12.4. Energjia e një grimce relativiste

12.4.1. Energjia e një grimce relativiste

Energjia totale i një grimce relativiste përbëhet nga energjia e pushimit të një grimce relativiste dhe energjia e saj kinetike:

E = E 0 + T,

Ekuivalenca e masës dhe energjisë(Formula e Ajnshtajnit) ju lejon të përcaktoni energjinë e mbetur të një grimce relativiste dhe energjinë totale të saj si më poshtë:

• energji pushimi -

E 0 = m 0 c 2,

ku m 0 është masa e pushimit të një grimce relativiste (masa e një grimce në kuadrin e saj të referencës); c - shpejtësia e dritës në vakum, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m / s;

• energji totale -

E = mc 2,

ku m është masa e një grimce në lëvizje (masa e një grimce që lëviz në raport me vëzhguesin me një shpejtësi relativiste v); c - shpejtësia e dritës në vakum, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m / s.

Marrëdhënia ndërmjet masave m 0 (masa e një grimce në qetësi) dhe m (masa e një grimce në lëvizje) përcaktohet nga shprehja

Energjia kinetike një grimcë relativiste përcaktohet nga ndryshimi:

T = E - E 0,

ku E është energjia totale e një grimce në lëvizje, E = mc 2; E 0 - energjia e pushimit të grimcës së specifikuar, E 0 = m 0 c 2; masat m 0 dhe m lidhen me formulën

m = m 0 1 - v 2 c 2,

ku m 0 është masa e grimcës në kornizën e referencës në lidhje me të cilën grimca është në qetësi; m është masa e grimcës në kornizën e referencës në lidhje me të cilën grimca lëviz me shpejtësi v; c - shpejtësia e dritës në vakum, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m / s.

Në mënyrë eksplicite energjia kinetike një grimcë relativiste përcaktohet me formulën

T = m c 2 - m 0 c 2 = m 0 c 2 (1 1 - v 2 c 2 - 1).

Shembulli 6. Shpejtësia e një grimce relativiste është 80% e shpejtësisë së dritës. Përcaktoni sa herë energjia totale e një grimce është më e madhe se energjia e saj kinetike.

Zgjidhje . Energjia totale e një grimce relativiste është shuma e energjisë së mbetur të një grimce relativiste dhe energjisë së saj kinetike:

E = E 0 + T,

ku E është energjia totale e një grimce në lëvizje; E 0 - energjia e pushimit të grimcave të specifikuara; T është energjia e tij kinetike.

Prandaj rrjedh se energjia kinetike është ndryshimi

T = E - E 0.

Sasia e kërkuar është raporti

E T = E E - E 0.

Për të thjeshtuar llogaritjet, gjejmë reciproke të asaj të kërkuar:

T E = E - E 0 E = 1 - E 0 E,

ku E 0 = m 0 c 2; E = mc 2; m 0 - masë pushimi; m është masa e një grimce në lëvizje; c është shpejtësia e dritës në vakum.

Zëvendësimi i shprehjeve për E 0 dhe E në raportin (T / E) jep

T E = 1 - m 0 c 2 m c 2 = 1 - m 0 m.

Lidhja ndërmjet masave m 0 dhe m përcaktohet nga formula

m = m 0 1 - v 2 c 2,

ku v është shpejtësia e një grimce relativiste, v = 0,80c.

Le të shprehim nga kjo raportin e masës:

m 0 m = 1 - v 2 c 2

dhe zëvendësojeni atë në (T / E):

T E = 1 - 1 - v 2 c 2.

Le të llogarisim:

T E = 1 - 1 - (0,80 s) 2 s 2 = 1 - 0,6 = 0,4.

Sasia e kërkuar është lidhja e kundërt

E T = 1 0,4 = 2,5.

Energjia totale e një grimce relativiste me shpejtësinë e treguar tejkalon energjinë e saj kinetike me një faktor prej 2,5.

Faqe 1

Energjia maksimale e grimcave në gjeneratorin Van de Graaff, si në çdo përshpejtues me veprim të drejtpërdrejtë, kufizohet nga voltazhi i ndarjes midis topit dhe objekteve përreth. Edhe me masat paraprake më të kujdesshme në instalimet ekzistuese, voltazhi i prishjes nuk mund të rritet mbi dhjetë milionë volt.

Le të llogarisim energjinë maksimale të grimcës. Koeficienti V2 në vlerën e amplitudës së EQ të fushës fitohet sepse llogaritet vlera mesatare e fushës për gjysmëperiudhën e lëkundjeve.

Le të llogarisim energjinë maksimale të grimcës. Koeficienti 1/2 në vlerën e amplitudës së fushës E0 fitohet sepse llogaritet vlera mesatare e fushës për gjysmëperiudhën e lëkundjeve.

Le të llogarisim energjinë maksimale të grimcës.

Vlera e W, e barabartë me energjinë maksimale të grimcave në T0 K, quhet niveli i pashëndetshëm i Fermit ose thjesht niveli i Fermit.

Humbja e energjisë nga rrezet kozmike kufizon energjinë maksimale të grimcave që përbëjnë rrezet kozmike; ky kufizim varet nga mosha e grimcave. Në periudhën 1969 - 1971. Eksperimentet me raketa dhanë densitet total 20-100 herë më të lartë të rrezatimit relikt.

Tritiumi është një emetues i pastër (3-emetues me një energji maksimale të grimcave prej 18 61 0 02 keV dhe një gjysmë jetëgjatësi prej 12 43 vjetësh.

Fusha magnetike në ciklotron arrin dhjetëra mijëra eersted, rrezja e dhomës është disa metra dhe energjia maksimale e grimcave është deri në 107 eV. Kjo energji është relativisht e ulët, megjithëse në eksperimentet e para mbi ndarjen bërthamore u konsiderua e mjaftueshme. Energjia e madhe në ciklotron nuk mund të arrihet: siç vijon nga teoria e relativitetit, masa e grimcave rritet me shpejtësinë, për shkak të së cilës frekuenca e rrotullimit të tyre zvogëlohet gjatë lëvizjes.

Specifikimi i veprimit të rrezatimit të tritiumit përcaktohet nga diapazoni i 3-grimcave të tij. Energjia maksimale e grimcave në spektrin p të tritiumit korrespondon me një diapazon në substancë prej rreth 6 μm, me një densitet të substancës prej 1 g / cm3, dhe 90% e energjisë së rrezatimit konsumohet në një distancë prej rreth 0 5 μm. nga burimi. Rrethana e fundit rezulton të jetë jashtëzakonisht e rëndësishme, pasi thithja e rrezatimit të tritiumit ndodh në një distancë të rendit të madhësisë së një qelize të gjallë, në kontrast me p-emetues të tillë si fosfori-32 ose ittriumi-90, rrezatimi i e cila përthithet nga organi i rrezatuar. Në këtë drejtim, është e rëndësishme të merret parasysh lokalizimi ndërqelizor i tritiumit, sepse ndjeshmëria ndaj radios së njësive nënqelizore ndryshon shumë.

Coleman [31, 851 përdori një rezonator të vetëm, në të cilin, me ndihmën e dy magnetroneve, lëkundjet e tipit TM010 me një frekuencë prej 2 8 Gch ngacmohen përmes vrimave të pavarura bashkuese. Me një fuqi totale hyrëse prej 800 kW, energjia maksimale e grimcave është 1 5 MeV. Për të injektuar elektrone në zgavrën e përshpejtimit me shpejtësinë e kërkuar dhe zhvendosjen e fazës, e cila do të sigurojë një energji të lartë dalëse, zgavra përdoret për grupim paraprak. Elektrodat e serisë janë të lidhura me një ndarës të rezistencës në mënyrë që potencialet e tyre të jenë parabolike.

Nga pikëpamja e gjenerimit të grimcave të reja, përshpejtuesit me rreze përplasëse (VI.5.4.3, VI.5.3.4), në të cilët përplasen grimcat me vrull total zero, janë veçanërisht të efektshëm. Për shkak të kësaj, e gjithë energjia e tyre kinetike mund të shndërrohet në energjinë e pushimit të grimcave që lindin, momenti total i së cilës është gjithashtu i barabartë me zero. Kjo tashmë është shumë afër energjisë maksimale të grimcave të rrezatimit kozmik.

Grimcat beta që ikin nga bërthamat atomike me të gjitha energjitë fillestare të mundshme (nga zero në një maksimum), kanë diapazon të ndryshëm në materie. Fuqia depërtuese e grimcave beta të izotopeve të ndryshme radioaktive zakonisht karakterizohet nga trashësia minimale e shtresës së një substance që thith plotësisht të gjitha grimcat beta. Për shembull, fluksi i grimcave beta me energji maksimale të grimcave prej 2 MeV mbrohet plotësisht nga një shtresë gluiumi 3 5 mm e trashë. Grimcat alfa, të cilat kanë një masë dukshëm më të madhe se grimcat beta, kur përplasen me elektronet e predhave atomike përjetojnë devijime shumë të vogla nga drejtimi fillestar i lëvizjes dhe lëvizin pothuajse në një vijë të drejtë.

V vitet e fundit një sërë zbulimesh të rëndësishme në fizikën bërthamore u bënë falë përdorim të gjerë metoda e pllakave me shtresa të trasha (f. Praktika ka treguar se kjo metodë kombinon thjeshtësinë ekstreme dhe saktësinë e lartë të kërkimit. herë tejkalimin e energjisë maksimale të grimcave të përshpejtuara në kushte laboratorike.

16 korrik 2015 në orën 00:57

Pyet Ethan # 14: Grimcat më të larta energjike në univers

• Shkenca popullore,
• Fizika

• Përkthimi

Vëzhgimet e mia shpjegohen më së miri me supozimin se rrezatimi i energjisë së madhe depërtuese hyn në atmosferën tonë nga lart.
- Victor Hess

Ju mund të mendoni se përshpejtuesit më të fuqishëm të grimcave - SLAC, Fermilab, LHC - janë burimet e energjive më të larta që mund të shohim. Por gjithçka që përpiqemi të bëjmë në tokë nuk është aspak e ngjashme proceset natyrore Universi.

Lexuesi pyet:

Që kur fillova të lexoja komiket Fantastic Four si fëmijë, doja të dija më shumë për rrezet kozmike. Mund të më ndihmoni me këtë?

Le të hedhim një vështrim.

Edhe përpara se Yuri Gagarin të ishte në gjendje të shkëputej nga sipërfaqja e planetit tonë, dihej gjerësisht se atje, përtej mbrojtjes së atmosferës, hapësira është e mbushur me rrezatim me energji të lartë. Si e dinim ne për këtë?

Dyshimet e para u ngritën gjatë eksperimenteve më të thjeshta me elektroskop.

Nëse i jepni një ngarkesë elektrike një pajisjeje të tillë në të cilën dy fletë metalike janë të lidhura me njëra-tjetrën, ato do të marrin të njëjtën ngarkesë dhe do të zmbrapsen. Dikush do të priste që me kalimin e kohës ngarkesa të largohet në ajrin përreth - kështu që mund t'ju ndodhë të izoloni pajisjen, për shembull, duke krijuar një vakum rreth saj.

Por edhe në këtë rast, elektroskopi shkarkohet. Edhe nëse e izoloni me plumb, ai përsëri do të shkarkohet. Siç zbuluan eksperimentuesit në fillim të shekullit të 20-të, sa më lart të ngrini elektroskopin, aq më shpejt do të shkarkohet. Disa shkencëtarë kanë hipotezuar se shkarkimi është për shkak të rrezatimit me energji të lartë. Ka një energji të lartë depërtuese dhe origjinë jashtë Tokës.

Në shkencë, është zakon të testohen hipotezat. Në vitin 1912, Victor Hess kreu një eksperiment me tullumbace në të cilin ai u përpoq të gjente këto grimca kozmike me energji të lartë. Dhe ai i gjeti ato me bollëk, duke u bërë babai i rrezeve kozmike.

Detektorët e hershëm ishin çuditërisht të thjeshtë. Ju vendosni një emulsion të veçantë që "ndjen" kalimin e grimcave të ngarkuara përmes tij dhe e vendosni të gjithë në një fushë magnetike. Kur grimcat kalojnë nëpër të, ju mund të mësoni dy gjëra të rëndësishme:

• raporti i ngarkesës ndaj masës
• dhe shpejtësinë e tij

të cilat varen nga mënyra se si përkulet rruga e grimcave. Kjo mund të llogaritet duke ditur fuqinë e fushës magnetike të aplikuar.

Në vitet 1930, disa eksperimente, si me përshpejtuesit e hershëm të bazuar në tokë, ashtu edhe me detektorët e rrezeve kozmike, prodhuan shumë, shumë informacion interesant... Për shembull, shumica e grimcave të rrezatimit kozmik (90%) kishin nivele të ndryshme energjie - nga disa volt megaelektrik, deri te energjitë aq të larta sa mund të matni! Shumica e pjesës tjetër ishin grimca alfa, ose bërthama helium me dy protone dhe neutrone, në të njëjtat nivele energjie.

Kur këto rreze kozmike takohen me pjesën e sipërme të atmosferës së tokës, ato ndërveprojnë me të dhe gjenerojnë reaksione kaskadë që krijojnë një shi grimcash me energji të lartë, duke përfshirë dy të reja: pozitronin, ekzistenca e të cilit u hipotezua në vitin 1930 nga Diraku. . Është një binjak i një elektroni nga bota e antimateries, me të njëjtën masë, por me një ngarkesë pozitive, dhe një muon është një grimcë e paqëndrueshme me të njëjtën ngarkesë si një elektron, por 206 herë më e rëndë. Pozitroni u zbulua nga Karl Andersen në 1932, dhe muoni u zbulua nga ai dhe studenti i tij Seth Neddermeier në 1936, por pozitroni i parë u zbulua nga Paul Kunze disa vjet më parë, të cilin historia e ka harruar për disa arsye.

Gjëja e mahnitshme është se nëse shtrini krahun tuaj paralelisht me tokën, rreth 1 muon do të kalojë nëpër të çdo sekondë.

Çdo muon që kalon nëpër dorën tuaj lind në një dush rrezesh kozmike dhe secila prej tyre konfirmon teorinë e relativitetit special! E shihni, këto muone krijohen në një lartësi prej rreth 100 km, por jetëgjatësia mesatare e muonit është rreth 2.2 mikrosekonda. Edhe nëse do të lëviznin me shpejtësinë e dritës, ata do të ishin në gjendje të udhëtonin vetëm më shumë se 660 metra para se të prisheshin. Por për shkak të shtrembërimit të kohës, për shkak të faktit se koha e një grimce që lëviz me një shpejtësi afër shpejtësisë së dritës ngadalësohet nga këndvështrimi i një vëzhguesi të palëvizshëm, këta muone që lëvizin shpejt mund të udhëtojnë deri në sipërfaqja e tokës para se të kalbet.

Nëse ecim me shpejtësi deri në ditët e sotme, rezulton se ne kemi matur me saktësi numrin dhe spektrin energjetik të këtyre grimcave kozmike.

Më së shpeshti hasen grimca të energjisë së rendit 100 GeV dhe rreth 1 grimcë e tillë kalon nëpër metër katror sipërfaqen e tokës çdo sekondë. Dhe, megjithëse ka grimca me energji më të lartë, ato janë shumë më pak të zakonshme - sa më rrallë, aq më shumë energji marrim. Për shembull, nëse marrim një energji prej 10 16 eV, atëherë grimca të tilla do të kalojnë nëpër një metër katror vetëm një herë në vit. Dhe grimcat me energjinë më të lartë me një energji prej 5 × 10 10 GeV (ose 5 × 10 19 eV) do të kalojnë një herë në vit përmes një detektori me një anë prej 10 km.

Një ide e tillë duket mjaft e çuditshme - dhe megjithatë, për zbatimin e saj ka një arsye: duhet të ketë një kufizim të energjisë së rrezeve kozmike dhe një kufizim të shpejtësisë së protoneve në Univers! Mund të mos ketë asnjë kufizim në energjinë që mund t'i japim një protoni: grimcat e ngarkuara mund të përshpejtohen duke përdorur fusha magnetike dhe vrimat e zeza më të mëdha dhe më aktive në univers mund të përshpejtojnë protonet në energji shumë më të larta se sa kemi vërejtur.

Por ata duhet të udhëtojnë nëpër univers për të arritur tek ne, dhe universi është i mbushur me shumë rrezatim të ftohtë, me energji të ulët - rrezatim kozmik në sfond.

Grimcat me energji të lartë krijohen vetëm në rajonet ku ndodhen vrimat e zeza më masive dhe aktive në Univers, dhe të gjitha ato ndodhen shumë larg galaktikës sonë. Dhe nëse shfaqet një grimcë me një energji që tejkalon 5 × 10 10 GeV, ajo do të jetë në gjendje të udhëtojë jo më shumë se disa milionë vite dritë derisa një nga fotonet e mbetura nga Big Bang, nuk ndërvepron me të, duke marrë një bozhure. Energjia e tepërt do të rrezatohet dhe energjia e mbetur do të bjerë në kufizimin e energjisë kozmike, i njohur si kufiri Greisen-Zatsepin-Kuzmin.

Prandaj, ne bëmë të vetmen gjë që duket e arsyeshme për fizikantët: ndërtuam një detektor jorealist të madh dhe filluam të kërkonim grimca!

Observatori i tyre. Pierre Auger po bën pikërisht këtë: ai konfirmon se ka rreze kozmike që arrijnë, por nuk e kapërcejnë këtë kufi energjie, 10 milionë herë më të larta se energjitë e arritura në LHC! Kjo do të thotë që protonet më të shpejtë që sapo kemi takuar lëvizin pothuajse me shpejtësinë e dritës (që është saktësisht 299,792,458 m / s), por pak më ngadalë. Por sa më ngadalë?

Protonët më të shpejtë, të vendosur pikërisht në kufirin e kufizimit, lëvizin me një shpejtësi prej 299 792 457.999999999999918 metra në sekondë. Nëse keni drejtuar një proton të tillë dhe një foton më parë

Boris A. Khrenov,
Doktor i Shkencave Fizike dhe Matematikore, Instituti i Kërkimeve të Fizikës Bërthamore me emrin Universiteti Shtetëror i Moskës D. V. Skobeltsyn M.V. Lomonosov
“Shkenca dhe jeta” nr.10, 2008

Kanë kaluar pothuajse njëqind vjet që nga momenti kur u zbuluan rrezet kozmike - rryma grimcash të ngarkuara që vijnë nga thellësitë e Universit. Që atëherë, shumë zbulime janë bërë në lidhje me rrezatimin kozmik, por shumë mistere mbeten ende. Një prej tyre, ndoshta më intriguesi: ku ndodhin grimcat me një energji prej më shumë se 10 20 eV, domethënë pothuajse një miliard trilion elektron volt, një milion herë më i madh se sa do të merret në përshpejtuesin më të fuqishëm - Përplasësin e Madh të Hadronit , vij nga? Cilat forca dhe fusha i përshpejtojnë grimcat drejt energjive të tilla monstruoze?

Rrezet kozmike u zbuluan në vitin 1912 nga fizikani austriak Victor Hess. Ai ishte anëtar i Institutit të Radiumit të Vjenës dhe kreu kërkime mbi gazet e jonizuar. Në atë kohë, ata tashmë e dinin se të gjithë gazrat (përfshirë atmosferën) ishin gjithmonë pak të jonizuar, gjë që tregonte praninë e një lënde radioaktive (si radiumi) qoftë në përbërjen e gazit ose pranë një pajisjeje që mat jonizimin, ka shumë të ngjarë në kores së tokës. Eksperimentet me ngritjen e detektorit të jonizimit nga balonë me ajër të nxehtë u konceptuan për të testuar këtë supozim, pasi jonizimi i gazit duhet të ulet me distancën nga sipërfaqja e tokës. Përgjigja ishte e kundërta: Hesi zbuloi një rrezatim të caktuar, intensiteti i të cilit rritej me lartësinë. Kjo sugjeroi se ai vjen nga hapësira, por përfundimisht vërtetohet origjinë jashtëtokësore rrezet patën sukses vetëm pas eksperimenteve të shumta (V. Hess iu dha çmimi Nobel vetëm në vitin 1936). Kujtoni se termi "rrezatim" nuk do të thotë që këto rreze janë thjesht elektromagnetike në natyrë (si rrezet e diellit, valët e radios ose rrezet X); u përdor për të zbuluar një fenomen, natyra e të cilit nuk dihej ende. Dhe megjithëse shpejt u bë e qartë se përbërësi kryesor i rrezeve kozmike janë grimcat e ngarkuara të përshpejtuara, protonet, termi ka mbijetuar. Studimi i një dukurie të re shpejt filloi të jepte rezultate që zakonisht quhen "tehu i fundit i shkencës".

Zbulimi i grimcave kozmike me energji shumë të lartë menjëherë (shumë përpara se të krijohej përshpejtuesi i protonit) ngriti pyetjen: cili është mekanizmi i nxitimit të grimcave të ngarkuara në objektet astrofizike? Sot e dimë se përgjigja doli të ishte jo e parëndësishme: një përshpejtues natyror, "hapësirë" është thelbësisht i ndryshëm nga përshpejtuesit e krijuar nga njeriu.

Shumë shpejt u bë e qartë se protonet kozmike, duke fluturuar nëpër materie, ndërveprojnë me bërthamat e atomeve të saj, duke krijuar grimca elementare të paqëndrueshme të panjohura më parë (ato u vëzhguan kryesisht në atmosferën e Tokës). Studimi i mekanizmit të lindjes së tyre hapi një rrugë të frytshme për ndërtimin e një sistematike të grimcave elementare. Në laborator, protonet dhe elektronet kanë mësuar të përshpejtojnë dhe të marrin flukset e tyre të mëdha, pakrahasueshme më të dendura se në rrezet kozmike. Në fund të fundit, ishin eksperimentet mbi bashkëveprimin e grimcave që merrnin energji në përshpejtuesit që çuan në krijimin pikturë moderne mikrobotë.

Në vitin 1938, fizikani francez Pierre Auger zbuloi një fenomen të jashtëzakonshëm - shirat e grimcave sekondare kozmike, të cilat lindin si rezultat i ndërveprimit të protoneve parësore dhe bërthamave jashtëzakonisht të energjisë me bërthamat e atomeve në atmosferë. Doli se spektri i rrezeve kozmike përmban grimca me energji të rendit 10 15-10 18 eV - miliona herë më shumë se energjia e grimcave të përshpejtuara në laborator. Akademiku Dmitry Vladimirovich Skobeltsyn dha kuptim të veçantë studimi i grimcave të tilla dhe menjëherë pas luftës, në vitin 1947, së bashku me kolegët e tij më të afërt G.T.Zatsepin dhe N.A. Historia e studimeve të para të rrezeve kozmike mund të gjendet në librat e N. Dobrotin dhe V. Rossi. Me kalimin e kohës, shkolla e D.V. Skobeltsyna është rritur në një nga më të fortët në botë dhe vite të gjata përcaktoi drejtimet kryesore në studimin e rrezeve kozmike me energji ultra të lartë. Metodat e saj bënë të mundur zgjerimin e gamës së energjive të hulumtuara nga 10 9 -10 13 eV, të regjistruara në balona dhe satelitët, deri në 10 13 –10 20 eV. Dy aspekte i bënë këto studime veçanërisht tërheqëse.

Së pari, u bë e mundur përdorimi i protoneve me energji të lartë të krijuar nga vetë natyra për të studiuar ndërveprimin e tyre me bërthamat e atomeve në atmosferë dhe për të deshifruar strukturën më të mirë të grimcave elementare.

Së dyti, ekziston mundësia e gjetjes së objekteve në hapësirë ​​që mund të përshpejtojnë grimcat në energji jashtëzakonisht të larta.

Aspekti i parë doli të mos ishte aq i frytshëm sa dëshirohej: studimi i strukturës së imët të grimcave elementare kërkonte shumë më tepër të dhëna për bashkëveprimin e protoneve sesa mund të merren nga rrezet kozmike. Në të njëjtën kohë, një kontribut i rëndësishëm për të kuptuarit e mikrobotës dha studimi i varësisë së shumicës. karakteristikat e përgjithshme ndërveprimet e protoneve nga energjia e tyre. Ishte gjatë studimit të EAS që u zbulua një veçori në varësinë e numrit të grimcave dytësore dhe shpërndarjes së tyre të energjisë nga energjia e grimcave parësore, e lidhur me strukturën kuark-gluon të grimcave elementare. Këto të dhëna u konfirmuan më vonë në eksperimentet e përshpejtuesit.

Sot, janë ndërtuar modele të besueshme të bashkëveprimit të rrezeve kozmike me bërthamat e atomeve të atmosferës, të cilat bënë të mundur studimin e spektrit të energjisë dhe përbërjes së grimcave të tyre primare të energjive më të larta. U bë e qartë se rrezet kozmike luajnë jo më pak një rol në dinamikën e zhvillimit të galaktikës sesa fushat dhe rrjedhat e tij të gazit ndëryjor: energjia specifike e rrezeve kozmike, gazit dhe fushës magnetike është afërsisht e barabartë me 1 eV për cm 3. Me një ekuilibër të tillë energjie në mjedisin ndëryjor, është e natyrshme të supozohet se nxitimi i grimcave të rrezeve kozmike ndodh, ka shumë të ngjarë, në të njëjtat objekte që janë përgjegjëse për ngrohjen dhe nxjerrjen e gazit, për shembull, në yjet e Re dhe Supernova. kur shpërthejnë.

Mekanizmi i parë për përshpejtimin e rrezeve kozmike u propozua nga Enrico Fermi për protonet që përplasen rastësisht me retë e magnetizuara të plazmës ndëryjore, por ai nuk mundi të shpjegonte të gjitha të dhënat eksperimentale. Në vitin 1977, akademiku Germogen Filippovich Krymsky tregoi se ky mekanizëm duhet të përshpejtojë shumë më fort grimcat në mbetjet e Supernovës në frontet e valëve goditëse, shpejtësitë e të cilave janë renditje të madhësisë më të larta se shpejtësitë e reve. Sot është treguar me besueshmëri se mekanizmi i përshpejtimit të protoneve dhe bërthamave kozmike nga një valë goditëse në mbështjelljet e supernovës është më efektivi. Por vështirë se do të jetë e mundur të riprodhohet në kushte laboratorike: nxitimi është relativisht i ngadaltë dhe kërkon shpenzime të mëdha energjie për të mbajtur grimcat e përshpejtuara. Në zarfet e supernovës, këto kushte ekzistojnë për shkak të vetë natyrës së shpërthimit. Është e jashtëzakonshme që përshpejtimi i rrezeve kozmike ndodh në një objekt unik astrofizik, i cili është përgjegjës për sintezën e bërthamave të rënda (më të rënda se heliumi), të cilat janë në të vërtetë të pranishme në rrezet kozmike.

Në galaktikën tonë, ka disa supernova të njohura më pak se një mijë vjet të vjetra që janë vëzhguar me sy të lirë. Më të famshmet janë Mjegullnaja e Gaforres në yjësinë Demi ("Gaforrja" është mbetja e shpërthimit të Supernovës në 1054, e shënuar në analet lindore), Cassiopeia A (vëzhguar në 1572 nga astronomi Tycho Brahe) dhe Supernova e Keplerit në konstelacion. Ophiuchus (1680). Diametrat e predhave të tyre sot janë 5-10 vite dritë (1 vit dritë = 10 16 m), domethënë ato zgjerohen me një shpejtësi prej 0,01 shpejtësia e dritës dhe ndodhen në një distancë prej rreth dhjetë mijë dritë. vite nga Toka. Zarfat e supernovës ("mjegullnaja") në rrezet optike, radio, rrezet X dhe gama u vëzhguan nga observatorët hapësinorë Chandra, Hubble dhe Spitzer. Ata kanë treguar me siguri se përshpejtimi i elektroneve dhe protoneve, i shoqëruar nga rrezatimi me rreze X, ndodh në të vërtetë në predha.

Mbushni hapësirën ndëryjore me rreze kozmike me një energji specifike të matur (~ 1 eV në cm 3) mund të jenë rreth 60 mbetje supernova më të reja se 2000 vjet, ndërsa janë më pak se dhjetë të njohura. Kjo mungesë shpjegohet me faktin se në rrafshin e Galaktikës, ku janë përqendruar yjet dhe supernova, ka shumë pluhur, i cili nuk e lë dritën të kalojë te vëzhguesi në Tokë. Vëzhgimet në rrezet X dhe rrezet gama, për të cilat shtresa e pluhurit është transparente, bënë të mundur zgjerimin e listës së predhave të vëzhguara "të reja" të Supernovës. Më e fundit nga këto predha të zbuluara rishtazi është Supernova G1.9 + 0.3, e vëzhguar me teleskopin me rreze X Chandra që nga janari 2008. Vlerësimet e madhësisë dhe shkallës së zgjerimit të guaskës së saj tregojnë se ajo u ndez rreth 140 vjet më parë, por nuk ishte e dukshme në rrezen optike për shkak të përthithjes së plotë të dritës së saj nga shtresa e pluhurosur e Galaxy.

Te të dhënat mbi supernovat që shpërthejnë në galaktikën tonë rruga e Qumështit, shtohen statistika dukshëm më të pasura mbi supernova në galaktika të tjera. Një konfirmim i drejtpërdrejtë i pranisë së protoneve dhe bërthamave të përshpejtuara është rrezatimi gama me energji të lartë të fotoneve që lind nga prishja e pioneve neutrale - produktet e ndërveprimit të protoneve (dhe bërthamave) me lëndën burimore. Fotone të tilla të energjive më të larta vërehen me teleskopë që regjistrojnë shkëlqimin Vavilov-Cherenkov të emetuar nga grimcat dytësore të EAS. Instrumenti më i avancuar i këtij lloji është një instalim me gjashtë teleskop i krijuar në bashkëpunim me HESS në Namibi. Së pari u mat rrezatimi gama nga Gaforrja dhe intensiteti i tij u bë një masë intensiteti për burime të tjera.

Rezultati i marrë jo vetëm që konfirmon ekzistencën e një mekanizmi për nxitimin e protoneve dhe bërthamave në Supernova, por gjithashtu lejon që dikush të vlerësojë spektrin e grimcave të përshpejtuara: spektrat e kuanteve gama "sekondare" dhe protoneve dhe bërthamave "primare" janë shume afer. Fusha magnetike në Gaforre dhe madhësia e saj lejon përshpejtimin e protoneve në energji të rendit 10 15 eV. Spektrat e grimcave të rrezeve kozmike në burim dhe në mjedisin ndëryjor janë disi të ndryshme, pasi probabiliteti i largimit të grimcave nga burimi dhe jetëgjatësia e grimcave në galaktikë varen nga energjia dhe ngarkesa e grimcës. Krahasimi i spektrit energjetik dhe përbërjes së rrezeve kozmike, të matura pranë Tokës, me spektrin dhe përbërjen në burim, bëri të mundur të kuptonim se sa gjatë udhëtojnë grimcat midis yjeve. Bërthamat e litiumit, beriliumit dhe borit në rrezet kozmike afër Tokës doli të ishin shumë më të mëdha se në burim - sasia e tyre shtesë shfaqet si rezultat i ndërveprimit të bërthamave më të rënda me gazin ndëryjor. Pasi kemi matur këtë ndryshim, kemi llogaritur numrin X të substancës nëpër të cilën kaluan rrezet kozmike, duke u endur në mediumin ndëryjor. Në fizikën bërthamore, sasia e materies që një grimcë takohet në rrugën e saj matet në g / cm 2. Kjo për faktin se për të llogaritur zvogëlimin e fluksit të grimcave në përplasjet me bërthamat e materies, është e nevojshme të dihet numri i përplasjeve të një grimce me bërthamat që kanë një zonë të ndryshme (seksion kryq) tërthor me drejtimin. të grimcës. Duke shprehur sasinë e materies në këto njësi, fitohet një shkallë e vetme matjeje për të gjitha bërthamat.

Vlera e gjetur në mënyrë eksperimentale X~ 5 –10 g / cm 2 na lejon të vlerësojmë jetëgjatësinë t rrezet kozmike në mjedisin ndëryjor: t ≈ X/ρ c, ku c- shpejtësia e grimcave, afërsisht e barabartë me shpejtësinë e dritës, ρ ~ 10 –24 g / cm 3 - dendësia mesatare e mediumit ndëryjor. Prandaj, jetëgjatësia e rrezeve kozmike është rreth 10 8 vjet. Kjo kohë është shumë më e gjatë se koha e fluturimit të një grimce që lëviz me një shpejtësi Me në një vijë të drejtë nga burimi në Tokë (3 · 10 4 vjet për burimet më të largëta në anën e kundërt të Galaktikës nga ne). Kjo do të thotë që grimcat nuk lëvizin në vijë të drejtë, por pësojnë shpërndarje. Fushat magnetike kaotike të galaktikave me induksion B ~ 10 -6 gauss (10 -10 tesla) i lëvizin ato në një rreth me një rreze (gyroradius) R = E/ 3 × 10 4 B, ku R në m, E- energjia e grimcave në eV, V - induksioni i fushës magnetike në gaus. Në energji të moderuar të grimcave E

Përafërsisht në një vijë të drejtë, vetëm grimcat me energji do të vijnë nga burimi E> 10 19 eV. Prandaj, drejtimi i grimcave me energji më të vogël se 10 19 eV që krijojnë EAS nuk tregon burimin e tyre. Në këtë diapazon energjetik, mbetet vetëm të vëzhgojmë rrezatimin dytësor të gjeneruar në vetë burimet nga protonet dhe bërthamat e rrezeve kozmike. Në diapazonin e energjisë së vëzhgueshme të rrezatimit gama ( E

Koncepti i rrezeve kozmike si një fenomen galaktik "lokal" doli të ishte i vërtetë vetëm për grimcat me energji të moderuara. E

Në vitin 1958, Georgy Borisovich Christiansen dhe German Viktorovich Kulikov zbuluan një ndryshim të mprehtë në formën e spektrit energjetik të rrezeve kozmike me një energji të rendit 3 · 10 15 eV. Në energjitë nën këtë vlerë, të dhënat eksperimentale mbi spektrin e grimcave zakonisht paraqiteshin në një formë "fuqi-ligj" në mënyrë që numri i grimcave N me një energji të caktuar E supozohej të ishte në përpjesëtim të zhdrejtë me energjinë e grimcave me fuqinë γ: N(E) = a/Eγ (γ është indeksi i spektrit diferencial). Deri në një energji prej 3 · 10 15 eV, eksponenti γ = 2,7, por kur kalon në energji të larta, spektri i energjisë përjeton një "ndërprerje": për energjitë E> 3 · 10 15 eV γ bëhet 3,15. Është e natyrshme që ky ndryshim në spektër të lidhet me afrimin e energjisë së grimcave të përshpejtuara në vlerën maksimale të mundshme të llogaritur për mekanizmin e nxitimit në supernova. Përbërja bërthamore e grimcave primare në diapazonin e energjisë 10 15 – 10 17 eV flet gjithashtu në favor të një shpjegimi të tillë për thyerjen e spektrit. Informacioni më i besueshëm në lidhje me të sigurohet nga instalimet komplekse të EAS - "MGU", "Tunka", "Tibet", "Cascade". Me ndihmën e tyre, merren jo vetëm informacione për energjinë e bërthamave parësore, por edhe parametra në varësi të numrit të tyre atomik - "gjerësia" e dushit, raporti midis numrit të elektroneve dhe muoneve, midis numrit të më energjikëve. elektronet dhe numri i përgjithshëm i tyre. Të gjitha këto të dhëna tregojnë se me një rritje të energjisë së grimcave primare nga skaji i majtë i spektrit deri në thyerjen e tij në energjinë pas thyerjes, ndodh rritja e tyre. pesha mesatare... Një ndryshim i tillë në përbërjen e grimcave sipas masës është në përputhje me modelin e nxitimit të grimcave në Supernova - ai kufizohet nga energjia maksimale, e cila varet nga ngarkesa e grimcave. Për protonet, kjo energji maksimale është e rendit 3 · 10 15 eV dhe rritet në raport me ngarkesën e grimcës së përshpejtuar (bërthamë), kështu që bërthamat e hekurit përshpejtohen në mënyrë efektive deri në ~ 10 17 eV. Intensiteti i flukseve të grimcave me energji që tejkalojnë maksimumin zvogëlohet me shpejtësi.

Por regjistrimi i grimcave të energjive edhe më të larta (~ 3 × 10 18 eV) tregoi se spektri i rrezeve kozmike jo vetëm që nuk shkëputet, por kthehet në formën e vërejtur përpara thyerjes!

Matjet e spektrit të energjisë në energjinë "ultra-lartë" ( E> 10 18 eV) janë shumë të vështira për shkak të numrit të vogël të grimcave të tilla. Për të vëzhguar këto ngjarje të rralla, është e nevojshme të krijohet një rrjet detektorësh të fluksit të grimcave EAS dhe rrezatimit Vavilov - Cherenkov të krijuar prej tyre në atmosferë dhe rrezatimit jonizues (fluoreshencë atmosferike) në një sipërfaqe prej qindra dhe madje mijëra kilometrash katrorë. Për instalime kaq të mëdha, komplekse, ata zgjedhin vende me aktivitet të kufizuar ekonomik, por me aftësinë për të siguruar funksionimin e besueshëm të një numri të madh detektorësh. Instalime të tilla fillimisht u ndërtuan në zona prej dhjetëra kilometrash katrorë (Yakutsk, Havera Park, Akeno), më pas në qindra (AGASA, Fly's Eyе, HiRes) dhe, më në fund, tani po krijohen instalime në mijëra kilometra katrorë (Pierre Auger Observatori në Argjentinë, Instalimi Teleskopik në Utah, SHBA).

Hapi tjetër në studimin e rrezeve kozmike me energji tepër të lartë do të jetë zhvillimi i një metode për regjistrimin e EAS-ve duke vëzhguar fluoreshencën atmosferike nga hapësira. Në bashkëpunim me disa vende, në Rusi po krijohet detektori i parë hapësinor EAS, projekti TUS. Një tjetër detektor i tillë supozohet të instalohet në International stacioni hapësinor ISS (projektet JEM-EUSO dhe KLPVE).

Çfarë dimë sot për rrezet kozmike me energji ultra të lartë? Figura e poshtme tregon spektrin energjetik të rrezeve kozmike me energji mbi 10 18 eV, i cili është marrë në pajisjet e gjeneratës së fundit (HiRes, Observatori Pierre Auger) së bashku me të dhënat për rrezet kozmike të energjive më të ulëta, të cilat, siç u tregua më lart, i përkasin te galaktika e Rrugës së Qumështit. Mund të shihet se në energjitë prej 3 · 10 18 -3 · 10 19 eV, indeksi i spektrit të energjisë diferenciale u ul në një vlerë prej 2,7-2,8, saktësisht e njëjta gjë që vërehet për rrezet kozmike galaktike, kur energjitë e grimcave janë shumë më të ulëta se maksimumi i mundshëm për përshpejtuesit galaktikë ... A nuk shërben kjo si një tregues që në energji tepër të larta, rryma kryesore e grimcave krijohet nga përshpejtuesit me origjinë ekstragalaktike me energji maksimale shumë më të larta se ato galaktike? Një ngërç në spektrin e rrezeve kozmike galaktike tregon se kontributi i rrezeve kozmike ekstragalaktike ndryshon në mënyrë dramatike duke shkuar nga rajoni i energjive të moderuara prej 10 14 – 10 16 eV, ku është afërsisht 30 herë më pak se kontributi i atyre galaktike ( spektri i treguar në figurë me një vijë të ndërprerë), në rajonin e energjive tepër të larta ku ai bëhet dominues.

Në dekadat e fundit, të dhëna të shumta astronomike janë grumbulluar në objekte ekstragalaktike të afta për të përshpejtuar grimcat e ngarkuara në energji shumë më të larta se 10 19 eV. Një shenjë e dukshme se objekti është i përmasave D mund të përshpejtojë grimcat në energji E, prania e një fushe magnetike B të tillë që gyrodius i grimcës është më i vogël se D... Burime të tilla kandidate përfshijnë galaktikat radio (që lëshojnë emetime të forta radioje); bërthamat e galaktikave aktive që përmbajnë vrima të zeza; galaktikat që përplasen. Të gjitha ato përmbajnë avionë gazi (plazma) që lëvizin me shpejtësi të jashtëzakonshme që i afrohen shpejtësisë së dritës. Avionë të tillë luajnë rolin e valëve goditëse të nevojshme për funksionimin e përshpejtuesit. Për të vlerësuar kontributin e tyre në intensitetin e vëzhguar të rrezeve kozmike, është e nevojshme të merret parasysh shpërndarja e burimeve në distanca nga Toka dhe humbja e energjisë e grimcave në hapësirën ndërgalaktike. Përpara zbulimit të emetimit të radios kozmike në sfond, hapësira ndërgalaktike dukej "e zbrazët" dhe transparente jo vetëm për rrezatimin elektromagnetik, por edhe për grimcat me energji ultra të lartë. Dendësia e gazit në hapësirën ndërgalaktike, sipas të dhënave astronomike, është aq e vogël (10 –29 g / cm 3) saqë edhe në distanca të mëdha prej qindra miliarda vitesh dritë (10 24 m), grimcat nuk takohen me bërthamat e atomet e gazit. Sidoqoftë, kur doli se Universi është i mbushur me fotone me energji të ulët (rreth 500 fotone / cm 3 me energji E f ~ 10 -3 eV) duke mbetur pas Big Bengut, u bë e qartë se protonet dhe bërthamat me energji më të mëdha se E~ 5 10 19 eV, kufiri Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK), duhet të ndërveprojë me fotonet dhe të humbasë b gjatë rrugës për dhjetëra miliona vite dritë O pjesën më të madhe të energjisë suaj. Kështu, pjesa dërrmuese e Universit, e vendosur në distanca prej më shumë se 10 7 vite dritë nga ne, doli të ishte e paarritshme për vëzhgim në rreze me një energji prej më shumë se 5 · 10 19 eV. Të dhënat e fundit eksperimentale mbi spektrin e rrezeve kozmike me energji ultra të lartë (objektet HiRes, Observatori Pierre Auger) konfirmojnë ekzistencën e këtij kufiri energjie për grimcat e vëzhguara nga Toka.

Siç shihet, është jashtëzakonisht e vështirë të studiohet origjina e rrezeve kozmike me energji ultra të lartë: pjesa kryesore e burimeve të mundshme të rrezeve kozmike të energjive më të larta (mbi kufirin GZK) janë aq larg sa grimcat në rrugën e tyre drejt Toka humbet energjinë e fituar në burim. Dhe në energji më pak se kufiri GZK, devijimi i grimcave fushë magnetike Galaktikat janë ende të mëdha, dhe drejtimi i mbërritjes së grimcave nuk ka gjasa të jetë në gjendje të tregojë pozicionin e burimit në sferën qiellore.

Në kërkimin e burimeve të rrezeve kozmike me energji tepër të lartë, një analizë e korrelacionit të drejtimit të matur eksperimentalisht të mbërritjes së grimcave me mjaftueshëm energjitë e larta- të tilla që fushat e galaktikës i devijojnë pak grimcat nga drejtimi në burim. Instalimet e gjeneratës së mëparshme nuk kanë dhënë ende të dhëna bindëse për korrelacionin e drejtimit të mbërritjes së grimcave me koordinatat e ndonjë klase të zgjedhur posaçërisht të objekteve astrofizike. Të dhënat më të fundit nga observatori Pierre Auger mund të shihen si një shpresë për marrjen e të dhënave në vitet e ardhshme mbi rolin e burimeve të tipit AGN në krijimin e flukse intensive grimca me energji të rendit të kufirit GZK.

Është interesant fakti se objekti i AGASA-s jepte indikacione për ekzistencën e drejtimeve "boshe" (ato ku nuk ka burime të njohura) përgjatë të cilave mbërrijnë dy apo edhe tre grimca gjatë periudhës së vëzhgimit. Kjo shkaktoi interes i madh midis fizikantëve që merren me kozmologji - shkenca e origjinës dhe zhvillimit të Universit, e lidhur pazgjidhshmërisht me fizikën e grimcave elementare. Rezulton se në disa modele të strukturës së mikrobotës dhe zhvillimit të Universit (teoria e Big Bengut), parashikohet ruajtja në Universin modern të grimcave elementare supermasive me një masë prej rreth 10 23 – 10 24 eV, nga të cilat kanë rëndësi në vetë faza fillestare Big Bang. Shpërndarja e tyre në Univers nuk është shumë e qartë: ato mund të shpërndahen ose në mënyrë të barabartë në hapësirë, ose të "tërhiqen" në rajone masive të Universit. Karakteristika e tyre kryesore është se këto grimca janë të paqëndrueshme dhe mund të kalbet në grimca më të lehta, duke përfshirë protonet e qëndrueshme, fotonet dhe neutrinot, të cilat fitojnë energji të mëdha kinetike - më shumë se 10 20 eV. Vendet ku kanë mbijetuar grimca të tilla (defekte topologjike të Universit) mund të rezultojnë të jenë burime të protoneve, fotoneve ose neutrinos me energji tepër të lartë.

Ashtu si në rastin e burimeve galaktike, ekzistenca e përshpejtuesve ekstragalaktikë të rrezeve kozmike me energji ultra të lartë konfirmohet nga të dhënat nga detektorët e rrezeve gama, për shembull, teleskopët e objektit HESS që synojnë objektet ekstragalaktike të listuara më sipër - kandidatë për burimet e rrezeve kozmike.

Midis tyre, më premtueset janë bërthamat e galaktikave aktive (AGN) me avionë gazi. Një nga objektet më të studiuara mirë në objektin HESS është galaktika M87 në yjësinë e Virgjëreshës, në një distancë prej 50 milionë vitesh dritë nga galaktika jonë. Në qendër të saj është një vrimë e zezë, e cila siguron energji për proceset pranë saj dhe, në veçanti, një avion gjigant plazme që i përket kësaj galaktike. Përshpejtimi i rrezeve kozmike në M87 konfirmohet drejtpërdrejt nga vëzhgimet e rrezatimit gama të tij, spektri i energjisë i të cilit është 1-10 TeV (10 12-10 13 eV) fotone të vëzhguara në objektin HESS. Intensiteti i vëzhguar i rrezatimit gama nga M87 është afërsisht 3% i atij të Gaforres. Duke marrë parasysh ndryshimin në distancën me këto objekte (5000 herë), kjo do të thotë se shkëlqimi i M87 e tejkalon shkëlqimin e Gaforres me 25 milion herë!

Modelet e nxitimit të grimcave të krijuara për këtë objekt tregojnë se intensiteti i grimcave të përshpejtuara në M87 mund të jetë aq i madh sa që edhe në një distancë prej 50 milionë vite dritë, kontributi i këtij burimi mund të sigurojë intensitetin e vëzhguar të rrezeve kozmike me energji mbi 10 19 eV. .

Por këtu është një mister: në të dhënat moderne të EAS-ve ndaj këtij burimi, nuk ka tepricë të grimcave me energji të rendit 10 19 eV. A nuk do të shfaqet ky burim në rezultatet e eksperimenteve të ardhshme hapësinore, në energji të tilla, kur burimet e largëta nuk kontribuojnë më në ngjarjet e vëzhguara? Situata me një ndërprerje në spektrin e energjisë mund të përsëritet edhe një herë, për shembull, me një energji prej 2 · 10 20. Por këtë herë burimi duhet të jetë i dukshëm në matjet e drejtimit të trajektores së grimcës parësore, pasi energjitë> 2 · 10 20 eV janë aq të mëdha sa grimcat nuk duhet të devijohen në fushat magnetike galaktike.

Siç mund ta shihni, pas një historie njëqindvjeçare të studimit të rrezeve kozmike, ne jemi përsëri në pritje të zbulimeve të reja, këtë herë të rrezatimit kozmik me energji ultra të lartë, natyra e të cilit ende nuk dihet, por mund të luajë një rol të rëndësishëm në struktura e Universit.

Literatura:
1) Dobrotin N.A. Rrezet kozmike... - M .: Ed. Akademia e Shkencave e BRSS, 1963.
2) Murzin V.S. Hyrje në fizikën e rrezeve kozmike... - M .: Ed. Universiteti Shtetëror i Moskës, 1988.
3) Panasyuk M.I. Endacakët e Universit, ose Jehona e Big Bengut... - Fryazino: "Vek2", 2005.
4) Rossi B. Rrezet kozmike... - M .: Atomizdat, 1966.
5) Khrenov B.A. Meteorët relativistë// Shkenca në Rusi, 2001, nr. 4.
6) Khrenov B.A. dhe Panasyuk M.I. Lajmëtarët e kozmosit: Larg apo afër?// Natyra, 2006, nr.2.
7) Khrenov B.A. dhe Klimov P.A. Hapja në pritje// Natyra, 2008, nr.4.

Ligjet e ruajtjes janë ndjekur me rigorozitet në të gjitha rastet e përshkruara në kapitujt e mëparshëm. Kur një nga ligjet doli të ishte i papërsosur, ata duhej ta interpretonin ndryshe. Kështu, ligji i vjetër i ruajtjes së masës u zgjerua dhe u shndërrua në një ligj më të përgjithshëm të ruajtjes së energjisë. Nga ana tjetër, kur ngjarjet e pritshme nuk ndodhën në të vërtetë, ata dolën me ligji i ri ruajtje (si në rastin e ligjit të ruajtjes së numrit të barionit). Megjithatë, nuk është gjithmonë e lehtë të vërtetohet se ligjet e ruajtjes janë përmbushur saktësisht. Një situatë veçanërisht misterioze u ngrit në agimin e zhvillimit të fizikës bërthamore në studimin e energjisë kinetike të grimcave të emetuara nga substancat radioaktive.

Energjia e grimcës β mund të përcaktohet duke matur masat e bërthamës radioaktive fillestare, grimcës α dhe bërthamës përfundimtare. Masa totale e grimcës?-dhe bërthamës përfundimtare duhet të jetë pak më e vogël se masa e bërthamës fillestare dhe ekuivalenti i energjisë i masës që mungon duhet të jetë i barabartë me energjinë kinetike të?-grimcës. Fizikanët ishin në gjendje të masin me saktësi të lartë masat e bërthamave të ndryshme dhe grimcave të tjera vetëm në vitet 1920. Megjithatë, ata bënë disa përfundime të rëndësishme për energjitë e grimcave pa e ditur vlerën e saktë të masave.

Konsideroni torium-232, i cili zbërthehet në grimcë?- (helium-4) dhe radium-228. Të gjitha bërthamat e torium-232 kanë të njëjtat masa. Masat e të gjitha bërthamave të radiumit-228 janë gjithashtu të së njëjtës madhësi, siç janë masat e të gjithave? -Grimcat. Pa e ditur madhësinë e këtyre masave, megjithatë mund të thuhet se sa herë që një atom toriumi-232 lëshon një grimcë? - deficiti i masës duhet të jetë i njëjtë, dhe për rrjedhojë, energjia kinetike e? . Me fjalë të tjera, toriumi-232 duhet të lëshojë? -Grimca me të njëjtën energji.

Si të përcaktohet energjia kinetike e? -Grimcave? Dihet se sa më e madhe të jetë energjia e grimcës β, aq më thellë depërton në substancë. -Grimcat frenohen shumë shtrese e holle e ngurtë, por mund të kalojë përmes një shtrese ajri disa centimetra të trashë. Në këtë rast, grimcat? - transferojnë vazhdimisht energji në molekulat e ajrit me të cilat ato përplasen, ngadalësohen gradualisht dhe, duke kapur elektrone, përfundimisht bëhen atome të zakonshme të heliumit. Në një gjendje të tillë, ato nuk mund të zbulohen më me metodat me të cilat regjistrohen grimcat β, kështu që në fakt ato zhduken.

A është e mundur të zbulohen? -Grimcat duke përdorur një film përbërje kimike i quajtur sulfid zinku. Sa herë që një grimcë godet një film të tillë, ajo shkakton një blic të dobët drite. Nëse, pranë burimit të? -Grimcave (të themi, një copë toriumi-232 në një enë plumbi me një hapje shumë të ngushtë) vendosim numëruesi i shkrepjes, atëherë numri i flakërimeve do të korrespondojë me numrin e grimcave të formuara? Nëse numëruesi i scintilacionit vendoset gjithnjë e më larg nga burimi, grimcat?- do të duhet të kalojnë përmes një shtrese ajri gjithnjë e më të madhe për të hyrë në të. Nëse? -Grimcat do të emetoheshin me energji të ndryshme, atëherë ato me energjinë më të ulët do të zhdukeshin shumë shpejt, më "energjike"? burimi, numri i? -Grimcat që bien në numërator duhet të ulen gradualisht. Nëse? -Grimcat do të fluturonin me të njëjtën energji, të gjitha do të kalonin të njëjtën rrugë në ajër. Rrjedhimisht, një numërues shintilimi do të duhej të regjistronte të njëjtin numër grimcash kur largohet nga burimi, deri në një pikë të caktuar kritike, përtej së cilës nuk do të regjistronte asnjë ndezje të vetme.

Ky fenomen u vëzhgua nga fizikani anglez William Henry Bragg në 1904. Pothuajse të gjitha? -Grimcat e emetuara nga bërthamat e të njëjtit element kishin të njëjtën energji dhe kishin të njëjtën aftësi depërtuese. Të gjitha? -Grimcat e torium-232 kaluan nëpër një shtresë ajri me trashësi 2.8 cm, të gjitha? -grimcat e radiumit-226- 3.3 cm,α-grimca të polonium-212 - 8.6 cm... Në fakt, ka disa devijime. Në vitin 1929, u zbulua se një pjesë e vogël e grimcave të së njëjtës bërthamë radioaktive mund të ketë një sasi jashtëzakonisht të madhe. energjia kinetike dhe fuqi më depërtuese se pjesa tjetër. Arsyeja për këtë është se bërthama origjinale radioaktive mund të jetë e vendosur në një nga gjendjet e emocionuara. Në gjendjet e ngacmuara, bërthamat kanë një energji më të lartë se në gjendjen e tyre normale. kusht themelor. Kur bërthama lëshon një grimcë?- ndërsa është në një gjendje të ngacmuar, grimca?- merr energji shtesë. Si rezultat, përveç grupit kryesor të grimcave β, formohen grupe të vogla grimcash β me aftësi më të lartë depërtuese, një grup për secilën gjendje të ngacmuar.

Kur një bërthamë radioaktive formohet nga kalbja e një bërthame tjetër, ajo ndonjëherë është në një gjendje të ngacmuar që nga momenti i formimit. Atëherë shumica e grimcave? -Grimcat e emetuara prej tij kanë një energji jashtëzakonisht të lartë dhe? -Grimcat me energji më të ulët formojnë grupe të vogla. Formohen këto grupe të veçanta të grimcave β (nga 2 në 13) me energji të ndryshme varg? -grimca të një bërthame të caktuar. Çdo komponent i spektrit korrespondon, siç pritej, me një nga gjendjet e ngacmuara të bërthamës. Pra, plotësohet ligji i ruajtjes së energjisë së? -Grimcave, gjë që nuk mund të thuhet në rastin e? -Grimcave.

Energjia? - Grimcat

Nëse të gjitha përfundimet e nxjerra për? -Grimcat do të ishin të zbatueshme për? -Grimcat dhe marrëdhëniet e konsideruara të energjisë do të përmbusheshin, të gjitha? -Grimcat e formuara gjatë zbërthimit të bërthamave do të kishin të njëjtën energji kinetike. Mirëpo, qysh në vitin 1900 u krijua përshtypja se? -Grimcat emetohen me çfarëdo energjie deri në një vlerë maksimale të caktuar. Gjatë pesëmbëdhjetë viteve të ardhshme, provat u grumbulluan gradualisht derisa u bë shumë e qartë se energjitë e grimcave? - formojnë një spektër të vazhdueshëm.

Çdo bërthamë, që lëshon një? -Grimca në procesin e kalbjes, humbet një sasi të caktuar të masat. Ulja e masës duhet të korrespondojë me vlerën e energjisë kinetike të grimcës β. Në këtë rast, energjia kinetike e një? -Grimca e ndonjë prej bërthamave radioaktive të njohura për ne nuk e kalon energjinë ekuivalente me një ulje të masës. Kështu, ulja e masës për çdo zbërthim radioaktiv korrespondon me vlerën maksimale të energjisë kinetike të grimcave β të formuara në procesin e këtij zbërthimi.

Por, sipas ligjit të ruajtjes së energjisë, asnjë nga grimcat? - nuk duhet të ketë energji kinetike më të vogël se energjia ekuivalente me një ulje të masës, d.m.th., energjia kinetike maksimale e grimcës? - duhet të jetë njëkohësisht minimale. Në realitet, nuk është kështu. Shumë shpesh? -Grimcat emetohen me energji kinetike më të ulët se sa pritej, dhe vlera maksimale që korrespondon me ligjin

ruajtja e energjisë nuk ka gjasa të arrijë të paktën një grimcë? Disa? -Grimcat kanë energji kinetike pak më pak se vlera maksimale, të tjera shumë më pak dhe të tjera shumë më pak. Energjia kinetike më e zakonshme është një e treta e vlerës maksimale. Në përgjithësi, më shumë se gjysma e energjisë që duhet të lindë si rezultat i zvogëlimit të masës gjatë zbërthimeve radioaktive të shoqëruara me formimin e grimcave? - nuk mund të zbulohen.

Në vitet njëzetë, shumë fizikanë ishin të prirur të braktisnin ligjin e ruajtjes së energjisë, të paktën për ato procese në të cilat formohen grimcat. Perspektiva ishte shqetësuese pasi ligji mbeti i vërtetë në të gjitha rastet e tjera. Por a ka një shpjegim tjetër për këtë fenomen?

Në vitin 1931, Wolfgang Pauli propozoi hipotezën e mëposhtme: -Grimca nuk e merr të gjithë energjinë për shkak të faktit se formohet një grimcë e dytë, e cila mbart pjesën tjetër të energjisë. Energjia mund të shpërndahet midis dy grimcave në çdo proporcion. Në disa raste, pothuajse e gjithë energjia transferohet në elektron, dhe më pas ai ka pothuajse energji kinetike maksimale, ekuivalente me një ulje të masës.

Ndonjëherë pothuajse e gjithë energjia transferohet në grimcën e dytë, atëherë energjia e elektronit është praktikisht zero. Kur energjia shpërndahet në mënyrë më të barabartë midis dy grimcave, elektroni ka vlera të ndërmjetme të energjisë kinetike.

Cila grimcë e plotëson supozimin e Paulit? Të kujtohet kjo? -Grimcat lindin sa herë që një neutron shndërrohet në një proton brenda bërthamës. Kur merret parasysh transformimi i një neutroni në një proton, është padyshim më e lehtë të merret me një neutron të lirë. Neutroni nuk u zbulua kur Pauli propozoi për herë të parë teorinë e tij. Ne mund të përfitojmë nga prapavija.

Kur një neutron i lirë zbërthehet në një proton dhe një elektron, ky i fundit fluturon me çdo energji kinetike deri në maksimum, e cila është afërsisht e barabartë me 0,78 Mev... Situata është e ngjashme me emetimin e një grimce alfa nga një bërthamë radioaktive; prandaj, kur merret parasysh prishja e një neutroni të lirë, është e nevojshme të merret parasysh grimca Pauli.

Shënojmë grimcën Pauli X dhe le të përpiqemi të zbulojmë vetitë e tij. Le të shkruajmë reagimin e zbërthimit të neutronit:

P> p ++ e -+ X.

Nëse ligji i ruajtjes së ngarkesës elektrike plotësohet gjatë zbërthimit të neutronit, X-grimca duhet të jetë neutrale. Në të vërtetë, 0 = 1–1 + 0. Kur një neutron zbërthehet në një proton dhe një elektron, humbja e masës është 0.00029 njësi në shkallën e masës atomike, që është afërsisht e barabartë me gjysmën e masës së një elektroni. Nëse x-grimca mori edhe të gjithë energjinë e formuar si rezultat i zhdukjes së masës, dhe nëse e gjithë energjia shkonte në formimin e masës, masa X do të ishte vetëm gjysma e masës së një elektroni. Prandaj, x-grimca duhet të jetë më e lehtë se një elektron. Në fakt, duhet të jetë shumë më i lehtë, pasi zakonisht elektroni merr pjesën më të madhe të energjisë së lëshuar, dhe ndonjëherë pothuajse të gjithë. Për më tepër, nuk ka gjasa që energjia të transferohet X-grimca, shndërrohet plotësisht në masë; një pjesë e konsiderueshme e tij shndërrohet në energji kinetike X-grimca. Vlerësimi masiv ndër vite X-grimcat u bënë gjithnjë e më pak. Më në fund, u bë e qartë se X-grimca, si një foton, nuk ka masë, domethënë si një foton, ajo përhapet me shpejtësinë e dritës që nga momenti i shfaqjes së saj. Nëse energjia e fotonit varet nga gjatësia e valës, energjia X-grimca varet nga diçka e ngjashme.

Rrjedhimisht, grimca Pauli nuk ka as masë, as ngarkesë, dhe bëhet e qartë pse ajo mbetet "e padukshme". Grimcat e ngarkuara zakonisht zbulohen për shkak të joneve që formojnë. Një neutron i pakarikuar u zbulua për shkak të masës së tij të madhe. Një grimcë pa masë dhe pa ngarkesë e ngatërron fizikën dhe i privon atij çdo mundësi për ta kapur dhe studiuar atë.

Menjëherë pasi Pauli sugjeroi ekzistencën e X-grimca, ajo mori një emër. Në fillim donin ta quanin "neutron", pasi nuk është i ngarkuar, por një vit pasi u shfaq hipoteza, Paulie Chadwick zbuloi një grimcë të rëndë të pa ngarkuar, e cila mori këtë emër. Fizikani italian Enriko Fermi, do të thotë se X-grimca është shumë më e lehtë se neutroni i Chadwick, sugjerohet që të quhet grimca x neutrino, që në rusisht do të thotë "diçka e vogël, neutrale". Propozimi ishte shumë i suksesshëm dhe që atëherë quhet kështu. Zakonisht neutrinot shënohen Letra greke? "Nudo" ) dhe zbërthimi i neutronit shkruhet si më poshtë:

P> p ++ e -+ ?..

Neutrinot janë absolutisht thelbësore

Hipoteza e Paulit për ekzistencën e neutrinos dhe teoria pasuese e detajuar e prodhimit të neutrinos e krijuar nga Fermi u prit ndryshe nga fizikanët. Askush nuk donte të braktiste ligjin e ruajtjes së energjisë, megjithëse kishte dyshime serioze për nevojën për të shpëtuar këtë ligj me ndihmën e një grimce pa masë dhe pa ngarkesë, një grimcë që nuk mund të zbulohet, një grimcë, e vetmja arsye për ekzistenca e së cilës ishte thjesht një dëshirë për të shpëtuar ligjin e ruajtjes së energjisë. Disa fizikanë e konsideruan atë një grimcë fantazmë, një lloj truke për të kursyer energji "kontabiliteti". Në fakt, koncepti i neutrinos ishte thjesht një mënyrë për të shprehur se "ligji i ruajtjes së energjisë nuk vlen". Ligji i ruajtjes së energjisë nuk ishte i vetmi i shpëtuar nga neutrinot.

Konsideroni një neutron të palëvizshëm, d.m.th., një neutron me momentum zero në raport me vëzhguesin. Gjatë zbërthimit të tij, momenti total i protonit dhe elektronit duhet të jetë zero nëse zbërthimi shoqërohet me formimin e vetëm dy grimcave. Një elektron duhet të fluturojë në një drejtim, dhe një proton në drejtim të kundërt (por me një shpejtësi më të ulët, pasi masa e tij është më e madhe ).

Megjithatë, nuk është kështu. Një elektron dhe një proton emetohen në drejtime që formojnë një kënd specifik. Një moment i vogël total në drejtim të emetimit të grimcave lind sikur nga asgjëja dhe ligji i ruajtjes së momentit shkelet. Megjithatë, nëse në këtë rast shfaqet një neutrino, ajo mund të fluturojë në një drejtim të tillë që saktësisht të kompensojë momentin total të dy grimcave të tjera (Fig. 6).

Me fjalë të tjera, ligji i ruajtjes së momentit përmbushet vetëm falë neutrinos.

Oriz. 6. Prishja e një neutroni.

Është e lehtë të shihet se situata është e ngjashme me momentin këndor. Neutroni, protoni dhe elektroni kanë rrotullime prej +1/2 ose -1/2 secili. Supozoni se rrotullimi i neutronit është +1/2. Gjatë zbërthimit të tij, spin-i total i protonit dhe elektronit duhet të jetë i barabartë me +1/2, nëse ligji i ruajtjes së momentit këndor është i vlefshëm dhe vetëm këto dy grimca formohen gjatë zbërthimit. A është e mundur? Rrotullimet e protonit dhe elektronit mund të jenë të barabarta me +1/2 dhe +1/2; +1/2 dhe -1/2; -1/2 dhe -1/2, pra rrotullimi total i të dy grimcave është përkatësisht +1, 0 dhe -1. Nuk është e barabartë dhe nuk mund të jetë kurrë +1/2 ose -1/2 nëse rrotullimi i neutronit ishte -1/2 në fillim. Me pak fjalë, nëse një neutron zbërthehet vetëm në një proton dhe një elektron, ligji i ruajtjes së momentit këndor shkelet.

Por supozoni se zbërthimi prodhon një neutrino me rrotullim +1/2 ose -1/2. Atëherë rrotullimi total i tre grimcave të prodhuara gjatë zbërthimit do të jetë gjithmonë i barabartë me rrotullimin e neutronit fillestar. Rrjedhimisht, ekzistenca e neutrinos "shpëtohet" nga të paktën tre ligje: ligji i ruajtjes së energjisë, momenti dhe momenti këndor. Vlen të përmendet se e njëjta grimcë kryen punë të trefishtë.

Është e vështirë të thuhet se cila ishte më e keqe: të pranosh ekzistencën e një grimce misterioze, fantazmë ose shkelje të një ligji të ruajtjes. Është shumë më e lehtë të bësh një zgjedhje midis një grimce fantazmë dhe shkeljes së tre ligjeve të ruajtjes në të njëjtën kohë. Fizikanët duhej të zgjidhnin një grimcë fantazmë. Gradualisht, ekzistenca e neutrinos u njoh nga shkencëtarët bërthamorë. Ata pushuan së dyshuari në realitetin e neutrinos, pavarësisht nëse mund ta zbulonin atë apo jo.

Ruajtja e numrit të leptonit

Neutrino jo vetëm që ruan tre ligje të ruajtjes, por gjithashtu krijon një të ri. Për të kuptuar se si ndodh kjo, merrni parasysh neutrinot në lidhje me antigrimcat.

Një antineutron zbërthehet në një antiproton dhe një pozitron (antielektron). Situata është e ngjashme me zbërthimin e një neutroni. Pozitroni fluturon me më pak energji kinetike se sa duhet, pozitroni dhe antiprotoni nuk fluturojnë në drejtime të kundërta dhe rrotullimet e tyre nuk mblidhen siç duhet. Shtimi i neutrinos në këtë rast do të balancojë gjithçka.

Natyrisht, lind pyetja: a prodhohet e njëjta neutrino në zbërthimin e një antineutroni dhe në zbërthimin e një neutroni?

Nuk është e vështirë të vërtetosh se neutrinot janë të ndryshme. Një neutrino, e cila ka një rrotullim, si një neutron, krijon një fushë magnetike që ka dy drejtime të ndryshme. Prandaj, neutrinot dhe antineutrinot ekzistojnë në të njëjtën mënyrë si neutronet dhe antineutronet. Kur një neutron prishet, shfaqet një nga binjakët neutrino, dhe kur një antineutron prishet, një tjetër. Por cili prej tyre e shoqëron këtë prishje?

Unë kam përshkruar tashmë ligjin e ruajtjes së numrit të barionit, i cili thotë se numri i përgjithshëm i barionit të një sistemi të mbyllur mbetet konstant. A ka një të ngjashme ligji i ruajtjes së numrit të leptonit, nga të cilat numri total i leptonit të sistemit të mbyllur mbetet i pandryshuar? Pse nuk kërkojmë nga leptonët të njëjtën gjë si nga barionet? Fatkeqësisht, nëse neutrinot nuk përfshihen në konsideratë, atëherë kjo nuk mund të bëhet.

Le t'i caktojmë elektronit numri i leptonit+1, dhe një pozitron ose antielektron ka një numër lepton -1. Një foton, i cili është antigrimca e tij, nuk mund të ketë një numër leptoni as +1 as -1, dhe do të ishte logjike t'i caktohej një numër leptoni zero. Të gjithë barionet kanë gjithashtu numra lepton zero.

Le të kthehemi te zbërthimi i neutronit. Le të fillojmë me një neutron, i cili ka një numër barion 1 dhe një numër lepton zero. Le të supozojmë se vetëm një proton dhe një elektron formohen gjatë zbërthimit të një neutroni. Një proton dhe një elektron duhet të kenë një numër total barion 1 dhe një numër total lepton 0, nëse të dy këta numra janë të ruajtur. Në të vërtetë, shuma e numrave të barionit të dy grimcave është e barabartë me +1 (d.m.th., 1 + 0) në përputhje me ligjin e ruajtjes së numrit të barionit. Numri i përgjithshëm i leptonit të një protoni dhe një elektroni është gjithashtu i barabartë me +1 (d.m.th., 1 + 0), megjithëse në fillim të reaksionit numri i leptonit ishte i barabartë me zero. Prandaj, numri i leptonit nuk ruhet.

Le të supozojmë se neutrinot dhe antineutrinot me numra leptonikë +1 dhe -1, përkatësisht, i përkasin leptoneve. Pastaj, kur një neutron zbërthehet në një proton, një elektron dhe një antineutrino, numri i leptonit ruhet (0 + 1–1 = 0), dhe zbërthimi mund të shkruhet si më poshtë:

P> p ++ e -+ "?,

ku "? - antineutrino.

Kur një antineutron me një numër leptoni zero zbërthehet, prodhohen një antiproton, një pozitron dhe një neutrino. Numrat lepton të tre grimcave të formuara janë përkatësisht 0, -1 dhe +1, dhe shuma e tyre është e barabartë me zero:

"P> "R -+ "e ++ ?.

Në një gjendje të lirë, neutronet dhe antineutronet zbërthehen në protone dhe antiprotone, situata e kundërt nuk ndodh. Sidoqoftë, brenda bërthamave, protonet ndonjëherë kthehen spontanisht në neutrone (për shembull, në rastin e fosforit-30). Në mënyrë të ngjashme, në antimaterie, antiprotonet kthehen në antineutrone.

Kur një proton shndërrohet në një neutron, formohen një pozitron dhe një neutrino:

p +> n + "e + +?.

Kur një antiproton shndërrohet në një antineutron, formohen një elektron dhe një antineutrino:

"p ->" n + e - +?.

Në të dyja rastet, numri i leptonit ruhet. Duke përmbledhur, mund të themi se kur emetohet një elektron, duhet të shfaqet një antineutrino, dhe kur lëshohet një pozitron, duhet të shfaqet një neutrino në mënyrë që në fund të zbërthimit numri i leptonit të jetë i barabartë me zero.

Kur merren parasysh neutrinot dhe antineutrinot, numri i leptonit ruhet në të gjitha proceset nënatomike të studiuara. Kështu, ekzistenca e neutrinos dhe antineutrinos jo vetëm që shpëtoi ligjet e ruajtjes së energjisë, momentit dhe momentit këndor, por gjithashtu bëri të mundur vendosjen e ligjit të ruajtjes së numrit të leptonit. Prandaj, ishte shumë e vështirë për fizikantët të mos e njihnin ekzistencën e këtyre grimcave.

Shënime:

Sa më e madhe të jetë aftësia depërtuese e grimcave të një bërthame të caktuar, aq më i madh është deficiti i masës në procesin e zbërthimit radioaktiv dhe më shumë gjasa ky zbërthim, d.m.th., sa më e madhe të jetë aftësia depërtuese e grimcave? më pak periudhë gjysma e jetës së bërthamës. Nëse toriumi-232 ka një gjysmë jetë prej 14 miliardë vjetësh, gjysma e jetës së radium-226 është 1620 vjet, dhe polonium-212 është tre të dhjetë milionët e sekondës.

Në të vërtetë, nëse do t'i isha dorëzuar tundimit për të prezantuar konceptin e neutrinos që në fillim të librit, do të ishte e vështirë të vërtetoja se neutrinot nuk janë fryt i misticizmit shkencor. Megjithatë, duke qenë se gjysma e parë e librit thekson rëndësinë dhe rëndësinë e ligjeve të ruajtjes, tani mund të tregohet se neutrinoja, pavarësisht nga të gjitha vetitë e saj të çuditshme, është një grimcë reale dhe absolutisht e nevojshme.