Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Задача 6. Камера Вильсона (дополнение к задаче 1)

В простейшей форме камера Вильсона представляет собой стеклянный цилиндр, содержащий влажный воздух над поршнем из воды, которая может выходить при расправлении сжатой резиновой груши (фиг. 35). Объясните, почему следующие операции делают трек видимым: 1) сжатие резиновой груши; 2) выдержка в течение некоторого времени; 3) внезапное расправление груши и появление треков. Что происходит на каждой стадии?

Треки альфа-частиц в камере Вильсона

Альфа-частицы дают прямые треки в несколько сантиметров длиной, настолько усеянные водяными каплями, что они выглядят подобно миниатюрной струе из пожарного шланга. Мы можем сосчитать ионы по общему числу водяных капель или суммарным электрическим методом: 200000 ионов в 5-сантиметровом треке. Альфа-частица выбивает электроны из 200 000 «атомов» воздуха при прохождении. Это необычное поведение: ни одного сильного столкновения, но лишь 200 000 слабых (для альфа-частицы) столкновений. Что может случиться с обычной молекулой в воздухе на таком пути? Имея длину свободного пробега 10 -7м, она должна ударить 0,05/10 -7соседей, испытать 500 000 прямых столкновений, делающих ее траекторию зигзагообразной.

Альфа-частица производит приблизительно такое же число столкновений — для точечных снарядов, обстреливающих молекулы воздуха, мы можем принять диаметр мишени, равным половине диаметра молекулы, и число столкновений в 1/ 4часть от 500 000. Но почти во всех этих столкновениях альфа-частицы идут напролом, что можно видеть, рассматривая следующие фотографии:

Фиг. 43. Фотография в камере Вильсона.

α -лучи от маленького источника — смеси тория Си тория С'. Заметьте, что имеются две группы α -лучей, каждая с определенным пробегом в воздухе (из книги: Rutherford, Chadwick and Ellis , Radioactive Substances and their Radiations, Cambridge Univ. Press). Источник излучения внизу фотографии.

Фиг. 44. Фотография в камере Вильсона.

α -лучи во влажном азоте. Один луч претерпел столкновение с ядром азота, и трек разделился, α -частица пошла вниз. Ядро отдачи — азот — дало короткий толстый трек (P. M. S. Вlасkett , Proc. Roy. Soc. Lond.). Источник излучения находится слева.

Фиг. 45. Стереоскопическая фотография в камере Вильсона.

α -лучи во влажном гелии. Измерения показывают, что два луча «вилки», возникшей в результате столкновения, образуют между собой угол 90°( P. M. S. Вlackett , Ргос. Roy. Soc. Lond.). Источник излучения внизу фотографии.

Фиг. 46. Фотография в камере Вильсона.

α -лучи во влажном водороде. Один луч претерпел столкновение с ядром водорода, которое пошло вперед и вверх, оставив более тонкий трек (Р. М. S. Blackett , Ргос. Roy. Soc. Lond.). Источник излучения находится слева.

(Инспектор Грегори):

«Есть ли еще какие-то моменты, на которые вы советовали бы мне обратить внимание?»

«На странное поведение собаки в ночь преступления».

«Собака? Но она никак себя не вела!»

«Это-то и странно», — сказал Холмс [125].

Удивительное заключается в том, что альфа-частица не изменяет свой трек. Это не просто результат высокой скорости.

Фиг. 47. Фотография в камере Вильсона.

Трек β -лучей во влажном воздухе ( С.Т. R. WiIsоn , Proc. Роу. Soc, Lond.). Источник излучения находится слева.

Если попытаться медленно прогнать биллиардный шар среди других таких же шаров, находящихся в покое, то он испытает много сильных столкновений. Если прогнать его очень быстро, то результат будет тем же самым. Только если остальные шары будут относительно легкими (шарики от пинг-понга), траектория движущегося шара будет прямой.

В каждом из многих малых столкновений альфа-частица «толкает» легкий электрон, без труда выбрасывая его из атома. Возникает загадка: где остаток каждого атома, который альфа-частица «толкнула»? Атомы массивны, и при рассмотрении остатков атомов возникают те же вопросы, что и при рассмотрении альфа-частиц. Добавим, что вместо того, чтобы отклониться или даже повернуть назад, альфа-частица проходит прямо через 200 000 атомов. Следовательно, остаток атома должен быть много меньше, чем мы думаем, так как он оказывается очень малой мишенью. Насколько малой? Никогда ли не бывает прямых столкновений? На фотографиях иногда встречаются треки, показывающие прямые столкновения с чем-то массивным. После столкновения массивный объект также оставляет трек. Таким образом, каждая альфа-частица дает трек, обусловленный слабыми столкновениями, и имеются лишь редкие случаи треков с изломами, которые показывают прямые столкновения. В воздухе альфа-частица может даже быть отброшена назад, и тогда объект столкновения дает толстый направленный вперед трек. В гелии треки имеют форму «вилок» с характерным углом между направлениями разлетающихся частиц. В водороде альфа-частицы всегда движутся вперед, и мишень (Н) также отлетает вперед, образуя более слабый трек.