к какой группе элементарных частиц принадлежит позитрон
Позитрон
| Позитрон | |
|---|---|
| Символ |  |
| Масса | 9,1093826(16)·10 −31 кг, |
Позитро́н (от англ. positive — положительный) — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд −1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамма-квантов.
Позитроны возникают в одном из видов радиоактивного распада (позитронная эмиссия), а также при взаимодействии фотонов с энергией больше 1,022 МэВ с веществом. Последний процесс называется «рождением пар», ибо при его осуществлении фотон, взаимодействуя с электромагнитным полем ядра, образует одновременно электрон и позитрон. Также позитроны способны возникать в процессах рождения электрон-позитронных пар в сильном электрическом поле.
Содержание
Открытие
Существование позитрона впервые было предположено в 1928 [1] Полем Дираком. Теория Дирака описывала не только электрон с отрицательным электрическим зарядом, но и аналогичную частицу с положительным зарядом. Отсутствие такой частицы в природе рассматривалось как указание на «лишние решения» уравнений Дирака. Зато открытие позитрона явилось триумфом теории.
В соответствии с теорией Дирака электрон и позитрон могут рождаться парой, и на этот процесс должна быть затрачена энергия, равная энергии покоя этих частиц, 2×0,511 МэВ. Поскольку были известны естественные радиоактивные вещества, испускавшие γ-кванты с энергией больше 1 МэВ, представлялось возможным получить позитроны в лаборатории, что и было сделано. Экспериментальное сравнение свойств позитронов и электронов показало, что все физические характеристики этих частиц, кроме знака электрического заряда, совпадают. [2]
Позитрон оказался первой открытой античастицей. Существование античастицы электрона и соответствие суммарных свойств двух античастиц выводам теории Дирака, которая могла быть обобщена на другие частицы, указывало на возможность парной природы всех элементарных частиц и ориентировало последующие физические исследования. Такая ориентация оказалась необычайно плодотворной, и в настоящее время парная природа элементарных частиц является точно установленным законом природы, обоснованным большим числом экспериментальных фактов.
Аннигиляция
Из теории Дирака следует, что электрон и позитрон при столкновении должны аннигилировать с освобождением энергии, равной полной энергии сталкивающихся частиц. Оказалось, что этот процесс происходит главным образом после торможения позитрона в веществе, когда полная энергия двух частиц равна их энергии покоя 1,022 МэВ. На опыте были зарегистрированы пары γ-квантов с энергией по 0,511 МэВ, разлетавшихся в прямо противоположных направлениях от мишени, облучавшейся позитронами. Необходимость возникновения при аннигиляции электрона и позитрона не одного, а как минимум двух γ-квантов вытекает из закона сохранения импульса. Суммарный импульс в системе центра масс позитрона и электрона до процесса превращения равен нулю, но если бы при аннигиляции возникал только один γ-квант, он бы уносил импульс, который не равен нулю в любой системе отсчёта.
С 1951 г. известно, что в некоторых аморфных телах, жидкостях и газах позитрон после торможения в значительном числе случаев сразу не аннигилирует, а образует на короткое время связанную с электроном систему, получившую название позитроний. Позитроний в смысле своих химических свойств аналогичен атому водорода, так как представляет собой систему, состоящую из единичных положительного и отрицательного электрических зарядов, и может вступать в химические реакции. Поскольку электрон и позитрон — разные частицы, то в связанном состоянии с наинизшей энергией они могут находиться не только с антипараллельными, но и с параллельными спинами. В первом случае полный спин позитрония s = 0, что соответствует парапозитронию, а во втором — s = 1, что соответствует ортопозитронию. Интересно, что аннигиляция электрон-позитронной пары в составе ортопозитрония не может сопровождаться рождением двух γ-квантов. Два γ-кванта уносят друг относительно друга механические моменты, равные 1, и могут составить полный момент, равный нулю, но не единице. Поэтому аннигиляция в этом случае сопровождается испусканием трёх γ-квантов с суммарной энергией 1,022 МэВ. Образование ортопозитрония в три раза более вероятно, чем парапозитрония, так как отношение статистических весов (2s+1) обоих состояний позитрония 3:1. Однако даже в телах с большим процентом (до 50 %) аннигиляции пары в связанном состоянии, то есть после образования позитрония, преимущественно появляются два γ-кванта и лишь очень редко три. Дело в том, что время жизни парапозитрония около 10 −10 с, а ортопозитрония — около 10 −7 с. Долгоживущий ортопозитроний, непрерывно взаимодействующий с атомами среды, не успевает аннигилировать с испусканием трёх γ-квантов прежде, чем позитрон, входящий в его состав, аннигилирует с посторонним электроном в состоянии с антипараллельными спинами и с испусканием двух γ-квантов.
Возникающие при аннигиляции остановившегося позитрона два гамма-кванта несут энергию по 511 кэВ и разлетаются в строго противоположных направлениях. Этот факт позволяет установить положение точки, в которой произошла аннигиляция, и используется в позитрон-эмиссионной томографии.
В 2007 экспериментально доказано существование связанной системы из двух позитронов и двух электронов (молекулярный позитроний). Такая молекула распадается ещё быстрее, чем атомарный позитроний.
Позитроны в природе
Считается, что в первые мгновения после Большого Взрыва количество позитронов и электронов во Вселенной было примерно одинаково, однако при остывании эта симметрия нарушилась. Пока температура Вселенной не понизилась до 1 МэВ, тепловые фотоны постоянно поддерживали в веществе определённую концентрацию позитронов путём рождения электрон-позитронных пар (такие условия существуют и сейчас в недрах горячих звёзд). После охлаждения вещества Вселенной ниже порога рождения пар оставшиеся позитроны аннигилировали с избытком электронов.
В космосе позитроны рождаются при взаимодействии с веществом гамма-квантов и энергичных частиц космических лучей, а также при распаде некоторых типов этих частиц (например, положительных мюонов). Таким образом, часть первичных космических лучей составляют позитроны, так как в отсутствие электронов они стабильны. В некоторых областях Галактики обнаружены аннигиляционные гамма-линии 511 кэВ, доказывающие присутствие позитронов.
В солнечном термоядерном pp-цикле (а также в CNO-цикле) часть реакций сопровождается эмиссией позитрона, который немедленно аннигилирует с одним из электронов окружения; таким образом, часть солнечной энергии выделяется в виде позитронов, и в ядре Солнца всегда присутствует некоторое их количество (в равновесии между процессами образования и аннигиляции).
Некоторые природные радиоактивные ядра (первичные, радиогенные, космогенные) испытывают бета-распад с излучением позитронов. Например, часть распадов природного изотопа 40 K происходит именно по этому каналу. Кроме того, гамма-кванты с энергией более 1,022 МэВ, возникающие при радиоактивных распадах, могут рождать электрон-позитронные пары.
При взаимодействии электронного антинейтрино (с энергией больше 1,8 МэВ) и протона происходит реакция обратного бета-распада с образованием позитрона: 
Такая реакция происходит в природе, поскольку существует поток антинейтрино с энергией выше порога обратного бета-распада, возникающих, например, при бета-распаде природных радиоактивных ядер.
Позитроны
| Позитрон | |
|---|---|
| Символ |  |
| Масса | 9,1093826(16)×10 −31 кг, |
Позитро́н (от англ. positive — положительный и «-трон» — часть названия электрона) — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд −1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамма-квантов.
Позитроны возникают в одном из видов радиоактивного распада (позитронная эмиссия), а также при взаимодействии фотонов с энергией больше 1,022 МэВ с веществом. Последний процесс называется «рождением пар», ибо при его осуществлении фотон, взаимодействуя с электромагнитным полем ядра, образует одновременно электрон и позитрон.
Содержание
Открытие
Существование позитрона впервые было предположено в 1928 [1] Полем Дираком. Теория Дирака описывала не только электрон с отрицательным электрическим зарядом, но и аналогичную частицу с положительным зарядом. Отсутствие такой частицы в природе рассматривалось как указание на «лишние решения» уравнений Дирака. Зато открытие позитрона явилось триумфом теории.
В соответствии с теорией Дирака электрон и позитрон могут рождаться парой, и на этот процесс должна быть затрачена энергия, равная энергии покоя этих частиц, 2×0,511 МэВ. Поскольку были известны естественные радиоактивные вещества, испускавшие γ-кванты с энергией больше 1 МэВ, представлялось возможным получить позитроны в лаборатории, что и было сделано. Экспериментальное сравнение свойств позитронов и электронов показало, что все физические характеристики этих частиц, кроме знака электрического заряда, совпадают. [2]
Позитрон оказался первой открытой античастицей. Существование античастицы электрона и соответствие суммарных свойств двух античастиц выводам теории Дирака, которая могла быть обобщена на другие частицы, указывало на возможность парной природы всех элементарных частиц и ориентировало последующие физические исследования. Такая ориентация оказалась необычайно плодотворной, и в настоящее время парная природа элементарных частиц является точно установленным законом природы, обоснованным большим числом экспериментальных фактов.
Аннигиляция
Из теории Дирака следует, что электрон и позитрон при столкновении должны аннигилировать с освобождением энергии, равной полной энергии сталкивающихся частиц. Оказалось, что этот процесс происходит главным образом после торможения позитрона в веществе, когда полная энергия двух частиц равна их энергии покоя 1,022 МэВ. На опыте были зарегистрированы пары γ-квантов с энергией по 0,511 МэВ, разлетавшихся в прямо противоположных направлениях от мишени, облучавшейся позитронами. Необходимость возникновения при аннигиляции электрона и позитрона не одного, а как минимум двух γ-квантов вытекает из закона сохранения импульса. Суммарный импульс в системе центра масс позитрона и электрона до процесса превращения равен нулю, но если бы при аннигиляции возникал только один γ-квант, он бы уносил импульс, который не равен нулю в любой системе отсчёта.
С 1951 г. известно, что в некоторых аморфных телах, жидкостях и газах позитрон после торможения в значительном числе случаев сразу не аннигилирует, а образует на короткое время связанную с электроном систему, получившую название позитроний. Позитроний в смысле своих химических свойств аналогичен атому водорода, так как представляет собой систему, состоящую из единичных положительного и отрицательного электрических зарядов, и может вступать в химические реакции. Поскольку электрон и позитрон — разные частицы, то в связанном состоянии с наинизшей энергией они могут находиться не только с антипараллельными, но и с параллельными спинами. В первом случае полный спин позитрония s = 0, что соответствует парапозитронию, а во втором — s = 1, что соответствует ортопозитронию. Интересно, что аннигиляция электрон-позитронной пары в составе ортопозитрония не может сопровождаться рождением двух γ-квантов. Два γ-кванта уносят друг относительно друга механические моменты, равные 1, и могут составить полный момент, равный нулю, но не единице. Поэтому аннигиляция в этом случае сопровождается испусканием трёх γ-квантов с суммарной энергией 1,022 МэВ. Образование ортопозитрония в три раза более вероятно, чем парапозитрония, так как отношение статистических весов (2s+1) обоих состояний позитрония 3:1. Однако даже в телах с большим процентом (до 50 %) аннигиляции пары в связанном состоянии, т. е. после образования позитрония, преимущественно появляются два γ-кванта и лишь очень редко три. Дело в том, что время жизни парапозитрония около 10 −10 сек, а ортопозитрония — около 10 −7 сек. Долгоживущий ортопозитроний, непрерывно взаимодействующий с атомами среды, не успевает аннигилировать с испусканием трёх γ-квантов прежде, чем позитрон, вводящий в его состав, аннигилирует с посторонним электроном в состоянии с антипараллельными спинами и с испусканием двух γ-квантов.
Возникающие при аннигиляции остановившегося позитрона два гамма-кванта несут энергию по 511 кэВ и разлетаются в строго противоположных направлениях. Этот факт позволяет установить положение точки, в которой произошла аннигиляция, и используется в позитрон-эмиссионной томографии.
В 2007 экспериментально доказано существование связанной системы из двух позитронов и двух электронов (молекулярный позитроний). Такая молекула распадается ещё быстрее, чем атомарный позитроний.
Позитроны в природе
Считается, что в первые мгновения после Большого Взрыва количество позитронов и электронов во Вселенной было примерно одинаково, однако при остывании эта симметрия нарушилась. Пока температура Вселенной не понизилась до 1 МэВ, тепловые фотоны постоянно поддерживали в веществе определённую концентрацию позитронов путём рождения электрон-позитронных пар (такие условия существуют и сейчас в недрах горячих звёзд). После охлаждения вещества Вселенной ниже порога рождения пар оставшиеся позитроны аннигилировали с избытком электронов.
В космосе позитроны рождаются при взаимодействии с веществом гамма-квантов и энергичных частиц космических лучей, а также при распаде некоторых типов этих частиц (например, положительных мюонов). Таким образом, часть первичных космических лучей составляют позитроны, так как в отсутствие электронов они стабильны. В некоторых областях Галактики обнаружены аннигиляционные гамма-линии 511 кэВ, доказывающие присутствие позитронов.
В солнечном термоядерном pp-цикле (а также в CNO-цикле) часть реакций сопровождается эмиссией позитрона, который немедленно аннигилирует с одним из электронов окружения; таким образом, часть солнечной энергии выделяется в виде позитронов, и в ядре Солнца всегда присутствует некоторое их количество (в равновесии между процессами образования и аннигиляции).
Некоторые природные радиоактивные ядра (первичные, радиогенные, космогенные) испытывают бета-распад с излучением позитронов. Например, часть распадов природного изотопа 40 K происходит именно по этому каналу. Кроме того, гамма-кванты с энергией более 1,022 МэВ, возникающие при радиоактивных распадах, могут рождать электрон-позитронные пары.
При взаимодействии электронного антинейтрино (с энергией больше 1,8 МэВ) и протона происходит реакция обратного бета-распада с образованием позитрона: 
Такая реакция происходит в природе, поскольку существует поток антинейтрино с энергией выше порога обратного бета-распада, возникающих, например, при бета-распаде природных радиоактивных ядер.
Позитрон
Полезное
Смотреть что такое «Позитрон» в других словарях:
позитрон — позитрон … Орфографический словарь-справочник
Позитрон — Символ Масса 9,1093826(16)·10−31кг, 0,510998910(13) МэВ/c2 Античастица электрон Классы фермион, лептон … Википедия
ПОЗИТРОН — (e+), элементарная частица, входящая в класс лептонов; античастица по отношению к электрону массы их равны, а заряды равны и противоположны по знаку. Свободный позитрон стабилен, но в веществе существует короткое время (в свинце 5?10 11 с) из за… … Современная энциклопедия
Позитрон — (e+), элементарная частица, входящая в класс лептонов; античастица по отношению к электрону массы их равны, а заряды равны и противоположны по знаку. Свободный позитрон стабилен, но в веществе существует короткое время (в свинце 5´10 11 с) из за… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ПОЗИТРОН — (е+ ) (от лат. posi(tivus) положительный и (элек)трон), элементарная частица с положит. электрич. зарядом, античастица по отношению к эл ну (е ). Массы (mе) и спины (J) П. и эл на равны, а их электрич. заряды (е) и магн. моменты (mе) равны по абс … Физическая энциклопедия
позитрон — антиэлектрон Словарь русских синонимов. позитрон сущ., кол во синонимов: 3 • античастица (3) • … Словарь синонимов
«Позитрон» — (улица Курчатова, 10), научно производственное объединение. Создано в 1969. Выпускает конденсаторы различных типов, сложную электронную бытовую технику, в том числе цветные малогабаритные телевизоры и кассетные магнитофоны, другие товары… … Энциклопедический справочник «Санкт-Петербург»
ПОЗИТРОН — ПОЗИТРОН, АНТИЧАСТИЦА ЭЛЕКТРОНА, т. е. идентичная электрону, но имеющая положительный, а не отрицательный, заряд. Исходя из теории электрона, сформулированной Полем ДИРАКОМ в 1928 г., должна была существовать частица, зеркально противоположная… … Научно-технический энциклопедический словарь
ПОЗИТРОН — ПОЗИТРОН, позитрона, муж. (от слов позитивный и электрон) (физ.). Положительный электрон. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
ПОЗИТРОН — ПОЗИТРОН, а, муж. (спец.). Элементарная частица с положительным зарядом, с массой, равной массе электрона. | прил. позитронный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
ПОЗИТРОН
Полезное
Смотреть что такое «ПОЗИТРОН» в других словарях:
позитрон — позитрон … Орфографический словарь-справочник
Позитрон — Символ Масса 9,1093826(16)·10−31кг, 0,510998910(13) МэВ/c2 Античастица электрон Классы фермион, лептон … Википедия
ПОЗИТРОН — (e+), элементарная частица, входящая в класс лептонов; античастица по отношению к электрону массы их равны, а заряды равны и противоположны по знаку. Свободный позитрон стабилен, но в веществе существует короткое время (в свинце 5?10 11 с) из за… … Современная энциклопедия
Позитрон — (e+), элементарная частица, входящая в класс лептонов; античастица по отношению к электрону массы их равны, а заряды равны и противоположны по знаку. Свободный позитрон стабилен, но в веществе существует короткое время (в свинце 5´10 11 с) из за… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
позитрон — антиэлектрон Словарь русских синонимов. позитрон сущ., кол во синонимов: 3 • античастица (3) • … Словарь синонимов
«Позитрон» — (улица Курчатова, 10), научно производственное объединение. Создано в 1969. Выпускает конденсаторы различных типов, сложную электронную бытовую технику, в том числе цветные малогабаритные телевизоры и кассетные магнитофоны, другие товары… … Энциклопедический справочник «Санкт-Петербург»
ПОЗИТРОН — ПОЗИТРОН, АНТИЧАСТИЦА ЭЛЕКТРОНА, т. е. идентичная электрону, но имеющая положительный, а не отрицательный, заряд. Исходя из теории электрона, сформулированной Полем ДИРАКОМ в 1928 г., должна была существовать частица, зеркально противоположная… … Научно-технический энциклопедический словарь
ПОЗИТРОН — ПОЗИТРОН, позитрона, муж. (от слов позитивный и электрон) (физ.). Положительный электрон. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
ПОЗИТРОН — ПОЗИТРОН, а, муж. (спец.). Элементарная частица с положительным зарядом, с массой, равной массе электрона. | прил. позитронный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
К какой группе элементарных частиц принадлежит позитрон
1923 год. Д. Скобельцын изучает взаимодействие γ-квантов с электронной оболочкой атома. Для наблюдения треков электронов он впервые использовал камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Этот метод регистрации позволял по кривизне трека измерять энергию электронов. Источник γ-квантов располагался рядом с камерой Вильсона. Анализируя полученные фотографии, Д. Скобельцын впервые получил ряд новых результатов о механизме взаимодействия γ-квантов с атомом: измерил величины сечений взаимодействия γ-квантов с различными атомами, измерил ионизационные потери при движении заряженной частицы в среде. Однако гораздо больший интерес вызвали наблюдаемые в камере Вильсона не искривленные в магнитном поле траектории электронов высоких энергий. О том, что эти траектории принадлежат электронам, Д. Скобельцын заключил по величине ионизации вдоль трека пролетающей в камере Вильсона частицы. Скобельцын сделал вывод, что эти треки принадлежат электронам космического излучения, но они не искривляются, т.к. имеют большие энергии. Вскоре эта гипотеза получила подтверждение − треки не исчезали после того, как был убран источник γ-излучения. Энергия космических электронов по оценкам Скобельцына составляла
1 ГэВ. Неожиданно оказалось, что не все частицы искривлялись в магнитном поле в одном направлении. Некоторые частицы отклонялись так, как будто бы имели положительный заряд. Вначале эти следы приняли за положительно заряженные протоны. Однако характер ионизации вдоль трека был такой же, как в случае электронов. Для того, чтобы понять природу этих частиц необходимо было измерить направление движения частиц, измерить их энергию.
Результаты Д. Скобельцына и разработанный им метод детектирования частиц космического излучения вызвали большой интерес физиков. В нескольких лабораториях стали создавать аналогичные установки. В Кавендишской лаборатории этим занялись П. Блэкетт и Дж. Оккиалини, а в США эксперименты с камерой Вильсона в магнитном поле начал молодой научный сотрудник
К. Андерсон, работавший под руководством Нобелевского лауреата Дж. Милликена. К 1932 г. К. Андерсон получил несколько сотен фотографий космических частиц в камере Вильсона в магнитном поле. Так же как и Д. Скобельцын К. Андерсон наблюдал треки как отрицательно, так и положительно заряженных частиц.
В 1932 г. в журнале “Science” появилась заметка К. Андерсона, в которой он сообщал об открытии в составе космических лучей новой частицы. Эта частица имела такую же массу, как и открытый ранее электрон, но имела в отличие от электрона не отрицательный, а положительный электрический заряд. Это наблюдение было сделано Андерсоном по наблюдениям траекторий частиц в камере Вильсона в сильном магнитном поле.
Оказалось, что частицы космических лучей, которые наблюдал К. Андерсон, искривляются в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, в противоположных направлениях, т.е. среди частиц зарегистрированных в камере Вильсона были как отрицательно, так и положительно заряженные частицы.
Рис. 3.1. Следы космических частиц, полученные Андерсоном в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле 20000–25000 эрстед.
1932 г. − К. Андерсон открыл позитрон.
1937 г. − К. Андерсон, С. Недермейер, Дж. Стрит, С. Стивенсон открыли мюон в космических лучах, используя камеру Вильсона.
Нобелевская премия по физике
1963 г. − К. Андерсон. За открытие позитрона.
Для того чтобы определить направление движения частицы и тем самым определить знак её заряда, Андерсон использовал исключительно простой и оригинальный метод. Он перегородил камеру посередине свинцовой пластинкой толщиной 5 мм. При прохождении заряженной частицей свинцовой пластинки её энергия уменьшается и, следовательно, она должна сильнее искривляться в магнитном поле. Изменение энергии частицы указывало направление её движения и, следовательно, по направлению кривизны при её движении в постоянном магнитном поле можно было определить знак электрического заряда частицы. На рис. 3.2 показана одна из фотографий, полученных Андерсоном. Темная полоска посередине – свинцовая пластинка, в которой заряженная частица теряет энергию. В верхней части камеры над пластинкой траектория частицы искривлена значительно сильнее, чем в нижней. Это позволило однозначно определить направление движения частицы и знак её заряда.
Рис. 3.2. Наблюдение позитрона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона. Темная полоса, пересекающая трек посредине, слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии, и по выходе из которого двигается с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлён сильнее.
Изучив ионизацию, длину траектории и радиус кривизны, Андерсон пришёл к однозначному выводу, что обнаруженная им частица имеет массу электрона, но заряжена положительно. Новую частицу назвали позитроном.
Первая интерпретация позитрона К. Андерсоном была вполне в духе времени. Он считал, что позитрон является составной частью нейтрона. По его представлению, нейтрон состоит из отрицательно заряженной массивной частицы – негатрона, отрицательно заряженного аналога протона и положительно заряженного позитрона и в первых работах даже предлагал организовать поиски негатрона. Несмотря на то, что в это время уже была опубликована статья П. Дирака, К. Андерсон был с ней незнаком, и его открытие позитрона не было поиском частицы, предсказанной Дираком, а честной интерпретацией обнаруженного им неизвестного явления, которое наблюдали многие физики, но отнесли его к неточностям эксперимента. Более подробно К. Андерсон опубликовал результаты об открытии позитрона в статье в журнале Phys. Rev. 43, 491 (1932).
Большая заслуга в признании позитрона, как новой независимой частицы, принадлежит П. Блэкетту и Дж. Оккиалини. Они впервые создали управляемую камеру Вильсона. Для этого они разместили над камерой Вильсона и под ней счетчики Гейгера, и камера Вильсона срабатывала только в том случае, когда через неё пролетала космическая частицы, зарегистрированная на совпадение счетчиками Гейгера. Это существенно повысило эффективность регистрации космических частиц и позволило получить большое количество снимков.
В работе, опубликованной в журнале Proc. Roy. Soc. 139, A839 (март 1933 г.) П. Блэкетт и Дж. Оккиалини описали разработанный ими метод регистрации космических частиц с помощью камеры Вильсона. В результате анализа
500 фотографий были получены данные о природе ливней, наблюдающихся в камере Вильсона, и подтверждены выводы К. Андерсона о существовании позитрона.
П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Недавно нами был разработан метод, при помощи которого можно заставить очень быстрые частицы, сопровождающие космическое излучение, фотографировать самих себя или, точнее, следы своих собственных путей в камере Вильсона. При этом фотографии следов удается получить гораздо легче, чем обыкновенным способом, когда адиабатическое расширение делается наугад. В самом деле, только очень небольшая доля снимков, добытых прежним методом, позволяет обнаружить хотя бы один след. Среднее количество фотографий, требующихся для получения одного следа, тут зависит от размеров, ориентировки камеры и от эффективного времени расширения (не должно превышать 1/20 сек.). Из измерений со счетчиками известно, что по всем направлениям проходит через 1 см 2 в 1 мин около 1,5 быстрых частиц. Эта цифра, в общем, согласуется с результатами, найденными с помощью камеры Вильсона. Скобельцын добился получения удачного снимка с одним или несколькими следами примерно через каждые десять расширений. А в работе Андерсона на 50 съемок приходился всего лишь 1 след с длиной пробега, отвечающей порядку измеренной энергии. Применение нашего метода дает следы на 80% всех сделанных снимков» [*].
После экспериментов Блэкетта и Оккиалини уже не было никаких сомнений, что позитрон − это новая частица. Кроме того им впервые удалось надежно зарегистрировать рождение электрон-позитронной пары при взаимодействии γ-квантов с веществом. Блэкетт и Оккиалини впервые указали на то, что позитрон является той самой частицей, которую предсказал незадолго до этого П. Дирак.
Вскоре выяснилось, что позитроны могут рождаться не только в космических лучах, но и под действием γ-квантов с энергией больше 1 МэВ. Если в камеру Вильсона поместить свинцовую пластинку и облучать её γ-квантами от радиоактивного источника с энергией γ-квантов >1 МэВ, то можно наблюдать две частицы, рождающиеся в одной точке, которые магнитным полем отклоняются в противоположные стороны, это электрон и позитрон. Рождение позитронов всегда происходит в паре с электроном.
На рис. 3.3 показано рождение электрон-позитронной пары в камере Вильсона, заполненной криптоном.
Рис. 3.3. Рождение пары электрон-позитрон в камере Вильсона.
Открытие позитрона − частицы по своим характеристикам идентичной электрону за исключением знака электрического заряда (у позитрона он положительный) − было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд.
П. Блэкетт, Г. Оккиалини: « Согласно сообщению Андерсона, им найдено несколько следов, которые должны быть приписаны положительно заряженным частицам с ничтожной массой. Андерсон приводит подробное описание этих фотографий, хотя самые фотографии не воспроизведены. На одной из них о направлении движения можно однозначно заключить по изменению кривизны пути после прохождения насквозь свинцовой пластинки. На другой фотографии два следа, выходящие из пластинки, искривляются в противоположных направлениях. На третьей две частицы покидают пластинку, отклоняясь в ту сторону, куда отклонились бы положительные заряды. Длина пробега и характеристическая ионизация − всё это вместе с предыдущим дает Андерсону основание утверждать, что перед нами − положительно заряженные частицы с массой, значительно меньшей, чем масса протона».
П. Блэкетт, Г. Оккиалини. «Разрушение атомов космическими лучами и положительный электрон».
Позитрон был первой обнаруженной частицей из целого класса частиц, которые получили название античастицы. До открытия позитрона казалась загадочной различная роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Почему существует тяжелый положительно заряженный протон, и нет тяжелой частицы с массой протона и отрицательным зарядом? Зато существует легкий отрицательно заряженный электрон. Открытие позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц. В квантовой теории поля электрон и позитрон полностью равноправные частицы. Позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать, так же как электрон, бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два γ‑кванта (фотона):
Происходит превращение частиц с массой отличной от нуля (масса электрона mc 2 = 0.511 МэВ) в частицы с нулевой массой (фотоны).
Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары частиц – электрона и позитрона. Электрон-позитронные пары рождались γ-квантами с энергией несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра.
При взаимодействии частиц высокой энергии с веществом процессы рождения и аннигиляции частиц и античастиц приводят к рождению большого количества вторичных частиц порожденных высокоэнергетической первичной частицей – каскадных ливней (рис. 3.4, 3.5, 3.6).
Нобелевская премия по физике
1948 г. − П. Блэкетт. За усовершенствование метода камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации.
Рис. 3.4. Позитрон, созданный гамма-лучами в свинцовой пластине и прошедший сквозь алюминиевую пластину толщиной 0,55 мм. Энергия позитрона над алюминиевой пластиной 820 кэВ, под алюминиевой пластиной 520 кэВ.
П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Сделать первый шаг в раскрытии этих сложных явлений − значит, прежде всего, путем отождествления установить природу частиц, порождающих следы. Не совсем легко с этим справиться, так как данные, почерпнутые из фотографий и служащие для выводов, зачастую противоречивы. Однако, по-видимому, неизбежно следует придти к тому замечательному, рассеивающему затруднения заключению, которое уже сделал Андерсон при расшифровке аналогичных фотографий. Оно состоит в том, что некоторые из следов нужно приписать частицам, несущим положительный заряд, но имеющим массу, ничтожную сравнительно с массой протона».
Рис. 3.5. Развитие ливня в свинцовых пластинах.
Рис. 3.6. Развитие ливня в свинцовых пластинах.
П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Чтобы определить знак заряда частицы, надо знать, в каком направлении она двигалась вдоль следа. Есть четыре способа узнать об этом из фотографий:
В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены − одни физические объекты являются частицами, а другие − волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего.
П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Очевидно, что существуют несколько различных процессов, дающих начало сложным путям ливней. В небольшом количестве случаев этот процесс совсем прост. Налетающая частица − обычно отрицательный или положительный электрон − выбивает из отдельного ядра, по всей вероятности, три или более частицы. Рис. 17 с большой наглядностью подтверждает, что налетающая частица выбрасывает из ядра меди 2 электрона (оба с Ee ≈ 13·10 6 V ) наряду с одним протоном. Извержение могло сопровождаться также и другими частицами, но они, по-видимому, имели слишком недостаточную длину пробега, чтобы преодолеть толщу пластинки и выйти из нее. Рис. 13 дает картину двух электронов (Ee ≈ 10·10 6 и 13·10 6 V), вышибленных из ядра свинца книзу, и двух других, с большей энергией ( Ee > 100·10 6 V ), выбитых кверху. Возможно, что один из последних двух представляет собою налетающую частицу, взрывающую ядро, и тогда другой электрон − один из осколков, летящий при взрыве кверху. Возможно и то, что обе верхние частицы суть продукты разрушения ядра; тогда в этом случае саморазрушение придется приписать какому-то неионизующему агенту.
Однако оба эти случая − сравнительно простые при сопоставлении со сложной картиной обильных ливней. В этом наиболее типичном процессе наблюдается одновременное извержение некоторого числа частиц, вылетающих с огромной энергией. Эти частицы выбрасываются обыкновенно в направлениях, заключенных внутри довольно узкого конуса, но бывают случаи (рис. 12), когда этот конус, довольно широкий. Вполне естественно искать объяснение узкого конуса разлета частиц в том импульсе, который сообщается им в момент удара налетающей частицей, обладающей чрезвычайно большой энергией. Пока еще невозможно установить природу всех частиц, выброшенных из ядра, но, по-видимому, среди них преобладают отрицательные и положительные электроны; есть некоторые, правда, еще недостаточные указания, что в ряде случаев те и другие электроны выбиваются приблизительно в одинаковом количестве.
Возникновение этих частиц возбуждает огромный интерес; в частности, они, несомненно, часто зарождаются внутри материала с легким и средним атомным весом, поскольку излучающие центры обнаружены и в воздухе, и в стекле, и в алюминии, и в меди. Согласно самым последним представлениям о структуре ядра, в таких легких ядрах не должно быть свободных отрицательных электронов. А уже найдено, по крайней мере, положительных и отрицательных электронов, исходящих из отдельного точечного центра излучения в стекле, меди или свинце (рис. 12, 11 и 10) и, следовательно, по всей вероятности, из отдельного ядра.
Существует три возможных гипотезы, которые мы вправе сделать относительно появления этих частиц: они могли существовать в разрушенном ядре с самого начала, еще до акта соударения; они могли существовать в налетающей частице; наконец, они могли возникнуть в течение процесса соударения. За отсутствием каких-либо независимых доказательств самостоятельного существования частиц прежде сотрясения ядра разумно принять последнюю из этих трех гипотез. Затем, учитывая хорошо известные трудности, вырастающие при обращении с электронами внутри ядер как с независимыми механическими объектами, последняя гипотеза, быть может, и в этом смысле имеет большее преимущество. Тогда согласно этой гипотезе все ливни (вместе с обычным β-распадом) следует представлять себе как процесс возникновения частицы в прямом смысле этого слова.
Этот вопрос чрезвычайно близко связан с проблемой строения нейтрона. Согласно взгляду на нейтрон как на сложную частицу, отрицательные электроны в ливнях могут получиться при расщеплении каждого из нейтронов на отрицательный электрон и протон, но эта схема не дает объяснения возникновению положительных электронов. Кроме того, она приводит к тому, что нужно ожидать большего количества следов протонов на фотографиях, чем наблюдается в действительности».
В стабильных атомных ядрах существует определенное равновесное соотношение между числом протонов Z и числом нейтронов в ядре N
22 Na − источник позитронов
22 Na → 22 Ne + e + + νe,
с образованием стабильного изотопа 22 Ne (рис. 3.7).
В 10% случаев распад 22 Na происходит в результате е-захвата
Рис. 3.7. Радиоактивный источник позитронов 22 Na.