Охотники за частицами

Капельки тумана рассеивают свет — потому-то они и видны. А что, если…

Но надо рассказать по порядку. Наполним камеру жидкостью и подберем ее температуру так, чтобы в камере образовался насыщенный пар. Затем резко увеличим объем камеры, например отодвинем одну ее стенку. Температура резко упадет, пар станет пересыщенным.

Если в этот момент в камеру влетит частица, то она вдоль своего пути образует цепочку ионов. На этих ионах осядут первые капельки воды.

Если теперь осветить внутренность камеры яркой вспышкой света… Быстро, пока ионы, подталкиваемые случайными ударами со стороны молекул пара, не разошлись в разные стороны.

Смотрите! Э, впрочем, не годится. Память — недолговечное хранилище для таких вещей. Давайте быстренько фотоаппарат. Выдержка — в тысячные доли секунды. Здесь не скажешь ионам: «Спокойно, снимаю!»

И все. Затем нужно проявить фотопластинку. Можно для удобства сделать с нее позитивный отпечаток.

А вот теперь смотрите. На пластинке во всю ее длину протянулся тонкий белый след. Это и есть след пролетевшей частицы. Она оставила его в виде цепочки ионов в камере Вильсона.

Так физики «увидели» первую частицу. Увидели, конечно, не саму ее. Предстоит вам еще прочитать разочаровывающие строки, из которых вы узнаете, что увидеть даже с помощью приборов ни одной атомной частицы нельзя…

Но вот след, оставленный частицей, увидеть можно. Он и запечатлен на фотопластинке.

Однако считайте, что вам повезло. Частица соблаговолила влететь в камеру в тот момент, когда камера сработала. Влети она немного раньше или немного позже — на фотопластинке ничего не обнаружить.

Камера Вильсона — это капкан, захлопывающийся вслепую. Словно охотник пожелал ловить зверя капканом, который захлопывался бы, скажем, раз десять в час. А вдруг зверь сунет в него ногу именно в это время!

Но, как известно, все капканы устроены иначе. Они срабатывают только от зверя, а не подобно пасти кота, когда он охотится за мухами. Физикам и предстояло соорудить такой капкан. Одной пружины — камеры — оказалось мало. Нужна была еще доска, наступив на которую зверь освободил бы пружину. Такой доской стал счетчик.

Летела себе частица, и никому до нее не было дела. Разбегались с ее пути покалеченные атомы, и наконец, стал на дороге счетчик Гейгера. Прошла частица сквозь него, понеслась электронная лавина к аноду, побежали «жалобщики»-ионы к катоду. И электрический импульс дал знать камере о прилете частицы.

«Вот мы ее сейчас… сфотографируем!» — включила камера лампы-вспышки. И сфотографировала… пустое место. Летела частица — да не через камеру. Через счетчик проскочила, а камеру миновала: не по дороге.

И в самом деле, очень часто вовсе не по дороге. Скажем, прилетела частица в счетчик сверху, а камера стоит сбоку.

Загнать счетчик в камеру? Невыполнимая задача. Чем меньше в камере «всяких посторонних» предметов, тем легче, точнее и лучше она работает.

Да и не нужно, чтобы камера считала все частицы, которые в нее попадают. Но такую фразу физики получили право сказать лишь много лет спустя, когда досконально изучили многих гостей, побывавших в камере, когда визитные карточки этих гостей смогли многое рассказать об их природе и свойствах. А пока что каждый гость дорог, и камера готова широко раскрыть свои гостеприимные объятия.

Но раскрывать свои объятия каждый раз, когда слышатся шаги за дверью дома, хлопотно и даже неприятно. Надо подождать, пока раздастся звонок.

И этот звонок дает… второй счетчик. Он установлен вслед за первым так, что частица, пройдя через оба счетчика, должна неминуемо побывать в камере. Причем звонок последует только в том случае, если импульсы в обоих счетчиках возникнут практически одновременно.

Даже на людной улице маловероятно, чтобы у дверей дома послышались одновременно шаги двух людей, идущих не к вам. Так и в счетчиках: вероятность того, что в один из них попадет одна, а в другой одновременно другая частица, даже в обильном потоке частиц весьма невелика.

Когда физики хотят избавиться и от этого неприятного совпадения, то ставят друг за другом даже три счетчика. Тогда уже совпадение становится почти невероятным. Такая комбинация счетчиков оправданно названа телескопом. Она выделяет частицы, следующие по вполне определенному направлению. Так же, как телескоп улавливает свет от какой-то одной звезды, а не от всего небосвода сразу.

Итак, к вам пришли: счетчики дали звонок. Теперь можно раскрывать объятия. Но кому? Пока сигнал от счетчиков дошел до камеры, пока вспыхнул свет, частицы… — чуть было не сказал: «и след простыл». Нет, след, который оставила частица в охлажденной при расширении камере, «горячий».

Но поторопитесь, он быстро «остывает», уже через считанные доли секунды колонка ионов, на которую осели капельки сконденсировавшегося пара, теряет свои стройные очертания. А камера наполняется настоящим туманом: конденсация идет полным ходом.

Что ж, меры приняты: сработала быстродействующая автоматика. Получен хороший, интересный снимок.

А камера тем временем снова готовится к работе. Прежде всего из нее надо убрать ионы и туман. Производится поджатие, камера возвращается к исходному объему и температуре. Ионы высасываются из объема небольшим вспомогательным электрическим полем (чтобы никаких лавин и «разъяренных жалобщиков» не было — это только затягивает время подготовки камеры). Теперь можно производить новое расширение, и камера снова готова раскрывать свои «фотообъятия».

Телескоп счетчиков можно сориентировать в любом направлении, направить на любую точку неба… и Земли. Что касается Земли, то она так же мешает изучению космических лучей, как сами эти лучи мешают измерениям «земной» ионизации. Помните? — с этой помехи все и началось.

Да, к сожалению, телескоп счетчиков имеет неприятное отличие от обычного телескопа. Он, вроде двуглавого орла, одновременно смотрит направо и налево, или вверх и вниз. Он одинаково чутко отзывается на частицы, пришедшие как по данному, так и в точности противоположному направлению. Иными словами, он не позволяет отличить частицу, пришедшую из какого-нибудь атома урана, запрятанного в земной толще, от частицы, прилетевшей из неведомых космических глубин.

Однако можно на один «глаз» телескопа надеть «шоры». Кстати, физики так и делают: экранируют телескоп снизу толщей свинца, который хорошо поглощает «земное» радиоактивное излучение.

Но вот исследователь направляет телескоп на Землю. Неподалеку от телескопа он располагает радиоактивный препарат, в стенке камеры делает небольшое окошечко и закрывает его тонкой металлической пластинкой.

На пластинку падает пучок альфа-лучей от препарата. Толщину ее можно подобрать так, что все бета-лучи застрянут в пластинке. Это — для той же чистоты опыта.

Собственно говоря, на первых порах исследователь обходится даже без придуманного позже телескопа. Он помещает радиевый препарат вплотную к стенке камеры. Альфа-частиц много, и добрая их половина влетает в камеру.