Вселенная микрочастиц и пузырьковая камера

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Сложен и многообразен мир элементарных частиц. Прошло то время, когда ученые думали, что во всех атомных событиях участников только четверо: протон, нейтрон, электрон и фотон. Сегодня науке известно уже о тридцати микрочастицах. Новых посланцев микромира исследователи находят и в излучениях радиоактивных веществ, и в космических лучах, приходящих к нам из самых далеких пределов Вселенной, и в экспериментальных залах гигантских ускорителей, построенных за последние годы во многих странах.

Люди научились получать на ускорителях всевозможные микрочастицы — тяжелые и легкие, заряженные и нейтральные, быстрые и медленные. Среди них есть и такие, которые входят в состав атома — протоны, нейтроны и электроны, и те, что рождаются при столкновении этих частиц друг с другом. Направляя потоки микрочастиц из ускорителей в свои приборы, физики измеряют массу частиц и время их существования, изучают их взаимные превращения. Помещая на их пути различные вещества, ученые исследуют, что происходит с частицами при движении среди атомов.

Вот какая-нибудь быстрая заряженная частица (например, протон) вылетела из ускорителя и пронизала металлическую пластину. Если измерить с помощью специальных приборов энергию протона до входа в пластину и после выхода из нее, то окажется, что энергия протона уменьшилась. Значит, в пластине протон совершил какую-то работу. Что же это за работа?

В пластине протон движется среди атомов, из которых она состоит. Пролетая мимо атомов, протон благодаря своему электрическому заряду отрывает от них электроны. Атомы, лишенные одного или нескольких электронов, физики называют ионами, а отрыв электрона от атома — ионизацией. Вот это и есть та работа, которую совершает заряженная частица, пролетающая сквозь вещество,— ионизация атомов.

Во все стороны разлетаются оторванные от атомов электроны. Эти микроснаряды сами сталкиваются с атомами, передают им свою энергию. А теперь вспомним, что атомы или молекулы всякого вещества не неподвижны, а находятся в непрестанном тепловом движении. И столкновения электронов с атомами приводят к тому, что тепловое движение становится сильнее.

Так энергия, полученная электронами при ионизации от пролетевшей микрочастицы, передается, в конце концов, веществу в виде тепла. Происходит нагрев, повышение температуры. Что произойдет, если на пути микрочастиц поставить не пластину, а сосуд с какой-нибудь жидкостью?

Пролетая сквозь жидкость, заряженные частицы произведут такую же ионизацию атомов, как и в твердом теле. А электроны, выбитые из атомов, сами столкнутся с атомами, увеличат их тепловое движение. При этом электроны далеко не улетят. Они успеют израсходовать свою энергию на очень коротком пути в десятитысячные доли миллиметра. Там-то и произойдет местный нагрев вещества. При определенных условиях он вызовет усиленное испарение жидкости, быстрое превращение ее в пар. И тогда в жидкости может образоваться пузырек.

На этом-то явлении и основана работа пузырьковой камеры, в этом разгадка ее названия. Главная часть всякой пузырьковой камеры — закрытый сосуд с прозрачной жидкостью. Микрочастицы, влетевшие в сосуд, ионизуют на своем пути атомы, а от этого, как мы говорили, могут появиться пузырьки пара. Если это произойдет, весь путь микрочастицы в жидкости будет отмечен пузырьками, словно пунктиром. Так невидимые следы заряженных частиц, влетевших в пузырьковую камеру, могут стать видимыми. Их можно заметить глазом или сфотографировать.

Такая фотография — отличный документ о событиях в микромире. Но получить ее вовсе не просто. Дело в том, что пузырьки очень малы: ведь они образуются на пути в десятитысячные доли миллиметра. Такой пузырек не сфотографируешь. Нужно, чтобы он вырос, по крайней мере, в тысячу раз. Как же этого добиться?

Вот в жидкости образовался пузырек. Проследим за его дальнейшей судьбой. Внутри пузырька — пар, а пар стремится расшириться. Значит, пузырек должен расти. Но он со всех сторон окружен жидкостью, которая давит на него, стремится его сплющить. Пузырек будет расти только в том случае, если давление пара внутри него будет больше, чем давление жидкости на пузырек. И как раз такие условия могут быть созданы в нужный момент в пузырьковой камере.

Вот как устроена пузырьковая камера. Сосуд с жидкостью, через который пролетают частицы, соединен с другим сосудом. Этот второй сосуд наполнен каким-нибудь газом под определенным давлением и закрыт. Но он снабжен клапаном, который можно очень быстро открывать. Газ и жидкость отделены друг от друга резиновой перегородкой — мембраной.

Жидкость в первом сосуде поддерживают при такой температуре, что при обычном, атмосферном давлении она бы закипела. Но жидкость не кипит: этому мешает большое давление газа во втором сосуде, которое передается на жидкость с помощью мембраны. Это и есть в основном то давление, которое сплющивает образующиеся в жидкости пузырьки, не дает им расти.

А когда нужно сфотографировать следы частиц, пролетающих через камеру, экспериментатор открывает клапан, который соединяет второй сосуд с атмосферой. Часть газа уходит из сосуда, давление в нем становится меньше. От этого сразу же снижается давление в жидкости, и пузырьки получают возможность расти. Камера становится, как говорят, «чувствительной» к микрочастицам.

Затем ярко вспыхивает свет, щелкает затвор фотоаппарата… И через окно камеры, закрытое толстым стеклом, экспериментатор фотографирует следы только что пролетевших микрочастиц в виде цепочек из пузырьков.

Но сделать сразу следующий снимок ему уже не удастся. Дело в том, что через малую долю секунды после открывания клапана чувствительность камеры к микрочастицам исчезает. Это происходит потому, что пузырьки пара образуются в жидкости не только на путях пролетевших частиц. Они вырастают на стенках камеры, на мембране, на прокладках между деталями — и очень быстро в этих местах жидкость закипает. От этого выделяется много пара, который, стремясь расшириться, увеличивает давление в камере. Наступает такой момент, что зародыши новых пузырьков уже не в силах расти, и микрочастицы, попадающие в это время в камеру, больше не оставляют в жидкости следов.

Как же снова сфотографировать их полет? Может стоит использовать специальные фотокристаллы? Для этого надо закрыть клапан у сосуда с газом и опять создать там большое давление. Тогда мембрана будет давить на жидкость, от этого весь пар, набравшийся в камере, сжижится, и прибор будет готов к работе. Теперь можно снова открыть клапан и сделать следующий снимок.

Так работают пузырьковые камеры. Их наполняют самыми различными жидкостями — легкими и тяжелыми, горячими и холодными. Делают, камеры и на сжиженных газах — на жидком ксеноне, водороде, пропане, гелии…

Автор: А. Мешковский.