Atomlar va molekulalarning energiyasi o'zgarganligi sababli juda ko'p turli xil hodisalar yuzaga keladi. Ayrim hollarda amaliyot uchun hodisalarni tahlil qilishda atom-molekulyar yondashuvga ehtiyoj qolmaydi. Boshqalarida, hodisadan samarali foydalanish faqat uning molekulyar (atom) tabiatini ajralmas hisobga olgan holda mumkin.

Ushbu bobda atomlar va molekulalar tomonidan nurlanish va energiyani yutish xususiyatlari, shuningdek, atom tabiatini bilish ulardan foydalanish uchun zarur bo'lgan ba'zi amaliy ahamiyatga ega bo'lgan hodisalar ko'rsatilgan. Ushbu keng mavzuning ba'zilari keyingi bobda muhokama qilinadi.

29.1. RADIATSIYALARNING XUSUSIYATLARI VA ENERGIYANI SUTILIShI

ATOMLAR VA MOLEKULALAR

Atom va molekula statsionar energiya holatida bo'lishi mumkin. Bunday holatlarda ular energiya chiqarmaydi yoki o'zlashtirmaydi. Energiya holatlari sxematik tarzda darajalar sifatida tasvirlangan (masalan, 28.13-rasmga qarang). Eng past energiya darajasi - zamin darajasi - zamin holatiga mos keladi.

Kvant o'tishlarida atomlar va molekulalar bir statsionar holatdan ikkinchisiga, bir energiya darajasidan ikkinchisiga o'tadi.

Atomlar holatining o'zgarishi bilan bog'liq energiya o'tishlari elektronlar. Molekulalarda energiya nafaqat elektron o'tishlar natijasida, balki atomlarning tebranishlari va aylanish darajalari orasidagi o'tishlarning o'zgarishi natijasida ham o'zgarishi mumkin.

Yuqoridan harakatlanayotganda energiya darajalari u quyi atom yoki molekulaga energiya beradi va teskari o'tishlarda uni o'zlashtiradi. O'zining asosiy holatidagi atom faqat energiyani o'zlashtira oladi.

Kvant o'tishlarining ikki turi mavjud:

1) nurlanishsiz yoki atom yoki molekula tomonidan elektromagnit energiyani yutmasdan. Bunday nurlanishsiz o'tish atom yoki molekula boshqa zarralar bilan o'zaro ta'sirlashganda sodir bo'ladi.

mi, masalan, to'qnashuv jarayonida. Atomning ichki holati o'zgaradigan va radiatsiyaviy bo'lmagan o'tish sodir bo'ladigan noelastik to'qnashuvni va elastik - atom yoki molekula kinetik energiyasining o'zgarishi bilan, lekin ichki holatini saqlab qolish bilan farqlang; 2) fotonning emissiyasi yoki yutilishi bilan.

Fotonning energiyasi atom yoki molekulaning dastlabki va oxirgi statsionar holatlari energiyalari orasidagi farqga teng:

Formula (29.1) ifodalaydi energiyani tejash qonuni.

Fotonning chiqishi bilan kvant o'tishini keltirib chiqaradigan sababga qarab, nurlanishning ikki turi ajratiladi. Agar bu sabab ichki va qo'zg'atilgan zarracha o'z-o'zidan pastroq energiya darajasiga o'tsa, bunday nurlanish deyiladi. o'z-o'zidan(29.1-rasm, a). Vaqti, chastotasi (turli xil pastki darajalar o'rtasida o'tishlar bo'lishi mumkin), tarqalish va qutblanish yo'nalishi bo'yicha tasodifiy va xaotikdir. An'anaviy yorug'lik manbalari asosan spontan nurlanish chiqaradi. Boshqa radiatsiya majbur, yoki qo'zg'atilgan(29.1-rasm, b). Bu fotonning qo'zg'aluvchan zarracha bilan o'zaro ta'sirida, agar fotonning energiyasi energiya darajalari orasidagi farqga teng bo'lsa, paydo bo'ladi. Majburiy kvant o'tish natijasida zarrachadan ikkita bir xil fotonlar bir xil yo'nalishda tarqaladi: biri birlamchi, majburlovchi, ikkinchisi esa ikkilamchi, chiqariladi.

Atomlar yoki molekulalar chiqaradigan energiya emissiya spektrini, yutilgan energiya esa yutilish spektrini hosil qiladi.

Intensivlik spektral chiziqlar soniyada sodir bo'ladigan bir xil o'tishlar soni bilan belgilanadi va shuning uchun chiqaradigan (yutuvchi) atomlar soniga va mos keladigan o'tish ehtimoliga bog'liq.

Har qanday energiya darajalari o'rtasida kvant o'tishlari amalga oshirilmaydi. Tanlash yoki taqiqlashning o'rnatilgan qoidalari, o'tishning mumkin bo'lgan va mumkin bo'lmagan yoki mumkin bo'lmagan shartlarini shakllantirish.

Ko'pgina atomlar va molekulalarning energiya darajalari juda murakkab. Darajalar tuzilishi va, demak, spektrlar bog'liq emas

faqat qurilishdan yagona atom yoki molekulalar, balki tashqi sabablardan ham.

Elektronlarning elektromagnit o'zaro ta'siri 1 energiya darajasining nozik bo'linishiga olib keladi (nozik tuzilish). Yadrolarning magnit momentlarining ta'siri o'ta nozik bo'linishni (giper nozik tuzilish) keltirib chiqaradi. Atom yoki molekulaga tashqi, elektr va magnit maydonlar energiya darajasining bo'linishiga olib keladi (Stark va Zeeman hodisalari; 30.2 ga qarang).

Spektrlar turli xil ma'lumotlar manbai.

Avvalo, atomlar va molekulalarni spektrning shakli bilan aniqlash mumkin, bu sifat spektral tahlil vazifalariga kiradi. Emissiya qiluvchi (yutuvchi) atomlar soni spektral chiziqlarning intensivligidan aniqlanadi - miqdoriy spektral tahlil. Shu bilan birga, 10 -5 - 10 -6% kontsentratsiyadagi aralashmalar nisbatan oson topiladi va juda kichik massa - bir necha o'n mikrogramgacha bo'lgan namunalar tarkibi aniqlanadi.

Spektrlardan atom yoki molekulaning tuzilishini, ularning energiya darajalarining tuzilishini, yirik molekulalarning alohida qismlarining harakatchanligini va hokazolarni baholash mumkin. Spektrlarning atom yoki molekulaga ta'sir qiluvchi maydonlarga bog'liqligini bilib, u haqida ma'lumot oladi. nisbiy pozitsiya zarralar, chunki qo'shni atomlarning (molekulalarning) ta'siri elektromagnit maydon yordamida amalga oshiriladi.

Harakatlanuvchi jismlarning spektrlarini o'rganish optik Doppler effekti asosida nurlanish emitenti va qabul qiluvchining nisbiy tezligini aniqlash imkonini beradi.

Agar moddaning spektridan uning holati, harorati, bosimi va hokazolar haqida xulosa chiqarish mumkinligini hisobga olsak, tadqiqot usuli sifatida atom va molekulalarning nurlanish va energiya yutilishidan foydalanishni yuqori baholashimiz mumkin. .

Atom (yoki molekula) tomonidan chiqarilgan yoki so'rilgan fotonning energiyasiga (chastotasiga) qarab, spektroskopiyaning quyidagi turlari tasniflanadi: radio, infraqizil, ko'rinadigan nurlanish, ultrabinafsha va rentgen nurlari 2.

Moddaning turiga ko'ra (spektr manbai), atom, molekulyar spektrlar va spektrlarkristallar.

1 Bu erda "bo'linish" atamasi jarayonni emas, balki allaqachon shakllangan holatni anglatadi.

2 Yadro kvant o'tishlari tufayli gamma-spektroskopiya bu erda ko'rsatilmagan.

29.2. YORILGAN SO‘RILIShI

Muhitda tarqaladigan yorug'likning intensivligi uning so'rilishi va moddaning molekulalari (atomlari) tomonidan tarqalishi tufayli kamayishi mumkin.

Nurni yutish orqaliyorug'lik energiyasining boshqa energiya turlariga aylanishi tufayli har qanday moddadan o'tganda yorug'lik intensivligining zaiflashishi deyiladi.

Keling, yorug'likning materiya tomonidan yutilish qonunini o'rnatamiz. Qalinligi bilan moddaning kichik qatlamini tanlasak dx(29.2-rasm), u holda yutilish vaqtida ushbu qatlam tomonidan yorug'lik intensivligi dI ning susayishi qanchalik katta bo'lsa, qatlamning qalinligi va ushbu qatlamga tushadigan yorug'lik intensivligi qanchalik katta bo'ladi:

qayerda k- tabiiy yutilish indeksi (yutuvchi muhitga bog'liq bo'lgan va yorug'lik intensivligiga ma'lum chegaralarda bog'liq bo'lmagan mutanosiblik koeffitsienti); "-" belgisi moddadan o'tayotganda yorug'lik intensivligining pasayishini bildiradi, ya'ni. dI<0. Интегрируя (29.2) и подставляя соответствующие пределы (рис. 29.2), получаем:

Bu formula ifodalaydi Bugerning yorug'likni yutish qonuni. Ko'rib turganingizdek, tabiiy assimilyatsiya darajasi k muhitda yutilish natijasida yorug'lik intensivligi pasaygan masofaning o'zaro nisbati. e bir marta.

Tabiiy yutilish indeksi yorug'likning to'lqin uzunligiga bog'liq, shuning uchun monoxromatik yorug'lik uchun (29.3) qonunini yozish tavsiya etiladi:

qayerda k x- yutilishning monoxromatik tabiiy ko'rsatkichi.

Yorug'likning yutilishi molekulalar bilan o'zaro ta'sirga bog'liq bo'lganligi sababli, yutilish qonuni molekulalarning ma'lum xususiyatlari bilan bog'liq bo'lishi mumkin.

Mayli P yorug'lik kvantlarini yutuvchi molekulalarning konsentratsiyasi. Molekulaning samarali yutilish kesimini s deb belgilaymiz (foton molekula tomonidan ushlanib qoladigan ba'zi maydon).

Ushbu qatlam molekulalarining samarali kesimining umumiy maydoni snSdx ga teng. Bu qatlamga F = fotonlar oqimi tushadi IS. Molekulalarning samarali tasavvurlar maydonining umumiy tasavvurlar maydonidagi ulushi:

Qatlam tomonidan yutilgan fotonlarning ulushi yorug'lik oqimi (F / F) yoki intensivligi (dI / I) bilan ifodalanishi mumkin. Yuqoridagilarga asoslanib, biz quyidagilarni yozishimiz mumkin:

29.3. YORG'ILIK TARQISHI

Nurning tarqalishimuhitda tarqalayotgan yorug'lik nurining barcha mumkin bo'lgan yo'nalishlarga burilishi hodisasi deyiladi.

Yorug'likning tarqalishining paydo bo'lishi uchun zaruriy shart - bu optik bir xilliklarning mavjudligi, ya'ni. asosiy muhitdan tashqari sinishi indeksiga ega bo'lgan hududlar.

Yorug'likning tarqalishi va diffraktsiyasi ba'zi umumiy xususiyatlarga ega, ikkala hodisa ham to'siq yoki bir hil bo'lmaganlik va to'lqin uzunligi nisbatiga bog'liq. Bu hodisalar orasidagi farq shundan iboratki, diffraksiya ikkilamchi toʻlqinlarning interferensiyasi, sochilishi esa yorugʻlik taʼsirida bir jinsli boʻlmaganlikdagi elektronlarning majburiy tebranishlaridan kelib chiqadigan nurlanishning qoʻshilishi (interferentsiya emas!) hisobiga sodir boʻladi.

Bunday nomutanosiblikning ikkita asosiy turi mavjud:

1) bir hil shaffof moddadagi kichik begona zarralar. Bunday muhitlar loyqadir: tutun (gazdagi qattiq zarralar), tuman (gazdagi suyuq tomchilar), suspenziyalar, emulsiyalar va boshqalar. Loyqa muhitda sochilish Tindall hodisasi deb ataladi;

2) molekulalarning bir xil taqsimotdan statistik og'ishi (zichlikning tebranishlari) tufayli sof moddada paydo bo'ladigan optik bir xillik. Ushbu turdagi bir jinsli bo'lmaganlar bilan yorug'likning tarqalishi molekulyar deyiladi; masalan, atmosferada yorug'likning tarqalishi.

Yorug'likning tarqalishi tufayli yorug'lik intensivligining pasayishi, yutilish holatida bo'lgani kabi, eksponensial funktsiya yordamida tasvirlangan:

qayerda m- tarqalish indeksi (tabiiy).

Yorug'likning yutilishi va tarqalishining birgalikdagi ta'siri ostida intensivlikning susayishi ham eksponensial funktsiya hisoblanadi:

bu erda m - zaiflashuv ko'rsatkichi (tabiiy). m = ekanligini ko'rish oson m+k.

Rayleigh aniqladiki, loyqa muhitda taxminan 0,2 l dan kam bo'lmagan bir xillik bilan tarqalish paytida, shuningdek molekulyar tarqalish paytida tarqalgan yorug'likning intensivligi to'lqin uzunligining to'rtinchi darajasiga teskari proportsionaldir. (Reley qonuni):

Bu shuni anglatadiki, oq nurdan modda, masalan, bir nuqtada d(29.3-rasm), ko'k va binafsha nurlar asosan tarqaladi (A yo'nalishi), qizil nurlar esa yo'nalishda o'tadi. b tushayotgan yorug'lik. Shunga o'xshash hodisa tabiatda kuzatiladi: osmonning ko'k rangi yorug'lik nuridir, quyosh botishining qizil rangi sezilarli darajada tarqalishi tufayli oq yorug'lik spektrining o'zgarishidir.

atmosferadagi ko'k va binafsha nurlar oblique tushishda (27.3-rasmga tushuntirishga qarang).

Qizil nurlarning kamroq tarqalishi signalizatsiyada qo'llaniladi: aerodromlardagi identifikatsiya chiroqlari, eng muhim svetofor qizil va boshqalar. Infraqizil nurlar kamroq tarqaladi. Shaklda. 29.4-rasmda landshaftning ikkita fotosurati ko'rsatilgan: chap tomonda odatiy usulda olingan tuman ko'rishni keskin cheklagan: o'ngda infraqizil nurlanishda maxsus plastinkada olingan, tuman aralashmaydi, shaffof bo'lib chiqdi. uzunroq to'lqinlar.

Agar to'xtatilgan zarralar to'lqin uzunligi bilan solishtirganda katta bo'lsa, u holda tarqalish Rayleigh qonuniga (29.14) mos kelmaydi - kasrning maxraji l 2 bo'ladi. Tarqalgan yorug'lik ko'kligini yo'qotadi va oq rangga aylanadi. Shunday qilib, shaharlarning changli osmoni musaffo dengiz bo'shliqlarining quyuq moviy osmonidan farqli o'laroq, bizga oppoq ko'rinadi.

Tarqalgan yorug'lik yo'nalishi, uning qutblanish darajasi, spektral tarkibi va boshqalar. molekulalararo o'zaro ta'sirni tavsiflovchi parametrlar, eritmalardagi makromolekulalar, kolloid eritmalardagi zarralar, emulsiyalar, aerozollar va boshqalar haqida ma'lumot keltiring.

Ushbu turdagi ma'lumotlarni olish uchun tarqalgan yorug'likni o'lchash usullari deyiladi nefelometriya, va tegishli qurilmalar nefelometrlar.

29.4. OPTIK ATOM SPEKTRALARI

Atom spektrlari - bu erkin yoki kuchsiz ta'sir qiluvchi atomlar darajalari orasidagi kvant o'tishlari paytida paydo bo'ladigan emissiya spektrlari va yutilish spektrlari.

Optik atom spektrlari deganda biz tashqi elektronlar sathlari orasidagi foton energiyalari bilan bir necha elektron volt tartibida o'tish natijasida yuzaga keladiganlarni tushunamiz. Bunga spektrning ultrabinafsha, ko'rinadigan va yaqin infraqizil (mikrometrgacha) hududlari kiradi.

Eng katta qiziqish uyg'ongan atomlardan olinadigan optik atom emissiya spektrlaridir. Ularning qo'zg'alishi odatda gazdagi elektr zaryadsizlanishi yoki moddani gaz yondirgich alangasi, elektr yoyi yoki uchqun bilan qizdirish paytida radiatsion bo'lmagan kvant o'tishlari natijasida erishiladi.

29.1-bandda atomlarning spektrlari haqida umumiy fikrlar berilgan. Muayyan atomlarning spektrlari haqida batafsil ma'lumotni spektroskopiya bo'yicha maxsus ma'lumotnomalarda topish mumkin. Oddiy misol sifatida, vodorod atomi va vodorodga o'xshash ionlarning spektrini ko'rib chiqing.

(28.24) va (29.1) formulalardan vodorod atomi (Z = 1) chiqaradigan (yutadigan) yorug'lik chastotasi formulasini olish mumkin:

Bu formulani eksperimental ravishda I.Ya. Balmer kvant mexanikasi yaratilishidan ancha oldin va nazariy jihatdan Bor tomonidan olingan (28.7 ga qarang); i va k- kvant o'tish sodir bo'ladigan darajalarning tartib raqamlari.

Spektrni chaqirilgan chiziqlar guruhlariga bo'lish mumkin spektral qator.

Emissiya spektrlariga qo'llaniladigan har bir seriya turli darajadagi bir xil yakuniy darajaga o'tishga mos keladi (29.5-rasm).

Ultraviyole mintaqada joylashgan lyman seriyasi, eng yuqori energiya darajasidan eng yuqori darajaga o'tish jarayonida hosil bo'ladi

pastki, asosiy (k = 1). Lyman seriyasi uchun formuladan (29.15) biz quyidagilarni olamiz:

bular. shu qatorning barcha satrlarining chastotalarini toping. Eng uzun to'lqin uzunligi chizig'i eng yuqori intensivlikka ega. Shakldagi spektral chiziqlarning intensivligi. 29.5 shartli ravishda mos keladigan to'g'ridan-to'g'ri o'tishlarning qalinligi bilan ko'rsatilgan.

Spektrning ko'rinadigan va yaqin ultrabinafsha hududlarida Balmer seriyasi mavjud bo'lib, u yuqori energiya sathidan ikkinchi darajaga (k = 2) o'tish natijasida paydo bo'ladi. Formuladan (29.15) uchun Balmer seriyasi olamiz:

29.5. MOLEKULAR SPEKTRA

Molekulyar spektrlar (emissiya va yutilishlar) molekulalarning bir energiya darajasidan ikkinchisiga kvant o'tishlari paytida paydo bo'ladi (28.9 ga qarang) va bir-biriga yaqin joylashgan chiziqlar bo'lgan ko'proq yoki kamroq keng diapazonlar to'plamidan iborat. Molekulyar spektrlarning atomiklarga nisbatan murakkabligi shundan kelib chiqadi

Harakatlarning katta xilma-xilligi va natijada molekuladagi energiya o'tishlari.

(29.1) va (28.37) ni hisobga olgan holda biz molekula tomonidan chiqarilgan yoki so'rilgan chastotani topamiz:

Molekulyar spektrlar nafaqat molekulalarning tuzilishini, balki molekulalararo o'zaro ta'sirlarning tabiatini ham o'rganishga imkon beradi.

Molekulyar yutilish (absorbsiya) spektrlari biologik funktsional molekulalar haqida muhim ma'lumot manbai bo'lib, ular zamonaviy biokimyoviy va biofizikaviy ishlarda keng qo'llaniladi.

Ko'pgina hollarda, bu spektrlar yuqorida tavsiflangan tafsilotlarni hal qilmasdan, uzluksiz ravishda qayd etiladi.

Shunday qilib, masalan, rasmda. 29.8 eritrotsitlar suspenziyasining so'rilish spektrini ko'rsatadi. Inson terisining so'rilish spektri rasmda ko'rsatilgan. 29.9, ultrabinafsha qismida yutilish darajasi yuqori va teri eng yuqori qatlamlarda nurlanishni o'zlashtiradi. Ko'rinadigan hududda absorbans kamayadi va qizil mintaqagacha deyarli doimiy bo'lib qoladi.

29.6. LUMINESCENSIYNING TURLI TURLARI

Luminesans ma'lum bir haroratda tananing termal nurlanishidan ortiqcha deb ataladi, uning davomiyligi davrdan sezilarli darajada oshadi.(10-15 s) yorug'lik to'lqinlarini chiqaradi.

Ushbu ta'rifdagi davomiylik belgisi S.I. Vavilov lyuminessensiyani ikkinchi darajali lyuminessensiyaning ba'zi boshqa hodisalaridan, masalan, yorug'likning aks etishi va tarqalishidan farqlash uchun.

Qo'zg'alish turiga qarab, luminesansning bir necha turlari ajratiladi.

Zaryadlangan zarralar ta'sirida paydo bo'ladigan lyuminesans: ionlar - io-noluminesans, elektronlar - katodolyuminesans, yadroviy radiatsiya - radioluminesans. Rentgen va g-nurlanish ta'sirida lyuminestsensiya rentgen nurlanishi, fotonlar - deyiladi. fotoluminesans (29.7 ga qarang). Ba'zi kristallarni ishqalash, maydalash yoki parchalashda, tribolyuminesans. Elektr maydonidan hayajonlangan elektroluminesans, alohida holat gaz razryadning porlashidir. Ekzotermik kimyoviy reaksiyaga hamroh bo'ladigan luminesans deyiladi kimyoluminesans (29.8 ga qarang).

Ba'zan oddiygina lyuminessensiya deb ataladigan fotoluminesans floresans (qisqa yorug'lik) va fosforessensiyaga (nisbatan uzoq vaqt davomida yorug'likdan keyin) bo'linadi.

Har qanday fotoluminesansning dastlabki harakati fotonni energiya bilan qo'zg'atishdir hv atom yoki molekula. Odatda monotomik bug'lar va gazlarda amalga oshiriladigan eng oddiy holatda, atom bir xil chastotali yorug'lik fotonni chiqaradi n (29.10-rasm) asosiy holatga qaytadi. Bu hodisa deyiladi rezonansli floresans (rezonansning tarqalishi). Maxsus tajribalar yorug'lik nima ekanligini ko'rsatdi

29.7. FOTOLUMINESSENSIYA

Emissiya moddaning yoritilishidan taxminan 10-8 soniya o'tgach sodir bo'ladi va shuning uchun so'zning odatiy ma'nosida tarqalmaydi.

Lyuminestsent bug'larga begona gazlar (vodorod, kislorod va boshqalar) qo'shilsa, rezonansli floresans kamayadi. Buning sababi shundaki, atom mavjud bo'lgan vaqt ichida

hayajonlangan holatda u boshqa turdagi molekula bilan uchrashishi va unga energiya berishi mumkin. Bunday holda, molekulaning kinetik energiyasi ortadi va atom nursiz ravishda asosiy holatga o'tadi.

Bu hayajonlangan holatdan ko'proq 3 (29.11-rasm) molekula nurlanishsiz darajaga o'tadi 2, va keyin o'z-o'zidan energiya hv" darajasiga ega kvantning emissiyasi bilan 1.

Murakkab organik molekulalarda hayajonlangan holatdan o'tish sodir bo'ladi 3 ba'zi bir oraliq, metastabil 4 ga, undan asosiy holatga o'tish ehtimoli yo'q (29.12-rasm). Atrofdagi zarrachalarning molekulyar-kinetik energiyasi yoki yorug'likning yangi kvanti tufayli molekulaning qo'zg'aluvchan darajaga o'tishi mumkin. 2, va undan asosiy holatga 1. Bu fosforessensiyaning mexanizmlaridan biridir. Isitish metastabil darajadan chiqib ketish ehtimolini oshiradi va fosforessensiyani kuchaytiradi.

Fotoluminesans uchun bu asosan to'g'ri Stokes qonuni: luminesans spektri bu fotoluminesansga sabab bo'lgan spektrga nisbatan uzoq to'lqin uzunliklari tomon siljiydi (29.13-rasm).

Aslida, rasmdan ko'rinib turibdiki. 29.10, chiqarilgan fotonning hv energiyasi so'rilgan fotonning hv energiyasidan katta emas:

qaerdan l "\u003e l. Stokes qonunidan og'ishlar mavjud - Stokesga qarshi luminesans. Bu, ayniqsa, fotoluminesans alohida spektral chiziq, ya'ni monoxromatik yorug'lik bilan qo'zg'atilganda aniq ko'rinadi (29.14-rasm). Anti-Stokes nurlanishi a. zarracha allaqachon hayajonlangan holatda bo'lgan hayajonlangan (29.15-rasm, 3-daraja). 2 asosiy ustida 1 energiya hv chiqariladi". Rasmdan ko'rinib turibdiki:

Bir qator biologik funktsional molekulalar, masalan, oqsil molekulalari, floresansni namoyon qiladi. Floresans parametrlari floresan molekula muhitining tuzilishiga sezgir; shuning uchun luminesans kimyoviy transformatsiyalar va molekulalararo o'zaro ta'sirlarni o'rganish uchun ishlatilishi mumkin.

So'nggi o'n yilliklarda membrana tizimlariga tashqaridan qo'shilgan maxsus lyuminestsent molekulalar keng qo'llanila boshlandi. Bunday molekulalar lyuminestsent problar (membrana bilan kovalent bo'lmagan aloqa) yoki floresan teglar (kimyoviy bog'lanish) deb ataladi.

Problar va yorliqlarning floresansini o'zgartirish oqsillar va membranalardagi konformatsion o'zgarishlarni aniqlash imkonini beradi.

Tibbiy maqsadlarda fotoluminesansning ba'zi ilovalarini ko'rib chiqing.

Ob'ektlarni o'rganish uchun ularni o'rganish uchun lyuminestsensiyani kuzatishga asoslangan lyuminestsent tahlil oziq-ovqat mahsulotlarining buzilishining dastlabki bosqichini aniqlash, farmakologik preparatlarni saralash va ayrim kasalliklarga tashxis qo'yish uchun ishlatiladi. Shunday qilib, ultrabinafsha nurlar ostida qo'ziqorin ta'sirlangan sochlar va tarozilar yorqin yashil lyuminestsent porlashni beradi. Teri kapillyarlarining o'tkazuvchanligini floresan bo'yoqlarni teri ostiga yuborish orqali aniqlash mumkin.

Qulay sharoitlarda lyuminestsent tahlil 10 -10 g gacha bo'lgan lyuminestsent moddalarni aniqlash imkonini beradi.

Mikroskopik ob'ektlarning lyuminestsent tahlili maxsus lyuminestsent mikroskoplar yordamida amalga oshiriladi, ular an'anaviy yorug'lik manbalaridan farqli o'laroq, odatda yuqori va o'ta yuqori bosimli simob lampalaridan foydalanadilar va ikkita yorug'lik filtridan foydalanadilar. Ulardan biri, kondensator oldida joylashgan

axlat, ob'ektning lyuminestsensiyasini keltirib chiqaradigan yorug'lik manbai spektrining mintaqasini ta'kidlaydi; ikkinchisi linza va okulyar o'rtasida joylashgan bo'lib, luminesans nurini chiqaradi. Fotoluminesans asosida yorug'lik manbalari yaratildi, ularning spektri cho'g'lanma lampalarnikiga qaraganda kunduzgi yorug'likka mos keladi. Bu sanoat va gigienik maqsadlarda muhim ahamiyatga ega. Floresan lampalar deb ataladigan bunday lyuminestsent lampalarda simob bug'ida past bosimda (elektroluminesans) elektr zaryadsizlanishi sodir bo'ladi. Oddiy shishadan yasalgan chiroqning ichki yuzasida (29.16-rasm) simob bug'ining nurlanishi ta'sirida fotolyuminessensiya qiluvchi yupqa fosfor qatlami yotqizilgan.

Fosfor tarkibini o'zgartirib, eng mos keladigan fotoluminesans spektrini tanlash mumkin. Shaklda. 29.17 mumkin bo'lgan spektrlardan birini ko'rsatadi, intensiv chiziqlar nurlanishi qisman fosfor orqali o'tadigan bug'lar spektriga mos keladi.

29.8. XEMILYUMİNESSENSIYA

Kimyoviy reaksiyalarga hamroh bo'ladigan lyuminesans xemiluminesans deb ataladi.

U to'g'ridan-to'g'ri reaktsiya mahsulotlari tomonidan yoki reaktsiya mahsulotlaridan ularga energiya o'tkazilishi natijasida qo'zg'aladigan boshqa komponentlar tomonidan chiqariladi.

Xemiluminesans yorqinligi, ya'ni. reaksiya tezligi va xemiluminesans samaradorligi ortishi bilan vaqt birligida chiqarilgan kvantlar soni ortadi - bir reaksiya aktiga kvantlarning o'rtacha soni. Xemiluminesans moddaning tarkibini aniqlash uchun ishlatilishi mumkin (xemiluminesans tahlili).

Kimiluminesansning o'ziga xos ko'rinishi - biologik ob'ektlarning kimyoviy reaktsiyalari bilan birga keladigan porlash deyiladi. biohe-

miluminesans.Chirigan, o't o'chiruvchilarning nurlanishi - bioxemiluminesans (biolyuminesans) misollari.

Biofiziklar orasida past intensivlikdagi bioluminesans deyiladi juda kam yorug'lik, bir qator olimlar, xususan, Yu.A. tomonidan faol o‘rganilgan. Vladimirov.

Biologik tizimlarda xemiluminesans lipid peroksid erkin radikallarining rekombinatsiyasi jarayonida sodir bo'lishi ko'rsatildi: RO 2 + RO 2 - qo'zg'atilgan mahsulot - mahsulot + + xemiluminesans kvanti.

O'rganilayotgan biologik tizimlar, masalan, temir tuzlari qo'shilsa, xemiluminesansning intensivligi sezilarli darajada oshadi. Shaklda. 29.18 temir temirni kiritish vaqtida mitoxondriya suspenziyasida luminesans intensivligining oshishini ko'rsatadi. Agar shunga o'xshash tajriba yiringli appenditsit yoki xoletsistitda qon plazmasi bilan o'tkazilsa, birinchi holatda porlash ancha zaif ekanligini ko'rish mumkin. Shunday qilib, diagnostika usuli sifatida kimilyuminesansdan foydalanish mumkin.

29.9. FOTOBIOLOGIK JARAYONLAR

Fotobiologik jarayonlar biologik funktsional molekulalar tomonidan yorug'lik kvantlarining yutilishi bilan boshlanadigan va organizm yoki to'qimalarda mos keladigan fiziologik reaktsiya bilan yakunlanadigan jarayonlar deb ataladi.

Yorug'likning biologik jarayonlarning borishiga ta'sirining muhim xarakteristikasi fotobiologik ta'sir spektri - fotobiologik effektning ta'sir qiluvchi yorug'lik to'lqin uzunligiga bog'liqligi. Harakatlar spektrlari spektrning qaysi mintaqasi biologik jarayonni eng samarali keltirib chiqarishini aniqlashga, shuningdek, bunday ta'sir mexanizmini aniqlashga imkon beradi.

Ko'rish mexanizmini tushuntirish uchun (29.10 ga qarang) va UV nurlanishining turli ta'sirini baholash uchun shifokor ushbu jarayonlarni tushunishi kerak (27.7 ga qarang).

Yorug'lik kvantini yutib (29.2-ga qarang) molekula hayajonlanadi. Qo'zg'alish energiyasi boshqa molekulalarga o'tkazilishi mumkin. Fotobiologik jarayon uchun bunday qo'zg'alish natijasida kimyoviy transformatsiya (fotokimyoviy reaktsiya) sodir bo'lishi juda muhimdir. Birlamchi fotokimyoviy aktdan so'ng reaksiyalar shunday rivojlanadiki, yorug'likning mavjudligi shart emas (qorong'i reaktsiyalar), oxir-oqibat ular biologik tizimning yorug'likka javob berishiga olib keladi.

Keling, ushbu jarayonning dastlabki bosqichlarini miqdoriy jihatdan ko'rib chiqaylik: yorug'likning yutilishi va birlamchi fotokimyoviy reaktsiya.

29.2 ga o'xshab biz foton molekulasining samarali yutilish kesimi tushunchasini kiritamiz s. Buger-Lambert-Beer qonunining kelib chiqishidan farqi kamida quyidagicha: birinchidan, faollashtirilgan molekulalar sonining kamayishini hisobga olamiz, chunki yorug'lik ta'siri ularning o'zgarishiga olib keladi; ikkinchidan, suyultirilgan eritmaning etarlicha yupqa qatlamini ko'rib chiqing, bu bizga yorug'lik intensivligini o'qishga imkon beradi. men 0 doimiy va butun eritmada bir xil.

Yorug'lik ta'sirida molekulalarning dn konsentratsiyasining elementar pasayishi quyidagilarga proportsionaldir:

Konsentratsiyalar n molekulalar;

Samarali yutilish kesimi s;

Nurlanish vaqti dt;

Vaqt birligida hujayra yuzining 1 m 2 maydonidan o'tadigan fotonlar soni (I 0):

Bu yerda I 0 t = D0- nurlanish dozasi va sph ch = s ch - fotokimyoviy o'zgarish uchun molekulaning ko'ndalang kesimi maydoni, fotonning molekula bilan bunday o'zaro ta'sir qilish ehtimoli bilan mutanosibdir, buning natijasida fotokimyoviy reaktsiya paydo bo'ladi. .

ph ch ni topish uchun ln (" 0 / n t) = bog'liqlik grafigini tuzing. f(D0) va toʻgʻri chiziqning qiyaligi boʻylab [qarang (29.24)] bu qiymatni aniqlang (29.19-rasm).

Fotokimyoda s ch (l) bog‘liqligi harakat spektri deyiladi. Bu munosabatni munosabatlar yordamida topish mumkin σ χ = chch. Gap shundaki, kvant

Eritmalardagi fotokimyoviy reaksiyalarning umumiy unumi ta'sir etuvchi yorug'likning to'lqin uzunligiga bog'liq emas. (φ χ = const). Jismoniy jihatdan bu shuni anglatadiki, qo'zg'alish energiyasi hv dan qat'i nazar, molekula qo'zg'aladi (28.9-ga qarang) va fotokimyoviy transformatsiyani boshlashi mumkin. Buni hisobga olsak, s ch (l) ta'sir spektri va yutilish spektri (29.2-ga qarang) - s (l) bog'liqligi - bir xil shaklga ega, deb xulosa qilishimiz mumkin, chunki ular faqat o'zgarmas omil ph ch bilan farqlanadi. Bunday

Bu xususiyat fotobiologik ta'sir spektrini turli biokimyoviy birikmalarning yutilish spektrlari bilan taqqoslash orqali yorug'lik va, xususan, ultrabinafsha nurlanishining ta'sir qilish mexanizmini aniqlashga imkon beradi.

Masalan, ultrabinafsha nurlanish ta'sirida bakterial o'lim egri chizig'i (fotobiologik ta'sir spektri) nuklein kislotalarning yutilish spektriga o'xshashligi aniqlandi. Bu bakteriyalarning nobud bo'lishi nuklein kislotalarning shikastlanishi bilan bog'liq degan xulosaga kelish uchun asos bo'ldi.

26.4 da ko'zning yorug'lik o'tkazuvchi qismining xususiyatlari ko'rib chiqildi. Yorug'likni ko'z bilan idrok etish fotobiologik jarayondir, shuning uchun bu erda yorug'likni idrok etuvchi apparatning ishlash mexanizmi ko'rib chiqiladi.

29.10. VISUAL QABUL QILIShNING BİOFIZIK ASOSLARI

Yorug'likka sezgir ko'rish hujayralari - tayoqchalar va konuslar yorug'lik hissi qo'zg'alishida turli rol o'ynaydi. Rodlar yorug'likka ko'proq sezgir, lekin ranglarni ajratmaydi. Konuslar ranglarni ajratib turadi; bundan tashqari, ob'ektning etarlicha yorqinligi bilan ular tasvir tafsilotlarini idrok etishga sezgir, shuning uchun ko'zning o'lchamlari retinada konuslarning joylashishiga bog'liq (26.4-ga qarang).

Rodlar alacakaranlık va akromatik ko'rish apparatlariga, konuslar esa kun va rangga tegishli.

Avval ko'zning yorug'lik va rangga sezgirligi haqidagi ba'zi umumiy savollarni ko'rib chiqing.

Ko'zning yorug'lik sezuvchanligi pol yorqinligining o'zaro ta'siri, ya'ni. berilgan ko'rish sharoitida vizual tuyg'u hosil qiluvchi minimal yorqinlik.

Ko'zning yorug'lik sezuvchanligi vizual tufayli keng doirada o'zgaradi moslashish- ko'zning turli yorqinliklarga moslashish qobiliyati. Moslashuv quyidagi yo'llar bilan amalga oshiriladi:

1) ko'z qorachig'ining diametrini 2 dan 8 mm gacha o'zgartirish orqali, bu yorug'lik oqimini 16 marta o'zgartiradi;

2) parchalanmagan fotosensitiv moddaning kontsentratsiyasining pasayishi;

3) koroidga joylashtirilgan va moslashish jarayonida shishasimon tana tomon harakatlana oladigan quyuq pigment bilan konus va tayoqlarni ekranlash;

4) ob'ektning yorqinligiga qarab, novda va konuslarning yorug'lik hissi qo'zg'alishida ishtirok etish darajasining o'zgarishi.

Moslashuv ko'zning 10 -7 dan 10 5 cd / m 2 gacha yorqinlik oralig'ida normal ishlashiga imkon beradi. Pastki chegara yoki to'liq qorong'i moslashuv bilan ko'zning yorug'lik sezuvchanligining mutlaq chegarasi soniyada yuzga yaqin fotonni tashkil qiladi. Ularning atigi 10% ga yaqini retinal tayoqchalardagi vizual pigment molekulalari tomonidan so'riladi, qolgan qismi shox pardadan aks etadi, ko'zning optik muhiti tomonidan so'riladi yoki ko'zning to'r pardasidan o'tib, hujayralarga so'riladi. pigment epiteliyasi. Retina ostidagi pigment epiteliysining mavjudligi ko'zning orqa devoridan yorug'likning aks etishi va tarqalishini sezilarli darajada kamaytiradi. Inson ko'zi to'lqin uzunligi taxminan 400 dan 760 nm gacha bo'lgan elektromagnit to'lqinlarga javob beradi. Ko'zning spektral sezgirligi bilan tavsiflanadi radiatsiya ko'rinishi:

Kunduzgi ko'rishning maksimal egri chizig'i atmosfera orqali o'tgan va Yer yuzasiga tushgan quyosh radiatsiyasining maksimal darajasiga to'g'ri keladi (27.4 ga qarang), bu inson ko'zini tashkil qilishning maqsadga muvofiqligini ko'rsatadi.

Rod yorug'likka sezgir tashqi segmentdan iborat (29.21-rasm). 1 va ichki segment 2, hujayraning ishlashini ta'minlaydigan yadro va mitoxondriyalarni o'z ichiga oladi. Tashqi segmentning ichida yupqa disklar mavjud 3 diametri taxminan 6 mkm. Har bir disk ikki qavatli membranadan iborat bo'lib, yassilangan lipozomaga o'xshaydi (13.1 ga qarang). Vizual pigment vizual disklarga o'rnatilgan.

ment - rodopsin. Bitta katakdagi disklar soni bir necha yuzta bilan o'lchanadi. Ichki segmentdan nerv tolasi bilan bog'lanish mavjud.

Rodopsin - molekulyar og'irligi taxminan 40 000 bo'lgan murakkab oqsil. Agar uning shakli sharsimon bo'lsa, molekulasining diametri 4 nm.

Rodopsin opsin oqsili va xromofor guruhi - retinaldan iborat.

Retinal, umuman olganda, bir nechta fazoviy izomerlarga ega bo'lishi mumkin, lekin faqat P-cisretinal opsin bilan bog'lanadi (29.22-rasm). Yorug'lik ta'sirida retinal rodopsindan ajraladi va doimiy trans izomerning eng barqaror konformatsiyasiga o'tadi.

Retinaning strukturasidagi o'zgarishlar natijasida rodopsin pozitsiyasining o'zgarishi bilan bog'liq disk membranasida o'zgarishlar yuz beradi. Rodopsin interdiskal gidrofil sirtdan membrananing ichki girofob fazasiga o'tadi.

Agar qorong'uda disk membranasi Na+, K+, Ca 2+ va boshqalarni o'tkazmasa, u holda yorug'lik natijasida rodopsinning konformatsion o'zgarishi membrana holatining o'zgarishiga olib keladi: ba'zi ionlar uchun o'tkazuvchanlik kuchayadi. . Bu jarayonlarda rodopsinning vazifasi shundaki, u yorug'lik ta'sirida disklarda ba'zi ionlar uchun teshiklarning paydo bo'lishiga yordam beradi va natriy ionlari uchun tashqi membranadagi kanallarni yopadi. Bu nerv impulsini keltirib chiqaradigan potentsiallarning paydo bo'lishiga olib keladi. Retinaning tayoqchalarining tashqi segmentlarining o'ziga xos xususiyati shundaki, zulmatda potentsial boshqa hujayralar potentsialidan farqli o'laroq, natriy xususiyatga ega (13.7 ga qarang). Yorug'lik ta'sirida rodopsin strukturasining o'zgarishi natijasida membranalarning natriy uchun o'tkazuvchanligi keskin kamayadi, boshqa ionlar uchun esa yo'q.

o'zgarmoqda. Bunday holda, kaliy uchun o'tkazuvchanlik birinchi o'rinda turadi, potentsial kaliy xarakteriga ega bo'ladi va uning qutbliligi o'zgaradi. Bu boshqa barcha ma'lum hujayralardan farqli o'laroq, novdalarning tashqi segmentlarining sitoplazmatik membranasida potentsialning ichida ortiqcha belgisi va tashqarisida minus belgisi bor.

Konusning pigmenti, shuningdek, rodopsin kabi P-sisretinalni ham o'z ichiga oladi, lekin pigmentning oqsil qismi boshqacha, shuning uchun konusning pigmentlari yodopsinlar deb ataladi.

Konusning alohida navlarining yutilish spektrlarini o'lchash har bir konusning ma'lum bir turdagi yodo-psinni o'z ichiga olishini ko'rsatdi. Odam konusning yodopsinlari 445, 535 va 570 nm da yutilish maksimaliga ega (29.23-rasm). Ushbu ma'lumot rangni ko'rishning uch komponentli nazariyasiga asoslanadi. Ba'zi genetik kasalliklarda yodopsin oqsillarining sintezi buziladi va ko'z qizil va yashil ranglarni ajrata olmaydi (rang ko'rligi).

Absorbsiya egri chizig'i

g-nurlanish elektromagnit to'lqinlarni o'z ichiga oladi, ularning to'lqin uzunligi atomlararo masofalardan ancha kichik, ya'ni. l< а, где а ~ 10 -8 см. Таким образом, нижний предел энергии γ-квантов получается Е = hν = hc/λ. = 12 кэВ.
Zaryadlangan zarralar singari, foton oqimi ham asosan elektromagnit o'zaro ta'sir tufayli materiya tomonidan so'riladi. Biroq, bu so'rilish mexanizmi asosan boshqacha. Buning ikkita sababi bor:
1) fotonlar mavjud emas elektr zaryadi va shuning uchun uzoq masofali Kulon kuchlari ta'sir qilmaydi. Shuning uchun, materiyadan o'tayotganda, fotonlar nisbatan kamdan-kam hollarda elektronlar va yadrolar bilan to'qnashadi, lekin boshqa tomondan, to'qnashuvda, qoida tariqasida, ular o'z yo'lidan keskin og'ishadi, ya'ni. nurdan deyarli tushib ketish;
2) fotonlarning tinch massasi nolga teng va shuning uchun yorug'lik tezligidan farqli tezlikka ega bo'lolmaydi. Va bu shuni anglatadiki, muhitda ular sekinlasha olmaydi. Ular asosan katta burchak ostida so'riladi yoki tarqaladi. Foton nuri moddadan o'tganda, muhit bilan o'zaro ta'sir qilish natijasida bu nurning intensivligi asta-sekin zaiflashadi. Keling, ushbu zaiflashuv sodir bo'ladigan qonunni topaylik, ya'ni. materiyadagi fotonlarning yutilish egri chizig'i.

Yassi nishon yuzasiga unga perpendikulyar J 0 sm -2 s -1 foton oqimi tushsin (3.1-rasm) va nishon qalinligi x (sm) shunchalik kichikki, faqat bitta o'zaro ta'sir sodir bo'ladi. Fotonlar dx materiya qatlamidan o'tganda ushbu oqimning dJ intensivligining o'zgarishi shu qatlam chuqurligidagi oqim J qiymatiga, qatlam qalinligi dx (sm), atomlar zichligi n (sm -) ga proportsionaldir. 3) va samarali fotonlarning o'zaro ta'sir kesimi s (sm 2):

Bu tenglamani yechish yutilish egri chizig'ini beradi

J x \u003d J 0 e -snx.

Odatda, ikkita tushuncha materiyadagi fotonlarning yutilishi bilan bog'liq.

1. Chiziqli yutilish koeffitsienti t = ns; [t] = sm -1 va J x = J0e -tx . Shunday qilib, t - foton oqimi e koeffitsienti bilan zaiflashgan moddaning santimetrdagi qalinligi.
2. Massani yutish koeffitsienti m = t/r = sn/r, bu erda r (g/sm) moddaning zichligi. m ning o'lchami quyidagicha olinadi: [m] = sm 2 /g. Bunday holda, foton oqimining o'zgarishi quyidagi shaklni oladi:

J x \u003d J 0 e -mxr,

bu erda xr (g / sm 2) - massa birliklarida o'lchanadigan moddaning qalinligi. Ma'nosi bir xil - bu g / sm 2 dagi moddaning bunday qalinligi, bunda oqim e marta zaiflashadi.

Yutish koeffitsienti fotonlarning materiyadan o'tishini to'liq tavsiflaydi. Bu muhitning xususiyatlariga va foton energiyasiga bog'liq. Agar yutilish har birining o'ziga xos yutilish koeffitsienti m i , t i ,... bo'lgan bir necha xil jarayonlar tufayli sodir bo'lsa, u holda umumiy yutilish koeffitsienti m = ∑m i va t = ∑t i bo'ladi.
Fotonlarning materiya tomonidan yutilishi asosan uchta jarayon tufayli sodir bo'ladi: fotoelektr effekti, Kompton effekti va yadroning Kulon maydonida elektron-pozitron juftlarini hosil qilish.

3.2 Fotoelektr effekti

Fotoelektrik effekt - fotonlar ta'sirida bog'langan holatda bo'lgan moddada bo'lgan elektronlarning chiqishi. Ichki va tashqi fotoelektr effektini farqlang.
Ichki fotoelektrik effekt - ta'siri ostida elektronlarning o'tishi elektromagnit nurlanish yarimo'tkazgich yoki dielektrik ichidagi bog'langan holatdan tashqariga chiqmasdan erkin holatda.
Tashqi fotoelektr effekti qattiq jismlarda, gazlarda, alohida atomlar va molekulalarda kuzatiladi - bu fotonlar yutilganda elektronlarning tashqariga chiqishi. Ushbu ma'ruzalarda faqat tashqi fotoelektr effekti haqida so'z boradi. Fotoelektrik effekt atomning fotonni yutib, elektron chiqarish jarayonidir. Bunday holda, tushayotgan foton atomda bog'langan elektron bilan o'zaro ta'sir qiladi va uning energiyasini unga o'tkazadi. Elektron Te kinetik energiyasini oladi va atomni tark etadi, atom esa hayajonlangan holatda qoladi. Shuning uchun fotoelektrik effekt har doim atomning xarakterli rentgen nurlanishi yoki Auger elektronlarining emissiyasi bilan birga keladi. Auger effekti bilan atomning qo'zg'alish energiyasi uning elektronlaridan biriga to'g'ridan-to'g'ri uzatiladi, bu esa atomni tark etadi. Fotoelektrik effektda energiya va impulsning saqlanish qonunlari quyidagicha ifodalanishi mumkin:

hn = T e + I i + T i, va

qayerda , − kinetik energiya orqaga qaytish yadrolari; I i - ionlanish energiyasi
atomning i-chi qavati; . Odatda hn >> I i + T i bo'lgani uchun fotoelektronlarning energiyasi T e ≈ hn bo'ladi va shuning uchun fotoelektronlarning energiya spektri monoxromatikga yaqin bo'ladi.
Energiya va impulsning saqlanish qonunlaridan kelib chiqadiki, fotoeffekt erkin elektronda sodir bo'lmaydi. Keling, buni "qarama-qarshilik bilan" isbotlaylik: deylik, bunday jarayon mumkin. Shunda saqlanish qonunlari shunday ko'rinishga ega bo'ladi

Bu yerdan 1 - b = √1 - b 2 tenglamani olamiz, uning ikkita ildizi b = 0 va b = 1. Ulardan birinchisi T e = hn = 0 ga mos keladi, ikkinchisi esa yo'q. jismoniy hissiyot noldan boshqa massaga ega bo'lgan zarralar uchun.
Bu dalil norelativistik holat uchun yanada aniqroq ko'rinadi: hn = m e v 2 /2 va hn/c = m e v. Tizimning yechimi v = 2c ifodasiga olib keladi, bu bo'lishi mumkin emas.
Shunday qilib, erkin elektron fotonni o'zlashtira olmaydi. Fotoelektr effekti uchun elektronning atom bilan bog'lanishi muhim bo'lib, unga foton impulsining bir qismi o'tkaziladi. Fotoelektrik effekt faqat bog'langan elektronda mumkin. Elektronning atom bilan bog'lanish energiyasi foton energiyasiga nisbatan qanchalik past bo'lsa, fotoelektr effekti shunchalik kam bo'ladi. Bu holat fotoelektr effektining barcha asosiy xususiyatlarini aniqlaydi:

A) foton energiyasi bilan kesmaning borishi - s f (hn) , b) fotoeffektning turli xildagi ehtimolliklari nisbati. elektron qobiqlar, c) kesmaning muhitning Z ga bog'liqligi.

3.2-rasm. Fotoeffektning samarali kesmasining foton energiyasiga bog'liqligi

a) 3.2-rasmda fotoeffektning samarali kesimining foton energiyasiga bog'liqligi ko'rsatilgan. Agar foton energiyasi atomdagi elektronlarning bog'lanish energiyasiga nisbatan katta bo'lsa, u holda foton energiyasining ortishi bilan fotoelektr effektining ph ko'ndalang kesimi tez kamayadi. Men uchun men<< hν < m e c 2 σ ф ~ (hν) -3.5 .
hn > m e c 2 s f ~ (hn) -1 bo'lganda.
hn kamayishi bilan, ya'ni. Elektron ulanishi I k / hn oshgani sayin, jarayonning ko'ndalang kesimi foton energiyasi I k energiyaga teng bo'lgunga qadar tez o'sib boradi. hn uchun< I k фотоэффект на K-оболочке атома станет невозможным, сечение фотоэффекта будет определяться только взаимодействием фотонов с электронами L, М и др. оболочек. Но эти электроны связаны с ядром слабее, чем
K-elektronlar. Shuning uchun, qachon teng energiya fotonlar, L-elektronlarga fotoelektr ta'sir qilish ehtimoli K-elektronlarga qaraganda ancha past. s f (hn) ga qarab kuzatiladi to'satdan sakrash. Keyin soat
hn< I k снова σ ф начинает расти с убыванием hν, так как возрастает относительная связность электрона L/hν, и т.д.
b) Kvant elektrodinamika usullari bilan olingan va tajriba orqali tasdiqlangan K-elektronlarga fotoelektr ta'sirining kesma formulalari:

Turli qobiqlarda fotoelektrik effektning ko'ndalang kesimlarining nisbati quyidagicha olinadi:

Shuning uchun fotoeffektning umumiy kesimini hisoblashda odatda quyidagi nisbat qo'llaniladi:

v) Xuddi shu formuladan s f ning muhitning Z ga kuchli bog’liqligini ko’rish mumkin: s f ~ Z . Bu tushunarli, chunki engil elementlarda elektronlar og'irlarga qaraganda yadroning Kulon kuchlari bilan zaifroq bog'langan. Og'ir moddalarda fotoelektr effekti mavjud asosiy sabab yumshoq fotonlarning yutilishi.
Fotoelektronlarning burchak taqsimoti differentsial kesma uchun formuladan hisoblash yo'li bilan olinadi. Bundan kelib chiqadiki, fotoelektronlar yo'nalishga nisbatan ~ cos 2 ph qonuniga muvofiq nosimmetrik tarzda taqsimlanadi. elektr vektor tushgan elektromagnit to'lqin. Bundan tashqari, burchak taqsimoti asosan fotoelektron energiyasiga bog'liq. Norelativistik holatda T e<< m е c 2 (β << 1) интенсивность фотоэлектронов максимальна в плоскости поляризации векторов и фотона, т.е. в плоскости, перпендикулярной направлению движения фотона. При больших энергиях Т е >m e c 2 fotoelektronlarning intensivligi maksimal bo'lgan burchak kamayadi va elektronlar energiyasi qanchalik katta bo'lsa, foton harakati yo'nalishiga nisbatan ularning ketish burchagi qanchalik kichik bo'lsa, burchak taqsimoti oldinga cho'ziladi.

3.3. Kompton effekti

Fotonlarning materiya bilan o'zaro ta'siri ularning yutilishsiz tarqalishiga olib kelishi mumkin. Tarqalish ikki xil bo'lishi mumkin: 1) to'lqin uzunligini o'zgartirmasdan (kogerent sochilish, Tomson, klassik) va 2) to'lqin uzunligini o'zgartirish bilan (kogerent, Kompton sochilishi).

1. Tomsonning tarqalishi hn bo'lsa sodir bo'ladi< I i (λ ~10 -8 см). В этом случае атом воспринимается фотоном "как единое целое", и фотон обменивается энергией и импульсом со всем атомом. Так как масса атома очень велика по сравнению с эквивалентной массой фотона hν/c , то отдача в этом случае практически отсутствует. Поэтому рассеяние фотонов происходит без изменения их энергии, т.е. когерентно.
Tarqalgan nurlanishning manbai atomning bog'langan elektronlari bo'lib, ular tushayotgan nurlanish ta'sirida rezonansli tebranishlarga kiradi va natijada bir xil chastotali fotonlarni chiqaradi. Tomsonning sochilish kesimi fotonning tarqalish burchagi 0 ga bog'liq:

s(th) = 0,5re 2 (l + cos 2 th),

bu yerda r e 2 = e 2 /m e c 2 = 2,8 10 -13 sm elektronning klassik radiusi. Barcha th ni integrallash orqali Tomsonning umumiy tarqalishi uchun kesmani olish mumkin. 1 elektron uchun hisoblangan Tomson sochilishining samarali kesimi quyidagilarga teng:

s T = (8/3)pr e 2 = 0,66 ombor,

bu yerda s T universal konstanta bo'lib, tushayotgan nurlanish chastotasiga bog'liq emas.

2. Komptonning tarqalishi hn >> I i bo‘lganda sodir bo‘ladi. Bunday holda, atomning barcha elektronlarini erkin deb hisoblash mumkin.

Komptonning tarqalishi fotonning elektron bilan elastik to'qnashuvi natijasida yuzaga keladi va foton o'z energiyasi va impulsining bir qismini elektronga o'tkazadi. Shuning uchun hodisaning energiya va burchak xarakteristikalari elastik ta'sir uchun energiya va impulsning saqlanish qonunlari bilan to'liq aniqlanadi (3.3-rasm):

hn = hn " + T e,

qayerda va teskari elektronning kinetik energiyasi va impulsi.

Ushbu tenglamalarning birgalikdagi yechimi sochilgan foton hn energiyalarini olish imkonini beradi. " va fotonning tarqalish burchagi th ga bog'liq bo'lgan orqa elektron Te:

Bu munosabatlardan bir qator muhim oqibatlar kelib chiqadi.

1. Birinchi munosabatdan Kompton sochilishida elektromagnit to‘lqin uzunligi qancha o‘zgarganligini topish oson (Kompton formulasi):

bu erda l 0 \u003d h / m e c \u003d 2.426 10 -10 sm elektronning Kompton to'lqin uzunligi. Kompton formulasidan kelib chiqadiki:

A) to'lqinning siljishi Dl to'lqin uzunligining kattaligiga bog'liq emas; b) faqat fotonning tarqalish burchagi th bilan aniqlanadigan Dl siljishi: th = 0 Dl = 0 da (ya'ni, tarqalish yo'q), th = p/2 Dl = l 0 va th = p, Dl = 2l a 0 (maksimum) da mumkin bo'lgan siljish orqaga tarqalish paytida sodir bo'ladi).

2. Monoenergetik g-kvantalar dastasining Kompton sochilishi natijasida olingan fotonlarning energiya spektri dan energiya oralig'ida uzluksiz bo'lib chiqadi.

th = p da hn max = hn da th = 0 da.

3. Monoenergetik g-kvantlarning Kompton sochilishi natijasida ortga qaytuvchi elektronlarning uzluksiz energiya spektri dan diapazonda olinadi.

T e min = 0 da th = 0 gacha th = p uchun.

4. Tarqalgan fotonning qochish burchaklari th va teskari elektron ph (3.3-rasm) orasidagi bog'lanishni bo'ylama va ko'ndalang komponentlar uchun yozilgan impulsning saqlanish qonunidan (birlamchi fotonning harakat yo'nalishiga nisbatan) topish mumkin. :

Ikkinchi tenglamani o'zgartiramiz:

Bu yerdan biz topamiz:

Olingan munosabatdan ko'rinib turibdiki, 0 ≤ th ≤ p oraliqda fotonning tarqalish burchagining o'zgarishi p/2 ≥ ph ≥ 0 oraliqda teskari elektronning emissiya burchagining o'zgarishiga mos keladi. birlamchi foton. .
Komptonning sochilishi uchun differentsial samarali kesma birinchi marta O. Klein va I tomonidan hisoblab chiqilgan. 1929-yilda Nishina, 1930-yilda esa I.E.Tamm bir xil formulani boshqa yo‘l bilan oldi. Klein-Nishina-Tamm formulasi quyidagi shaklga ega:

Bu erda ds K /dũ - qattiq burchak dŌ burchagiga th burchak ostida foton tarqalishining differentsial samarali ko'ndalang kesimi va r e - klassik elektron radiusi. hn qiymatlarini almashtirgandan so'ng " Kompton tarqalishining differensial kesimining faqat hn va th ga bog'liqligi olinadi va kesmaning th ga bog'liqligi ko'rinishi foton energiyasi bilan o'zgaradi. hn ning kichik qiymatlari uchun:
ds K /dũ ~ 1 + cos 2 th. hn ortishi bilan fotonlar soni ortib “oldinga” yoʻnalishda tarqaladi va birlamchi energiya hn ortishi bilan kichik burchaklarda tarqalish ehtimoli ortadi (3.4-rasm).
Umumiy kesma barcha th bo'yicha integrallashdan keyin topiladi:

bu yerda s T = (8p/3)r e 2 - Tomsonning sochilish kesimi va ƒ(hn/m e c 2)< 1 и возрастает с увеличением hν.
hn ning kichik qiymatlari uchun (I K<< hν/m e c 2 <<1), σ K ~ s T (1 - 2hn/m e c 2) → hn kamayishi bilan s T.

1 sm muhitda Zn elektronlar bo'lganligi sababli, moddada (Z, A, r) 1 sm yo'lda Komptonning sochilishining umumiy ehtimoli quyidagicha bo'ladi:

Shunday qilib, 1 sm yo'lda Komptonning tarqalish ehtimoli foton energiyasiga teskari proportsional va moddaning Z ga proportsionaldir (1 elektronga to'g'ri keladigan kesma moddaning Z ga bog'liq emas va har bir atom Z ni o'z ichiga oladi. elektronlar). 3.5-rasmda s K /s T ning foton energiyasiga nisbatan grafigi ko'rsatilgan. Bu rasmda bir xil birliklarda turli moddalardagi fotoelektr effektining kesma ko'rsatilgan. Bog'liqlarni taqqoslash shuni ko'rsatadiki, foton energiyasining ortishi bilan Kompton effekti ehtimoli fotoelektrik effektning ko'ndalang kesimlariga qaraganda ancha katta bo'ladi.

3.5-rasm. Komptonning tarqalishi (qattiq egri chiziq) va 1 elektron (C, Al, Cu va Pb uchun kesik chiziq) bo'yicha fotoelektrik effektning umumiy kesmalarining foton energiyasiga bog'liqligi.

Komptonning tarqalishi nafaqat elektronlarda, balki elektr zaryadiga ega bo'lgan boshqa zarralarda ham sodir bo'lishi mumkin. Biroq, bunday ta'sirning ehtimoli juda kichik. Masalan, atom yadrolarida Komptonning tarqalishi ahamiyatsiz, chunki yadrolar klassik elektromagnit radiusi Ze 2 /m i s 2 ning juda kichik qiymatiga ega.
Teskari Kompton effekti deb ataladigan yana bir hodisa mavjud. Bu fotonlarning relativistik elektronlar tomonidan elastik sochilishi paytida sodir bo'ladi. Bunda fotonlarning energiyasi va impulsi maqsadli elektronlarning energiyasi va impulsi hisobiga ortadi.

3.4. Elektron-pozitron juftlarining tug'ilishi

Etarlicha yuqori foton energiyasida (hn > 2m e c 2) juft hosil boʻlish jarayoni mumkin boʻladi, bunda yadro maydonida foton soʻriladi va elektron va pozitron tugʻiladi. QED bo'yicha hisoblash va tajriba shuni ko'rsatadiki, bu jarayon yadro ichida emas, balki uning yonida, Kompton to'lqin uzunligi l 0 = 2,4 10 -10 sm o'lchamga ega bo'lgan mintaqada sodir bo'ladi.. Chunki fotonning o'zaro ta'sir maydoni bilan. yadro elektron va pozitron hosil qiladi, keyin bu jarayon energiya chegarasiga ega, ya'ni. u hn > 2m e c 2 bo'lsa sodir bo'ladi. Energiya va impulsning saqlanish qonunlarini quyidagicha yozish mumkin:

hn = 2m e c 2 + T - + T + + T i,

Bu yerda b - va b + elektron va pozitronning nisbiy tezliklari, T - va T + ularning kinetik energiyalari, T i va p i - orqaga qaytish yadrosining energiyasi va impulsi.
Energiya va impulsning saqlanish qonunlariga asoslanib, vakuumda foton tomonidan elektron-pozitron juftligini hosil qilish mumkin emasligini ko'rsatish mumkin: energiya va impuls majburiy ravishda uchta zarracha o'rtasida taqsimlanishi kerak: elektron, pozitron va pozitron. , masalan, yadro. Agar juftlikning tug'ilishi vakuumda sodir bo'lishi mumkin deb faraz qilsak (T i = p i = 0), u holda saqlanish qonunlari quyidagi shaklni oladi:

hn = 2m e c 2 + T - + T + va

Ushbu tenglamalarning birinchisini quyidagi shaklda yozish mumkin:

va uning ikkinchi tenglamaga mos kelmasligi darhol ayon bo'ladi.
Maxsus holatda T − = T + = 0 bo‘lganda, qarama-qarshi tenglamalar tizimi olinadi: hn = 2m e c 2 va
hn/c = 0. Shunday qilib, saqlanish qonunlari bajarilishi uchun uchinchi zarra kerak bo'lib, uning sohasida juft hosil qilish jarayoni sodir bo'ladi va ortiqcha impuls oladi. Bunday zarracha nafaqat yadro, balki, masalan, elektron ham bo'lishi mumkin. Ammo agar yadro T i \u003d p i 2 / 2m i kichik qiymat bo'lsa, elektron juda katta orqaga qaytishga ega bo'ladi va orqaga qaytish elektroni juftlikning tarkibiy qismlari bilan bir xil tartibdagi energiyani olishi mumkin. Bunday holda, jarayonning chegarasi 2m e c 2 dan sezilarli darajada oshadi. Elektron maydonda juft hosil bo'lish uchun fotonning chegaraviy energiyasi 4m e c 2 =2,044 MeV.
Juft ishlab chiqarish kesimining g-nurlari energiyasiga bog'liqligining nazariy hisoblari ancha murakkab shaklga olib keladi. Biroq, energiya diapazoni uchun 5m e c 2< hν < 50m e c 2 эта зависимость может быть представлена в виде:

Foton energiyasida hn< 5m e c 2 и hν >50m e c 2 kesma sekinroq o'sadi. hn > 50m e c 2 uchun kesmaning o'sishi yadroning Kulon maydonini atom elektronlari tomonidan skrining bilan cheklanadi. Cheklovchi relyativistik holatda hn > 10 3 m e c 2 uchun kesma energiyaga bog'liq emas:

s P ~ 0,08 Z 2 r e 2 = 0,63 10 -26 Z 2 sm 2.

Kesmaning foton energiyasiga bog'liqligining umumiy xarakteri rasmda ko'rsatilgan. 3.6.

3.6-rasm.Juft ishlab chiqarish ko'ndalang kesimining foton energiyasiga bog'liqligi

Juft ishlab chiqarish jarayoni bremsstrahlung jarayoniga o'xshaydi. Shuning uchun, bu ikki jarayonni tavsiflovchi iboralar tuzilishi jihatidan juda o'xshash: to'liq skrining holatida, E energiyaga ega fotonning ehtimolligi. " = hn 1 sm yo‘lda oraliqda energiya E bo‘lgan elektron (E, E + dE) va energiya (E) bo‘lgan pozitron hosil qiladi. " − E) bo‘ladi:

Juft hosil bo'lish ehtimoli elektron E va pozitron E ning energiyasiga bog'liq emas " − E, va bu tushunarli, chunki ularning hosil bo'lish jarayonida foton yo'qoladi va juftlik komponentlari o'rtasida energiya taqsimoti teng darajada mumkin. w n ni bilib, topish mumkin to'liq ehtimollik 1 sm yo'lda juftlik shakllanishi:

Shunday qilib, to'liq skrining holatida, umumiy juft ishlab chiqarish kesimi foton energiyasiga bog'liq emas.

3.5. Fotonlarning materiya bilan o'zaro ta'sirining boshqa jarayonlari

1. Yadro fotoelektr effekti - g-kvantning yadro tomonidan yutilishi va nuklonning emissiyasi, ya'ni. (g,n)-reaksiya. Yadro fotoelektr effektining chegarasi -6-10 MeV ya'ni. yadrolardagi nuklonlarning bog'lanish energiyasining tartibi. Yadro fotoelektr effektining ko'ndalang kesimi s yf ~ Z va kattaligi bo'yicha ko'rib chiqilgan uchta effektning ko'ndalang kesimlaridan ancha kichikdir.

2. Agar fotonlarning energiyasi yadrolardagi nuklonlarning bog lanish energiyasidan ancha katta bo lsa, u holda yadrolarning fotoparchalanishi bir necha zarrachalar chiqishi bilan sodir bo lishi mumkin. Masalan, (g,2r), (g,n,2r) reaksiyalardir. Bunday jarayonning kesimi s i ~ 10 -26 sm.

3. Agar hn > 2m m s 2 bo'lsa, ya'ni. hn > 200 MeV, u holda yadro sohasida g-kvantlar e − e + -juftlar kabi m − m + -juftlar hosil qilishi mumkin.

4. Agar hn > m p s 2 bo‘lsa, ya’ni. hn >140 MeV, kesishishi ~10 -28 A sm 2 bo'lgan pionlarning fotogeneratsiyasi sodir bo'lishi mumkin.

Shunday qilib, barcha sanab o'tilgan jarayonlar tufayli g-kvantlarning yutilishi s P ga nisbatan ahamiyatsiz darajada kichikdir.

3.6. Fotonlarning materiya bilan o'zaro ta'siri uchun umumiy kesma

Moddadan o'tayotganda foton oqimining zaiflashishi asosan uchta jarayon bilan belgilanadi: fotoelektr effekti, Kompton effekti va atom yadrolarining Kulon maydonida juftlik hosil bo'lishi. Natijada, J = J0 e -snx formulasida o kesma bu jarayonlarning bo'limlari yig'indisidir:
s = s f + s K + s P va chiziqli va massa yutilish koeffitsientlari mos ravishda:
t = sn = t f + t K + t P va m = sn/r = m f + m K + m P. Terminlarning har biri foton energiyasiga va moddaning xossalariga har xil bog‘liq, shuning uchun alohida jismning nisbiy roli. atamalar juda farq qilishi mumkin. Shunday qilib, alyuminiyda (3.7-rasm) 50 keV foton energiyasining keng diapazonida< hν <15 МэВ преобладает комптон-эффект, а при hν >15 MeV - juft ishlab chiqarish. Qo'rg'oshinda esa 0,5 MeV energiyagacha fotoeffekt (3.7-rasm) dominant bo'lib, hn >5 MeV uchun juft hosil qilish jarayoni asosiy rol o'ynaydi.

3.7-rasm. Fotonlarning massa yutilish koeffitsientining alyuminiy, mis va qo'rg'oshindagi energiyasiga bog'liqligi

Xulosa qilib aytganda, muhim holatni ta'kidlash kerak: fotonlarning materiya bilan o'zaro ta'sirining barcha uch turi tez elektronlarning paydo bo'lishiga olib keladi.

3.7. Materiyada pozitron annigilyatsiyasi

“Yoʻq boʻlish” soʻzi “yoʻq boʻlish”, “yoʻq boʻlib ketish” maʼnolarini bildiradi. Bu zarracha va uning antizarrasi elektromagnit nurlanish (fotonlar) yoki boshqa elementar zarrachalarga (leptonlar, kvarklar) aylanadigan jarayondir. Bu g-kvantlar tomonidan juft hosil bo'lishiga qarama-qarshi jarayondir. Ikkala jarayon ham oddiygina o'zaro o'zgarishlardir.
Ushbu o'zaro o'zgarishlar asosiy saqlanish qonunlari bilan boshqariladi: energiyaning saqlanish qonuni, impuls, burchak momenti, elektr zaryadi va boshqalar.
Zarrachalarni yaratish va yo'q qilish jarayonlari nazariy jihatdan 1931 yilda P.A. Dirac. Ular u yaratgan elektron nazariyasiga amal qilishdi. Diracga ko'ra, birlashtiring kvant mexanikasi(O'sha vaqtga qadar tajriba bilan tasdiqlangan) nisbiylik nazariyasi bilan faqat ijobiy energiyaga ega elektronning holati bilan bir qatorda, biz manfiy energiyaga ega elektronning holatini (yoki ijobiy energiyaga ega musbat "elektron" ni kiritsakgina mumkin bo'ladi. ).
1932 yilda K.D. Anderson magnit maydonga joylashtirilgan bulut kamerasi yordamida kosmik nurlarning tarkibini o'rganib, pozitronning mavjudligiga eksperimental dalillarni qo'lga kiritdi ( Nobel mukofoti, 1936). Zarracha izining egrilik belgisiga ko'ra, zarrachaning ijobiy ekanligi va egrilikning o'zgarishi (u qo'rg'oshin 6 mm dan o'tgandan keyin) va yo'ldagi donlarning zichligi bo'yicha massa va impulslar aniqlandi. zarracha aniqlandi. 1933 yilda Frederik va Iren Jolio-Kyuri birinchi marta gamma kvant tomonidan hosil bo'lgan elektron va pozitron izlari bo'lgan bulut kamerasining fotosuratini olishdi va o'sha yili F. Joliot-Kyuri birinchi marta elektron va pozitronlarning annigilyatsiyasini kuzatdi. ikkita fotonga aylanadi.
Pozitron annigilyatsiyasi qanday sodir bo'ladi? Materiyada bir marta tez pozitronlar elektronlar kabi harakat qiladilar, ya'ni. T e > e da ular radiatsiya qarshiligini boshdan kechiradilar, T e da< ε − ионизационные потери и, как правило, почти полностью теряют свою скорость. В дальнейшем начинается их диффузия в веществе до встречи со свободными или связанными в атомах электронами и последующая аннигиляция позитронов. Перед аннигиляцией обе частицы (электрон и позитрон) чаще всего находятся в состоянии, когда их моменты количества движения равны нулю (S-состояние). Keyingi taqdir ularning ichki impuls momentlarining (spinlarning) o'zaro yo'nalishiga va elektronning erkin yoki bog'langan holatiga bog'liq.
Elektron va pozitron uchrashganda, umumiy energiya, shu jumladan dam olish energiyasi deyarli butunlay elektromagnit nurlanish energiyasiga aylanadi (juftlarning tug'ilishiga qarama-qarshi jarayon) va qisman ba'zi uchinchi jismga, masalan, yadroga o'tkaziladi. Agar atomning bir qismi bo'lgan elektronda pozitron annigilyatsiyasi sodir bo'lsa, unda bitta foton hosil bo'lishi bilan annigilyatsiya qilish mumkin, chunki hosil bo'lgan fotonning impulsi atom yoki yadroning orqaga qaytishi bilan qoplanadi va impulsning saqlanish qonuni bajariladi. Bu holat uchun energiya va impulsning saqlanish qonunlarini quyidagicha yozish mumkin: + = ∑ t /c.

Issiqlik tezligigacha sekinlashtirilgan pozitron erkin elektron bilan, masalan, metalldagi o'tkazuvchan elektronlardan biri yoki atomning tashqi elektronlaridan biri bilan yo'q bo'lishi mumkin. Agar elektron va pozitron annigilyatsiyadan oldin tinch holatda bo'lgan deb faraz qilsak, saqlanish qonunlari quyidagi shaklni oladi:

2m e c 2 = ∑ t va 0 = ∑ t /c,

ya'ni Erkin elektronda yo'q bo'lib ketish, agar kamida ikkita foton bir vaqtning o'zida qarama-qarshi yo'nalishda chiqarilgan bo'lsa, mumkin. bilan zarralarni ham yo'q qilish beri katta ehtimol bilan S-holatida bo'lsa, u holda annigilyatsiya natijasi zarrachalarning ichki impulsining o'zaro yo'nalishiga bog'liq bo'ladi, ya'ni. ularning aylanishlari.
Agar elektron va pozitronning spinlari qarama-qarshi yo'nalishda yo'naltirilgan bo'lsa (+1/2ћ va -1/2ћ) va demak, ularning umumiy spini nolga teng bo'lsa, u holda annigilyatsiya natijasida (saqlanish qonuniga muvofiq) zaryad pariteti), faqat spinli fotonlarning juft soni , shuningdek, qarama-qarshi yo'nalishda yo'naltirilgan, chunki har bir fotonning spini l ga teng. Yo'q bo'lish ehtimoli w ~ a n bo'lgani uchun, bu erda n - fotonlar soni, ikkita fotonning tug'ilish ehtimoli katta (w ~ a 2) - deb ataladigan ikki fotonli yo'q qilish , kamroq ehtimol - to'rtta foton (w ~ a 4) va boshqalar.
Elektron va pozitron momentlari nolga yaqin bo'lgani uchun umumiy impuls sistemaning qiymati ham nolga teng va shuning uchun annigilyatsiya jarayonida hosil bo'lgan fotonlar qarama-qarshi yo'nalishda uchadi va ularning har biri tizim energiyasining yarmini oladi, ya'ni. 0,511 MeV ga teng.
Agar elektron va pozitronning spinlari parallel bo'lsa, ularning umumiy spini 1 ga teng. Bunday holda, toq sonli fotonlar hosil bo'lishi mumkin, ehtimol - uchta, chunki impulsning saqlanish qonuni buzilganligi sababli bitta foton paydo bo'lishi mumkin emas. Uch fotonni yo'q qilish ehtimoli ~ a 3 , ya'ni. ikki fotonlidan ancha kichikroq (1/137 marta). O'rtacha uch foton annigilyatsiyasi (0,2 - 0,3)% hollarda sodir bo'ladi.
Agar yo'q qilish "uchishda" sodir bo'lsa, ya'ni. pozitron hali tezlikni yo'qotmagan bo'lsa, fotonlar burchak ostida tarqaladi va fotonning kengayish burchagi ularning tezligiga bog'liq. Yo'q qiluvchi pozitronlarning yuqori energiyalarida hosil bo'lgan fotonlar pozitronning harakat yo'nalishiga nisbatan asosan "oldinga" va "orqaga" chiqariladi. Oldinga uchayotgan foton pozitron energiyasining katta qismini olib ketadi. Orqaga uchayotgan fotonning ulushi minimal energiyaga ega, ya'ni 0,511 MeV. Shuning uchun tez pozitronlar materiyadan o'tganda bir yo'nalishda uchadigan gamma nurlari dastasi hosil bo'ladi, bu esa yuqori energiyali fotonlarning monoxromatik nurlarini olish uchun ishlatiladi.
Pozitron barqaror zarrachadir, vakuumda u cheksiz mavjud, ammo materiyada pozitron juda tez yo'q qilinadi. Pozitronning annigilyatsiya jarayoniga nisbatan oʻrtacha umri qattiq moddalar bolta t ~ 10 -10 s, havoda esa normal sharoitda t ~ 10 -5 s.
Ba'zan annigilyatsiya elektron va pozitronning bog'langan holatini hosil qilish orqali oraliq bosqichdan o'tadi, bu deyiladi. pozitroniy . Pozitron va elektronning spinlari antiparallel bo'lgan pozitroniy (parapositroniy) umr bo'yi ikki gamma kvantga o'tadi.
t ~ 1,25 10 -10 s. Parallel zarracha spinli pozitroniy (ortopozitroniy) t ~ 1,4·10 -7 s umr bo'lgan uchta gamma kvant hosil qiladi.
Xozirgi vaqtda xossalarini o`rganishda pozitron annigilyatsiyasi hodisasidan keng foydalanilmoqda elementar zarralar. Tezlashtiruvchi kameraning vakuumidagi pozitronlar va elektronlarning to'qnashuvchi nurlarida annigilyatsiya jarayoni sodir bo'ladi, bunda aniq belgilangan energiya chiqariladi. Nuqtalarning o'zaro ta'siri va uning energiyasi haqidagi bilimlar kvarklarning mavjudligini isbotlash va ularning massasini aniqlash uchun ishlatiladi.

3-bob uchun savollar va topshiriqlar

1. Qalinligi 2,9 sm bo'lgan alyuminiy plastinkadan o'tuvchi monoxromatik foton nurlari 2,6 marta zaiflashadi. t, m va s ni aniqlang.

Hozirgacha neytrino fotonga juda o'xshash edi. Foton kabi, neytrino zaryadsiz, massasi yo'q va doimo yorug'lik tezligida harakat qiladi. Ikkala zarrachada ham spin bor. Foton spini +1 yoki -1, neytrino spini esa +1/2 yoki -1/2 (farq juda muhim emas). Shunga qaramay, ular o'rtasida qiziqarli va hatto hayratlanarli farq bor, uni quyidagi fikrlar tushunishga yordam beradi.

Keling, vaqtga teskari bo'lgan ikkita hodisani kuzataylik. To'pni ushlab turgan odam uni, aytaylik, janubga tashlasin. Agar to'p odamga yaqinlashsa, ichkariga kiradi teskari yo'nalish, odam qo'lini ko'taradi va uni ushlaydi. Birinchi holda, voqealar ketma-ketligi quyidagicha edi: 1) odam to'pni ushlab turibdi, 2) odam to'pni tashlamoqda, 3) to'p janubga uchmoqda. Vaqtni teskari harakatda turli xil voqealar ketma-ketligi bor edi: 1) to'p shimolga uchadi, 2) odam to'pni ushlab oladi, 3) odam to'pni ushlab turadi. Bularning barchasi birinchi navbatda bir yo'nalishda, keyin esa teskari yo'nalishda aylantirilgan filmni juda eslatadi.

Keling, bu tamoyilni subatom dunyosiga o'tkazishga harakat qilaylik.Agar atomdagi elektron qo'zg'aluvchan holatdan kamroq qo'zg'aluvchan holatga o'tsa, u ko'rinadigan yorug'lik fotoni chiqaradi, uning to'lqin uzunligi ikki qo'zg'aluvchan holat orasidagi energiya farqiga bog'liq. atomdan. Xuddi shu atom aynan bir xil to‘lqin uzunligiga ega bo‘lgan fotonni o‘zlashtirib olishi yoki “ushlashi” mumkin, bu holda elektron kamroq qo‘zg‘aluvchan holatdan ko‘proq qo‘zg‘aluvchan holatga o‘tadi. Har bir turdagi atom ma'lum to'lqin uzunlikdagi fotonlarni chiqaradi (uning qo'zg'atilgan holatlarining energiyasiga qarab) va to'g'ri sharoitda aynan bir xil to'lqin uzunlikdagi fotonlarni yutadi.

Shunga qaramay, to'g'ridan-to'g'ri va vaqtga teskari hodisa o'rtasidagi farq faqat yo'nalish va ketma-ketlikning o'zgarishi emas. To'pni ushlab olish uni tashlashdan ko'ra qiyinroq. To'pni tashlash orqali siz ko'chmas ob'ektni harakatga keltirasiz va hamma narsa faqat sizga bog'liq. Vaqtingiz bilan siz to'pni yaxshiroq qabul qilishingiz, ehtiyotkorlik bilan nishonga olishingiz va h.k. To'pni ushlaganingizda, harakatlanuvchi narsa bilan shug'ullanishingiz kerak va esnashga vaqtingiz yo'q. To'p yaqinlashganda, uni tezda qo'lga olish kerak, chunki to'p soniyaning bir qismiga yaqin joyda qoladi. O'sha soniyada siz qo'lingizni to'p yo'nalishi bo'yicha to'liq cho'zish va uni to'xtatish uchun vaqtingiz bo'lishi kerak. Agar o'tkazib yuborsangiz, to'p o'tib ketadi.

Xuddi shu narsa foton chiqaradigan atom bilan sodir bo'ladi. Bunday atom o'rtacha 10 -8 ga yaqin vaqt ichida foton chiqaradi sek. Binobarin, atom, ta'bir joiz bo'lsa, o'z vaqtini boshqaradi va o'ziga qulay bo'lganda foton chiqaradi.

Xuddi shu fotonni yutish uchun atomga 10 -8 kerak bo'ladi sek, bu hodisalarning qaytarilishining tabiiy natijasidir. Ammo atom ko'p muammosiz fotonni o'zlashtira olmaydi. Foton yorug'lik tezligida harakat qiladi va butun 10 -8 vaqt oralig'ida atom yaqinida qolmaydi sek. Bunday vaqt oralig'ida yorug'lik fotoni o'rtacha 300 ta uchadi sm. Ba'zi fotonlar uzoqroq masofani bosib o'tishlari mumkin, boshqalari esa kamroq. Atomlarning fotonlarni ushlashi odatda nima uchun juda qiyinligi aniq: axir, atomning o'lchami bu masofadan ancha kichikroq! (Shunga o'xshab, basketbolchilar juda tez ketadigan to'plarni ushlashda qiynaladilar.) Biroq, tasodifan, atom fotonni ushlashi va yutishi mumkin.

Yuqorida aytilganlarning barchasi fotonning ichki o'lchamlari yo'qligini taxmin qiladi; aslida juda katta bo'lsa ham. Ko'rinadigan yorug'likning odatiy fotoni to'lqin uzunligi taxminan 1/20 000 ga teng sm. Bu uzunlikda mingga yaqin atom bir qatorga to'g'ri keladi. Ko'rinadigan yorug'lik fotonni diametri atomning diametridan ming marta, hajmi esa atomning hajmidan 1 000 000 000 marta katta bo'lgan bir turdagi sfera deb hisoblash mumkin. Har qanday vaqtda yorug'lik fotoni milliardga yaqin atomlar bilan aloqa qiladi, ulardan biri uni ushlaydi va so'radi.

Shuning uchun fotonning yutilishdan oldin moddaga kirish chuqurligi 300 ga teng emas. sm, va milliard marta kamroq, ya'ni 3 10 -7 sm.

Bu masofada bir qatorga 10-15 dan ortiq atom sig'maydi. Bu yorug'lik fotoni yutilish momentidan oldin moddaga 10-15 atom qatlamidan chuqurroq kirib borishini anglatadi. Qalinligi 10-15 atomli oddiy tarozida oddiygina arzimas narsa, shuning uchun ko'pchilik qattiq jismlar, hatto yupqa plyonkalar ko'rinishida ham, yorug'lik uchun noaniqdir (garchi oltin folga shunchalik nozik bo'lishi mumkinki, shaffof bo'ladi).

Yorug'likning to'lqin uzunligi qanchalik qisqa bo'lsa, foton shunchalik kichik bo'lsa, har qanday vaqtda u bilan aloqa qiladigan atomlar kamroq bo'ladi va shuning uchun u so'rilishidan oldin materiya bo'ylab uzoqroq harakat qiladi. Aynan shuning uchun ultrabinafsha nurlar inson terisiga qaraganda chuqurroq kirib boradi ko'rinadigan yorug'lik; rentgen nurlari orqali erkin o'tish yumshoq to'qimalar jismlar va faqat suyaklarning zichroq moddasi tomonidan to'xtatiladi; a?-nurlari zich moddalarga ko'p santimetr kirib boradi. (Albatta, ko'rinadigan yorug'lik shisha yoki kvarts kabi moddalarda ancha masofani bosib o'tadi, aksariyat suyuqliklarni hisobga olmaganda, lekin bularning barchasi alohida fikrlardir.)

Keling, yuqorida aytilganlarning barchasini neytrinolar va antineytrinolarga nisbatan ishlatishga harakat qilaylik. Proton, elektron va antineytrino hosil bo'lishiga olib keladigan neytron parchalanish reaktsiyasini yana bir bor yozamiz:

P> p++ e -+ "?.

Faraz qilaylik, mos sharoitlarda teskari jarayon mumkin, bunda proton elektron va antineytrinoni tutib, neytronga aylanadi. Keyin fikr-mulohaza quyidagicha ko'rinadi:

p++ e -+ "? > P.

Tabiiyki, proton bir vaqtning o'zida elektron va antineytrinoni ushlashi kerak, bu esa ehtimollikni sezilarli darajada kamaytiradi. muvaffaqiyatli yakunlash jarayon. (Bu basketbolchidan bir qo'li bilan bir vaqtning o'zida ikkita to'pni ushlab, unga turli yo'nalishlardan uchib tushishini so'rashga tengdir.)

Vazifani soddalashtirish uchun biz chaqiruv tartibini o'zgartiramiz. Elektronni yutuvchi har qanday jarayon pozitron hosil qiluvchi jarayon bilan almashtirilishi mumkin. (Algebrada ham shunga o‘xshash qoida mavjud: -1 ni ayirish +1 qo‘shish bilan bir xildir.) Boshqacha qilib aytganda, proton bir vaqtning o‘zida elektron va antineytrinoni yutish o‘rniga, antineytrinoni yutib, pozitron chiqarishi mumkin:

p++ "? > n + "e+.

Reaksiyaning bu varianti bilan saqlanish qonunlari qondiriladi. Proton neytronga (ikkalasi ham +1 barion soniga ega) va antineytrino pozitronga (ikkalasi ham -1 lepton soniga ega) almashtirilganligi sababli, barion va lepton sonining saqlanish qonunlari amal qiladi.

Antineytrinoning proton tomonidan yutilish ehtimolini hisobga olish kerak. Neytronlarning yarimparchalanish davri 12,8 ga teng min, Garchi individual neytronlar parchalanishi uchun 12,8 dan ko'proq yoki kamroq kerak bo'lsa-da min. Binobarin, antineytrino proton tomonidan tutilib, pozitron chiqarilganda neytron hosil bo'lishi uchun o'rtacha 12,8 min. Boshqacha qilib aytganda, antineytrino proton tomonidan o'rtacha 12,8 ga so'riladi min.

Ammo neytrinolar yorug'lik tezligida va 12,8 da harakatlanadi min 2,3 10 8 masofani bosib o‘tadi km(ya'ni, Quyoshdan Marsgacha bo'lgan masofaga taxminan teng bo'lgan yo'l). Antineytrino qattiq moddada so‘rilishidan oldin shunchalik katta masofani bosib o‘tishi mumkinligiga ishonish qiyin, hatto uning hajmi foton hajmiga teng deb faraz qilsak ham. Ammo aslida antineytrinolar atomdan ancha kichikdir.

Haqiqatda esa vaziyat ancha murakkabroq.Fotonlarda yutilish atom hajmining katta qismini egallagan elektronlar hisobiga sodir bo`ladi, qattiq moddada esa atomlar bir-biriga mahkam tutashadi. Antineytrinolar ichida joylashgan protonlar tomonidan so'riladi atom yadrolari atomning kichik qismini egallagan. Qattiq jismdan uchib o'tuvchi antineytrino juda kamdan-kam hollarda mayda yadro bilan to'qnashadi. Antineytrino atom ichida bo'lgan vaqtning atigi yuz milliondan birida u protonga shunchalik yaqinki, ikkinchisi uni tuta oladi. Shuning uchun antineytrino proton tomonidan ushlanib qolishning ma'lum bir imkoniyatiga ega bo'lishi uchun u qattiq moddada 230 000 000 dan yuz million marta uzunroq yo'l bosib o'tishi kerak. km. Aniqlanishicha, antineytrino so‘rilishidan oldin qo‘rg‘oshin ichida o‘rtacha 3500 yorug‘lik yili masofani bosib o‘tishi kerak.

Tabiiyki, koinotning hech bir joyida qalinligi 3500 yorug‘lik yili bo‘lgan qo‘rg‘oshin qatlami yo‘q. Koinot kosmosda juda kam tarqalgan alohida yulduzlardan iborat va har qanday yulduzning diametri milliondan biridan kamroq. yorug'lik yili. Ko'pgina yulduzlar qo'rg'oshinga qaraganda zichroq materiyadan iborat. Nisbatan kichik yulduz yadrosining o'ta zich moddasi bundan mustasno. (Koinotda o'ta zich yulduzlar ham bor, lekin ular juda kichik - yo'q ko'proq sayyoralar.) Ammo yulduzlarning o'ta zich qismlari ham antineytrinolarni to'xtata olmaydi. Koinot bo'ylab istalgan yo'nalishda uchib yurgan antineytrinolar juda kamdan-kam hollarda yulduzdan, hatto kamdan-kam hollarda uning o'ta zich yadrosidan o'tadi. Antineytrino o'tadigan, ko'rinadigan koinotning bir chetidan ikkinchi chetiga uchib o'tadigan yulduz materiyasining umumiy qalinligi bir yorug'lik yilidan ancha kam.

Bu erda antineytrinolar haqida aytilganlarning barchasi, albatta, neytrinolarga tegishli va shuning uchun neytrinolar va antineytrinolar deyarli so'rilmaydi, deb bahslashish mumkin. Ba'zi bir subatomik jarayonda paydo bo'lgandan so'ng, ular abadiy harakat qiladilar va atrofdagi hamma narsadan hech qanday o'zgarish va ta'sirga duchor bo'lmaydilar. Vaqti-vaqti bilan ular so'riladi, ammo so'rilgan neytrinolar soni allaqachon mavjud va yangi paydo bo'lganlarning ko'pligi bilan solishtirganda ahamiyatsiz. Zamonaviy bilimlar bizga ishonch bilan aytishga imkon beradiki, koinot hayoti davomida paydo bo'lgan deyarli barcha neytrinolar va antineytrinolar hozirgi kungacha mavjud.

Yuqoridagi xulosa unchalik yaxshi yangilik emas edi. Fizik neytrinolar va antineytrinolarning mavjudligi zarurligini saqlanish qonunlaridan qanchalik xulosa qilmasin, u to'g'ridan-to'g'ri kuzatish orqali haqiqatan ham mayda zarrachalarni kashf etgandagina chinakam baxtli bo'ladi. Ammo ularning mavjudligini ko'rsatish uchun u birinchi navbatda kamida bitta zarrani ushlashi kerak, ya'ni bu o'zaro ta'sirning natijasi aniqlanishi uchun uni boshqa zarracha bilan o'zaro ta'sir qilishi kerak. Va neytrinolar yoki antineytrinolarni ushlashning iloji bo'lmagani uchun, ularning mavjudligi haqiqatiga jiddiy shubha bor edi!

Natijada, fizik o'zining uch asr davomida shakllangan koinot tuzilishi haqidagi tushunchasini oddiy narsa sifatida qabul qilinishi kerak bo'lgan narsaning mavjudligini ta'kidlab, saqlab qoldi. U o'z nazariyalari asosida neytrinolarning mavjudligini isbotladi va neytrinolarning mavjudligini isbotlash orqali o'z nazariyalarini saqlab qoldi. Ma'lum bo'ldi " ayovsiz doira". Shubha va noaniqlik sabablari saqlanib qoldi. Iloji bo'lsa, neytrinolar yoki antineytrinolarni aniqlashning qandaydir usullarini ishlab chiqish juda muhim edi.

Tutib bo'lmaydigan neytrinoning deyarli o'tib bo'lmaydigan zirhidagi buzilish "o'rtacha" so'zi bilan teshilgan edi. Antineytrino so‘rilishidan oldin o‘rtacha 3500 yorug‘lik yili qalinlikdagi qattiq qo‘rg‘oshin qatlamidan o‘tadi, dedim. Lekin bu faqat o'rtacha. Ba'zi antineytrinolar qisqaroq, boshqalari esa uzoqroq yo'lni egallashi mumkin va faqat bir nechtasi juda kichik yoki juda so'rilishga boradi. uzoq masofa. Shuning uchun laboratoriyada yaratish oson bo'lgan moddaning shunday qalinligida (aytaylik, bir necha metr) so'rilgan antineytrinolarning cheksiz kichik qismiga e'tibor qaratish kerak. O'z ichiga uchun bu cheksiz foiz uchun Ko'proq antineytrino, bu zarralarning juda kuchli manbai bo'lishi kerak. Antineytrinolarning bunday kuchli manbai yadro reaktori. Reaktorda hosil bo'lgan ortiqcha neytronlar ertami-kechmi protonlar, elektronlar va antineytrinolarga aylanadi. Reaktor to'liq quvvat bilan ishlaganda, juda ko'p miqdordagi antineytrinolar doimiy ravishda ishlab chiqariladi. 1953 yilda guruh Amerikalik fiziklar Clyde Cowan va Frederik Reines boshchiligida antineytrinolarni ro'yxatga olish bo'yicha tajribalar boshlandi. Ular zarracha manbai sifatida Janubiy Karolina shtatining Savanna daryosidagi yadro reaktoridan foydalanganlar. Bu reaktor har soniyada taxminan 10 18 antineytrino chiqaradi.

Guruch. 7. Antineytrinoni aniqlash.

Bunday son-sanoqsiz antineytrinolar uchun protonlarga boy nishon yaratish kerak edi. Eng oddiy tabiiy maqsad suvdir. Har bir suv molekulasi ikkita vodorod atomidan iborat bo'lib, ularning yadrolari proton va kislorod atomidir. Cowan va Reines beshta suv idishidan foydalangan 1.9 m va kengligi 1,4 m. Tanklarning qalinligi boshqacha edi (7-rasm). 7,6 balandlikdagi ikkita nozik tank sm nishon sifatida ishlatilgan. Yana uchta tank balandligi 60 sm detektor sifatida xizmat qilgan. Tanklar quyidagi tartibda joylashtirildi: detektor - nishon - detektor - nishon - detektor. Maqsadli tanklardagi suvda oz miqdorda erigan kadmiy xlorid bor edi. Detektor tanklarida ssintilator eritmasi bo'lgan, u subatomik zarrachani qisqa yorug'lik portlashi shaklida yutganda olingan energiyaning bir qismini chiqaradigan moddadir. Tanklarning bunday "er-xotin sendvichi" reaktordan antineytrino oqimi yo'lida joylashgan edi. Faqat kutishgina qoldi. Agar antineytrinolar haqiqatan ham mavjud bo'lsa, har 20 daqiqada (o'rtacha) ulardan biri proton tomonidan so'rilishi kerak. Ammo tanklar sayyoralararo kosmosdan doimiy kosmik nurlanishga duchor bo'lgan, havoda oz miqdordagi radioaktiv moddalar chiqaradigan zarralar tomonidan bombardimon qilingan. qurilish materiallari, tuproq. Butun qiyinchilik suv havzalarida sodir bo'lgan voqealar fonida antineytrinolarning so'rilishini ajratib ko'rsatish edi.

Avvaliga kiruvchi subatomik "shovqin" antineytrinoning so'rilishini aniqlashga to'sqinlik qildi. Asta-sekin, keraksiz nurlanish va zarralardan xalos bo'lish uchun ko'proq va samarali himoya yaratildi. Albatta, hech qanday ekranlash, metall yoki betonning qalinligi antineytrinolarni to'xtata olmadi va oxir-oqibat "shovqin" protonlar tomonidan tasodifan qo'lga kiritilgan juda kam uchraydigan antineytrinolarning zaif "shivirlashi" bilan yashirilmaydigan darajaga tushdi. Ammo bu pichirlash hali aniqlanmagan edi.

Antineytrino proton tomonidan so'rilsa, neytron va pozitron hosil bo'ladi - ajratish oson bo'lgan zarralar birikmasi. Maqsadli tanklardan birida pozitron hosil bo'lishi bilan u elektron bilan soniyaning milliondan biridan kamroq vaqt ichida o'zaro ta'sir qiladi va ikkita foton hosil bo'ladi, ularning har biri 0,51 energiyaga ega. MeV. Impulsning saqlanish qonuniga ko'ra, ikkita foton mutlaqo qarama-qarshi yo'nalishda tarqalishi kerak: agar ulardan biri nishon tankidan yuqori detektor tankiga kirsa, ikkinchisi pastki detektor tankiga tushishi kerak. Har bir aniqlash tankida yorug'lik chirog'i paydo bo'ladi. Ushbu chaqnashlar darhol suv idishlari atrofida joylashgan yuz yoki undan ortiq fotoko'paytirgichlar tomonidan avtomatik ravishda ro'yxatga olinadi.

Ammo neytron bilan nima sodir bo'ladi? Odatda u suv molekulalari orasida aylanib yuradi (ular juda kamdan-kam hollarda neytronni o'zlashtiradi), ular bilan to'qnashib, o'rtacha 12,8 dan keyin o'z-o'zidan parchalanadi. min paydo bo'lganidan keyin. Biroq, bu qadar uzoq kutishning ma'nosi yo'q, chunki parchalanish bir necha daqiqa oldin yoki keyinroq sodir bo'lishi mumkin. Bu erda maqsadli tankdagi kadmiy xlorid yordamga keladi. Neytron kadmiy atomi bilan to'qnashguncha aylanib yuradi va shu nuqtada u deyarli bir zumda so'riladi. Bu pozitron yo'q bo'lganidan keyin soniyaning bir necha milliondan bir qismi ichida sodir bo'ladi - bu davr juda qisqa va shu bilan birga ikkita hodisani o'z vaqtida ajratish uchun etarli: pozitronning yo'q qilinishi va neytronning yutilishi. Neytron kadmiy atomi tomonidan so'rilsa, energiya chiqariladi, u darhol umumiy energiyasi 9 bo'lgan uch yoki to'rtta foton shaklida chiqariladi. Mev.

Shunday qilib, Kouen va Reyns quyidagi rasmni kuzatdilar: birinchidan, energiya 0,5 bo'lgan ikkita foton mev Har biri suv idishlarining qarama-qarshi tomonlarida ikkita fotoko'paytirgich tomonidan qayd etilgan, so'ngra soniyaning bir necha milliondan bir qismidan so'ng bir vaqtning o'zida 3 energiyaga ega uchta foton hosil bo'ladi. mev har biri (ba'zan 2,25 energiyaga ega to'rtta foton). mev har biri). Boshqa hech qanday subatomik o'zaro ta'sir voqealarning bunday ketma-ketligiga olib kelmagan. Va agar voqealarning aynan shunday yo'nalishi qayd etilgan bo'lsa, proton antineytrinoni o'zlashtiradi degan xulosaga kelish o'rinli edi, shuning uchun antineytrino haqiqatan ham mavjud.

Ammo keyin tajribachilarning ehtiyotkor ongida yana bir fikr paydo bo'ldi. Ammo bunday hodisalar ketma-ketligi bitta atom osti o'zaro ta'siridan emas, balki ikkitadan kelib chiqsa-chi?

Aytaylik, qandaydir tarzda pozitron yaratildi va soniyaning milliondan bir necha qismidan so'ng kadmiy atomi pozitrondan mustaqil ravishda mavjud bo'lgan neytronni o'ziga singdirdi. Bunday holda, ikkita, keyin esa uchta fotonning paydo bo'lishi bitta o'zaro ta'sirning (proton bilan antineytrino) emas, balki ikkita mutlaqo bog'liq bo'lmagan o'zaro ta'sirning natijasi bo'ladi. Cowan va Reines qanday o'zaro ta'sirni kuzatdilar?

Tajribachilar muammoni avval ishlayotgan reaktor, keyin esa o‘chirilgan holda o‘lchash orqali hal qilishdi. Agar reaktor o'chirilgan bo'lsa, shovqin tanklarga ta'sir qiladi va ularni antineytrinolar oqimi bilan bombardimon qilish to'xtaydi. (Aslida, atrofdagi kosmosda doimo antineytrinolar mavjud, lekin ularning soni ishlaydigan reaktor yaqinidagi antineytrinolar sonidan ancha kam.) Shuning uchun reaktor o'chirilganda, qo'shaloq tasodiflar qayd etilishi va yutilish davom etardi. antineytrinolar to'xtaydi.

Ma'lum bo'lishicha, reaktor o'chirilganida kuniga 70 ta hodisa reaktor yoqilganidan kamroq qayd etilgan. Bu shuni anglatadiki, kuniga 70 ta antineytrino so'riladi va qayd etiladi (har yigirma daqiqada bitta). Tajriba natijalarini shubhasiz dalil deb hisoblash mumkin edi va 1956 yilda Pauli birinchi marta antineytrinolar mavjudligini bashorat qilganidan keyin yigirma besh yil o'tgach, bunday zarra nihoyat ro'yxatga olingani haqida xabar berilgan. Ushbu hodisa odatda "neytrinoni aniqlash" deb ataladi, garchi antineytrino aniqlangan. Biroq, ular antineytrinoni "tutgandan" keyin fiziklar neytrinolarning mavjudligi shubhasizdir, deb hisoblashadi.

Fotonni yutish

Hozirgacha neytrino fotonga juda o'xshash edi. Foton kabi, neytrino zaryadsiz, massasi yo'q va doimo yorug'lik tezligida harakat qiladi. Ikkala zarrachada ham spin bor. Foton spini +1 yoki -1, neytrino spini esa +1/2 yoki -1/2 (farq juda muhim emas). Shunga qaramay, ular o'rtasida qiziqarli va hatto hayratlanarli farq bor, uni quyidagi fikrlar tushunishga yordam beradi.

Keling, vaqtga teskari bo'lgan ikkita hodisani kuzataylik. To'pni ushlab turgan odam uni, aytaylik, janubga tashlasin. Agar to'p odamga yaqinlashsa, qarama-qarshi yo'nalishda harakatlansa, odam qo'lini ko'taradi va uni ushlaydi. Birinchi holda, voqealar ketma-ketligi quyidagicha edi: 1) odam to'pni ushlab turibdi, 2) odam to'pni tashlamoqda, 3) to'p janubga uchmoqda. Vaqtni teskari harakatda turli xil voqealar ketma-ketligi bor edi: 1) to'p shimolga uchadi, 2) odam to'pni ushlab oladi, 3) odam to'pni ushlab turadi. Bularning barchasi birinchi navbatda bir yo'nalishda, keyin esa teskari yo'nalishda aylantirilgan filmni juda eslatadi.

Keling, bu tamoyilni subatom dunyosiga o'tkazishga harakat qilaylik.Agar atomdagi elektron qo'zg'aluvchan holatdan kamroq qo'zg'aluvchan holatga o'tsa, u ko'rinadigan yorug'lik fotoni chiqaradi, uning to'lqin uzunligi ikki qo'zg'aluvchan holat orasidagi energiya farqiga bog'liq. atomdan. Xuddi shu atom aynan bir xil to‘lqin uzunligiga ega bo‘lgan fotonni o‘zlashtirib olishi yoki “ushlashi” mumkin, bu holda elektron kamroq qo‘zg‘aluvchan holatdan ko‘proq qo‘zg‘aluvchan holatga o‘tadi. Har bir turdagi atom ma'lum to'lqin uzunlikdagi fotonlarni chiqaradi (uning qo'zg'atilgan holatlarining energiyasiga qarab) va to'g'ri sharoitda aynan bir xil to'lqin uzunlikdagi fotonlarni yutadi.

Shunga qaramay, to'g'ridan-to'g'ri va vaqtga teskari hodisa o'rtasidagi farq faqat yo'nalish va ketma-ketlikning o'zgarishi emas. To'pni ushlab olish uni tashlashdan ko'ra qiyinroq. To'pni tashlash orqali siz ko'chmas ob'ektni harakatga keltirasiz va hamma narsa faqat sizga bog'liq. Vaqtingiz bilan siz to'pni yaxshiroq qabul qilishingiz, ehtiyotkorlik bilan nishonga olishingiz va h.k. To'pni ushlaganingizda, harakatlanuvchi narsa bilan shug'ullanishingiz kerak va esnashga vaqtingiz yo'q. To'p yaqinlashganda, uni tezda qo'lga olish kerak, chunki to'p soniyaning bir qismiga yaqin joyda qoladi. O'sha soniyada siz qo'lingizni to'p yo'nalishi bo'yicha to'liq cho'zish va uni to'xtatish uchun vaqtingiz bo'lishi kerak. Agar o'tkazib yuborsangiz, to'p o'tib ketadi.

Xuddi shu narsa foton chiqaradigan atom bilan sodir bo'ladi. Bunday atom o'rtacha 10 -8 ga yaqin vaqt ichida foton chiqaradi sek. Binobarin, atom, ta'bir joiz bo'lsa, o'z vaqtini boshqaradi va o'ziga qulay bo'lganda foton chiqaradi.

Xuddi shu fotonni yutish uchun atomga 10 -8 kerak bo'ladi sek, bu hodisalarning qaytarilishining tabiiy natijasidir. Ammo atom ko'p muammosiz fotonni o'zlashtira olmaydi. Foton yorug'lik tezligida harakat qiladi va butun 10 -8 vaqt oralig'ida atom yaqinida qolmaydi sek. Bunday vaqt oralig'ida yorug'lik fotoni o'rtacha 300 ta uchadi sm. Ba'zi fotonlar uzoqroq masofani bosib o'tishlari mumkin, boshqalari esa kamroq. Atomlarning fotonlarni ushlashi odatda nima uchun juda qiyinligi aniq: axir, atomning o'lchami bu masofadan ancha kichikroq! (Shunga o'xshab, basketbolchilar juda tez ketadigan to'plarni ushlashda qiynaladilar.) Biroq, tasodifan, atom fotonni ushlashi va yutishi mumkin.

Yuqorida aytilganlarning barchasi fotonning ichki o'lchamlari yo'qligini taxmin qiladi; aslida juda katta bo'lsa ham. Ko'rinadigan yorug'likning odatiy fotoni to'lqin uzunligi taxminan 1/20 000 ga teng sm. Bu uzunlikda mingga yaqin atom bir qatorga to'g'ri keladi. Ko'rinadigan yorug'lik fotonni diametri atomning diametridan ming marta, hajmi esa atomning hajmidan 1 000 000 000 marta katta bo'lgan bir turdagi sfera deb hisoblash mumkin. Har qanday vaqtda yorug'lik fotoni milliardga yaqin atomlar bilan aloqa qiladi, ulardan biri uni ushlaydi va so'radi.

Shuning uchun fotonning yutilishdan oldin moddaga kirish chuqurligi 300 ga teng emas. sm, va milliard marta kamroq, ya'ni 3 10 -7 sm.

Bu masofada bir qatorga 10-15 dan ortiq atom sig'maydi. Bu yorug'lik fotoni yutilish momentidan oldin moddaga 10-15 atom qatlamidan chuqurroq kirib borishini anglatadi. Qalinligi 10-15 atomli oddiy tarozida oddiygina arzimas narsa, shuning uchun ko'pchilik qattiq jismlar, hatto yupqa plyonkalar ko'rinishida ham, yorug'lik uchun noaniqdir (garchi oltin folga shunchalik nozik bo'lishi mumkinki, shaffof bo'ladi).

Yorug'likning to'lqin uzunligi qanchalik qisqa bo'lsa, foton shunchalik kichik bo'lsa, har qanday vaqtda u bilan aloqa qiladigan atomlar kamroq bo'ladi va shuning uchun u so'rilishidan oldin materiya bo'ylab uzoqroq harakat qiladi. Aynan shuning uchun ultrabinafsha nurlar inson terisiga ko'rinadigan yorug'likdan ko'ra chuqurroq kirib boradi; rentgen nurlari tananing yumshoq to'qimalari orqali erkin o'tadi va faqat zichroq suyak moddasi tomonidan to'xtatiladi; a?-nurlari zich moddalarga ko'p santimetr kirib boradi. (Albatta, ko'rinadigan yorug'lik shisha yoki kvarts kabi moddalarda ancha masofani bosib o'tadi, aksariyat suyuqliklarni hisobga olmaganda, lekin bularning barchasi alohida fikrlardir.)