Всесвіт мікрочастинок і бульбашкова камера

Складний і різноманітний світ елементарних частинок. Минув той час, коли вчені думали, що у всіх атомних подіях учасників тільки четверо: протон, нейтрон, електрон і фотон. Сьогодні науці відомо вже про тридцять мікрочастинок. Нових посланців мікросвіту дослідники знаходять і в випромінюваннях радіоактивних речовин, і в космічних променях, що приходять до нас із самих далеких меж Всесвіту, і в експериментальних залах гігантських прискорювачів, побудованих за останні роки в багатьох країнах.

Люди навчилися отримувати на прискорювачах всілякі мікрочастинки – важкі і легкі, заряджені і нейтральні, швидкі і повільні. Серед них є й такі, які входять до складу атома – протони, нейтрони і електрони, і ті, що народжуються при зіткненні цих часток один з одним. Направляючи потоки мікрочастинок з прискорювачів в свої прилади, фізики вимірюють масу частинок і час їх існування, вивчають їх взаємні перетворення. Поміщаючи на їх шляху різні речовини, вчені досліджують, що відбувається з частинками при русі серед атомів.

Ось якась швидка заряджена частка (наприклад, протон) вилетіла з прискорювача і пронизала металеву пластину. Якщо виміряти за допомогою спеціальних приладів енергію протона до входу в пластину і після виходу з неї, то виявиться, що енергія протона зменшилась. Значить, в пластині протон здійснив якусь роботу. Що ж це за робота?

У пластині протон рухається серед атомів, з яких вона складається. Пролітаючи повз атоми, протон завдяки своєму електричному заряду відриває від них електрони. Атоми, позбавлені одного або декількох електронів, фізики називають іонами, а відрив електрона від атома – іонізацією. Ось це і є та робота, яку здійснює заряджена частка, пролітаюча крізь речовину, – іонізація атомів.

У всі боки розлітаються відірвані від атомів електрони. Ці мікроснаряди самі стикаються з атомами, передають їм свою енергію. А тепер згадаємо, що атоми або молекули всякої речовини не нерухомі, а перебувають у невпинному тепловому русі. І зіткнення електронів з атомами призводять до того, що тепловий рух стає сильнішим.

Так енергія, отримана електронами при іонізації від пролетаючої мікрочастинки, передається, зрештою, речовині у вигляді тепла. Відбувається нагрів, підвищення температури. Що відбудеться, якщо на шляху мікрочастинок поставити не пластину, а посудину з якою-небудь рідиною?

Пролітаючи крізь рідину, заряджені частинки вироблять таку ж іонізацію атомів, як і в твердому тілі. А електрони, вибиті з атомів, самі зіткнуться з атомами, збільшать їх тепловий рух. При цьому електрони далеко не полетять. Вони встигнуть витратити свою енергію на дуже короткому шляху в десятитисячні частки міліметра. Там-то і станеться місцевий нагрів речовини. За певних умов він викличе посилене випаровування рідини, швидке перетворення її в пару. І тоді в рідині може утворитися пляшечка.

На цьому-то явищі і заснована робота бульбашкової камери, в цьому розгадка її назви. Головна частина всякої бульбашкової камери – закрита посудина з прозорою рідиною. Мікрочастинки, що влетіли в посудину, іонізують на своєму шляху атоми, а від цього, як ми говорили, можуть з’явитися бульбашки пари. Якщо це відбудеться, весь шлях мікрочастинки в рідині буде відзначений бульбашками, немов пунктиром. Так невидимі сліди заряджених частинок, що влетіли у бульбашкову камеру, можуть стати видимими. Їх можна помітити оком або сфотографувати.

Така фотографія – відмінний документ про події в мікросвіті. Але отримати її зовсім не просто. Справа в тому, що бульбашки дуже малі: адже вони утворюються на шляху в десятитисячні частки міліметра. Такий пухирець не сфотографуєш. Потрібно, щоб він виріс, принаймні, в тисячу разів. Як же цього домогтися?

Ось в рідині утворився пухирець. Простежимо за його подальшою долею. Усередині бульбашки – пар, а пар прагне розширитись. Значить, бульбашка повинна зростати. Але вона з усіх боків оточена рідиною, яка тисне на неї, прагне її сплющити. Бульбашка буде рости тільки в тому випадку, якщо тиск пари всередині неї буде більше, ніж тиск рідини на бульбашку. І якраз такі умови можуть бути створені в потрібний момент у бульбашковій камері.

Ось як влаштована бульбашкова камера. Посудина з рідиною, через яку пролітають частинки, з’єднана з іншою посудиною. Ця друга посудина наповнена яким-небудь газом під певним тиском і закрита. Але вона забезпечена клапаном, який можна дуже швидко відкривати. Газ і рідина відокремлені один від одного гумовою перегородкою – мембраною.

Рідину в першій посудині підтримують при такій температурі, що при звичайному, атмосферному тиску вона б закипіла. Але рідина не кипить: цьому заважає великий тиск газу в другій посудині, який передається на рідину за допомогою мембрани. Це і є в основному той тиск, який сплющує бульбашки, що утворюються в рідині, не дає їм рости.

А коли потрібно сфотографувати сліди частинок, що пролітають через камеру, експериментатор відкриває клапан, який з’єднує другу посудину з атмосферою. Частина газу йде з посудини, тиск у ньому стає менше. Від цього відразу ж знижується тиск в рідині, і бульбашки отримують можливість рости. Камера стає, як кажуть, «чутливою» до мікрочастинок.

Потім яскраво спалахує світло, клацає затвор фотоапарата … І через вікно камери, закрите товстим склом, експериментатор фотографує сліди тільки що пролетілих мікрочастинок у вигляді ланцюжків з бульбашок.

Але зробити відразу наступний знімок йому вже не вдасться. Справа в тому, що через малу частку секунди після відкривання клапана чутливість камери до мікрочастинок зникає. Це відбувається тому, що бульбашки пари утворюються в рідині не тільки на шляхах пролетілих частинок. Вони виростають на стінках камери, на мембрані, на прокладках між деталями – і дуже швидко в цих місцях рідина закипає. Від цього виділяється багато пари, яка, прагнучи розширитись, збільшує тиск у камері. Настає такий момент, що зародки нових бульбашок вже не в силах рости, і мікрочастинки, що потрапляють в цей час в камеру, більше не залишають в рідині слідів.

Як же знову сфотографувати їх політ? Для цього треба закрити клапан у посудині з газом і знову створити там великий тиск. Тоді мембрана буде тиснути на рідину, від цього вся пара, що набралась в камері, зрідже, і прилад буде готовий до роботи. Тепер можна знову відкрити клапан і зробити наступний знімок.

Так працюють бульбашкові камери. Їх наповнюють самими різними рідинами – легкими і важкими, гарячими і холодними. Роблять, камери і на зріджених газах – на рідкому ксеноні, водні, пропані, гелії.

Автор: А. Мєшковських.