Waritrony czyli na tropie tajemnicy jądra atomowego

Alichanowowie wykonali obliczenia, posługując się pewnym znanym prawem fizyki. Prawo to głosi, iż im mniejsza jest gęstość materii, tym większą drogę może przebiec w niej ta czy inna mikro-cząstka, zanim się „zatrzyma“, to znaczy, zanim zużyje całą swą energię na zderzenia z atomami materii. Gęstość powietrza zmniejsza się wraz ze wzrostem wysokości. A zatem im wyżej nad Ziemią, tym większy jest „zasięg“ kosmicznych elektronów rozpadu, tj. droga, jaką przebiegają od swoich narodzin do przyłączenia się do atomów powietrza. Dlatego też na poziomie szczytu Ałagez jest więcej elektronów z rozpadu niż na poziomie Erywania: do obu tych miejsc elekrony przychodzą z góry z warstwy powietrza o grubości równej ich zasięgowi, a ponieważ na poziomie Ałagez zasięg ten jest znacznie większy niż na poziomie Erywania, więc rzecz zrozumiała, iż na Ałagez dostają się elektrony z warstwy powietrza grubszej niż ta, z której dochodzą do Erywania. Jeśli teraz rozumowaniu temu nadamy postać ścisłego prawa, to możemy powiedzieć krótko: ilość elektronów rozpadu jest odwrotnie proporcjonalna do gęstości powietrza.

Co zaś dały Alichanowom obliczenia?

Obliczenia wykazały, że ilość elektronów na poziomie szczytu Ałagez powinna wynosić 46°/o w stosunku do ilości mezonów.

Liczniki natomiast, jak widzieliśmy, stwierdzają coś zupełnie innego. Mówią one, iż na tym poziomie miękkie cząstki kosmiczne stanowią 60%> w stosunku do twardych.

Z pomiarów wynikało jedno, z obliczeń — co innego. Gdzie był błąd?

Alichanowowie mieli całkowite zaufanie do swoich liczników. Obliczenia jednak również nie budziły wątpliwości. Opierały się bowiem na prawie odkrytym już kilkadziesiąt lat temu i sprawdzonym w setkach doświadczeń! Trudno wątpić w to, że zasięg mikrocząstek rośnie przy zmniejszeniu gęstości powietrza.

Jakiż wiec wn:osek należało wyciągnąć z tej dziwnej rozbieżności między dwoma wiarygodnymi wynikami?

Na razie tylko jeden: jest tu jeszcze wiele zagadnień do zbadania!

Alichanowowie rozumieli to lepiej niż ktokolwiek inny. Intuicja uczonych mówiła im, iż stwierdzona przez nich niewyjaśniona różnica między tymi dwiema liczbami — to pierwsza oznaka, pierwsza wiadomość o jeszcze nie zbadanym zjawisku przyrody. Wydawało im się nawet, że wiedzą, o co tu chodzi, i mieli już w pogotowiu śmiałe przypuszczenia.

Było to właśn:e przypuszczenie, iż wśród cząstek kosmicznych znajdują się protony. Gdyby tak było istotnie, to miezgodność obliczeń z pomiarami dałaby się łatwo wyjaśnić.

Alichanowowie nie kwapili się jednak do takiego wyjaśnienia. Byli zbyt ostrożni i postanowili przeprowadzę nowe doświadczenia. Doświadczenia te zupełnie jednak nie przypominały dawnych i na tym polegała ich wartość.

Każdy uczony, który odkrył jakieś zjawisko, stara się sprawdzić słuszność swoich wyn’ków przy pomocy dużej ilości pomiarów. Jeśli jednak taki sposób sprawdzenia wydaje się uczonemu n!edo-stateczny, to ucieka się do jeszcze jednej próby — szuka zupehńe nowej drogi i stara się dojść nią do tego samego celu. Jedno zwierciadło zastępuje drugim i tożsamość obrazów przekonuje go o czystości zwierciadeł i prawdziwości odkrycia.

Tak też postąpili Alichanowowie. Postanowili zmierzyć udział miękkich i twardych cząstek w promieniach kosmicznych nie przy pomocy liczników, lecz zupełnie innvm przyrządem. Przyrząd ten nazywa się komorą jonizacyjną.

Jest to metalowe naczynie, wypełnione jakimkolwiek gazem. Wewnątrz pośrodku znajduje się cienki pręcik metalowy — elektroda — elektrycznie odizolowany od ścianek. Jeden koniec elektrody wyprowadzony jest na zewnątrz.

Aby komora jonizacyjna funkcjonowała, elektrodę i ścianki komory ładuje się elektrycznością — dodatnią i ujemną. Wskutek tego między ściankami a elektrodą wytwarza się napięcie elektryczne, zazwyczaj kilkuset woltów.

Jeżeli przez komorę przebiegają jakieś naładowane mikrocząstki, to po drodze odrywają one elektrony od atomów gazu wypełniającego komorę, czyli, jak to się mówi, jonizują go. Ponieważ zaś elektroda komory jest naładowana dodatnio, więc elektrony wytrącone z atomów przez mikrocząstki natychmiast podążają ku elektrodzie, podobnie jak w liczniku biegną ku włóknu. Jednak podczas gdy w liczniku powstaje cała lawina elektronów bombardujących włókno (gdyż każdy elektron wytrącony przez mikrocząstkę z atomu sam jonizuje gaz po drodze do włókna!, w komorze jonizacyjnej elektrony zachowują się odmiennie. Napięcie miedzy elektrodą a ściankami komory jest zbyt niskie, aby mogło rozpędzić elektrony do takich prędkości, gdy same mogą wytrącać nowe elektrony z atomów, i dlatego elektrony w komorze spokojnie spływają ku elektrodzie, nie wywołując lawiny.

A zatem ilość elektronów, dochodzących do elektrody, zależy po pierwsze od ilości mikrocząstek, które przebiegły przez komorę, a po drugie — od ich „zdolności jonizacyjnej“. Inaczej mówiąc, im więcej jonów, tj. atomów pozbawionych elektronu, potrafi wytworzyć mikrocząstka, tym więcej elektronów dochodzi do dodatnio naładowanej elektrody. Jeżeli więc mierzyć będz!emy ilość elektronów dochodzących do elektrody w ciągu jakiegoś określonego okresu działania komory, to znając na podstawie pomiarów z innymi przyrządami ilość cząstek, które przeszły w ciągu tego czasu przez komorę, można wnioskować o ich średniej zdoiności jonizacyjnej. I na odwrót, znając średnią zdolność jonizacyjną cząstek, można w przybliżeniu oszacować, ile ich przeszło przez komorę.

Jak jednak można policzyć elektrony wystrącone w komorze z atomów gazu?

Można to zrobić przy pomocy najrozmaitszych przyrządów, które dołącza się do elektrody na zewnątrz komory. Najprostszy z mch to elektrometr.

Główną część elektrometru stanowią dwa złote listki zawieszone na metalowym pręciku. Posiadają one własność rozchylania się, gdy do pręcika dopływa nabój elektryczny. Oba listki uzyskują od pręta nabój elektryczny tego samego znaku, zaś jednoimienne naboje odpychają się. Listki ponownie zbliżą się do siebie dopiero wówczas, gdy zniknie nabój pręcika.