Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


предыдущая главасодержаниеследующая глава

Глава VII. Многоликая постоянная

В рассказе о "самой большой" скорости мы забежали немного вперед. Оставим на время проблемы, волнующие физиков в наши дни, и обратимся к вопросам, интересовавшим ученых конца XIX в.

Теория электромагнитного поля, созданная Максвеллом, не только разрешила ряд серьезных проблем, но и поставила перед физиками новые задачи. Для истории скорости света принципиальным был вопрос: существуют ли в действительности предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны? Ответ на него мог дать лишь опыт.

В 1879 г. Берлинская Академия наук объявила конкурс, целью которого было экспериментальное доказательство существования магнитного поля, вызванного переменным электрическим полем. Г. Гельмгольц указал своему ученику Г. Герцу на эту проблему. В то время Герц как раз искал тему для исследования и охотно взялся за решение задачи, предложенной учителем. Следует отметить, что поначалу Герц не разделял точку зрения Максвелла на электромагнитные явления.

Герц начал с изучения явления электромагнитной индукции, возникающей при разряде лейденской банки (конденсатора). Выбор этого направления исследований не был случайным. Еще в 1847 г. Гельмгольц в знаменитой работе "О сохранении силы" высказал утверждение, что разряд лейденской банки имеет колебательный характер. Причина этого в наши дни совершенно ясна: поскольку проводники, с помощью которых замыкаются обкладки банки, всегда обладают некоторой индуктивностью, лейденская банка и цепь образуют колебательный контур. В. Томсон (Кельвин) в 1853 г. дал теоретическое объяснение этому явлению и рассчитал период возникающих колебаний:

T = 2π√LC

где L и С - соответственно индуктивность и емкость контура.

До Герца наибольших успехов в экспериментальных исследованиях электромагнитных колебаний добился в конце 50-х - начале 60-х годов XIX в. немецкий ученый В. Феддерсен. Ему удалось наблюдать колебания, период которых составлял около 10-6 с. Интересно, что для определения периода колебаний Феддерсен использовал метод вращающегося зеркала, предложенный еще Уитстоном, внеся в него одно существенное изменение - изображения искр регистрировались на фото пленке.

Генрих Герц (1857-1894)
Генрих Герц (1857-1894)

Герца первоначально интересовало индукционное действие разряда, возникающего в одном контуре, на процессы, происходящие в другом контуре. Схема его первых опытов показана на рис. 32. В разряднике (вибраторе) В, представлявшем собой два стержня с металлическими шарами на концах, с помощью высоковольтной индукционной катушки Румкорфа А возбуждались колебания, благодаря которым в разрядном промежутке наблюдался "поток искр". К одному из стержней разрядника подсоединялся с помощью проводника контур с разрядником М. Расстояние между шарами контура М можно было менять с помощью микрометра. Главная заслуга Герца на первом этапе работы состояла в том, что ему удалось создать электрические колебания, период которых был в 100 раз меньше, чем период колебаний, изучавшихся Феддерсеном. Результат опыта Герц описывает так:

Рис. 32. Схема опыта Герца. А - индукционная катушка, В - первичный разрядник (вибратор), abсd - вторичный контур с разрядником 1 - 2, е - точка подключения соединительного проводника
Рис. 32. Схема опыта Герца. А - индукционная катушка, В - первичный разрядник (вибратор), abсd - вторичный контур с разрядником 1 - 2, е - точка подключения соединительного проводника

"Во время действия индукционной катушки мы будем ... наблюдать в микрометре (1 - 2 на рис. 32. - С. Ф.) поток искр, достигающих иногда длины в несколько миллиметров.

Этот опыт показывает, во-первых, что в момент разряда интенсивные электрические движения происходят не только в разряднике, но и во всех соединенных с ним проводах; во-вторых, он показывает ..., что эти движения происходят очень быстро и поэтому должен быть принят во внимание даже тот промежуток времени, в продолжение которого электрические волны проходят через короткие электрические провода".

Объяснение результата опыта Герца состоит в том, что изменение потенциала разных точек контура М происходит не синхронно, поскольку для распространения "электрической волны" требуется время. Вследствие этого между шариками 1 и 2 возникает разность потенциалов, достаточная для создания электрического разряда. Подтверждением этого объяснения служит тот факт, что при подключении проводника, соединяющего два контура в точке е, симметричной относительно шариков 1 и 2, искры в микрометре не наблюдаются. Опыт Герца в описанном виде, по существу, является лишь модификацией опыта Уитстона. Однако если доказательство конечности скорости распространения электрических возмущений было завершением работы Уитстона, то для Герца этот опыт стал началом большого цикла экспериментов.

Прежде всего Герц выяснил, при каких условиях действие одного колебательного контура на другой наиболее эффективно. Ему удалось показать, что эти условия выполняются при резонансе, т. е. при совпадении периодов колебаний в двух контурах. Очень скоро Герц убедился, что соединительный провод для возникновения искр в микрометрическом контуре необязателен; для наблюдения искр существенной была ориентация "первичного" и "вторичного" контуров, т. е. взаимное расположение разрядного промежутка, соединенного с катушкой, и шариков 1 и 2. Этот результат, по-видимому, сыграл главную роль в обращении Герца к проверке выводов теории Максвелла. Действительно, пока речь шла о передаче возмущений по проводам, результаты опытов можно было более или менее успешно объяснить как с помощью полевых представлений Максвелла, так и в рамках теории дальнодействия.

Однако взаимное влияние контуров при расстоянии между ними в 1,5 м с трудом согласовывалось с выводами теории дальнодействия. В то же время обнаружение передачи электрических возмущений без использования проводников еще нельзя было считать доказательством существования электромагнитных волн Максвелла - теория электромагнитного поля предсказывала существование волн определенного типа, характеризовавшихся своеобразными свойствами. Изучение свойств обнаруженных волн и было задачей следующего этапа работы Герца.

Здесь нет места для подробного описания многочисленных классических опытов Герца, с помощью которых ему удалось доказать наличие у электромагнитных волн всех свойств, предсказанных теорией Максвелла. Для нас наибольший интерес представляют эксперименты, посвященные определению скорости распространения волн Герца.

Очевидно, что для измерения этой скорости известные оптические методы не годились - интенсивность источника волн была слишком малой, чтобы использовать в опытах большую базу. Решить задачу экспериментатору помогло своеобразие того диапазона волн, в котором проводились опыты: длина волн составляла около 10 м.

Герц в ходе экспериментов заметил, что при отражении электромагнитных волн от стены комнаты возникает так называемая стоячая волна. Суть этого явления состоит в том, что в пространстве между источником волн и отражающей поверхностью стены возникают две бегущие в противоположных направлениях волны - падающая и отраженная. Эти волны, естественно, имеют одинаковую частоту, и, кроме того, разность фаз колебаний, создаваемых волнами в определенной точке пространства, постоянна. Вследствие такого наложения волн возникает интерференция. Математически явление можно описать так. Пусть вдоль оси х в противоположных направлениях распространяются две волны, описываемые уравнениями

Е1 = Е0cos(ωt + kx), (VII. 1)
Е2 = Е0cos(ωt - kx - π)*). (VII. 2)

* (При отражении от преграды между падающей и отраженной волнами возникает сдвиг фаз, величина которого зависит от условий отражения. В случае отражения электромагнитной волны от металлического экрана направление вектора электрического поля меняется на противоположное (т. е. фаза волны меняется на π). Поскольку именно этот случай реализовался в опытах Герца, в дальнейших рассуждениях использована такая форма записи выражения для отраженной волны. Напомним, что k = 2π/λ.)

Пусть отражение волны Е1 происходит в точке х = 0; вследствие этого отражения и возникает волна Е2. Результирующее колебание в точке х в области x > 0 определяется выражением

Е = Е1 + Е2 = -2E0sin ωt sin kx. (VII. 3)

Видно, что полученное выражение существенно отличается от уравнения бегущей волны (VII. 1). Одним из проявлений различий между стоячей и бегущей волной является тот факт, что в точках

x = ( n = 0, 1, 2, ...) E = 0
2

при любых значениях t. Такие точки называют узлами стоячей волны. В точках

x = 2n + 1 λ
4

величина Е периодически принимает значения 2Е0 и -2Е0. Принято говорить, что в этих точках возникает пучность стоячей волны. Ясно, что если измерить расстояние между двумя соседними пучностями (или узлами) или между некоторой пучностью и ближайшим к ней узлом, то можно определить длину волны λ. Если же каким-либо образом независимо измерить период колебаний Т, то можно найти фазовую скорость волны

υ = λ .
T

В оптике такой способ определения скорости волны был неприемлем из-за трудностей независимого определения периода колебаний световой волны. С волнами Герца дело обстояло проще. Период колебаний Т определяется формулой Томсона, и для его вычисления надо знать значения емкости и индуктивности вибратора - источника волн. Эти величины относительно легко рассчитать, зная геометрические размеры вибратора.

Эксперимент Герц проводил так. Он укрепил на стене лист из оцинкованного железа и заземлил его в разных точках, чтобы избежать накопления заряда вследствие недостаточно высокой проводимости металла. Вибратор-источник был установлен у противоположной стены комнаты на расстоянии около 10 м от экрана. Регистрирующим прибором служил небольшой разрядник-резонатор. В ходе опыта Герц менял ориентацию разрядных промежутков приемника и источника и положение приемника. Вблизи экрана искр не наблюдалось. По мере удаления от него в разряднике-приемнике появились искры, которые все более усиливались - вплоть до расстояния 2 м от экрана; при дальнейшем удалении от экрана искры начали уменьшаться. Полное исчезновение искр наблюдалось на расстоянии 4 м от экрана. В результате наблюдений Герц пришел к картине стоячей волны, показанной на рис. 33. На графике пучности стоячей волны отмечены буквами В и D, а узлы - буквами С и А. Сдвиг узла волны "за зеркало" объясняется конечной проводимостью материала, из которого сделан экран (изменение фазы волны при отражении не равно в точности π - см. сноску на с. 148).

Рис. 33. Стоячая волна Герца. А и С - узлы, В и D - пучности
Рис. 33. Стоячая волна Герца. А и С - узлы, В и D - пучности

Мы описали лишь общую идею метода измерений, использованного Герцем. В действительности ученый провел много дополнительных опытов, чтобы получить результаты, допускающие однозначную интерпретацию. В итоге Герц определил длину волны. Однако в вычислении емкости вибратора-источника Герц допустил ошибку, которую он позже назвал "роковой" - вычисленная им емкость в два раза превосходила действительную. Это привело к значению скорости волн

с = 200000 км/с,

что в 1,5 раза меньше истинной скорости. Впервые на ошибку Герца обратил внимание в 1891 г. французский физик и математик А. Пуанкаре. Учет замечания Пуанкаре приводит к значению с, близкому к скорости света в вакууме, что и предсказывала теория Максвелла.

Как уже говорилось, Герц доказал, что волны, создаваемые вибратором, обладают и другими свойствами, характерными для электромагнитных волн. Он наблюдал их интерференцию, дифракцию, доказал их поперечность. Проводя опыты с коротковолновым излучением (λ = 0,6 м), ученый подтвердил применимость законов геометрической оптики в случае, когда длина волны значительно меньше размеров зеркал, препятствий и т. д.

Важнейшим итогом работы Герца явилось доказательство тождественности свойств электромагнитных волн и света. Различия между этими волнами проявлялись лишь в способах генерации и регистрации, которые определялись величиной соответствующих длин волн. Задача, вставшая перед физиками после опытов Герца, состояла в "смыкании" электромагнитных волн, получаемых в опытах с вибраторами, с длинноволновым инфракрасным излучением нагретых тел. Для решения этой задачи понадобилось около сорока лет.

Значительный шаг на этом пути сделал замечательный русский физик П. Н. Лебедев (1866-1912). Он уменьшил длину волны, получаемой с помощью "электрических" методов, до 6 мм (1895 г.).

Заслуга "соединения" границ волн Герца и инфракрасных волн принадлежит советскому физику А. А. Глаголевой-Аркадьевой (1884-1945). С помощью специального источника - "массового излучателя" - ей удалось получить волны, длины которых лежат в диапазоне от 82 мкм до десятков миллиметров (1922 г.).

В последние годы XIX в., уже после опытов Герца, были сделаны открытия, расширившие спектр электромагнитных волн. В 1895 г. немецкий физик В. К. Рентген (1845-1923) открыл новый вид излучения, названный впоследствии его именем; рентгеновскому излучению соответствует диапазон λ = 10÷0,1 А. В 1900 г. французский ученый П. Вийяр при исследовании радиоактивности обнаружил еще более коротковолновое излучение - так называемые γ-лучи.

Рубеж XIX и XX вв. ознаменовался не только множеством интересных экспериментальных открытий. В первом десятилетии XX в. была выдвинута новая гипотеза о природе света - идея о квантах света (фотонах). Согласно этой теории свет представляет собой поток частиц - фотонов, движущихся со скоростью с и обладающих энергией hυ (h - универсальная постоянная - постоянная Планка, υ - частота света). Оказалось, что квантовые свойства света проявляются тем сильнее, чем больше частота фотона. Опыты с рентгеновскими и γ-лучами дали важнейшие свидетельства в пользу квантовой теории излучения. Итогом развития взглядов на природу света и электромагнитного излучения в целом стало представление об излучении как сложном объекте, обладающем как волновыми, так и квантовыми свойствами.

Для нашей темы расширение шкалы электромагнитных волн имеет первостепенное значение. Оказалось, что видимый свет - это лишь очень малая часть электромагнитного спектра. Согласно теории волны (или кванты) любой частоты должны обладать в вакууме одной и той же скоростью. Экспериментальная проверка этого утверждения представляет собой задачу фундаментального значения. Главная трудность ее решения заключается в том, что необходимо исследовать огромный диапазон частот - до 1025 Гц!

При переходе от одного диапазона к другому меняются как способы генерации излучения, так и методика его регистрации. Охватить в одном исследовании всю шкалу электромагнитных волн не под силу не только одному человеку, но и одной группе исследователей. Этим объясняется разнообразие имен ученых и названий исследовательских центров, в которых занимаются измерениями скорости распространения электромагнитного излучения.

Рассказать о всех проведенных опытах невозможно. Мы ограничимся рассмотрением экспериментов, относящихся к двум диапазонам волн. Речь пойдет об опытах советских физиков Л. И. Мандельштама (1879-1944) и Н. Д. Папалекси (1880-1947) по определению скорости радиоволн и об экспериментах по измерению скорости γ-квантов. Эти примеры покажут, какое значение для экспериментальной физики имеют совершенствование измерительных приборов и обнаружение неизвестных физических явлений, которые позволяют по-новому подойти к уже привычным задачам.

Начнем с рассказа об опытах Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси. Эти ученые по праву считаются одними из создателей радиофизики. Они занимались очень широким кругом вопросов, касавшихся генерации, распространения и приема радиоволн. В 20-30-е годы нашего века многие вопросы радиотехники, вошедшие сейчас в большинство учебников, только разрабатывались. Напомним, что впервые передача сигналов на расстояние с помощью электромагнитных волн в "свободном" пространстве была продемонстрирована русским ученым А. С. Поповым в 1895 г. К началу опытов Мандельштама и Папалекси радиотехнике не исполнилось еще и сорока лет.

Советские радиофизики обратились к проблеме измерения скорости радиоволн по ряду причин. Во-первых, в силу особенностей волн этого диапазона скорость их распространения у поверхности Земли может отличаться от скорости света в воздухе. Уже в начале XX в. была развита теория распространения электромагнитных волн вблизи проводящей поверхности: верхние слои почвы обладают заметной проводимостью. Измерение скорости радиоволн позволяло проверить эту теорию. Во-вторых, в начале 30-х годов радиоволны нашли новые применения. Их стали использовать для исследования ионосферы Земли*, в радионавигации и радиогеодезии - для определения расстояния между двумя пунктами с помощью радиоволн. Появление новых "профессий" у радиоволн требовало большей точности в определении их скорости. Большое значение для выбора темы исследований имела, конечно, и связь скорости радиоволн на Земле с фундаментальной постоянной - скоростью электромагнитных волн в вакууме.

* ( Ионосфера - верхняя часть атмосферы (начинается с высот около 50 км), содержащая большое количество заряженных частиц - ионов и электронов. )

Леонид Исаакович Мандельштам (1879-1944)
Леонид Исаакович Мандельштам (1879-1944)

Подход Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси к проблеме характеризовался глубиной и основательностью. Еще до проведения опытов были проанализированы возможные погрешности и определены оптимальные условия для постановки экспериментов.

Измерения проводились в диапазоне длин волн 130-450 м. Идея опытов очень проста. Передающая станция I посылает в направлении станции II радиоволны. Эти волны воспринимаются станцией II, которая посылает обратно к станции I волны, когерентные с принятыми.

Вследствие конечности времени распространения волны от станции I до станции II и обратно между волной, посланной станцией I, и волной, принятой ею от станции II, возникает разность фаз φ, которую можно измерить. Зная расстояние между станциями, по измеренной величине φ можно определить скорость радиоволн.

Предложенный метод, конечно, напоминает как метод Галилея, так и интерференционный метод Майкельона. Однако в методе Мандельштама-Папалекси имеется ряд принципиальных особенностей. В оптических опытах в качестве отражателя используется зеркало, попросту возвращающее часть энергии к источнику излучения. Использование зеркала диктуется тем обстоятельством, что создать два независимых когерентных источника света не удается. Возможность применения зеркал определяется малой величиной длины волны света: можно создать узкий пучок света и избежать значительных дифракционных эффектов. В радиотехнике в некотором смысле возникает обратная ситуация. Относительно просто добиться того, чтобы два передатчика излучали когерентные радиоволны. В то же время при работе с длинами волн ≈ 300 м избежать дифракционных явлений нельзя, поэтому получить узкий пучок радиоизлучения крайне трудно. Последнее обстоятельство определяет быстрое уменьшение интенсивности излучения с расстоянием. Это в свою очередь заставляет использовать вместо "пассивного" зеркала второй передатчик, управляемый сигналами первого. Таким образом, различия в свойствах радиоволн и света как бы компенсируются, и в итоге в обоих диапазонах оказывается применимым интерференционный метод.

Николай Дмитриевич Папалекси (1880-1947)
Николай Дмитриевич Папалекси (1880-1947)

Использование передатчика II - далеко не единственная особенность метода Мандельштама - Папалекси. В их опытах частоты передатчиков I и II не были одинаковы. Читатель может возмутиться: как же могут интерферировать волны разных частот?! Ответ на этот вопрос не так уж очевиден, как может показаться на первый взгляд. Интерференция волн разных частот невозможна, если они создаются независимыми источниками. В рассмотренных опытах излучение передатчика I "управляет" работой передатчика II, точнее, синхронизирует ее, поэтому волны от обеих станций в любой точке пространства между ними имеют вполне определенную разность фаз и могут интерферировать друг с другом. Использование волн с разными частотами обусловлено трудностями, которые возникают при выделении слабого сигнала от станции II на фоне мощного излучения станции I, если станции работают на одной частоте. Ученые пользовались передатчиками, отношение частот которых было рациональным (обычно 3:2 или 4:3).

Такое соотношение между частотами позволяет определить сдвиг фаз из наблюдений фигур Лиссажу.

Фигуры Лиссажу - это замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два гармонических (синусоидальных) колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для получения фигур Лиссажу частоты колебаний должны относиться как целые числа. В простейшем случае, когда частоты и амплитуды колебаний равны, точка описывает эллипс (рис. 34, а). Его форма и ориентация зависит от сдвига фаз между колебаниями: при сдвиге фаз φ = 0 или φ = π мы увидим прямую, при φ = π/4 - эллипc, при φ = π/2 - окружность. Теперь нетрудно понять, что по виду и ориентации фигуры Лиссажу можно определить сдвиг фаз между колебаниями с разными частотами. Для примера на рис. 34, б показаны фигуры Лиссажу, возникающие при колебании точки по вертикали по закону y = y0sin(3ω + φ), а по горизонтали х = x0sin(2ωt). Фигуры различаются только значением φ: 1) φ = 0; 2) φ = π/3; 3) φ = 2π/3. Фигуры Лиссажу удобно наблюдать с помощью осциллографа, если на одну пару его пластин подать сигнал с частотой ω1, а на другую - сигнал с частотой ω2.

Рис. 34. Фигуры Лиссажу. а) x = y 1) = 0; 2) = /4; 3) = /2; б) x:y = 2:3 1) φ = 0; 2) = /3; 3) = 2/3
Рис. 34. Фигуры Лиссажу. а) ωx = ωy 1) φ = 0; 2) φ = π/4; 3) φ = π/2; б) ωxy = 2:3 1) φ = 0; 2) φ = π/3; 3) φ = 2π/3

Однако изучение фигур Лиссажу позволяет определить лишь часть сдвига фаз Δφ, которая связана с полным сдвигом фаз соотношением

Δφ = φ - 2kπ,

где k - целое число, не известное экспериментатору*. Для нахождения скорости требуется знать не Δφ, а φ.

* ( Нетрудно видеть, что вид фигуры Лиссажу не изменится, если изменить φ на величину, кратную 2π.)

Поэтому Мандельштаму и Папалекси пришлось усложнить опыт. В ряде измерений определялось изменение Δφ при плавном изменении расстояния между передатчиками I и II, что позволяло найти φ и, следовательно, υ; этот метод получил название "метода радиолага". Того же результата можно добиться, если плавно менять частоту, оставляя неизменным расстояние между передатчиками; такой способ определения υ называется "методом радиодальномера".

Реализация обоих методов требует большого экспериментального, а также организационного искусства. Для расчета υ необходимо учесть сдвиг фаз, который вносят приемники и передатчик II; следует внимательно относиться к метеорологическим условиям: от них зависит проводимость почвы, влажность воздуха и т. д., которые влияют на величину скорости радиоволн, распространяющихся вблизи поверхности Земли.

Проведение измерений потребовало большой подготовительной работы. В период с осени 1934 г. по осень 1937 г. измерения проводились в трех районах Советского Союза: на Северном Кавказе, на побережье Черного и Белого морей. Опыты были продолжены в 1939-1940 гг. и в других районах страны. В экспериментах участвовало большое число сотрудников, работавших под руководством Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси. Эта работа, по существу, представляла собой коллективное исследование. В 30-е годы решение сложных проблем большими коллективами ученых только начинало входить в практику исследовательской работы. В наши дни такой подход стал нормой.

В результате многолетней работы группе Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси удалось получить значение

υ = 299500 ± 80 км/с*.

* (Приведенное значение υ - это скорость радиоволн в вакууме; оно получено на основе измерений с учетом ряда факторов (конечной проводимости почвы, влияния атмосферы и т. д.). )

К сожалению, война помешала советским ученым подвести итог проведенному исследованию сразу после его окончания. Результаты опытов были обобщены Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси в докладе, прочитанном 16 февраля 1943 г. в Казани, куда была эвакуирована Академия наук.

Вторая мировая война вызвала резкое расширение работ в области радиолокации. Это привело к повышению интереса физиков к проблеме определения скорости радиоволн. Для повышения точности измерений стали использоваться новейшие приборы и методы измерений, разработанные в военных целях. В наши дни точность измерений скорости радиоволн значительно повысилась, однако работы советских физиков Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси до сих пор считаются классическими, положившими начало развитию целого направления радиофизики и метрологии.

* * *

Обратимся теперь к проблеме скорости распространения γ-излучения - наиболее высокочастотного излучения электромагнитного спектра. Впервые γ-лучи были обнаружены при исследовании явления радиоактивности. Однако радиоактивные ядра - не единственный источник γ-излучения. Оно может возникать, например, в процессе аннигиляции электрон-позитронных пар: при столкновении этих частиц возникают два γ-кванта.

Существует способ генерации γ-излучения, частоту которого можно варьировать в довольно широких пределах. Из законов электродинамики следует, что заряженная частица, движущаяся с ускорением, должна излучать электромагнитные волны. Их частота зависит от величины ускорения. С помощью современных ускорителей заряженные частицы, например, электроны, могут быть разогнаны до скоростей, лишь на ничтожные доли процента отличающихся от скорости света. Если пучок таких быстрых электронов направить на какую-либо мишень, произойдет их резкое торможение, при котором будут испущены электромагнитные волны высокой частоты. Такое излучение получило название тормозного. Изменение энергии электрона, налетающего на мишень, приводит к изменению частоты излучения.

В опытах по определению скорости γ-квантов применялись различные методы их генерации. Мы расскажем здесь об экспериментах, в которых использовалось тормозное γ-излучение. Схема одного из первых экспериментов этого типа показана на рис. 35. γ-излучение, необходимое для измерений, возникало в тонкой мишени 2 при попадании на нее пучка электронов с энергией 3,10⋅108 эВ*. Заторможенные электроны отклонялись в магнитном поле и попадали на счетчик 6, расположенный таким образом, что счету подлежали только электроны с энергией 1,4⋅108 эВ. Тормозное излучение, созданное этой группой электронов, выделялось из общего числа - γ-квантов попадающих на счетчик 5, с помощью так называемой схемы запаздывающих совпадений. Эта схема - специальное электронное устройство, на которое подаются сигналы от нескольких счетчиков. При этом неважно, какой именно тип счетчика используется: в описываемом опыте, например, один счетчик регистрировал заторможенные электроны, а второй - γ-кванты. Электронная схема как выпроводит "сравнение" поступающих сигналов и регистрирует только такие пары импульсов от счетчиков, которые разделены определенным временным интервалом - именно поэтому она названа схемой запаздывающих совпадений. Если промежуток времени между импульсами больше или меньше заданного, схема не срабатывает.

* (1 электронвольт (эВ) = 1,6⋅10-19 Дж - энергия, приобретаемая электроном при прохождении ускоряющей разности потенциалов 1 В. Электрон, обладающий энергией 3,1⋅108 эВ, движется со скоростью υ - 0,9999986 с.)

Рис. 35. Схема установки для измерения скорости тормозного -излучения. 1 - пучок электронов, 2 - мишень, 3 - тормозное -излучение, 4 - траектория заторможенных электронов, 5 - подвижный счетчик -квантов, 6 - неподвижный счетчик заторможенных электронов
Рис. 35. Схема установки для измерения скорости тормозного γ-излучения. 1 - пучок электронов, 2 - мишень, 3 - тормозное γ-излучение, 4 - траектория заторможенных электронов, 5 - подвижный счетчик γ-квантов, 6 - неподвижный счетчик заторможенных электронов

Анализ спектра γ-излучения показал, что наибольшее число совпадений сигналов от счетчиков электронов и γ-квантов регистрируется для γ-квантов c энергией 1,7⋅108 эВ. Этот факт служил доказательством того, что схема регистрирует γ-кванты испущенные электронами, энергия которых после излучения оказалась равной 1,4⋅108 эВ. Перемещая счетчик 5 и измеряя время запаздывания регистрации γ-квантов по отношению к регистрации электронов, можно было найти скорость γ-квантов. Измерения были проведены на Корнеллском синхротроне американскими физиками Д. Лакли и Дж. В. Вейлем в 1952 г. Они измерили время запаздывания для четырех положений счетчика, причем крайние из них отстояли друг от друга на расстоянии 13 м. После обработки результатов измерений было получено значение с с точностью 1%:

с = 2,974 ⋅ 1010 см/c,

что находится в согласии с другими измерениями с.

С течением времени точность экспериментов, проводимых на ускорителях, значительно выросла. В 1973 г. группа американских ученых из Калифорнийского университета сообщила о проведении эксперимента по сравнению скоростей квантов электромагнитного излучения видимого диапазона (энергия квантов - несколько электронвольт) и γ-квантов с энергией 7 ГэВ*. В опыте использовались γ-кванты, испускающиеся при торможении быстрых электронов; видимый свет возникал вследствие движения электронов в магнитном поле - этот вид излучения называют синхротронным. Вывод, к которому пришли американские физики, состоит в том, что относительное различие в скоростях квантов разных энергий удовлетворяет условию

* (1 ГэВ = 109 эВ. Частота γ-излучения с энергией 7 ГэВ равна 1,7 ⋅ 1024 Гц. )


Таким образом, за неполных сто лет, прошедших после открытия Герца, скорость электромагнитных волн была определена в очень широком интервале частот. Охватить все измерения, проведенные за это время, не представляется возможным. Мы не затронули вопрос о скорости инфракрасных, ультрафиолетовых волн и рентгеновских лучей. Хотя точность проведенных опытов в разных диапазонах существенно различается, общий вывод, следующий из анализа полученных результатов, таков: на сегодняшний день нет оснований предполагать, что в вакууме скорость распространения электромагнитных волн разных частот отличается от скорости распространения видимого света. Это свидетельствует об истинной фундаментальности постоянной с.

предыдущая главасодержаниеследующая глава










© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2019
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной
1500+ квалифицированных специалистов готовы вам помочь