ГЛАВА 30. АТОМНОЕ ЯДРО

§ 207. Экспериментальные методы ядерной физики

Изучение строения атомного ядра неразрывно связано с рассмотрением явлений самопроизвольного или вынужденного распада атомного ядра и ядерных частиц. Исследуя осколки разрушившегося атомного ядра, прослеживая судьбу этих осколков, мы получаем возможность делать заключения о структуре ядра и о ядерных силах.

Вполне естественно, что вначале были детально изучены явления самопроизвольного распада ядер, т. е. радиоактивные явления. Параллельно с этим началось изучение космических лучей — радиации, обладающей исключительной проникающей силой и приходящей к нам из космического пространства. Взаимодействуя с веществом, частицы космического излучения играют роль частиц-снарядов. Долгое время исследование космических лучей было важнейшим способом изучения взаимопревращаемости элементарных частиц и даже в какой-то степени методом изучения атомного ядра. В настоящее время основное значение приобретают исследования разрушений атомного ядра бомбардировкой потоками частиц, создаваемых в ускорителях.

Экспериментальные методы, о которых пойдет сейчас речь, одинаково применимы к изучению космических лучей и частиц, возникающих в результате ядерной бомбардировки тех или иных мишеней.

Следовые камеры.

Первым прибором, позволяющим видеть след (трек) частицы, явилась камера Вильсона. Если через камеру, содержащую пересыщенные водяные пары, пролетит быстрая частица, создавшая на своем пути ионы, то за такой частицей остается след, весьма похожий на «хвост», который иногда остается в небе после самолета. Этот след создан сконденсировавшимся паром. Ионы, отмечающие путь частицы, являются центрами конденсации пара — в этом причина возникновения хорошо видимого следа. След частицы можно и наблюдать непосредственно, и фотографировать.

Чтобы регулировать состояние пара в камере, объем камеры меняют движением поршня. Быстрым адиабатическим расширением пар приводится в состояние пересыщения.

Если следовая камера помещена в магнитное поле, то по кривизне траектории можно определять либо скорость частицы при известном отношении либо, наоборот, при известной скорости (ср. формулы на стр. 406).

Камера Вильсона уже принадлежит истории. Поскольку камера заполнена газом, столкновения редки. Очень велико время «очищения» камеры: фотографии могут сниматься лишь через 20 секунд. Наконец, след живет время порядка секунды, что может привести к смещению картин.

В 1950 г. была предложена пузырьковая камера, которая играет большую роль в физике элементарных частиц. Веществом камеры является перегретая жидкость. Заряженная частица образовывает ионы, а около ионов создаются пузырьки, которые и делают след видимым. В такой камере можно получать 10 фотографий в секунду. Самым большим недостатком камеры является невозможность управлять ее включением. Поэтому зачастую нужны тысячи фотографий, чтобы отобрать одну, фиксирующую исследуемое явление.

Большое значение имеют искровые камеры, основанные на ином принципе. Если на плоский конденсатор наложить высокое напряжение, то между пластинами проскочит искра. Если в зазоре имеются ионы, то искра проскочит при меньшем напряжении. Таким образом, ионизующая частица, пролетающая между обкладками, создает искру.

В искровой камере сама частица включает высокое напряжение между обкладками конденсатора на миллионную долю секунды. Однако достоинства в отношении возможности включения в нужный момент ослабляются недостатками: видны лишь частицы, образующие угол не более 45° с пластинками, след очень короток и не все вторичные явления успевают проявить себя.

Недавно советские исследователи предложили новый тип следовой камеры (так называемой стримерной камеры), уже нашедшей широкое применение. Блок-схема такой камеры показана на рис. 237. Частица, попадающая между пластинами, расположенными, в отличие от искровой камеры, на большом расстоянии друг от друга, обнаруживается счетчиком. Электронно-логическое устройство

различает первичные события и выбирает то, которое интересует экспериментатора. В этот момент высокое напряжение на короткое время подается на пластины. Ионы, образовавшиеся на пути прохождения частицы, образуют черточки (стримеры), которые и фотографируются. Путь частицы обрисован этими черточками.

Рис. 237.

Если фотография снята вдоль направления черточек, то путь частицы выглядит, как пунктирная линия.

Успех работы стримерной камеры зависит от правильной корреляции образования электронной лавины от первичного иона с параметрами импульса высокого напряжения. В смеси 90% неона и 10% гелия при расстоянии между пластинами 30 см хорошие результаты получаются при напряжении 600 000 В и времени импульса При этом импульс должен накладываться не позже чем через с после первичного акта ионизации. Следовая камера этого типа представляет собой сложную дорогую установку, которая ушла так же далеко от камеры Вильсона, как современные ускорители частиц от электронной трубки.

Ионизационные счетчики и ионизационные камеры.

Ионизационное устройство, предназначенное для работы с излучением, большей частью представляет собой цилиндрический конденсатор, наполненный газом; одним электродом является цилиндрическая обкладка, а другим — нить или острие, идущие по оси цилиндра (рис. 237а). Напряжение, прикладываемое к конденсатору, и давление газа, заполняющего счетчик, должны быть подобраны специальным образом в зависимости от постановки задачи. В распространенной разновидности такого устройства, называемой счетчиком Гейгера, к цилиндру и нити прикладывают напряжение пробоя. Если через стенку или через торец такого счетчика в него попадет

Рис. 237а.

ионизующая частица, то через конденсатор пойдет импульс тока, продолжающийся до тех пор, пока первичные электроны и созданные ими электроны и ионы самостоятельного разряда не подойдут к положительной обкладке конденсатора. Этот импульс тока можно усилить обычными радиотехническими методами и фиксировать прохождение частицы через счетчик либо щелчком, либо световой вспышкой, либо, наконец, цифровым счетчиком.

Такое устройство может считать количество частиц, поступающих в прибор. Для этого необходимо лишь одно: импульс тока должен прекратиться к моменту, когда в счетчик поступает следующая частица. Если режим работы счетчика подобран неправильно, то счетчик начинает «захлебываться» и считает неверно. Разрешающая способность ионизационного счетчика ограничена, но все же достаточно велика: до частиц в секунду.

Можно понизить напряжение и добиться такого режима, при котором через конденсатор проходил бы импульс тока, пропорциональный числу образованных ионов (пропорциональный счетчик). Для этого нужно работать в области несамостоятельного газового разряда. Первичные электроны, двигаясь в электрическом поле конденсатора, набирают энергию. Начинается ионизация ударом, создаются новые ионы и электроны. Созданные влетевшей в счетчик частицей начальные пар ионов превращаются в пар ионов. При работе в режиме несамостоятельного разряда коэффициент усиления будет постоянной величиной и пропорциональные счетчики не только установят факт прохождения частицы через счетчик, но и измерят ее ионизующую способность.

Разряд в пропорциональных счетчиках, так же как и в описанных выше счетчиках Гейгера, гаснет с прекращением ионизации. Отличие счетчика Гейгера заключается в том, что в нем влетевшая частица действует наподобие спускового механизма и время пробоя не находится в связи с первоначальной ионизацией.

Так как пропорциональные счетчики реагируют на ионизующую способность частицы, то режим работы счетчика может быть подобран так, чтобы он отмечал только частицы определенного сорта.

Если прибор работает в режиме тока насыщения (чего можно добиться, снижая напряжение), то ток через него является мерой энергии излучения, поглощаемой в объеме прибора за единицу времени. В этом случае устройство называют ионизационной камерой. Коэффициент усиления равняется в этом случае единице. Преимуществом ионизационной камеры является большая устойчивость работы. Конструкции ионизационных камер могут значительно варьировать. Наполнение камеры, материалы стенок, число и форма электродов меняются в зависимости от цели исследования. Наряду с крошечными камерами с объемом порядка кубического миллиметра приходится иметь дело с камерами объемом до сотни метров. Под действием постоянного источника ионизации в камерах возникают токи в пределах от до

Сцинтилляционные счетчики.

Метод счета вспышек флуоресцирующего вещества (сцинтилляций) как средство счета элементарных частиц был впервые применен Резерфордом для его классических исследований строения атомного ядра. Современное воплощение этой идеи мало напоминает простенький прибор Резерфорда.

Частица вызывает световую вспышку в твердом веществе — фосфоре. Известно весьма большое число органических и неорганических веществ, обладающих способностью преобразовывать энергию заряженных частиц и фотонов в световую энергию. Многие фосфоры обладают весьма малой длительностью послесвечения, порядка миллиардных долей секунды. Это позволяет строить сцинтилляционные счетчики с большой скоростью счета. У ряда фосфоров световой выход пропорционален энергии частиц. Это дает возможность конструировать счетчики для оценки энергии частиц.

В современных счетчиках фосфоры комбинируют с фотоумножителями, имеющими обычные фотокатоды, чувствительные к видимому свету. Электрический ток, создаваемый в умножителе, усиливается и далее направляется на счетное приспособление.

Наиболее часто применяемые органические фосфоры: антрацен, стильбен, терфенил и т. д. Все эти химические соединения принадлежат к классу так называемых ароматических соединений, построенных из шестиугольников углеродных атомов. Для применения в качестве сцинтилляторов надо брать эти вещества в виде монокристаллов. Так как выращивание крупных монокристаллов несколько затруднительно и так как кристаллы органических соединений весьма хрупки, то существенный интерес представляет применение пластических сцинтилляторов, — так называют твердые растворы органических фосфоров в прозрачных пластмассах — полистироле или другом аналогичном высокополимерном веществе. Из неорганических фосфоров применяются галогениды щелочных металлов, сернистый цинк, вольфраматы щелочноземельных металлов.

Счетчики Черенкова.

Еще в 1934 г. Черенковым было показано, что при движении быстрой заряженной частицы в совершенно чистом жидком или твердом диэлектрике возникает особое свечение, принципиально отличное как от свечения флуоресценции, связанного с энергетическими переходами в атомах вещества, так и от тормозного излучения типа рентгеновского сплошного спектра. Излучение Черенкова имеет место в том случае, если заряженная частица движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в диэлектрике. Основная особенность излучения состоит в том, что оно распространяется вдоль конической поверхности вперед по направлению движения частицы. Угол конуса определяется формулой:

где есть угол образующей конуса с направлением движения частицы, V — скорость частицы, скорость света в среде. Таким образом, для среды с данным показателем преломления существует критическая скорость ниже которой излучения не будет. При этой критической скорости излучение будет параллельно направлению движения частицы. Для частицы, движущейся со скоростью, весьма близкой к скорости света будет наблюдаться максимальный угол излучения Для циклогексана

Спектр излучения Черенкова, как показывают опыт и теория, располагается в основном в видимой области.

Излучение Черенкова — явление, похожее на образование носовой волны от корабля, движущегося по воде; в этом случае скорость корабля больше, чем скорость волн на поверхности воды.

Рис. 2376 иллюстрирует происхождение излучения. Заряженная частица движется вдоль осевой линии и по пути электромагнитное поле, следующее за частицей, временно поляризует среду в точках траектории частицы.

Рис. 237б.

Рис. 237в.

Все эти точки становятся источниками сферических волн. Имеется один единственный угол, при котором эти сферические волны совпадут по фазе и образуют единый фронт.

Рассмотрим две точки на пути заряженной частицы (рис. 237в). Они создали сферические волны, одна в момент времени другая в момент времени Очевидно, есть время, которое затратила частица на прохождение пути между этими двумя точками. Для того чтобы эти две волны распространялись под каким-то углом 9 в одной фазе, необходимо, чтобы время хода первого луча было больше времени хода второго луча на время Путь, пройденный частицей за время равен Волна пройдет за это же время расстояние Отсюда мы и получаем приведенную выше формулу:

Излучение Черенкова используется в последнее время весьма широко как способ регистрации элементарных частиц. Счетчики, основанные на этом явлении, называются черепковскими счетчиками. Светящееся вещество соединяется, так же как и в сцинтилляционных счетчиках, с фотоумножителями и усилителями

фотоэлектрического тока. Существует множество конструкций счетчиков Черенкова.

У счетчиков Черенкова имеется множество преимуществ. К ним относятся быстрая скорость счета и возможность определения зарядов частиц, движущихся со скоростью, весьма близкой к скорости света (мы не сказали, что световой выход резко зависит от заряда частицы). Только при помощи счетчиков Черенкова могут решаться такие важные задачи как прямое определение скорости заряженной частицы, определение направления, в котором движется ультрабыстрая частица, и т. д.

Размещение счетчиков.

Для того чтобы изучать различные процессы превращения и взаимодействия элементарных частиц, необходимо иметь возможность не только отметить появление частицы в данном месте, но и проследить дальнейшую судьбу этой же частицы. Подобные задачи решаются с помощью специальных расположений счетчиков с обобщенной счетной схемой. Например, можно электрические схемы двух или нескольких счетчиков соединить таким способом, чтобы счет происходил лишь в том случае, если разряд во всех счетчиках начинается в точности в одно и то же время. Это может служить доказательством прохождения одной и той же частицы через все счетчики. Такое включение счетчиков называется «включением на совпадение».

Метод толстослойных фотографических эмульсий.

Как известно, фоточувствительным слоем фотопластинок служит желатиновая пленка, в которую введены микрокристаллики бромистого серебра. Основой фотографического процесса является ионизация этих кристалликов, в результате которой происходит восстановление бромистого серебра. Этот процесс происходит не только под действием света, но и под действием заряженных частиц. Если через эмульсию пролетит заряженная частица, то в эмульсии возникнет скрытый след, который можно увидеть после проявления фотопластинки. Следы в фотоэмульсии рассказывают много подробностей о вызвавшей их частице. Сильно ионизующие частицы оставляют более жирные следы. Так как ионизация зависит от заряда и скорости частиц, то уже один только вид следа говорит о многом. Ценные сведения дает величина пробега (трека) частицы в фотоэмульсии; измеряя длину следа, можно определить энергию частицы.

Исследования при помощи обычных фотопластинок с тонкими эмульсиями мало пригодны для целей ядерной физики. Такие пластинки фиксировали бы только те частицы, которые движутся строго вдоль пластинки. Мысовским и Ждановым, а также через несколько лет Пауэллом в Англии были введены в обиход фотопластинки с толщиной эмульсии, близкой к (у обычных пластинок толщина слоя в сто раз меньше). Фотометод ценен своей наглядностью, возможностью наблюдать сложную картину превращения, происходящего при разрушении какой-либо частицы.

На рис. 238 приведена характерная фотография, полученная этим Методом. В точках произошли ядерные превращения.

В последнем варианте этого метода в качестве среды, в которой фиксируются треки частиц, применяют эмульсионные камеры значительного объема.

Методы анализа наблюдений.

При помощи описанных приборов исследователь получает возможность определить все важнейшие константы элементарной частицы: скорость и энергию, электрический заряд, массу; все эти параметры могут быть определены с достаточно высокой точностью. При наличии потока частиц можно, кроме того, определить значение спина элементарной частицы и ее магнитного момента. Это делается тем же опытом расщепления пучка в магнитном поле, который был описан на стр. 171.

Рис. 238.

Следует помнить, что непосредственно наблюдаются лишь заряженные частицы. Все данные о нейтральных частицах и о фотонах получаются косвенно изучением характера действия этих невидимых частиц на заряженные. Данные, получаемые о невидимых частицах, обладают, тем не менее, большой степенью достоверности.

Существенную роль при исследовании всякого рода превращений элементарных частиц играет применение законов сохранения импульса и энергии. Так как мы имеем дело с быстрыми частицами, то, применяя закон сохранения энергии, необходимо учитывать возможное изменение массы.

Предположим, что на фотографии наблюдается след частиц в виде «вилки». Первая частица превратилась в две частицы: вторую и третью. Тогда должны выполняться следующие соотношения. Во-первых, импульс первой частицы должен равняться векторной сумме импульсов возникших частиц:

Далее, между кинетическими энергиями частиц должно существовать соотношение

где разность масс

Весь опыт ядерной физики показывает, что законы сохранения выполняются неукоснительно при любых превращениях элементарных частиц. Это позволяет воспользоваться этими законами для выяснения свойств нейтральной частицы, не оставляющей следа в фотографической эмульсии и не ионизующей газа. Если на фотопластинке наблюдаются два расходящихся трека, то исследователю ясно: в точке, откуда эти следы расходятся, произошло превращение нейтральной частицы. Определяя импульсы, энергии и массы возникших частиц, можно сделать уверенные выводы о значении параметров нейтральной частицы. Так был открыт нейтрон, такими способами мы судим о нейтрино и нейтральных мезонах, о которых будет рассказано ниже.