Виктор де Касто - PRO Антиматерию
Если раньше у Блэкетта получалась одна успешная фотография из двадцати, то теперь результат показывали четыре из пяти! Первые фотографии этим методом были сделаны в июне 1932 года, а к концу осени у исследователей набралось уже около тысячи снимков. Они обратили внимание на то, что ряд следов, которые на первый взгляд казались электронами, на самом деле отклонялись не в ту сторону в магнитном поле. Блэкетт обсудил этот вопрос с Дираком.
Дирак не только не воскликнул «Эврика!», но даже и «Позитрон!», хотя это было доказательством его теории. Но этого не произошло. Почему-то Блэкетт с Дираком не смогли сделать должный вывод. Возможно, это объясняется осторожностью Дирака (или Блэкетт не смог оценить глубину теории Дирака, или просто не воспринимал ее достаточно серьезно). Но как бы это ни объяснялось, Блэкетт с Дираком расстались, и ни один из них не осознал до конца истины, которая была у них перед глазами. Как незадолго до них Скобельцын упустил Нобелевскую премию, так и Блэкетт с Оккиалини не заметили, какое открытие совершили. И только услышав об открытии Карла Андерсона, они наконец поняли, что обнаружили.
Карл Дэвид Андерсон (1905–1991) – американский физик-экспериментатор, открывший позитрон и удостоенный за это Нобелевской премии по физике (1936). Разделил премию с Виктором Гессом, открывшим космические лучи и доказавшим их внеземное происхождение
Но, к счастью, они могли предложить больше, чем Скобельцын и Андерсон в своих неточных и неустойчивых экспериментах. На многих фотографиях было видно до двадцати следов, оставленных частицами, которые выходили из какой-то точки на медной пластине, расположенной сразу же над камерой, словно вода из душа. Сильное магнитное поле во всей камере отклоняло треки, показывая, что примерно половина частиц заряжены отрицательно, а остальные – положительно. Блэкетт и Оккиалини поняли, что позитроны не появляются на Земле естественным образом. Появление равных количеств позитронов и электронов должно происходить потому, что они производятся некоей невидимой космической радиацией с большим количеством энергии. То есть позитроны формируются в результате столкновений космических лучей и атомов в камере Вильсона.
Камера, с которой работали ученые, имела стеклянные стенки в медной обшивке, и ливни были результатом ударов космических лучей о металл. Таким образом, одного электрона в космическом луче достаточно для получения каскада электронов и позитронов. Сильные электрические поля внутри атомов меди заставляли проходящие электроны излучать гамма-лучи и обеспечивали достаточное количество энергии этим гамма-лучам. Они в свою очередь обеспечивали пары электронов и позитронов. Уравнение Альберта Эйнштейна E = mc2 подразумевает, что энергию (Е) можно превратить в массу (m) – радиацию в материю – а Блэкетт с Оккиалини впервые продемонстрировали создание материи и антиматерии из радиации. Они доказали, что новая частица Андерсона не является каким-то странным внеземным пришельцем, вторгающимся на чужую территорию.
Ироничным в этой драме является то, что Блэкетт с Оккиалини чуть не опередили Андерсона, а ведь вся слава могла достаться им. Андерсону было трудно убедить своего учителя Милликена в том, что он обнаружил положительную версию электрона, а не просто видел протоны. Работа Блэкетта и Оккиалини доказала, не оставив никаких сомнений, что это так, и Милликен с неохотой согласился с правотой Андерсона. А последний оказался достаточно смелым, чтобы опубликовать результаты своей работы в 1932 году несмотря на скептицизм Милликена. И его декабрьская публикация опередила появление работы Блэкетта и Оккиалини в феврале 1933 года. Поэтому первооткрывателем позитрона и считается Карл Андерсон.
Позитроны на Земле
После того как Поль Дирак указал путь, а новость об открытиях Андерсона, Блэкетта и Оккиалини быстро распространились в научном мире, позитроны стали появляться тут и там. Физики просматривали старые фотографии, сделанные в камерах Вильсона, и находили доказательства существования позитронов, которые раньше упускали. Многие, если бы обладали достаточной смелостью, смогли бы вписать свои имена в анналы истории и науки вместо Андерсона. Среди тех, кто упустил позитрон, можно назвать Ирен Жолио-Кюри, дочь Марии Кюри, и ее мужа Фредерика Жолио. Фредерик Жолио уже упустил одну Нобелевскую премию, хотя первым получил нейтроны в январе 1932 года и ошибочно принял их за гамма-лучи. Теперь они поняли, что также упустили и позитрон. Андерсон получил Нобелевскую премию за свое открытие в 1936 году. Однако в дальнейшем Кюри и Жолио повезло, и они удостоились Нобелевской премии по химии в 1935 году за получение недолговечных радиоактивных ядер. Одним из применений их работы является производство ядер, которые спонтанно эмитируют позитроны.
Естественную радиоактивность солей урана открыл Антуан Анри Беккерель (1852–1908) в 1896 году и получил Нобелевскую премию совместно с родителями Ирен Жолио-Кюри. Он обнаружил, что ядра атомов урана могут спонтанно меняться. Сегодня мы знаем: это происходит из-за того, что нейтрон в ядре превращается в протон, а электрический заряд в целом уравновешивается эмиссией отрицательно заряженного электрона. После открытия позитрона было естественным предположить, что может произойти ядерный распад, при котором протон превращается в нейтрон, а электрический заряд забирает позитрон.
Появилась идея о том, что радиоактивность может давать позитроны с такой же легкостью, как и электроны. Главная практическая разница между ними заключается в том, что происходит потом. Электрон после выбрасывания может двигаться как электрический ток или присоединиться к танцу планетарных электронов в соседних атомах, что инициирует химические реакции и бесконечные другие приключения в будущем Вселенной. В отличие от него позитрон – чужой на нашей Земле, он недолго живет в этом мире. Он оказывается окруженным материей, в которой содержится множество отрицательно заряженных электронов. И один из этих электронов мгновенно встает в пару с позитроном в космическом роковом танце. В течение микросекунды происходит аннигиляция – то есть взаимное уничтожение. Именно это в последние годы стало ключом практического использования позитронов.
Позитронная эмиссия является естественной и обычной. Способность определенных видов ядер эмитировать позитроны стала очень полезна для медицины и техники. В качестве примеров можно назвать углерод-11, азот-13 и кислород-15, которые являются радиоактивными формами обычных элементов в теле и могут быть использованы вместе с позитронной эмиссией для отслеживания таких функций тела, как, например, работа головного мозга. Базовый принцип состоит в том, что, когда ядро испускает позитрон, а последний аннигилируется вместе с ближайшим электроном, два гамма-луча могут выйти практически «спина к спине». Эту пару можно обнаружить с использованием электронной схемы, разработанной в физике частиц, что позволяет очень точно обнаруживать эмитирующее ядро.
А теперь о применении. Когда вы думаете, различные участки вашего головного мозга активны в разной степени. Если участок активен, то он использует энергию, которая подается в головной мозг, как химические сахара в кровоток. Если мы сможем измерить концентрацию сахара в головном мозге, то это будет свидетельством активности мозга. Химики могут соединить радиоактивные атомы с молекулами сахара, и эти сахара можно проглотить и распределить внутри тела в активные участки, например сердце, легкие, мышцы и мозг. Суть идеи, которая оказалась такой полезной для диагностирования в медицине, состоит в использовании сахаров, которые эмитируют позитроны. Позитроны сразу же аннигилируются вездесущими электронами в близлежащих атомах. Мы можем сказать, где в пространстве произошла аннигиляция, а следовательно, где локализован сахар, просто используя специальные камеры для определения вылетающих гамма-лучей.
Окружив голову пациента кольцом из камер, можно получить изображения головного мозга с различных участков. Данная техника известна как позитронно-эмиссионная томография, ПЭТ. Это активно развивающийся диагностический и исследовательский метод ядерной медицины. В его основе лежит возможность при помощи специального распознающего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных излучающими позитроны радиоизотопами. Потенциал ПЭТ в значительной степени определяется арсеналом доступных меченых соединений – радиофармпрепаратов. Метод ПЭТ используется для изучения не только головного мозга, но и внутренних органов людей и животных. Подходящий радиофармпрепарат позволяет изучать с помощью ПЭТ такие разные процессы, как метаболизм, транспорт веществ, экспрессия генов и еще многое другое. Использование радиофармпрепаратов, относящихся к различным классам биологически активных соединений, делает ПЭТ достаточно универсальным инструментом современной медицины. Поэтому сейчас идет активная разработка новых радиофармпрепаратов и эффективных методов синтеза уже зарекомендовавших себя препаратов.
