Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.
Шрифт:
Если считать нейтрон элементарной частицей, а не соединением протона с электроном, то образ атомного ядра меняется радикально. Атом обрел иную структуру (см. рисунок 3): ядро, образованное протонами и нейтронами (частицами схожей массы, хотя первая обладает электрическим зарядом, а вторая нет), и несколько электронов вокруг ядра, число которых равно числу ядерных протонов.
РИС.З
У этой модели атома было много преимуществ относительно предыдущей, но был один очевидный недостаток. Если ядро состояло только из протонов и нейтронов, откуда испускались электроны -радиоактивности? Чтобы ответить на этот вопрос, требовалось ввести новую
С 1910 по 1912 год немецкие ученые Альберт Гокель (1860— 1927), Вернер Кольхёрстер (1887-1946) и австриец Виктор Франц Гесс (1883-1964) изучали тип излучения (неизвестного до той поры), происходящего из атмосферы. Поднявшись на аэростатах, исследователи заметили, что количество обнаруженного в атмосфере электрического заряда с высотой увеличивается. Это указывало на то, что излучение происходит из верхних слоев атмосферы или (почему бы и нет?) из космоса. Поэтому его назвали Hohenstrahlen, или Ultrastrahlen, дословно «излучения высот», или «излучения извне».
В 1925 году американец Роберт Эндрюс Милликен (1868- 1953) назвал это «космическими лучами». Неизвестное происхождение данного типа излучения окружало его мистическим ореолом, перед которым Милликен не мог устоять. Изучение космических лучей было частью большого проекта, который задумал американский физик. После открытия радиоактивности в конце XIX века ученые знали, что имеют дело с процессами трансмутации материи: одни атомы превращаются в другие с испусканием положительного (а), отрицательного (Р) и нейтрального (у) излучения. С тех пор перед воображением ученых открывались завораживающие возможности: использовать атомную энергию, синтезировать атомы в лаборатории, полностью постичь структуру атома... Следующие слова Милликена показывают нам, что его заинтересованность космосом связана с вопросами состава материи:
«У радия и урана мы видим только распад [атомов]. Но где-то почти наверняка эти элементы постоянно как-то образуются. Возможно, они сейчас собираются в звездных лабораториях. [...] Сможем ли мы когда-нибудь контролировать этот процесс? [...] Если мы добьемся подобного, это будет новый мир для человека!»
Для Милликена исследование космических лучей было способом изучить процессы, которые происходят на звездах — «фабриках Бога», как он их называл. Здесь можно отметить еще один интересный элемент его исследования: у Милликена имелась теория о происхождении атмосферного излучения до проведения экспериментальной работы. В то время как в Европе обсуждали не только происхождение такого излучения, но даже сам факт его существования, Милликен считал очевидным внеземное происхождение излучения в атмосфере. Он не мог доказать, что космические лучи на самом деле космические, поскольку не мог выйти за пределы атмосферы, однако, окрестив излучение так, уже навязывал свое видение этого явления. Милликен считал, что в процессе образования различных элементов из «доменных печей» звезд испускаются разные типы излучения как отходы этих процессов. Следовательно, изучение даст нам информацию об образовании атомов. Космические лучи — это «первые крики новорожденных атомов».
Проект космических лучей дал неожиданный результат. Карл Дейвид Андерсон (1905-1991), молодой американский исследователь, работавший под руководством Милликена, сфотографировал траектории космических лучей при их прохождении через туманную камеру (аппарат, который выявляет частицы ионизирующего излучения). Чтобы определить заряд излучения — как космического, так и радиоактивного происхождения, — к туманной камере применяется магнитное поле, которое искривляет траектории частиц в том или ином направлении, в зависимости от их заряда. Летом 1932 года Андерсон столкнулся со странным типом излучения. Судя по массе, частицы, которые он обнаружил, были электронами, но заряд их был положительным, так что они скорее походили на протоны. Было и третье толкование, которому Милликен противился, но Андерсон в итоге решился опубликовать его самостоятельно: траектории соответствовали положительным электронам (получившим затем название позитронов). Так что пришлось добавить новую элементарную частицу к уже существующим — протону, электрону и нейтрону.
Обнаружение субатомных частиц возможно благодаря их электрическому заряду. При пересечении жидкой или нестабильной газообразной эмульсии эти частицы образуют в месте прохождения след из мельчайших пузырьков, похожий на след самолета в атмосфере.
Изучая космические лучи, Андерсон заметил, что не все электроны происходят из атмосферного излучения, некоторые из них, кажется, движутся по направлению к нему... если только это не положительные электроны! Чтобы прояснить, идет речь об отрицательных электронах с восходящей траекторией или о новом типе частицы, похожей на электрон, но с положительным зарядом и нисходящей траекторией, Андерсон поставил свинцовую пластинку посередине их траектории. Так он заметил, что кривизна траектории частицы больше в нижней части. То есть она теряет энергию при прохождении сквозь свинец сверху вниз. И Андерсон смог утверждать, что его наблюдения соответствуют вероятным положительным электронам. Справа показана фотография, сделанная Андерсоном.
Как и в случае с нейтроном, едва Андерсон убедился в реальности новой сущности (положительных электронов), самой сложной задачей стало истолковать, что это за частицы и откуда они исходят. Поль Дирак (1902-1984), молодой физик- теоретик, который обосновался в Кембридже, но оставался на связи с Бором, во время визита в Копенгаген в 1928 году высказал предположение о существовании положительных электронов. Он развил квантовую теорию для релятивистского движения электронов, которая, несмотря на математическую сложность (Дирак изобрел новую систему обозначений, используемую до сих пор), успешно предсказывала их поведение. Единственная проблема теории заключалась в том, что она предоставляла решения для поведения электронов как для положительных энергий, так и для отрицательных.
Что означал электрон с отрицательной энергией? Тогда Дирак не нашел правильного толкования этого результата. Но когда появились положительные электроны — позитроны, — их практически мгновенно отождествили с электронами отрицательной энергии: речь не об электронах с отрицательной энергией, а об электронах с положительным зарядом — позитронах.
РИС . 4
На рисунке показано "рождение" пары электрон-позитрон на основе фотона. У этих частиц различные вогнутости из-за их противоположного электрического заряда. Фотон невидим, потому что на имеет заряда.
В то же время в Кембридже Патрику Блэкетту (1897-1974) и Джузеппе Оккиалини (1907-1993) удалось изготовить позитроны в лаборатории, то есть получить позитроны не как результат случайных и непредсказуемых явлений, вроде космических лучей, а как результат взаимодействия излучения с материей. Один из прогнозов Дирака заключался в том, что при определенных обстоятельствах энергия у-излучения может трансформироваться в частицы, рождая пары электрон-позитрон, как показано на рисунке 4. Одновременно обе частицы могут взаимно аннигилировать и превращаться в -излучение.
С самого начала явление не казалось совсем уж невообразимым. Несколько лет назад было принято знаменитое уравнение Эйнштейна, Е = mc2, связавшее материю и энергию. Но на сей раз это отношение было впервые сфотографировано в лаборатории. И удалось это сделать Блэкетту и Оккиалини.
Таким образом, позитрон добавлял неожиданную характеристику понятию элементарной частицы: они могут создаваться и аннигилировать, превращаясь в энергию. То, что не допускалось для атома Дальтона в начале XIX века, теперь совершали даже его компоненты.