Космические лучи. Открытие позитрона

В 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица — позитрон.

Еще в 1899 г. М. Склодовская-Кюри, пытаясь объяснить происхождение радиоактивности, выдвинула гипотезу о существовании излучения, заполняющего все мировое пространство. Утверждение, что «мы погружены в непрерывно действующее излучение, избежать которого мы не можем», высказал в 1906 г. Гейтель, описывая свои и Эльстера опыты по измерению ионизации в глубоких шахтах. Гейтель ссылался на утверждение Кука, высказанное в 1903 г., что «над Землей существует сильное проникающее излучение». Однако со всей определенностью существование космического излучения было доказано австрийским физиком Виктором Гессом, поднявшимся с электроскопом на воздушном шаре 7 августа 1912 г. О результатах своего эксперимента он сообщил в статье, опубликованной в ноябрьском номере «Physikalische Zeitschrift». Здесь он писал: «Результаты моих наблюдений лучше всего объясняются предположением, что из мирового пространства на границу атмосферы падает излучение большой проникающей способности». Так были открыты космические лучи. В 1936 г. Гессу за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике.

Последующими работами ученых, в особенности американского физика Милладсена и советского физика Л. В. Мысовского (1888-1939), было подтверждено предположение Гесса и изучены свойства космического излучения.

Милликен и Мысовский, проведя измерения под водой, показали огромную проникающую способность этих лучей. Милликен считал космическое излучение чрезвычайно жесткими у-лучами, и эта точка зрения была общепринятой до 30-х годов XX в.

В 1929 г. советский физик Д. В. Скобельцын применил для исследования космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Метод Скобельцына сразу привел к важному открытию. Скобельцын неопровержимо доказал, что в составе космического излучения имеются заряженные частицы—электроны. Он обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы таких электронов. На его фотографиях были и следы, слабо изогнутые в противоположную электронам сторону, однако с уверенностью сказать что-либо определенное о частицах, оставивших эти следы, Скобельцын не мог.

В 1932 г. американский физик К. Андерсон ввел усовершенствование в метод Скобельцына: он применил магнитное поле, в десять раз сильнее поля, применявшегося Скобельцыным. При этом он сразу обнаружил изогнутые следы, принадлежащие отрицательно и положительно заряженным частицам: электронам и протонам, как он думал вначале.

Чтобы с уверенностью судить о направлении движения частицы, Андерсон разделил камеру на две части свинцовой пластинкой. Частица, пройдя через свинцовую пластинку, замедляется, и ее путь искривляется магнитным полем сильнее. Андерсон получил фотографию частицы, изогнутой в противоположную электронам сторону. Радиус кривизны и характер трека показали, что эта частица обладает массой электрона и положительным зарядом, равным заряду электрона. Эту частицу Андерсон назвал позитрон.

Открытие позитрона заставило вспомнить о теории Дирака. В 1928 г. Дирак получил релятивистское уравнение для электрона. Это уравнение приводило к выводу о существовании спина у электрона и давало точное значение для тонкой структуры энергетических уровней водорода. Однако в теории Дирака была неприятная вещь, получившая название «плюс-минус трудность». В теории относительности существует для энергии соотношение:

Обычно знак минус отбрасывается как не имеющий физического смысла. Область положительных и отрицательных значений энергии была разделена конечным промежутком +m0с² — (—m0с²) = 2m0с². Поскольку в классической теории энергия меняется непрерывно, отрицательные значения энергии отбрасываются. В квантовой теории скачок энергии от отрицательных к положительным значениям допустим. «В квантовой теории, — писал Дирак в 1930 г. в своей книге «Основы квантовой механики», — могут происходить и прерывные переходы, и если электрон первоначально находится в состоянии с положительной кинетической энергией, то он может перескочить в состояние с отрицательной кинетической энергией. Поэтому уже нельзя игнорировать существование состояний с отрицательной энергией, как можно было поступить в классической теории».

В поисках выхода Дирак предложил странную идею. Он предположил, что все электроны Вселенной занимают уровни с отрицательной энергией, согласно принципу Паули, образуя ненаблюдаемый фон Наблюдаем^ только электроны с положительной энергией. «Электроны, - пишет Дирак, -распределены по всему миру с большой плотностью в каждой точке. Совершенная пустота есть та область, где все состояния с отрицательной энергией заняты». «Незаполненные состояния с отрицательной энергией представятся как нечто с положительной энергией, потому что для того, чтобы они исчезли, необходимо внести туда один электрон с отрицательной энергией. Мы предполагаем, что эти незанятые состояния с отрицательной энергией суть протоны».

Теория Дирака была встречена скептически. Вызвал недоверие гипотетический фон электронов, кроме того, теория Дирака, по его словам, «была очень симметрична по отношению к электронам и протонам»-

Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой Открытие позитрона, частицы действительно симметричной электрону, заставило по-новому оценить теорию Дирака, которая по существу предсказывала существование позитрона и других античастиц. На Ленинградской конференции 1933 г. Дирак следующим образом излагал сущность теории позитрона: «Допустим, что в том мире, который мы знаем, почти все электронные состояния с отрицательной энергией заняты электронами. Эта совокупность электронов, сидящих на отрицательных уровнях энергии, вследствие своей однородности не может восприниматься нашими чувствами и измерительными приборами, и только лишь не занятые электронами уровни, являясь чем-то исключительным, каким-то нарушением однородности, могут быть замечены нами совершенно таким же образом, как мы замечаем занятые состояния электронов с положительными Энергиями. Незанятые состояния с отрицательной энергией, т.е. «дырки» в распределении электронов с отрицав тельной энергией, будут восприниматься нами как частицы с положительной энергией; ведь отсутствие отрицательной кинетической энергии равносильно присутствию положительной кинетической энергии, так как минус на минус дает плюс... Представляется разумным отождествить такую «дырку» с позитроном, т. е. утверждать, что позитрон есть «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией».

Естественно, что на незанятый уровень отрицательной энергии может переходить электрон с положительной энергией, излучая избыточную энергию 2m0с² в виде квантов у-лучей.

«Согласно теории Дирака, — писал Ф. Жолио, — положительный электрон при столкновении со свободным или слабо связанным отрицательным электроном может исчезать, образуя два фотона, испускаемых в противоположных направлениях. Энергия каждого из фотонов составляет 0,5 • 10е эВ; сумма этих энергий, равная 106 эВ, соответствует аннигиляции массы двух электронов».

Существует и обратный процесс — «материализация» фотонов, когда «фотоны с достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми ядрами могут создавать положительные электроны... фотон, взаимодействуя с ядром, может создать два электрона с противоположными зарядами».

На Ленинградской конференции Жолио демонстрировал фотографию в камере Вильсона, на которой было зарегистрировано рождение пары электрон — позитрон.