Лучами, или излучением, мы называем определенные процессы, распространяющиеся в пространстве прямолинейно с известной скоростью; так мы говорим о лучах света, о лучах Рентгена, об электромагнитном излучении, применяемом в радио.
Все известные современной физике сложные и разнообразные процессы излучения, несмотря на их кажущееся различие, удавалось сводить к небольшому числу определенных классов или видов. Мы знали три основных вида лучистых процессов, три вида излучения.
Каждое раскаленное тело, например солнце, испускает видимые световые лучи, видимый спектр, т. е. лучи, которые воспринимаются нашим глазом. Одновременно с этим раскаленное тело испускает темные лучи, которые не производят никакого непосредственного действия на наш глаз. Однако оба рода этих лучей по своей природе одинаковы. Это электромагнитные колебания в эфире, они распространяются с одинаковой скоростью и по одинаковым законам. Но невидимые лучи светового спектра имеют или большую длину волны (инфракрасные) или меньшую (ультрафиолетовые), чем лучи видимые. В этом и все их различие.
Лучи Рентгена, которыми мы в настоящее время широко пользуемся в медицине и технике, имеют длину волны, гораздо более короткую, чем световые лучи. Поэтому они тоже не воспринимаются непосредственно нашим глазом, т. е. тоже являются лучами темными. Но лучи Рентгена не следует смешивать с темными ультрафиолетовыми лучами светового спектра, так как в отличие от последних они имеют длину волны еще более короткую и поэтому способны проникать через тела, непрозрачные в обычном смысле слова. Однако по своей природе это все те же электромагнитные колебания, что и световые лучи; основные законы распространения тех и других одинаковы.
*
Второй класс лучистых явлений представляет собой потоки электронов в разреженных газах, например так называемые катодные лучи. Это излучение состоит из отдельных частичек элементарных электрических зарядов, быстро движущихся по определенному направлению.
Такие элементарные электрические заряды (электроны или негатоны) можно получить, если взять например стеклянную трубку, содержащую сильно разреженный газ, с двумя электродами на концах и соединить их с каким-нибудь источником высокого напряжения. Тогда под действием электрического поля внутри такой разрядной трубки из поверхности отрицательного электрода (катода) начинают выделяться электроны, которые распространяются в трубке в направлении к положительному полюсу (аноду). Другими словами электроны начнут двигаться в определенном направлении и образуют потоки катодных лучей. Они представляют собой типичный пример лучистых явлений второго вида.
Движение электронов в электрическом поле происходит с ускорением, т. е. их скорость будет постепенно возрастать, пока они не коснутся поверхности положительного полюса или стенок разрядной трубки и отдадут им свой заряд. Скорость движения катодных лучей зависит прежде всего от напряжения электрического поля, приложенного к электродам. При низком напряжении получаются медленные, или, как говорят, мягкие катодные лучи. Они легко поглощаются самыми тонкими листочками различных твердых тел, например слюды, в несколько десятитысячных долей миллиметра толщиной. При высоком напряжении получаются быстрые или жесткие катодные лучи, которые способны проникать через листочки тел такой толщины.
Пучками катодных лучей в разрядных трубках широко пользуются сейчас в радиоделе для получения радиоволн (катодные генераторы) и усиления получаемых радиосигналов (катодные усилители).
*
Третий класс излучения называется анодными или каналовыми лучами. Если достаточно жесткий катодный луч ударяет в атомы газа, наполняющего разрядную трубку, то он отрывает от атомов внешний электрон, т. е. один из элементарных отрицательных зарядов электричества, расположенных по
внешней зоне атомов. Поэтому атом, у которого оторван внешний электрода, получает положительный электрический заряд, так как теперь внутренняя положительно заряженная часть атома получает перевес над внешней отрицательно заряженной частью. В результате образуются так называемые газовые ионы. Под действием электрического поля эти газовые ионы начинают двигаться подобно электронам с ускорением, но в обратном направлении, чем катодные лучи, так как ионы притягиваются отрицательным полюсом разрядной трубки и отталкиваются положительным.
Таким образом создаются потоки быстро движущихся положительно заряженных атомов или молекул — газовых ионов. Эти потоки ионов в газах и представляют собой третий вид излучения — анодные или каналовые лучи.
*
Основным методом, который дает возможность разобраться во всех этих сложных лучистых явлениях, можно считать действие на излучение магнитного поля.
Первый вид излучения — электромагнитные лучи — совершенно не отклоняются в магнитном поле. Напротив, второй и третий виды излучения, т. е. потоки электронов и потоки ионов, отклоняются от своего пути: в магнитном поле они двигаются не по прямой линии, а по кривой. При этом отрицательные катодные лучи отклоняются в одном направлении, а положительные потоки ионов — в противоположном.
Измеряя величину этого отклонения в магнитном поле определенной силы, можно вычислить скорость, заряд и массу этих движущихся ионов и электронов. В результате таких измерений удалось чрезвычайно тщательно изучить все физические свойства катодных и каналовых лучей. Оказалось, что все электроны совершенно одинаковы по своему заряду в массе. Единственная величина, которой они могут отличаться, — это скорость их движения.
Когда же стали исследовать с помощью магнитного поля потоки ионов, то оказалось, что они по своим физическим свойствам весьма отличны друг от друга. У них могут быть различными и масса, и величина заряда, и скорость движения. Детальные исследования показали, что масса ионов равна массе атомов и молекул газов, оставшихся в разрядной трубке. Таким образом можно говорить об ионах различных газов — азота, кислорода и т. д. Все эти ионы, находясь в электрическом поле внутри разрядной трубки, приходят в движение и образуют потоки положительных лучей, чрезвычайно разнообразных по своему составу.
*
Все три класса излучений мы можем наблюдать при так называемом процессе радиоактивного распада. Известно, что некоторые химические элементы с большим атомным весом — уран, радий и некоторые другие — непрерывно выделяют особое излучение. Это радиоактивные лучи. Они распространяются по всем направлениям из радиоактивного препарата и непосредственно не видимы. Они частично поглощаются воздухом и другими телами, a частично проходят через них. Сильнее всего поглощает радиоактивные лучи свинец. Пластина свинца в несколько миллиметров толщиной вполне поглощает все радиоактивные излучения.
Если узкий пучок радиоактивных лучей, прошедших сквозь небольшое отверстие в толстой свинцовой пластине, пропустить затем через магнитное поле, то оказывается, что. одна часть радиоактивных лучей отклоняется в одном направлении, другая в обратном, а третья остается неотклоненной.
 |
| Прохождение тонкого пучка лучей радия через сильное магнитное поле. Пучок лучей радия, положенного в точке R, проходя через магнитное поле, разделяется на три части: лучи альфа, бета и гамма |
По отклонению можно сказать, что первая часть лучей несет на себе положительный электрический заряд. При ближайшем изучении оказалось, что они представляют собой поток ионов газа гелия с двукратным электрическим положительным зарядом. Их назвали альфа-лучами.
Вторая часть оказалась потоками электронов с отрицательным зарядом. Их назвали бета-лучами.
Наконец третья часть, не отклоняемая магнитным полем, является электромагнитными импульсами с очень короткой длиной волны, еще меньшей, чем у лучей Рентгена. Их назвали гамма-лучами.
Происхождение радиоактивного излучения объясняется тем, что внутри атомов радиоактивных тел происходит некоторый процесс, при котором атомы распадаются на части. При этом распаде выделяются заряженные ионы гелия (альфа-лучи) и электроны (бета-лучи). И те и другие выбрасываются из распадающихся атомов внутриатомными силами и разлетаются с большой скоростью по всем направлениям.
При этих превращениях атомов происходит выделение некоторой части внутренней энергии атомов, за счет которой и образуется третий род радиоактивных лучей — гамма-лучи, представляющих собой электромагнитные импульсы. Чем больше выделяется при таких процессах внутриатомной энергии, тем большую энергию несет с собой электромагнитное излучение, тем оно жестче, тем глубже оно может проникнуть внутрь различных твердых тел. Гамма-лучи радиоактивных тел обладают наибольшей жесткостью из всех перечисленных выше видов электромагнитного излучения. Это указывает на то, что при радиоактивных процессах выделяются очень большие количества внутриатомной энергии.
Таким образом мы видим, что каждый род лучей, возникающих при радиоактивном распаде, по своей физической природе аналогичен одному из трех основных классов излучения: гамма-лучи — электромагнитным, бета-лучи — катодным и альфа-лучи — анодным лучам.
*
Но вот двадцать с лишним лет назад были открыты новые лучи, которые не укладывались в рамки этой простой классификации излучения. Немецкий ученый Гесс, поднимаясь в 1911 г. на воздушном шаре, обнаружил на высоте более 5 км присутствие в атмосфере особого чрезвычайно жесткого излучения, еще более жесткого, чем гамма-лучи радия. Это открытие, вызвавшее вначале некоторое сомнение, было вскоре вновь подтверждено при подъеме на воздушном шаре до высоты 9 с лишним километров. А затем было установлено, что такое же излучение наблюдается и непосредственно у поверхности земли, причем здесь оно имеет направление преимущественно сверху вниз, как бы падает на землю. Действие этого излучения наблюдается постоянно, независимо от времени, как на открытом воздухе, так и в закрытых помещениях.
Лучи эти были названы проникающими или космическими, от греческого слова космос, что значит мир, вселенная.
Вначале казалось, что их можно отождествить с наиболее жестким радиоактивным излучением, с гамма-лучами, иными словами, рассматривать их как один из видов электромагнитного излучения. Впоследствии однако был обнаружен ряд фактов, которые не вполне мирились с этим предположением. Поэтому некоторые ученые не согласны с этим предположением и ищут иных объяснений природы космических лучей.
Было выдвинуто несколько теорий происхождения космических лучей. Одни утверждает, что космические лучи представляют собой потоки необычайно жестких электроиов. Другие предполагают, что они являются отрицательно заряженными протонами, т. е. совершенно своеобразным состоянием водорода — состоянием, которое не наблюдается в земных условиях. Но все эти предположения встречают возражения и указать гипотезу, которой могла бы считаться общепринятой в настоящее время еще невозможно.
Трудности в разрешении проблемы космических лучей заставляют более тщательно исследовать их физические свойства.
*
За последние два года изучение космических лучей значительно подвинулось вперед. Этот успех объясняется новейшими методами исследования лучей при помощи двух основных приборов — счетчика Гейгера-Мюллера. и камеры Вильсона.
Первый из этих приборов представляет собой закрытый с обеих сторон стеклянный цилиндр, в котором находится воздух под небольшим давлением (около 0,1 ат). Внутри цилиндра находятся два металлических электрода, изолированные друг от друга стеклянными стенками цилиндра. Один электрод в виде тонкой платиновой проволоки проходит вдоль оси цилиндра. Другой электрод имеет вид металлической трубы, вставленной внутрь цилиндра. Электроды присоединяются к электрической цепи, в которой находится источник постоянного тока (например гальванический элемент) и чувствительный электрометр.
 |
| Счетчик для регистрации каждого отдельного космического луча. Внутри прибора необходимо иметь разреженный газ. Поэтому электроды счетчика впаяны в стеклянную трубку |
Так как электроды разъединены стеклянными стенками, то электрический ток в цепи проходить не может, и электрометр никаких отклонений не обнаруживает. Но если через внутреннюю полость цилиндра проходит космический луч, то он вызывает ионизацию газа, заключенного в цилиндре. Такой газ перестает быть изолятором и через счетчик между его электродами пройдет мгновенный импульс электрического тока. Хотя ионизация, даваемая в счетчике каждым отдельным космическим лучом, крайне незначительна, все же современные чувствительные электрометры могут без труда ее отмечать. Такой метод позволяет следить за появлением внутри счетчика каждого отдельного космического луча.
Эти импульсы электрического тока, которые вызывает космический луч, можно усилить, применяя современные катодные усилители, хорошо известные в радиоделе. Катодные усилители настолько облегчают регистрацию отдельных космических лучей, что их можно отмечать даже на слух с помощью телефонной трубки.
Окружая счетчик Гейгера-Мюллера массивными стенками, или помещая его под воду на большую глубину, можно исследовать поглощение космических лучей твердыми телами или слоями воды.
Еще более наглядную картину удается получать при помощи камеры Вильсона. Этот прибор дает возможность проследить за движением каждого отдельного космического луча в воздухе. Прибор Вильсона представляет собой закрытую со всех сторон цилиндрическую камеру, у которой крышка сделана из зеркального стекла. Пространство внутри камеры заполнено воздухом, насыщенным водяными парами.
Если внутри такой камеры быстро движутся атомы и электроны, например альфа- или бета-лучи, то они вызывают на своем пути образование газовых ионов. А, как известно, газовые ионы являются центрами, вокруг которых легко конденсируются водяные пары в виде туманного облачка, непосредственно видимого. В результате путь быстро движущихся атомов или электронов становится в камере Вильсона непосредственно видимым; туманный след их движения некоторое время остается настолько резким, что его можно не только видеть, но даже фотографировать.
Большое число фотографий, снятых с помощью камеры Вильсона, дало возможность изучить чрезвычайно тщательно различные процессы атомного и внутриатомного характера. Так были исследованы весьма тщательно пути движущихся атомов и электронов в различных условиях, влияние на их движение магнитных и электрических полей, различные явления при столкновениях быстро движущихся атомов с молекулами и атомами различных тел и т. п.
Не менее интересные результаты были получены при помощи камеры Вильсона и в отношении космических лучей.
*
Многочисленные исследования космических лучей дали возможность выяснить их основные физические свойства. Прежде всего оказалось, что космические лучи обладают совершенно исключительной проницающей способностью. Они далеко превосходят в этом отношении все наиболее жесткие виды электромагнитного излучения, даже самые жесткие — гамма-лучи радиоактивных тел. Космические лучи свободно проходят через очень толстые слои металлов. Например слой свинца в несколько десятков сантиметров толщиной оказывается совершенно прозрачным для космических лучей.
Чрезвычайно точные измерения, произведенные на Боденском юзере в Швейцарии, показали, что действие космического излучения под водой можно проследить до глубины 230 м.
Космические лучи не реагируют на магнитное поле. Все попытки изменить направление космических лучей под действием даже чрезвычайно сильных магнитных полей потерпели неудачу, — путь космического луча в магнитном поле не изменялся.
Все это подтверждает предположение, что космические лучи представляют собой один из видов электромагнитного излучения. С другой стороны, необычайная жесткость космических лучей доказывает, что они могут возникать только при тех внутриатомных процессах, при которых выделяется энергии во много раз больше, чем даже при радиоактивном распаде. В земных условиях мы не наблюдаем таких внутриатомных процессов, при которых бы выделялась энергия настолько большая, чтобы она вызывала такую же жесткость излучения, как и у космических лучей. Поэтому было высказано предположение, что космическое излучение возникает в глубинах мирового пространства в результате каких-то еще неизвестных нам внутриатомных процессов в космической материи, и оттуда попадает к нам на землю. Это может происходить, например, при образовании атомов гелия из атомов водорода или же при превращении атомов водорода в излучение. Возможно, что такие процессы могут происходить в космическом пространстве при своеобразных условиях, которые там имеют место, но у нас на земле не наблюдаются. Отсюда становится понятным, почему эти лучи назвали космическими.
Дальнейшие исследования дали новое подтверждение этому предположению. Мы уже говорили, что наблюдателю на поверхности земли кажется, будто космическое излучение подобно дождю падает преимущественно сверху вниз. Ученые предполагали, что при подъеме над земной поверхностью интенсивность космических лучей должна постепенно увеличиваться. Это подтвердилось полетами в стратосферу. Наблюдения, произведенные в стратостатах, показали, что интенсивность космического излучения, действительно возрастает с высотой, однако это возрастание идет совершенно не по тому закону, которого можно было бы ожидать на основании измерения поглощения космических лучей в земной атмосфере. Кроме того оказалось, что на больших высотах космические лучи падают на наблюдателя уже не только вертикально, но со всех сторон.
Все это заставляет нас предполагать, что космическое излучение имеет сложный характер. По-видимому, оно состоит из крайне жесткого первичного излучения и более мягкого вторичного. Первичные космические лучи, действительно, возникают в мировом пространстве при некоторых внутриатомных процессах в космической материи. Эти лучи представляют собой крайне жесткие электромагнитные импульсы. Проходя через земную атмосферу, они ударяют в атомы атмосферных газов и вызывают тем самым образование более мягкого, вторичного излучения. Это излучение имеет, по-видимому, электронную природу, т. е. представляет собой потоки электронов, движущихся с исключительно большими скоростями, близкими к скорости света. Их кинетическая энергия, перечисленная на электрические единицы, должна выражаться сотнями миллионов вольт.
*
Исключительно интересные и ценные результаты были получены в последнее время при исследовании ударов космических лучей об атомы различных твердых тел, например металлов — свинца, латуни. Эти наблюдения были произведены при помощи камеры Вильсона и зафиксированы на фотографических снимках. Путь отдельного космического луча на вильсоновских снимках непосредственно не виден, так как ионизация в газе, которую вызывает каждый отдельный космический луч, очень незначительна. Однако след отдельного луча можно все же заметить. Дело в том, что, ударяя об атомы на своем пути, космический луч отрывает от них отдельные части. Осколки атомов разлетаются с большой скоростью и ионизируют газ настолько, сильно, что туманный след их путей в камере Вильсона становится доступным непосредственному наблюдению и фотографированию. Поэтому, строго говоря, мы видим в камере Вильсона не самый космический луч, a то направление, по, которому он пронизывает камеру и результаты его действия на атомы.
На пути космических лучей в камере Вильсона поставили металлическую пластину. Оказалось, что при ударе космического луча из металлической пластины вылетает иногда целый сноп, веер атомных осколков и притом, по-видимому, из одной точки. Для объяснения этого приходится допустить, что под действием космических лучей атом может быть совершенно разрушен, разбит на отдельные части. Физическая природа этих атомных осколков еще не вполне выяснена, однако самый факт не подлежит сомнению: космические лучи обладают свойством разрушать атомы, иными словами, они являются могучим средством воздействия на атом и его ядро.
 |
| Снимок в камере Вильсона, произведенный стереоскопическим способом. Космический луч, ударяя о стенки камеры, выбивает из нее сноп атомных осколков |
Возникая, по-видимому, где-то в мировом пространстве при образовании сложных атомов из более простых, космические лучи несут с собой энергию, достаточную для обратного процесса, т. е. для того, чтобы в свою очередь вызвать разрушение тяжелых атомов, их распад на более мелкие составные части. Таким образом в изучении процессов разрушения атомного ядра космические лучи должны сыграть, по-видимому, крупную роль. Отсюда мы видим, что всестороннее изучение космических лучей, исследование их физической природы и условий возникновения представляет уже не только чисто научный теоретический интерес. Внутриатомные реакции и проблемы внутриатомной энергии в настоящее время уже не являются утопией, фантазией, наоборот, они занимают определенное и очень важное место среди очередных реальных задач современной физики по изысканию новых мощных источников энергии.
Комментариев нет:
Отправить комментарий