. Найдут они еще много того, чего теоретики никак не предсказывали. И сядут тогда теоретики, мучительно сжав голову ладонями, чтобы понять, откуда явились незваные гости.

Капканы совершенствуются

Но все это еще далеко впереди.

А пока из «красной России» приходят удивительные научные известия. О них сообщает в журнале Академии наук молодой советский физик Дмитрий Владимирович Скобельцын.

Прежде всего он додумывается поместить камеру Вильсона между полюсами сильного магнита. Результат этого мы уже можем предвидеть. Космическая частица, успешно преодолевшая ветер земного магнитного поля, часто оказывается бессильной противостоять магнитному ветру в камере: этот во многие тысячи раз сильнее земного. И частица сворачивает на кривую дорожку.

А дальше? Дальше можно повторить все те измерения, которые когда-то привели Томсона к открытию электрона. Прежде всего, измерив кривизну следа частицы в камере, можно определить отношение величины заряда к массе частицы. А считая, что частица несет на себе единичный электрический заряд (равный по величине заряду электрона), можно вычислить массу частицы.

Кривая должна говорить, однако, о большем. Магнитное поле искривляет пути положительно и отрицательно заряженных частиц в разные стороны. Значит, по тому, как искривлен след, можно сразу сделать заключение и о знаке заряда частицы.

Наконец, зная, что за частица влетела в камеру – об этом сообщают характерные свойства ее следа, жирный ли, прерывистый ли он, – ученый может по известной массе определить энергию частицы. А это исключительно важно.

Так след космической частицы становится источником важной информации о ее свойствах.

Но часто встречаются и такие энергичные космические частицы, что даже сильнейшее магнитное поле в камере не в состоянии сбить их с пути. Следы таких частиц простираются в камере от стенки и до стенки, совершенно прямые, одинаково тонкие или одинаково неплотные. О чем же это говорит? О том, что частица растратила в камере лишь ничтожную долю своей колоссальной энергии.

Так закружило не очень энергичный электрон магнитное поле в камере Вильсона. Электрон, выбитый из атома космической частицей, получил от нее в полет энергию порядка тысячи электрон-вольт. Постепенно растрачивая эту энергию в столкновениях с атомами газа, он описал суживающуюся спираль. Подсчитывая число следов таких, как их назвали физики, дельта-электронов и начальный диаметр витка спирали, можно узнать, какую энергию потеряла космическая частица в камере.

Торопливая частица пролетела камеру насквозь, не задерживаясь в ней. А поймать ее было бы очень интересно.

Но как это сделать? Космические частицы достигают Земли, пусть растеряв часть своей энергии в атмосфере, все же далеко не на излете. Даже смешно думать, что тонюсенький слой газа в камере смог бы в этом отношении конкурировать с многокилометровой толщей атмосферы Земли.

Поднять давление газа в камере до тысяч атмосфер? Трудно, но в принципе можно. Однако это даст лишь то, что метровый слой газа в камере сравняется с километровым слоем воздуха. Все равно – этого слишком недостаточно.

Космические лучи неплохо задерживаются тяжелыми металлами, атомы которых насчитывают на своих оболочках многие десятки электронов. Например, свинцом.

А раз так, то можно в камере Вильсона сделать свинцовые переборки. Одну, другую, третью. Даже если частица проскочит через все переборки, она в конце концов сильно замедлится.

Вот в камеру влетает частица, вспыхивает лампа, фотоаппарат срабатывает. И первые же снимки оправдывают ожидания. Даже больше – на них видны целые грозди следов частиц. Немногочисленные у первой переборки, на которую упала частица, затем они быстро ветвятся, и вот уже с переборок свисают целые кусты из многих десятков и сотен следов.

«Снопы частиц», – называет их Пьер Оже, уроженец солнечной Франции.

«Ливни частиц», – предлагает Патрик Блеккет, житель дождливой Англии. Это название – «ливни» – и закрепляется за удивительным явлением. Может быть, ливни побеждают еще и потому, что немного спустя это явление обнаруживают и в атмосфере. А это уже более близкое сравнение.

Ливень вторичных частиц, образованных энергичной космической частицей в свинцовых перегородках камеры Вильсона. Изучая число «струй» в таких ливнях от перегородки к перегородке, можно в конце концов оценить энергию космической частицы. Она наверняка составит многие миллиарды электрон-вольт.

Ливни в камере Вильсона – лишь жалкое подобие атмосферных ливней, в которых рожденные одной космической частицей и бурно размножающиеся потоки миллионов вторичных частиц летят на Землю.

– Подумать только, – восклицает Пьер Оже, – что такие ливни непрерывно возникают в нашем собственном теле! Ежеминутно в наше тело проникает около тысячи космических частиц, а за этот промежуток времени в тканях нашего тела возникают сотни ливней, о которых мы не имеем ни малейшего представления.

Не имели – правильнее сказать. К концу двадцатых годов физики такое представление получили.

Что ж, можно начинать настоящий штурм космических лучей. Но для этого необходимо подтянуть теоретические тылы. Со времени создания Резерфордом и Бором замечательной теории атома прошло почти двадцать лет. И за эти годы старую теорию не узнать, настолько она изменилась и обогатилась. Теперь слово о ней.