Капля

Гегузин Яков Евсеевич

Пузырьковая камера

В физических лабораториях она появилась сравнительно недавно, о ее рождении американский физик Дональд Гле­зер сообщил в 1952 году в апрельской книжке журнала « Physical Review » — «Физическое обозрение».

В тех лабораториях, где для обнаружения и исследова­ния элементарных частиц десятки лет пользовались ка­мерой Вильсона, в послевоенные годы стали появляться задачи, непосильные для нее. Она, восторженно именуе­мая «высшим кассационным судом в физике», не могла зарегистрировать частицы, обладающие очень высокими энергиями, поскольку такие частицы в газовой среде про­летают значительное расстояние, не вступив во взаимодействие ни с ядрами, ни с электронной оболочкой атомов газа. Если это расстояние

сравнимо с размером камеры Вильсона, а тем более если существенно превосходит его — частицы пролетят сквозь камеру, ничего не сообщив о себе. Для регистрации таких частиц нужна камера, объ­ем которой заполнен веществом более плотным, чем газ, даже если он сжат значительным давлением.

Легко следовать логике, когда уже известны пройден­ные, точнее, преодоленные трудности на пути к открытию. Эта легкость— привилегия рассказчика, глядящего на старт с финиша, кроме того, у него есть право на некото­рые домыслы, касающиеся деталей пути. Воспользуем­ся этим правом, но будем помнить, что первооткрыватели идут путями резко индивидуальными и на поворотах ру­ководствуются иногда не логикой, а интуицией, иной раз сворачивая в сторону без особых соображений.

Мысль Глезера, решившего создать замену камере Виль­сона, вначале, видимо, развивалась, следуя законам фор­мальной логики. Если в объеме камеры должен находиться не газ, то, следовательно,— либо твердое тело, либо жид­кость. Твердое тело, вообще говоря, может оказаться вполне эффективным детектором частиц высокой энергии. Глезер, разумеется, знал о том, что толстослойные фото­эмульсии успешно применяются для регистрации быстрых частиц, приходящих из космоса. Но эти эмульсии, как, впрочем, и иное твердое тело, обладают существенным не­достатком, который заключается в слишком стойкой памя­ти: трек, созданный быстрой частицей в твердом теле, су­ществует долго в связи с тем, что атомы там перемещаются медленно, и много времени должно пройти, прежде чем изгладится дефектная область, созданная энергичной частицей.

Глезер стремился к созданию иного прибора, который надежно регистрировал бы частицы и быстро «забывал» о них, готовый к приему новых. Мысль обратилась к жид­кости. Формальная логика уступила место соображениям по аналогии, точнее, по «антианалогии». В камере Виль­сона газовая среда в момент регистрации частицы рождает жидкие капли, располагающиеся вдоль ее траектории. Быть может, ситуацию следует «обратить» и заставить жидкую среду рождать газовые капли? В этом случае проблема будет решена, так как удовлетворятся главные требования, предъявляемые к камере: жидкая среда ак­тивно тормозит быстрые частицы и способна скоро запол­нять возникшие вдоль траектории газовые пузырьки, уничтожая их, готовя камеру к приему новых частиц. Дело как будто бы за малым: заставить жидкость рождать газовые пузырьки именно в момент, когда летит частица, и именно вдоль ее траектории. Способ рассуждать по ана­логии и здесь мог оказать услугу. Газовая среда рождает жидкие капли в тот момент, когда она становится неравно­весной, пересыщенной, и когда есть активные центры — ионы, на которых происходит конденсация избыточной влаги. Естественно предположить, что жидкость будет рождать пузырьки в момент наступления неравновесности, например, если вдоль траектории частицы в перегре­той жидкости возникают причины, способствующие раз­витию этих пузырьков вследствие вскипания перегретой жидкости.

Известно, что жидкость длительное время может нахо­диться в перегретом состоянии, не закипая. Особенно лег­ко перегреть жидкость в сосуде под поршнем, который оказывает на нее давление, поскольку вскипание, т. е. образование в объеме жидкости газовых пузырьков, дол­жно было бы сопровождаться увеличением ее объема, а когда этому препятствует поршень, вскипание затруднено. Если мгновенно снять нагрузку с поршня, находящаяся под ним перегретая жидкость закипит. Можно, однако, вски­панием управлять, задав те точки в объеме, где возникнове­ние газового пузырька будет облегчено. Полагая, что та­кими местами могут быть точки вдоль траектории быстрой частицы, взаимодействующей с атомами жидкости, Глезер поставил великолепный эксперимент, обнаружил явле­ние, которое следует именовать «эффектом Глезера». Стек­лянную колбу он заполнил диэтиловым эфиром, который без особых предосторожностей легко можно перегреть более чем на 100 °С. Его точка кипения 34,6° С, а в колбе, с которой экспериментировал Глезер, он был нагрет до 140° С, оставаясь спокойным. Стоило, однако, поднести к стеклу колбы препарат, излучающий – лучи,— жидкий диэтиловый эфир мгновенно и бурно вскипал. Исчерпы­вающего понимания механизма этого явления нет. Быть

может, дело в том, что в тех точках, где – квант (или ионизи­рующая частица) взаимодействует с атомами жидкости, ло­кально повышается температура, и это провоцирует появле­ние газового пузырька; быть может, возникшие при взаи­модействии заряды располагаются на поверхности случайно возникших пузырьков и делают их более жизнеспособны­ми в связи с тем, что, отталкиваясь друг от друга, расши­ряют пузырек. В данном случае важен факт: быстрая, энергичная частица, взаимодействуя с жидкостью, гото­вой вскипеть, создает активные точки, где это вскипание происходит в первую очередь.

Итак, все элементы будущей камеры налицо: быстрое снятие давления с перегретой сжатой жидкости способ­ствует ее вскипанию, а пролетающая в жидкости иони­зирующая частица делает это вскипание более легким вдоль траектории полета, которая оказывается отмеченной ниточкой «отрицательной росы». Все дальнейшее — дело техники.

Я не уверен в том, что мысль Глезера развивалась имен­но так, как представлено в очерке. Важен результат: он сумел предложить идею прибора, с помощью которого ре­шаются сложнейшие задачи физики элементарных частиц.

В 1960 году, через 33 года после Вильсона, Глезер был приглашен в Стокгольм, где ему вручили медаль лауреа­та Нобелевской премии.

Из истории исследования электрона

Речь пойдет о почти шестнадцатилетнем периоде — с 1897 по 1912 год — в истории экспериментального изучения электрона, история попыток убедиться в его реальности и определить его заряд — одно из тех чисел, на которых, как на прочном и надежном фундаменте, по­коится естествознание. История эта — отличный повод ознакомиться со многими свойствами капли, и, кроме того, она богата примерами великолепного экспериментального мастерства исследователей.

Пятнадцать лет экспериментаторы пытались узнать у капли заряд электрона, добивались, чтобы было названо искомое число. Но вопрос ставился нечетко, и поэтому ответ звучал расплывчато — был близок к истине, но с числом не совпадал. В долгих и упорных поисках вопрос выкристаллизовался, и возникла идея чистого, безупреч­ного эксперимента с каплей.

Итак, рассказ об истории экспериментальных работ по определению заряда электрона. Как и всякую историю

(когда ее излагаешь), эту удобно условно разделить на последовательность отдельных этапов, хотя, конечно же, в жизни никаких этапов не существовало — исследования велись непрерывно.

Этап первый. 1897 год. Дж. Дж. Томсон. В нашем рас­сказе этот этап носит характер предыстории — в нем кап­ля еще не участвует.

Дж. Дж. Томсон, третий директор знаменитой Кавендишской лаборатории, в этом году поставил серию опытов и показал, что заряженные частицы, возникающие при ионизации газа, и те, которые испускаются раскаленными металлами, несут на себе отрицательный заряд и имеют одинаковое отношение заряда к массе — не одинаковый заряд и одинаковую массу, а одинаковое их отношение, а оно ведь может быть одинаковым и при различных зна­чениях соотносимых величин.

Чтобы убедиться в том, что Томсон во всех опытах наб­людал одну и ту же элементарную частицу с определенны­ми зарядом и массой, нужно было в независимом опыте определить либо заряд, либо массу. Если окажется, что не только отношение этих величин одинаково, но, скажем, и заряды одинаковы, это будет означать, что Томсон от­крыл новую частицу. Любопытно, что частица, которая была открыта в 1897 году, за шесть лет до этого была пред­сказана как «естественная единица электричества» и названа «электроном».

Итак, после опытов Томсона возникли следующие экс­периментальные задачи: во-первых, убедиться в том, что существует определенная «естественная единица электри­чества», носителем которой является электрон, и, во-вто­рых, если такая единица существует, определить ее физические характеристики, в частности заряд.

Этап второй. 1897 год. Дж. Таундсенд.

Таундсенд, ученик Томсона, работавший в его лабора­тории, был первым, кто привлек каплю к участию в поис­ках величины заряда. Идея его опыта была по замыслу элементарно проста: в пространство, где имеется насы­щенный водяной пар, извне вводится некоторое количест­во ионов. В опытах Таундсенда ионы выделялись на элект­роде электролизера, а затем поступали в камеру основной установки. Камера была заполнена паром, в котором по­сле поступления ионов возникло облако капель. Таундсенд предполагал, что каждая капелька сформировалась вокруг одного иона и что все капельки имеют приблизи­тельно одинаковый объем.