ФІЗИКА - Золота колекція рефератів - 2018
РЕЧОВИНА В МАГНІТНОМУ ПОЛІ
Ця історія починається з Джона Дальтона (1766-1844), самоучки, який спочатку викладав математику дітям у Манчестері, а потім зайнявся дослідженнями повітря, газових сумішей, склав першу таблицю атомних мас, вивчав властивості перегрітої пари.
Потім настав час Джеймса Прескотта Джоуля (1818— 1899). Він навчався вдома, а до фізики його приохотив саме Дальтон. Учні знали про професора з «дальтонізму», колірної сліпоти, але серйозні люди чули також про змагання вчителя з Гей-Люссаком, який допомагав самому Бертолле, літав над Парижем у монгольф’єрі, але все-таки відстав від Дальтона у встановленні закону розширення газу при нагріванні.
Джоуль став великим ученим. Він багато й досить успішно займався магнетизмом, повідав світу про існування межі намагнічування сталі, про магнітне насичення. Джоуль виміряв тепло, виділюване електричним струмом, помітив магнітострикцію, тобто зміну обсягу намагніченого заліза.
А тим часом, немов дотримуючись заздалегідь відомого сценарію, сотні дослідників день за днем наближали появу дивного магнітного приладу, народження якого ніхто, звичайно, не міг заздалегідь припускати.
У 1880 р. Е. Гольдштейн відхилив пучок катодних променів (пізніше довідалися, що це потік електронів), піднісши до нього магніт. Негативний знак заряду цих променів визначив Ж. Перрен, пов’язавши напрямок магнітного поля з траєкторією пучка. Його дослід уточнив Дж. Дж. Томсон, потім Дж. Лармор передбачив прецесію електронів у зовнішньому магнітному полі.
Наприкінці позаминулого століття фізики активно розробляли найцікавіший розділ теорії — будову речовини, і найефективнішими інструментами в руках дослідників виявилися електричне (воно прискорювало заряджені частинки) і магнітне (воно викривляло шлях частинок) поля.
Сьогодні кожному школяреві відомо, що магнітне поле відхиляє електричний заряд у польоті, нічого іншого незмінного в часі магнітне поле робити не вміє. А тоді, при житті наших прадідів, це правило тільки-но починало формулюватися: то Зеєман розщепив магнітним полем спектральні лінії (1896), то Браун побудував катодно-променеву трубку (1897), то магніти змогли відхилити промені радію (1899).
У 1907 р. Дж. Дж. Томсон, який щойно одержав Нобелівську премію за відкриття електрона, запропонував побудувати мас-спектрометр, що зіграв величезну роль у фізиці елементарних частинок.
Принцип магнітної спектрографії використовують для поділу ізотопів різних елементів.
Ізотопи, як відомо, — це атоми того самого елемента, у ядрах яких міститься однакова кількість протонів, але
різна кількість нейтронів. Отже, маси ядер ізотопів різні, і їх орбіти під час руху в магнітному полі теж різні. Траєкторії руху важчих ядер менше викривлені, внаслідок чого легкі й важкі ядра рухаються в магнітному полі різними орбітами. У сильному магнітному полі можуть бути розділені навіть дуже «схожі» ізотопи.
Магнітні спектрографи створювалися ніби в три етапи. Спочатку Чарльз Вільсон (1869-1959) винайшов камеру для фіксації слідів пролітання заряджених частинок (1912), за що пізніше одержав Нобелівську премію. Осьде стали в нагоді знання Дальтона про пересичену пару! Якщо різко розширити обсяг вологого повітря, то він охолоне, і в стані пересичення незначної причини досить для конденсації пари. Ось чому камеру Вільсона ретельно очищають від пилу, оберігають від струсів. Тепер достатньо одній-єдиній зарядженій частинці пролетіти через камеру, щоб її шлях був відзначений туманним слідом. Трек треба освітити, сфотографувати, і візитна картка гості потрапляє в розпорядження вчених.
Камера Вільсона з’явилася, а тим часом А. Демістр за ідеєю Дж. Дж. Томсона побудував перший мас-спектрограф (1918). За рік Ф. Астон створив уже ефективний апарат: частинки не тільки пролітали зазор конденсатора й цятку між полюсами магніту, але, пройшовши серію вузькоорієнтованих щілин, потрапляли на фотопластинку.
Але ось магніт «зустрівся» з камерою Вільсона, і допоміг цій зустрічі ГІ. Л. Капіца. Справа в тому, що парова камера не могла відповісти на запитання, яка ж частинка пролетіла. Камера Вільсона попереджала про появу частинок, не «пізнаючи» їх.
Вихід із цього положення був знайдений радянським фізиком П. Л. Капіцею, який опублікував 1923 р. у журналі Кембриджського філософського товариства невелику статтю, у якій описував деякі експерименти за спостереженням слідів альфа-частинок у камері Вільсона. Установка П. Л. Капіци являла собою камеру Вільсона, поміщену всильне магнітне поле. Що це давало? Ми знаємо, що в магнітному полі будь-яка заряджена частка рухається по кривій, радіус якої обернено пропорційний напруженості магнітного поля й прямо пропорційний швидкості й масі частинки. Таким чином, знаючи напруженість магнітного поля й вимірявши радіус треку частинки в камері Вільсона, можна довідатися про її масу й енергію.
Ідея П. Л. Капіци про магнітну камеру знайшла прихильників. Серед них був і американець К. Андерсон, який 1932 р. помістив камеру Вільсона всередині великого електромагніта зі сталевим сердечником і полем близько 2 Тл. Полюси магніту були сконструйовані таким чином, що створюване магнітне поле було абсолютно однорідним, тобто однаковим у всіх точках камери. Це давало можливість точніше визначати енергію частинок. Андерсона крім енергії цікавили те й знаки заряду частинки. При заданому напрямку магнітного поля й відомому напрямку руху позитивно заряджені частинки будуть відхилятися в один бік, а негативно заряджені — в інший.
Досліджуючи вільсонограми (так іноді називають фотографії слідів у камері Вільсона) космічних променів, Андерсон раптово побачив разючу річ: частинка, за імпульсом аналогічна до електрона, відхилялася магнітним полем так, ніби вона була заряджена позитивно. Андерсон твердо знав, що електрон так відхилятися в магнітному полі не може, оскільки він має негативний заряд і повинен відхилятися в протилежний бік.
Протиріччя можна було б спростувати, якби приписати цьому «електрону» позитивний заряд. Існування антиелектрона, що володіє позитивним зарядом, було передбачене 1928 р. молодим англійським фізиком Полем Діраком на основі аналізу квантових рівнянь руху електрона.
Частинка, відкрита Андерсоном, дійсно виявилася антиелектроном, або, як його тепер називають, позитроном. Це була перша виявлена людиною частинка з антисвіту. Її відкриття було б украй важке без сильного магнітного поля, без потужного магніту. Так, академік Д. В. Скобельцин, що натрапив на слід позитрона набагато раніше Андерсона, упустив його, оскільки магніт Скобельцина давав поле лише 0,3 Тл.
Камера Вільсона була незамінним лабораторним пристроєм доти, поки енергії (швидкості) випромінюваних у ній частинок були відносно невеликими. Але в 50-х рр. у СРСР, США й інших країнах почали діяти гігантські прискорювачі, здатні надавати частинкам колосальної швидкості. Енергія частинок була при цьому настільки великою, що вони безперешкодно пронизували камеру Вільсона й майже не відхилялися магнітним полем. Це й не дивно — камера Вільсона заповнена газом, який майже не представляє собою перешкоди для частинок Частинки настільки великих енергій необхідно було досліджувати по-іншому.
Камеру Вільсона Капіца «доробив» ґрунтовно, але резерви її поліпшення вже вичерпувалися. У 1948 р. Нобелівську премію одержав П. Блекетт, який прибудував де камери Вільсона безліч лічильників елементарних частинок, які при необхідності вмикали камеру й вимикали її, коли вона простоювала без справи. Але набагато серйознішу пропозицію зробив американець фізик Дональ Глезер, учень Андерсона. І якщо Андерсон відкрив позитрон—антиелектрон, то заслуга Глезера була не меншою — він відкрив «антикамеру Вільсона» — бульбашкову камеру.
Повчальною є історія цього відкриття. Повчальною тому, що вона ще раз переконливо доводить, що людина, одержима якоюсь ідеєю, здатна бачити у відомих речах тільки їй одній зрозумілі явища, уловлювати лише для неї очевидні асоціації, що призводять зрештою до відкриття.
Дональд Глезер протягом тривалого часу болісно шукав матеріал, твердий або рідкий, що перебуває в такій хиткій рівновазі, яку могла б порушити навіть одна-єдина атомна частинка. У цьому випадку ефемерна частинка могла б залишити за собою видимий оком слід, що складався б, наприклад, з бульбашок випарованої рідини. Часом Глезер утрачав надію — занадто незначною здавалася ймовірність випарувати енергією єдиної частинки помітну кількість рідини.
Одного разу Глезер натрапив на статтю тридцятилітньої давнини про «дивну рідину» — діетиловий ефір, нагрітий до 140 °С. «Дивовижність» рідини полягала втому, що при цій температурі вона обов’язково бурхливо скипала, однак завжди через різні проміжки часу. Провівши тридцять експериментів, автори статті переконалися в тому, що проміжки часу перед скипанням цієї «примхливої» рідини утворювали ряд, що відповідає закону випадкових подій.
Глезер засів за розрахунки, які показали, що частота скипання рідини в точності відповідає можливості потрапляння в колбу космічних променів, тобто окремих атомних частинок з високою енергією. Так була відкрита перша рідина, придатна для використання в бульбашковій камері, за створення якої Глезер 1960 р. одержав Нобелівську премію.
Бульбашкова камера дійсно може бути названа «антикамерою Вільсона»: якщо в камері Вільсона слід частинки складений крапельками рідини, що осіли на йонізованих атомах, то в бульбашковій камері, навпаки, слід складається з бульбашок газу, що утворилися у вихідній рідині за рахунок тепла, виділеного при утворенні заряджених йонів. У бульбашковій камері застосовують органічні рідини або зріджені гази. Перша лабораторна модель камери була завбільшки з наперсток. Сьогодні обсяги бульбашкових камер різні — від декількох частинок літра до кількох сотень літрів. Різняться й магніти, використовувані з цими камерами. Для російської фреонової камери діаметром 115 см і завглибшки 50 см виготовлений магніт з полем 2,65 Тл і масою 72 т.
Останнім часом для створення бульбашкових камер, особливо великих, широко використовують надпровідникові магніти. Це дозволяє різко знизити розміри, масу й енергоспоживання магнітної системи.
