Один из распространенных методов исследования атомного ядра — бомбардировка его другими частицами: а-частицами, нейтронами, протонами, электронами и т. д. Если, например поток протонов направляется к ядру, то часть из них, столкнувшись с ядром атома, будет разле­таться по всевозможным направлениям. По характеру рассеяния протонов можно сделать определенные выводы о силовом поле, окружающем ядро. Чем больше скорость протонов, тем ближе они смогут подходить к ядру и тем больше сведений они дадут о строении ядра. Рассмотрим другой пример. Если на пути летящих с громадными скоростями электронов поставить мишень из металлической пластинки, то электроны, сталкиваясь с мишенью, будут резко тормозиться. При этом их кинетическая энергия будет переходить в у-кванты. Чем больше будет ско­рость электронов, тем короче длина волны тормозного у­излучения и тем больше будет его энергия, т. е. тем «жестче» будут возникающие у-лучи.
В результате столкновения частиц высокой энергии (например, быстрых протонов) с ядрами атомов могут возникнуть мезоны. Чем быстрее движутся сталкива­ющиеся между собой частицы, тем многообразнее про­цессы, которые могут возникнуть в результате таких столкновений. Изучая эти процессы, ученые получают все больше сведений о строении материи. Много интересных процессов происходит в земной атмосфере под воздейст­вием космических лучей. Космическое пространство об­разует как бы гигантскую лабораторию, откуда мы все время черпаем новые данные о свойствах и поведении мельчайших «кирпичиков» материи. Космическая лабора­тория, однако, имеет большой недостаток — стихийность происходящих в ней процессов. Исследователь должен ждать, пока случайно не нападет на интересующий его процесс. Для детального же изучения процесса нужно уметь управлять им и искусственно его вызывать в лабо­раторных условиях. Для этих целей необходимо иметь только достаточно быстрые элементарные частицы. Без­различно, имеем ли мы дело с быстрым протоном, источ­ником которого являются космические лучи, или же мы имеем дело с протоном, который мы получили на специ­альных установках, ускоряющих протоны. Процессы, вы­званные им, будут в обоих случаях одинаковыми.

Один из распространенных методов исследования атомного ядра — бомбардировка его другими частицами: а-частицами, нейтронами, протонами, электронами и т. д. Если, например поток протонов направляется к ядру, то часть из них, столкнувшись с ядром атома, будет разле­таться по всевозможным направлениям. По характеру рассеяния протонов можно сделать определенные выводы о силовом поле, окружающем ядро. Чем больше скорость протонов, тем ближе они смогут подходить к ядру и тем больше сведений они дадут о строении ядра. Рассмотрим другой пример. Если на пути летящих с громадными скоростями электронов поставить мишень из металлической пластинки, то электроны, сталкиваясь с мишенью, будут резко тормозиться. При этом их кинетическая энергия будет переходить в у-кванты. Чем больше будет ско­рость электронов, тем короче длина волны тормозного у­излучения и тем больше будет его энергия, т. е. тем «жестче» будут возникающие у-лучи.
В результате столкновения частиц высокой энергии (например, быстрых протонов) с ядрами атомов могут возникнуть мезоны. Чем быстрее движутся сталкива­ющиеся между собой частицы, тем многообразнее про­цессы, которые могут возникнуть в результате таких столкновений. Изучая эти процессы, ученые получают все больше сведений о строении материи. Много интересных процессов происходит в земной атмосфере под воздейст­вием космических лучей. Космическое пространство об­разует как бы гигантскую лабораторию, откуда мы все время черпаем новые данные о свойствах и поведении мельчайших «кирпичиков» материи. Космическая лабора­тория, однако, имеет большой недостаток — стихийность происходящих в ней процессов. Исследователь должен ждать, пока случайно не нападет на интересующий его процесс. Для детального же изучения процесса нужно уметь управлять им и искусственно его вызывать в лабо­раторных условиях. Для этих целей необходимо иметь только достаточно быстрые элементарные частицы. Без­различно, имеем ли мы дело с быстрым протоном, источ­ником которого являются космические лучи, или же мы имеем дело с протоном, который мы получили на специ­альных установках, ускоряющих протоны. Процессы, вы­званные им, будут в обоих случаях одинаковыми.
До 1930 г. электроны и протоны ускоряли с помощью высокого напряжения. В таком ускорителе электроны при­обретали энергию до миллиона электронвольт.
Уже в первых циклотронах протоны могли приобре­тать почти в 25 раз большую энергию. (Циклотрон был изобретен в 1930 г.) Упрощенная схема циклотрона пред­ставлена на рис. 43. Основные элементы циклотрона: элек­тромагнит постоянного тока, вакуумная камера, которая помещается в зазоре магнита, ионный источник и ускоряю­щее устройство. Ускоряющее устройство состоит из круг­лой металлической коробки, разрезанной пополам (дуантов), и генератора переменного напряжения. В циклотроне протоны ускоряются периодически изменяющимся элект­рическим полем в щели между дуантами. Благодаря нали­чию магнитного поля внутри дуантов протоны движутся по спиральной траектории. С каждым прохождением уско­ряющей зоны энергия протонов возрастает. Казалось бы, таким путем протоны можно ускорять до сколь угодно больших энергий. В действительности это не так. Дело в том, что когда кинетическая энергия протонов в цикло­троне приближается к 20 Мэв, их скорость будет уже 60 000 км/сек. Масса такого протона на 2 % больше массы покоя. Из-за увеличившейся массы быстрые протоны боль­ше не успевают вовремя прийти в ускоряющую зону. К тому времени, как опоздавшие протоны достигают уско­ряющей зоны, напряжение там уже спадает, и ускорения их больше не происходит.

 

Рис. 43. Схема циклотрона
Пунктирной линией изображена траектория протонов (чем больше становится энергия протона, тем больше делается радиус его дуги). Заштрихованный участок — так на­зываемая ускоряющая зона, где создается электрическое поле с из­меняющейся напряженностью

 

Чтобы ускорять элементарные частицы до больших ско­ростей, нужно при конструировании ускорителя учитывать законы теорий относительности. Особенно большие заслуги в создании теории современных ускорителей принадлежат советскому физику лауреату Ленинской премии академику В. И. Векслеру.
Чтобы получить представление о современных ускори­телях, приведем некоторые данные о синхрофазотроне, ко­торый работает в Объединенном институте ядерных ис­следований в г. Дубне. Этот ускоритель сообщает протонам энергию до 10 000 Мэв (1010 эв). Скорость протонов в ус­корителе достигает примерно 298000 км/сек, а их масса в 10 раз больше массы покоя. Такие скорости уже сравнимы со скоростями космических частиц. Поэтому синхрофазо­трон иногда называют также космотроном. Для приобре­тения энергии 1010 эв протоны должны совершить в син­хрофазотроне 4,5 миллиона оборотов по окружности диаметром в 56 м. Это значит, что протоны должны пройти путь длиной в 800 ООО км, при этом они не должны заметно отклоняться в сторону. Отсюда видно, с какой точностью нужно учесть все особенности движения протонов, в том числе и увеличение их массы при возрастании скорости. Даже незначительная погрешность в конструкции установ­ки, отклоняющая протоны от их пути, может нарушить нормальную работу синхрофазотрона. В Советском Союзе сейчас строится ускоритель протонов, рассчитанный на энергию от 50 000 до 70 000 Мэв. Скорость протонов в таких ускорителях будет свыше 99,99 % скорости света.
До очень больших скоростей удалось разогнать элек­троны на современных ускорителях. Так, например, на циклическом ускорителе электронов Кембриджского уни­верситета (США) энергия электронов достигает 6000 Мэв, диаметр этого ускорителя около 50 м. Скорость электрона, обладающего такой энергией, составляет 99,9999996% ско­рости света, а масса в 12 000 раз больше массы покояще­гося электрона! Это уже близко к пределу. Успех создания еще более мощных ускорителей по старым принципам становится сомнительным. Аппаратура стала бы уж слиш­ком сложной и громоздкой. И опять на помощь приходит теория относительности, указывая путь получения еще больших энергий.
В Сибирском отделении АН СССР (в Новосибирске) пущен ускоритель, в котором сталкиваются электроны с энергией до 70 000 Мэв. Эта энергия более чем в 10 раз выше той, что дает кембриджский ускоритель. В то же время поперечник новосибирского ускорителя только не­многим больше 2 м. Как же это удалось осуществить? В принципе очень просто: физики заставляют сталкиваться два пучка электронов, энергия каждого всего 130 Мэв. В результате столкновения получаются электроны с энергией 70 000 Мэв. Такой кажущийся невероятным результат есть один из эффектов теории относительности.
Энергия покоя электрона m₀с² составляет около 0,5 Мэв. С помощью формулы (7) нетрудно вычислить, что скорость электрона с энергией 130 Мэв составляет 99,9993% скоро­сти света. Пусть сталкиваются два таких пучка. Согласно релятивистскому закону сложения скоростей (2), относи­тельная скорость пучков равна 99,999 999 998% скорости света. Подставляя значение этой скорости в формулу (7), сможем вычислить энергию, с которой происходят соударе­ния электронов. Это и даст как раз 70 000 Мэв. Использо­вание законов теории относительности позволило значи­тельно повысить эффективность ускорителя и существенно уменьшить его размеры.
В Новосибирске запущен также ускоритель (попереч­ные размеры ускорителя всего 5 м), в котором сталкива­ются ускоренные до 700 Мэв электроны и позитроны. В ускорителе происходит соударение электронов и позитро­нов с энергией до 2 000 000 Мэв. Это фантастическая энер­гия. Скорость электронов такой энергии отличается от ско­рости света уже настолько мало, что в свободном полете электрон отстал бы от светового сигнала в течение года меньше чем на 1 мм. Если бы мы вздумали получить элек­троны с энергией в 2 000 000 Мэв с помощью линейного ускорителя, то пришлось бы построить ускоритель длиной в сотни километров. Нужны ли еще более очевидные под­тверждения практического значения теории относительно­сти?!