Лучи Рентгена (X-лучи)

Лучи Рентгена (X-лучи)

В физике ценность идеи, вроде идеи виртуальных частиц, состоит в том, что она объясняет вещи более или менее обычным языком, и ее можно представлять себе лежащей в основе других вещей, допускающих проверку. Если кто-то предложит лучшую идею для объяснения тех же самых или большего числа вещей, то идея виртуальных частиц будет отброшена. Но сегодня частицы «правят бал» (хотя им бросает вызов теория суперструн[38]).

Например, виртуальные частицы можно использовать для представления того, как образуются X-лучи. Такое название им дал открывший их в 1895 г. В.К. Рентген, поскольку в то время никто не знал, что они собой представляют. Лучи Рентгена – это потоки электромагнитного излучения (с более короткой длиной волны, чем у ультрафиолетового излучения), образующиеся при бомбардировке атомов частицами высокой энергии. При такой бомбардировке все атомы порождают свой собственный рентгеновский спектр. Рентгеновские лучи могут проходить через многие виды материи, и используются в медицине и промышленности для исследования внутренней структуры.

Лучи Рентгена составляют часть спектра электромагнитного излучения (от 0.005 до 5 нанометров, см. диаграмму в примечании 3). Эти лучи образуются, когда металлическую пластинку, состоящую из тяжелых атомов, подвергают бомбардировке электронами в вакуумной трубке. Они представляют собой форму энергии, которая излучается возбужденными электронными оболочками атомов. Рентгеновские лучи могут проникать сквозь твердые вещества; они воздействуют на фотопластинки и флуоресцентные экраны.

Виртуальные частицы помогают представлять себе рентгеновские лучи. Если электрон из электронной оболочки атома с окружающими его виртуальными частицами получает удар другой заряженной частицы, этот удар выбивает некоторые из его виртуальных частиц (рис. 34.3).

Согласно объяснению X-лучей с помощью виртуальных частиц, когда виртуальные частицы, окружающие электрон оболочки атома подвергаются бомбардировке, они приобретают небольшую часть энергии бомбардировки и становятся, так сказать, сверхвозбужденными. В результате сверхвозбужденные частицы улетают в виде X-лучей. Хотя сами виртуальные частицы не поддаются измерению, X-лучи можно измерять. Объяснение состоит в том, что когда низкоэнергетические виртуальные частицы получают много энергии, они могут проявляться или материализоваться в повседневной реальности.

Таким образом, согласно этому объяснению, если направлять поток электронов на тяжелый металл, некоторые из виртуальных фотонов, существующих вблизи атомов металла, возбуждаются энергией, полученной при соударении, и «вытряхиваются» из металла в форме X-лучей.

Рис. 34.3. Объяснение рентгеновских лучей с помощью частиц обмена

В прошлом X-лучи наблюдали, но понимали просто как энергию, возникающую из атомов тяжелых металлов. Виртуальные частицы дают своего рода механизм этого «возникновения энергии», объясняя X-лучи в терминах относящегося к ОР понятия частиц. Удар возбуждает заряд, и в результате этого столкновения виртуальные частицы заряда возбуждаются и появляются в виде X-лучей, или микроволн.

Возможно, вам любопытно, какая разница между получением X-лучей и атомной бомбой. Разница состоит в том, что для получения X-лучей вам не нужно расщеплять на части ядро атомов; никакой измеримой потери массы не происходит. Вы просто возбуждаете электроны, окружающие атом, и энергия, которую они приобретают от бомбардировки, снова излучается в виде рентгеновских лучей. В бомбе происходит макроскопическая потеря массы, которая преобразуется в мощную вспышку излучения. Поток рентгеновских лучей обладает лишь той же энергией, что и поток электронов, направляемый на металл. Излучаемая энергия определяется количеством энергии, вкладываемым в бомбардировку электронами.

Нам следует помнить, что теория виртуальных частиц была, прежде всего, попыткой дать квантово-электродинамическую картину электрического поля. В этой картине поле, окружающее электрон, становится облаком виртуальных частиц, которые постоянно излучает и поглощает этот электрон. То, что было полем, действующим на расстоянии, теперь рассматривается как облако виртуальных частиц, способных и готовых совершать всевозможные столкновения и соударения, – обмены, не поддающиеся измерению, если только соударение не увеличивает их энергию настолько, что они становятся видимыми. До такого соударения, они не обладают достаточной энергией, чтобы быть чем-то, кроме быстрых неизмеримых флуктуаций.

Рис. 34.4. Образ частицы, окруженной ее виртуальными частицами

Подобно X-лучам, свет от огня или электрической лампочки тоже можно «объяснять» как виртуальные частицы, набирающие энергию, которые высвобождаются в виде электромагнитного излучения.

В физике идея виртуальных частиц обмена получила широкое распространение для «объяснения» всех силовых полей. Ядерные силы, удерживающие протоны в ядрах атомов, объясняются взаимодействием частиц обмена, именуемых мезонами. Есть много других частиц обмена, например «глюоны», которые взаимодействуют с «кварками» – материалом, образующим нейтроны и протоны. Возможно, есть даже «гравитоны», которые предлагают альтернативное объяснение поля тяготения (вместо эффекта искривленного пространства-времени). Хотя гравитоны пока не открыты, название уже существует, показывая, насколько сильна концепция частиц[39].

Данный текст является ознакомительным фрагментом.