Обратимся теперь к явлениям, которые наблюдаются при противоположном процессе — торможении быстрых электронов. Например, при падении таких электронов на положительный электрод (антикатод) рентгеновской трубки помимо рентгеновского излучения с одной, двумя или несколькими длинами волн (зависящими от материала антикатода) возникает еще излучение со сплошным спектром, источником которого являются тормозящиеся электроны. Энергия фотона такого тормозного излучения меньше или равна кинетической энергии падающего электрона; равенство имеет место в том случае, когда электрон останавливается (т. е. полностью отдает свою энергию) после первого же столкновения — этому соответствует резкая граница спектра тормозного излучения.
Если повышать энергию падающих на мишень электронов, то граница спектра тормозного излучения сдвигается в сторону меньшей длины волны l, т. е. более высокой частоты n и большей энергии кванта hn. Таким образом рентгеновское излучение постепенно переходит в гамма-излучение. Казалось бы, при этом мы не можем наблюдать никаких качественно новых явлений: тормозное гамма-излучение будет становиться все жестче (т. е. гамма-фотоны будут приобретать все большую энергию), при прохождении через вещество оно будет рассеиваться (уже известный нам эффект Комптона) и таким путем терять энергию. Однако в действительности дело обстоит иначе. При энергии падающих электронов больше 1 МэВ в тормозном излучении, как и следовало ожидать, начнут возникать гамма-кванты с энергией, тоже превышающей 1 МэВ. Но при таких энергиях наблюдается совершенно новое явление: в камере Вильсона, помещенной в магнитном поле, иногда обнаруживаются следы двух легких частиц, расходящиеся из одной точки в противоположные стороны. При этом интенсивность ионизации (толщина обоих следов) вполне соответствует той, которую может вызвать электрон. Но обычным электроном может быть только одна из частиц наблюдаемой пары, тогда как другая, судя по направлению ее отклонения в магнитном поле, должна иметь положительный электрический заряд. Когда энергия падающих на антикатод электронов значительно превышает 1 МэВ, таких пар положительно и отрицательно заряженных частиц в камере оказывается очень много.
Нам не остается ничего другого, как предположить, что бомбардировка мишени электронами с энергией, превышающей 1 МэВ, приводит каким-то образом (каким именно, из наблюдаемой в камере картины нельзя определенно установить) к возникновению пар, состоящих из отрицательно и положительно заряженных «электронов». Ничего подобного не происходит, когда энергия падающих электронов меньше 1 МэВ. При энергии свыше 1 МэВ масса электрона более чем втрое превышает его массу покоя. Подобный ускоренный электрон, испытывая торможение в поле ядра, теряет такое количество кинетической энергии, что в результате его масса может уменьшиться на величину, превышающую две массы покоя.
Этот результат можно интерпретировать весьма необычно: вероятно, при торможении в электрическом поле ядра электрон не испускает фотона гамма-излучения, а происходит образование двух частиц с ненулевой массой покоя и противоположными по знаку электрическими зарядами. Одна из частиц в такой паре — электрон, а вторая частица имеет такую же, как электрон, массу покоя, но несет положительный заряд; эта частица получила название «позитрон». Другое возможное объяснение состоит в том, что ускоренный до высокой энергии электрон сначала испускает фотон гамма-излучения (как и в случае меньших энергий), из которого затем возникает пара электрон — позитрон. Существование второго процесса удалось доказать, исследуя поглощение только гамма-излучения, в отсутствие быстрых электронов. При энергии гамма-кванта выше 1 МэВ в камере Вильсона иногда наблюдалось возникновение пары электрон — позитрон. Этот процесс можно описать следующим образом:
g (> 1 МэВ) ® е+ + е - ;
по сути дела, он означает превращение фотона (масса покоя которого всегда равна нулю) в две частицы с ненулевой массой покоя.
Превращение фотона гамма-излучения в электрон и позитрон всегда происходит в присутствии — и, очевидно, с участием — других частиц; в вакууме фотон гамма-излучения сам по себе никогда не превращается в пару частиц. Поэтому описанный процесс нельзя сравнивать, скажем, с радиоактивным распадом. Он является результатом воздействия сильного, быстро меняющегося электрического поля на фотон гамма-излучения (например, при пролете его вблизи атомного ядра.)
Понятие массы фотона для нас непривычно; наоборот, мы, как правило, интуитивно противопоставляем электромагнитное излучение (материальному) веществу. В действительности фотонам также можно приписывать массу[1].
Основанием для этого служит известное соотношение Эйнштейна Е = тс2. Пока не были известны процессы, при которых излучение (т. е. частицы с нулевой массой покоя) превращается в частицы с ненулевой массой покоя, уравнение Эйнштейна можно было трактовать только как иной способ выражения энергии движущихся частиц или фотонов. Однако после открытия эффекта возникновения пары электрон — позитрон из фотона обнаружился его более глубокий смысл.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.