Текст книги "Капля"

Автор книги: Яков Гегузин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 9 страниц)

И еще один факт. Яркий блик оставался неподвижным, с какого бы места мы па освещенную колбу ни смотрели, а другой смещался, если, глядя на колбу, двигаться вокруг нее. Причину этого легко понять, посмотрев на ход лучей, схематически изображенных на рисунке.

Предположение юного фотографа, что солнечный луч пронзил росинку, оказалось красивым поэтическим вымыслом. В действительности же все происходит в соответствии с законами геометрической оптики. Впрочем, для естествоиспытателей они не менее красивы, чем поэтический вымысел.

«Застывшие алмазы росы»

Еще в юности я прочел в одном из украинских стихотворений такую строку: «Охолол i алмази роси» – «Застывшие алмазы росы». И с тех пор она всплывает в памяти всякий раз, когда глаз останавливается на капле, застывшей на каменной глыбе или льдинкой повисшей на кончике хвойной иглы.

О «застывших алмазах» можно было бы книгу написать. Но здесь речь пойдет лишь о том, что происходит с росинкой, застывшей на камне, и с камнем, на котором росинка застыла.

Итак – капля росы на поверхности камня.

Судьба водяной капли, кристаллизующейся на поверхности твердого тела, во многом определяется тем, что плотность воды больше плотности льда. Именно из-за этого различия плотностей лед, образовавшийся на поверхности реки, не опускается на дно, и реки не промерзают насквозь. Именно поэтому деревянные бочки на морозе лопаются под напором льда, который образуется при кристаллизации воды.

Представим себе на камне каплю росы, в которой должна начаться кристаллизация. Рассуждая схематически, разумно указать три места, где может появиться зародыш кристаллизации: на границе капля – камень, в объеме капли и на границе капля – воздух. Казалось бы, естественнее всего появиться зародышу на границе капля – камень. Ведь именно вблизи этой границы капля нее,чем у «макушки», так как тепло из капли в объем камня отходит активнее, чем в воздух. Оказывается, однако, что на границе капля – камень кристаллизация начинается не всегда. Даже, точнее, так: редко, лишь в тех случаях, когда охлаждение происходит очень быстро. Причину этого выясним позже, а сейчас – о двух других возможностях появления зародыша. Легко понять, что эти возможности практически равнозначны, так как если зародыш и возникает в объеме капли, то он мгновенно всплывает к ее макушке, т. е. к границе капля – воздух. Такой зародыш разрастается, и при этом граница лед – вода будет двигаться по направлению к границе вода – камень, где зародыш «не пожелал» возникнуть. Если зародыш все же возник на границе между каплей и камнем, граница растущего кристаллика будет продвигаться к макушке капли.

Реальность оказывается богаче обедненной схемы. Кристаллизация капли в реальных условиях происходит не только вследствие роста зародыша, которому паша схема предписывает появиться в одном из трех мест капли, но и вследствие образования тонкой корочки– панциря. Его наличие, как оказывается, очень существенно влияет на конечную форму застывшей капли.

Кристаллизация капли германия на сапфировой подложке в случае, когда зародыш появился вблизи «макушки» капли. В увеличенном масштабе показана конечная форма капли, на которой виден выброс сбоку

Обратимся к фактам. В Институте кристаллографии АН СССР наблюдали поведение капель расплавленного металла – германия на поверхности неметаллического кристалла—сапфира (это был побочный результат большой исследовательской работы). Подобно воде, плотность расплавленного германия больше, чем плотность закристаллизовавшегося, поэтому наблюдавшееся явление имеет прямое отношение к водяной капле.

 

Кристаллизация капли германия на сапфировой подложке в случае, когда зародыш появляется на границе между германиевой каплей и сапфировой подложкой. В увеличенном масштабе показана закристаллизовавшаяся капля, имеющая коническую форму

В нашей лаборатории были поставлены опыты с системой капля воды – кристалл соли; полученные результаты оказались совершенно подобны тем, которые следовали из опытов с системой капля германия – сапфир. В опытах по кристаллизации капель на поверхности сапфира был тщательно прослежен процесс кристаллизации капель в случаях, когда зародыш возникает на границе между каплей и сапфиром или на макушке капли. У обоих процессов проявилась одна общая черта. Оказывается, что вблизи того участка поверхности капли, где процесс кристаллизации завершается,– у макушки,если зародыш возник вблизи сапфира, и вблизи сапфира, если зародыш возник у макушки, образуется выпуклость, нарушающая естественную форму капли. Происхождение этой выпуклости легко понять.

Дело в том, что под за кристаллизовавшимся тонким панцирем имеется еще не отвердевшая жидкость. Ее судьба подобна судьбе воды в бочке: кристаллизуясь, она увеличивает свой объем, и поэтому в наиболее тонком месте прорвет панцирь. Происходит сложный процесс: формируется панцирь, под ним кристаллизуется жидкость, форма панциря искажается, и в каком-то месте он может разломаться. Иной раз на этой завершающей стадии кристаллизации капли она становится источником тоненькой фонтанирующей струйки, которая сквозь панцирь выдавливается кристалликом, растущим в объеме капли. Иногда возникает ветвистый фонтанчик, иногда тоненькая струя-иголочка, которая мгновенно замерзает.

Следовательно, правильным было утверждение, что реальность всегда богаче схемы: капля не просто из жидкой становится твердой, а меняет свою форму и о конце кристаллизации сообщает фонтанчиком.

Вернемся теперь к обсуждению причины, из-за которой зародыш неохотно возникает на границе между каплей и камнем. Дело здесь вот в чем. Образование ледяной корочки на границе с камнем должно сопровождаться деформацией и корочки и камня'. Удельный объем льда больше объема воды, и поэтому образующаяся ледяная корочка должна как бы рвать камень, а он, сопротивляясь этому насилию, будет сжимать корочку. Оба эти процесса связаны с деформацией и кристаллизующейся капли и камня. А это невыгодно, и поэтому естественнее, чтобы зародыш возник вдали от камня, где его появление не связано с возникновением дополнительной энергии. Лишь в крайнем случае, когда теплоотвод в камень велик и температура капли вблизи камня значительно ниже, чем у макушки, зародыш может возникнуть на границе вода – камень.

Мы обсудили участь росинки, застывшей на камне, а теперь – о том, что происходит с камнем, на котором росинка застыла.

Где бы зародыш ни возник, в конце концов камню не избежать действия растягивающих напряжений, которые, как уже упоминалось, возникают вследствие скачка объема при кристаллизации капли. Расчет показывает, что они могут достичь сотен килограммов на квадратный сантиметр. Этого вполне достаточно, чтобы под каплей в камне возникли трещинки, очаги разрушения.

Деформирующее влияние капли на твердую кристаллическую подложку отчетливо наблюдается с помощью несложного опыта. На гладкой поверхности кристаллика каменной соли располагается капля, которая закристаллизовывается, а затем оттаивается и стряхивается. После такой процедуры в кристаллике на том месте, где располагалась кристаллизовавшаяся капля, обнаруживались очаги деформации, так называемые полосы скольжения. Капле, оказывается, под силу разрушать твердый кристалл, каменную породу.

 

Под жидкой каплей, закристаллизовавшейся па поверхности кристаллика каменной соли, легко обнаруживаются следы деформации кристалла – линии скольжения и микротрещинки

У французского поэта Ремона Кепо есть строки, которые заставляют задуматься о манере мышления поэта. Вот они:

...В трещинах от дождей,

В трещинах от эрозий,

От росы, от цепких корней,

То на солнце, то на морозе

Продолжает свой путь скала...

Неужели поэт, далекий от физики жидкостей и кристаллов, понимает, что росинка может порвать скалу? Или это погоня за красивой курьезностью – поставить росинку вровень с цепкими, могучими корнями? А быть может, это изощренная интуиция, когда правда, минуя логическое осмысливание, просится в строку? Вот уж действительно путь поэтической мысли и истоки поэтического образа трудно исповедимы!

Капли со шлейфом

Капля несколько раз «вторгалась» в творческую жизнь Георгия Глебовича Леммлейна. В первый раз в виде росинок, осевших на кристаллической поверхности, затем в виде капель раствора, движущихся и преобразующихся в объеме кристалла,– об этом рассказ впереди, а в 1957 году он изучил движущиеся по поверхности кристалла капли, за которыми стелется шлейф.

Незадолго перед войной польский физик Коварский обратил внимание на неожиданное и любопытное явление. Если кристалл растет вследствие притока вещества из паровой фазы и если он нагрет почти до температуры плавления, то на его поверхности появляются жидкие капли. Они мечутся по поверхности кристалла, подобно тому как мечется капля воды на горячей сковородке, и, как капля воды, они вскоре исчезают, но исчезают не так, как водная капля. Коварский впервые заметил это явление, а Леммлейн с сотрудниками его подробно изучили. Изучили и иное, родственное явление – образование капель жидкости на поверхности не растущего, а испаряющегося кристалла.

Мысленно поставим опыт, некогда выполненный Леммлейном, и проследим за происходящим. Расположим под стеклянным колпаком кристалл, за которым будем вести наблюдение. Кристалл должен лежать на обогреваемой пластинке, и его температура должна быть на 1—3° С ниже температуры плавления.

Для определенности предположим, что экспериментируем мы с кристаллом сложного органического вещества– паратолуидином, поскольку именно с таким кристаллом экспериментировали в лаборатории Леммлейна. Плавится он при температуое 44° С. В стороне от кристалла  под колпаком расположим маленькую печку с тигельком, в котором плавится и испаряется паратолуидин. Вскоре пространство под колпаком заполнится парами паратолуидина, которые должны будут оседать на поверхности подогретого, но нерасплавленного кристаллика. Он при этом будет подрастать, увеличиваться в объеме. Стеклянный колпачок надо сконструировать так, чтобы сквозь него было удобно с помощью микроскопа наблюдать за поверхностью растущего кристалла.

 

Движение капли, оставляющей за собой шлейф в процессе кристаллизации

Посмотрев в микроскоп, мы увидим, что на поверхности кристалла имеется множество капель разных размеров – от 1 до 20, а иногда и до 30 микрон. Далее мы увидим, что какая-либо из капель, блуждая по поверхности, коснется торца одной из ступенек, которых на поверхности кристалла множество. А после этого произойдет неожиданное: капля, пытаясь уйти от торца ступени, будет оставлять за собой шлейф, высота которого вровень со ступенью. Шлейф окажется частью ступени, ее продолжением. Движущаяся капля будет себя расходовать на образование шлейфа и в конце концов исчезнет.

Однако она исчезнет позже, чем ей надлежало бы исчезнуть, если полагать, что капля перестанет существовать в точности тогда, когда объем вещества в созданном ею шлейфе станет равным ее начальному объему. Любопытная деталь: шлейф, остающийся за каплей, увеличивает свою площадь не только в направлении смещения капли, но и в перпендикулярном направлении, и поэтому у своих истоков он оказывается значительно шире, чем начальный диаметр капли (истинному шлейфу так и положено к концу расширяться).

Движение капель, в процессе испарения оставляющих за собой следы, «отрицательные» шлейфы

Мы увидим еще много и иных подробностей: некоторые капли, пристав к ступени, будут двигаться по спирали, оставляя за собой фасонный шлейф. Некоторые, оставляя за собой шлейф, столкнутся с другой ступенью, оказавшейся на их пути, и, отразившись от нее, начнут образовывать два шлейфа.

Видоизменим опыт, обратив условия его проведения. Сделаем давление пара паратолуидина под колпаком достаточно низким, чтобы кристаллик, за которым мы наблюдаем, смог испаряться. Достичь этого можно, например, так: печку, в которой плавился паратолуидин, выключить, а температуру исследуемого кристалла не изменять. Как и в первом опыте, на его поверхности мы обнаружим капли; как и в первом опыте, они будут «метаться» по поверхности и прикрепляться к ступеням. Но после этого они не станут двигаться от ступени, а начнут вгрызаться в нее, творя «отрицательный» шлейф, т. е. все будет происходить наоборот: при росте кристалла из газовой фазы на его поверхности жидкие капли будут двигаться, образуя слои, а при испарении – слизывая их.

Обсудим сделанные наблюдения. Вот перечень вопросов, на которые надо ответить. Почему капли возникают? Почему, возникнув, они не «примерзают» к кристаллу, оставаясь неподвижными, а бегают по его поверхности? Почему за каплей и «положительный» и «отрицательный» шлейфы со временем расширяются? И еще одно «почему»: почему капля живет дольше, чем ей полагалось бы жить в соответствии с законом сохранения вещества? Неужели этот святой закон нарушается? Попытаемся ответить на эти вопросы, как говорят, в порядке их поступления.

Жидкая фаза – а капли жидкие! – является промежуточной между газообразной и кристаллической. И если кристалл подогрет почти до температуры плавления, то в условиях, когда происходит переход из газообразного состояния в кристаллическое и наоборот, появление промежуточной фазы кажется естественным. А реально происходит вот что. Вблизи поверхности растущего кристалла, в прилегающей к нему прослойке газа образуются зародыши капель, которые оседают на поверхности кристалла и подрастают до видимых размеров за счет притока атомов из пара. Если же кристалл испаряется, капли на его поверхности могут возникнуть в результате столкновений огромного количества блуждающих по ней одиночных атомов, которые оторвутся и улетят в пар, если им не представится случай принять участие в создании капли.

Обязательно надо помнить о том, что и в первом и во втором случае капли образуются на поверхности кристалла, вот-вот готового расплавиться. Это означает, что жидкость капель лишь незначительно переохлаждена. Ни капель, ни шлейфов за ними не было бы, если бы кристалл имел температуру существенно ниже температуры плавления; тогда атомы из паровой фазы падали бы на поверхность кристалла и «примерзали» к ней. Они смещались бы  настолько мало, что их взаимные встречи, необходимые для образования капли, были бы практически исключены.

Почему же капли не «примерзают» к поверхности кристалла? Это, действительно, странно – ведь жидкость великолепно смачивает собственную твердую фазу. Помните рассказы о капле ментола, осушенной ментоловой иглой, и о первой капле талой воды, рожденной снегом? Капле на поверхности горячего кристалла полагалось бы растечься, а не оставаться сферической! Видимо, между жидкой каплей и поверхностью кристалла имеется тончайшая газовая прослойка, и капля существует на ней, будучи как бы подвешенной в воздухе.

И еще: появлению жидкой капли на поверхности испаряющегося или кристаллизующегося из газовой фазы кристалла паратолуидина могут способствовать пары воды в атмосфере, окружающей кристалл. С водой паратолуидин образует сплав, который становится жидким при температуре ниже 44 °С. Паратолуидиновой капле, содержащей немного воды, проще быть жидкой при температуре ниже 44° С, чем капле чистого паратолуидина.

На второй вопрос ответ получился некатегорическим, но вполне правдоподобным.

Теперь о расширении шлейфов. Вот здесь полная ясность. Расширяются они потому, что шлейф создается не только движущейся каплей, но и одиночными атомами, которые при росте кристалла оседают на боковых торцах положительного, а при испарении кристалла отрываются от боковых торцов отрицательного шлейфа. Чем дальше участок бокового торца шлейфа от движущейся капли, тем больше времени с ним взаимодействуют одиночные атомы и тем шире он.

Закон сохранения вещества в процессе создания каплей шлейфа, конечно же, не нарушается. Создавая положительный шлейф, капля живет дольше, чем можно было ожидать, по причине очевидной: она себя расходует на создание шлейфа, но при этом питается за счет тех атомов, которые оседают на ней из паровой фазы. Вопрос о законе сохранения вещества в нашем перечне был последним, и ответом на него можно закончить рассказ о каплях со шлейфом.

Капельный след

Английский ученый лауреат Нобелевской премии Чарлз Томас Рисс Вильсон всю свою долгую творческую жизнь посвятил исследованию капель. Ему было 25 лет, когда он впервые попал в обсерваторию на вершине снежной горы Бен-Невис в Шотландии. Там он наблюдал грозу: тяжелые облака, сверкающие молнии, грозовые разряды, вершина Бен-Невиса в ореоле разноцветных колец, движущихся и меняющих окраску. Потрясенный красотой и загадочностью виденного, Вильсон решает посвятить себя исследованиям в области физики атмосферных явлений. А это значит, что надо начинать с изучения капель, образующих облака.

В судьбе капель его интересовало все: как они зарождаются и растут, как испаряются, как меняются под влиянием различных внешних обстоятельств.

О творческом труде Вильсона, длившемся 65 лет, может быть, никто бы и не узнал, кроме метеорологов и узких специалистов по физике дождя и облаков, если бы в 1911 году он не создал прибор, в котором благодаря каплям можно сделать видимыми траектории элементарных заряженных частиц. Этому прибору – он называется камерой Вильсона – суждено было сыграть исключительную роль в развитии физики в XX веке.

Первые исследования Вильсона были посвящены изучению механизма зарождения капель. У него были талантливые и искусные предшественники. Английский физик Айткен еще в 1870 г. поставил опыты по образованию капель в изобретенной им туманной камере. Конструкция этой камеры элементарна: цилиндрический стеклянный стакан с легкоподвижным и тщательно притертым поршнем, на дне стакана слой воды, над водой под поршнем влажный воздух. При быстром поднятии поршня в стакане образуется туман из множества капелек. Возникают они по причине очевидной: при быстром расширении воздух немного охлаждается, так как для того, чтобы расшириться в пустой объем, освободившийся вследствие смещения поршня, воздуху надо потратить часть своей энергии. То количество влаги, которое до расширения насыщало воздух под поршнем, после расширения, когда воздух охладился, частично оказывается в избытке и выпадает в виде отдельных капелек, образуя туман. Айткен  экспериментировал при очень небольших расширениях камеры и показал, что если воздух свободен от пыли или крупинок соли (их особенно много в атмосфере над поверхностью моря), то в момент расширения туман не возникает. Для его образования необходимы посторонние центры конденсации капель – «ядра Айткена».

Вильсон продолжил опыты Айткена, воспользовавшись его туманной камерой. Он экспериментировал много, тщательно, широко изменяя внешние условия, при которых капли могут или не могут зарождаться. Проследим шаг за шагом логику экспериментов Вильсона.

Шаг первый. Повторение опытов Айткена, сопровождаемое тщательным измерением коэффициента скачкообразного расширения камеры, т. е. отношения объема камеры после расширения к ее начальному объему ( К ) . Результат: Айткен прав до значений К ≤ 1,252.

Шаг второй. Исследования формирования капель при значениях К 1,252 в воздухе, тщательно очищенном от посторонних примесей. Результат: до значения К = 1,370 в воздухе образуются крупные капли тумана, которые дождем падают на дно камеры; при К = 1,370, когда, как оказывается, пересыщение становится восьмикратным, процесс резко изменяется, в камере возникает густой, молочный, плотный туман. Предотвратить этот процесс оказалось невозможным. При таком огромном пересыщении центрами конденсации становятся комплексы случайно столкнувшихся молекул влаги. «Ядра Айткена» для этого не нужны.

Шаг третий. Он был сделан в 1896 г., вскоре после того, как Рентген открыл γ -лучи. Сквозь туманную камеру пропускались рентгеновские лучи. Результат: густой туман возникает и при К < 1,370. Догадка: возможно, ионы, которые образуются под влиянием рентгеновского облучения, являются центрами конденсации. Проверочный опыт: в облучаемом пространстве камеры установлены электроды, к которым подана разность потенциалов. Электрическое поле должно убрать ионы, и, если они являются центрами конденсации, образования капель не должно происходить. Опыт закончился предполагаемым результатом, подтвердил догадку.

Логическая строгость мысли и тщательность экспериментатора привели к крупному открытию. Его сущность можно сформулировать так: заряженные ионы являются  центрами конденсации капель в пространстве, пересыщенном влагой.

А затем последовало еще множество шагов. Каждый шаг – это сомнение, радостное и изнуряющее экспериментирование, тщательность, сопровождаемая ухищрениями, годы кропотливого труда, посвященные познанию капли. Было выяснено, что диаметр капель в густом тумане имеет размер около 0 ,1 микрона, что в 1 см ³ тумана около 100 000 000 капель, что на положительно заряженных ионах капли образуются легче, чем на отрицательно заряженных.

И, наконец, в 1911 году – решающий шаг.

Вильсон исходил из такого предположения: если в объеме камеры ионы распределены не хаотически, а закономерно, возникшие на них капли должны образовать не молоко равномерного тумана, а определенный ансамбль, повторяющий закономерность расположения ионов в объеме. Если в камере пролетит ионизирующая частица и на своем пути оставит цепочку ионов, капли, образующиеся на них при расширении камеры, составят капельный след. Частицу видеть нельзя, но можно увидеть путь, вдоль которого она пролетела. Был поставлен опыт: в камере помещался источник α-частиц, и в момент расширения объема камеры отчетливо наблюдались треки – капельные следы, вдоль которых α-частицы пролетели.

Видимо, в действительности все обстояло не так последовательно, строго и организованно, как здесь это описано: мысль – эксперимент – успех! Видимо, цепочка не была такой прямой. Путь к успеху лежал через случайные наблюдения, которые ускользнули бы от невнимательного глаза, через неудачные попытки воспроизвести случайное наблюдение, через минуты и дни отчаяния, когда казалось, что того случайного наблюдения в действительности и не было.

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 « Physical Review » – «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.