Техника - молодёжи 1957-03, страница 14

/1

| ^ ' • ч^{1 1} Г™ '

L/'/Ж

Яод действием кванта энергии извне электрон обычного (iTo.ua выбивается на более далекую орбиту и тотчас же возвращается обратно. Затраченная на это энергия выделяется обратно в виде кванта видимого света.

и объясняется возможность существования двух видов позитрония. В атоме орто-позитрония электрон и позитрон вращаются параллельно, а в атоме пара-позитрония их спины направлены навстречу друг другу.

Фотоны, являющиеся одной из форм существования движущейся материи, проявляют одновременно и свойства частиц и свойства электромагнитных волн. Рассматриваемые как частицы, фотоны тоже обладают спином. Спин каждого фотона равен уже целой условной единице

Они могут вращаться в разных

направлениях, и, следовательно, их спины будут или складываться, или вычитаться. И вот в момент распада позитрония возникают очень сложные и тонкие взаимодействия, в которых решающую роль играют именно спины всех участвующих при этом явлении частиц, равно как и спины вновь образующихся фотонов.

Так как движение вращения так же, как и любое иное движение, подчиняется закону сохранения момента количества движения, то орто-позитроний с суммарной величиной спина двух его частиц — позитрона и электрона, равным единице, — не может распасться на два фотона, так как спины двух его фотонов (по единице) могут складываться и давать либо нуль (вращаясь навстречу Друг другу), либо две единицы спина (вращаясь параллельно). Поэтому орто-позитроний претерпевает единственно возможное для него преобразование: он распадается на три фотона. Два антипараллельных фотона в сумме дают спин, равный нулю, а третий фотон дает единицу, поэтому сумма спинов всех трех фотонов равняется единице, а это равняется сумме спинов позитрона и электрона и, следовательно, делает такой распад возможным.

Пара-позитроний (5), наоборот, имея суммарный спин двух его частиц, равный нулю, легко превращается в два фотона, суммарный спин которых, как мы видели выше, может равняться или нулю (антипа-раллельно), или двум (параллельно).

Благодаря спину электрон и позитрон обладают еще и магнитными свойствами, то есть, вращаясь, они ведут себя как маленькие магнитики, полюса которых более или менее направлены вдоль осей, вокруг которых вращаются эти частицы. В орто-позитронии северные и южные полюса обоих частиц-магнитиков, позитрона и электрона, направлены в противоположных направлениях, электрические же свойства электрона и позитрона ^проявляются, когда эти частицы вращаются в одном и том же направлении. Слабое отталкивание между двумя одинаковыми магнитными полюсами делает всю систему орто-позитрония несколько менее устойчивой, чем у пара-позитрония, в котором магнитное притяжение несколько усиливает электрическое притяжение, вследствие чего в среднем внутренняя энергия орто-позитрония слегка выше, чем пара-позитрония, и составляет всего около одной тысячной электрон-вольта.

МЕЗОННЫЙ АТОМ

В указанной выше статье уже отмечалось, что внутриядерные силы, действующие между нуклонами — протонами и нейтронами, — в атомном ядре представляют собой пи-мезоны — частицы, имеющие массу в 273 раза большую, чем масса электрона. В зависимости от того, между какими именно нуклонами ядра идет обмен мезонами: между одними протонами, или одними нейтронами, или между протоном и нейтроном, мезоны бывают положительными, отрицательными или нейтральными.

В соответствии с этими выводами квантовой теории наряду с позитронием возможно существование и другого не наблюдаемого в природе атома, у которого вместо электрона вокруг ядра, состоящего из обычных протонов и нейтронов, вращается мезон, — так называемого «мезонного атома», или «мезо-атома».

Именно в силу того, что мезон является носителем пока еще таин-стветшых внутриядерных сил, изучение мезонного атома представляет исключительно большой интерес.

Напомним читателям о некоторых особенностях структуры обычного атома, например водорода. В нем одиночный электрон вращается вокруг протона по замкнутой орбите диаметром около 10 -⁸ (стомиллионной) доли сантиметра, а диаметр самого протона, как известно, равен примерно 1,5-10—¹³ см. Если такой атом поглотит извне порцию (квант; энергии, его электрон покидает свою нормальную орбиту и мгновенно перепрыгивает на другую, более удаленную от ядра орбиту. Под действием сил притяжения положительно заряженного ядра электрон одним или несколькими последовательными прыжками вскоре возвращается обратно на свою основную орбиту, каждый раз высвобождая в виде электромагнитного излучения (кванте в света) поглощенную до этого атомом излишнюю энергию.

Атом каждого элемента имеет строго ограниченное количество таких орбит и поэтому излучает свет с длинами волн (частотой), свойственными только ему одному. Если при помощи спектрографа исследовать свет, излучаемый газоразрядной трубкой, наполненной водородом, то в полученном спектре можно обнаружить серию резких линий различных цве

тов, каждая из которых соответствует упомянутым прыжкам электрона. %

Теперь посмотрим, что может получиться, если в водородном атоме электрон заменить отрицательно заряженным мезоном. В соответствии с квантовой теорией мезону, так же как раньше электрону, будет предоставлен выбор тоже строго определенного числа орбит вокруг ядра, и перескок его с одной орбиты на другую будет сопровождаться характерным излучением. В случае мю-меэо-на, который в 210 раз тяжелее электрона, диаметр каждой из его орбит вокруг ядра атома уменьшится тоже в 210 раз, а раз так, то и длина волны излучения при перескоке мю-ме-зона между этими орбитами сократится в тех же самых пропорциях, то есть в 210 раз. Если на место электрона становится пи-мезон, который тяжелее его в 273 раза, то все орбиты и длины волн излучения атома сокращаются тоже в 273 раза.

Такое уменьшение длины волны переводит излучение атома из области видимого света в область длинноволновых, то есть очень мягких рентгеновских лучей, отличающихся малой проникающей способностью. Вследствие этого их трудно обнаруживать и изучать.

Более тяжелый мезонный атом должен излучать и более короткие волны, то есть более жесткие и проникающие лучи.

Рассмотрим для примера атом неона, имеющий 10 электронов. Его самая большая (внешняя) электронная орбита доходит только до того места, где обычно проходит самая малая (внутренняя) орбита атома водорода (10 см), а самая малая орбита атома неона будет уже в 10 раз ближе к ядру, чем самая малая орбита атома водорода. Следовательно, самая малая орбита мю-ме-зона, заменяющего электрон в атоме неона, должна уже быть не в 210, а в 2 100 раз меньше, чем орбита электрона в невозбужденном атоме водорода. Соответственно уменьшается и длина волны излучения такого мезонного атома неона. Она будет в 210 • 10 • 10 = 21 000 раз короче излучения атома водорода и передвинется уже в диапазон жестких проникающих, а потому легко обнаруживаемых и изучаемых рентгеновских лучей.

РОЖДЕНИЕ МЕЗО-АТОМА

Чтобы создать мезонные атомы, необходимо иметь синхроциклотрон, энергия которого позволяет получать поток отрицательных мезонов, устройство, в котором эти мезоны замедляются до тепловых скоростей, а затем захватываются ядрами атомов соответствующих элементов, и, наконец, счетчики, позволяющие обнаруживать и измерять длину волны излучаемых возбужденными мезонными атомами рентгеновских лучей. Такие опыты были впервые осуществлены Вал Фитчем и Джеймсом Рэйнуотером в Колумбийском университете.

Первые опыты были произведены с мю-мезонами. В том случае, когда эти мезоны захватывались относительно легкими атомами, например неоном или углеродом, все происходило в соответствии с ожидаемыми результатами: длина волны рентгеновского излучения, испускаемого при перескоках мю-мезонов с орби

to