Kvant. частицы, поля

А так ли хорошо знакомы вам частицы и поля? // Квант. — 2009. — № 1. — С. 32-33.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Так как катодные лучи несут заряд отрицательного
электричества, они отклоняются электростатической силой,
как если бы они были отрицательно наэлектризованы,
и на них действует магнитная сила таким образом, как эта
сила действовала бы на отрицательно наэлектризованное
тело, движущееся по траектории этих лучей.
Джозеф Джон Томсон
...ко мне пришел страшно возбужденный Гейгер и сказал:
«Нам удалось наблюдать \(~\alpha\)-частицы, возвращающиеся
назад». Это было самым невероятным событием, которое
мне пришлось пережить.
Эрнест Резерфорд
На снимках обнаруживались время от времени прямые
пути частиц неизвестного происхождения, почти не отклоняемые
магнитным полем, но по своему ионизирующему действию
не отличающиеся сколько-нибудь от быстрых \(~\beta\)-лучей.
Дмитрий Скобельцын
Такие устройства, как циклотрон и синхротрон, ускоряют
частицу до высоких энергий, заставляя ее многократно
проходить через сильное электрическое поле. А на своей
орбите частицу удерживает магнитное поле.
Ричард Фейнман

Практически всякий раз фрагменты из работ выдающихся ученых, предваряющие очередной выпуск нашей рубрики, выстраиваются в своеобразный «краткий курс» истории того или иного физического направления. Нынешняя же тема оказалась настолько обширна и необъятна, что на нее нанизываются почти все ответвления современной физики, хронологическим рубежом которой называют самый конец XIX века, когда одно за другим последовали блестящие достижения - такие, как открытия электрона и радиоактивности.

Можно сказать, что обнаружение элементарных заряженных частиц - мельчащих структурных составляющих материи - словно подхлестнуло исследователей к дальнейшим поискам, сулившим совершенно новое представление об окружающем нас мире. Но не только: для изучения и управления микроскопическими «невидимками» потребовались такие хитрые сочетания полей, такая аппаратура, такие технологии, которые буквально на глазах стали менять производство и быт, энергетику и средства связи - одним словом, привели к промышленной и информационной революции, плоды которой мы пожинаем до сих пор.

Вот и сегодня, накануне запуска в Швейцарии самого крупного и самого мощного ускорителя элементарных частиц, когда-либо созданного разумом руками человека, мы ожидаем беспрецедентных открытий, развивающих, а, может быть, и переворачивающих наши знания о строении вещества и об устройстве Вселенной.

В расчете на то, что и на вашу долю достанется еще немало сложных и интересных проблем, касающихся частиц и полей, начнем с более простых, но не менее увлекательных задач.

Вопросы и задачи

1. Почему в комнатных условиях, даже при всех мерах предосторожности, электроскоп обязательно разрядится?
2. Металлический незаряженный диск приводится в быстрое вращение. Электрометр, присоединенный с помощью контактов к центру и к периферии диска, показывает, что между ними возникла разность потенциалов. Каков ее знак?
3. Какую траекторию опишет электрон, пролетая между пластинами плоского конденсатора, на которые подано: а) постоянное напряжение; б) переменное напряжение достаточно высокой частоты?
4. Две пересекающиеся плоскости равномерно заряжены отрицательным зарядом. В некоторой точке между плоскостями помещен радиоактивный источник. Что представляют собой траектории движения положительно и отрицательно заряженных частиц, испускаемых источником?
5. При отсутствии внешнего электрического поля электроны, вылетающие из катода вакуумного диода, не рассеиваются в окружающем пространстве, а большей частью возвращаются на поверхность катода. Чем это можно объяснить?
6. Скорость движения электронов между электродами вакуумного диода достигает тысяч километров в секунду, а в металлических проводниках анодной цепи - миллиметров в секунду. Одинаковы ли силы тока в диоде и в проводниках?
7. Коллимированный пучок заряженных частиц, т.е. пучок, в котором все частицы имеют одно и то же направление скорости, под влиянием кулоновских сил постепенно расходится. Как зависит этот эффект от скорости частиц?
8. От каких характеристик частицы зависит форма ее траектории при движении в гравитационном поле, электрическом поле, магнитном поле?
9. Как будет изменяться радиус траектории заряженной частицы, движущейся по окружности в однородном магнитном поле, с увеличением ее удельного заряда?
10. По длинному прямому металлическому проводу течет электрический ток. Можно ли избавиться от его магнитного поля, устремившись вдоль провода со скоростью, равной средней скорости упорядоченного движения электронов в нем?
11. Почему частица, обращающаяся в неоднородном магнитном поле, «отражается» от области, где индукция этого поля увеличивается?
12. Можно ли считать дугой окружности траекторию движения заряженных частиц, влетевших в камеру Вильсона перпендикулярно линиям однородного магнитного поля?
13. На рисунке представлены следы электрона и позитрона, полученные в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле, направленном от читателя перпендикулярно рисунку. Какой из следов принадлежит электрону, а какой -позитрону? Какая частица имеет большую кинетическую энергию?

    

14. Увеличение скорости заряженных частиц в циклотроне осуществляется исключительно за счет воздействия на частицы электрического поля. Зачем же утяжеляют и удорожают эти установки, заботясь о действии на частицы еще и магнитного поля?
15. Как действует изображенный на рисунке «фильтр скоростей»? Внутри прибора созданы однородные электрическое и магнитное поля, направленные перпендикулярно друг к другу и к начальной скорости частиц.

    

16. Почему в Канаде северные сияния бывают чаще, чем в Сибири, расположенной на той же географической широте?
17. Для инициирования ядерных реакций деления чаще всего используется бомбардировка ядер нейтронами. А почему для этой цели менее пригодны, скажем, протоны или электроны?

Микроопыт

Наклейте на обычную осветительную лампу полоску металлической фольги и присоедините ее проводком к электроскопу. Зарядите электроскоп положительно и включите ток в лампе. Повторите опыт, зарядив электроскоп отрицательно. Чем объяснить, что в первом случае при включении тока листки электроскопа спадают, а во втором - нет?

Любопытно, что...

...знаменитым опытам Дж.Дж.Томсона с катодными лучами предшествовала почти сорокалетняя работа физиков разных стран по изучению электрического разряда в разреженных газах. Считалось, что эти лучи - либо поток молекул, зарядившихся отрицательно при столкновении с катодом, либо новый вид электромагнитных волн, отклоняющихся, в отличие от обычного света, магнитным полем. Лишь Томсону в длинной серии экспериментов удалось добыть к 1897 году решающие доказательства того, что катодные лучи состоят из электронов. Так была открыта первая элементарная частица.

...задача по определению заряда и массы \(~\alpha\) и \(~\beta\)-частиц, возникшая сразу после обнаружения радиоактивности, привела со временем к созданию масс-спектрографов - приборов, использующих электрическое и магнитное поля для измерения масс мельчайших ионов. Первый из них был построен в 1919 году Фрэнсисом Астоном, учеником Дж.Дж.Томсона, открывшего за семь лет до этого события существование изотопов.

...вращение заряженных частиц в магнитном поле открыл еще в 1895 году английский физик Джозеф Лармор. В дальнейшем идея удержания частиц с помощью этого поля была очень хорошо отработана при создании ускорителей - в них частицы совершают миллионы оборотов по круговой орбите и могут жить на ней многие часы. А вот проблему магнитного удержания - изоляции - высокотемпературной плазмы в термоядерных реакторах не удалось еще окончательно решить.

...применение магнитных полей с определенными сложными конфигурациями в опытах на ускорителях позволяет фокусировать пучки частиц подобно тому, как оптические линзы фокусируют световые лучи.

...открытые в 1910 году космические лучи стали интенсивно изучаться в том числе и с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Именно она позволила наблюдать аномальные следы, приведшие к обнаружению в 1932 году позитрона - «электрона с положительным зарядом».

...в отличие от переменных потоков солнечных космических лучей, галактические и метагалактические лучи - это мало изменяющиеся во времени потоки атомных ядер. Самая важная их особенность - энергия частиц, достигающая 1021 эВ, что на несколько порядков выше энергий, получаемых на рукотворных установках. Таким образом, Вселенная оказываеся как бы гигантским ускорителем атомных ядер.

...в 1985 году с острова Керселен в Индийском океане стартовала геофизическая ракета с небольшим ускорителем частиц. На определенной высоте он испустил поток электронов, в дальнейшем двигавшихся вдоль линии земного магнитного поля и вызвавших искусственное полярное сияние над Архангельской областью. Эти эксперименты предназначались для изучения механизма возникновения северных сияний, структуры магнитного поля Земли, процессов в ее ионосфере и их влияния на погоду.

...о масштабах современных исследований в физике элементарных частиц можно судить по параметрам Большого адронного коллайдера, готовящегося к пуску в Женеве. Периметр его кругового туннеля, залегающего на глубине примерно 100 метров под землей, составляет 27 километров; сверхпроводящие магниты разгонят протоны до энергии 7 ТэВ и затем будут сталкивать их друг с друг с частотой 800 миллионов раз в секунду; в планировании и финансировании строительства коллайдера приняли участие более двух десятков стран, в числе которых и Россия.

Что читать в «Кванте» о частицах и полях

(публикации последних лет)

1. «Следы в камере» - 2003, № 3, с. 40;
2. «Магнитное поле» - 2004, № 4, с. 47;
3. «Калейдоскоп «Кванта» - 2005, № 1, с. 32;
4. «Заряженные частицы в магнитном поле» - 2006, № 4, с. 40;
5. «Движение заряда в магнитном поле» - 2007, № 5, с. 42;
6. «Потенциальная энергия кулоновского взаимодействия» - 2008, № 5, с. 47.

Материал подготовил А.Леонович

Ответы

1. Воздух под воздействием космического излучения и радиоактивного излучения Земли всегда поддерживается в ионизированном состоянии, т.е. не является изолятором.
2. Вращение вызовет смещение электронов к краю диска, его периферия приобретет отрицательный заряд, центр же диска зарядится положительно.
3. а) Параболу; б) синусоиду.
4. Согласно принципу суперпозиции, напряженность результирующего однородного поля будет направлена параллельно биссектрисе угла, образованного плоскостями. В таком поле заряженные частицы станут двигаться по параболам с осями симметрии, параллельными этой биссектрисе.
5. Вылет электронов вызывает появление на катоде избыточных положительных зарядов. Тормозясь в поле, созданном этими зарядами, большинство электронов возвращаются на катод.
6. Да, одинаковы; различны плотности тока.
7. При росте скорости эффект расхождения пучка проявляется в меньшей степени, так как увеличиваются магнитные силы притяжения между движущимися частицами.
8. В гравитационном поле траектория вообще не зависит от вида частицы, в электрическом и магнитном полях она определяется отношением заряда частицы к ее массе.
9. Радиус окружности обратно пропорционален величине удельного заряда частицы, поэтому при увеличении последнего радиус кривизны траектории будет уменьшаться.
10. Нет, нельзя. Относительно наблюдателя, движущегося вслед за электронами, упорядоченное движение станут совершать положительные ионы кристаллической решетки проводника - это приведет к появлению такого же магнитного поля, какое фиксировалось неподвижным наблюдателем.
11. Продвигаясь в область более сильного магнитного поля, частица испытывает действие силы Лоренца, одна из составляющих которой направлена в противоположную сторону и словно выталкивает частицу в область более слабого поля.
12. Нет, нельзя. Частица при столкновении с молекулами газа расходует свою кинетическую энергию на ионизацию молекул, поэтому радиус кривизны ее траектории постепенно уменьшается.
13. Если частицы влетели в камеру снизу, то правый след принадлежит электрону, а левый - позитрону, причем кинетическая энергия позитрона больше.
14. Ответ практически содержится в словах Фейнмана из эпиграфа. Сила Лоренца, действующая на частицы со стороны магнитного поля, обеспечивает искривление траектории движения частиц и, следовательно, уменьшение размеров ускорителя.
15. Действующие на частицы сила Лоренца и кулоновская сила направлены в противоположные стороны. Если эти силы не уравновешивают друг друга, частицы отклоняются от прямолинейной траектории и не попадают в выходное отверстие. Выйти из прибора смогут лишь частицы с определенной скоростью, зависящей от величин обоих полей.
16. Области Сибири расположены в более низких геомагнитных широтах, поскольку геомагнитный полюс смещен относительно географического и находится как раз на территории Канады.
17. Протонам при сближении с ядром требуется преодолевать отталкивание со стороны его кулоновского поля; электроны же, хотя и притягиваются ядрами, имеют примерно в 2000 раз меньшую, чем у нейтрона, массу и, соответственно, меньшую кинетическую энергию.

Микроопыт

При положительном заряде фольги электроны, испускаемые спиралью лампы, движутся к стеклянной колбе и заряжают ее внутреннюю поверхность отрицательно, т.е. зарядом противоположного знака, отчего отклонение листков электроскопа уменьшается. При отрицательном заряде фольги электроны, тормозясь, не попадают на стенки колбы.