2born (2born) wrote,
2born
2born

Category:

Эффект Чудакова

В физике высоких энергий есть один редкий, но красивый эффект, до недавних пор наблюдавшийся только в космических лучах. Попробую написать о нем что-то вроде научно-популярного поста:)

Начать прийдется издалека и напомнить читателям, что такое ионизационные потери энрегии.
Если в вещество влетает быстрая заряженная частица, она, как интуитивно ожидают все люди, затормозится и остановится. Вопрос: за счет чего? 
Оказывается, основной механизм торможения (тяжелой) заряженной частицы в веществе вот какой: частица своим кулоновским полем толкает электроны среды (см. рис.) и передает им немножко импульса, а вместе с ним и энергии. Сама, естественно, энергию при этом теряет.
for_ionization_losses

Энергии, переданной пролетающей частицей электрону среды, может оказаться достаточно, чтобы выбить электрон нафиг и ионизировать атом, поэтому такие потери энергии быстрых частиц в веществе называют ионизационными. Ионизационные потери энергии играют огромную роль как в фундаментальной, так и в прикладной науке.
Во-первых, увидеть элементарную частицу можно только одним путем - увидев результаты ее взаимодействия с веществом. Срабатывание счетчика Гейгера, образование следа в камере Вильсона, пузырьковой камере, фотоэмульсии - все это результаты ионизации вещества пролетевшей частицей. 
Во-вторых, знание механизма торможения частиц в веществе позволяет понять механизм биологического действия ядерных излучений и проектировать защиту от них. 
В-третьих, эти же знания помогают обратить биологический вред во благо (кое-что см. в этом и этом постах).
Поэтому не удивительно, что задаче расчета ионизационных потерь энергии уделили внимание (как минимум) шесть Нобелевских лауреатов.
Вычислять ионизационные потери можно по-разному. Можно поситать ту самую переданную каждому электрону среды энергию и просуммировать эти потери. Так поступал Дж.Дж.Томсон, а до совершенства метод довел Н.Бор, поэтому мы будем условно называть его методом Бора [Между прочим, датчане на этом основании считают физику ионизационных потерь своей эксклюзивной территорией и очень ревниво относятся к публикациям чужаков на эту тему:]
Л.Д. Ландау предложил другой подход: пролетающая частица поляризует среду, создавая в ней некоторое электрическое поле (вдобавок к собственному кулоновскому полю частицы), и можно посчитать работу, совершаемую полем среды над пролетающей частицей. Не советую, однако, разбираться в вопросе по 8-му тому Ландавшица, проще всего этот метод изложен в анонимном (скорее всего, принадлежащем перу Смородинского) послесловии к русскому изданию книжки Бора [1].
И, наконец, можно обернуть траекторию частицы цилиндрической поверхностью и посчитать поток вектора Пойнтинга через нее; так поступил Э. Ферми [2]. Этот метод, как и метод Ландау, требует учета диэлектрических свойств среды. [Ландау говорил, что эта работа Ферми заслуживает быть внесенной в золотой фонд теоретической физики. А все потому, что Ферми одним махом вытянул и ионизационные потери, и черенковское излучение. А Тамм и Франк, построившие теорию черенковского излучения, эту возможность проморгали, а Ландау ФИАН недолюбливал:]

Вычисления приводят к следующей зависимости ионизационных потерь на единицу пробега от энергии налетающей частицы
(нужную кривую найдите самостоятельно:). Следует отметить, что ионизационные потери энергии слабо зависят от массы частиц, поэтому приблизительно такая же кривая будет описывать и ионизационные потери энергии электронов и позитронов, речь о которых пойдет ниже. Будем обозначать такие "обычные" потери T_0. 

Представим теперь, что в вещество влетает фотон страшно высокой энергии, порядка сотни ГэВ (до недавнего времени такие фотоны попадались только в космических лучах). В поле массивного ядра он может родить электронно-позитронную пару, причем электрон и позитрон будут разлетаться под очень маленьким углом, порядка четырех энергий покоя электрона, деленных на энергию начального фотона (посчитайте сами, сколько это получится). Таково свойство всех процессов рождения, сопровождающих столкновение частицы высокой энергии с неподвижной мишенью, вытекающее из общих принципов специальной теории относительности
Chudakov1
Но тогда получается, что электрон и позитрон будут долгое время лететь рядышком, и их кулоновские поля на больших расстояниях от пары будут частично компенсировать друг друга. Это должно привести к ослаблению ионизационных потерь энергии пары по сравнению с величиной 2T_0 и, как следствие, к наблюдаемому ослаблению следа в трековых приборах!
Chudakov2
Правда, возникает каверзный вопрос: а ведь между электроном и позитроном их поля быдут взаимно усиливать друг друга, и что перевесит? Тут может быть только один ответ: нужно честно считать. Эти вычисления провел А.Е.Чудаков [3] методом Бора. Таки да, будет ослабление, как на графике. Чуть позже тот же результат, но уже методом Ландау, получили в изящной одностраничной работе [4] Берестецкий и Гешкенбейн. Во всяком деле находятся энтузиасты, и япоцы Мито и Эзава посчитали то же самое методом Ферми [5]. 
Раскопки показали, что тот же эффект независимо от Чудакова обсуждали некто Кинг и тот самый Перкинс. Но главная проблема состояла в том, что фотографий треков, на которых видно проявление эффекта, всего-то десяток (!). Неудивительно, что об этом эффекте мало кто знает (хотя ему и посвящена целая страничка в первом томе "Физики космических лучей" Хаякавы [6] - одной из тех немногих книг, которые автор очень старался, но так и не смог приобрести:). По-хорошему, нужно не ждать у космоса погоды милостей от космических лучей, пока они принесут подходящий фотон в ваш прибор, а производить эти самые фотоны в промышленных масштабах. Как это было сделано, и какое ко всему этому отношение имеет автор поста, - это уже совсем другая история:)

Литература

1. Бор Н. Прохождение атомных частиц через вещество. – М.: Изд-во иностранной литературы, 1950.
2. Fermi E. The ionization loss of energy in gases and in condensed materials // Phys. Rev. – 1940. – V. 57. – P. 485-493. 
3. Чудаков А.Е. Об одном ионизационном эффекте, связанном с наблюдением электронно-позитронных пар при очень большой энергии // Изв. АН СССР. Сер. Физ. – 1955. – Т. 19, вып. 6. – С. 651-656.
4. Берестецкий В.Б., Гешкенбейн Б.В. Об ионизационном торможении электронно-позитронных пар большой энергии // ЖЭТФ. – 1956. – Т. 31. – С. 722-723.
5. Mito I., Ezawa H. Ionization Loss near the Origin of an Electron Pair of Very High Energy // Progress of Theoretical Physics. – 1957. – V. 18, No. 4. – P. 437-447.
6. Хаякава С. Физика космических лучей. Ч. 1. – М.: Мир, 1974. – С. 166.
Tags: наука, образование, популяризация
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 21 comments