Wie dieser Prozess entdeckt und beschrieben wurde. Seine Verwendung als Energiequelle und Atomwaffe wird aufgedeckt.

„Unteilbares“ Atom

Das 21. Jahrhundert ist voll von Ausdrücken wie „Atomenergie“, „Atomtechnologie“ und „radioaktiver Abfall“. Hin und wieder Schlagzeilen Es gibt immer wieder Meldungen über die Möglichkeit einer radioaktiven Kontamination des Bodens, der Ozeane und des Eises der Antarktis. Allerdings hat der Durchschnittsmensch oft keine sehr gute Vorstellung davon, was dieses Wissenschaftsgebiet ist und wie es dabei hilft Alltagsleben. Es lohnt sich vielleicht, mit der Geschichte zu beginnen. Von der ersten Frage an, die ein wohlgenährter und gekleideter Mann stellte, interessierte er sich dafür, wie die Welt funktioniert. Wie das Auge sieht, warum das Ohr hört, wie sich Wasser von Stein unterscheidet – das beschäftigt die Weisen seit jeher. Auch in altes Indien und Griechenland vermuteten einige neugierige Geister, dass es ein minimales Teilchen (es wurde auch „unteilbar“ genannt) gab, das die Eigenschaften eines Materials hatte. Mittelalterliche Chemiker bestätigten die Vermutung der Weisen, und die moderne Definition eines Atoms lautet wie folgt: Ein Atom ist das kleinste Teilchen einer Substanz, das Träger seiner Eigenschaften ist.

Teile eines Atoms

Die Entwicklung der Technik (insbesondere der Fotografie) hat jedoch dazu geführt, dass das Atom nicht mehr als das kleinstmögliche Teilchen der Materie gilt. Und obwohl ein einzelnes Atom elektrisch neutral ist, erkannten Wissenschaftler schnell, dass es aus zwei Teilen mit unterschiedlichen Ladungen besteht. Die Anzahl der positiv geladenen Teile gleicht die Anzahl der negativ geladenen Teile aus, sodass das Atom neutral bleibt. Es gab jedoch kein eindeutiges Modell des Atoms. Da damals noch die klassische Physik vorherrschte, wurden verschiedene Annahmen getroffen.

Atommodelle

Zunächst wurde das Modell „Rosinenbrötchen“ vorgeschlagen. Die positive Ladung schien den gesamten Raum des Atoms auszufüllen, und negative Ladungen waren darin verteilt, wie Rosinen in einem Brötchen. Der berühmte hat Folgendes festgestellt: Im Zentrum des Atoms befindet sich ein sehr schweres Element mit einer positiven Ladung (Kern), und um ihn herum befinden sich viel leichtere Elektronen. Die Masse des Kerns ist hunderte Male schwerer als die Summe aller Elektronen (sie macht 99,9 Prozent der Masse des gesamten Atoms aus). So entstand Bohrs Planetenmodell des Atoms. Einige seiner Elemente widersprachen jedoch der damals akzeptierten klassischen Physik. Daher wurde eine neue, die Quantenmechanik, entwickelt. Mit ihrem Aufkommen begann die nichtklassische Periode der Wissenschaft.

Atom und Radioaktivität

Aus all dem, was oben gesagt wurde, wird deutlich, dass der Kern der schwere, positiv geladene Teil des Atoms ist, der seine Masse ausmacht. Als die Positionen der Elektronen in der Umlaufbahn eines Atoms gut untersucht waren, war es an der Zeit, die Natur zu verstehen Atomkern. Die geniale und unerwartet entdeckte Radioaktivität kam zur Rettung. Es half dabei, das Wesen des schweren zentralen Teils des Atoms aufzudecken, da die Quelle der Radioaktivität die Kernspaltung ist. An der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert kam es zu einer Entdeckung nach der anderen. Die theoretische Lösung eines Problems erforderte die Durchführung neuer Experimente. Die Ergebnisse der Experimente führten zu Theorien und Hypothesen, die bestätigt oder widerlegt werden mussten. Oft größten Entdeckungen erschien einfach deshalb, weil die Formel auf diese Weise für Berechnungen praktisch wurde (wie zum Beispiel das Max-Planck-Quanten). Schon zu Beginn der Ära der Fotografie wussten Wissenschaftler, dass Uransalze lichtempfindliche Filme beleuchten, ahnten jedoch nicht, dass dieses Phänomen auf der Kernspaltung beruhte. Daher wurde die Radioaktivität untersucht, um die Natur des Kernzerfalls zu verstehen. Es ist offensichtlich, dass die Strahlung erzeugt wurde Quantenübergänge, aber es war nicht ganz klar, welche genau. Die Curies bauten reines Radium und Polonium ab und verarbeiteten es fast von Hand Uranerz um die Antwort auf diese Frage zu bekommen.

Radioaktive Ladung

Rutherford hat viel zur Erforschung der Struktur des Atoms beigetragen und zur Untersuchung der Spaltung des Atomkerns beigetragen. Der Wissenschaftler platzierte die von einem radioaktiven Element freigesetzte Strahlung in einem Magnetfeld und erzielte ein erstaunliches Ergebnis. Es stellte sich heraus, dass Strahlung aus drei Komponenten besteht: Eine war neutral und die anderen beiden waren positiv und negativ geladen. Die Erforschung der Kernspaltung begann mit der Identifizierung ihrer Bestandteile. Es wurde nachgewiesen, dass der Kern sich teilen und einen Teil seiner positiven Ladung abgeben kann.

Kernstruktur

Später stellte sich heraus, dass der Atomkern nicht nur aus positiv geladenen Protonenteilchen, sondern auch aus neutralen Neutronenteilchen besteht. Zusammen nennt man sie Nukleonen (vom englischen „nucleus“, Nukleus). Allerdings stießen die Wissenschaftler erneut auf ein Problem: Die Masse des Kerns (also die Anzahl der Nukleonen) entsprach nicht immer seiner Ladung. Im Wasserstoff hat der Kern eine Ladung von +1 und die Masse kann drei, zwei oder eins betragen. Das nächste Helium im Periodensystem hat eine Kernladung von +2, während sein Kern 4 bis 6 Nukleonen enthält. Mehr komplexe Elemente kann bei gleicher Ladung eine viel größere Anzahl unterschiedlicher Massen haben. Diese Variationen von Atomen werden Isotope genannt. Darüber hinaus erwiesen sich einige Isotope als recht stabil, während andere schnell zerfielen, da sie durch Kernspaltung gekennzeichnet waren. Nach welchem ​​Prinzip entsprach die Anzahl der Nukleonen der Stabilität der Kerne? Warum führte die Zugabe von nur einem Neutron zu einem schweren und völlig stabilen Kern zu dessen Spaltung und der Freisetzung von Radioaktivität? Seltsamerweise wurde die Antwort auf diese wichtige Frage noch nicht gefunden. Es stellte sich experimentell heraus, dass stabile Konfigurationen von Atomkernen einer bestimmten Anzahl von Protonen und Neutronen entsprechen. Wenn der Kern 2, 4, 8, 50 Neutronen und/oder Protonen enthält, ist der Kern auf jeden Fall stabil. Diese Zahlen werden sogar Magie genannt (und so nannten sie erwachsene Wissenschaftler und Kernphysiker). Somit hängt die Spaltung von Kernen von ihrer Masse ab, also von der Anzahl der in ihnen enthaltenen Nukleonen.

Tropfen, Muschel, Kristall

Bestimmen Sie den Faktor, der für die Stabilität des Kerns verantwortlich ist dieser Moment gescheitert. Es gibt viele Theorien zu diesem Modell. Die drei bekanntesten und am weitesten entwickelten widersprechen sich in verschiedenen Fragen oft. Dem ersten zufolge ist der Kern ein Tropfen einer speziellen Kernflüssigkeit. Wie Wasser zeichnet es sich durch Fließfähigkeit, Oberflächenspannung, Koaleszenz und Zerfall aus. Im Schalenmodell gibt es auch bestimmte Energieniveaus im Kern, die mit Nukleonen gefüllt sind. Der dritte behauptet, dass der Kern ein Medium ist, das in der Lage ist, spezielle Wellen (De-Broglie-Wellen) zu brechen, und dass der Brechungsindex bei einer bestimmten kritischen Masse dieses bestimmten chemischen Elements bei einer bestimmten kritischen Masse dieses bestimmten chemischen Elements ist. Allerdings konnte noch kein Modell vollständig beschreiben, warum , beginnt die Spaltung des Kerns.

Wie kommt es zum Verfall?

Radioaktivität wurde, wie oben erwähnt, in Substanzen entdeckt, die in der Natur vorkommen: Uran, Polonium, Radium. Beispielsweise ist frisch gefördertes, reines Uran radioaktiv. Der Spaltungsprozess erfolgt in diesem Fall spontan. Ohne äußere Einwirkung emittiert eine bestimmte Anzahl von Uranatomen Alphateilchen und wandelt sich spontan in Thorium um. Es gibt einen Indikator namens Halbwertszeit. Es zeigt an, in welchem ​​Zeitraum etwa die Hälfte der ursprünglichen Stückzahl übrig bleibt. Jedes radioaktive Element hat seine eigene Halbwertszeit – von Sekundenbruchteilen für Kalifornien bis zu Hunderttausenden von Jahren für Uran und Cäsium. Es gibt aber auch induzierte Radioaktivität. Wenn die Atomkerne mit Protonen oder Alphateilchen (Heliumkernen) mit hoher kinetischer Energie beschossen werden, können sie „spalten“. Der Mechanismus der Transformation unterscheidet sich natürlich von dem, wie die Lieblingsvase Ihrer Mutter zerbricht. Es lässt sich jedoch eine gewisse Analogie erkennen.

Atomenergie

Bisher haben wir die praktische Frage nicht beantwortet: Woher kommt die Energie bei der Kernspaltung? Zunächst muss erklärt werden, dass bei der Bildung eines Kerns besondere Kernkräfte wirken, die als starke Wechselwirkung bezeichnet werden. Da der Kern aus vielen positiven Protonen besteht, bleibt die Frage, wie sie zusammenhalten, da elektrostatische Kräfte sie ziemlich stark voneinander abstoßen müssen. Die Antwort ist ebenso einfach wie nicht: Der Kern wird durch den sehr schnellen Austausch spezieller Teilchen zwischen Nukleonen – Pi-Mesonen – zusammengehalten. Diese Verbindung ist unglaublich kurzlebig. Sobald der Austausch der Pi-Mesonen aufhört, zerfällt der Kern. Es ist auch sicher bekannt, dass die Masse des Kerns geringer ist als die Summe aller seiner Nukleonenbestandteile. Dieses Phänomen wird Massendefekt genannt. Tatsächlich ist die fehlende Masse die Energie, die aufgewendet wird, um die Integrität des Kerns aufrechtzuerhalten. Sobald ein Teil vom Atomkern abgetrennt wird, wird diese Energie freigesetzt und in Kernkraftwerken in Wärme umgewandelt. Das heißt, die Kernspaltungsenergie ist ein klarer Beweis für Einsteins berühmte Formel. Erinnern wir uns daran, dass die Formel besagt: Energie und Masse können ineinander umgewandelt werden (E=mc 2).

Theorie und Praxis

Jetzt erzählen wir Ihnen, wie diese rein theoretische Entdeckung im wirklichen Leben genutzt wird, um Gigawatt Strom zu erzeugen. Zunächst ist zu beachten, dass kontrollierte Reaktionen eine erzwungene Kernspaltung nutzen. Am häufigsten handelt es sich dabei um Uran oder Polonium, die von schnellen Neutronen beschossen werden. Zweitens kann man nicht umhin zu verstehen, dass die Kernspaltung mit der Entstehung neuer Neutronen einhergeht. Dadurch kann die Zahl der Neutronen in der Reaktionszone sehr schnell ansteigen. Jedes Neutron kollidiert mit neuen, noch intakten Kernen und spaltet diese, was zu einer erhöhten Wärmefreisetzung führt. Dabei handelt es sich um eine Kettenreaktion der Kernspaltung. Ein unkontrollierter Anstieg der Neutronenzahl in einem Reaktor kann zu einer Explosion führen. Genau das geschah 1986 Kernkraftwerk Tschernobyl. Daher befindet sich in der Reaktionszone immer eine Substanz, die überschüssige Neutronen absorbiert und so eine Katastrophe verhindert. Dabei handelt es sich um Graphit in Form langer Stäbe. Durch Eintauchen der Stäbe in die Reaktionszone kann die Geschwindigkeit der Kernspaltung verlangsamt werden. Die Gleichung wird speziell für jeden aktiven radioaktiven Stoff und die ihn beschießenden Teilchen (Elektronen, Protonen, Alphateilchen) erstellt. Die endgültige Energieausbeute wird jedoch nach dem Erhaltungssatz berechnet: E1+E2=E3+E4. Das heißt, die Gesamtenergie des ursprünglichen Kerns und Teilchens (E1 + E2) muss gleich der Energie des resultierenden Kerns und der in freier Form freigesetzten Energie (E3 + E4) sein. Die Gleichung für eine Kernreaktion zeigt auch, welche Substanz beim Zerfall entsteht. Zum Beispiel für Uran U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Isotope chemischer Elemente werden hier nicht angegeben, aber das ist wichtig. Beispielsweise gibt es bis zu drei Möglichkeiten der Uranspaltung, bei der unterschiedliche Isotope von Blei und Neon entstehen. In fast hundert Prozent der Fälle entstehen bei der Kernspaltung radioaktive Isotope. Das heißt, beim Zerfall von Uran entsteht radioaktives Thorium. Thorium kann zu Protactinium, dieses zu Actinium usw. zerfallen. Sowohl Wismut als auch Titan können in dieser Serie radioaktiv sein. Sogar Wasserstoff, der zwei Protonen im Kern enthält (die Norm ist ein Proton), wird anders genannt – Deuterium. Mit diesem Wasserstoff gebildetes Wasser wird als schwer bezeichnet und füllt den Primärkreislauf in Kernreaktoren.

Unfriedliches Atom

Ausdrücke wie „Wettrüsten“, „ kalter Krieg„, „atomare Bedrohung“ für den modernen Menschen mag historisch und irrelevant erscheinen. Aber es gab einmal eine Zeit, in der fast überall auf der Welt in jeder Pressemitteilung berichtet wurde, wie viele Arten von Atomwaffen erfunden worden seien und wie man mit ihnen umgehe. Die Menschen bauten unterirdische Bunker und lagerten Vorräte für alle Fälle Nuklearer Winter. Ganze Familien arbeiteten daran, das Tierheim zu errichten. Auch die friedliche Nutzung nuklearer Spaltungsreaktionen kann zur Katastrophe führen. Es scheint, dass Tschernobyl die Menschheit gelehrt hat, in diesem Bereich vorsichtig zu sein, doch die Elemente des Planeten erwiesen sich als stärker: Das Erdbeben in Japan beschädigte die sehr zuverlässigen Befestigungen des Kernkraftwerks Fukushima. Die Energie einer Kernreaktion lässt sich viel einfacher zur Zerstörung nutzen. Technologen müssen lediglich die Kraft der Explosion begrenzen, um nicht versehentlich den gesamten Planeten zu zerstören. Die „humansten“ Bomben, wenn man sie so nennen kann, belasten die Umgebung nicht mit Strahlung. Im Allgemeinen nutzen sie am häufigsten eine unkontrollierte Kettenreaktion. Was man in Kernkraftwerken um jeden Preis vermeiden will, wird mit Bomben auf sehr primitive Weise erreicht. Für jedes natürlich radioaktive Element gibt es eine bestimmte kritische Masse reine Substanz, bei dem die Kettenreaktion von selbst startet. Bei Uran beispielsweise sind es nur fünfzig Kilogramm. Da Uran sehr schwer ist, handelt es sich nur um eine kleine Metallkugel mit einem Durchmesser von 12 bis 15 Zentimetern. Die ersten Atombomben, die auf Hiroshima und Nagasaki abgeworfen wurden, wurden nach genau diesem Prinzip hergestellt: Zwei ungleiche Teile reinen Urans vermischten sich einfach und erzeugten eine schreckliche Explosion. Moderne Waffen sind wahrscheinlich anspruchsvoller. Wir sollten jedoch die kritische Masse nicht vergessen: Zwischen kleinen Mengen reiner radioaktiver Substanz während der Lagerung müssen Barrieren vorhanden sein, die eine Verbindung der Teile verhindern.

Strahlungsquellen

Alle Elemente mit einer atomaren Kernladung von mehr als 82 sind radioaktiv. Fast alle leichteren chemischen Elemente haben radioaktive Isotope. Je schwerer der Kern, desto kürzer ist seine Lebensdauer. Einige Elemente (z. B. Kalifornien) können nur künstlich gewonnen werden – durch Kollision schwerer Atome mit leichteren Teilchen, meist in Beschleunigern. Da sie sehr instabil sind, Erdkruste Sie sind nicht da: Während der Entstehung des Planeten zerfielen sie sehr schnell in andere Elemente. Es können Stoffe mit leichteren Kernen wie Uran abgebaut werden. Dieser Prozess ist langwierig; selbst sehr ergiebige Erze enthalten weniger als ein Prozent abbaubares Uran. Der dritte Weg deutet vielleicht darauf hin, dass ein neues geologisches Zeitalter bereits begonnen hat. Dabei handelt es sich um die Gewinnung radioaktiver Elemente aus radioaktivem Abfall. Nach der Verarbeitung des Brennstoffs in einem Kraftwerk, auf einem U-Boot oder auf einem Flugzeugträger entsteht eine Mischung aus dem Ausgangsstoff Uran und dem Endstoff, dem Ergebnis der Spaltung. Im Moment gilt es als solide radioaktiver Müll und die dringende Frage ist, wie man sie begräbt, damit sie nicht verschmutzen Umfeld. Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass es in naher Zukunft zu Fertigkonzentraten kommt radioaktive Substanzen(zum Beispiel Polonium) wird aus diesem Abfall gewonnen.

26. November 1894. In St. Petersburg fand die Hochzeit des russischen Zaren Nikolaus II. und der deutschen Prinzessin Alice von Hessen-Darmstadt statt. Nach der Hochzeit nahm die Frau des Kaisers an Orthodoxer Glaube und erhielt den Namen Alexandra Fjodorowna.

27. November 1967. Im Moskauer Kino „Mir“ fand die Premiere des ersten sowjetischen Thrillers „Viy“ statt. Die Hauptrollen spielten Leonid Kuravlev und Natalia Varley. Die Dreharbeiten fanden in der Region Iwano-Frankiwsk und im Dorf Sednev in der Region Tschernihiw statt.

28. November 1942 die Sowjetunion schloss mit Frankreich ein Abkommen über einen gemeinsamen Kampf gegen Nazi-Deutschland in der Luft. Das erste französische Fliegergeschwader „Normandie-Niemen“ bestand aus 14 Piloten und 17 Technikern.

29. November 1812 Napoleons Armee wurde beim Überqueren des Flusses Beresina besiegt. Napoleon verlor etwa 35.000 Menschen. Die Verluste der russischen Truppen beliefen sich laut Inschrift an der 25. Wand der Galerie des militärischen Ruhms der Christ-Erlöser-Kathedrale auf 4.000 Soldaten. Fast 10.000 Franzosen wurden vom russischen General Peter Wittgenstein gefangen genommen.

1. Dezember 1877 Im Dorf Markovka in der Region Winnyzja lebt Nikolai Leontowitsch, ein ukrainischer Komponist, Chorleiter und Autor der Lieder „Dudarik“, „Der Kosak trägt“, „Mala, Mutter einer Tochter“, „Schtschedrik“ (das Lied ist bekannt). im Westen als Weihnachtslied der Glocken („Carol of the Bells“).

1. Dezember 1991. Zur Frage der staatlichen Unabhängigkeit der Ukraine fand ein gesamtukrainisches Referendum statt. Leonid Krawtschuk wurde zum ersten Präsidenten des Landes gewählt.

2. Dezember 1942. Der Physiker Enrico Fermi und eine Gruppe amerikanischer Wissenschaftler von der University of Chicago führten eine kontrollierte Kernreaktion durch und spalteten erstmals ein Atom.

Am 1. Dezember 1992 wurde die ukrainische Domain UA in der internationalen Datenbank registriert

Unter den ersteren Sowjetrepubliken Die Ukraine erhielt am 1. Dezember 1992 als erstes Land eine nationale Internetdomain. Russland wurde später registriert: Die RU-Domain erschien am 7. April 1994. Im selben Jahr erhielt die Republik Belarus ihre eigenen Domänen – BY, Armenien – AM und Kasachstan – KZ. Und die erste nationale Domain in der Geschichte des Internets war die amerikanische USA, sie wurde im März 1985 registriert. Gleichzeitig entstanden die Domänen Großbritannien – UK und Israel – IL. Durch die Erstellung eines Domänensystems war es möglich, anhand des Namens der Site sofort zu erkennen, wo sie sich befand.

Im Januar 1993 wurden auf einer Konferenz ukrainischer Internetspezialisten im Dorf Slavskoye in der Region Lemberg 27 Domains vorgeschlagen, die auf geografischer Basis erstellt und anhand des Telefonnummerncodes ausgewählt wurden. Ukrainische Städte und Unternehmen haben die Möglichkeit, eigene Websites im Internet zu erstellen, zum Beispiel kiev.ua, crimea.ua, dnepropetrovsk.ua. Alle Verantwortlichkeiten für ihre Verwaltung wurden weiterhin von Einzelpersonen auf freiwilliger Basis wahrgenommen. In einigen öffentlichen Bereichen wird diese Praxis bis heute fortgesetzt. Jetzt hat jede nationale oder geografische Domain ihren eigenen Administrator – ein Unternehmen oder eine Einzelperson, die die Registrierungsregeln festlegt. Im Laufe der Zeit hat das Internet eine eigene Version der Sprache hervorgebracht. Ein Domainname, der mit der Abkürzung COM, NET, EDU endet, steht für die Abkürzung allgemeines Konzept. Beispielsweise ist COM kommerziell, NET ist Netzwerk und EDU ist pädagogisch. In unserem Land ist COM die beliebteste Domain. Um die Ordnung wiederherzustellen, wurde im Frühjahr 2001 schließlich die juristische Person Hostmaster LLC gegründet, der Administratoren von UA ​​und anderen ukrainischen Domains angehörten. Einzelpersonen, ehemalige Eigentümer der ukrainischen Domain UA, haben einen Teil ihrer Befugnisse offiziell an „Hostmaster“ übertragen.

Heutzutage kann jeder seine eigene Website erstellen und eine Domain erhalten. Die erste Phase, in der nur Markeninhaber Domains in der UA-Zone registrieren konnten, ist bereits abgeschlossen. Seit 2010 ist die kostenlose Domainregistrierung für jedermann für einen Zeitraum von zehn Jahren möglich; der Preis für die Nutzung einer Domain für ein Jahr beträgt 90 Griwna. Der erste, der das Internet vorhersagte, war übrigens ein Schriftsteller, Philosoph und Persönlichkeit des öffentlichen Lebens Wladimir Odojewski aus dem 19. Jahrhundert. In dem 1837 erschienenen Roman „Jahr 4338“ schrieb Odoevsky: „ Zwischen bekannten Häusern werden Magnettelegrafen installiert, über die weit entfernt lebende Menschen miteinander kommunizieren." Jetzt kann jeder von uns durch Öffnen einer Website im Internet, ohne das Haus zu verlassen, Luft und Luft kaufen Bahnticket, kaufen Sie in einem Elektronik-Supermarkt ein, veröffentlichen Sie Ihre Werke ohne Zwischenhändler und finden Sie sogar einen Lebenspartner auf einer Dating-Website. Zwanzigjährige können sich kaum eine Zeit vorstellen, in der sie in die Bibliothek gingen, um Bücher zu kaufen, Briefe handschriftlich geschrieben wurden und Nachrichten nur aus Fernsehsendungen oder gedruckten Publikationen erfuhren.

6. Die Welt der subatomaren Teilchen

Spaltung des Atoms

Es wird oft gesagt, dass es zwei Arten von Wissenschaften gibt – große und kleine Wissenschaften. Die Spaltung des Atoms ist eine große Wissenschaft. Es verfügt über gigantische Versuchsanlagen, kolossale Budgets und erhält den Löwenanteil der Nobelpreise.

Warum mussten Physiker das Atom spalten? Die einfache Antwort – zu verstehen, wie das Atom funktioniert – enthält nur einen Teil der Wahrheit, aber es gibt einen allgemeineren Grund. Es ist nicht ganz richtig, wörtlich von der Spaltung des Atoms zu sprechen. In der Wirklichkeit wir reden überüber die Kollision hochenergetischer Teilchen. Wenn subatomare Teilchen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, kollidieren, entsteht eine neue Welt von Wechselwirkungen und Feldern. Die Fragmente der Materie, die eine enorme Anergie tragen und nach Kollisionen zerstreuen, verbergen die Geheimnisse der Natur, die seit der „Erschaffung der Welt“ in den Tiefen des Atoms verborgen blieben.

Die Anlagen, in denen hochenergetische Teilchen kollidieren – Teilchenbeschleuniger – sind durch ihre Größe und Kosten auffallend. Sie erreichen einen Durchmesser von mehreren Kilometern, sodass selbst Laboratorien, die Teilchenkollisionen untersuchen, im Vergleich winzig erscheinen. In anderen Bereichen wissenschaftliche Forschung Die Geräte befinden sich im Labor, in der Hochenergiephysik sind Labore an den Beschleuniger angeschlossen. Kürzlich hat das Europäische Zentrum für Kernforschung (CERN) in der Nähe von Genf mehrere hundert Millionen Dollar für den Bau eines Ringbeschleunigers bereitgestellt. Der Umfang des zu diesem Zweck gebauten Tunnels beträgt 27 km. Der Beschleuniger namens LEP (Large Electron-Positron Ring) soll Elektronen und ihre Antiteilchen (Positronen) auf Geschwindigkeiten beschleunigen, die nur um Haaresbreite von der Lichtgeschwindigkeit entfernt sind. Um eine Vorstellung von der Größenordnung der Energie zu bekommen, stellen Sie sich vor, dass anstelle von Elektronen eine Penny-Münze auf solche Geschwindigkeiten beschleunigt wird. Am Ende des Beschleunigungszyklus hätte es genug Energie, um Strom im Wert von 1.000 Millionen US-Dollar zu erzeugen! Es ist nicht verwunderlich, dass solche Experimente üblicherweise der „Hochenergie“-Physik zugeordnet werden. Elektronen- und Positronenstrahlen, die sich innerhalb des Rings aufeinander zubewegen, kollidieren frontal, wobei die Elektronen und Positronen vernichtet werden und dabei genügend Energie freisetzen, um Dutzende anderer Teilchen zu erzeugen.

Was sind diese Teilchen? Einige von ihnen sind die eigentlichen „Bausteine“, aus denen wir aufgebaut sind: Protonen und Neutronen, aus denen Atomkerne bestehen, und Elektronen, die die Atomkerne umkreisen. Andere Teilchen kommen normalerweise nicht in der Materie um uns herum vor: Ihre Lebensdauer ist extrem kurz und nach Ablauf dieser Zeit zerfallen sie in gewöhnliche Teilchen. Die Vielfalt der instabilen kurzlebigen Teilchen ist erstaunlich: Mehrere Hundert davon sind bereits bekannt. Ebenso wie Sterne sind instabile Teilchen zu zahlreich, als dass sie namentlich identifiziert werden könnten. Viele von ihnen werden nur durch griechische Buchstaben gekennzeichnet, andere nur durch Zahlen.

Es ist wichtig zu bedenken, dass all diese zahlreichen und vielfältigen instabilen Teilchen keineswegs wörtlich genommen werden Komponenten Protonen, Neutronen oder Elektronen. Bei der Kollision zerstreuen sich hochenergetische Elektronen und Positronen nicht in viele subatomare Fragmente. Selbst bei Kollisionen hochenergetischer Protonen, die offensichtlich aus anderen Objekten (Quarks) bestehen, werden sie in der Regel nicht im üblichen Sinne in ihre Bestandteile zerlegt. Was bei solchen Kollisionen passiert, kann man besser als die direkte Entstehung neuer Teilchen aus der Energie der Kollision betrachten.

Vor etwa zwanzig Jahren waren die Physiker völlig verblüfft über die scheinbar endlose Zahl und Vielfalt neuer subatomarer Teilchen. Es war unmöglich zu verstehen wofür so viele Teilchen. Vielleicht ähneln Elementarteilchen den Bewohnern eines Zoos, mit ihrer impliziten Familienzugehörigkeit, aber ohne klare Taxonomie. Oder sind Elementarteilchen vielleicht, wie einige Optimisten glaubten, der Schlüssel zum Universum? Was sind die von Physikern beobachteten Teilchen: unbedeutende und zufällige Materiefragmente oder die Umrisse einer vage wahrgenommenen Ordnung, die vor unseren Augen auftauchen und auf die Existenz einer reichen und komplexen Struktur der subnuklearen Welt hinweisen? Nun besteht kein Zweifel mehr an der Existenz einer solchen Struktur. Es gibt eine tiefe und rationale Ordnung in der Mikrowelt, und wir beginnen, die Bedeutung all dieser Teilchen zu verstehen.

Der erste Schritt zum Verständnis der Mikrowelt erfolgte wie im 18. Jahrhundert mit der Systematisierung aller bekannten Teilchen. Biologen erstellten detaillierte Kataloge von Pflanzen- und Tierarten. Zu den wichtigsten Eigenschaften subatomarer Teilchen gehören Masse, elektrische Ladung und Spin.

Da Masse und Gewicht zusammenhängen, werden Partikel mit hoher Masse oft als „schwer“ bezeichnet. Einsteins Beziehung E =mc^ 2 zeigt an, dass die Masse eines Teilchens von seiner Energie und damit von seiner Geschwindigkeit abhängt. Ein bewegtes Teilchen ist schwerer als ein stationäres. Wenn sie über die Masse eines Teilchens sprechen, meinen sie es ernst Menge, die übrig bleibt, da diese Masse nicht vom Bewegungszustand abhängt. Ein Teilchen mit der Ruhemasse Null bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Das offensichtlichste Beispiel für ein Teilchen mit einer Ruhemasse von Null ist das Photon. Es wird angenommen, dass das Elektron das leichteste Teilchen mit einer Ruhemasse ungleich Null ist. Proton und Neutron sind fast 2.000-mal schwerer, während das schwerste im Labor erzeugte Teilchen (das Z-Teilchen) etwa 200.000-mal die Masse des Elektrons hat.

Die elektrische Ladung von Teilchen variiert in einem ziemlich engen Bereich, ist aber, wie wir bereits festgestellt haben, immer ein Vielfaches der Grundeinheit der Ladung. Einige Teilchen wie Photonen und Neutrinos haben keine elektrische Ladung. Wenn man die Ladung eines positiv geladenen Protons mit +1 annimmt, dann beträgt die Ladung des Elektrons -1.

In Kap. 2 haben wir eine weitere Eigenschaft von Teilchen eingeführt – den Spin. Es werden auch immer Werte angenommen, die ein Vielfaches einer Grundeinheit sind, die aus historischen Gründen als 1 gewählt wurde /2. Somit haben ein Proton, ein Neutron und ein Elektron einen Spin 1/2, und der Spin des Photons ist 1. Teilchen mit Spin 0, 3/2 und 2 sind ebenfalls bekannt. Elementarteilchen mit Spin größer als 2 wurden nicht entdeckt, und Theoretiker glauben, dass Teilchen mit solchen Spins nicht existieren.

Der Spin eines Teilchens ist ein wichtiges Merkmal und je nach Wert werden alle Teilchen in zwei Klassen eingeteilt. Teilchen mit den Spins 0, 1 und 2 werden „Bosonen“ genannt – nach dem indischen Physiker Chatyendranath Bose, und Teilchen mit halbzahligem Spin (also mit Spin 1/2 oder 3/2). - „Fermionen“ zu Ehren von Enrico Fermi. Die Zugehörigkeit zu einer dieser beiden Klassen ist wahrscheinlich die wichtigste in der Liste der Eigenschaften eines Partikels.

Ein weiteres wichtiges Merkmal eines Teilchens ist seine Lebensdauer. Bis vor kurzem glaubte man, dass Elektronen, Protonen, Photonen und Neutrinos absolut stabil seien, d. h. haben eine unendlich lange Lebensdauer. Das Neutron bleibt stabil, solange es im Kern „eingesperrt“ ist, aber ein freies Neutron zerfällt in etwa 15 Minuten. Alle anderen bekannten Teilchen in Höchster Abschluss sind instabil, ihre Lebensdauer liegt zwischen wenigen Mikrosekunden und 10-23 s. Solche Zeitintervalle scheinen unvorstellbar klein zu sein, aber wir sollten nicht vergessen, dass ein Teilchen, das mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit fliegt (und die meisten in Beschleunigern geborenen Teilchen bewegen sich mit genau dieser Geschwindigkeit), es schafft, in einer Mikrosekunde eine Strecke von 300 m zurückzulegen.

Instabile Teilchen unterliegen einem Zerfall, einem Quantenprozess, und daher ist der Zerfall immer mit einem Element der Unvorhersehbarkeit verbunden. Die Lebensdauer eines bestimmten Teilchens lässt sich nicht im Voraus vorhersagen. Aufgrund statistischer Überlegungen kann nur die durchschnittliche Lebensdauer vorhergesagt werden. Normalerweise spricht man von der Halbwertszeit eines Teilchens – der Zeit, in der sich die Population identischer Teilchen um die Hälfte reduziert. Das Experiment zeigt, dass die Abnahme der Populationsgröße exponentiell erfolgt (siehe Abb. 6) und die Halbwertszeit 0,693 der durchschnittlichen Lebenszeit beträgt.

Für Physiker reicht es nicht aus zu wissen, dass dieses oder jenes Teilchen existiert – sie streben danach, seine Rolle zu verstehen. Die Antwort auf diese Frage hängt von den Eigenschaften der oben aufgeführten Partikel sowie von ab Natur der Kräfte, die von außen und von innen auf das Teilchen einwirkt. Die Eigenschaften eines Teilchens werden zunächst durch seine Fähigkeit (oder Unfähigkeit) bestimmt, an starken Wechselwirkungen teilzunehmen. An starken Wechselwirkungen beteiligte Teilchen bilden eine besondere Klasse und werden aufgerufen androns. Teilchen, die an schwachen Wechselwirkungen teilnehmen und an starken Wechselwirkungen nicht teilnehmen, werden aufgerufen Leptonen, was „Lunge“ bedeutet. Werfen wir einen kurzen Blick auf jede dieser Familien.

Leptonen

Das bekannteste Lepton ist das Elektron. Wie alle Leptonen scheint es ein elementares, punktförmiges Objekt zu sein. Soweit bekannt, hat das Elektron keine innere Struktur, d.h. besteht aus keinen anderen Teilchen. Obwohl Leptonen eine elektrische Ladung haben können oder auch nicht, haben sie alle den gleichen Spin 1/2, daher werden sie als Fermionen klassifiziert.

Ein weiteres bekanntes Lepton, allerdings ohne Ladung, ist das Neutrino. Wie bereits in Kap. 2, Neutrinos sind so schwer zu fassen wie Geister. Da Neutrinos weder an der starken noch an der elektromagnetischen Wechselwirkung teilnehmen, ignorieren sie die Materie fast vollständig und dringen durch sie hindurch, als ob sie überhaupt nicht vorhanden wäre. Die hohe Durchdringungsfähigkeit von Neutrinos machte es lange Zeit sehr schwierig, ihre Existenz experimentell zu bestätigen. Erst fast drei Jahrzehnte nach der Vorhersage der Neutrinos wurden sie schließlich im Labor entdeckt. Die Physiker mussten auf die Schaffung von Kernreaktoren warten, die emittieren große Menge Neutrino, und erst dann war es möglich, den Frontalzusammenstoß eines Teilchens mit dem Kern zu registrieren und damit zu beweisen, dass es wirklich existiert. Heute ist es möglich, viel mehr Experimente mit Neutrinostrahlen durchzuführen, die beim Zerfall von Teilchen in einem Beschleuniger entstehen und die notwendigen Eigenschaften aufweisen. Die überwiegende Mehrheit der Neutrinos „ignoriert“ das Ziel, aber von Zeit zu Zeit interagieren Neutrinos dennoch mit dem Ziel, was es ermöglicht, sie zu erhalten nützliche Informationenüber die Struktur anderer Teilchen und die Natur der schwachen Wechselwirkung. Natürlich erfordert die Durchführung von Experimenten mit Neutrinos im Gegensatz zu Experimenten mit anderen subatomaren Teilchen keinen besonderen Schutz. Die Durchschlagskraft von Neutrinos ist so groß, dass sie völlig ungefährlich sind und den menschlichen Körper passieren, ohne ihm den geringsten Schaden zuzufügen.

Trotz ihrer Ungreifbarkeit nehmen Neutrinos unter anderen bekannten Teilchen eine Sonderstellung ein, da sie die am häufigsten vorkommenden Teilchen im gesamten Universum sind und die Zahl der Elektronen und Protonen um eine Milliarde zu eins übersteigt. Das Universum ist im Wesentlichen ein Meer aus Neutrinos mit gelegentlichen Einschlüssen in Form von Atomen. Es ist sogar möglich, dass die Gesamtmasse der Neutrinos die Gesamtmasse der Sterne übersteigt und daher Neutrinos den Hauptbeitrag zur kosmischen Schwerkraft leisten. Laut einer Gruppe sowjetischer Forscher haben Neutrinos eine winzige, aber nicht null Ruhemasse (weniger als ein Zehntausendstel der Masse eines Elektrons); Wenn dies zutrifft, dominieren Gravitationsneutrinos das Universum, was in Zukunft zu seinem Zusammenbruch führen könnte. Somit sind Neutrinos, auf den ersten Blick die „harmlosesten“ und körperlosesten Teilchen, in der Lage, den Zusammenbruch des gesamten Universums herbeizuführen.

Unter anderen Leptonen ist das Myon zu erwähnen, das 1936 in den Produkten der Wechselwirkung kosmischer Strahlung entdeckt wurde; Es stellte sich heraus, dass es eines der ersten bekannten instabilen subatomaren Teilchen war. Mit Ausnahme der Stabilität ähnelt das Myon in jeder Hinsicht einem Elektron: Es hat die gleiche Ladung und den gleichen Spin, nimmt an den gleichen Wechselwirkungen teil, hat aber eine größere Masse. In etwa zwei Millionstel Sekunden zerfällt das Myon in ein Elektron und zwei Neutrinos. Myonen sind in der Natur weit verbreitet und machen einen erheblichen Teil der kosmischen Hintergrundstrahlung aus, die von einem Geigerzähler auf der Erdoberfläche erfasst wird.

Viele Jahre lang blieben das Elektron und das Myon die einzigen bekannten geladenen Leptonen. Dann, in den späten 1970er Jahren, wurde ein drittes geladenes Lepton entdeckt, das Tau-Lepton. Mit einer Masse von etwa 3500 Elektronenmassen ist das Tau-Lepton offensichtlich das „Schwergewicht“ des Trios geladener Leptonen, ansonsten verhält es sich jedoch wie ein Elektron und ein Myon.

Diese Liste bekannter Leptonen ist keineswegs erschöpfend. In den 60er Jahren wurde entdeckt, dass es mehrere Arten von Neutrinos gibt. Neutrinos einer Art entstehen zusammen mit einem Elektron beim Zerfall eines Neutrons, Neutrinos einer anderen Art entstehen bei der Geburt eines Myons. Jede Neutrinoart existiert paarweise mit ihrem eigenen geladenen Lepton; daher gibt es ein „Elektronen-Neutrino“ und ein „Myon-Neutrino“. Aller Wahrscheinlichkeit nach sollte es auch eine dritte Art von Neutrino geben – begleitend zur Geburt des Tau-Leptons. In diesem Fall Gesamtzahl Es gibt drei Arten von Neutrinos und die Gesamtzahl der Leptonen beträgt sechs (Tabelle 1). Natürlich hat jedes Lepton sein eigenes Antiteilchen; somit beträgt die Gesamtzahl der verschiedenen Leptonen zwölf.

Tabelle 1

Sechs Leptonen entsprechen geladenen und neutralen Modifikationen (Antiteilchen sind in der Tabelle nicht enthalten). Masse und Ladung werden in Einheiten der Elektronenmasse bzw. -ladung ausgedrückt. Es gibt Hinweise darauf, dass Neutrinos eine geringe Masse haben könnten

Hadronen

Im Gegensatz zu den wenigen bekannten Leptonen gibt es buchstäblich Hunderte von Hadronen. Dies allein lässt darauf schließen, dass Hadronen keine Elementarteilchen sind, sondern aus kleineren Bestandteilen aufgebaut sind. Alle Hadronen nehmen an starken, schwachen und gravitativen Wechselwirkungen teil, kommen jedoch in zwei Varianten vor – elektrisch geladen und neutral. Unter den Hadronen sind das Neutron und das Proton die bekanntesten und am weitesten verbreiteten. Die verbleibenden Hadronen sind kurzlebig und zerfallen aufgrund der schwachen Wechselwirkung entweder in weniger als einer Millionstel Sekunde oder aufgrund der starken Wechselwirkung viel schneller (in einer Zeit in der Größenordnung von 10–23 s).

In den 1950er Jahren waren die Physiker äußerst verwirrt über die Anzahl und Vielfalt der Hadronen. Doch nach und nach wurden die Teilchen nach drei wichtigen Merkmalen klassifiziert: Masse, Ladung und Spin. Allmählich zeichneten sich Anzeichen von Ordnung ab und es zeichnete sich ein klares Bild ab. Es gibt Hinweise darauf, dass sich hinter dem scheinbaren Chaos der Daten Symmetrien verbergen. Ein entscheidender Schritt zur Lösung des Rätsels der Hadronen erfolgte 1963, als Murray Gell-Mann und George Zweig vom California Institute of Technology die Theorie der Quarks vorschlugen.

Abb.10 Hadronen bestehen aus Quarks. Ein Proton (oben) besteht aus zwei Up-Quarks und einem D-Quark. Das leichtere Pion (unten) ist ein Meson, bestehend aus einem U-Quark und einem D-Antiquark. Andere Hadronen sind alle möglichen Kombinationen von Quarks.

Die Grundidee dieser Theorie ist sehr einfach. Alle Hadronen bestehen aus kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks. Quarks können sich auf zwei Arten miteinander verbinden mögliche Wege: entweder in Tripletts oder in Quark-Antiquark-Paaren. Relativ schwere Teilchen bestehen aus drei Quarks - Baryonen, was „schwere Partikel“ bedeutet. Die bekanntesten Baryonen sind das Neutron und das Proton. Leichtere Quark-Antiquark-Paare bilden sogenannte Teilchen Mesonen -„Zwischenpartikel“. Die Wahl dieses Namens erklärt sich aus der Tatsache, dass die ersten entdeckten Mesonen eine mittlere Massenposition zwischen Elektronen und Protonen einnahmen. Um alle damals bekannten Hadronen zu berücksichtigen, führten Gell-Mann und Zweig drei verschiedene Arten („Flavours“) von Quarks ein, die eher ausgefallene Namen erhielten: Und(aus hoch - Oberer, höher), D(aus runter - niedriger) und s (von seltsam- seltsam). Indem wir die Möglichkeit verschiedener Geschmackskombinationen berücksichtigen, können wir die Existenz erklären große Zahl Hadronen. Ein Proton besteht beispielsweise aus zwei Und- und einem D-Quark (Abb. 10), und das Neutron besteht aus zwei D-Quarks und einem U-Quark.

Damit die von Gell-Mann und Zweig vorgeschlagene Theorie wirksam ist, muss man annehmen, dass Quarks eine gebrochene elektrische Ladung tragen. Mit anderen Worten, sie haben eine Ladung, deren Wert entweder 1/3 oder 2/3 der Grundeinheit – der Ladung des Elektrons – beträgt. Eine Kombination aus zwei und drei Quarks kann eine Gesamtladung von null oder eins haben. Alle Quarks haben Spin 1/2. daher werden sie als Fermionen klassifiziert. Die Massen von Quarks lassen sich nicht so genau bestimmen wie die Massen anderer Teilchen, da ihre Bindungsenergie in einem Hadron mit den Massen der Quarks selbst vergleichbar ist. Es ist jedoch bekannt, dass das S-Quark schwerer ist Und- und D-Quarks.

Im Inneren von Hadronen können sich Quarks in angeregten Zuständen befinden, ähnlich den angeregten Zuständen eines Atoms, jedoch mit viel höheren Energien. Die in einem angeregten Hadron enthaltene überschüssige Energie erhöht seine Masse so stark, dass Physiker vor der Entstehung der Quark-Theorie angeregte Hadronen fälschlicherweise für völlig andere Teilchen hielten. Es wurde nun festgestellt, dass viele der scheinbar unterschiedlichen Hadronen in Wirklichkeit nur angeregte Zustände derselben fundamentalen Menge von Quarks sind.

Wie bereits in Kap. 5, Quarks werden durch starke Wechselwirkung zusammengehalten. Sie nehmen aber auch an schwachen Wechselwirkungen teil. Die schwache Wechselwirkung kann den Geschmack eines Quarks verändern. So kommt es zum Neutronenzerfall. Eines der D-Quarks im Neutron verwandelt sich in ein U-Quark und die überschüssige Ladung trägt das gleichzeitig entstehende Elektron mit. In ähnlicher Weise führt die schwache Wechselwirkung durch Änderung des Geschmacks zum Zerfall anderer Hadronen.

Die Existenz von S-Quarks ist für den Aufbau sogenannter „seltsamer“ Teilchen – schwerer Hadronen, notwendig, die Anfang der 50er Jahre entdeckt wurden. Das ungewöhnliche Verhalten dieser Teilchen, das ihren Namen vermuten ließ, bestand darin, dass sie aufgrund starker Wechselwirkungen nicht zerfallen konnten, obwohl sowohl sie selbst als auch ihre Zerfallsprodukte Hadronen waren. Physiker rätseln darüber, warum, wenn sowohl Mutter- als auch Tochterteilchen zur Familie der Hadronen gehören, die starke Kraft sie nicht zum Zerfall bringt. Aus irgendeinem Grund „bevorzugten“ diese Hadronen die viel weniger intensive schwache Wechselwirkung. Warum? Die Quarktheorie löste dieses Rätsel auf natürliche Weise. Die starke Wechselwirkung kann den Geschmack von Quarks nicht verändern – nur die schwache Wechselwirkung kann dies tun. Und das ohne Geschmacksveränderung, begleitet von der Umwandlung des S-Quarks in Und- oder D-Quark ist ein Zerfall unmöglich.

In der Tabelle Abbildung 2 zeigt die verschiedenen möglichen Kombinationen von Quarks mit drei Geschmacksrichtungen und ihre Namen (normalerweise nur ein griechischer Buchstabe). Zahlreiche angeregte Zustände sind nicht dargestellt. Die Tatsache, dass alle bekannten Hadronen aus verschiedenen Kombinationen der drei Grundteilchen gewonnen werden konnten, symbolisierte den größten Triumph der Quarktheorie. Doch trotz dieses Erfolgs gelang es nur wenige Jahre später, direkte physikalische Beweise für die Existenz von Quarks zu erhalten.

Dieser Beweis wurde 1969 in einer Reihe historischer Experimente gewonnen, die am großen Linearbeschleuniger in Stanford (Kalifornien, USA) – SLAC – durchgeführt wurden. Die Stanford-Experimentatoren argumentierten einfach. Wenn es tatsächlich Quarks im Proton gibt, können Kollisionen mit diesen Teilchen im Proton beobachtet werden. Benötigt wird lediglich ein subnukleares „Projektil“, das direkt in die Tiefen des Protons gelenkt werden kann. Es ist sinnlos, zu diesem Zweck ein anderes Hadron zu verwenden, da es die gleichen Abmessungen wie ein Proton hat. Ein ideales Projektil wäre ein Lepton, beispielsweise ein Elektron. Da das Elektron nicht an der starken Wechselwirkung teilnimmt, bleibt es nicht im von Quarks gebildeten Medium „stecken“. Gleichzeitig kann ein Elektron aufgrund der Anwesenheit von Quarks die Anwesenheit von Quarks erkennen elektrische Ladung.

Tabelle 2

Die drei Geschmacksrichtungen von Quarks, u, d und s, entsprechen den Ladungen +2/3, -1/3 und -1/3; Sie verbinden sich zu dritt und bilden die acht in der Tabelle aufgeführten Baryonen. Quark-Antiquark-Paare bilden Mesonen. (Einige Kombinationen, wie z. B. sss, werden weggelassen.)

Im Stanford-Experiment fungierte der drei Kilometer lange Beschleuniger im Wesentlichen als riesiges Elektronenmikroskop, das Bilder vom Inneren eines Protons erzeugte. Ein herkömmliches Elektronenmikroskop kann Details erkennen, die kleiner als ein Millionstel Zentimeter sind. Ein Proton hingegen ist mehrere zehn Millionen Mal kleiner und kann nur von Elektronen „erkundet“ werden, die auf eine Energie von 2,1010 eV beschleunigt werden. Zur Zeit der Stanford-Experimente hielten nur wenige Physiker an der vereinfachten Theorie der Quarks fest. Die meisten Wissenschaftler erwarteten, dass die Elektronen durch die elektrischen Ladungen der Protonen abgelenkt würden, man ging jedoch davon aus, dass die Ladung gleichmäßig innerhalb des Protons verteilt sei. Wäre dies wirklich so, dann würde hauptsächlich schwache Elektronenstreuung auftreten, d. h. Beim Durchgang durch Protonen würden Elektronen keine starken Ablenkungen erfahren. Das Experiment zeigte, dass das Streumuster stark vom erwarteten abweicht. Alles geschah, als ob einige Elektronen in winzige feste Einschlüsse flogen und in den unglaublichsten Winkeln von ihnen abprallten. Jetzt wissen wir, dass solche festen Einschlüsse im Inneren von Protonen Quarks sind.

Im Jahr 1974 wurde der vereinfachten Version der Quarktheorie, die zu diesem Zeitpunkt unter Theoretikern Anerkennung gefunden hatte, ein empfindlicher Schlag versetzt. Innerhalb weniger Tage verkündeten zwei Gruppen amerikanischer Physiker – eine in Stanford unter der Leitung von Barton Richter, die andere im Brookhaven National Laboratory unter der Leitung von Samuel Ting – unabhängig voneinander die Entdeckung eines neuen Hadrons, das Psi-Teilchen genannt wurde. An sich wäre die Entdeckung eines neuen Hadrons kaum besonders bemerkenswert, wenn es nicht einen Umstand gäbe: Tatsache ist, dass in dem von der Quarktheorie vorgeschlagenen Schema kein Platz für ein einzelnes neues Teilchen war. Alle möglichen Kombinationen von Up-, D- und S-Quarks sowie deren Antiquarks sind bereits „aufgebraucht“. Woraus besteht ein Psi-Teilchen?

Das Problem wurde gelöst, indem man sich einer Idee zuwandte, die schon seit einiger Zeit in der Luft lag: Es sollte einen vierten Duft geben, den noch nie jemand beobachtet hatte. Der neue Duft hatte bereits seinen Namen – Charm (Charm), oder s. Es wurde vermutet, dass ein Psi-Teilchen ein Meson ist, das aus einem C-Quark und einem C-Antiquark (c) besteht, d. h. cc. Da Antiquarks Träger des Anti-Flavours sind, wird der Charme des Psi-Teilchens neutralisiert, und daher musste die experimentelle Bestätigung der Existenz eines neuen Flavors (Charm) warten, bis Mesonen entdeckt wurden, in denen Charm-Quarks mit Anti-Quarkamps gepaart wurden anderer Geschmacksrichtungen. Mittlerweile ist eine ganze Reihe verzauberter Teilchen bekannt. Sie sind alle sehr schwer, sodass sich herausstellt, dass das Charm-Quark schwerer ist als das Strange-Quark.

Die oben beschriebene Situation wiederholte sich 1977, als das sogenannte Upsilon-Meson (UPSILON) auf der Bildfläche erschien. Diesmal wurde ohne langes Zögern eine fünfte Geschmacksrichtung eingeführt, genannt B-Quark (von unten – unten, und häufiger Schönheit – Schönheit oder Charme). Das Upsilon-Meson ist ein Quark-Antiquark-Paar aus b-Quarks und besitzt daher eine verborgene Schönheit; Aber wie im vorherigen Fall ermöglichte eine andere Kombination von Quarks letztendlich die Entdeckung der „Schönheit“.

Die relativen Massen von Quarks lassen sich zumindest anhand der Tatsache beurteilen, dass das leichteste Meson, das Pion, aus Paaren besteht Und- und D-Quarks mit Antiquarks. Das Psi-Meson ist etwa 27-mal schwerer und das Upsilon-Meson ist mindestens 75-mal schwerer als das Pion.

Die schrittweise Erweiterung der Liste bekannter Geschmacksstoffe erfolgte parallel zur Zunahme der Leptonenzahl; Die offensichtliche Frage war also, ob es jemals ein Ende geben würde. Quarks wurden eingeführt, um die Beschreibung der gesamten Vielfalt der Hadronen zu vereinfachen, doch schon jetzt besteht das Gefühl, dass die Liste der Teilchen wieder zu schnell wächst.

Seit Demokrit ist die Grundidee des Atomismus die Erkenntnis, dass es in ausreichend kleinem Maßstab echte Elementarteilchen geben muss, deren Kombinationen die uns umgebende Materie ausmachen. Der Atomismus ist attraktiv, weil (per Definition) unteilbare Elementarteilchen in einer sehr begrenzten Anzahl existieren müssen. Die Vielfalt der Natur ist darauf zurückzuführen eine große Anzahl nicht ihre Bestandteile, sondern ihre Kombinationen. Als man entdeckte, dass es viele verschiedene Atomkerne gibt, verschwand die Hoffnung, dass das, was wir heute Atome nennen, der Vorstellung der alten Griechen entsprach Elementarteilchen Ah Substanzen. Und obwohl wir der Tradition nach weiterhin von verschiedenen chemischen „Elementen“ sprechen, ist bekannt, dass Atome überhaupt nicht elementar sind, sondern aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen. Und da sich herausstellt, dass die Anzahl der Quarks zu groß ist, besteht die Versuchung, anzunehmen, dass dies auch der Fall ist komplexe Systeme bestehend aus kleineren Partikeln.

Obwohl es aus diesem Grund eine gewisse Unzufriedenheit mit dem Quark-Schema gibt, betrachten die meisten Physiker Quarks als echte Elementarteilchen – punktförmig, unteilbar und ohne innere Struktur. In dieser Hinsicht ähneln sie Peptonen, und es wurde lange angenommen, dass zwischen diesen beiden unterschiedlichen, aber strukturell ähnlichen Familien eine tiefe Verwandtschaft bestehen muss. Die Grundlage für diese Sichtweise ergibt sich aus einem Vergleich der Eigenschaften von Leptonen und Quarks (Tabelle 3). Leptonen können in Paaren gruppiert werden, indem jedem geladenen Lepton ein entsprechendes Neutrino zugeordnet wird. Quarks können auch paarweise gruppiert werden. Tisch 3 ist so aufgebaut, dass die Struktur jeder Zelle die direkt davor liegende Struktur wiederholt. Beispielsweise wird in der zweiten Zelle das Myon als „schweres Elektron“ und die Charm- und Strange-Quarks als schwere Varianten dargestellt Und- und D-Quarks. Aus dem nächsten Kasten können Sie ersehen, dass das Tau-Lepton ein noch schwereres „Elektron“ ist und das b-Quark eine schwerere Version des d-Quarks. Für eine vollständige Analogie benötigen wir noch ein weiteres (Tau-Leptonium-)Neutrino und eine sechste Sorte Quarks, die bereits den Namen True erhalten hat (Wahrheit, t). Als dieses Buch geschrieben wurde, waren die experimentellen Beweise für die Existenz von Top-Quarks noch nicht überzeugend genug, und einige Physiker bezweifelten, dass Top-Quarks überhaupt existierten.

Tisch 3

Leptonen und Quarks bilden auf natürliche Weise Paare. wie in der Tabelle dargestellt. Die Welt um uns herum besteht aus den ersten vier Teilchen. Aber die folgenden Gruppen wiederholen offenbar die obere und bestehen in der Neutrinokrone aus äußerst instabilen Teilchen.

Kann es eine vierte, fünfte usw. geben? Dämpfe mit noch schwereren Partikeln? Wenn ja, wird die nächste Generation von Beschleunigern den Physikern wahrscheinlich die Möglichkeit geben, solche Teilchen nachzuweisen. Es wird jedoch eine interessante Überlegung geäußert, aus der hervorgeht, dass es außer den drei genannten keine weiteren Paare gibt. Diese Überlegung basiert auf der Anzahl der Neutrinotypen. Wir werden bald erfahren, dass im Moment des Urknalls, der die Entstehung des Universums markierte, eine intensive Entstehung von Neutrinos stattfand. Eine Art Demokratie garantiert jeder Teilchenart den gleichen Energieanteil wie die anderen; Je mehr verschiedene Arten von Neutrinos es gibt, desto mehr Energie ist in der Füllung des Neutrinosmeeres enthalten Raum. Berechnungen zeigen, dass, wenn es mehr als drei Arten von Neutrinos gäbe, die von ihnen allen erzeugte Schwerkraft einen starken störenden Einfluss auf die Kernprozesse hätte, die in den ersten Minuten des Lebens des Universums abliefen. Folglich ergibt sich aus diesen indirekten Überlegungen eine sehr plausible Schlussfolgerung, dass die drei in der Tabelle aufgeführten Paare. 3 sind alle in der Natur vorkommenden Quarks und Leptonen erschöpft.

Es ist interessant festzustellen, dass die gesamte gewöhnliche Materie im Universum nur aus zwei leichtesten Leptonen (Elektron und Elektron-Neutrino) und zwei leichtesten Quarks ( Und Und D). Wenn alle anderen Leptonen und Quarks plötzlich nicht mehr existieren würden, würde sich in der Welt um uns herum wahrscheinlich nur sehr wenig ändern.

Möglicherweise spielen schwerere Quarks und Leptonen die Rolle einer Art Ersatz für die leichtesten Quarks und Leptonen. Sie alle sind instabil und zerfallen schnell in Partikel, die sich in der oberen Zelle befinden. Zum Beispiel zerfallen das Tau-Lepton und das Myon in Elektronen, während die seltsamen, bezaubernden und schönen Teilchen ziemlich schnell entweder in Neutronen oder Protonen (im Fall von Baryonen) oder Leptonen (im Fall von Mesonen) zerfallen. Es stellt sich die Frage: wofür Gibt es all diese Teilchen der zweiten und dritten Generation? Warum brauchte die Natur sie?

Teilchen sind Träger von Wechselwirkungen

Mit sechs Paaren aus Leptonen und Quarks, die den Baustoff der Materie bilden, ist die Liste der bekannten Teilchen keineswegs erschöpft. Einige von ihnen, wie zum Beispiel das Photon, sind nicht im Quarkkreislauf enthalten. Die „über Bord gelassenen“ Teilchen sind keine „Bausteine ​​des Universums“, sondern bilden eine Art „Kleber“, der es nicht zulässt, dass die Welt auseinanderfällt, d.h. Sie sind mit vier grundlegenden Wechselwirkungen verbunden.

Ich erinnere mich, dass mir als Kind gesagt wurde, dass der Mond dafür sorgt, dass die Ozeane während der täglichen Gezeiten steigen und fallen. Es war mir immer ein Rätsel, wie der Ozean weiß, wo sich der Mond befindet, und seine Bewegung am Himmel verfolgt. Als ich in der Schule etwas über die Schwerkraft lernte, wurde meine Verwirrung nur noch größer. Wie schafft es der Mond, nachdem er eine Viertelmillion Kilometer leeren Raums überwunden hat, den Ozean zu „erreichen“? Die Standardantwort – der Mond erzeugt in diesem leeren Raum ein Gravitationsfeld, dessen Wirkung den Ozean erreicht und ihn in Bewegung setzt – ergab natürlich einigermaßen Sinn, befriedigte mich aber trotzdem nicht ganz. Schließlich können wir das Gravitationsfeld des Mondes nicht sehen. Vielleicht ist es genau das, was sie sagen? Erklärt das wirklich etwas? Mir kam es immer so vor, als müsste der Mond dem Ozean irgendwie sagen, wo er ist. Es muss eine Art Signalaustausch zwischen Mond und Ozean stattfinden, damit das Wasser weiß, wohin es sich bewegen soll.

Im Laufe der Zeit stellte sich heraus, dass die Vorstellung einer Kraft, die in Form eines Signals durch den Raum übertragen wird, nicht so weit von der modernen Herangehensweise an dieses Problem entfernt ist. Um zu verstehen, wie eine solche Idee entsteht, sollten wir die Natur genauer betrachten Kraftfeld. Als Beispiel nehmen wir nicht die Gezeiten des Ozeans, sondern ein einfacheres Phänomen: Zwei Elektronen nähern sich einander und fliegen dann unter dem Einfluss elektrostatischer Abstoßung in verschiedene Richtungen auseinander. Physiker bezeichnen diesen Vorgang als Streuproblem. Natürlich schieben sich Elektronen nicht im wahrsten Sinne des Wortes gegenseitig. Sie interagieren aus der Ferne durch das elektromagnetische Feld, das von jedem Elektron erzeugt wird.

Abb. 11. Streuung zweier geladener Teilchen. Durch die Wirkung der elektrischen Abstoßung werden die Flugbahnen der Teilchen gebogen, wenn sie sich einander nähern.

Es ist nicht schwer, sich das Bild der Elektron-an-Elektron-Streuung vorzustellen. Zunächst werden die Elektronen getrennt Fern und haben kaum Einfluss aufeinander. Jedes Elektron bewegt sich nahezu geradlinig (Abb. 11). Wenn dann abstoßende Kräfte ins Spiel kommen, beginnen sich die Elektronenbahnen zu krümmen, bis die Teilchen so nah wie möglich sind; Danach divergieren die Flugbahnen und die Elektronen fliegen auseinander und beginnen sich wieder auf geradlinigen, aber bereits divergierenden Flugbahnen zu bewegen. Ein solches Modell lässt sich im Labor leicht mit elektrisch geladenen Kugeln anstelle von Elektronen demonstrieren. Und wieder stellt sich die Frage: Wie „weiß“ ein Teilchen, wo sich ein anderes Teilchen befindet, und ändert dementsprechend seine Bewegung?

Obwohl das Bild gekrümmter Elektronenbahnen recht anschaulich ist, ist es in mancher Hinsicht völlig ungeeignet. Tatsache ist, dass Elektronen Quantenteilchen sind und ihr Verhalten bestimmten Gesetzen folgt Quantenphysik. Erstens bewegen sich Elektronen im Raum nicht entlang wohldefinierter Flugbahnen. Wir können immer noch auf die eine oder andere Weise den Anfangs- und Endpunkt des Weges bestimmen – vor und nach der Streuung, aber der Weg selbst im Intervall zwischen Anfang und Ende der Bewegung bleibt unbekannt und ungewiss. Darüber hinaus widerspricht die intuitive Vorstellung eines kontinuierlichen Energie- und Impulsaustauschs zwischen dem Elektron und dem Feld, als ob das Elektron beschleunigt würde, der Existenz von Photonen. Energie und Impuls können übertragen werden Feld nur in Portionen oder Quanten. Ein genaueres Bild der Störung, die das Feld in die Bewegung des Elektrons einbringt, erhalten wir, wenn wir annehmen, dass das Elektron, das ein Photon aus dem Feld absorbiert, scheinbar einen plötzlichen Stoß erfährt. Daher kann auf der Quantenebene der Vorgang der Streuung eines Elektrons an einem Elektron wie in Abb. dargestellt dargestellt werden. 12. Die Wellenlinie, die die Flugbahnen zweier Elektronen verbindet, entspricht einem Photon, das von einem Elektron emittiert und vom anderen absorbiert wird. Nun erscheint der Streuvorgang als plötzliche Änderung der Bewegungsrichtung jedes Elektrons

Abb. 12. Quantenbeschreibung der Streuung geladener Teilchen. Die Wechselwirkung von Teilchen beruht auf dem Austausch eines Wechselwirkungsträgers oder virtuellen Photons (Wellenlinie).

Diagramme dieser Art wurden erstmals von Richard Feynman zur visuellen Darstellung der verschiedenen Glieder einer Gleichung verwendet und hatten zunächst eine rein symbolische Bedeutung. Doch dann begann man, Feynman-Diagramme zur schematischen Darstellung von Teilchenwechselwirkungen zu nutzen. Solche Bilder scheinen die Intuition des Physikers zu ergänzen, sollten aber mit einer gewissen Vorsicht interpretiert werden. Beispielsweise gibt es nie einen scharfen Bruch in der Elektronenbahn. Da wir nur die Anfangs- und Endpositionen der Elektronen kennen, wissen wir nicht genau, wann das Photon ausgetauscht wird und welches Teilchen das Photon emittiert und welches absorbiert. Alle diese Details werden von einem Schleier der Quantenunsicherheit verdeckt.

Trotz dieser Einschränkung haben sich Feynman-Diagramme als wirksames Mittel zur Beschreibung von Quantenwechselwirkungen erwiesen. Das zwischen den Elektronen ausgetauschte Photon kann man sich als eine Art Bote vorstellen, von dem eines der Elektronen dem anderen sagt: „Ich bin hier, also beweg dich!“ Natürlich sind alle Quantenprozesse probabilistischer Natur, sodass ein solcher Austausch nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit stattfindet. Es kann vorkommen, dass Elektronen zwei oder mehr Photonen austauschen (Abb. 13), obwohl dies weniger wahrscheinlich ist.

Es ist wichtig zu erkennen, dass wir in Wirklichkeit keine Photonen sehen, die von einem Elektron zum anderen huschen. Wechselwirkungsträger sind die „innere Materie“ zweier Elektronen. Sie existieren ausschließlich, um Elektronen zu sagen, wie sie sich bewegen sollen, und obwohl sie Energie und Impuls transportieren, gelten die entsprechenden Erhaltungssätze der klassischen Physik nicht für sie. Photonen können in diesem Fall mit einem Ball verglichen werden, den Tennisspieler auf dem Platz austauschen. So wie ein Tennisball das Verhalten von Tennisspielern auf dem Spielplatz bestimmt, beeinflusst ein Photon das Verhalten von Elektronen.

Mit der erfolgreichen Beschreibung der Wechselwirkung mithilfe eines Trägerteilchens ging eine Erweiterung des Photonenbegriffs einher: Ein Photon entpuppt sich nicht nur als für uns sichtbares Lichtteilchen, sondern auch als geisterhaftes Teilchen, das nur von geladenen Menschen „gesehen“ wird Teilchen, die gestreut werden. Manchmal werden die von uns beobachteten Photonen genannt real, und Photonen, die die Wechselwirkung tragen, sind virtuell, was uns an ihre flüchtige, fast gespenstische Existenz erinnert. Die Unterscheidung zwischen realen und virtuellen Photonen ist etwas willkürlich, dennoch haben sich diese Konzepte weit verbreitet.

Die Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkung mit dem Konzept der virtuellen Photonen – ihrer Träger – geht in ihrer Bedeutung über bloße Darstellungen der Quantennatur hinaus. In Wirklichkeit handelt es sich um eine bis ins kleinste Detail durchdachte und mit einem perfekten mathematischen Apparat ausgestattete Theorie, genannt Quantenelektrodynamik, Abgekürzt als QED. Als QED kurz nach dem Zweiten Weltkrieg erstmals formuliert wurde, verfügten die Physiker über eine Theorie, die den Grundprinzipien sowohl der Quantentheorie als auch der Relativitätstheorie entsprach. Dies ist eine wunderbare Gelegenheit, die kombinierten Manifestationen zweier wichtiger Aspekte der neuen Physik zu sehen. Überprüfen Sie sie experimentell.

Theoretisch war die Schaffung von QED eine herausragende Leistung. Frühere Studien zur Wechselwirkung von Photonen und Elektronen hatten aufgrund mathematischer Schwierigkeiten nur sehr begrenzten Erfolg. Doch sobald die Theoretiker lernten, richtig zu rechnen, ergab sich alles andere von selbst. QED schlug ein Verfahren vor, um die Ergebnisse jedes noch so komplexen Prozesses zu erhalten, an dem Photonen und Elektronen beteiligt sind.

Abb. 13. Elektronenstreuung entsteht durch den Austausch zweier virtueller Photonen. Solche Prozesse stellen eine kleine Ergänzung zum in Abb. dargestellten Hauptprozess dar. elf

Um zu testen, wie gut die Theorie mit der Realität übereinstimmt, konzentrierten sich die Physiker auf zwei Effekte, die von besonderem Interesse waren. Der erste betraf Energieniveaus Das Wasserstoffatom ist das einfachste Atom. QED sagte voraus, dass die Niveaus leicht gegenüber der Position verschoben sein sollten, die sie einnehmen würden, wenn es keine virtuellen Photonen gäbe. Die Theorie hat das Ausmaß dieser Verschiebung sehr genau vorhergesagt. Das Experiment zur Erfassung und Messung von Verschiebungen mit äußerster Genauigkeit wurde von Willis Lamb von der University of State durchgeführt. Arizona. Zur Freude aller stimmten die Berechnungsergebnisse perfekt mit den experimentellen Daten überein.

Der zweite entscheidende Test der QED betraf die extrem kleine Korrektur des magnetischen Moments des Elektrons. Und wieder stimmten die Ergebnisse theoretischer Berechnungen und Experimente völlig überein. Theoretiker begannen, ihre Berechnungen zu verfeinern, und Experimentatoren begannen, ihre Instrumente zu verbessern. Doch obwohl sich die Genauigkeit sowohl der theoretischen Vorhersagen als auch der experimentellen Ergebnisse kontinuierlich verbessert hat, ist die Übereinstimmung zwischen QED und Experiment weiterhin einwandfrei. Heutzutage stimmen die theoretischen und experimentellen Ergebnisse noch im Rahmen der erreichten Genauigkeit überein, was eine Übereinstimmung von mehr als neun Nachkommastellen bedeutet. Eine solch verblüffende Übereinstimmung berechtigt dazu, die QED als die fortschrittlichste der existierenden naturwissenschaftlichen Theorien zu betrachten.

Unnötig zu erwähnen, dass die QED nach einem solchen Triumph als Modell für die Quantenbeschreibung der anderen drei fundamentalen Wechselwirkungen übernommen wurde. Natürlich müssen Felder, die mit anderen Wechselwirkungen verbunden sind, anderen Trägerpartikeln entsprechen. Um die Schwerkraft zu beschreiben, wurde sie eingeführt Graviton, spielt die gleiche Rolle wie ein Photon. Bei der gravitativen Wechselwirkung zweier Teilchen kommt es zum Austausch von Gravitonen zwischen ihnen. Diese Interaktion kann mithilfe von Diagrammen visualisiert werden, die denen in Abb. ähneln. 12 und 13. Es sind Gravitonen, die Signale übertragen Monde zu den Ozeanen Danach steigen sie bei Flut an und fallen bei Ebbe. Gravitonen, die zwischen der Erde und der Sonne hin und her huschen, halten unseren Planeten auf seiner Umlaufbahn. Gravitonen fesseln uns fest an die Erde.

Wie Photonen bewegen sich Gravitonen mit Lichtgeschwindigkeit, daher sind Gravitonen Teilchen mit „Null-Ruhemasse“. Aber hier enden die Ähnlichkeiten zwischen Gravitonen und Photonen. Während ein Photon einen Spin von 1 hat, hat ein Graviton einen Spin von 2.

Tabelle 4

Vier Trägerpartikel grundlegende Wechselwirkungen. Die Masse wird in Protonenmasseneinheiten ausgedrückt.

Dies ist ein wichtiger Unterschied, denn er bestimmt die Richtung der Kraft: Bei der elektromagnetischen Wechselwirkung stoßen sich gleich geladene Teilchen, wie zum Beispiel Elektronen, ab, während bei der gravitativen Wechselwirkung alle Teilchen voneinander angezogen werden.

Gravitonen können real oder virtuell sein. Ein echtes Graviton ist nichts anderes als ein Quant einer Gravitationswelle, genauso wie ein echtes Photon ein Quant ist Elektromagnetische Welle. Im Prinzip können echte Gravitonen „beobachtet“ werden. Da die Gravitationswechselwirkung jedoch unglaublich schwach ist, können Gravitonen nicht direkt nachgewiesen werden. Die Wechselwirkung von Gravitonen mit anderen Quantenteilchen ist so schwach, dass die Wahrscheinlichkeit einer Streuung oder Absorption beispielsweise eines Gravitons durch ein Proton unendlich gering ist.

Der Grundgedanke des Austauschs von Trägerteilchen gilt auch für andere Wechselwirkungen (Tabelle 4) – schwach und stark. Allerdings gibt es im Detail wichtige Unterschiede. Erinnern wir uns daran, dass die starke Wechselwirkung die Verbindung zwischen Quarks herstellt. Eine solche Verbindung kann durch ein Kraftfeld hergestellt werden, das einem elektromagnetischen ähnelt, jedoch komplexer ist. Elektrische Kräfte führen zur Bildung eines gebundenen Zustands zweier Teilchen mit entgegengesetzten Ladungsvorzeichen. Bei Quarks entstehen Bindungszustände von drei Teilchen, was auf eine komplexere Natur des Kraftfeldes hinweist, dem drei Arten von „Ladungen“ entsprechen. Als Teilchen werden Träger der Wechselwirkung zwischen Quarks bezeichnet, die sie in Paaren oder Tripletts verbinden Gluonen.

Bei schwacher Wechselwirkung ist die Situation etwas anders. Der Radius dieser Wechselwirkung ist äußerst klein. Daher müssen die Träger der schwachen Wechselwirkung Teilchen mit großen Ruhemassen sein. Die in einer solchen Masse enthaltene Energie muss gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation „geliehen“ werden, die bereits auf S. 50. Da aber die „geliehene“ Masse (und damit die Energie) so groß ist, erfordert das Unsicherheitsprinzip, dass die Rückzahlungsdauer eines solchen Kredits extrem kurz ist – nur etwa 10^-28 Sekunden. Solche kurzlebigen Teilchen haben keine Zeit, sich sehr weit zu bewegen, und der von ihnen getragene Wechselwirkungsradius ist sehr klein.

Es gibt tatsächlich zwei Arten von Transportern mit schwacher Kraft. Eines davon ähnelt in allem einem Photon, außer der Ruhemasse. Diese Teilchen werden Z-Teilchen genannt. Z-Partikel sind im Wesentlichen eine neue Art von Licht. Eine andere Art schwacher Kraftträger, W-Partikel, unterscheiden sich von Z-Partikeln durch das Vorhandensein einer elektrischen Ladung. In Kap. 7 werden wir detaillierter auf die Eigenschaften von Z- und W-Teilchen eingehen, die erst 1983 entdeckt wurden.

Die Einteilung der Teilchen in Quarks, Leptonen und Wechselwirkungsträger vervollständigt die Liste der bekannten subatomaren Teilchen. Jedes dieser Teilchen spielt seine eigene, aber entscheidende Rolle bei der Entstehung des Universums. Gäbe es keine Trägerteilchen, gäbe es keine Wechselwirkungen und jedes Teilchen würde über seine Partner im Dunkeln bleiben. Komplexe Systeme könnten nicht entstehen, jegliche Aktivität wäre unmöglich. Ohne Quarks gäbe es weder Atomkerne noch Sonnenlicht. Ohne Leptonen könnten Atome nicht existieren, chemische Strukturen und das Leben selbst würden nicht entstehen.

Was sind die Ziele der Teilchenphysik?

Die einflussreiche britische Zeitung The Guardian veröffentlichte einmal einen Leitartikel, in dem sie die Weisheit der Entwicklung der Teilchenphysik in Frage stellte, ein teures Unterfangen, das nicht nur einen erheblichen Teil des Wissenschaftsbudgets des Landes, sondern auch den Löwenanteil der besten Köpfe verschlingt. „Wissen Physiker, was sie tun?“ fragte der Guardian. „Selbst wenn sie es wissen, was nützt es dann? Wer außer Physikern braucht all diese Teilchen?“

Einige Monate nach dieser Veröffentlichung hatte ich die Gelegenheit, in Baltimore einem Vortrag von George Keyworth, dem wissenschaftlichen Berater des US-Präsidenten, beizuwohnen. Auch Keyworth befasste sich mit der Teilchenphysik, doch sein Vortrag hatte einen ganz anderen Ton. Amerikanische Physiker waren beeindruckt von einem aktuellen Bericht des CERN, Europas führendem Labor für Teilchenphysik, über die Entdeckung grundlegender W- und Z-Teilchen, die schließlich an einem großen Proton-Antiproton-Kollisionsstrahlbeschleuniger erhalten wurden. Die Amerikaner sind daran gewöhnt, dass alle sensationellen Entdeckungen in ihren Labors für Hochenergiephysik gemacht werden. Ist die Tatsache, dass sie die Palme verloren haben, nicht ein Zeichen des wissenschaftlichen und sogar nationalen Niedergangs?

Keyworth hatte keinen Zweifel daran, dass das Land an der Spitze der wissenschaftlichen Forschung stehen musste, damit die Vereinigten Staaten im Allgemeinen und die amerikanische Wirtschaft im Besonderen gedeihen konnten. Hauptprojekte Grundlagenforschung, sagte Keyworth, seien an der Spitze des Fortschritts. Die Vereinigten Staaten müssen ihre Vormachtstellung in der Teilchenphysik zurückgewinnen,

In derselben Woche verbreiteten Nachrichtensender Berichte über ein amerikanisches Projekt für einen Riesenbeschleuniger, der eine neue Generation von Experimenten in der Teilchenphysik durchführen soll. Die Hauptkosten wurden auf 2 Milliarden US-Dollar geschätzt, was diesen Beschleuniger zur teuersten Maschine macht, die jemals von Menschen gebaut wurde. Dieser Uncle-Sam-Riese, der sogar den neuen LEP-Beschleuniger des CERN in den Schatten stellen würde, ist so groß, dass der gesamte Staat Luxemburg in seinen Ring passen würde! Riesige supraleitende Magnete sollen intensive Magnetfelder erzeugen, die einen Teilchenstrahl kräuseln und ihn entlang einer ringförmigen Kammer lenken. Es ist ein so riesiges Bauwerk, dass der neue Beschleuniger in der Wüste stehen soll. Ich würde gerne wissen, was der Herausgeber der Zeitung Guardian darüber denkt.

Bekannt als Superconducting Super Collider (SSC), aber häufiger auch als „de-zertron“ (aus dem Englischen) bezeichnet. Wüste - Wüste. - Hrsg.), Diese monströse Maschine wird in der Lage sein, Protonen auf Energien zu beschleunigen, die etwa 20.000 Mal höher sind als die Ruheenergie (Masse). Diese Zahlen können unterschiedlich interpretiert werden. Bei maximaler Beschleunigung bewegen sich die Teilchen mit einer Geschwindigkeit, die nur 1 km/h unter der Lichtgeschwindigkeit liegt – der Höchstgeschwindigkeit im Universum. Die relativistischen Effekte sind so groß, dass die Masse jedes Teilchens 20.000 Mal größer ist als im Ruhezustand. In dem mit einem solchen Teilchen verbundenen System wird die Zeit so stark gedehnt, dass 1 s in unserem Bezugssystem 5,5 Stunden entspricht. Jeder Kilometer der Kammer, durch die das Teilchen streicht, „scheint“ auf nur 5,0 cm komprimiert zu sein.

Welche Art von extremer Not zwingt Staaten dazu, so enorme Ressourcen für die immer zerstörerischere Spaltung des Atoms aufzuwenden? Hat eine solche Forschung einen praktischen Nutzen?

Beliebig große Wissenschaft Natürlich ist der Geist des Kampfes um nationale Priorität nicht fremd. Hier ist es, genau wie in der Kunst oder im Sport, schön, Preise zu gewinnen und weltweite Anerkennung. Die Teilchenphysik ist zu einer Art Symbol staatlicher Macht geworden. Wenn es sich erfolgreich entwickelt und greifbare Ergebnisse hervorbringt, ist dies ein Zeichen dafür, dass sich Wissenschaft, Technologie und die Wirtschaft des Landes insgesamt grundsätzlich auf dem richtigen Niveau befinden. Dies stärkt das Vertrauen in die hohe Qualität von Produkten aus anderen, allgemeineren Technologiezweigen. Um einen Beschleuniger und alle dazugehörigen Geräte zu erstellen, sehr hohes Niveau Professionalität. Die wertvollen Erfahrungen aus der Entwicklung neuer Technologien können unerwartete und positive Auswirkungen auf andere Bereiche der wissenschaftlichen Forschung haben. Beispielsweise wird in den USA seit zwanzig Jahren an supraleitenden Magneten geforscht und entwickelt, die für das „Desertron“ benötigt werden. Sie bieten jedoch keinen direkten Nutzen und sind daher schwer zu bewerten. Gibt es weitere greifbare Ergebnisse?

Manchmal hört man ein anderes Argument zur Unterstützung der Grundlagenforschung. Die Physik ist der Technik tendenziell etwa fünfzig Jahre voraus. Praktische Anwendung des einen oder anderen wissenschaftliche Entdeckung Das ist zunächst überhaupt nicht offensichtlich, aber nur wenige der bedeutenden Fortschritte in der Grundlagenphysik wurden im Laufe der Zeit nicht entdeckt praktische Anwendungen. Erinnern wir uns an Maxwells Theorie des Elektromagnetismus: Hätte ihr Schöpfer die Entstehung und den Erfolg moderner Telekommunikation und Elektronik vorhersehen können? Und Rutherfords Worte, dass Kernenergie wohl nie zu finden sein wird praktischer Nutzen? Ist es möglich vorherzusagen, wozu die Entwicklung der Elementarteilchenphysik führen kann, welche neuen Kräfte und neuen Prinzipien entdeckt werden, die unser Verständnis der Welt um uns herum erweitern und uns Macht über ein breiteres Spektrum von Menschen geben? physikalische Phänomene. Und dies könnte zur Entwicklung von Technologien führen, die ihrer Natur nach nicht weniger revolutionär sind als Radio oder Kernenergie.

Die meisten Wissenschaftszweige fanden schließlich eine militärische Anwendung. In dieser Hinsicht ist die Teilchenphysik (im Gegensatz zur Kernphysik) bislang unantastbar geblieben. Zufällig fiel Keyworths Vortrag mit dem Publicity-Hype um Präsident Reagans umstrittenes Projekt zur Entwicklung einer Raketenabwehrwaffe, einer sogenannten Strahlwaffe, zusammen (dieses Projekt ist Teil eines Programms namens Strategic Defense Initiative, SDI). Der Kern dieses Projekts besteht darin, hochenergetische Teilchenstrahlen gegen feindliche Raketen einzusetzen. Diese Anwendung der Teilchenphysik ist wirklich unheimlich.

Die vorherrschende Meinung ist, dass die Schaffung solcher Geräte nicht machbar ist. Die meisten Wissenschaftler auf dem Gebiet der Elementarteilchenphysik halten diese Ideen für absurd und unnatürlich und sprechen sich scharf gegen den Vorschlag des Präsidenten aus. Keyworth verurteilte die Wissenschaftler und forderte sie auf, „zu überlegen, welche Rolle sie im Strahlwaffenprojekt spielen könnten“. Keyworths Appell an die Physiker folgte (natürlich rein zufällig) seinen Worten zur Finanzierung der Hochenergiephysik.

Ich bin fest davon überzeugt, dass Hochenergiephysiker die Notwendigkeit grundlegender Forschung nicht mit der Anführung von Anwendungen (insbesondere militärischen), historischen Analogien oder vagen Versprechungen möglicher technischer Wunder rechtfertigen müssen. Physiker führen diese Studien vor allem im Namen ihres unausrottbaren Wunsches durch, herauszufinden, wie unsere Welt funktioniert, dem Wunsch, die Natur detaillierter zu verstehen. Die Teilchenphysik ist unter anderen Disziplinen einzigartig Menschliche Aktivität. Seit zweieinhalb Jahrtausenden strebt die Menschheit danach, die ursprünglichen „Bausteine“ des Universums zu finden, und nun sind wir dem endgültigen Ziel nahe. Riesige Installationen werden uns helfen, in das Innerste der Materie vorzudringen und der Natur ihre tiefsten Geheimnisse zu entlocken. Die Menschheit kann unerwartete Anwendungen neuer Entdeckungen und bisher unbekannter Technologien erwarten, aber es kann sich herausstellen, dass die Hochenergiephysik nichts für die Praxis bringt. Aber selbst eine majestätische Kathedrale oder ein Konzertsaal haben wenig praktischen Nutzen. In diesem Zusammenhang kommt man nicht umhin, sich an die Worte von Faraday zu erinnern, der einmal bemerkte: „Was nützt ein neugeborenes Baby?“ Arten menschlicher Aktivität, die weit von der Praxis entfernt sind, zu denen auch die Physik der Elementarteilchen gehört, dienen als Beweis für die Manifestation des menschlichen Geistes, ohne den wir in unserer übermäßig materiellen und pragmatischen Welt dem Untergang geweiht wären.

Wählen Sie das entsprechende Isotop aus. Einige Elemente oder Isotope unterliegen einem radioaktiven Zerfall, und verschiedene Isotope können sich unterschiedlich verhalten. Das häufigste Uranisotop hat ein Atomgewicht von 238 und besteht aus 92 Protonen und 146 Neutronen. Seine Kerne absorbieren jedoch normalerweise Neutronen, ohne sich in Kerne leichterer Elemente aufzuspalten. Ein Uranisotop, dessen Kern drei Neutronen weniger enthält, 235 U, lässt sich viel leichter spalten als 238 U und wird als spaltbares Isotop bezeichnet.

• Bei der Spaltung (Spaltung) von Uran werden drei Neutronen freigesetzt, die mit anderen Uranatomen kollidieren und eine Kettenreaktion auslösen.
• Manche Isotope spalten sich so leicht und schnell, dass es unmöglich ist, eine konstante Kernreaktion aufrechtzuerhalten. Dieses Phänomen wird als spontaner oder spontaner Zerfall bezeichnet. Beispielsweise unterliegt das Plutoniumisotop 240 Pu einem solchen Zerfall, im Gegensatz zu 239 Pu, das eine geringere Spaltungsrate aufweist.

Damit die Reaktion nach dem Zerfall des ersten Atoms weitergeht, müssen genügend Isotope gesammelt werden. Dazu ist eine bestimmte Mindestmenge an spaltbarem Isotop erforderlich, das die Reaktion unterstützt. Diese Größe wird kritische Masse genannt. Um eine kritische Masse zu erreichen und die Zerfallswahrscheinlichkeit zu erhöhen, ist eine ausreichende Menge an Ausgangsmaterial erforderlich.

Schieße einen Atomkern eines Isotops auf einen anderen Kern desselben Isotops. Da subatomare Teilchen in freier Form selten sind, ist es oft notwendig, sie von den Atomen, die diese Teilchen enthalten, zu trennen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, ein Atom eines Isotops auf ein anderes Atom desselben Atoms zu schießen.

• Diese Methode wurde zum Erstellen verwendet Atombombe von 235 U, die auf Hiroshima abgeworfen wurde. Eine kanonenähnliche Waffe mit einem Urankern feuerte 235 U-Atome auf ein Ziel aus ebenfalls 235 U-Atomen. Die Atome flogen schnell genug, dass die von ihnen freigesetzten Neutronen in die Kerne anderer 235 U-Atome eindrangen und diese spalteten. Durch die Spaltung wurden wiederum Neutronen freigesetzt, die weitere 235 U-Atome spalteten.

Bombardieren Sie die Kerne eines spaltbaren Isotops mit subatomaren Teilchen. Ein einzelnes subatomares Teilchen kann ein 235-U-Atom treffen und es in zwei separate Atome anderer Elemente spalten, wodurch drei Neutronen freigesetzt werden. Subatomare Teilchen können aus einer kontrollierten Quelle (z. B. einer Neutronenkanone) oder durch kollidierende Kerne erzeugt werden. Üblicherweise werden drei Arten subatomarer Teilchen verwendet.

• Protonen. Diese subatomaren Teilchen haben eine Masse und eine positive elektrische Ladung. Die Anzahl der Protonen in einem Atom bestimmt, aus welchem ​​Element es ein Atom ist.
• Neutronen. Diese subatomaren Teilchen haben die gleiche Masse wie ein Proton, sind aber neutral (haben keine elektrische Ladung).
• Alphateilchen. Diese Teilchen sind die elektronenfreien Kerne von Heliumatomen. Sie bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen.

Kernspaltung

Die Entdeckung der Isotope stabiler Elemente und die Verfeinerung der Messungen der Elementarladung waren die ersten Errungenschaften der Nachkriegsphysik (1917–1918). 1919 wurde ein neues hergestellt sensationelle Entdeckung- künstliche Spaltung des Kerns. Diese Entdeckung machte Rutherford in Cambridge am Cavendish Laboratory, das er im selben Jahr, 1919, leitete.

Rutherford untersuchte die Kollision von Alphateilchen mit leichten Atomen. Kollisionen von Alphateilchen mit den Kernen solcher Atome sollen diese beschleunigen. Wenn also ein Alphateilchen auf einen Wasserstoffkern trifft, erhöht es seine Geschwindigkeit um das 1,6-fache und der Kern entzieht dem Alphateilchen 64 % seiner Energie. Solche beschleunigten Kerne lassen sich leicht durch Szintillationen erkennen, die entstehen, wenn sie auf einen Zinksulfidschirm treffen. Sie wurden tatsächlich 1914 von Marsden beobachtet.

Rutherford setzte Marsdens Experimente fort, aber wie er selbst feststellte, wurden diese Experimente „in sehr unregelmäßigen Abständen durchgeführt, wie es die täglichen Aktivitäten und Arbeiten im Zusammenhang mit dem Krieg erlaubten …“ „Die Experimente wurden sogar für lange Zeit ganz eingestellt.“ Erst nach Kriegsende wurden regelmäßig Experimente durchgeführt, deren Ergebnisse 1919 in vier Artikeln veröffentlicht wurden gemeinsamen Namen„Kollisionen von Alphateilchen mit leichten Atomen.“

Das Gerät, mit dem Rutherford solche Kollisionen untersuchte, war eine 18 cm lange, 6 cm hohe und 2 cm breite Messingkammer. Die Quelle der Alphateilchen war eine mit bedeckte Metallscheibe aktive Substanz. Die Scheibe wurde in der Kammer platziert und konnte in unterschiedlichen Abständen vom Zinksulfidschirm installiert werden, auf dem mithilfe eines Mikroskops die Szintillation beobachtet wurde.

Die Kammer konnte mit verschiedenen Gasen gefüllt werden (siehe Abb. 78).

Reis. 78. Dempester-Massenspektrograph

Beim Einbringen von trockenem Sauerstoff oder Kohlendioxid verringerte sich die Zahl der Szintillationen aufgrund der Absorption von Alphateilchen durch die Gasschicht. „Ein unerwarteter Effekt wurde jedoch entdeckt, als trockene Luft in den Apparat eingeführt wurde“, schrieb Rutherford im vierten Artikel. Anstatt abzunehmen, nahm die Zahl der Szintillationen zu, und bei einer Absorption, die etwa einer Luftschicht von 19 cm entsprach, war ihre Zahl etwa doppelt so groß wie die im Vakuum beobachtete. Aus diesem Experiment ging klar hervor, dass a-Teilchen beim Durchgang durch Luft Szintillationen entsprechend großer Weglängen erzeugen, deren Helligkeit für das Auge ungefähr der Helligkeit von H-Szintillationen zu entsprechen schien.“ Da in Sauerstoff und Kohlendioxid Wenn ein solcher Effekt nicht beobachtet wurde, könnte man mit hoher Wahrscheinlichkeit argumentieren, dass dieser Effekt auf Stickstoff zurückzuführen ist.

Die Kammer wurde mit sauberem, gründlich getrocknetem Stickstoff gefüllt. „In reinem Stickstoff war die Anzahl der einer großen Reichweite entsprechenden Szintillationen größer als in Luft.“ Daher „müssen die in der Luft beobachteten weitreichenden Szintillationen dem Stickstoff zugeschrieben werden.“

Es musste jedoch gezeigt werden, dass die weitreichenden Alphateilchen, die die Szintillation verursachen, „das Ergebnis von Kollisionen von Alphateilchen mit Stickstoffatomen sind“.

Diagramm der ersten Millikan-Installation

Durch zahlreiche Experimente zeigte Rutherford, dass dies tatsächlich der Fall ist und dass bei solchen Kollisionen Teilchen mit einer maximalen Reichweite von 28 cm entstehen, die der von H-Atomen entspricht. „Aus den bisher erzielten Ergebnissen“, schrieb Rutherford, „kann man nur schwer den Schluss ziehen, dass es sich bei den weitreichenden Atomen, die bei der Kollision von Alphateilchen mit Stickstoff entstehen, nicht um Stickstoffatome, sondern aller Wahrscheinlichkeit nach um Wasserstoffatome oder -atome handelt.“ der Masse 2 „Wenn dem so ist, müssen wir daraus schließen, dass das Stickstoffatom aufgrund der enormen Kräfte, die bei einem Zusammenstoß mit einem schnellen Alphateilchen entstehen, zerfällt und dass das freigesetzte Wasserstoffatom einen integralen Bestandteil des Atoms bildet.“

So wurde das Phänomen der Spaltung von Stickstoffkernen beim Aufprall schneller Alphateilchen entdeckt und erstmals die Idee geäußert, dass Wasserstoffkerne ein integraler Bestandteil von Atomkernen sind. Rutherford schlug daraufhin den Begriff „Proton“ für diesen Kernbestandteil vor. Rutherford beendete seinen Artikel mit den Worten: „Die Ergebnisse insgesamt deuten darauf hin, dass, wenn Alphateilchen oder ähnliche sich schnell bewegende Teilchen mit viel höherer Energie für Experimente verwendet werden könnten, die Zerstörung der Kernstrukturen vieler leichter Atome nachgewiesen werden könnte.“

Am 3. Juni 1920 hielt Rutherford den sogenannten Bakerian-Vortrag mit dem Titel „Die Kernstruktur des Atoms“. Rutherford berichtete in dieser Vorlesung über die Ergebnisse seiner Forschungen zur Kollision von Alphateilchen mit Atomkernen und zur Spaltung von Stickstoffkernen, diskutierte die Natur der Spaltprodukte und ging von der Möglichkeit der Existenz von Kernen mit der Masse 3 aus und 2 und Kerne mit der Masse eines Wasserstoffkerns, aber ohne Ladung. Dabei ging er von der erstmals von Marie Skłodowska-Curie geäußerten Hypothese aus, dass der Atomkern Elektronen enthält.

Rutherford schreibt: „Es erscheint ihm sehr plausibel, dass ein Elektron zwei H-Kerne und vielleicht sogar einen H-Kern binden kann.“ Wenn die erste Annahme zutrifft, deutet dies auf die Möglichkeit der Existenz eines Atoms mit einer Masse von etwa 2 und einer Ladung hin. Eine solche Substanz sollte als Wasserstoffisotop betrachtet werden. Die zweite Annahme impliziert die Möglichkeit der Existenz eines Atoms mit einer Masse von 1 und einer Kernladung gleich Null. Solche Formationen scheinen durchaus möglich... Ein solches Atom hätte absolut fantastische Eigenschaften. Sein äußeres Feld sollte praktisch gleich Null sein, mit Ausnahme der Regionen sehr nahe am Kern; Daher sollte es die Fähigkeit haben, Materie frei zu passieren. Die Existenz eines solchen Atoms wäre mit einem Spektroskop wahrscheinlich schwer nachzuweisen und es wäre nicht möglich, es in einem geschlossenen Behälter aufzubewahren. Andererseits sollte es leicht in die Struktur des Atoms eindringen und sich entweder mit dessen Kern verbinden oder durch dessen starkes Feld beschleunigt werden, wodurch ein geladenes H-Atom oder Elektron oder beides entsteht.“

Daher wurde eine Hypothese über die Existenz eines Neutrons und eines schweren Wasserstoffisotops aufgestellt. Es wurde auf der Grundlage der von M. Sklodowska-Curie vorgeschlagenen Hypothese ausgedrückt, dass die Atomkerne aus Wasserstoffkernen (Protonen) und Elektronen bestehen.

Dieses Konzept erklärte sofort die charakteristischen Kernzahlen A und Z.

Eigenschaften des Kerns wie Massenzahl A und Ladung Z erwiesen sich jedoch als unzureichend. Bereits 1924, vor der Entdeckung des Spins, schlug W. Pauli vor, dass der Kern ein magnetisches Moment besitzt, das die Bewegung der Orbitalelektronen beeinflusst und dadurch eine Hyperfeinstruktur von Spektrallinien erzeugt. Erklärung der Feinstruktur von Spektren durch das Vorhandensein spinbezogener magnetische Momente Kerne führten zur Einteilung der Kerne in zwei Typen. Kerne vom geraden Typ, die einen ganzzahligen Spin haben, gehorchen der Bose-Statistik; Kerne vom ungeraden Typ, die einen halbzahligen Spin haben, gehorchen der Fermi-Dirac-Statistik. Daher sollten nach der Proton-Elektron-Theorie Kerne, die aus einer geraden Anzahl von Elektronen und Protonen bestehen, der Bose-Statistik und solche mit einer ungeraden Anzahl der Fermi-Dirac-Statistik gehorchen.

Im Jahr 1930 stellte sich heraus, dass der Stickstoffkern der Bose-Statistik gehorcht, obwohl er nach der Proton-Elektron-Theorie der Struktur des Kerns aus 21 Teilchen (14 Protonen, 7 Elektronen) besteht. Diese Tatsache wird in der Wissenschaft als Stickstoffkatastrophe bezeichnet.

Im selben Jahr, in dem die Stickstoffkatastrophe entdeckt wurde, wurden die Ergebnisse der Experimente von L. Meitner und Ortmann veröffentlicht, die die Ergebnisse der Experimente von Ellis und Worcester aus dem Jahr 1927 bestätigten. Diese Experimente zeigten, dass die Gesamtenergie von (3-Strahlen, gemessen mit einem dickwandigen Mikrokalorimeter, ist geringer als der Energieunterschied zwischen ursprünglichem und endgültigem Kern, d.

Die Lösung des Problems der Stickstoffkatastrophe und des Rätsels der p-Spektren wurde auf der Grundlage der Idee der Existenz neutraler Teilchen in der Natur gegeben – schwer, Neutron genannt, und leicht, Neutrino genannt, d. h. , ein kleines Neutron, auf Fermis Vorschlag.

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