Как е открит и описан този процес. Разкрива се използването му като източник на енергия и ядрено оръжие.

"Неделим" атом

Двадесет и първи век е пълен с изрази като „атомна енергия“, „ядрени технологии“, „радиоактивни отпадъци“. От време на време заглавия във вестницитеИма мигащи съобщения за възможността от радиоактивно замърсяване на почвата, океаните и ледовете на Антарктида. Обикновеният човек обаче често няма много добра представа какво представлява тази област на науката и как тя помага в ежедневието. Струва си да започнем, може би, с историята. Още с първия въпрос, който един добре охранен и облечен човек зададе, той се заинтересува как е устроен светът. Как вижда окото, защо чува ухото, как водата се различава от камъка - това е вълнувало мъдреците от незапомнени времена. обратно в древна индияи Гърция, някои любознателни умове предположиха, че има минимална частица (наричана още „неделима“), която има свойствата на материал. Средновековните химици потвърждават предположението на мъдреците и съвременната дефиниция на атома е следната: атомът е най-малката частица от веществото, което е носител на неговите свойства.

Части от атом

Развитието на технологиите (по-специално фотографията) обаче доведе до факта, че атомът вече не се счита за най-малката възможна частица материя. И въпреки че един атом е електрически неутрален, учените бързо разбраха, че той се състои от две части с различни заряди. Броят на положително заредените части компенсира броя на отрицателните, така че атомът остава неутрален. Но нямаше недвусмислен модел на атома. Тъй като по това време класическата физика все още е доминираща, се правят различни предположения.

Атомни модели

Първоначално беше предложен моделът „кифличка със стафиди“. Положителният заряд сякаш изпълваше цялото пространство на атома, а отрицателните заряди бяха разпределени в него, като стафиди в кифличка. Известният определи следното: в центъра на атома има много тежък елементс положителен заряд (ядро), а наоколо са разположени много по-леки електрони. Масата на ядрото е стотици пъти по-тежка от сбора на всички електрони (съставлява 99,9 процента от масата на целия атом). Така се ражда планетарният модел на атома на Бор. Някои от неговите елементи обаче противоречат на възприетата по това време класическа физика. Затова беше разработена нова, квантовата механика. С появата му започва некласическият период на науката.

Атом и радиоактивност

От всичко казано по-горе става ясно, че ядрото е тежката, положително заредена част от атома, която съставлява неговата маса. Когато позициите на електроните в орбитата на атома бяха добре проучени, беше време да разберем природата атомно ядро. На помощ идва гениалната и неочаквано открита радиоактивност. Това помогна да се разкрие същността на тежката централна част на атома, тъй като източникът на радиоактивност е ядреното делене. В началото на деветнадесети и двадесети век откритията идват едно след друго. Теоретичното решение на един проблем наложи необходимостта от провеждане на нови експерименти. Резултатите от експериментите породиха теории и хипотези, които трябваше да бъдат потвърдени или опровергани. често най-големите откритиясе появи просто защото по този начин формулата стана удобна за изчисления (като например кванта на Макс Планк). Още в началото на ерата на фотографията учените знаеха, че урановите соли осветяват светлочувствителен филм, но не подозираха, че ядреното делене е в основата на това явление. Следователно радиоактивността е изследвана, за да се разбере природата на ядрения разпад. Очевидно е, че радиацията е генерирана квантови преходи, но не стана съвсем ясно кои точно. Семейство Кюри добиват чист радий и полоний, обработвайки ги почти на ръка уранова рудаза да получите отговор на този въпрос.

Радиоактивен заряд

Ръдърфорд направи много за изучаването на структурата на атома и допринесе за изучаването на това как се случва деленето на атомното ядро. Ученият поставил излъчването, освободено от радиоактивен елемент, в магнитно поле и получил удивителен резултат. Оказа се, че радиацията се състои от три компонента: единият е неутрален, а другите два са положително и отрицателно заредени. Изследването на ядреното делене започва с идентифицирането на неговите компоненти. Доказано е, че ядрото може да се раздели и да отдаде част от положителния си заряд.

Основна структура

По-късно се оказа, че атомното ядро ​​се състои не само от положително заредени частици протони, но и от неутрални частици неутрони. Заедно те се наричат ​​нуклони (от английския „nucleus“, ядро). Учените обаче отново се натъкнаха на проблем: масата на ядрото (т.е. броят на нуклоните) не винаги съответства на неговия заряд. При водорода ядрото има заряд +1, а масата може да бъде три, две или едно. Следващият хелий в периодичната таблица има ядрен заряд +2, докато ядрото му съдържа от 4 до 6 нуклона. повече сложни елементиможе да има много по-голям брой различни маси с еднакъв заряд. Тези вариации на атоми се наричат ​​изотопи. Освен това някои изотопи се оказаха доста стабилни, докато други бързо се разпаднаха, тъй като се характеризираха с ядрено делене. На какъв принцип броят на нуклоните съответства на стабилността на ядрата? Защо добавянето само на един неутрон към тежко и напълно стабилно ядро ​​доведе до неговото разцепване и освобождаване на радиоактивност? Колкото и да е странно, отговорът на този важен въпрос все още не е намерен. Експериментално се оказа, че стабилните конфигурации на атомните ядра съответстват на определен брой протони и неутрони. Ако в ядрото има 2, 4, 8, 50 неутрона и/или протона, тогава ядрото определено ще бъде стабилно. Тези числа дори се наричат ​​магически (и така ги наричат ​​възрастни учени и ядрени физици). По този начин деленето на ядрата зависи от тяхната маса, т.е. от броя на нуклоните, включени в тях.

Капка, черупка, кристал

Определете фактора, който е отговорен за стабилността на ядрото, на в моментанеуспешно. Има много теории на модела, които често си противоречат по различни въпроси. Според първия ядрото е капка от специална ядрена течност. Подобно на водата, тя се характеризира с течливост, повърхностно напрежение, коалесценция и разпадане. В модела на черупката също има определени енергийни нива в ядрото, които са изпълнени с нуклони. Третият твърди, че ядрото е среда, която е способна да пречупва специални вълни (вълни на Де Бройл), а индексът на пречупване е Въпреки това, нито един модел все още не е в състояние да опише напълно защо, при определена критична маса на този конкретен химически елемент , започва разцепването на ядрото.

Как се случва разпадането?

Радиоактивността, както бе споменато по-горе, е открита във вещества, които могат да бъдат намерени в природата: уран, полоний, радий. Например прясно добитият, чист уран е радиоактивен. Процесът на разделяне в този случай ще бъде спонтанен. Без никакво външно влияние определен брой уранови атоми ще излъчват алфа частици, спонтанно трансформиращи се в торий. Има индикатор, наречен полуживот. Той показва през какъв период от време ще остане приблизително половината от първоначалния номер на детайла. Всеки радиоактивен елемент има свой собствен период на полуразпад - от части от секундата за калифорния до стотици хиляди години за урана и цезия. Но има и индуцирана радиоактивност. Ако ядрата на атомите бъдат бомбардирани с протони или алфа частици (хелиеви ядра) с висока кинетична енергия, те могат да се „разцепят“. Механизмът на трансформация, разбира се, е различен от това как се счупва любимата ваза на майка ви. Все пак може да се проследи известна аналогия.

Атомна енергия

Досега не сме отговорили на практическия въпрос: откъде идва енергията по време на ядреното делене? Първо, трябва да обясним, че по време на образуването на ядрото действат специални ядрени сили, които се наричат ​​силно взаимодействие. Тъй като ядрото се състои от много положителни протони, остава въпросът как те се залепват заедно, тъй като електростатичните сили трябва да ги отблъскват един от друг доста силно. Отговорът е едновременно прост и не: ядрото се държи заедно поради много бързия обмен на специални частици между нуклони - пи-мезони. Тази връзка е невероятно краткотрайна. Веднага щом обменът на пи-мезони спре, ядрото се разпада. Известно е също така със сигурност, че масата на ядрото е по-малка от сумата на всички съставляващи го нуклони. Това явление се нарича масов дефект. Всъщност липсващата маса е енергията, която се изразходва за поддържане целостта на ядрото. Веднага щом някаква част се отдели от ядрото на атома, тази енергия се освобождава и се превръща в топлина в атомните електроцентрали. Тоест енергията на ядрения делене е ясна демонстрация на известната формула на Айнщайн. Нека припомним, че формулата гласи: енергията и масата могат да се преобразуват една в друга (E=mc 2).

Теория и практика

Сега ще ви кажем как това чисто теоретично откритие се използва в реалния живот за генериране на гигавати електричество. Първо, трябва да се отбележи, че контролираните реакции използват принудително ядрено делене. Най-често това е уран или полоний, който се бомбардира от бързи неутрони. Второ, не може да не се разбере, че ядреното делене е придружено от създаването на нови неутрони. В резултат на това броят на неутроните в реакционната зона може да се увеличи много бързо. Всеки неутрон се сблъсква с нови, все още непокътнати ядра, разделяйки ги, което води до увеличаване на отделянето на топлина. Това е верижна реакция на ядрено делене. Неконтролираното увеличаване на броя на неутроните в реактора може да доведе до експлозия. Точно това се случи през 1986 г АЕЦ Чернобил. Следователно в реакционната зона винаги има вещество, което абсорбира излишните неутрони, предотвратявайки катастрофа. Това е графит под формата на дълги пръчки. Скоростта на ядреното делене може да се забави чрез потапяне на прътите в реакционната зона. Уравнението се съставя специално за всяко активно радиоактивно вещество и частиците, които го бомбардират (електрони, протони, алфа частици). Въпреки това, крайната произведена енергия се изчислява съгласно закона за запазване: E1+E2=E3+E4. Тоест общата енергия на първоначалното ядро ​​и частица (E1 + E2) трябва да бъде равна на енергията на полученото ядро ​​и енергията, освободена в свободна форма (E3 + E4). Уравнението за ядрена реакция също показва какво вещество се получава в резултат на разпадането. Например за уран U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Тук не са дадени изотопи на химични елементи, но това е важно. Например, има цели три възможности за делене на уран, които произвеждат различни изотопи на оловото и неона. В почти сто процента от случаите ядреното делене произвежда радиоактивни изотопи. Тоест при разпадането на урана се получава радиоактивен торий. Торият може да се разпадне до протактиний, този до актиний и т.н. И бисмутът, и титанът могат да бъдат радиоактивни в тази серия. Дори водородът, който съдържа два протона в ядрото (нормата е един протон), се нарича по различен начин - деутерий. Водата, образувана с такъв водород, се нарича тежка и запълва първичната верига в ядрените реактори.

Немирен атом

Изрази като "надпревара във въоръжаването", " студена война", "ядрена заплаха" на съвременния човекможе да изглежда историческо и неуместно. Но едно време всяко съобщение за новини в почти целия свят беше придружено от съобщения за това колко вида ядрени оръжия са изобретени и как да се справят с тях. Хората построиха подземни бункери и натрупаха провизии за всеки случай ядрена зима. За създаването на приюта са работили цели семейства. Дори мирното използване на реакциите на ядрено делене може да доведе до катастрофа. Изглежда, че Чернобил е научил човечеството да бъде внимателен в тази област, но стихиите на планетата се оказаха по-силни: земетресението в Япония повреди много надеждните укрепления на атомната електроцентрала Фукушима. Енергията на ядрената реакция е много по-лесна за използване за унищожаване. Технолозите трябва само да ограничат силата на експлозията, за да не унищожат по невнимание цялата планета. Най-„хуманните“ бомби, ако можете да ги наречете така, не замърсяват околната среда с радиация. По принцип най-често използват неконтролирана верижна реакция. Това, което се стремят да избегнат в атомните електроцентрали на всяка цена, се постига в бомбите по много примитивен начин. За всеки естествено радиоактивен елемент има определена критична маса чисто вещество, при което верижната реакция започва от само себе си. За урана например е само петдесет килограма. Тъй като уранът е много тежък, той е само малка метална топка с диаметър 12-15 сантиметра. Първите атомни бомби, хвърлени над Хирошима и Нагасаки, са направени точно на този принцип: две неравни части чист уран просто се комбинират и генерират ужасяваща експлозия. Модерните оръжия вероятно са по-сложни. Не бива обаче да забравяме за критичната маса: между малки обеми чисто радиоактивно вещество по време на съхранение трябва да има бариери, които не позволяват на частите да се свързват.

Източници на радиация

Всички елементи с атомен ядрен заряд над 82 са радиоактивни. Почти всички по-леки химически елементи имат радиоактивни изотопи. Колкото по-тежко е ядрото, толкова по-кратък е животът му. Някои елементи (като калифорний) могат да бъдат получени само по изкуствен път – чрез сблъсък на тежки атоми с по-леки частици, най-често в ускорители. Тъй като са много нестабилни, земна кораТе не са там: по време на формирането на планетата те много бързо се разпадат на други елементи. Могат да се добиват вещества с по-леки ядра, като уран. Този процес е дълъг; дори много богатите руди съдържат по-малко от един процент уран, подходящ за добив. Третият път може би показва, че нова геоложка ера вече е започнала. Това е извличане на радиоактивни елементи от радиоактивни отпадъци. След като горивото се преработи в електроцентрала, на подводница или на самолетоносач, се получава смес от първоначалния уран и крайното вещество, резултат от деленето. В момента се счита за солидна радиоактивни отпадъции належащият въпрос е как да ги заровим, за да не замърсяват среда. Въпреки това, има възможност, че в близко бъдеще, готови концентрирани радиоактивни вещества(например полоний) ще се извлича от тези отпадъци.

26 ноември 1894 г. В Санкт Петербург се състоя сватбата на руския цар Николай II и германската принцеса Алис от Хесен-Дармщат. След сватбата жената на императора приела православна вяраи получава името Александра Федоровна.

27 ноември 1967 г. В московското кино "Мир" се състоя премиерата на първия съветски трилър "Вий". Главните роли се изпълняват от Леонид Куравлев и Наталия Варли. Заснемането се проведе в района на Ивано-Франковск и село Седнев в района на Чернигов.

28 ноември 1942 г съветски съюзсключи споразумение с Франция за съвместна борба срещу нацистка Германия в небето. Първата френска авиационна ескадрила "Нормандия-Неман" се състои от 14 пилоти и 17 технически работници.

29 ноември 1812 гАрмията на Наполеон е победена при преминаването на река Березина. Наполеон загуби около 35 хиляди души. Загубите на руските войски, според надписа на 25-та стена на галерията на военната слава на катедралата Христос Спасител, възлизат на 4 хиляди войници. Почти 10 хиляди французи са пленени от руския генерал Петър Витгенщайн.

1 декември 1877 гВ село Марковка, Виницка област, Николай Леонтович, украински композитор, хоров диригент, автор на песните „Дударик“, „Казакът носи“, „Майка на една дъщеря“, „Щедрик“ (песента е известна на Запад като коледната песен на камбаните („Carol of the Bells“).

1 декември 1991 г. Проведе се всеукраински референдум по въпроса за държавната независимост на Украйна. Леонид Кравчук е избран за първи президент на страната.

2 декември 1942 г. Физикът Енрико Ферми и група американски учени от Чикагския университет извършиха контролирана ядрена реакция, разделяйки атом за първи път.

На 1 декември 1992 г. украинският домейн UA е регистриран в международната база данни

Сред първите съветски републикиУкрайна стана първата страна, която получи национален интернет домейн на 1 декември 1992 г. Русия е регистрирана по-късно: домейнът RU се появява на 7 април 1994 г. През същата година своите домейни получиха Република Беларус - BY, Армения - AM и Казахстан - KZ. И първият национален домейн в историята на интернет беше американският US, регистриран през март 1985 г. По същото време се появиха домейните на Великобритания - UK и Израел - IL. Създаването на система за домейн даде възможност веднага да се разбере къде се намира по името на сайта.

През януари 1993 г. на конференция на украински интернет специалисти в село Славское, Лвовска област, бяха предложени 27 домейна, създадени на географски принцип, избрани по телефонен номерационен код. Украинските градове и предприятия имат възможност да създават свои собствени уебсайтове в Интернет, например kiev.ua, crimea.ua, dnepropetrovsk.ua. Всички отговорности по тяхното управление продължават да се изпълняват от лица на доброволни начала. В някои публични домейни тази практика продължава и до днес. Сега всеки национален или географски домейн има свой собствен администратор - фирма или физическо лице, което определя правилата за регистрация. С течение на времето Интернет роди своя собствена версия на езика. Име на домейн, което завършва със съкращението COM, NET, EDU означава съкращението обща концепция. Например COM е търговски, NET е мрежа, EDU е образователен. У нас най-популярният домейн е COM. През пролетта на 2001 г., за да се възстанови редът, най-накрая беше създадено юридическото лице Hostmaster LLC, което включваше администратори на UA и други украински домейни. Физически лица, бивши собственици на украинския домейн UA, официално прехвърлиха част от правомощията си на „Hostmaster“.

В днешно време всеки може да създаде свой собствен уебсайт и да получи домейн. Първият етап, по време на който само собственици на търговски марки можеха да регистрират домейни в UA зоната, вече приключи. От 2010 г. безплатна регистрация на домейн е достъпна за всеки за период от десет години; цената за използване на домейн за една година е 90 гривни. Между другото, първият, който предсказа Интернет, беше писател, философ и общественик XIX век Владимир Одоевски. В романа „Година 4338“, публикуван през 1837 г., Одоевски пише: „ Между познати къщи са инсталирани магнитни телеграфи, чрез които живеещите на голямо разстояние комуникират помежду си." Сега, като отворите уебсайт в Интернет, без да напускате дома си, всеки от нас може да купи въздух и билет за влак, правете покупки в супермаркет за електроника, публикувайте творбите си без посредници и дори намерете партньор в живота в сайт за запознанства. Двадесетгодишните едва ли могат да си представят епоха, когато са ходили в библиотеката, за да си купят книги, писмата са се писали на ръка, а новините са се научавали само от телевизионни програми или печатни издания.

6. Светът на субатомните частици

Разделяне на атома

Често се казва, че има два вида науки - големи и малки науки. Разделянето на атома е голяма наука. Разполага с гигантски експериментални съоръжения, колосални бюджети и получава лъвския дял от Нобеловите награди.

Защо физиците трябваше да разделят атома? Простият отговор - да разберем как работи атомът - съдържа само част от истината, но има и по-обща причина. Не е съвсем правилно да се говори буквално за разцепването на атома. В реалността ние говорим заза сблъсъка на частици с висока енергия. Когато субатомни частици, движещи се с високи скорости, се сблъскат, се ражда нов свят от взаимодействия и полета. Фрагментите материя, носещи огромна енергия, разпръсквайки се след сблъсъци, крият тайните на природата, които от „сътворението на света” са останали заровени в дълбините на атома.

Инсталациите, където се сблъскват високоенергийни частици - ускорители на частици - са поразителни по размер и цена. Те достигат няколко километра напречно, което прави дори лабораториите, които изучават сблъсъци на частици, да изглеждат малки в сравнение с тях. В други областиоборудването се намира в лабораторията; във физиката на високите енергии, лабораториите са прикрепени към ускорителя. Наскоро Европейският център за ядрени изследвания (CERN), разположен близо до Женева, отпусна няколкостотин милиона долара за изграждането на пръстеновиден ускорител. Обиколката на изграждания за целта тунел достига 27 км. Ускорителят, наречен LEP (Large Electron-Positron ring), е проектиран да ускорява електрони и техните античастици (позитрони) до скорости, които са само на косъм от скоростта на светлината. За да получите представа за мащаба на енергията, представете си, че вместо електрони монета от стотинка се ускорява до такива скорости. В края на цикъла на ускоряване той ще има достатъчно енергия, за да произведе електроенергия на стойност 1000 милиона долара! Не е изненадващо, че подобни експерименти обикновено се класифицират като физика на „високи енергии“. Движейки се един към друг вътре в пръстена, лъчите от електрони и позитрони изпитват челен сблъсък, при който електроните и позитроните анихилират, освобождавайки енергия, достатъчна за производството на десетки други частици.

Какви са тези частици? Някои от тях са самите „градивни елементи“, от които сме изградени: протони и неутрони, които изграждат атомните ядра, и електрони, обикалящи около ядрата. Други частици обикновено не се намират в материята около нас: техният живот е изключително кратък и след изтичането му те се разпадат на обикновени частици.

Броят на разновидностите на такива нестабилни краткотрайни частици е удивителен: вече са известни няколкостотин от тях. Подобно на звездите, нестабилните частици са твърде много, за да бъдат идентифицирани по име. Много от тях са обозначени само с гръцки букви, а някои само с цифри. Важно е да се има предвид, че всички тези многобройни и разнообразни нестабилни частици в никакъв случай не са буквалнокомпоненти

Преди около двадесет години физиците бяха напълно объркани от броя и разнообразието на новите субатомни частици, които изглеждаха безкрайни. Беше невъзможно да се разбере За каквотолкова много частици. Може би елементарните частици са като обитателите на зоологическа градина, с имплицитната семейна принадлежност, но без ясна таксономия. Или може би, както смятат някои оптимисти, елементарните частици държат ключа към Вселената? Какви са частиците, наблюдавани от физиците: незначителни и произволни фрагменти от материя или очертанията на смътно възприеман ред, възникващ пред очите ни, показващ съществуването на богата и сложна структура на субядрения свят? Сега няма съмнение за съществуването на такава структура.

Има дълбок и рационален ред в микросвета и ние започваме да разбираме значението на всички тези частици.

Първата стъпка към разбирането на микросвета е направена в резултат на систематизирането на всички известни частици, както през 18 век. биолози съставиха подробни каталози на растителни и животински видове. Най-важните характеристики на субатомните частици включват маса, електрически заряд и спин. Тъй като масата и теглото са свързани, частиците с голяма маса често се наричат ​​"тежки". Връзката на Айнщайн E =mc^ 2 показва, че масата на една частица зависи от нейната енергия и следователно от нейната скорост. Движещата се частица е по-тежка от неподвижната.Когато говорят за масата на една частица, те имат предвид това

маса на почивка,

тъй като тази маса не зависи от състоянието на движение. Частица с нулева маса на покой се движи със скоростта на светлината. Най-очевидният пример за частица с нулева маса на покой е фотонът. Смята се, че електронът е най-леката частица с ненулева маса на покой. /2. Протонът и неутронът са почти 2000 пъти по-тежки, докато най-тежката частица, създадена в лабораторията (Z-частицата), е около 200 000 пъти по-голяма от масата на електрона. 1/2, и спинът на фотона е 1. Частици със спин 0, 3/2 и 2 също са известни Фундаментални частици със спин по-голям от 2 не са открити и теоретиците смятат, че частици с такива спинове не съществуват.

Спинът на една частица е важна характеристика и в зависимост от нейната стойност всички частици се разделят на два класа. Частиците със спинове 0, 1 и 2 се наричат ​​„бозони“ – на името на индийския физик Чатиендранат Бозе, а частиците с полуцяло спин (т.е. със спин 1/2 или 3/2) - „фермиони“ в чест на Енрико Ферми. Принадлежността към един от тези два класа е може би най-важният в списъка с характеристики на една частица.

Друга важна характеристика на частицата е нейният живот. Доскоро се смяташе, че електроните, протоните, фотоните и неутриното са абсолютно стабилни, т.е. имат безкрайно дълъг живот. Неутронът остава стабилен, докато е "затворен" в ядрото, но свободният неутрон се разпада за около 15 минути. Всички други известни частици в най-висока степенса нестабилни, техният живот варира от няколко микросекунди до 10-23 s. Такива времеви интервали изглеждат непонятно малки, но не бива да забравяме, че частица, летяща със скорост, близка до скоростта на светлината (а повечето частици, родени в ускорителите, се движат точно с такива скорости), успява да прелети разстояние от 300 m за микросекунда.

Нестабилните частици претърпяват разпад, което е квантов процес и следователно винаги има елемент на непредсказуемост в разпада.

Продължителността на живота на дадена частица не може да бъде предвидена предварително. Въз основа на статистически съображения може да се предвиди само средната продължителност на живота. Обикновено те говорят за времето на полуразпад на една частица - времето, през което популацията от идентични частици намалява наполовина. Експериментът показва, че намаляването на размера на популацията става експоненциално (виж Фиг. 6) и полуживотът е 0,693 от средното време на живот. За физиците не е достатъчно да знаят, че тази или онази частица съществува - те се стремят да разберат каква е нейната роля. Отговорът на този въпрос зависи от свойствата на изброените по-горе частици, както и отприродата на силите , действащи върху частицата отвън и вътре в нея. На първо място, свойствата на една частица се определят от нейната способност (или неспособност) да участва в силни взаимодействия. Частиците, участващи в силни взаимодействия, образуват специален клас и се наричатандрони. Частиците, които участват в слаби взаимодействия и не участват в силни взаимодействия, се наричаткоето означава "бели дробове". Нека разгледаме накратко всяко от тези семейства.

лептони

Най-известният от лептоните е електронът. Както всички лептони, изглежда, че е елементарен, точков обект. Доколкото е известно, електронът няма вътрешна структура, т.е. не се състои от никакви други частици. Въпреки че лептоните могат или не могат да имат електрически заряд, всички те имат едно и също въртене 1/2, следователно те се класифицират като фермиони.

Друг известен лептон, но без заряд, е неутриното. Както вече беше споменато в гл. 2, неутриното са неуловими като призраците.Тъй като неутриното не участват нито в силните, нито в електромагнитните взаимодействия, те почти напълно игнорират материята, прониквайки през нея, сякаш тя изобщо не съществува. Високата проникваща способност на неутриното за дълго време направи много трудно експерименталното потвърждаване на тяхното съществуване. Само почти три десетилетия след предсказването на неутриното те най-накрая бяха открити в лабораторията. Физиците трябваше да изчакат създаването на ядрени реактори, които излъчват огромно количествонеутрино и едва тогава беше възможно да се регистрира челният сблъсък на една частица с ядрото и по този начин да се докаже, че то наистина съществува. Днес е възможно да се извършват много повече експерименти с неутрино лъчи, които възникват от разпадането на частици в ускорител и имат необходимите характеристики. По-голямата част от неутриното „игнорира“ целта, но от време на време неутриното все още взаимодейства с целта, което прави възможно получаването

Въпреки своята неосезаемост, неутриното заемат специална позиция сред другите познати частици, тъй като те са най-разпространените частици във Вселената, превъзхождащи по брой електроните и протоните с милиард към едно. Вселената по същество е море от неутрино, с случайни включвания под формата на атоми. Възможно е дори общата маса на неутриното да надвишава общата маса на звездите и следователно именно неутриното дават основния принос за космическата гравитация. Според група съветски изследователи неутриното имат малка, но не нулева маса на покой (по-малко от една десетхилядна от масата на електрона); ако това е вярно, тогава гравитационните неутрино доминират във Вселената, което може да причини нейния колапс в бъдеще. Така неутриното, на пръв поглед най-„безобидните“ и безтелесни частици, са в състояние да предизвикат колапса на цялата Вселена.

Сред другите лептони трябва да се спомене мюонът, открит през 1936 г. в продуктите на взаимодействието на космическите лъчи; се оказва една от първите известни нестабилни субатомни частици. Във всички отношения, с изключение на стабилността, мюонът прилича на електрон: има същия заряд и въртене, участва в същите взаимодействия, но има по-голяма маса.

За около две милионни от секундата мюонът се разпада на електрон и две неутрино. Мюоните са широко разпространени в природата и представляват значителна част от фоновото космическо лъчение, което се открива на повърхността на Земята от брояч на Гайгер.

В продължение на много години електронът и мюонът остават единствените известни заредени лептони. След това, в края на 70-те години, е открит трети зареден лептон, наречен тау лептон. С маса от около 3500 електронни маси, тау-лептонът очевидно е „тежка категория“ от триото заредени лептони, но във всички останали отношения той се държи като електрон и мюон. Този списък с известни лептони в никакъв случай не е изчерпан. През 60-те години е открито, че има няколко вида неутрино.Има три разновидности на неутрино, а общият брой на лептоните е шест (Таблица 1). Разбира се, всеки лептон има своя собствена античастица; по този начин общият брой на различните лептони е дванадесет.

Таблица 1

Шест лептона съответстват на заредени и неутрални модификации (античастиците не са включени в таблицата). Масата и зарядът се изразяват съответно в единици маса и заряд на електрона. Има доказателства, че неутриното може да има малка маса

адрони

За разлика от шепата известни лептони, има буквално стотици адрони. Само това предполага, че адроните не са елементарни частици, а са изградени от по-малки компоненти.

Всички адрони участват в силни, слаби и гравитационни взаимодействия, но се срещат в две разновидности – електрически заредени и неутрални. Сред адроните най-известните и широко разпространени са неутронът и протонът. Останалите адрони са краткотрайни и се разпадат или за по-малко от една милионна от секундата поради слабото взаимодействие, или много по-бързо (за време от порядъка на 10-23 s) - поради силното взаимодействие.

През 50-те години на миналия век физиците бяха изключително озадачени от броя и разнообразието на адроните. Но малко по малко частиците бяха класифицирани според три важни характеристики: маса, заряд и въртене. Постепенно започнаха да се появяват признаци на ред и започна да се очертава ясна картина. Има намеци, че зад очевидния хаос на данните има скрити симетрии. Решителната стъпка в разкриването на мистерията на адроните идва през 1963 г., когато Мъри Гел-Ман и Джордж Цвайг от Калифорнийския технологичен институт предлагат теорията за кварките.

Фиг.10 Адроните са изградени от кварки. Протон (отгоре) се състои от два up кварка и един d кварк. По-лекият пион (отдолу) е мезон, състоящ се от един u кварк и един d антикварк. Други адрони са всякакви комбинации от кварки.Основната идея на тази теория е много проста. Всички адрони са направени от по-малки частици, наречени кварки. Кварките могат да се комбинират помежду си по един от двата начина възможни начини: или в триплети, или в двойки кварк-антикварк. Относително тежките частици са изградени от три кварка - бариони,"междинни частици". Изборът на това име се обяснява с факта, че първите открити мезони са заемали междинна позиция по маса между електрони и протони. За да вземат предвид всички известни тогава адрони, Гел-Ман и Цвайг въвеждат три различни вида („вкусове“) кварки, които получават доста фантастични имена: И(от нагоре-горна), d(от надолу -по-ниско) и s (от странно- странно). Като допускаме възможността за различни комбинации от вкусове, можем да обясним съществуването голям бройадрони. Например протонът се състои от две и-и един d-кварк (фиг. 10), а неутронът е изграден от два d-кварка и един u-кварк.

За да бъде ефективна теорията, предложена от Гел-Ман и Цвайг, е необходимо да се приеме, че кварките носят частичен електрически заряд. С други думи, те имат заряд, чиято стойност е 1/3 или 2/3 от основната единица - зарядът на електрона. Комбинация от два и три кварка може да има общ заряд нула или единица. Всички кварки имат спин 1/2. следователно те се класифицират като фермиони. Масите на кварките не се определят толкова точно, колкото масите на другите частици, тъй като тяхната енергия на свързване в адрон е сравнима с масите на самите кварки. Известно е обаче, че s-кваркът е по-тежък и-и d-кварки.

Вътре в адроните кварките могат да бъдат във възбудени състояния, подобно на възбудените състояния на атом, но с много по-високи енергии. Излишната енергия, съдържаща се във възбуден адрон, увеличава масата му толкова много, че преди създаването на кварковата теория, физиците погрешно приемаха възбудените адрони за напълно различни частици. Сега е установено, че много от привидно различни адрони всъщност са само възбудени състояния на един и същ фундаментален набор от кварки.

Както вече беше споменато в гл. 5, кварките се държат заедно чрез силно взаимодействие. Но те също участват в слаби взаимодействия.

Съществуването на s-кварки е необходимо за изграждането на така наречените "странни" частици - тежки адрони, открити в началото на 50-те години. и-Необичайното поведение на тези частици, което предполага името им, е, че те не могат да се разпаднат поради силни взаимодействия, въпреки че както самите те, така и продуктите от разпада им са адрони.

Физиците са озадачени защо, ако и майката, и дъщерната частица принадлежат към семейството на адроните, силната сила не ги кара да се разпадат. По някаква причина тези адрони „предпочитаха“ много по-малко интензивното слабо взаимодействие. защо Теорията на кварките естествено разреши тази мистерия. Силното взаимодействие не може да промени вкуса на кварките - само слабото взаимодействие може да направи това. И то без промяна на вкуса, придружена от превръщането на s-кварка в

или d-кварк, разпадането е невъзможно. В табл Фигура 2 представя различните възможни комбинации от кварки с три вкуса и техните имена (обикновено само гръцка буква). Многобройни възбудени състояния не са показани. Фактът, че всички известни адрони могат да бъдат получени от различни комбинации от трите фундаментални частици, символизира основния триумф на кварковата теория. Но въпреки този успех, само няколко години по-късно беше възможно да се получат преки физически доказателства за съществуването на кварки..

Това доказателство е получено през 1969 г. в серия от исторически експерименти, проведени в големия линеен ускорител в Станфорд (Калифорния, САЩ) - SLAC. Експериментаторите от Станфорд разсъждаваха просто. Ако наистина има кварки в протона, тогава могат да се наблюдават сблъсъци с тези частици вътре в протона. Всичко, което е необходимо, е субядрен „снаряд“, който може да бъде насочен директно в дълбините на протона. Безполезно е да се използва друг адрон за тази цел, тъй като той има същите размери като протон. Идеален снаряд би бил лептон, като например електрон. Тъй като електронът не участва в силното взаимодействие, той няма да "заседне" в средата, образувана от кварки. В същото време един електрон може да усети наличието на кварки поради наличието на

електрически заряд

В експеримента в Станфорд трикилометровият ускорител по същество действа като гигантски електронен „микроскоп“, който предоставя изображения на вътрешността на протон. Един конвенционален електронен микроскоп може да различи детайли, по-малки от една милионна от сантиметъра. Протонът, от друга страна, е няколко десетки милиони пъти по-малък и може да бъде „сондиран“ само от електрони, ускорени до енергия от 2,1010 eV. По времето на Станфордските експерименти малко физици се придържаха към опростената теория за кварките.

Повечето учени очакваха електроните да бъдат отклонени от електрическите заряди на протоните, но се предполагаше, че зарядът е равномерно разпределен в протона. Ако това беше наистина така, тогава щеше да се получи основно слабо разсейване на електрони, т.е.

Проблемът беше решен чрез обръщане към идея, която витаеше във въздуха от известно време: трябва да има четвърти аромат, който никой не е наблюдавал досега. Новият аромат вече имаше своето име - charm (чар), или s. Предполага се, че пси частицата е мезон, състоящ се от c-кварк и c-антикварк (c), т.е. вв. Тъй като антикварките са носители на антиаромат, очарованието на пси частицата се неутрализира и следователно експерименталното потвърждение за съществуването на нов аромат (чар) трябваше да изчака, докато бъдат открити мезони, в които очарователните кварки бяха сдвоени с антикваркампи на други вкусове. Вече е известен цял низ от омагьосани частици.

Всички те са много тежки, така че чаровният кварк се оказва по-тежък от странния кварк.

Ситуацията, описана по-горе, се повтори през 1977 г., когато на сцената се появи така нареченият ипсилон мезон (UPSILON). Този път без много колебание беше въведен пети вкус, наречен b-quark (от bottom - дъно и по-често beauty - красота или чар). и-Ипсилонният мезон е двойка кварк-антикварк, съставена от b кварки и следователно има скрита красота; но, както в предишния случай, различна комбинация от кварки направи възможно в крайна сметка да се открие „красотата“.

За относителните маси на кварките може да се съди поне по факта, че най-лекият мезон, пионът, се състои от двойки

и d-кварки с антикварки. Пси мезонът е около 27 пъти, а ипсилон мезонът е поне 75 пъти по-тежък от пиона. Постепенното разширяване на списъка с известни вкусове се извършва успоредно с увеличаването на броя на лептоните; така че очевидният въпрос беше дали някога ще има край. Кварките бяха въведени, за да се опрости описанието на цялото разнообразие от адрони, но дори сега има усещането, че списъкът на частиците отново расте твърде бързо.От времето на Демокрит основната идея на атомизма е признаването, че в достатъчно малък мащаб трябва да съществуват наистина елементарни частици, комбинациите от които изграждат материята около нас. Атомизмът е привлекателен, защото неделимите (по дефиниция) фундаментални частици трябва да съществуват в много ограничен брой. Разнообразието на природата се дължи на голям бройах вещества. И въпреки че според традицията продължаваме да говорим за различни химични „елементи“, известно е, че атомите изобщо не са елементарни, а се състоят от протони, неутрони и електрони. И тъй като броят на кварките се оказва твърде голям, възниква изкушението да приемем, че и те са сложни системисъстоящ се от по-малки частици.

Въпреки че поради тази причина има известно недоволство от кварковата схема, повечето физици смятат кварките за наистина елементарни частици – точковидни, неделими и без вътрешна структура. В това отношение те приличат на пептоните и отдавна се предполага, че трябва да има дълбока връзка между тези две различни, но структурно подобни семейства. Основата за тази гледна точка възниква от сравнението на свойствата на лептоните и кварките (Таблица 3). Лептоните могат да бъдат групирани по двойки чрез свързване на всеки зареден лептон със съответното неутрино. Кварките също могат да бъдат групирани по двойки. и-Таблица 3 е съставен по такъв начин, че структурата на всяка клетка повтаря тази, разположена непосредствено пред нея. Например, във втората клетка мюонът е представен като "тежък електрон", а очарователните и странните кварки са представени като тежки варианти и d-кварки.От следващото поле можете да видите, че тау лептонът е още по-тежък „електрон“, а b кваркът е по-тежка версия на d кварка.

За пълна аналогия се нуждаем от още едно (тау-лептониево) неутрино и шести аромат на кварки, който вече е получил името истински

(истина, t).

Може ли да има четвърти, пети и т.н. изпарения, съдържащи още по-тежки частици? Ако е така, следващото поколение ускорители вероятно ще даде възможност на физиците да открият такива частици. Изказва се обаче едно интересно съображение, от което следва, че няма други двойки освен посочените три. Това съображение се основава на броя на видовете неутрино. Скоро ще научим, че в момента на Големия взрив, белязал възникването на Вселената, е имало интензивно създаване на неутрино. Един вид демокрация гарантира на всеки тип частици същия дял енергия като на останалите; следователно, колкото повече различни видове неутрино, толкова повече енергия се съдържа в морето от неутрино, запълващо космическото пространство. Изчисленията показват, че ако имаше повече от три разновидности на неутрино, тогава гравитацията, създадена от всички тях, би имала силен смущаващ ефект върху ядрените процеси, настъпили през първите няколко минути от живота на Вселената. Следователно от тези косвени съображения следва много правдоподобно заключение, че трите двойки, показани в табл. 3, всички кварки и лептони, които съществуват в природата, са изчерпани.

Интересно е да се отбележи, че цялата обикновена материя във Вселената се състои само от два най-леки лептона (електрон и електронно неутрино) и два най-леки кварка ( ИИ г).Ако всички други лептони и кварки внезапно престанат да съществуват, тогава вероятно много малко ще се промени в света около нас.

Може би по-тежките кварки и лептони играят ролята на своеобразен резерв за най-леките кварки и лептони. Всички те са нестабилни и бързо се разпадат на частици, разположени в горната клетка. За каквоНапример тау-лептонът и мюонът се разпадат на електрони, докато странните, очарователни и красиви частици се разпадат доста бързо или на неутрони, или на протони (в случай на бариони), или на лептони (в случай на мезони). Възниква въпросът:

Има ли всички тези частици от второ и трето поколение? Защо природата имаше нужда от тях?

Частиците са носители на взаимодействия

Спомням си, че като дете ми казаха, че луната кара океаните да се издигат и спускат по време на ежедневните приливи и отливи. За мен винаги е било загадка как океанът знае къде е Луната и следи нейното движение в небето. Когато научих за гравитацията в училище, недоумението ми само се засили.

Как Луната, след като е преодоляла четвърт милион километра празно пространство, успява да „достигне“ океана? Стандартният отговор - Луната създава гравитационно поле в това празно пространство, чието действие достига до океана, задвижвайки го - разбира се, имаше някакъв смисъл, но все още не ме удовлетворяваше напълно. В крайна сметка не можем да видим гравитационното поле на Луната. Може би само това казват? Това наистина ли обяснява нещо? Винаги ми се струваше, че луната трябва по някакъв начин да каже на океана къде се намира. Трябва да има някакъв вид обмен на сигнали между луната и океана, така че водата да знае накъде да се движи.С течение на времето се оказа, че идеята за силата, предавана през пространството под формата на сигнал, не е толкова далеч от съвременния подход към този проблем. За да разберем как възниква такава идея, трябва да разгледаме по-подробно природата

силово поле . Като пример, нека изберем не океанските приливи и отливи, а по-просто явление: два електрона се приближават един към друг и след това под въздействието на електростатично отблъскване летят в различни посоки. Физиците наричат ​​този процес проблем на разсейването. Разбира се, електроните не се избутват буквално един друг. Те си взаимодействат на разстояние чрез електромагнитното поле, генерирано от всеки електрон.

Фиг. 11. Разсейване на две заредени частици. Траекториите на частиците се огъват, когато се приближават една към друга поради действието на електрическо отблъскване.и имат малък ефект един върху друг. Всеки електрон се движи почти праволинейно (фиг. 11). След това, когато силите на отблъскване влизат в действие, траекториите на електроните започват да се огъват, докато частиците се приближат възможно най-близо; след това траекториите се разминават и електроните се разделят, като отново започват да се движат по праволинейни, но вече разминаващи се траектории. Модел от този вид може лесно да бъде демонстриран в лабораторията, като се използват електрически заредени топки вместо електрони. И отново възниква въпросът: как една частица „знае“ къде се намира друга частица и съответно променя движението си.

Въпреки че картината на извитите електронни траектории е доста визуална, тя е напълно неподходяща в редица отношения. Факт е, че електроните са квантови частици и тяхното поведение се подчинява на определени закони квантова физика. На първо място, електроните не се движат в пространството по точно определени траектории. Все още можем да определим по един или друг начин началната и крайната точка на пътя - преди и след разсейването, но самият път в интервала между началото и края на движението остава неизвестен и несигурен. В допълнение, интуитивната идея за непрекъснат обмен на енергия и импулс между електрона и полето, сякаш ускорява електрона, противоречи на съществуването на фотони. Енергията и инерцията могат да се прехвърлят полесамо на части или кванти. Ще получим по-точна картина на смущението, въведено от полето в движението на електрона, като приемем, че електронът, поглъщайки фотон от полето, изглежда изпитва внезапен тласък. Следователно, на квантово ниво, актът на разсейване на електрон върху електрон може да бъде изобразен, както е показано на фиг. 12. Вълнообразната линия, свързваща траекториите на два електрона, съответства на фотон, излъчен от единия електрон и погълнат от другия. Сега актът на разсейване изглежда като внезапна промяна в посоката на движение на всеки електрон

Фиг. 12. Квантово описание на разсейването на заредени частици. Взаимодействието на частиците се дължи на обмена на носител на взаимодействие или виртуален фотон (вълнообразна линия).

Диаграми от този вид са използвани за първи път от Ричард Файнман за визуално представяне на различните членове на уравнение и първоначално те са имали чисто символично значение. Но след това диаграмите на Файнман започват да се използват за схематично изобразяване на взаимодействията на частиците. Такива снимки изглежда допълват интуицията на физика, но трябва да се тълкуват с известна доза предпазливост. Например, никога няма рязко прекъсване на траекторията на електрона. Тъй като знаем само началната и крайната позиция на електроните, не знаем точно кога се обменя фотонът и коя частица излъчва и коя поглъща фотона. Всички тези подробности са скрити от воал на квантова несигурност.

Въпреки това предупреждение, диаграмите на Файнман се оказаха ефективно средство за описание на квантовите взаимодействия. Фотонът, обменен между електроните, може да се разглежда като вид пратеник от един от електроните, който казва на другия: „Тук съм, така че се движете!“ Разбира се, всички квантови процеси са вероятностни по природа, така че такъв обмен се случва само с определена вероятност. Може да се случи електроните да обменят два или повече фотона (фиг. 13), въпреки че това е по-малко вероятно.

Важно е да разберем, че в действителност не виждаме фотони да се движат от един електрон към друг. Носителите на взаимодействие са "вътрешната материя" на два електрона. Те съществуват единствено, за да казват на електроните как да се движат и въпреки че носят енергия и импулс, съответните закони за запазване на класическата физика не са приложими за тях. Фотоните в този случай могат да бъдат оприличени на топка, която тенисистите си разменят на корта. Точно както топката за тенис определя поведението на тенисистите на игрището, фотонът влияе върху поведението на електроните.

Успешното описание на взаимодействието с помощта на частица носител беше придружено от разширяване на концепцията за фотон: фотонът се оказва не само видима за нас частица светлина, но и призрачна частица, която се „вижда“ само от заредени частици, подложени на разсейване. Понякога фотоните, които наблюдаваме, се наричатистински, а фотоните, носещи взаимодействието, савиртуален,

Описанието на електромагнитното взаимодействие с помощта на концепцията за виртуални фотони - неговите носители - по своето значение надхвърля просто илюстрации от квантова природа. В действителност говорим за теория, обмислена до най-малкия детайл и оборудвана с перфектен математически апарат, известен като квантова електродинамика,Съкратено като QED. Когато QED беше формулиран за първи път малко след Втората световна война, физиците имаха на разположение теория, която отговаряше на основните принципи както на квантовата теория, така и на относителността. Това е прекрасна възможност да видите комбинираните прояви на два важни аспекта на новата физика и. проверете ги експериментално.

Теоретично, създаването на QED е изключително постижение.

По-ранните изследвания на взаимодействието на фотони и електрони имаха много ограничен успех поради математически трудности. Но веднага щом теоретиците се научиха да извършват изчисления правилно, всичко останало си дойде на мястото. QED предложи процедура за получаване на резултатите от всеки, без значение колко сложен процес, включващ фотони и електрони.

Фиг. 13. Разсейването на електрони се причинява от обмена на два виртуални фотона. Такива процеси представляват малко изменение на основния процес, показан на фиг. 11За да проверят колко добре теорията съответства на реалността, физиците се фокусираха върху два ефекта, които бяха от особен интерес. Първият засегнат

Вторият решаващ тест на QED се отнася до изключително малката корекция на собствения магнитен момент на електрона. И отново резултатите от теоретичните изчисления и експеримента напълно съвпаднаха. Теоретиците започнаха да усъвършенстват своите изчисления, а експериментаторите започнаха да подобряват своите инструменти. Но въпреки че точността както на теоретичните прогнози, така и на експерименталните резултати непрекъснато се подобрява, съгласието между QED и експеримента остава безупречно. В наши дни теоретичните и експерименталните резултати все още съвпадат в границите на постигнатата точност, което означава съвпадение над девет знака след десетичната запетая. Подобно поразително съответствие дава право да се счита QED за най-напредналата от съществуващите естественонаучни теории.

Излишно е да казвам, че след такъв триумф QED беше приет като модел за квантовото описание на другите три фундаментални взаимодействия. Разбира се, полетата, свързани с други взаимодействия, трябва да съответстват на други частици носители. За да се опише гравитацията беше въведена гравитон,играе същата роля като фотона. При гравитационното взаимодействие на две частици между тях се обменят гравитони. Това взаимодействие може да се визуализира с помощта на диаграми, подобни на тези, показани на фиг. 12 и 13. Именно гравитоните носят сигнали от Луни до океаните, след което те се издигат по време на приливи и падат по време на отливи. Гравитоните, които се движат между Земята и Слънцето, поддържат нашата планета в орбита. Гравитоните ни приковават здраво към Земята.

Подобно на фотоните, гравитоните се движат със скоростта на светлината, следователно гравитоните са частици с „нулева маса на покой“. Но тук приликите между гравитоните и фотоните свършват. Докато един фотон има спин 1, гравитонът има спин 2.

Таблица 4

Четири частици носител фундаментални взаимодействия.

Масата се изразява в единици за протонна маса.

Това е важна разлика, защото определя посоката на силата: при електромагнитно взаимодействие частиците с еднакъв заряд, като електрони, се отблъскват, докато при гравитационното взаимодействие всички частици се привличат една към друга. Гравитоните могат да бъдат реални или виртуални. Истинският гравитон не е нищо повече от квант на гравитационна вълна, точно както истинският фотон е квант. По принцип реалните гравитони могат да бъдат „наблюдавани“. Но тъй като гравитационното взаимодействие е невероятно слабо, гравитоните не могат да бъдат открити директно. Взаимодействието на гравитоните с други квантови частици е толкова слабо, че вероятността гравитон да бъде разпръснат или погълнат от, например, протон, е безкрайно малка.

Основната идея за обмен на частици носители важи и за други взаимодействия (Таблица 4) - слаби и силни. Има обаче важни разлики в детайлите. Да припомним, че силното взаимодействие осигурява връзката между кварките. Такава връзка може да бъде създадена от силово поле, подобно на електромагнитното, но по-сложно. Електрическите сили водят до образуването на свързано състояние на две частици със заряди с противоположни знаци. В случая на кварките възникват свързани състояния на три частици, което показва по-сложен характер на силовото поле, на което съответстват три вида „заряд“. Наричат ​​се частици - носители на взаимодействие между кварките, свързващи ги по двойки или тройки

глуони.

В случай на слабо взаимодействие ситуацията е малко по-различна. Радиусът на това взаимодействие е изключително малък. Следователно носителите на слабото взаимодействие трябва да са частици с големи маси на покой. Енергията, съдържаща се в такава маса, трябва да бъде „заета“ в съответствие с принципа на неопределеността на Хайзенберг, който вече беше обсъден на стр. 50. Но тъй като "заетата" маса (и следователно енергия) е толкова голяма, принципът на несигурност изисква периодът на изплащане на такъв заем да бъде изключително кратък - само около 10^-28s. Такива краткотрайни частици нямат време да се придвижат много далеч и радиусът на взаимодействие, който носят, е много малък.

Класификацията на частиците на кварки, лептони и носители на взаимодействия допълва списъка на известните субатомни частици. Всяка от тези частици играе своя собствена, но решаваща роля във формирането на Вселената.

Ако нямаше частици носители, нямаше да има взаимодействия и всяка частица щеше да остане на тъмно за своите партньори.

Не биха могли да възникнат сложни системи, всяка дейност би била невъзможна. Без кварки не би имало атомни ядра или слънчева светлина. Без лептони атомите не биха могли да съществуват, химическите структури и самият живот не биха възникнали.

Какви са целите на физиката на елементарните частици?

Влиятелният британски вестник The Guardian веднъж публикува редакционна статия, поставяща под съмнение мъдростта на разработването на физиката на елементарните частици, скъпо начинание, което поглъща не само значителна част от бюджета за наука на нацията, но и лъвския пай от най-добрите умове. „Физиците знаят ли какво правят?“ „Дори и да знаят, каква е ползата от тях, освен на физиците?“ Няколко месеца след тази публикация имах възможността да присъствам на лекция в Балтимор на Джордж Кейуърт, съветник на президента на САЩ по науката. Кейуърт също се обърна към физиката на елементарните частици, но лекцията му имаше съвсем различен тон.Американски физици бяха впечатлени от неотдавнашен доклад от CERN, водещата европейска лаборатория по физика на елементарните частици, за откриването на фундаментални W и Z частици, които най-накрая бяха получени в голям ускорител на протон-антипротонен сблъсък на лъчи. Американците са свикнали, че всички сензационни открития се правят в техните лаборатории по физика на високите енергии.

Същата седмица новинарските канали разпространиха съобщения за американски проект за гигантски ускорител, предназначен да провежда ново поколение експерименти във физиката на елементарните частици. Основната цена беше оценена на 2 милиарда долара, което направи този ускорител най-скъпата машина, създавана някога от човека. Този гигант на Чичо Сам, в сравнение с който дори новият ускорител на CERN LEP ще изглежда като джудже, е толкова голям, че цялата държава Люксембург може да се побере в неговия пръстен! Гигантските свръхпроводящи магнити са проектирани да създават интензивни магнитни полета, които ще извиват лъч от частици, насочвайки го по протежение на пръстеновидна камера; това е толкова огромна структура, че новият ускорител трябва да бъде разположен в пустинята. Бих искал да знам какво мисли редакторът на вестник Guardian по въпроса.

Известен като Superconducting Super Collider (SSC), но по-често наричан "de-zertron" (от англ. пустиня -пустиня. - ред.),тази чудовищна машина ще може да ускори протоните до енергии приблизително 20 хиляди пъти по-високи от останалата енергия (маса). Тези числа могат да се тълкуват по различни начини.

При максимално ускорение частиците ще се движат със скорост само с 1 км/ч по-малка от скоростта на светлината – максималната скорост във Вселената. Релативистките ефекти са толкова големи, че масата на всяка частица е 20 хиляди пъти по-голяма от тази в покой. В системата, свързана с такава частица, времето се разтяга толкова много, че 1 s съответства на 5,5 часа в нашата референтна система. Всеки километър от камерата, през която преминава частицата, ще „изглежда“ компресиран до само 5,0 cm.

Каква крайна нужда принуждава държавите да изразходват толкова огромни ресурси за все по-разрушителното делене на атома? Има ли практическа полза от подобни изследвания?Всякакви голяма наука. Физиката на елементарните частици се превърна в своеобразен символ на държавна власт. Ако се развива успешно и дава осезаеми резултати, това означава, че науката, технологиите, както и икономиката на страната като цяло са на правилното ниво. Това подкрепя доверието във високото качество на продуктите от други по-общи технологични клонове. За да създадете ускорител и цялото свързано оборудване, многовисоко ниво

професионализъм. Ценният опит, натрупан от разработването на нови технологии, може да има неочаквани и благотворни ефекти върху други области на научните изследвания. Например в САЩ в продължение на двадесет години се провеждат изследвания и разработки на свръхпроводящи магнити, необходими за „десертрона“. Те обаче не осигуряват преки ползи и поради това са трудни за оценка. Има ли по-осезаеми резултати? Понякога се чува и друг аргумент в подкрепа на фундаменталните изследвания. Физиката има тенденция да изпреварва технологиите с около петдесет години. Практическо приложение на едно или другонаучно откритие изобщо не е очевидно в началото, но малко от значителните постижения във фундаменталната физика не са били открити с течение на времетопрактически приложения . Нека си спомним теорията на Максуел за електромагнетизма: може ли нейният създател да предвиди създаването и успеха на съвременните телекомуникации и електроника? И думите на Ръдърфорд, че ядрената енергия едва ли някога ще намерипрактическо приложение ?Възможно ли е да се предвиди до какво може да доведе развитието на физиката на елементарните частици, какви нови сили и нови принципи ще бъдат открити, които ще разширят нашето разбиране за света около нас и ще ни дадат власт над по-широк кръг от хора?

Повечето клонове на науката в крайна сметка намериха известно военно приложение. В това отношение физиката на елементарните частици (за разлика от ядрената физика) досега остава недосегаема.

По стечение на обстоятелствата лекцията на Кейуърт съвпадна с рекламния шум около противоречивия проект на президента Рейгън за създаване на противоракетно, така нареченото лъчево оръжие (този проект е част от програма, наречена Инициатива за стратегическа отбрана, SDI). Същността на този проект е да се използват високоенергийни лъчи от частици срещу вражески ракети. Това приложение на физиката на елементарните частици е наистина зловещо.

Преобладаващото мнение е, че създаването на такива устройства е неосъществимо. Повечето учени, работещи в областта на физиката на елементарните частици, смятат тези идеи за абсурдни и неестествени и се обявяват остро срещу предложението на президента. Осъждайки учените, Кейуърт ги призова да "обмислят каква роля могат да играят" в проекта за лъчево оръжие. Призивът на Кейуърт към физиците (чисто случайно, разбира се) последва думите му относно финансирането на физиката на високите енергии.. В продължение на две хилядолетия и половина човечеството се стреми да открие първоначалните „градивни елементи“ на Вселената и сега сме близо до крайната цел. Гигантските инсталации ще ни помогнат да проникнем в самото сърце на материята и да изтръгнем от природата нейните най-дълбоки тайни. Човечеството може да очаква неочаквани приложения на нови открития, непознати досега технологии, но може да се окаже, че физиката на високите енергии няма да даде нищо за практиката. Но дори една величествена катедрала или концертна зала няма много практическа полза. В тази връзка не можем да не си спомним думите на Фарадей, който веднъж отбеляза: „Каква полза от новородено бебе?“

Видове човешки дейности, които са далеч от практиката, включително физиката на елементарните частици, служат като доказателство за проявата на човешкия дух, без който бихме били обречени в нашия прекалено материален и прагматичен свят.Изберете подходящия изотоп.

• Някои елементи или изотопи претърпяват радиоактивен разпад и различните изотопи могат да се държат различно. Най-често срещаният изотоп на урана има атомно тегло 238 и се състои от 92 протона и 146 неутрона, но ядрата му обикновено абсорбират неутрони, без да се разделят на ядра от по-леки елементи. Изотоп на урана, чието ядро ​​съдържа три неутрона по-малко, 235 U, се дели много по-лесно от 238 U и се нарича делящ се изотоп.
• Когато уранът се разделя (деляне), се освобождават три неутрона, които се сблъскват с други уранови атоми, предизвиквайки верижна реакция.

Някои изотопи се делят толкова лесно и бързо, че е невъзможно да се поддържа постоянна ядрена реакция. Това явление се нарича спонтанен или спонтанен разпад. Например плутониевият изотоп 240 Pu е обект на такъв разпад, за разлика от 239 Pu, който има по-ниска скорост на делене.За да продължи реакцията след разпадането на първия атом, трябва да се събере достатъчно изотоп.

За целта е необходимо да има определено минимално количество делящ се изотоп, който да поддържа реакцията. Това количество се нарича критична маса. За достигане на критична маса и увеличаване на вероятността от гниене е необходимо достатъчно количество изходен материал.Изстреляйте едно атомно ядро ​​на изотоп в друго ядро ​​на същия изотоп.

• Този метод е използван за създаване атомна бомбаот 235 U, който беше хвърлен върху Хирошима. Подобно на оръдие оръжие с ураново ядро ​​изстреля 235 U-атоми към мишена от подобни 235 U-атоми, които летяха достатъчно бързо, така че неутроните, освободени от тях, проникнаха в ядрата на други 235 U-атоми и ги разделиха. Деленето на свой ред освобождава неутрони, които разделят още 235 U атома.

Бомбардирайте ядрата на делящ се изотоп със субатомни частици.Една субатомна частица може да удари атом 235 U и да го раздели на два отделни атома на други елементи, освобождавайки три неутрона. Субатомните частици могат да бъдат произведени от контролиран източник (като неутронна пушка) или създадени чрез сблъсък на ядра. Обикновено се използват три вида субатомни частици.

• протони. Тези субатомни частици имат маса и положителен електрически заряд. Броят на протоните в един атом определя от кой елемент е атом.
• неутрони. Тези субатомни частици имат същата маса като протон, но са неутрални (нямат електрически заряд).
• Алфа частици. Тези частици са свободните от електрони ядра на хелиевите атоми. Те се състоят от два протона и два неутрона.

Ядрено делене

Откриването на изотопи на стабилни елементи и усъвършенстването на измерванията на елементарния заряд са първите постижения на следвоенната физика (1917-1918). През 1919 г. е направен нов сензационно откритие- изкуствено разцепване на ядрото. Това откритие е направено от Ръдърфорд в Кеймбридж в лабораторията Кавендиш, която той ръководи през същата 1919 година.

Ръдърфорд изследва сблъсъка на алфа частици с леки атоми. Сблъсъците на алфа частици с ядрата на такива атоми трябва да ги ускорят. Така, когато алфа частица удари водородно ядро, тя увеличава скоростта си 1,6 пъти и ядрото отнема 64% от енергията си от алфа частицата. Такива ускорени ядра лесно се откриват чрез сцинтилации, които се появяват, когато ударят екран от цинков сулфид. Те всъщност са наблюдавани от Марсдън през 1914 г.

Ръдърфорд продължи експериментите на Марсдън, но, както той самият отбеляза, тези експерименти „се провеждаха на много неравномерни интервали, тъй като ежедневните дейности и работа, свързани с войната, позволяваха...“ „Експериментите дори спряха напълно за дълго време.“ Едва след края на войната експериментите се провеждат редовно и резултатите от тях са публикувани през 1919 г. в четири статии под общо име"Сблъсъци на алфа частици с леки атоми."

Устройството, използвано от Ръдърфорд за изследване на такива сблъсъци, беше месингова камера с дължина 18 см, височина 6 см и ширина 2 см. Източникът на алфа частици беше метален диск, покрит с активно вещество. Дискът беше поставен вътре в камерата и можеше да се монтира на различни разстояния от екрана от цинков сулфид, върху който се наблюдаваше сцинтилация с помощта на микроскоп.

Камерата може да се напълни с различни газове (виж фиг. 78).

ориз. 78. Масспектрограф на Dempester

Когато се въвежда сух кислород или въглероден диоксид, броят на сцинтилациите намалява поради абсорбцията на алфа частици от газовия слой. „Неочакван ефект обаче“, пише Ръдърфорд в четвъртата статия, „беше открит, когато в апарата беше вкаран сух въздух. Вместо да намалява, броят на сцинтилациите нараства и за абсорбция, съответстваща приблизително на слой въздух от 19 cm, техният брой е приблизително 2 пъти по-голям от този, наблюдаван във вакуум. От този експеримент стана ясно, че а-частиците, когато преминават през въздуха, пораждат сцинтилации, съответстващи на големи дължини на пътя, чиято яркост за окото изглежда приблизително равна на яркостта на Н-сцинтилациите. Тъй като в кислорода и въглероден диоксидАко такъв ефект не се наблюдава, тогава с голяма вероятност може да се твърди, че този ефект дължи произхода си на азота.

Камерата беше пълна с чист, напълно изсушен азот. „В чистия азот броят на сцинтилациите, съответстващи на дълъг обхват, е по-голям, отколкото във въздуха.“ По този начин „сцинтилациите на дълги разстояния, наблюдавани във въздуха, трябва да се припишат на азота“.

Беше необходимо обаче да се покаже, че алфа частиците с голям обсег, които причиняват сцинтилация, „са резултат от сблъсъци на алфа частици с азотни атоми“.

Диаграма на първата инсталация на Millikan

Чрез многобройни експерименти Ръдърфорд показа, че това наистина е така и че в резултат на такива сблъсъци се получават частици с максимален обхват 28 см, същият като този на Н атомите. „От резултатите, получени досега“, пише Ръдърфорд, „е трудно да се избегне заключението, че атомите на далечни разстояния, получени при сблъсъка на алфа частици с азот, не са азотни атоми, а по всяка вероятност водородни атоми или атоми с маса 2 Ако това е така, тогава трябва да заключим, че азотният атом се разпада поради огромните сили, развити по време на сблъсък с бърза алфа частица, и че освободеният водороден атом представлява неразделна част от атома.

Така беше открит феноменът на разделяне на азотните ядра по време на сблъсъци с бързи алфа-частици и за първи път беше изразена идеята, че водородните ядра са неразделна част от атомните ядра. Впоследствие Ръдърфорд предлага термина "протон" за този компонент на ядрото. Ръдърфорд завършва статията си с думите: „Резултатите като цяло показват, че ако алфа частици или подобни бързо движещи се частици с много по-висока енергия могат да бъдат използвани за експерименти, може да се открие разрушаването на ядрените структури на много леки атоми.“

На 3 юни 1920 г. Ръдърфорд изнася така наречената Бейкърианска лекция, озаглавена „Ядрената структура на атома“. Докладвайки в тази лекция резултатите от своите изследвания върху сблъсъка на алфа-частици с атомни ядра и върху деленето на азотните ядра, Ръдърфорд, обсъждайки природата на продуктите на делене, направи предположение за възможността за съществуване на ядра с маса 3 и 2 и ядра с масата на водородно ядро, но с нулев заряд. При това той изхожда от хипотезата, изразена за първи път от Мария Склодовска-Кюри, че атомното ядро ​​съдържа електрони.

Ръдърфорд пише, че „му изглежда много правдоподобно, че един електрон може да свърже две H ядра и може би дори едно H ядро. Ако първото предположение е вярно, то показва възможността за съществуване на атом с маса около 2 и с един заряд. Такова вещество трябва да се счита за изотоп на водорода. Второто предположение предполага възможността за съществуване на атом с маса 1 и нулев ядрен заряд. Такива образувания изглеждат напълно възможни... Такъв атом би имал абсолютно фантастични свойства. Неговото външно поле трябва да бъде практически равно на нула, с изключение на региони, много близки до ядрото; в резултат на това трябва да има способността да преминава свободно през материята. Съществуването на такъв атом вероятно би било трудно да се открие със спектроскоп и не би било възможно да се съдържа в затворен контейнер. От друга страна, той трябва лесно да навлезе в структурата на атома и или да се комбинира с неговото ядро, или да бъде ускорен от интензивното поле на последното, което води до зареден Н-атом или електрон, или и двете.

Така беше изложена хипотеза за съществуването на неутрон и тежък изотоп на водорода. Изразява се въз основа на хипотезата, предложена от М. Склодовска-Кюри, че ядрата на атомите се състоят от водородни ядра (протони) и електрони.

Тази концепция веднага обяснява характерните ядрени числа A и Z.

Въпреки това, такива характеристики на ядрото като масово число А и заряд Z се оказаха недостатъчни. През 1924 г., преди откриването на въртенето, У. Паули предположи, че ядрото има магнитен момент, който влияе върху движението на орбиталните електрони и по този начин създава свръхфина структура от спектрални линии. Обяснение на фината структура на спектрите чрез наличието на спин-свързани магнитни моментиядра доведе до разделянето на ядрата на два вида. Ядрата от четен тип, които имат цяло число, се подчиняват на статистиката на Бозе; ядрата от нечетен тип, които имат полуцяло въртене, се подчиняват на статистиката на Ферми-Дирак. Следователно, според протонно-електронната теория, ядрата, състоящи се от четен брой електрони и протони, трябва да се подчиняват на статистиката на Бозе, а тези с нечетен брой - на статистиката на Ферми-Дирак.

През 1930 г. се оказва, че ядрото на азота се подчинява на статистиката на Бозе, въпреки че според протонно-електронната теория за структурата на ядрото се състои от 21 частици (14 протона, 7 електрона). Този факт в науката се нарича азотна катастрофа.

През същата година, когато е открита азотната катастрофа, са публикувани резултатите от експериментите на Л. Майтнер и Ортман, потвърждаващи резултатите от експериментите на Елис и Уорчестър през 1927 г. Тези експерименти показват, че общата енергия на (3-лъчи, измерена с дебелостенен микрокалориметър, е по-малка от разликата в енергиите на първоначалното и на крайното ядро, т.е. част от енергията, излъчена от ядрото по време на p-разпадането, изчезва. Това води до явно противоречие със закона на запазване на енергия.

Решението на проблема с азотната катастрофа и загадката на p-спектрите беше дадено въз основа на идеята за съществуването в природата на неутрални частици - тежки, наречени неутрони, и леки - наречени неутрино, т.е. , малък неутрон, по предложение на Ферми.

От книгата Приключенията на господин Томпкинс автор Гъмов Георги

Глава 12 Вътре в ядрото Следващата лекция, на която присъства г-н Томпкинс, беше посветена на вътрешната структура на ядрото като център, около който се въртят атомните електрони, започна професорът. - Задълбочавайки се в структурата на материята, ще опитаме

От книгата [лекция за ученици] автор Иванов Игор Пиерович

Удивителен святвътре в атомното ядро

От книгата Най-новата книгафакти. Том 3 [Физика, химия и технологии. История и археология. Разни] автор Кондрашов Анатолий Павлович

Удивителният свят вътре в атомното ядро

От книгата Неутрино - призрачната частица на атома от Айзък Азимов

От книгата Курс по история на физиката автор Степанович Кудрявцев Павел

От книгата Междупланетно пътуване [Полети до световно пространствои постижение небесни тела] автор Перелман Яков Исидорович

Структура на ядрото Въпреки че въпросът за излъчването на една частица изглеждаше окончателно изяснен, тъй като законът за запазване на електрическия заряд беше изпълнен, физиците продължиха своите изследвания. За тях остава загадка как може да излъчва положително заредено ядро

От книгата История на атомната бомба от Mania Hubert

Отблъскване в рамките на ядрото През 1932 г. става ясно, че ядрата се състоят изключително от протони и неутрони. От повече ранни теории, който твърдеше, че в ядрото има електрони, отказа. Въпреки че това реши много проблеми наведнъж, възникна въпрос, който не е съществувал досега

От книгата Опасност от астероид-комета: вчера, днес, утре автор Шустов Борис Михайлович

Привличане вътре в ядрото Ако, когато разглеждаме атомните ядра, пренебрегнем гравитационните взаимодействия и вземем предвид само електромагнитните, е трудно да се обясни съществуването на ядрото. Частиците, които го изграждат, не можеха да се съберат поради колосални сили

От книгата Мария Кюри. Радиоактивността и елементите [най-добре пазената тайна на материята] автор Пес Адела Муньос

Откриване на атомното ядро ​​Нека разгледаме малко по-подробно едно от фундаменталните открития на Ръдърфорд - откриването на атомното ядро ​​и планетарния модел на атома. Видяхме, че оприличаването на атом на планетарна система е направено в самото начало на 20 век. Но този модел беше труден

От книгата на автора

Протонно-неутронен модел на ядрото 28 май 1932 г съветски физикД. Д. Иваненко публикува бележка в Nature, в която предполага, че неутронът, заедно с протона, е структурен елемент на ядрото. Той посочи, че подобна хипотеза решава проблема с азотната катастрофа. IN

От книгата на автора

Inside the Core Това безпрецедентно пътуване за пътниците от Jules Vernov Core няма да бъде толкова мирно и проспериращо, колкото е описано в романа. Не си мислете обаче, че ги грози опасност по време на пътуването от Земята до Луната. Съвсем не! Ако успеят да останат живи до момента

От книгата на автора

Към глава VIII 6. Налягане вътре в гюле За читатели, които биха искали да проверят изчисленията, споменати на страница 65, ние представяме тук тези прости изчисления. За изчисления ще трябва да използваме само две формули за ускорено движение, а именно: 1) Скорост v в крайна сметка

От книгата на автора

От книгата на автора

4.2. Физически характеристики, структура на ядро ​​Б последното десетилетиепознанията ни за кометите и протичащите върху тях процеси значително се разшириха. Рязкото увеличаване на интереса към кометите беше улеснено от подготовката и провеждането на международното пространство

От книгата на автора

РЪДЪРФОРД И ОТКРИВАНЕТО НА АТОМНОТО ЯДРО Какво се е случило с някой, който е бил добър играч на ръгби на младини и след това преди всеки друг е разбрал, че атомът може да се разпадне? Ърнест Ръдърфорд сложи край на американското си „изгнание“ през януари 1907 г., известно време след смъртта му