Рождение физики элементарных частиц. Частица-волна, волновые свойства электрона

При исследовании ядра атома водорода в 1914 г. Резерфорд провел эксперименты по бомбардировке атомов водорода электронами. Он обнаружил, что нейтральные атомы водорода после облучения электронами становятся положительно заряженными. Резерфорд отождествил новую заряженную частицу с положительным зарядом, находящимся, согласно ядерно-планетарной модели Перрена, в центре атома водорода. Это ядро он назвал протоном. В последующих экспериментах Резерфорд установил, что протон имеет массу в 1840 раз большую, чем масса электрона. В 1930—1932 гг. при исследовании результата бомбардировки ядра бериллия а-частицами открыт нейтрон. Честь открытия принадлежит немецким физикам — Вальтеру Боте и Гансу Беккеру, французам — Фредерику и Ирен Жолио-Кюри, англичанину Джеймсу Чедвику. Однако предположение о существовании нейтрона высказывалось еще в 1920 г. учителем Чедвика Резерфордом.

Так, во втором десятилетии XX века благодаря экспериментальным работам Резерфорда в атомной физике зародилось научное направление, сформировавшееся в ближайшее десятилетие в новую физическую дисциплину — ядерную физику.

РОЖДЕНИЕ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Одновременно с пионерскими исследованиями Резерфорда по бомбардировке атома электронами и a-частицами, во втором и третьем десятилетии XX века интенсивно велись теоретические работы, приведшие к созданию квантовой механики.

Одно из основных положений квантовой механики — утверждение о наличии волновых свойств у частиц, в частности у электрона. Это положение, выдвинутое французским теоретиком Луи де Бройлем и математически развитое молодым немецким физиком Эрвином Шредингером, было непосредственно доказано в 1921 г. Клинтоном Джозефом Дэвиссоном в опытах по наблюдению явления дифракции электронов, рассеиваемых на кристаллах.

Всякое колебание определяется амплитудой и фазой колебания. Частица, обладающая волновыми свойствами, характеризуется так называемой волновой функцией — комплексным числом. Модуль и аргумент комплексного числа являются амплитудой и фазой волны, отвечающей частице. Волновая функция - это функция времени и координат точки пространства, в которой находится частица. С 1928 г. выдающийся английский теоретик Поль Дирак опубликовал ряд работ, в которых вывел уравнения, описывающие поведение волновой функции электрона и протона. Из этих уравнений следовало, что наряду с электроном и протоном должны существовать их антиподы, отличающиеся знаком заряда и рядом других свойств, о которых мы поговорим позже. Античастица электрона — позитрон открыта в 1932 г. Карлом Андерсоном (США). Эксперимент свой Андерсон проводил с помощью камеры Вильсона (см. гл. 3), которая, будучи помещена в магнитное поле, регистрировала попадание в нее частиц космического излучения; при этом производилось фотографирование следа частицы. Был обнаружен трек частицы, имеющей массу электрона, но отклонившейся в магнитном поле в сторону, противоположную той, в которую отклонился бы электрон. Это свидетельствовало о ее положительном заряде. Так было открыто существование позитрона в природе.

По высказываниям самого Андерсона, никто не верил в существование позитрона, поэтому и опыты по поиску античастиц не ставились; позитрон был открыт случайно при исследовании спектров электронов космического излучения. Следует подчеркнуть, что эксперименты по наблюдению следов электронов космического излучения в камере. Вильсона, помещенной в магнитное поле, ставились и ранее в течение нескольких лет. Сейчас известно, что космические частицы на пути своего следования рождают сравнимое число электронов и позитронов. Поэтому на фотографиях следов космических частиц всегда присутствуют как следы электронов, так и следы позитронов, однако до предсказания Дирака их никто не «видел». Важная роль теоретического предсказания как раз и состоит в том, чтобы дать возможность физику-экспериментатору «распознать» явление, правильно интерпретировать результаты эксперимента. Поэтому справедливо считать, что Дирак открыл античастицу «на кончике пера», а Андерсон ее «увидел».

Обратим внимание читателя на то, что утверждение об открытии теоретиком некоторого явления можно сделать только после того, как оно наблюдалось экспериментатором! Это имеет гносеологические причины. Само понятие открытия подразумевает обнаружение явления неожиданного, не предсказуемого. У теоретика имеются два средства для предсказания явления - строгое логическое умозаключение на основе дедукции или индукции и гипотеза, которая не следует безусловно из всех известных фактов в результате строго логического, например математического рассуждения. Результаты, полученные с использованием дедукции или индукции не могут считатся откровением, открытием, если при этом не оставалась какая доля неопределенности в правомочности логических построений или достоверности физических положений, лежащих в их основе Поэтому теоретическое открытие всегда делается благодаря логическому скачку, фундаментальной гипотезе. Достоверность же гипотезы подтверждается в той или иной степени только опытом вытекающими из него важными следствиями, в частности, тем, которое мы и назовем открытием. Поэтому и создается впечатление, что явления открываются только экспериментаторами, тогда как добрую половину из них предсказывают теоретики.