3. Позитрон

    1923 год. Д. Скобельцын изучает взаимодействие γ-квантов с электронной оболочкой атома. Для наблюдения треков электронов он впервые использовал камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Этот метод регистрации позволял по кривизне трека измерять энергию электронов. Источник γ-квантов располагался рядом с камерой Вильсона. Анализируя полученные фотографии, Д. Скобельцын впервые получил ряд новых результатов о механизме взаимодействия γ-квантов с атомом: измерил величины сечений взаимодействия γ-квантов с различными атомами, измерил ионизационные потери при движении заряженной частицы в среде. Однако гораздо больший интерес вызвали наблюдаемые в камере Вильсона не искривленные в магнитном поле траектории электронов высоких энергий. О том, что эти траектории принадлежат электронам, Д. Скобельцын заключил по величине ионизации вдоль трека пролетающей в камере Вильсона частицы. Скобельцын сделал вывод, что эти треки принадлежат электронам космического излучения, но они не искривляются, т.к. имеют большие энергии. Вскоре эта гипотеза получила подтверждение − треки не исчезали после того, как был убран источник γ-излучения. Энергия космических электронов по оценкам Скобельцына составляла ~1 ГэВ. Неожиданно оказалось, что не все частицы искривлялись в магнитном поле в одном направлении. Некоторые частицы отклонялись так, как будто бы имели положительный заряд. Вначале эти следы приняли за положительно заряженные протоны. Однако характер ионизации вдоль трека был такой же, как в случае электронов. Для того, чтобы понять природу этих частиц необходимо было измерить направление движения частиц, измерить их энергию.
    Результаты Д. Скобельцына и разработанный им метод детектирования частиц космического излучения вызвали большой интерес физиков. В нескольких лабораториях стали создавать аналогичные установки. В Кавендишской лаборатории этим занялись П. Блэкетт и Дж. Оккиалини, а в США эксперименты с камерой Вильсона в магнитном поле начал молодой научный сотрудник
К. Андерсон, работавший под руководством Нобелевского лауреата Дж. Милликена. К 1932 г. К. Андерсон получил несколько сотен фотографий космических частиц в камере Вильсона в магнитном поле. Так же как и Д. Скобельцын К. Андерсон наблюдал треки как отрицательно, так и положительно заряженных частиц.
    В 1932 г. в журнале “Science” появилась заметка К. Андерсона, в которой он сообщал об открытии в составе космических лучей новой частицы. Эта частица имела такую же массу, как и открытый ранее электрон, но имела в отличие от электрона не отрицательный, а положительный электрический заряд. Это наблюдение было сделано Андерсоном по наблюдениям траекторий частиц в камере Вильсона в сильном магнитном поле.
    Оказалось, что частицы космических лучей, которые наблюдал К. Андерсон, искривляются в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, в противоположных направлениях, т.е. среди частиц зарегистрированных в камере Вильсона были как отрицательно, так и положительно заряженные частицы.

Рис. 3.1. Следы космических частиц, полученные Андерсоном в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле 20000–25000 эрстед.

Карл Андерсон (1905 – 1991

1932 г. − К. Андерсон открыл позитрон.

1937 г. − К. Андерсон, С. Недермейер, Дж. Стрит, С. Стивенсон открыли мюон в космических лучах, используя камеру Вильсона.

Нобелевская премия по физике

1963 г. − К. Андерсон. За открытие позитрона.

Для того чтобы определить направление движения частицы и тем самым определить знак её заряда, Андерсон использовал исключительно простой и оригинальный метод. Он перегородил камеру посередине свинцовой пластинкой толщиной 5 мм. При прохождении заряженной частицей свинцовой пластинки её энергия уменьшается и, следовательно, она должна сильнее искривляться в магнитном поле. Изменение энергии частицы указывало направление её движения и, следовательно, по направлению кривизны при её движении в постоянном магнитном поле можно было определить знак электрического заряда частицы. На рис. 3.2 показана одна из фотографий, полученных Андерсоном. Темная полоска посередине – свинцовая пластинка, в которой заряженная частица теряет энергию. В верхней части камеры над пластинкой траектория частицы искривлена значительно сильнее, чем в нижней. Это позволило однозначно определить направление движения частицы и знак её заряда.

Рис. 3.2. Наблюдение позитрона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона. Темная полоса, пересекающая трек посредине, слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии, и по выходе из которого двигается с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлён сильнее.

    Изучив ионизацию, длину траектории и радиус кривизны, Андерсон пришёл к однозначному выводу, что обнаруженная им частица имеет массу электрона, но заряжена положительно. Новую частицу назвали позитроном.
    Первая интерпретация позитрона К. Андерсоном была вполне в духе времени. Он считал, что позитрон является составной частью нейтрона. По его представлению, нейтрон состоит из отрицательно заряженной массивной частицы – негатрона, отрицательно заряженного аналога протона и положительно заряженного позитрона и в первых работах даже предлагал организовать поиски негатрона. Несмотря на то, что в это время уже была опубликована статья П. Дирака, К. Андерсон был с ней незнаком, и его открытие позитрона не было поиском частицы, предсказанной Дираком, а честной интерпретацией обнаруженного им неизвестного явления, которое наблюдали многие физики, но отнесли его к неточностям эксперимента. Более подробно К. Андерсон опубликовал результаты об открытии позитрона в статье в журнале Phys. Rev. 43, 491 (1932).
    Большая заслуга в признании позитрона, как новой независимой частицы, принадлежит П. Блэкетту и Дж. Оккиалини. Они впервые создали управляемую камеру Вильсона. Для этого они разместили над камерой Вильсона и под ней счетчики Гейгера, и камера Вильсона срабатывала только в том случае, когда через неё пролетала космическая частицы, зарегистрированная на совпадение счетчиками Гейгера. Это существенно повысило эффективность регистрации космических частиц и позволило получить большое количество снимков.
    В работе, опубликованной в журнале Proc. Roy. Soc. 139, A839 (март 1933 г.) П. Блэкетт и Дж. Оккиалини описали разработанный ими метод регистрации космических частиц с помощью камеры Вильсона. В результате анализа ~500 фотографий были получены данные о природе ливней, наблюдающихся в камере Вильсона, и подтверждены выводы К. Андерсона о существовании позитрона.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Недавно нами был разработан метод, при помощи которого можно заставить очень быстрые частицы, сопровождающие космическое излучение, фотографировать самих себя или, точнее, следы своих собственных путей в камере Вильсона. При этом фотографии следов удается получить гораздо легче, чем обыкновенным способом, когда адиабатическое расширение делается наугад. В самом деле, только очень небольшая доля снимков, добытых прежним методом, позволяет обнаружить хотя бы один след. Среднее количество фотографий, требующихся для получения одного следа, тут зависит от размеров, ориентировки камеры и от эффективного времени расширения (не должно превышать 1/20 сек.). Из измерений со счетчиками известно, что по всем направлениям проходит через 1 см² в 1 мин около 1,5 быстрых частиц. Эта цифра, в общем, согласуется с результатами, найденными с помощью камеры Вильсона. Скобельцын добился получения удачного снимка с одним или несколькими следами примерно через каждые десять расширений. А в работе Андерсона на 50 съемок приходился всего лишь 1 след с длиной пробега, отвечающей порядку измеренной энергии. Применение нашего метода дает следы на 80% всех сделанных снимков»[*].

    После экспериментов Блэкетта и Оккиалини уже не было никаких сомнений, что позитрон − это новая частица. Кроме того им впервые удалось надежно зарегистрировать рождение электрон-позитронной пары при взаимодействии γ-квантов с веществом. Блэкетт и Оккиалини впервые указали на то, что позитрон является той самой частицей, которую предсказал незадолго до этого П. Дирак.
    Вскоре выяснилось, что позитроны могут рождаться не только в космических лучах, но и под действием γ-квантов с энергией больше 1 МэВ. Если в камеру Вильсона поместить свинцовую пластинку и облучать её γ-квантами от радиоактивного источника с энергией γ-квантов >1 МэВ, то можно наблюдать две частицы, рождающиеся в одной точке, которые магнитным полем отклоняются в противоположные стороны, это электрон и позитрон. Рождение позитронов всегда происходит в паре с электроном.

γ → e⁺ + e^-.

    На рис. 3.3 показано рождение электрон-позитронной пары в камере Вильсона, заполненной криптоном.

Рис. 3.3. Рождение пары электрон-позитрон в камере Вильсона.

    Открытие позитрона − частицы по своим характеристикам идентичной электрону за исключением знака электрического заряда (у позитрона он положительный) − было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Согласно сообщению Андерсона, им найдено несколько следов, которые должны быть приписаны положительно заряженным частицам с ничтожной массой. Андерсон приводит подробное описание этих фотографий, хотя самые фотографии не воспроизведены. На одной из них о направлении движения можно однозначно заключить по изменению кривизны пути после прохождения насквозь свинцовой пластинки. На другой фотографии два следа, выходящие из пластинки, искривляются в противоположных направлениях. На третьей две частицы покидают пластинку, отклоняясь в ту сторону, куда отклонились бы положительные заряды. Длина пробега и характеристическая ионизация − всё это вместе с предыдущим дает Андерсону основание утверждать, что перед нами − положительно заряженные частицы с массой, значительно меньшей, чем масса протона».

П. Блэкетт, Г. Оккиалини. «Разрушение атомов космическими лучами и положительный электрон».

    Позитрон был первой обнаруженной частицей из целого класса частиц, которые получили название античастицы. До открытия позитрона казалась загадочной различная роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Почему существует тяжелый положительно заряженный протон, и нет тяжелой частицы с массой протона и отрицательным зарядом? Зато существует легкий отрицательно заряженный электрон. Открытие позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц. В квантовой теории поля электрон и позитрон полностью равноправные частицы. Позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать, так же как электрон, бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два γ‑кванта (фотона):

е^- + е⁺ → 2γ.

    Происходит превращение частиц с массой отличной от нуля (масса электрона mc² = 0.511 МэВ) в частицы с нулевой массой (фотоны).
    Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары частиц – электрона и позитрона. Электрон-позитронные пары рождались γ-квантами с энергией несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра.
    При взаимодействии частиц высокой энергии с веществом процессы рождения и аннигиляции частиц и античастиц приводят к рождению большого количества вторичных частиц порожденных высокоэнергетической первичной частицей – каскадных ливней (рис. 3.4, 3.5, 3.6).

Патрик Блэкетт (1897 – 1974)

1. Описан метод, с помощью которого удается заставить частицы, обладающие огромной энергией, фотографировать следы своих собственных путей в камере Вильсона.
2. Нарисована картина наиболее поразительных, характерных явлений, заснятых этим методом на некоторых из 500 удачных фотографий; подвергся обсуждению вопрос о природе «ливней», состоящих из частиц, дающих на снимках сочетание сразу нескольких и даже многих путей.
3. Рассмотрение пробега, ионизации, кривизны и направления движения частиц приводит к подтверждению взгляда, высказанного впервые Андерсоном, о том, что должны существовать частицы с положительным зарядом, но с массой, скорее сравнимой с массой электрона, чем прогона…
4. Разобран вопрос о происхождении положительных и отрицательных электронов в ливне… Последующее поведение положительных электронов рассмотрено в свете дираковской теории «дырок».

Нобелевская премия по физике

1948 г. − П. Блэкетт. За усовершенствование метода камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации.

Рис. 3.4. Позитрон, созданный гамма-лучами в свинцовой пластине и прошедший сквозь алюминиевую пластину толщиной 0,55 мм. Энергия позитрона над алюминиевой пластиной 820 кэВ, под алюминиевой пластиной 520 кэВ.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Сделать первый шаг в раскрытии этих сложных явлений − значит, прежде всего, путем отождествления установить природу частиц, порождающих следы. Не совсем легко с этим справиться, так как данные, почерпнутые из фотографий и служащие для выводов, зачастую противоречивы. Однако, по-видимому, неизбежно следует придти к тому замечательному, рассеивающему затруднения заключению, которое уже сделал Андерсон при расшифровке аналогичных фотографий. Оно состоит в том, что некоторые из следов нужно приписать частицам, несущим положительный заряд, но имеющим массу, ничтожную сравнительно с массой протона».

Рис. 3.5. Развитие ливня в свинцовых пластинах.

Рис. 3.6. Развитие ливня в свинцовых пластинах.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Чтобы определить знак заряда частицы, надо знать, в каком направлении она двигалась вдоль следа. Есть четыре способа узнать об этом из фотографий:

1. Частица пронизывает достаточно толстую металлическую пластинку, так что по выходе из нее частица успела потерять заметную долю своей энергии. Очевидно, что в этом случае движение совершается со стороны большего значения Hρ в сторону меньшего. В противном случае пришлось бы допустить существование выигрыша энергии внутри пластинки, а эта возможность настолько маловероятна, что мы вправе ее отбросить. Если, при фотографировании попадется частица совсем медленная, тогда представляется случай обнаружить изменение Hρ, вызываемое благодаря непрестанной потере энергии во время прохождения частицы через газ.

2. С другой стороны, если частица служит причиной появления какой-либо вторичной частицы с достаточной энергией, скажем, при столкновении со свободным электроном, − тогда угол между вторичным следом и первичным, укажет направление движения частиц.
3. Если группа следов расходится из некоторой общей точки или некоторой малой области пространства, тогда существует очень большая вероятность − хотя и не сама достоверность, − что всякая частица такой группы движется, удаляясь от этой области.
4. Если след наблюдается в почти вертикальном направлении, то более вероятно, что частица двигалась вниз, а не вверх. В основу последнего предположения взят бесспорный факт, что ионизация под действием космического излучения увеличивается от глубин к высотам. Однако трудно оценить численно эту вероятность, поскольку не известна повторяемость таких явлений, как зафиксированное на рис. 13, где есть, по крайней мере, одна частица, отразившаяся кверху».

    В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены − одни физические объекты являются частицами, а другие − волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего.

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Очевидно, что существуют несколько различных процессов, дающих начало сложным путям ливней. В небольшом количестве случаев этот процесс совсем прост. Налетающая частица − обычно отрицательный или положительный электрон − выбивает из отдельного ядра, по всей вероятности, три или более частицы. Рис. 17 с большой наглядностью подтверждает, что налетающая частица выбрасывает из ядра меди 2 электрона (оба с E_e ≈ 13·10⁶ V) наряду с одним протоном. Извержение могло сопровождаться также и другими частицами, но они, по-видимому, имели слишком недостаточную длину пробега, чтобы преодолеть толщу пластинки и выйти из нее. Рис. 13 дает картину двух электронов (E_e ≈ 10·10⁶ и 13·10⁶ V), вышибленных из ядра свинца книзу, и двух других, с большей энергией (E_e > 100·10⁶ V), выбитых кверху. Возможно, что один из последних двух представляет собою налетающую частицу, взрывающую ядро, и тогда другой электрон − один из осколков, летящий при взрыве кверху. Возможно и то, что обе верхние частицы суть продукты разрушения ядра; тогда в этом случае саморазрушение придется приписать какому-то неионизующему агенту.
    Однако оба эти случая − сравнительно простые при сопоставлении со сложной картиной обильных ливней. В этом наиболее типичном процессе наблюдается одновременное извержение некоторого числа частиц, вылетающих с огромной энергией. Эти частицы выбрасываются обыкновенно в направлениях, заключенных внутри довольно узкого конуса, но бывают случаи (рис. 12), когда этот конус, довольно широкий. Вполне естественно искать объяснение узкого конуса разлета частиц в том импульсе, который сообщается им в момент удара налетающей частицей, обладающей чрезвычайно большой энергией. Пока еще невозможно установить природу всех частиц, выброшенных из ядра, но, по-видимому, среди них преобладают отрицательные и положительные электроны; есть некоторые, правда, еще недостаточные указания, что в ряде случаев те и другие электроны выбиваются приблизительно в одинаковом количестве.
    Возникновение этих частиц возбуждает огромный интерес; в частности, они, несомненно, часто зарождаются внутри материала с легким и средним атомным весом, поскольку излучающие центры обнаружены и в воздухе, и в стекле, и в алюминии, и в меди. Согласно самым последним представлениям о структуре ядра, в таких легких ядрах не должно быть свободных отрицательных электронов. А уже найдено, по крайней мере, положительных и отрицательных электронов, исходящих из отдельного точечного центра излучения в стекле, меди или свинце (рис. 12, 11 и 10) и, следовательно, по всей вероятности, из отдельного ядра.
    Существует три возможных гипотезы, которые мы вправе сделать относительно появления этих частиц: они могли существовать в разрушенном ядре с самого начала, еще до акта соударения; они могли существовать в налетающей частице; наконец, они могли возникнуть в течение процесса соударения. За отсутствием каких-либо независимых доказательств самостоятельного существования частиц прежде сотрясения ядра разумно принять последнюю из этих трех гипотез. Затем, учитывая хорошо известные трудности, вырастающие при обращении с электронами внутри ядер как с независимыми механическими объектами, последняя гипотеза, быть может, и в этом смысле имеет большее преимущество. Тогда согласно этой гипотезе все ливни (вместе с обычным β-распадом) следует представлять себе как процесс возникновения частицы в прямом смысле этого слова.
    Этот вопрос чрезвычайно близко связан с проблемой строения нейтрона. Согласно взгляду на нейтрон как на сложную частицу, отрицательные электроны в ливнях могут получиться при расщеплении каждого из нейтронов на отрицательный электрон и протон, но эта схема не дает объяснения возникновению положительных электронов. Кроме того, она приводит к тому, что нужно ожидать большего количества следов протонов на фотографиях, чем наблюдается в действительности».

П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Существование положительных электронов в этих ливнях немедленно вызывает естественный вопрос: почему же до сих пор они ускользали от наблюдения? Ясно, что они могут обладать только ограниченной продолжительностью жизни как свободные частицы, поскольку они не встречаются ни в одном веществе при нормальных условиях.
    Вполне допустимо, что они могут входить в соединение с другими элементарными частицами и образовывать устойчивые ядра, переставая при этом быть свободными. Но кажется более приемлемым, что они исчезают при взаимодействии с отрицательным электроном, выбрасывая при этом 2 кванта или более.
    Этот последний механизм дан непосредственно в дираковской теории электронов, Согласно этой теории, квантовые состояния в области отрицательной кинетической энергии, представлявшие прежде непреодолимое препятствие для физической интерпретации, почти все, за немногими исключениями, заполнены отрицательными электронами. Немногие незанятые состояния ведут себя подобно обыкновенным частицам с положительной кинетической энергией и положительным зарядом. Сам Дирак думал отождествить эти «дырки» с протонами, но от этого пришлось отказаться, когда было установлено, что у этих «дырок» должна быть такая же масса, как и у отрицательных электронов. Предстоит непосредственная и важная задача экспериментального определения массы положительного электрона точными измерениями его ионизации и Hρ. Сейчас же можно только сказать, что отсутствие разницы между ионизацией следов у отрицательных и положительных электронов при одинаковом Hρ стало достоверностью, а это косвенно служит временным доказательством равенства их масс.
    По теории Дирака, положительные электроны имеют только очень короткую среднюю продолжительность жизни, пока какой-либо отрицательный электрон сверху не соскочит с легкостью вниз, в незанятое состояние. Таким образом «дырка» заполнится, и произойдет исчезновение сразу обоих − и положительного и отрицательного − электронов одновременно; при этом излучится 2 кванта энергии.
    Мы чувствуем себя обязанными перед проф. Дираком не только за весьма ценное и неоднократное обсуждение этих вопросов, но также и за позволение привести результаты его вычислений по определению действительной вероятности этого процесса «аннигиляции» (исчезновения) электронов. Размеры поперечного сечения электронов при аннигиляции (в единицах площади) суть:

где

и γ = (1 − v2/c2)^-1/2, а v − скорость положительного электрона».

    В стабильных атомных ядрах существует определенное равновесное соотношение между числом протонов Z и числом нейтронов в ядре N 

где A + Z + N. Если число протонов превышает это равновесное значение, то протон p в ядре может в результате β⁺-распада превратиться в нейтрон n, позитрон e⁺ и электронное нейтрино ν_e

p → n + e⁺ + ν_e.

    Позитроны образуются при β⁺-распаде атомных ядер. Впервые позитроны образующиеся при β⁺-распаде наблюдали Ф. Жолио и И. Кюри.
    Такой распад происходит только внутри атомного ядра. Свободный протон является стабильной частицей, т.к. его масса m(p) меньше суммы масс нейтрона m(n), позитрона m(e⁺) и нейтрино m(ν_e). Аналогичная ситуация имеет место и в случае ядер, перегруженных нейтронами относительно равновесного значения. Нейтрон n внутри ядра распадается, превращаясь в протон p, электрон e^- и электронное антинейтрино _e

n → p + e^- + _e.

Однако в отличие от протона распад свободного нейтрона возможен, т.к. масса покоя нейтрона m(n) больше суммы масс протона m(p), электрона m(e^-) и электронного антинейтрино m(_e). Распады протонов и нейтронов в атомном ядре привели к появлению чрезвычайно глубокой концепции физики частиц – в результате распада появляются новые частицы, которых не было в начальном состоянии. Протон, электрон и электронное антинейтрино не существуют внутри нейтрона, они образуются при β-распаде нейтрона. Эта концепция впервые была развита Э. Ферми в созданной им теории β-распада.
    Процессы β‑распада, аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое элементарная частица. Элементарная частица перестала быть неизменным «кирпичиком» в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы.

Дж. Чадвик, П. Блэкетт, Г. Оккиалини: «Опыты Андерсона и Блэкетта–Оккиалини позволили открыть такие явления в камере Вильсона, которые с большой убедительностью доказывают существование положительных электронов − частиц приблизительно с тою же массой, что и обычный электрон, но несущих с собою положительный элементарный заряд.
    Некоторые явления, наблюдавшиеся при прохождении нейтронов через вещество, и опыты Кюри и Жолио, в которых был зафиксирован в камере Вильсона след от электрона, движущегося навстречу бомбардирующим нейтронам, заставили предположить возможность получения положительных электронов в процессе взаимодействия нейтронов и вещества. И действительно, на днях нам удалось заснять явления, которые могут быть истолкованы в этом смысле.
    Препарат полония и бериллиевый экран были расположены в непосредственной близости к стенкам камеры Вильсона. К внутренней стенке камеры прикреплялся свинцовый экранчик с поверхностью около 2.5 см² и в 2 мм толщиною. Этот свинцовый экранчик, следовательно, и фотографировался в то время, когда он подвергался действию излучения, шедшего от бериллия и состоявшего из γ-лучей и нейтронов. Съемка производилась посредством стереоскопической пары аппаратов. В течение расширения налагалось магнитное поле, напряженность которого обыкновенно была приблизительно 800 гаусс.
    Большая часть следов, попавших на фотографии, судя по знаку их кривизны, очевидно, обязана своим происхождением отрицательным электронам. Но обнаружено немало и таких случаев, когда следы, имея один конец либо в самом свинцовом экранчике, либо поблизости от него, обладают кривизной противоположного знака. Одно из двух: или эти следы принадлежат частицам, несущим положительный заряд, или − отрицательным электронам, испущенным из разных отдаленных углов камеры и как-то так удачно собирающимся магнитным полем, что их следы заканчиваются как раз на свинцовой пластинке. С точки зрения статистики, конечно, гораздо более вероятен первый вариант объяснения, т.е. что следы начинаются в экранчике и, следовательно, прочерчены частицами, несущими положительный заряд.
    Яркое доказательство этой гипотезы было получено путем расположения металлической пластинки поперек камеры с тем, чтобы перехватить пути частиц. При этом удалось получить пока лишь немного настолько хороших фотографий, чтобы след с положительной кривизной, пройдя через пластику, оставался бы в фокусе от начала до конца. Однако уже и эти фотографии не оставляют никаких сомнений в том, что частицы испускаются из свинцового экранчика или мест, поблизости от него; поэтому мы имеем здесь дело с положительно заряженными частицами. В одном случае пластинка представляла собою слой меди в 0.25 мм толщиною. В этом случае след со стороны обстреливаемой поверхности пластинки имел кривизну, соответствовавшую значению Hρ = 12700, а со стороны защищенной Hρ − 10 тыс. Это указывает на то, что частицы распространялись от экранчика через медную пластинку, теряя определенное количество энергии в пластинке. Изменение значения Hρ за время прохождения частицы через медь, примерно, то же самое, что и у отрицательного электрона, поставленного в те же самые условия. Характеристическая ионизация частицы также, примерно, такая же, что и у отрицательного электрона. Эти наблюдения согласуются с предположением, что масса и величина заряда положительной частицы − те же самые, что и для отрицательного электрона.
    Каким способом получаются эти положительные электроны, еще пока неясно: зарождаются ли они под воздействием нейтронов, входящих в излучение бериллия, или благодаря сопровождающему нейтроны у излучению? Надо надеяться, что дальнейшие опыты, уже ведущиеся, разрешат этот вопрос»[†].

Источники позитронов

    Позитроны образуются при распаде β⁺-радиоактивных ядер, большинство из которых получаются искусственным путем или остались на Земле как продукты нуклеосинтеза в звездах.

 ²²Na − источник позитронов

    В качестве источника позитронов широко используется изотоп ²²Na. Период полураспада изотопа ²²Na равен 2.6 года. В 90% случаев распад происходит в результате β⁺-распада

²²Na → ²²Ne + e⁺ + ν_e,

с образованием стабильного изотопа ²²Ne (рис. 3.7).
    В 10% случаев распад ²²Na происходит в результате е-захвата

²²Na + e^- → ²²Ne + ν_e.

Рис. 3.7. Радиоактивный источник позитронов ²²Na.

Практически 100% распадов происходит на первое возбужденное состояние ²²Ne с энергией E* = 1.27 МэВ, J^P = 2⁺. Распад в основное состояние ²²Ne J^P = 0⁺ составляет 0.05%. Поэтому β⁺-распад ²²Na практически всегда сопровождается появлением γ-кванта с энергией 1.27 МэВ.