В.Н. Марков

Важное место в истории развития физической науки и соответственно в содержании обучения физике на любом образовательном уровне занимают эксперименты, которые сыграли решающую роль в утверждении той или иной физической теории. Например, такими верификационными экспериментами в квантово-релятивистской физике стали теперь уже классические опыты Комптона по упругому рассеянию рентгеновского излучения на электронах, непосредственно подтвердившие квантовые и релятивистские соотношения Планка и Эйнштейна для энергии и импульса микрообъектов. По своей простоте и наглядности подобные «демонстрационные» опыты в обучении выполняют своеобразную роль опорных точек понятийной системы, позволяющих объективировать в сознании учащихся определенные физические принципы, отражающие некоторые свойства физической реальности.

В этой статье излагается суть уникальных физических экспериментов, которые были проведены в институте им. Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция) в 2005 году [1] по прямой проверке фундаментального релятивистского соотношения, связывающего инертную массу и энергию материального объекта:

. (1)

Эксперименты такого рода являются тем «краеугольным камнем», на котором может строиться изучение релятивистской физики в средней школе В настоящее время под релятивистской физикой понимают область физических явлений, в которой кинетическая энергия релятивистских частиц при их распространении в физическом вакууме оказывается сравнимой с их собственной энергией [2]. Эту область современной физики часто просто называют физикой высоких энергий.. Ранее нами предлагалось [3, 4] положить в основу методической модели изучения релятивизма (особенно на первоначальном этапе обучения) эмпирический базис физики высоких энергий с последующим его теоретическим обобщением и выводом всех определяющих положений релятивистской физики. Ее теоретическим ядром являются экспериментально верифицируемые фундаментальные динамические соотношения Эйнштейна

(2)

в которых - полная энергия релятивистской частицы, - ее импульс, - инвариантная масса этой частицы, - скорость относительного движения частицы по отношению к некоторой фиксированной инерциальной системе отсчета. Из этих соотношений непосредственно вытекает основное тождество релятивистской динамики:

(3)

и соответственно принцип эквивалентности массы и энергии, выражаемый соотношением (1). Последнее соотношение и было подвергнуто прямой экспериментальной проверке в рассматриваемых опытах.

Эти эксперименты проводились с использованием радиоактивных изотопов и , которые образовывались из стабильных изотопов и путем их обстрела нейтронами с последующим захватом последних. Дальнейшее обсуждение проведем на примере изотопов кремния.

Начальный этап ядерных превращений в этих экспериментах заключался в осуществлении реакции

. (4)

Причем кинематическо-динамические параметры нейтрона, участвующего в реакции (4), подбираются так, чтобы в результате этой реакции образовался изотоп в возбужденном состоянии и после этого мог протекать процесс его перехода в основное состояние с испусканием жесткого ядерного -кванта:

. (5)

Энергия ядерных -квантов, которые образуются в реакции (5), составляет сотни килоэлектронвольт, что по энергетическому эквиваленту сравнимо с инертной массой электрона. Выбор изотопов кремния (и серы) в обсуждаемых экспериментах продиктован тем, что их промежуточные метастабильные состояния обладают достаточно большим временем жизни, что позволяет проводить длительные спектрометрические измерения энергии вылетающих -квантов. Эксперименты проводились в несколько этапов. Сначала осуществлялась реакция (4) с последующим сепарированием изотопов . После этого атомы изотопа ионизировались, ускорялись до определенной скорости и направлялись в ловушку Пеннинга.

Ловушка Пеннинга представляет собой цилиндрическую вакуумную камеру, которая помещается между полюсами мощного электромагнита, создающего в камере конфигурацию магнитного поля, называемую «магнитной бутылкой». Если в такую камеру влетает электрически заряженная частица, то она захватывается магнитным полем такой специфической конфигурации и удерживается в «магнитной бутылке» достаточно длительное время. Все это время захваченная частица вращается около оси симметрии удерживающего ее магнитного поля с угловой скоростью

, (6)

где - электрический заряд влетевшей частицы, - ее инертная масса, - индукция магнитного поля. Величину называют ларморовской частотой прецессии электрически заряженной частицы в магнитном поле.

Поскольку в ловушке Пеннинга захваченная частица движется по круговой орбите с угловой частотой , то по законам классической электродинамики она в этом случае будет излучать электромагнитные волны (так называемое синхротронное излучение) с характеристической частотой

.

Измерив эту частоту и индукцию , а также зная заряд , можно определить инертную массу частицы, которая кружится в ловушке Пеннинга

. (6а)

В Гренобольском эксперименте с помощью прецизионной радиофизической спектрометрии с высокой степенью точности измерялась характеристическая частота синхротронного излучения, возникающего в рассматриваемой физической ситуации. Кроме того, сверхчувствительными магнетометрами (базирующимися на использовании сверхпроводящих квантовых интерферометров - сквидов) была измерена с беспрецедентно высокой точностью индукция магнитного поля в ловушке. Высокоточная экспериментальная техника позволила измерить массы и изотопов кремния в возбужденном и основном состояниях с точностью порядка и определить (с такой же степенью точности) изменение инертной массы этой системы нейтрон ядерный синхротронный

, (7)

обусловленное выбросом ядра кремния вовне жесткого ядерного фотона.

Энергия вылетающих -квантов измерялась с использованием техники и методики дифракционных экспериментов, когда поток фотонов рассеивается на кристаллической структуре с заранее известной постоянной такой дифракционной решетки. В эксперименте оценивался фактор

, (8)

где - измеренное изменение инертной массы изучаемой системы, - энергия ядерных фотонов, излучаемых этой системой. Использованная в [1] экспериментальная техника и методология позволила показать, что в проведенном эксперименте величина не превышала уровень .

Таким образом, прямыми экспериментальными измерениями соотношение (1) подтверждается с высокой степенью точности. Следует заметить, что другими экспериментальными фактами физики высоких энергий [2] непосредственно подтверждаются и соотношения (2), (3). Исторически первыми в этом ряду стоят эксперименты Комптона.

Безусловно, современная физика для обыденного неподготовленного человеческого сознания представляет сложную научно-теоретическую концепцию. Чтобы понизить уровень познавательной сложности и одновременно повысить онтологическую содержательность системы изучаемых явлений, изучение релятивистской физики в школе следует начинать не с абстрактных определений, а с выявления и концептуального осмысления определяющих экспериментальных фактов релятивистской физики с целью дальнейшего, доступного учащимся, их теоретического обобщения.

Литература

1. Simon Rainville, James K. Thompson, Edmund G. Myers, John M. Brown, Maynard S. Dewey, Ernest G. Kessler, Richard D. Deslattes, Hans G. Borner, Michael Jentschel. World Year of Physics: A direct test of // Nature, 438, р. 1096-1097, 2005; Прямая проверка эквивалентности массы и энергии // УФН. - 2006. - Т. 176. - № 2.

2. Пилькун Х. Физика релятивистских частиц. - М.: Наука, 1981.

3. Марков В.Н., Пухов Н.М. Новые методические идеи изучения основ квантовой и релятивистской физики // Наука и школа. - 2006. - № 4.

4. Марков В.Н., Пухов Н.М. Современная физика: Концептуальные и методические основы изучения. - М., 2007.

Размещено на Allbest.ru