Техника - молодёжи 1982-04, страница 46

АНТИЧАСТИЦЫ ЗА

НИКОЛАЙ ГАЛАЧЬЕВ

В 1878 году Жюль Берн написал роман «Пятьсот миллионов Бегумы», где в одном из ключевых эпизодов описывается, к чему приводит отсутствие дефектоскопии при техническом контроле на производстве. «Тевтонский злодей» герр Шульце погибает от собственной уг-лекислотной бомбы, так как оболочка ее из особого сорта стекла «в силу каких-то неведомых молекулярных изменений иногда без всякой видимой причины неожиданно лопалась». Если бы на заводе герра Шульце работали сотрудники Московского инженерно-физического института Ольга Алексеева, Владимир Беляев и Анатолий Шишкин, то ничего подобного не произошло бы: разработанный ими метод исследования физико-химическнх свойств вещества с помощью позитронов позволил бы обнаружить эти «молекулярные изменения» заранее и, вероятно, указал пути к их устранению.

Еще в 30-е годы физик Дирак нашел: в природе должен существовать аналог электрона по всем параметрам, но обратного знака! Более того, из теории вытекало, что при столкновении электрона и его «антипода» обе частицы должны исчезнуть, а масса их перейдет в энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна Е = мс² и выделится в виде, как полагал физик, двух гамма-квантов, причем угол разлета этих квантов определит кинетическая энергия частиц до столкновения. Такой теоретически предсказанный процесс — аннигиляция — сразу же обнаружился в экспериментах Андерсона, открывшего позитрон.

Вспомним: энергия, получающаяся при взрыве атомной или водородной бомбы, соответствует всего 3—4% теоретически возможного энерговыделения. В процессе аннигиляции этого быть не может — масса полностью переходит в энергию. Недаром фантасты вооружают свои фотонные

звездолеты аннигиляиипнными ппига-телями.

Если акт аннигиляции одного электрона и одногр позитрона сопровождается выделением значительного количества энергии, то его легко зарегистрировать. На этом и основан метод исследования строения твердого тела, разработанный в МИФИ молодыми исследователями. Но тут требуется еще одно небольшое отступление.

В 1912 году молодой физик-теоретик из Копенгагена послал в Манчестер Резерфорду первый вариант своей работы «О строении атомов и молекул». Теоретика звали Нильс Бор. Уже в самом начале своей работы по созданию квантовой модели атома он увидел, что химические свойства элементов, да и строение молекул определяются внешними электронами атомов. Так весьма популярное у химиков понятие «валентность» получило ясное физическое объяснение. И уже тогда стало понятно, что любые дефекты в строении кристаллов, сплавов и вообще твердых тел объясняются нарушением электронных связей между составляющими их атомами.

Причины здесь самые разные. Кристалл, например, вырастает из раствора таким регулярным по структуре, что нарушить ее в состоянии только энергичное внешнее воздействие вроде проникающей радиации. Кроме того, сплавы разных металлов в процессе своего создания проходят различные режимы термической обработки. И уж тут-то ка-кой-нибудь электрон обязательно не окажется на месте. В результате в сплаве возникает нарушенная связь между атомами — по сути, очаг, с

которого может начаться разрушение всего слитка.

И у молодых исследователей из МИФИ возникла идея: исследовать электронную структуру вещества, облучая его позитронами. Они непременно укажут злосчастный очаг, поскольку в момент аннигиляции античастицы и электрона будут излучаться два гамма-кванта, которые можно зарегистрировать специальной аппаратурой. Но вместе с идеей возникли и проблемы.

Первая оказалась самой простой: надо было найти источник позитронов. К счастью, некоторые радиоактивные изотопы самых распространенных элементов, например изотоп натрия с атомным весом 22 и изотоп меди с атомным весом 64, в процессе распада дают значительный (в атомарных масштабах, конечно) поток позитронов. Вторая проблема виделась куда более серьезной.

Дело в том, что современная измерительная техника уверенно фиксирует интервалы времени до наносекунды (10—⁹ с). А время от вылетд позитрона при распаде изотопа до аннигиляции частиц измерялось в пнкосекундах, то есть единицах, в тысячу раз меньших. Вот тут-то и появилась трудность чисто инженерного характера: требовалось создать аппаратуру, которая измеряла бы столь ничтожные интервалы времени.

К тому же надо было зарегистрировать еше один очень важный фактор процесса аннигиляции — угол между разлетающимися гамма-квантами. Позитрон к моменту столкновения с электроном оказывается почти неподвижным, зато электрон в веществе все время находится в движении — отсюда следует, что угол разлета квантов однозначно определяет энергию электрона. Если бы он тоже покоился, этот угол в точности равнялся бы 180°, но так не бывает. Значит, угол надо измерить.

Но даже когда все эти экспериментальные трудности исследователи преодолели, оставалась еще одна проблема — обработка результатов. Их в каждом опыте было так мио-

Схема экспериментальной установки КВАНТ для измерения угла О разлета r-квантов, образующихся в процессе электронно-позитронной аннигиляции. После обработки измерений получается кривая, которая показывает, какому углу 0 и соответственно какой энергии электронов отвечает иаибольшии поток т -квантов. Цифрами обозначены: 1 — радиоактивный источник — изотоп Nasi, испускающий позитроны» 2 — неподвижный детектор ?-излучения, 3— детектор т -излучения, автоматически перемещающийся по углу 6_Я

КаД!