چگونه این فرآیند کشف و توصیف شد. استفاده از آن به عنوان منبع انرژی و سلاح های هسته ای آشکار شده است.

اتم "تقسیم ناپذیر".

قرن بیست و یکم مملو از عباراتی مانند "انرژی اتمی"، "فناوری هسته ای"، "ضایعات رادیواکتیو" است. هر زمان و هر زمان سر خط خبرهای روزنامهپیام های چشمک زن در مورد احتمال آلودگی رادیواکتیو خاک، اقیانوس ها و یخ های قطب جنوب وجود دارد. با این حال، یک فرد معمولی اغلب تصور خوبی از اینکه این رشته علمی چیست و چگونه به آن کمک می کند، ندارد. زندگی روزمره. شاید ارزش شروع را با تاریخ داشته باشد. از همان اولین سوالی که مردی با لباس خوب پرسید، علاقه مند شد که دنیا چگونه کار می کند. چشم چگونه می بیند، چرا گوش می شنود، آب با سنگ چه تفاوتی دارد - این چیزی است که از قدیم الایام حکیمان را نگران کرده است. همچنین در هند باستانو یونان، برخی از ذهن‌های کنجکاو پیشنهاد کردند که ذره‌ای حداقلی وجود دارد (به آن «تقسیم ناپذیر» نیز گفته می‌شود) که ویژگی‌های یک ماده را دارد. شیمیدانان قرون وسطی حدس حکیمان را تأیید کردند و تعریف مدرن اتم به شرح زیر است: اتم کوچکترین ذره یک ماده است که حامل خواص آن است.

قطعات یک اتم

با این حال، توسعه فناوری (به ویژه، عکاسی) منجر به این واقعیت شده است که اتم دیگر کوچکترین ذره ممکن از ماده در نظر گرفته نمی شود. و اگرچه یک اتم از نظر الکتریکی خنثی است، اما دانشمندان به سرعت متوجه شدند که از دو بخش با بارهای مختلف تشکیل شده است. تعداد قطعات دارای بار مثبت تعداد قطعات منفی را جبران می کند، بنابراین اتم خنثی می ماند. اما هیچ مدل بدون ابهامی از اتم وجود نداشت. از آنجایی که فیزیک کلاسیک هنوز در آن زمان غالب بود، فرضیات مختلفی مطرح شد.

مدل های اتمی

در ابتدا، مدل «نان کشمشی» پیشنهاد شد. به نظر می رسید که بار مثبت کل فضای اتم را پر کرده است و بارهای منفی مانند کشمش در یک نان در آن توزیع شده است. معروف موارد زیر را تعیین کرد: در مرکز اتم یک بسیار وجود دارد عنصر سنگینبا بار مثبت (هسته)، و الکترون های بسیار سبک تر در اطراف قرار دارند. جرم هسته صدها برابر سنگین‌تر از مجموع تمام الکترون‌ها است (۹۹.۹ درصد از جرم کل اتم را تشکیل می‌دهد). بنابراین، مدل سیاره ای بور از اتم متولد شد. با این حال، برخی از عناصر آن در تضاد با فیزیک کلاسیک پذیرفته شده در آن زمان بود. بنابراین، مکانیک کوانتومی جدید توسعه یافت. با ظهور آن، دوره غیر کلاسیک علم آغاز شد.

اتم و رادیواکتیویته

از تمام آنچه در بالا گفته شد، مشخص می شود که هسته، بخش سنگین و بار مثبت اتم است که بخش عمده آن را تشکیل می دهد. زمانی که موقعیت الکترون ها در مدار یک اتم به خوبی مورد مطالعه قرار گرفت، زمان درک ماهیت فرا رسید هسته اتمی. رادیواکتیویته مبتکرانه و غیرمنتظره کشف شده به کمک آمد. این کمک کرد تا ماهیت بخش مرکزی سنگین اتم آشکار شود، زیرا منبع رادیواکتیویته شکافت هسته ای است. در آغاز قرن نوزدهم و بیستم، اکتشافات یکی پس از دیگری انجام شد. حل نظری یک مسئله نیاز به انجام آزمایش های جدید را ضروری می کرد. نتایج آزمایش‌ها باعث ایجاد نظریه‌ها و فرضیه‌هایی شد که باید تأیید یا رد شوند. غالبا بزرگترین اکتشافاتبه سادگی ظاهر شد زیرا به این ترتیب بود که فرمول برای محاسبات راحت شد (مثلاً کوانتوم ماکس پلانک). حتی در آغاز دوران عکاسی، دانشمندان می دانستند که نمک های اورانیوم فیلم های حساس به نور را روشن می کنند، اما آنها مشکوک نبودند که این پدیده بر اساس شکافت هسته ای باشد. بنابراین، رادیواکتیویته برای درک ماهیت فروپاشی هسته‌ای مورد مطالعه قرار گرفت. واضح است که تشعشعات ایجاد شده است انتقال کوانتومی، اما کاملاً مشخص نبود که دقیقاً کدام است. کوری ها رادیوم خالص و پولونیوم را تقریباً با دست پردازش می کردند سنگ معدن اورانیومبرای دریافت پاسخ این سوال

بار رادیواکتیو

رادرفورد کارهای زیادی برای مطالعه ساختار اتم انجام داد و در مطالعه چگونگی شکافت هسته اتم مشارکت داشت. این دانشمند تابش آزاد شده توسط یک عنصر رادیواکتیو را در یک میدان مغناطیسی قرار داد و نتیجه شگفت انگیزی گرفت. مشخص شد که تشعشع از سه جزء تشکیل شده است: یکی خنثی بود و دو جزء دیگر دارای بار مثبت و منفی بودند. مطالعه شکافت هسته ای با شناسایی اجزای آن آغاز شد. ثابت شد که هسته می تواند تقسیم شود و بخشی از بار مثبت خود را رها کند.

ساختار هسته

بعدها مشخص شد که هسته اتم نه تنها از ذرات باردار مثبت پروتون، بلکه از ذرات خنثی نوترون نیز تشکیل شده است. آنها با هم نوکلئون نامیده می شوند (از انگلیسی "nucleus"، nucleus). با این حال، دانشمندان دوباره با مشکلی مواجه شدند: جرم هسته (یعنی تعداد نوکلئون ها) همیشه با بار آن مطابقت نداشت. در هیدروژن، هسته دارای بار 1+ است و جرم آن می تواند سه، دو یا یک باشد. هلیوم بعدی در جدول تناوبی دارای بار هسته ای +2 است، در حالی که هسته آن شامل 4 تا 6 نوکلئون است. بیشتر عناصر پیچیدهمی تواند تعداد بسیار بیشتری از جرم های مختلف با بار یکسان داشته باشد. این تغییرات اتم ها ایزوتوپ نامیده می شوند. علاوه بر این، برخی از ایزوتوپ ها کاملاً پایدار بودند، در حالی که برخی دیگر به سرعت تجزیه شدند، زیرا آنها با شکافت هسته ای مشخص شدند. تعداد نوکلئون‌ها با پایداری هسته‌ها مطابقت دارد؟ چرا افزودن تنها یک نوترون به یک هسته سنگین و کاملاً پایدار منجر به شکافتن آن و انتشار رادیواکتیویته شد؟ به اندازه کافی عجیب، پاسخ این سوال مهم هنوز پیدا نشده است. به طور تجربی مشخص شد که پیکربندی های پایدار هسته های اتمی با تعداد خاصی از پروتون ها و نوترون ها مطابقت دارد. اگر 2، 4، 8، 50 نوترون و/یا پروتون در هسته وجود داشته باشد، هسته قطعاً پایدار خواهد بود. این اعداد حتی جادو نامیده می شوند (و این همان چیزی است که دانشمندان بزرگسال و فیزیکدانان هسته ای آنها را نامیده اند). بنابراین، شکافت هسته ها به جرم آنها بستگی دارد، یعنی به تعداد نوکلئون های موجود در آنها.

قطره، پوسته، کریستال

عاملی که مسئول پایداری هسته است را تعیین کنید این لحظهناموفق. تئوری های زیادی در مورد این مدل وجود دارد که سه نظریه معروف و توسعه یافته اغلب در مورد مسائل مختلف با یکدیگر تناقض دارند. طبق اولی، هسته قطره ای از مایع هسته ای ویژه است. مانند آب، سیالیت، کشش سطحی، ادغام و متلاشی شدن مشخص می شود. در مدل پوسته، سطوح انرژی خاصی نیز در هسته وجود دارد که با نوکلئون ها پر شده است. سومین ادعا می کند که هسته محیطی است که قادر به شکست امواج ویژه (امواج دی بروگلی) است و ضریب شکست این است. ، شکافتن هسته آغاز می شود.

پوسیدگی چگونه اتفاق می افتد؟

همانطور که در بالا ذکر شد رادیواکتیویته در موادی که در طبیعت یافت می شوند کشف شد: اورانیوم، پولونیوم، رادیوم. به عنوان مثال، اورانیوم خالص تازه استخراج شده رادیواکتیو است. فرآیند تقسیم در این مورد خود به خود خواهد بود. بدون هیچ گونه تأثیر خارجی، تعداد معینی از اتم های اورانیوم ذرات آلفا ساطع می کنند و به طور خود به خود به توریم تبدیل می شوند. شاخصی به نام نیمه عمر وجود دارد. نشان می دهد که در چه مدت زمانی تقریباً نیمی از تعداد اولیه قطعه باقی می ماند. هر عنصر رادیواکتیو نیمه عمر خود را دارد - از کسری از ثانیه برای کالیفرنیوم تا صدها هزار سال برای اورانیوم و سزیم. اما رادیواکتیویته القایی نیز وجود دارد. اگر هسته اتم ها با پروتون ها یا ذرات آلفا (هسته هلیوم) با انرژی جنبشی بالا بمباران شوند، می توانند "شکاف" شوند. البته مکانیسم تغییر شکل با نحوه شکستن گلدان مورد علاقه مادر شما متفاوت است. با این حال، قیاس خاصی را می توان دنبال کرد.

انرژی اتمی

تاکنون به این سوال عملی پاسخ نداده‌ایم که انرژی در طی شکافت هسته‌ای از کجا می‌آید؟ برای شروع، لازم به توضیح است که در هنگام تشکیل یک هسته، نیروهای هسته ای ویژه ای عمل می کنند که به آنها تعامل قوی می گویند. از آنجایی که هسته از تعداد زیادی پروتون مثبت تشکیل شده است، این سوال باقی می ماند که چگونه آنها به هم می چسبند، زیرا نیروهای الکترواستاتیک باید آنها را به شدت از یکدیگر دفع کنند. پاسخ هم ساده است و هم نه: هسته به دلیل تبادل بسیار سریع ذرات ویژه بین نوکلئون ها - پی-مزون ها در کنار هم نگه داشته می شود. این ارتباط فوق العاده کوتاه مدت است. به محض اینکه تبادل مزون پی متوقف شود، هسته از هم می پاشد. همچنین مشخص است که جرم هسته کمتر از مجموع تمام نوکلئون های تشکیل دهنده آن است. این پدیده نقص جرم نامیده می شود. در واقع جرم از دست رفته انرژی است که برای حفظ یکپارچگی هسته صرف می شود. به محض جدا شدن بخشی از هسته اتم، این انرژی آزاد شده و در نیروگاه های هسته ای به گرما تبدیل می شود. یعنی انرژی شکافت هسته ای نمایش واضحی از فرمول معروف اینشتین است. به یاد بیاوریم که فرمول می گوید: انرژی و جرم را می توان به یکدیگر تبدیل کرد (E=mc 2).

تئوری و عمل

اکنون به شما خواهیم گفت که چگونه از این کشف صرفا نظری در زندگی واقعی برای تولید گیگاوات برق استفاده می شود. ابتدا باید توجه داشت که واکنش های کنترل شده از شکافت هسته ای اجباری استفاده می کنند. اغلب این اورانیوم یا پلونیوم است که توسط نوترون های سریع بمباران می شود. ثانیاً، نمی توان درک نکرد که شکافت هسته ای با ایجاد نوترون های جدید همراه است. در نتیجه، تعداد نوترون ها در ناحیه واکنش می تواند خیلی سریع افزایش یابد. هر نوترون با هسته های جدید و هنوز دست نخورده برخورد می کند و آنها را می شکافد که منجر به افزایش انتشار گرما می شود. این یک واکنش زنجیره ای از شکافت هسته ای است. افزایش کنترل نشده در تعداد نوترون ها در یک راکتور می تواند منجر به انفجار شود. این دقیقاً همان چیزی است که در سال 1986 اتفاق افتاد نیروگاه هسته ای چرنوبیل. بنابراین، همیشه ماده ای در منطقه واکنش وجود دارد که نوترون های اضافی را جذب می کند و از بروز فاجعه جلوگیری می کند. این گرافیت به شکل میله های بلند است. سرعت شکافت هسته ای را می توان با غوطه ور کردن میله ها در منطقه واکنش کاهش داد. معادله به طور خاص برای هر ماده رادیواکتیو فعال و ذراتی که آن را بمباران می کنند (الکترون ها، پروتون ها، ذرات آلفا) جمع آوری شده است. با این حال، انرژی خروجی نهایی طبق قانون پایستگی محاسبه می شود: E1+E2=E3+E4. یعنی انرژی کل هسته و ذره اصلی (E1 + E2) باید برابر با انرژی هسته حاصل و انرژی آزاد شده به صورت آزاد (E3 + E4) باشد. معادله یک واکنش هسته ای همچنین نشان می دهد که چه ماده ای در نتیجه فروپاشی تولید می شود. به عنوان مثال، برای اورانیوم U=Th+He، U=Pb+Ne، U=Hg+Mg. ایزوتوپ های عناصر شیمیایی در اینجا آورده نشده است، اما این مهم است. به عنوان مثال، سه احتمال برای شکافت اورانیوم وجود دارد که ایزوتوپ های مختلف سرب و نئون را تولید می کند. تقریباً در صد در صد موارد، شکافت هسته ای ایزوتوپ های رادیواکتیو تولید می کند. یعنی تجزیه اورانیوم توریم رادیواکتیو تولید می کند. توریم می تواند به پروتاکتینیم، به اکتینیم و غیره تجزیه شود. هر دو بیسموت و تیتانیوم می توانند در این سری رادیواکتیو باشند. حتی هیدروژن که حاوی دو پروتون در هسته است (هنجار یک پروتون است) به طور متفاوت - دوتریوم نامیده می شود. آب تشکیل شده با چنین هیدروژنی سنگین نامیده می شود و مدار اولیه راکتورهای هسته ای را پر می کند.

اتم غیر صلح آمیز

عباراتی مانند "مسابقه تسلیحاتی"، " جنگ سرد"، "تهدید هسته ای" به انسان مدرنممکن است تاریخی و بی ربط به نظر برسد. اما روزی روزگاری تقریباً در سراسر جهان هر خبری منتشر می شد با گزارش هایی در مورد تعداد انواع سلاح های هسته ای اختراع شده و نحوه برخورد با آنها. مردم پناهگاه‌های زیرزمینی می‌ساختند و در صورت نیاز، ذخایر ذخیره می‌کردند زمستان هسته ای. تمام خانواده ها برای ایجاد این پناهگاه تلاش کردند. حتی استفاده صلح آمیز از واکنش های شکافت هسته ای می تواند منجر به فاجعه شود. به نظر می رسد چرنوبیل به بشریت آموخت که در این زمینه مراقب باشد، اما عناصر سیاره قوی تر بودند: زلزله در ژاپن به استحکامات بسیار قابل اعتماد نیروگاه هسته ای فوکوشیما آسیب زد. استفاده از انرژی یک واکنش هسته ای برای تخریب بسیار آسان تر است. فناوران فقط باید نیروی انفجار را محدود کنند تا ناخواسته کل سیاره را نابود نکنند. "انسانی ترین" بمب ها، اگر بتوان آنها را به این نام نامید، منطقه اطراف را با تشعشعات آلوده نمی کند. به طور کلی، آنها اغلب از یک واکنش زنجیره ای کنترل نشده استفاده می کنند. آنچه آنها در نیروگاه های هسته ای به هر قیمتی برای جلوگیری از آن تلاش می کنند، در بمب ها به روشی بسیار ابتدایی به دست می آید. برای هر عنصر رادیواکتیو طبیعی جرم بحرانی خاصی وجود دارد ماده خالص، که در آن واکنش زنجیره ای خود به خود شروع می شود. مثلاً برای اورانیوم فقط پنجاه کیلوگرم است. از آنجایی که اورانیوم بسیار سنگین است، تنها یک توپ فلزی کوچک به قطر 12-15 سانتی متر است. اولین بمب اتمی که بر روی هیروشیما و ناکازاکی انداخته شد، دقیقاً بر اساس این اصل ساخته شد: دو بخش نابرابر اورانیوم خالص به سادگی با هم ترکیب شدند و انفجاری هولناک را ایجاد کردند. سلاح های مدرن احتمالاً پیچیده تر هستند. با این حال، ما نباید جرم بحرانی را فراموش کنیم: بین حجم های کوچک ماده رادیواکتیو خالص در طول ذخیره سازی باید موانعی وجود داشته باشد که اجازه اتصال قطعات را نمی دهد.

منابع تشعشع

همه عناصر با بار هسته ای بیشتر از 82 رادیواکتیو هستند. تقریباً تمام عناصر شیمیایی سبک تر، ایزوتوپ های رادیواکتیو دارند. هر چه هسته سنگین تر باشد، عمر آن کوتاه تر است. برخی از عناصر (مانند کالیفرنیوم) را فقط می توان به طور مصنوعی به دست آورد - با برخورد اتم های سنگین با ذرات سبک تر، اغلب در شتاب دهنده ها. از آنجایی که آنها بسیار ناپایدار هستند، پوسته زمینآنها آنجا نیستند: در طول شکل گیری سیاره، آنها خیلی سریع به عناصر دیگر تجزیه شدند. موادی با هسته های سبک تر مانند اورانیوم را می توان استخراج کرد. این فرآیند طولانی است، حتی سنگ معدن بسیار غنی حاوی کمتر از یک درصد اورانیوم مناسب برای استخراج است. شاید مسیر سوم نشان دهنده این باشد که دوران جدید زمین شناسی از قبل آغاز شده است. این استخراج عناصر رادیواکتیو از زباله های رادیواکتیو است. پس از فرآوری سوخت در نیروگاه، زیردریایی یا ناو هواپیمابر، مخلوطی از اورانیوم اولیه و ماده نهایی، نتیجه شکافت، به دست می آید. در حال حاضر جامد در نظر گرفته می شود زباله رادیواکتیوو سوال مبرم این است که چگونه آنها را دفن کنیم تا آلوده نشوند محیط. با این حال، این احتمال وجود دارد که در آینده نزدیک، آماده متمرکز شده است مواد رادیواکتیو(مثلاً پلونیوم) از این زباله ها استخراج خواهد شد.

26 نوامبر 1894. مراسم ازدواج تزار روسیه نیکلاس دوم و آلیس شاهزاده آلمانی هسن دارمشتات در سن پترزبورگ برگزار شد. پس از عروسی، همسر امپراتور پذیرفت ایمان ارتدکسو نام الکساندرا فدوروونا را دریافت کرد.

27 نوامبر 1967. سینمای مسکو "میر" میزبان اولین نمایش هیجان انگیز شوروی "وی" بود. نقش های اصلی را لئونید کوراولف و ناتالیا وارلی بازی کردند. فیلمبرداری در منطقه Ivano-Frankivsk و روستای Sednev در منطقه Chernihiv انجام شد.

28 نوامبر 1942 اتحاد جماهیر شورویقراردادی با فرانسه در مورد نبرد مشترک علیه آلمان نازی در آسمان منعقد کرد. اولین اسکادران هوانوردی فرانسوی "Normandie-Niemen" متشکل از 14 خلبان و 17 کارگر فنی بود.

29 نوامبر 1812ارتش ناپلئون هنگام عبور از رودخانه برزینا شکست خورد. ناپلئون حدود 35 هزار نفر را از دست داد. بر اساس کتیبه روی دیوار 25 گالری شکوه نظامی کلیسای جامع مسیح منجی، تلفات نیروهای روسی به 4 هزار سرباز رسید. تقریباً 10 هزار فرانسوی توسط ژنرال روسی پیتر ویتگنشتاین اسیر شدند.

1 دسامبر 1877در روستای مارکوفکا، منطقه وینیتسیا، نیکولای لئونتویچ، آهنگساز اوکراینی، رهبر گروه کر، نویسنده آهنگ های "دوداریک"، "قزاق در حال حمل است"، "مالا مادر یک دختر"، "شچدریک" (آهنگ شناخته شده است. در غرب به عنوان سرود کریسمس زنگ ها ("سرود زنگ ها").

1 دسامبر 1991. همه پرسی سراسر اوکراین در مورد موضوع استقلال دولتی اوکراین برگزار شد. لئونید کراوچوک به عنوان اولین رئیس جمهور کشور انتخاب شد.

2 دسامبر 1942. فیزیکدان انریکو فرمی و گروهی از دانشمندان آمریکایی از دانشگاه شیکاگو یک واکنش هسته ای کنترل شده را انجام دادند و برای اولین بار یک اتم را شکافتند.

در 1 دسامبر 1992، دامنه اوکراینی UA در پایگاه بین المللی ثبت شد

در میان سابق جمهوری های شورویاوکراین اولین کشوری بود که دامنه اینترنتی ملی را در 1 دسامبر 1992 دریافت کرد. روسیه بعداً ثبت شد: دامنه RU در 7 آوریل 1994 ظاهر شد. در همان سال، جمهوری بلاروس دامنه های خود را - BY، ارمنستان - AM و قزاقستان - KZ دریافت کرد. و اولین دامنه ملی در تاریخ اینترنت ایالات متحده آمریکا بود که در مارس 1985 به ثبت رسید. در همان زمان، دامنه های بریتانیا - انگلستان و اسرائیل - IL ظاهر شد. ایجاد یک سیستم دامنه این امکان را فراهم می کند که بلافاصله با نام سایت بفهمید که در کجا قرار دارد.

در ژانویه 1993، در کنفرانس متخصصان اینترنت اوکراین در روستای Slavskoye، منطقه Lviv، 27 دامنه پیشنهاد شد که بر اساس جغرافیایی ایجاد شده بودند و با کد شماره تلفن انتخاب شدند. شهرها و شرکت های اوکراین این فرصت را دارند که وب سایت های خود را در اینترنت ایجاد کنند، به عنوان مثال، kiev.ua، crimea.ua، dnepropetrovsk.ua. تمام مسئولیت های اداره آنها همچنان توسط افراد به صورت داوطلبانه انجام می شد. در برخی از حوزه های عمومی این عمل تا به امروز ادامه دارد. اکنون هر دامنه ملی یا جغرافیایی مدیر خود را دارد - یک شرکت یا فردی که قوانین ثبت را تعیین می کند. با گذشت زمان، اینترنت نسخه مخصوص به خود از زبان را به وجود آورد. نام دامنه ای که با علامت اختصاری COM، NET، EDU به پایان می رسد مخفف عبارت اختصاری است. مفهوم کلی. به عنوان مثال، COM تجاری است، NET شبکه است، EDU آموزشی است. در کشور ما محبوب ترین دامنه COM است. در بهار سال 2001، به منظور بازگرداندن نظم، سرانجام شخصیت حقوقی Hostmaster LLC ایجاد شد که شامل مدیران UA و سایر دامنه های اوکراینی بود. افراد، صاحبان سابق دامنه اوکراینی UA، رسما بخشی از اختیارات خود را به "Hostmaster" منتقل کردند.

امروزه هر کسی می تواند وب سایت خود را ایجاد کند و یک دامنه دریافت کند. مرحله اول که طی آن فقط صاحبان علائم تجاری می توانستند دامنه را در منطقه UA ثبت کنند، قبلاً به پایان رسیده است. از سال 2010، ثبت دامنه رایگان برای هر فرد برای یک دوره ده ساله در دسترس است؛ قیمت استفاده از دامنه برای یک سال 90 گریونا است. به هر حال، اولین کسی که اینترنت را پیش بینی کرد یک نویسنده، فیلسوف و شخصیت عمومیقرن نوزدهم ولادیمیر اودوفسکی. اودویفسکی در رمان "سال 4338" که در سال 1837 منتشر شد، نوشت: تلگراف های مغناطیسی بین خانه های آشنا نصب می شوند که از طریق آن کسانی که در فاصله زیادی زندگی می کنند با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند." اکنون هر کدام از ما با افتتاح یک وب سایت در اینترنت بدون خروج از خانه می توانیم هوا و بلیط راه آهن، از سوپرمارکت لوازم الکترونیکی خرید کنید، آثار خود را بدون واسطه منتشر کنید و حتی در سایت دوستیابی شریک زندگی پیدا کنید. جوانان بیست ساله به سختی می توانند دورانی را تصور کنند که برای خرید کتاب به کتابخانه می رفتند، نامه ها با دست نوشته می شد و اخبار فقط از برنامه های تلویزیونی یا نشریات چاپی یاد می شد.

6. دنیای ذرات زیر اتمی

شکافتن اتم

غالباً گفته می شود که دو نوع علم وجود دارد - علوم بزرگ و کوچک. شکافتن اتم یک علم بزرگ است. دارای امکانات عظیم آزمایشی، بودجه های عظیم است و سهم شیر از جوایز نوبل را دریافت می کند.

چرا فیزیکدانان نیاز به تقسیم اتم داشتند؟ پاسخ ساده - برای درک نحوه عملکرد اتم - فقط بخشی از حقیقت را در بر می گیرد، اما دلیل کلی تری وجود دارد. صحبت کردن به معنای واقعی کلمه در مورد شکافتن اتم کاملاً صحیح نیست. در حقیقت ما در مورددر مورد برخورد ذرات پر انرژی وقتی ذرات زیراتمی که با سرعت بالا حرکت می کنند با هم برخورد می کنند، دنیای جدیدی از فعل و انفعالات و میدان ها متولد می شود. تکه‌های ماده حامل خشم عظیم، که پس از برخورد پراکنده می‌شوند، اسرار طبیعت را پنهان می‌کنند که از زمان "آفرینش جهان" در اعماق اتم مدفون مانده است.

تاسیساتی که در آن ذرات پرانرژی با هم برخورد می کنند - شتاب دهنده های ذرات - از نظر اندازه و هزینه قابل توجه هستند. عرض آنها به چندین کیلومتر می رسد و باعث می شود حتی آزمایشگاه هایی که برخورد ذرات را مطالعه می کنند در مقایسه کوچک به نظر برسند. در مناطق دیگر تحقیق علمیتجهیزات در آزمایشگاه قرار دارند؛ در فیزیک با انرژی بالا، آزمایشگاه ها به شتاب دهنده متصل می شوند. اخیراً مرکز تحقیقات هسته ای اروپا (سرن)، واقع در نزدیکی ژنو، چند صد میلیون دلار برای ساخت یک شتاب دهنده حلقه ای اختصاص داده است. محیط تونلی که برای این منظور ساخته می شود به 27 کیلومتر می رسد. این شتاب دهنده که LEP (حلقه الکترون-پوزیترون بزرگ) نامیده می شود، برای شتاب دادن به الکترون ها و پادذرات آنها (پوزیترون) تا سرعت هایی طراحی شده است که فقط یک تار مو با سرعت نور فاصله دارند. برای دریافت ایده ای از مقیاس انرژی، تصور کنید که به جای الکترون ها، یک سکه پنی به چنین سرعت هایی شتاب می گیرد. در پایان چرخه شتاب، انرژی کافی برای تولید 1000 میلیون دلار برق خواهد داشت! تعجب آور نیست که چنین آزمایش هایی معمولاً به عنوان فیزیک "پر انرژی" طبقه بندی می شوند. با حرکت به سمت یکدیگر در داخل حلقه، پرتوهای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها برخوردهای رودررو را تجربه می‌کنند که در آن الکترون‌ها و پوزیترون‌ها از بین می‌روند و انرژی کافی برای تولید ده‌ها ذره دیگر آزاد می‌کنند.

این ذرات چیست؟ برخی از آنها همان «بلوک‌های سازنده» هستند که ما از آنها ساخته شده‌ایم: پروتون‌ها و نوترون‌هایی که هسته‌های اتم را می‌سازند، و الکترون‌هایی که به دور هسته‌ها می‌چرخند. ذرات دیگر معمولاً در مواد اطراف ما یافت نمی شوند: طول عمر آنها بسیار کوتاه است و پس از انقضای آن به ذرات معمولی متلاشی می شوند. تعداد انواع چنین ذرات کوتاه مدت ناپایدار شگفت انگیز است: چند صد مورد از آنها قبلاً شناخته شده است. مانند ستارگان، ذرات ناپایدار آنقدر زیاد هستند که با نام قابل شناسایی نیستند. بسیاری از آنها فقط با حروف یونانی و برخی فقط با اعداد نشان داده می شوند.

مهم است که در نظر داشته باشید که همه این ذرات ناپایدار متعدد و متنوع به هیچ وجه به معنای واقعی کلمه نیستند اجزاءپروتون، نوترون یا الکترون. هنگام برخورد، الکترون‌ها و پوزیترون‌های پرانرژی در بسیاری از قطعات زیراتمی پراکنده نمی‌شوند. حتی در برخورد پروتون‌های پرانرژی، که آشکارا از اجسام دیگر (کوارک‌ها) تشکیل شده‌اند، آنها معمولاً به اجزای سازنده خود به معنای معمول تقسیم نمی‌شوند. آنچه در چنین برخوردهایی اتفاق می افتد بهتر است به عنوان ایجاد مستقیم ذرات جدید از انرژی برخورد تلقی شود.

حدود بیست سال پیش، فیزیکدانان از تعداد و تنوع ذرات زیراتمی جدید کاملاً گیج شده بودند، که به نظر می رسید پایانی نداشت. قابل درک نبود برای چیاینقدر ذرات شاید ذرات بنیادی مانند ساکنان یک باغ وحش باشند، با وابستگی ضمنی خانوادگی خود، اما بدون هیچ گونه طبقه بندی مشخص. یا شاید همانطور که برخی خوش بینان معتقد بودند، ذرات بنیادی کلید جهان را در دست دارند؟ ذرات مشاهده شده توسط فیزیکدانان کدامند: قطعات ناچیز و تصادفی ماده یا خطوط کلی نظم مبهم که در مقابل چشمان ما ظاهر می شود و نشان دهنده وجود ساختاری غنی و پیچیده از دنیای زیرهسته ای است؟ اکنون در وجود چنین ساختاری شکی نیست. نظم عمیق و عقلانی در جهان خرد وجود دارد و ما شروع به درک معنای همه این ذرات می کنیم.

اولین گام برای درک جهان خرد در نتیجه سیستم‌بندی تمام ذرات شناخته شده، درست مانند قرن هجدهم انجام شد. زیست شناسان کاتالوگ های دقیقی از گونه های گیاهی و جانوری تهیه کردند. مهمترین ویژگی ذرات زیراتمی شامل جرم، بار الکتریکی و اسپین است.

از آنجایی که جرم و وزن به هم مرتبط هستند، ذرات با جرم بالا اغلب "سنگین" نامیده می شوند. رابطه انیشتین E =mc^ 2 نشان می دهد که جرم یک ذره به انرژی آن و بنابراین به سرعت آن بستگی دارد. یک ذره متحرک سنگین تر از یک ذره ساکن است. وقتی از جرم یک ذره صحبت می کنند، منظورشان همین است توده استراحت،زیرا این جرم به حالت حرکت بستگی ندارد. ذره ای با جرم سکون صفر با سرعت نور حرکت می کند. بارزترین مثال ذره ای با جرم سکون صفر فوتون است. اعتقاد بر این است که الکترون سبک ترین ذره با جرم سکون غیر صفر است. پروتون و نوترون تقریبا 2000 برابر سنگین تر هستند، در حالی که سنگین ترین ذره ایجاد شده در آزمایشگاه (ذره Z) حدود 200000 برابر جرم الکترون است.

بار الکتریکی ذرات در محدوده نسبتاً باریکی متفاوت است، اما، همانطور که اشاره کردیم، همیشه مضربی از واحد اصلی بار است. برخی از ذرات، مانند فوتون ها و نوترینوها، بار الکتریکی ندارند. اگر بار یک پروتون با بار مثبت 1+ در نظر گرفته شود، بار الکترون -1 است.

در فصل 2 ویژگی دیگری از ذرات را معرفی کردیم - اسپین. همچنین همیشه مقادیری را می گیرد که مضربی از یک واحد اساسی هستند که به دلایل تاریخی 1 انتخاب می شود /2. بنابراین، یک پروتون، نوترون و الکترون دارای اسپین هستند 1/2, و اسپین فوتون 1 است. ذرات با اسپین 0، 3/2 و 2 نیز شناخته شده اند. ذرات بنیادی با اسپین بزرگتر از 2 کشف نشده اند و نظریه پردازان بر این باورند که ذراتی با چنین اسپین هایی وجود ندارند.

چرخش یک ذره یک مشخصه مهم است و بسته به مقدار آن، همه ذرات به دو دسته تقسیم می شوند. ذرات با اسپین های 0، 1 و 2 "بوزون" نامیده می شوند - به نام فیزیکدان هندی Chatyendranath Bose، و ذرات با اسپین نیمه صحیح (یعنی با اسپین 1/2 یا 3/2). - "فرمیون ها" به افتخار انریکو فرمی. تعلق به یکی از این دو کلاس احتمالاً مهمترین در فهرست ویژگی های یک ذره است.

یکی دیگر از ویژگی های مهم یک ذره طول عمر آن است. تا همین اواخر، اعتقاد بر این بود که الکترون ها، پروتون ها، فوتون ها و نوترینوها کاملاً پایدار هستند، یعنی. عمری بی نهایت طولانی دارند نوترون در حالی که در هسته "قفل شده" است پایدار می ماند، اما یک نوترون آزاد در حدود 15 دقیقه تجزیه می شود. تمام ذرات شناخته شده دیگر در بالاترین درجهناپایدار هستند، طول عمر آنها از چند میکروثانیه تا 10-23 ثانیه متغیر است. چنین فواصل زمانی غیرقابل درک به نظر می رسد، اما نباید فراموش کنیم که ذره ای که با سرعتی نزدیک به سرعت نور پرواز می کند (و بیشتر ذرات متولد شده در شتاب دهنده ها دقیقاً با چنین سرعتی حرکت می کنند) موفق می شود مسافت 300 متر را در یک میکروثانیه پرواز کند.

ذرات ناپایدار دچار فروپاشی می شوند که یک فرآیند کوانتومی است و بنابراین همیشه عنصر غیرقابل پیش بینی در فروپاشی وجود دارد. طول عمر یک ذره خاص را نمی توان از قبل پیش بینی کرد. بر اساس ملاحظات آماری، تنها میانگین طول عمر را می توان پیش بینی کرد. معمولاً آنها در مورد نیمه عمر یک ذره صحبت می کنند - زمانی که در طی آن جمعیت ذرات یکسان به نصف کاهش می یابد. آزمایش نشان می دهد که کاهش اندازه جمعیت به صورت تصاعدی رخ می دهد (شکل 6 را ببینید) و نیمه عمر 0.693 از میانگین زمان عمر است.

برای فیزیکدانان کافی نیست که بدانند این یا آن ذره وجود دارد - آنها تلاش می کنند تا بفهمند نقش آن چیست. پاسخ به این سوال به خواص ذرات ذکر شده در بالا و همچنین بستگی دارد ماهیت نیروها، از بیرون و داخل آن روی ذره اثر می گذارد. اول از همه، خواص یک ذره با توانایی (یا ناتوانی) آن برای شرکت در برهمکنش های قوی تعیین می شود. ذرات شرکت کننده در فعل و انفعالات قوی کلاس خاصی را تشکیل می دهند و نامیده می شوند آندرون هاذراتی که در برهمکنش های ضعیف شرکت می کنند و در برهمکنش های قوی شرکت نمی کنند نامیده می شوند لپتون ها،که به معنی "ریه" است. بیایید نگاهی کوتاه به هر یک از این خانواده ها بیندازیم.

لپتون ها

شناخته شده ترین لپتون، الکترون است. مانند همه لپتون ها، به نظر می رسد که یک جسم ابتدایی و نقطه مانند باشد. تا آنجا که مشخص است، الکترون هیچ ساختار داخلی ندارد، یعنی. از هیچ ذره دیگری تشکیل نشده است. اگرچه لپتون ها ممکن است بار الکتریکی داشته باشند یا نداشته باشند، اما همه آنها اسپین یکسانی دارند 1/2, بنابراین، آنها به عنوان فرمیون طبقه بندی می شوند.

یکی دیگر از لپتون های شناخته شده، اما بدون بار، نوترینو است. همانطور که قبلاً در فصل ذکر شد. 2، نوترینوها مانند ارواح گریزان هستند. از آنجایی که نوترینوها در برهمکنش های قوی یا الکترومغناطیسی شرکت نمی کنند، تقریباً به طور کامل ماده را نادیده می گیرند و طوری از آن نفوذ می کنند که گویی اصلاً وجود ندارد. توانایی نفوذ بالای نوترینوها برای مدت طولانی تأیید تجربی وجود آنها را بسیار دشوار می کرد. تنها سه دهه پس از پیش‌بینی نوترینوها بود که سرانجام در آزمایشگاه کشف شدند. فیزیکدانان باید منتظر ایجاد رآکتورهای هسته ای بودند که ساطع می کنند مقدار زیادینوترینو، و تنها پس از آن امکان ثبت برخورد رو به رو یک ذره با هسته و در نتیجه اثبات وجود آن وجود داشت. امروزه می توان آزمایش های بسیار بیشتری را با پرتوهای نوترینو انجام داد، که از فروپاشی ذرات در یک شتاب دهنده به وجود می آیند و ویژگی های لازم را دارند. اکثریت قریب به اتفاق نوترینوها هدف را "نادیده می گیرند"، اما هر از گاهی نوترینوها همچنان با هدف تعامل دارند، که این امر امکان به دست آوردن آن را فراهم می کند. اطلاعات مفیددر مورد ساختار ذرات دیگر و ماهیت برهمکنش ضعیف. البته انجام آزمایش با نوترینوها، برخلاف آزمایش با سایر ذرات زیراتمی، نیازی به استفاده از حفاظت خاصی ندارد. قدرت نفوذ نوترینوها به قدری زیاد است که کاملا بی ضرر هستند و بدون اینکه کوچکترین آسیبی به بدن انسان وارد کنند از بدن انسان عبور می کنند.

علیرغم ناملموس بودن، نوترینوها جایگاه ویژه ای در میان سایر ذرات شناخته شده دارند، زیرا فراوان ترین ذرات در سراسر کیهان هستند و تعداد الکترون ها و پروتون ها از یک میلیارد به یک بیشتر است. جهان اساساً دریایی از نوترینوها است که گاهی اوقات به شکل اتم در آن گنجانده شده است. حتی ممکن است که مجموع جرم نوترینوها از مجموع جرم ستارگان بیشتر شود و بنابراین این نوترینوها هستند که سهم اصلی را در گرانش کیهانی دارند. به گفته گروهی از محققان شوروی، نوترینوها دارای جرم سکون کوچک، اما نه صفر (کمتر از یک ده هزارم جرم الکترون) هستند. اگر این درست باشد، نوترینوهای گرانشی بر کیهان تسلط دارند که در آینده ممکن است باعث فروپاشی آن شود. بنابراین، نوترینوها، در نگاه اول "بی ضررترین" و غیر بدنی ترین ذرات، می توانند باعث فروپاشی کل جهان شوند.

در میان سایر لپتون ها، باید به میون اشاره کرد که در سال 1936 در محصولات برهمکنش پرتوهای کیهانی کشف شد. معلوم شد که یکی از اولین ذرات زیراتمی ناپایدار شناخته شده است. از همه جهات به جز پایداری، میون شبیه یک الکترون است: بار و اسپین یکسانی دارد، در برهمکنش‌های یکسانی شرکت می‌کند، اما جرم بزرگ‌تری دارد. در حدود دو میلیونیم ثانیه، میون به یک الکترون و دو نوترینو تجزیه می شود. میون ها در طبیعت گسترده هستند و بخش قابل توجهی از تشعشعات کیهانی پس زمینه را تشکیل می دهند که توسط شمارنده گایگر روی سطح زمین شناسایی می شود.

برای سال‌های متمادی، الکترون و میون تنها لپتون‌های باردار شناخته شده باقی ماندند. سپس در اواخر دهه 1970، سومین لپتون باردار به نام تاو لپتون کشف شد. با جرمی در حدود 3500 جرم الکترون، لپتون تاو آشکارا «سنگین وزن» سه لپتون باردار است، اما از همه جنبه‌های دیگر مانند یک الکترون و یک میون رفتار می‌کند.

این لیست از لپتون های شناخته شده به هیچ وجه تمام نشده است. در دهه 60 کشف شد که چندین نوع نوترینو وجود دارد. نوترینوهای یک نوع همراه با یک الکترون در هنگام واپاشی یک نوترون و نوترینوهای نوع دیگر در هنگام تولد یک میون متولد می شوند. هر نوع نوترینو به صورت جفت با لپتون باردار خود وجود دارد. بنابراین، یک "نوترینوی الکترونی" و یک "نوترینوی میون" وجود دارد. به احتمال زیاد، نوع سومی از نوترینو نیز باید وجود داشته باشد - همراه با تولد تاو لپتون. در این مورد تعداد کلسه نوع نوترینو وجود دارد و تعداد کل لپتون ها شش عدد است (جدول 1). البته هر لپتون ضد ذره مخصوص به خود را دارد. بنابراین تعداد کل لپتون های مختلف دوازده است.

میز 1

شش لپتون مربوط به تغییرات باردار و خنثی است (ضد ذرات در جدول گنجانده نشده اند). جرم و بار به ترتیب بر حسب واحد جرم و بار الکترون بیان می شوند. شواهدی وجود دارد که نوترینوها ممکن است جرم کمی داشته باشند

هادرون ها

بر خلاف تعداد انگشت شماری از لپتون های شناخته شده، به معنای واقعی کلمه صدها هادرون وجود دارد. این به تنهایی نشان می دهد که هادرون ها ذرات بنیادی نیستند، بلکه از اجزای کوچکتر ساخته شده اند. همه هادرون ها در برهمکنش های قوی، ضعیف و گرانشی شرکت می کنند، اما در دو نوع یافت می شوند - بار الکتریکی و خنثی. در میان هادرون ها، معروف ترین و پراکنده ترین آنها نوترون و پروتون هستند. هادرون‌های باقی‌مانده کوتاه‌مدت هستند و یا در کمتر از یک میلیونیم ثانیه به دلیل برهم‌کنش ضعیف، یا بسیار سریع‌تر (در زمان حدود 10 تا 23 ثانیه) - به دلیل برهم‌کنش قوی، تجزیه می‌شوند.

در دهه 1950، فیزیکدانان به شدت در مورد تعداد و تنوع هادرون ها متحیر بودند. اما کم کم ذرات بر اساس سه ویژگی مهم دسته بندی شدند: جرم، بار و اسپین. به تدریج نشانه هایی از نظم ظاهر شد و تصویر روشنی نمایان شد. نکاتی وجود دارد که در پشت آشفتگی ظاهری داده ها، تقارن پنهان شده است. در سال 1963، زمانی که موری گل مان و جورج زوایگ از موسسه فناوری کالیفرنیا نظریه کوارک ها را مطرح کردند، گامی تعیین کننده در کشف راز هادرون ها برداشته شد.

شکل 10 هادرون ها از کوارک ها ساخته می شوند. یک پروتون (بالا) از دو کوارک بالا و یک کوارک d تشکیل شده است. پیون سبکتر (پایین) یک مزون است که از یک کوارک u و یک آنتی کوارک d تشکیل شده است. هادرون های دیگر همه نوع ترکیبی از کوارک ها هستند.

ایده اصلی این نظریه بسیار ساده است. همه هادرون ها از ذرات کوچکتری به نام کوارک ساخته شده اند. کوارک ها می توانند به یکی از دو روش با یکدیگر ترکیب شوند راه های ممکن: یا به صورت سه قلو یا به صورت جفت کوارک-آنتی کوارک. ذرات نسبتا سنگین از سه کوارک تشکیل شده اند - باریون ها،که به معنی "ذرات سنگین" است. شناخته شده ترین باریون ها نوترون و پروتون هستند. جفت کوارک-آنتی کوارک سبکتر ذراتی را تشکیل می دهند که به آنها می گویند مزون ها -"ذرات واسط". انتخاب این نام با این واقعیت توضیح داده می شود که اولین مزون های کشف شده یک موقعیت متوسط ​​در جرم بین الکترون ها و پروتون ها را اشغال کردند. برای در نظر گرفتن همه هادرون های شناخته شده در آن زمان، ژل مان و تسوایگ سه نوع مختلف ("طعم") کوارک را معرفی کردند که نام های نسبتاً فانتزی دریافت کردند: و(از جانب بالا -بالا)، د(از جانب پایین -پایین تر) و s (از عجیب- عجیب). با اجازه دادن به امکان ترکیب های مختلف طعم ها، می توانیم وجود را توضیح دهیم تعداد زیادیهادرون ها به عنوان مثال، یک پروتون از دو تشکیل شده است و-و یک کوارک d (شکل 10) و نوترون از دو کوارک d و یک کوارک یو تشکیل شده است.

برای اینکه نظریه ارائه شده توسط گل-مان و تسوایگ مؤثر باشد، لازم است فرض کنیم که کوارک ها بار الکتریکی کسری را حمل می کنند. به عبارت دیگر، آنها باری دارند که مقدار آن 1/3 یا 2/3 واحد اساسی است - بار الکترون. ترکیبی از دو و سه کوارک می تواند بار کلی صفر یا یک داشته باشد. همه کوارک ها دارای اسپین 1/2 هستند. بنابراین آنها به عنوان فرمیون طبقه بندی می شوند. جرم کوارک ها به اندازه جرم ذرات دیگر دقیقاً تعیین نمی شود، زیرا انرژی پیوند آنها در هادرون با جرم خود کوارک ها قابل مقایسه است. با این حال، مشخص است که اس کوارک سنگین تر است و-و کوارک های d.

در داخل هادرون ها، کوارک ها می توانند در حالت های برانگیخته باشند، بسیار شبیه حالت های برانگیخته یک اتم، اما با انرژی های بسیار بالاتر. انرژی اضافی موجود در هادرون برانگیخته جرم آن را چنان افزایش می دهد که قبل از ایجاد نظریه کوارک، فیزیکدانان به اشتباه هادرون های برانگیخته را برای ذرات کاملاً متفاوت در نظر گرفتند. اکنون ثابت شده است که بسیاری از هادرون های به ظاهر متفاوت در واقع فقط حالت های برانگیخته یک مجموعه بنیادی از کوارک ها هستند.

همانطور که قبلاً در فصل ذکر شد. 5، کوارک ها با تعامل قوی کنار هم نگه داشته می شوند. اما در تعاملات ضعیف نیز شرکت می کنند. اندرکنش ضعیف می تواند طعم کوارک را تغییر دهد. به این ترتیب فروپاشی نوترون رخ می دهد. یکی از کوارک‌های d در نوترون به یک کوارک u تبدیل می‌شود و بار اضافی، الکترونی را که در همان زمان متولد می‌شود با خود می‌برد. به طور مشابه، با تغییر طعم، برهمکنش ضعیف منجر به پوسیدگی سایر هادرون ها می شود.

وجود s-کوارک ها برای ساخت ذرات به اصطلاح "عجیب" - هادرون های سنگین، کشف شده در اوایل دهه 50 ضروری است. رفتار غیرمعمول این ذرات، که نام آنها را نشان می‌داد، این بود که به دلیل فعل و انفعالات قوی نمی‌توانستند تجزیه شوند، اگرچه هم خودشان و هم محصولات فروپاشی آنها هادرون بودند. فیزیکدانان در مورد اینکه چرا اگر ذرات مادر و دختر هر دو متعلق به خانواده هادرون هستند، نیروی قوی باعث تجزیه آنها نمی شود، متحیر شده اند. بنا به دلایلی، این هادرون ها برهمکنش ضعیف بسیار کمتر را ترجیح می دهند. چرا؟ نظریه کوارک به طور طبیعی این معما را حل کرد. برهم کنش قوی نمی تواند طعم کوارک ها را تغییر دهد - فقط اندرکنش ضعیف می تواند این کار را انجام دهد. و بدون تغییر در طعم، همراه با تبدیل s-quark به و-یا دی کوارک، واپاشی غیرممکن است.

روی میز شکل 2 ترکیب های ممکن مختلف کوارک های سه طعم و نام آنها (معمولا فقط یک حرف یونانی) را نشان می دهد. بسیاری از حالت های برانگیخته نشان داده نمی شوند. این واقعیت که همه هادرون های شناخته شده را می توان از ترکیب های مختلف سه ذره بنیادی به دست آورد، نماد پیروزی اصلی نظریه کوارک بود. اما با وجود این موفقیت، تنها چند سال بعد می‌توان به شواهد فیزیکی مستقیم از وجود کوارک‌ها دست یافت.

این شواهد در سال 1969 در یک سری آزمایش های تاریخی که در شتاب دهنده خطی بزرگ در استانفورد (کالیفرنیا، ایالات متحده آمریکا) - SLAC انجام شد، به دست آمد. آزمایشگران استنفورد به سادگی استدلال کردند. اگر واقعاً کوارک هایی در پروتون وجود داشته باشد، برخورد با این ذرات در داخل پروتون قابل مشاهده است. تنها چیزی که نیاز است یک "پرتابه" زیرهسته ای است که بتواند مستقیماً به اعماق پروتون هدایت شود. استفاده از هادرون دیگر برای این منظور بی فایده است، زیرا ابعاد آن به اندازه یک پروتون است. یک پرتابه ایده آل یک لپتون است، مانند یک الکترون. از آنجایی که الکترون در برهمکنش قوی شرکت نمی کند، در محیط تشکیل شده توسط کوارک ها "گیر نمی کند". در عین حال، یک الکترون می تواند وجود کوارک ها را به دلیل وجود آن حس کند شارژ الکتریکی.

جدول 2

سه طعم کوارک ها، u، d و s، با بارهای +2/3، -1/3 و -1/3 مطابقت دارند. آنها به صورت سه تایی ترکیب می شوند تا هشت باریون نشان داده شده در جدول را تشکیل دهند. جفت کوارک-آنتی کوارک مزون ها را تشکیل می دهند. (برخی ترکیب ها مانند sss حذف شده اند.)

در آزمایش استنفورد، شتاب دهنده سه کیلومتری اساساً به عنوان یک "میکروسکوپ" الکترونی غول پیکر عمل می کرد که تصاویری از داخل یک پروتون تولید می کرد. یک میکروسکوپ الکترونی معمولی می تواند جزئیات کوچکتر از یک میلیونیم سانتی متر را تشخیص دهد. از طرف دیگر، یک پروتون چندین ده میلیون بار کوچکتر است و فقط می‌تواند توسط الکترون‌هایی که به انرژی 2.1010 eV شتاب می‌شوند، «کاوش» شود. در زمان آزمایش های استنفورد، تعداد کمی از فیزیکدانان به نظریه ساده شده کوارک ها پایبند بودند. اکثر دانشمندان انتظار داشتند که الکترون ها توسط بارهای الکتریکی پروتون ها منحرف شوند، اما فرض بر این بود که بار به طور مساوی در داخل پروتون توزیع شده است. اگر واقعاً چنین بود، در آن صورت پراکندگی الکترون های ضعیف عمدتاً رخ می داد، یعنی. هنگام عبور از پروتون ها، الکترون ها دچار انحرافات شدید نمی شوند. آزمایش نشان داد که الگوی پراکندگی به شدت با الگوی مورد انتظار متفاوت است. همه چیز به گونه ای اتفاق افتاد که گویی برخی از الکترون ها به داخل اجزای جامد کوچک پرواز کردند و در باورنکردنی ترین زوایای آنها از آنها منعکس شدند. اکنون می دانیم که چنین ادخال های جامدی درون پروتون ها کوارک هستند.

در سال 1974، نسخه ساده شده نظریه کوارک ها، که در آن زمان در بین نظریه پردازان به رسمیت شناخته شده بود، ضربه حساسی خورد. در عرض چند روز از یکدیگر، دو گروه از فیزیکدانان آمریکایی - یکی در استنفورد به رهبری بارتون ریشتر، دیگری در آزمایشگاه ملی بروکهاون به رهبری ساموئل تینگ - به طور مستقل کشف یک هادرون جدید را اعلام کردند که ذره psi نام داشت. به خودی خود، کشف یک هادرون جدید به سختی قابل توجه خواهد بود، اگر نه برای یک مورد: واقعیت این است که در طرح پیشنهادی توسط نظریه کوارک ها جایی برای یک ذره جدید وجود نداشت. تمام ترکیب‌های ممکن کوارک‌های up، d و s و آنتی‌کوارک‌های آنها قبلاً «استفاده شده‌اند». یک ذره psi از چه چیزی تشکیل شده است؟

مشکل با روی آوردن به ایده ای که مدتی در هوا وجود داشت حل شد: باید رایحه چهارمی وجود داشته باشد که هیچ کس قبلاً آن را مشاهده نکرده بود. عطر جدید قبلاً نام خود را داشت - جذابیت (جذابیت) یا s. پیشنهاد شده است که یک ذره psi مزونی متشکل از یک کوارک c و یک آنتی کوارک c (c) است، یعنی. سی سی از آنجایی که آنتی کوارک ها حامل ضد طعم هستند، جذابیت ذره psi خنثی می شود و بنابراین تأیید تجربی وجود طعم جدید (جذابیت) باید منتظر بود تا مزون ها کشف شوند که در آن کوارک های جذاب با ضد کوارامپ ها جفت می شدند. از طعم های دیگر اکنون یک رشته کامل از ذرات مسحور شناخته شده است. همه آنها بسیار سنگین هستند، بنابراین معلوم می شود که کوارک جذاب از کوارک عجیب سنگین تر است.

وضعیتی که در بالا توضیح داده شد در سال 1977 تکرار شد، زمانی که به اصطلاح مزون آپسیلون (UPSILON) در صحنه ظاهر شد. این بار بدون تردید طعم پنجمی به نام b-quark (از پایین - پایین و اغلب زیبایی - زیبایی یا جذابیت) معرفی شد. مزون آپسیلون یک جفت کوارک-آنتی کوارک است که از کوارک های b تشکیل شده است و بنابراین زیبایی پنهانی دارد. اما، مانند مورد قبلی، ترکیب متفاوتی از کوارک ها امکان کشف "زیبایی" را در نهایت فراهم کرد.

جرم نسبی کوارک ها را می توان حداقل با این واقعیت قضاوت کرد که سبک ترین مزون، پیون، از جفت تشکیل شده است. و-و دی کوارک با آنتی کوارک. مزون psi حدود 27 برابر و مزون آپسیلون حداقل 75 برابر سنگین تر از پیون است.

گسترش تدریجی فهرست طعم های شناخته شده به موازات افزایش تعداد لپتون ها اتفاق افتاد. بنابراین سوال واضح این بود که آیا هرگز پایانی وجود خواهد داشت؟ کوارک ها برای ساده کردن توصیف کل انواع هادرون ها معرفی شدند، اما حتی اکنون این احساس وجود دارد که لیست ذرات دوباره خیلی سریع در حال رشد است.

از زمان دموکریتوس، ایده اساسی اتمیسم این بوده است که در مقیاسی کوچک، ذرات واقعاً بنیادی وجود داشته باشند که ترکیبات آنها ماده اطراف ما را تشکیل می دهند. اتمیسم جذاب است زیرا ذرات بنیادی غیرقابل تقسیم (طبق تعریف) باید در تعداد بسیار محدودی وجود داشته باشند. تنوع طبیعت به دلیل تعداد زیادینه اجزای تشکیل دهنده آنها، بلکه ترکیبات آنها. وقتی کشف شد که هسته‌های اتمی بسیار متفاوتی وجود دارد، این امید ناپدید شد که آنچه ما امروز اتم می‌نامیم با ایده یونانیان باستان مطابقت دارد. ذرات بنیادیمواد آه و اگرچه طبق سنت ما همچنان در مورد "عناصر" شیمیایی مختلف صحبت می کنیم ، مشخص است که اتم ها به هیچ وجه ابتدایی نیستند ، بلکه از پروتون ها ، نوترون ها و الکترون ها تشکیل شده اند. و از آنجایی که تعداد کوارک ها خیلی زیاد است، این وسوسه به وجود می آید که فرض کنیم آنها نیز هستند. سیستم های پیچیدهمتشکل از ذرات کوچکتر

اگرچه به همین دلیل نارضایتی هایی از طرح کوارک وجود دارد، اکثر فیزیکدانان کوارک ها را ذرات واقعاً ابتدایی می دانند - نقطه مانند، غیرقابل تقسیم و بدون ساختار داخلی. از این نظر آنها به پپتون ها شباهت دارند و از مدت ها پیش فرض بر این بود که باید یک رابطه عمیق بین این دو خانواده متمایز اما از نظر ساختاری مشابه وجود داشته باشد. مبنای این دیدگاه از مقایسه خواص لپتون ها و کوارک ها ناشی می شود (جدول 3). لپتون ها را می توان با مرتبط کردن هر لپتون باردار با یک نوترینوی مربوطه به صورت جفت گروه بندی کرد. کوارک ها را نیز می توان به صورت جفت دسته بندی کرد. جدول 3 به گونه ای ساخته شده است که ساختار هر سلول همان چیزی که مستقیماً در مقابل آن قرار دارد را تکرار می کند. به عنوان مثال، در سلول دوم، میون به عنوان یک "الکترون سنگین" و جذابیت و کوارک های عجیب به عنوان انواع سنگین نمایش داده می شوند. و-و کوارک های d. از کادر بعدی می‌توانید ببینید که لپتون تاو یک «الکترون» حتی سنگین‌تر است، و کوارک b نسخه سنگین‌تری از کوارک d است. برای تشبیه کامل، به یک نوترینوی دیگر (تائو لپتونیم) و طعم ششم کوارک نیاز داریم که قبلاً نام true را دریافت کرده است. (حقیقت، تی).در زمان نگارش این کتاب، شواهد تجربی برای وجود کوارک های برتر هنوز به اندازه کافی قانع کننده نبودند و برخی از فیزیکدانان به وجود کوارک های برتر شک داشتند.

جدول 3

لپتون ها و کوارک ها به طور طبیعی جفت می شوند. همانطور که در جدول نشان داده شده است. دنیای اطراف ما از چهار ذره اول تشکیل شده است. اما گروه های زیر ظاهراً گروه بالایی را تکرار می کنند و در تاج نوترینوها از ذرات بسیار ناپایدار تشکیل شده اند.

آیا می تواند چهارم، پنجم و غیره باشد؟ بخارات حاوی ذرات حتی سنگین تر؟ اگر چنین باشد، نسل بعدی شتاب‌دهنده‌ها احتمالاً به فیزیکدانان این فرصت را می‌دهند تا چنین ذرات را شناسایی کنند. با این حال، توجه جالبی بیان می شود که از آن نتیجه می شود که جز سه جفت نامبرده، جفت دیگری وجود ندارد. این توجه بر اساس تعداد انواع نوترینو است. به زودی خواهیم فهمید که در لحظه انفجار بزرگ، که نشانه ظهور کیهان بود، یک نوترینو به شدت ایجاد شد. نوعی از دموکراسی تضمین می کند که هر نوع ذره همان سهم انرژی را با بقیه ذرات تضمین می کند. بنابراین، هرچه انواع مختلف نوترینوها بیشتر باشد، انرژی بیشتری در دریای پر شدن نوترینوها وجود دارد. فضا. محاسبات نشان می دهد که اگر بیش از سه نوع نوترینو وجود داشته باشد، گرانش ایجاد شده توسط همه آنها تأثیر شدیدی بر فرآیندهای هسته ای که در چند دقیقه اول زندگی کیهان رخ داده است، خواهد داشت. در نتیجه، از این ملاحظات غیرمستقیم یک نتیجه بسیار قابل قبول حاصل می شود که سه جفت نشان داده شده در جدول. 3، تمام کوارک ها و لپتون هایی که در طبیعت وجود دارند خسته شده اند.

جالب است بدانید که تمام مواد معمولی در کیهان فقط از دو سبک‌ترین لپتون (الکترون و نوترینو الکترونی) و دو سبک‌ترین کوارک تشکیل شده‌اند. وو د).اگر همه لپتون ها و کوارک های دیگر به طور ناگهانی وجود نداشته باشند، احتمالاً تغییرات بسیار کمی در جهان اطراف ما ایجاد می شود.

شاید کوارک ها و لپتون های سنگین تر نقش نوعی پشتیبان را برای سبک ترین کوارک ها و لپتون ها بازی کنند. همه آنها ناپایدار هستند و به سرعت به ذرات واقع در سلول بالایی تجزیه می شوند. برای مثال، لپتون تاو و میون به الکترون تجزیه می‌شوند، در حالی که ذرات عجیب، جذاب و زیبا به سرعت به نوترون یا پروتون (در مورد باریون‌ها) یا لپتون (در مورد مزون‌ها) تجزیه می‌شوند. این سوال پیش می آید: برای چیآیا همه این ذرات نسل دوم و سوم وجود دارد؟ چرا طبیعت به آنها نیاز داشت؟

ذرات حامل برهمکنش ها هستند

فهرست ذرات شناخته شده به هیچ وجه توسط شش جفت لپتون و کوارک که ماده ساختمانی ماده را تشکیل می دهند، تمام نمی شود. برخی از آنها، مانند فوتون، در مدار کوارک قرار نمی گیرند. ذرات «به جا مانده از دریا» «بلوک‌های سازنده کیهان» نیستند، بلکه نوعی «چسب» را تشکیل می‌دهند که اجازه نمی‌دهد جهان از هم بپاشد، یعنی. آنها با چهار تعامل اساسی مرتبط هستند.

به یاد دارم که در کودکی به من می گفتند که ماه باعث بالا و پایین رفتن اقیانوس ها در طول جزر و مد روزانه می شود. همیشه برای من یک راز بوده است که چگونه اقیانوس می داند ماه کجاست و حرکت آن را در آسمان دنبال می کند. وقتی در مدرسه در مورد جاذبه یاد گرفتم، گیجی ام بیشتر شد. چگونه ماه با غلبه بر ربع میلیون کیلومتر فضای خالی، موفق به "رسیدن" به اقیانوس می شود؟ پاسخ استاندارد - ماه یک میدان گرانشی در این فضای خالی ایجاد می کند که عمل آن به اقیانوس می رسد و آن را به حرکت در می آورد - البته تا حدی منطقی بود، اما هنوز کاملاً مرا راضی نکرد. به هر حال، ما نمی توانیم میدان گرانشی ماه را ببینیم. شاید این فقط همان چیزی است که آنها می گویند؟ آیا این واقعا چیزی را توضیح می دهد؟ همیشه به نظرم می رسید که ماه باید به نوعی به اقیانوس بگوید کجاست. باید نوعی تبادل سیگنال بین ماه و اقیانوس وجود داشته باشد تا آب بداند کجا حرکت کند.

با گذشت زمان، معلوم شد که ایده انتقال نیرو از طریق فضا به شکل سیگنال چندان دور از رویکرد مدرن به این مشکل نیست. برای درک چگونگی ظهور چنین ایده ای، باید ماهیت را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم درست نیروی. به عنوان مثال، بیایید جزر و مد اقیانوس را انتخاب نکنیم، بلکه یک پدیده ساده تر را انتخاب کنیم: دو الکترون به یکدیگر نزدیک می شوند، و سپس، تحت تأثیر دافعه الکترواستاتیک، در جهات مختلف از هم دور می شوند. فیزیکدانان این فرآیند را مسئله پراکندگی می نامند. البته، الکترون ها به معنای واقعی کلمه یکدیگر را هل نمی دهند. آنها در فاصله ای از طریق میدان الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط هر الکترون برهم کنش می کنند.

شکل 11. پراکندگی دو ذره باردار مسیر حرکت ذرات در حین نزدیک شدن به یکدیگر به دلیل عمل دافعه الکتریکی خم می شود.

تصور تصویری از پراکندگی الکترون روی الکترون دشوار نیست. در ابتدا الکترون ها از هم جدا می شوند مسافت طولانیو تاثیر کمی روی یکدیگر دارند. هر الکترون تقریباً به صورت مستقیم حرکت می کند (شکل 11). سپس، با وارد شدن نیروهای دافعه، مسیرهای الکترون شروع به خم شدن می کنند تا زمانی که ذرات تا حد ممکن نزدیک شوند. پس از این، مسیرها از هم جدا می‌شوند و الکترون‌ها از هم دور می‌شوند و دوباره شروع به حرکت در امتداد مسیرهای مستقیم، اما در حال حاضر واگرا می‌کنند. مدلی از این نوع را می توان به راحتی در آزمایشگاه با استفاده از توپ های باردار الکتریکی به جای الکترون ها نشان داد. و دوباره این سؤال مطرح می شود: چگونه یک ذره "می داند" ذره دیگر کجاست و بر این اساس حرکت خود را تغییر می دهد.

اگرچه تصویر مسیرهای منحنی الکترون کاملاً بصری است، اما از برخی جهات کاملاً نامناسب است. واقعیت این است که الکترون ها ذرات کوانتومی هستند و رفتار آنها از قوانین خاصی تبعیت می کند فیزیک کوانتوم. اول از همه، الکترون ها در فضا در طول مسیرهای کاملاً مشخص حرکت نمی کنند. ما هنوز هم می‌توانیم به هر طریقی نقاط شروع و پایان مسیر را - قبل و بعد از پراکندگی - تعیین کنیم، اما خود مسیر در فاصله بین شروع و پایان حرکت ناشناخته و نامشخص است. علاوه بر این، ایده شهودی مبادله مداوم انرژی و تکانه بین الکترون و میدان، گویی که الکترون را شتاب می دهد، با وجود فوتون ها در تضاد است. انرژی و تکانه قابل انتقال است رشتهفقط در بخش ها یا کوانتا. با این فرض که الکترون که فوتونی را از میدان جذب می کند، به نظر می رسد فشار ناگهانی را تجربه می کند، تصویر دقیق تری از اختلال ایجاد شده توسط میدان در حرکت الکترون به دست خواهیم آورد. بنابراین، در سطح کوانتومی، عمل پراکندگی یک الکترون بر روی یک الکترون را می توان همانطور که در شکل نشان داده شده است، نشان داد. 12. خط موجی که مسیرهای دو الکترون را به هم متصل می کند مربوط به فوتونی است که توسط یک الکترون ساطع شده و توسط دیگری جذب می شود. اکنون عمل پراکندگی به صورت تغییر ناگهانی در جهت حرکت هر الکترون ظاهر می شود

شکل 12. توصیف کوانتومی پراکندگی ذرات باردار برهمکنش ذرات به دلیل تبادل یک حامل برهمکنش یا فوتون مجازی (خط موجی) است.

نمودارهایی از این نوع برای اولین بار توسط ریچارد فاینمن برای نمایش بصری اصطلاحات مختلف یک معادله استفاده شد و در ابتدا معنایی کاملاً نمادین داشتند. اما سپس نمودارهای فاینمن برای نشان دادن نموداری برهمکنش های ذرات مورد استفاده قرار گرفتند. به نظر می رسد چنین تصاویری مکمل شهود فیزیکدان هستند، اما باید با احتیاط خاصی تفسیر شوند. به عنوان مثال، هرگز یک شکست شدید در مسیر الکترون وجود ندارد. از آنجایی که ما فقط موقعیت اولیه و نهایی الکترون ها را می دانیم، دقیقاً نمی دانیم که فوتون چه زمانی مبادله می شود و کدام ذره ساطع می کند و کدام فوتون را جذب می کند. همه این جزئیات توسط پرده ای از عدم قطعیت کوانتومی پنهان شده اند.

علیرغم این اخطار، نمودارهای فاینمن ثابت کرده اند که ابزاری موثر برای توصیف برهمکنش های کوانتومی هستند. فوتون مبادله شده بین الکترون ها را می توان نوعی پیام رسان از سوی یکی از الکترون ها در نظر گرفت که به دیگری می گوید: "من اینجا هستم، پس حرکت کن!" البته، همه فرآیندهای کوانتومی ماهیت احتمالی دارند، بنابراین چنین تبادلی تنها با یک احتمال خاص رخ می دهد. ممکن است اتفاق بیفتد که الکترون ها دو یا چند فوتون را مبادله کنند (شکل 13)، اگرچه احتمال کمتری وجود دارد.

درک این نکته مهم است که در واقعیت ما فوتون هایی را که از یک الکترون به الکترون دیگر می چرخند نمی بینیم. حامل های برهمکنش «ماده داخلی» دو الکترون هستند. آنها صرفاً برای اطلاع دادن به الکترون ها وجود دارند که چگونه حرکت کنند، و اگرچه حامل انرژی و تکانه هستند، قوانین بقای متناظر فیزیک کلاسیک در مورد آنها صدق نمی کند. فوتون ها را در این مورد می توان به توپی تشبیه کرد که بازیکنان تنیس در زمین رد و بدل می کنند. همانطور که توپ تنیس رفتار بازیکنان تنیس را در زمین بازی تعیین می کند، فوتون نیز بر رفتار الکترون ها تأثیر می گذارد.

توصیف موفقیت آمیز تعامل با استفاده از یک ذره حامل با بسط مفهوم فوتون همراه بود: معلوم می شود که فوتون نه تنها یک ذره نور قابل مشاهده برای ما است، بلکه یک ذره شبح مانند است که فقط با باردار "دیده می شود" ذرات در حال پراکندگی گاهی اوقات فوتون هایی که مشاهده می کنیم نامیده می شوند واقعی،و فوتون های حامل برهم کنش هستند مجازی،که ما را به یاد وجود زودگذر و تقریباً شبح مانند آنها می اندازد. تمایز بین فوتون های واقعی و مجازی تا حدودی دلخواه است، اما با این وجود این مفاهیم گسترده شده اند.

توصیف برهمکنش الکترومغناطیسی با استفاده از مفهوم فوتون های مجازی - حامل های آن - از نظر اهمیت فراتر از تصاویر صرفاً یک ماهیت کوانتومی است. در واقع، ما در مورد نظریه ای صحبت می کنیم که با کوچکترین جزئیات اندیشیده شده و مجهز به یک دستگاه ریاضی کامل است، معروف به الکترودینامیک کوانتومی،به اختصار QED نامیده می شود. زمانی که QED برای اولین بار اندکی پس از جنگ جهانی دوم فرموله شد، فیزیکدانان نظریه ای را در اختیار داشتند که اصول اولیه نظریه کوانتومی و نسبیت را برآورده می کرد. این یک فرصت فوق العاده برای دیدن جلوه های ترکیبی دو جنبه مهم فیزیک جدید و. آنها را به صورت تجربی بررسی کنید.

از نظر تئوری، ایجاد QED یک دستاورد برجسته بود. مطالعات قبلی در مورد برهمکنش فوتون ها و الکترون ها به دلیل مشکلات ریاضی موفقیت بسیار محدودی داشتند. اما به محض اینکه نظریه پردازان یاد گرفتند که محاسبات را به درستی انجام دهند، همه چیز در جای خود قرار گرفت. QED روشی را برای به دست آوردن نتایج هر فرآیندی که شامل فوتون ها و الکترون ها باشد، پیشنهاد کرد.

شکل 13. پراکندگی الکترون در اثر تبادل دو فوتون مجازی ایجاد می شود. چنین فرآیندهایی اصلاحیه کوچکی برای فرآیند اصلی نشان داده شده در شکل 1 است. یازده

فیزیکدانان برای آزمایش میزان تطابق این نظریه با واقعیت، روی دو اثر که از اهمیت خاصی برخوردار بودند، تمرکز کردند. اولی مربوط می شد سطوح انرژیاتم هیدروژن ساده ترین اتم است. QED پیش‌بینی کرد که اگر فوتون‌های مجازی وجود نداشته باشند، سطوح باید کمی از موقعیتی که اشغال می‌کنند تغییر کند. این تئوری بزرگی این جابجایی را بسیار دقیق پیش بینی کرد. آزمایش تشخیص و اندازه گیری جابجایی با دقت بسیار بالا توسط ویلیس لمب از دانشگاه ایالتی انجام شد. آریزونا برای خوشحالی همه، نتایج محاسبات کاملاً با داده های تجربی مطابقت داشت.

دومین آزمایش قاطع QED مربوط به اصلاح بسیار کوچک گشتاور مغناطیسی خود الکترون بود. و باز هم نتایج محاسبات نظری و آزمایش کاملاً منطبق شد. نظریه پردازان شروع به اصلاح محاسبات خود کردند و آزمایشگران شروع به بهبود ابزارهای خود کردند. اما، اگرچه دقت پیش بینی های نظری و نتایج تجربی به طور مداوم بهبود یافته است، توافق بین QED و آزمایش بی عیب و نقص باقی مانده است. امروزه، نتایج تئوری و تجربی هنوز در محدوده دقت به دست آمده، که به معنای همزمانی بیش از نه رقم اعشار است، توافق دارند. چنین مکاتبات قابل توجهی این حق را می دهد که QED را پیشرفته ترین تئوری های موجود علم طبیعی بدانیم.

نیازی به گفتن نیست که پس از چنین پیروزی، QED به عنوان مدلی برای توصیف کوانتومی سه برهمکنش اساسی دیگر به کار گرفته شد. البته، میدان های مرتبط با سایر فعل و انفعالات باید با ذرات حامل دیگر مطابقت داشته باشند. برای توصیف جاذبه معرفی شد گراویتون،همان نقش یک فوتون را بازی می کند. در طول برهمکنش گرانشی دو ذره، گراویتون ها بین آنها رد و بدل می شود. این تعامل را می توان با استفاده از نمودارهایی مشابه آنچه در شکل نشان داده شده است، مشاهده کرد. 12 و 13. این گراویتون ها هستند که سیگنال ها را از آن حمل می کنند ماه ها به اقیانوس ها، به دنبال آن در هنگام جزر و مد بالا می آیند و در هنگام جزر و مد سقوط می کنند. گراویتون هایی که بین زمین و خورشید می چرخند سیاره ما را در مدار نگه می دارند. گراویتون ها ما را محکم به زمین زنجیر می کنند.

گراویتون‌ها مانند فوتون‌ها با سرعت نور حرکت می‌کنند، از این رو گراویتون‌ها ذراتی با جرم سکون صفر هستند. اما اینجاست که شباهت های گراویتون ها و فوتون ها به پایان می رسد. در حالی که یک فوتون دارای اسپین 1 است، یک گراویتون دارای اسپین 2 است.

جدول 4

چهار ذره حامل تعاملات اساسی. جرم بر حسب واحد جرم پروتون بیان می شود.

این یک تفاوت مهم است زیرا جهت نیرو را تعیین می کند: در برهمکنش الکترومغناطیسی، ذرات باردار مشابه، مانند الکترون ها، دفع می شوند، در حالی که در برهمکنش گرانشی، همه ذرات به یکدیگر جذب می شوند.

گراویتون ها می توانند واقعی یا مجازی باشند. گراویتون واقعی چیزی نیست جز کوانتومی از یک موج گرانشی، همانطور که یک فوتون واقعی یک کوانتوم است. موج الکترومغناطیسی. در اصل، گراویتون های واقعی را می توان "مشاهده" کرد. اما از آنجایی که برهمکنش گرانشی فوق‌العاده ضعیف است، گراویتون‌ها را نمی‌توان مستقیماً تشخیص داد. برهمکنش گراویتون ها با دیگر ذرات کوانتومی آنقدر ضعیف است که احتمال پراکندگی یا جذب گراویتون، مثلاً توسط یک پروتون، بی نهایت کم است.

ایده اصلی مبادله ذرات حامل برای سایر فعل و انفعالات (جدول 4) - ضعیف و قوی نیز صدق می کند. با این حال، تفاوت های مهمی در جزئیات وجود دارد. به یاد بیاوریم که برهمکنش قوی ارتباط بین کوارک ها را فراهم می کند. چنین ارتباطی می تواند توسط یک میدان نیرویی شبیه به یک میدان الکترومغناطیسی، اما پیچیده تر ایجاد شود. نیروهای الکتریکی منجر به تشکیل یک حالت محدود از دو ذره با بارهایی با علائم مخالف می شود. در مورد کوارک ها، حالت های محدود سه ذره ایجاد می شود که نشان دهنده ماهیت پیچیده تر میدان نیرو است که سه نوع "بار" با آن مطابقت دارد. ذرات - حامل های تعامل بین کوارک ها، که آنها را به صورت جفت یا سه تایی به هم متصل می کنند، نامیده می شوند. گلوئون ها

در مورد تعامل ضعیف وضعیت تا حدودی متفاوت است. شعاع این تعامل بسیار کوچک است. بنابراین، ناقل برهمکنش ضعیف باید ذرات با جرم سکون بزرگ باشند. انرژی موجود در چنین جرمی باید مطابق با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ «قرض» شود، که قبلاً در صفحه مورد بحث قرار گرفته است. 50. اما از آنجایی که جرم "قرض شده" (و بنابراین انرژی) بسیار زیاد است، اصل عدم قطعیت ایجاب می کند که دوره بازپرداخت چنین وامی بسیار کوتاه باشد - فقط حدود 10^-28 ثانیه. چنین ذرات کوتاه مدت زمان زیادی برای حرکت به دور ندارند و شعاع برهمکنش آنها بسیار کوچک است.

در واقع دو نوع ناقل نیروی ضعیف وجود دارد. یکی از آنها در همه چیز شبیه فوتون است به جز جرم سکون. این ذرات را ذرات Z می نامند. ذرات Z در اصل نوع جدیدی از نور هستند. نوع دیگری از حامل نیروی ضعیف، ذرات W، با حضور بار الکتریکی با ذرات Z متفاوت است. در فصل 7 ما با جزئیات بیشتری در مورد خواص ذرات Z و W که فقط در سال 1983 کشف شدند صحبت خواهیم کرد.

طبقه‌بندی ذرات به کوارک‌ها، لپتون‌ها و حامل‌های برهم‌کنش، فهرست ذرات زیراتمی شناخته‌شده را کامل می‌کند. هر یک از این ذرات نقش خاص خود، اما تعیین کننده را در شکل گیری جهان ایفا می کنند. اگر ذرات حامل وجود نداشت، هیچ فعل و انفعالی وجود نداشت و هر ذره در مورد شرکای خود در تاریکی باقی می ماند. سیستم های پیچیده نمی توانند بوجود بیایند، هر فعالیتی غیرممکن خواهد بود. بدون کوارک ها هیچ هسته اتمی یا نور خورشید وجود نخواهد داشت. بدون لپتون ها، اتم ها نمی توانستند وجود داشته باشند، ساختارهای شیمیایی و خود حیات به وجود نمی آمدند.

اهداف فیزیک ذرات چیست؟

روزنامه بانفوذ بریتانیایی گاردین یک بار سرمقاله ای منتشر کرد که در آن حکمت توسعه فیزیک ذرات را زیر سوال می برد، کاری گران قیمت که نه تنها سهم قابل توجهی از بودجه علمی کشور را مصرف می کند، بلکه سهم بزرگی از بهترین ذهن ها را نیز مصرف می کند. گاردین پرسید: "آیا فیزیکدان ها می دانند دارند چه کار می کنند؟"

چند ماه پس از این انتشار، من این فرصت را داشتم که در سخنرانی جورج کیورث، مشاور رئیس جمهور ایالات متحده در علم در بالتیمور شرکت کنم. کی‌ورث همچنین به فیزیک ذرات پرداخت، اما سخنرانی او لحنی کاملاً متفاوت داشت. فیزیکدانان آمریکایی تحت تأثیر گزارش اخیر سرن، آزمایشگاه فیزیک ذرات پیشرو اروپا، در مورد کشف ذرات بنیادی W و Z قرار گرفتند که در نهایت در برخورد دهنده پرتوی بزرگ پروتون-ضد پروتون به دست آمدند. آمریکایی ها به این واقعیت عادت کرده اند که تمام اکتشافات هیجان انگیز در آزمایشگاه های فیزیک پر انرژی آنها انجام می شود. آیا این که نخل را از دست دادند نشانه انحطاط علمی و حتی ملی نیست؟

کی ورث شک نداشت که برای شکوفایی ایالات متحده به طور کلی و اقتصاد آمریکا به طور خاص، این کشور باید در خط مقدم تحقیقات علمی قرار گیرد. پروژه های اصلی تحقیقات پایهکیورث گفت، در خط مقدم پیشرفت هستند. ایالات متحده باید برتری خود را در فیزیک ذرات بازیابد،

در همان هفته، کانال‌های خبری گزارش‌هایی درباره یک پروژه آمریکایی برای یک شتاب‌دهنده غول‌پیکر منتشر کردند که برای انجام نسل جدیدی از آزمایش‌ها در فیزیک ذرات طراحی شده بود. هزینه اصلی 2 میلیارد دلار تخمین زده شد که این شتاب دهنده را به گران ترین ماشین ساخته شده توسط بشر تبدیل کرد. این غول عمو سام که در مقایسه با آن حتی شتاب دهنده LEP جدید CERN هم کوتوله به نظر می رسد، به قدری بزرگ است که کل ایالت لوکزامبورگ می تواند داخل حلقه آن جا شود! آهنرباهای ابررسانای غول‌پیکر برای ایجاد میدان‌های مغناطیسی شدید طراحی شده‌اند که پرتوی از ذرات را پیچانده و آن را در امتداد یک محفظه حلقه‌ای شکل هدایت می‌کند. این سازه آنقدر بزرگ است که قرار است شتاب دهنده جدید در بیابان واقع شود. می خواهم بدانم نظر سردبیر روزنامه گاردین در این مورد چیست؟

به عنوان برخورد دهنده ابر رسانا (SSC) شناخته می شود، اما اغلب به عنوان "de-zertron" (از انگلیسی. کویر -کویر. - ویرایش)،این ماشین هیولایی قادر خواهد بود پروتون ها را به انرژی هایی تقریباً 20 هزار برابر بیشتر از بقیه انرژی (جرم) شتاب دهد. این اعداد را می توان به روش های مختلفی تفسیر کرد. در حداکثر شتاب، ذرات با سرعتی تنها 1 کیلومتر در ساعت کمتر از سرعت نور - حداکثر سرعت در کیهان - حرکت خواهند کرد. اثرات نسبیتی آنقدر زیاد است که جرم هر ذره 20 هزار برابر بیشتر از حالت سکون است. در سیستم مرتبط با چنین ذره ای، زمان به حدی کشیده می شود که 1 ثانیه با 5.5 ساعت در چارچوب مرجع ما مطابقت دارد. به نظر می رسد که هر کیلومتر از محفظه ای که ذرات از آن عبور می کند، تنها به 5.0 سانتی متر فشرده می شود.

چه نوع نیاز شدیدی دولت ها را وادار می کند که چنین منابع عظیمی را صرف شکافت هرچه بیشتر مخرب اتم کنند؟ آیا چنین تحقیقاتی سود عملی دارد؟

هر علم بزرگالبته با روحیه مبارزه برای اولویت ملی بیگانه نیست. در اینجا، درست مانند هنر یا ورزش، بردن جوایز خوب است و به رسمیت شناختن جهانی. فیزیک ذرات به نوعی نماد قدرت دولتی تبدیل شده است. اگر با موفقیت توسعه یابد و نتایج ملموسی به همراه داشته باشد، این نشان می‌دهد که علم، فناوری و همچنین اقتصاد کشور در کل در سطح مناسبی قرار دارند. این امر از اعتماد به کیفیت بالای محصولات سایر شاخه های فناوری عمومی تر پشتیبانی می کند. برای ایجاد یک شتاب دهنده و تمام تجهیزات مربوطه، بسیار سطح بالاحرفه ای گری. تجربه ارزشمند به دست آمده از توسعه فناوری های جدید می تواند اثرات غیرمنتظره و سودمندی بر سایر حوزه های تحقیقات علمی داشته باشد. به عنوان مثال، تحقیق و توسعه بر روی آهنرباهای ابررسانا مورد نیاز برای "desertron" به مدت بیست سال در ایالات متحده انجام شده است. با این حال، آنها مزایای مستقیمی را ارائه نمی دهند و بنابراین ارزش گذاری آنها دشوار است. آیا نتایج ملموس تری وجود دارد؟

شخص گاهی استدلال دیگری در حمایت از تحقیقات بنیادی می شنود. فیزیک تقریباً پنجاه سال جلوتر از فناوری است. کاربرد عملی یکی یا دیگری کشف علمیدر ابتدا اصلاً واضح نیست، اما تعداد کمی از پیشرفت های قابل توجه در فیزیک بنیادی در طول زمان کشف نشده است کاربردهای عملی. بیایید نظریه الکترومغناطیس ماکسول را به یاد بیاوریم: آیا خالق آن می توانست ایجاد و موفقیت مخابرات و الکترونیک مدرن را پیش بینی کند؟ و سخنان رادرفورد که بعید است انرژی هسته ای هرگز پیدا شود استفاده عملی? آیا می توان پیش بینی کرد که توسعه فیزیک ذرات بنیادی می تواند به چه چیزی منجر شود، چه نیروهای جدید و اصول جدیدی کشف خواهد شد که درک ما را از جهان اطرافمان گسترش می دهد و به ما قدرت را بر طیف وسیع تری از مردم می بخشد؟ پدیده های فیزیکی. و این می تواند منجر به توسعه فناوری هایی شود که ماهیت انقلابی آن کمتر از انرژی رادیویی یا هسته ای نیست.

بیشتر شاخه های علم سرانجام کاربرد نظامی پیدا کردند. از این نظر، فیزیک ذرات (در مقابل فیزیک هسته ای) تاکنون دست نخورده باقی مانده است. به طور تصادفی، سخنرانی کی ورث با هیاهوی تبلیغاتی پیرامون پروژه جنجالی پرزیدنت ریگان برای ایجاد یک سلاح ضد موشکی، به اصطلاح پرتو، همزمان شد (این پروژه بخشی از برنامه ای به نام ابتکار دفاع استراتژیک، SDI است). ماهیت این پروژه استفاده از پرتوهای ذرات پرانرژی در برابر موشک های دشمن است. این کاربرد فیزیک ذرات واقعاً شوم است.

نظر غالب این است که ایجاد چنین وسایلی امکان پذیر نیست. اکثر دانشمندانی که در زمینه فیزیک ذرات بنیادی کار می کنند این ایده ها را پوچ و غیر طبیعی می دانند و به شدت علیه پیشنهاد رئیس جمهور صحبت می کنند. کی ورث با محکوم کردن دانشمندان، از آنها خواست تا "نقشی را که ممکن است در پروژه سلاح پرتو ایفا کنند" در نظر بگیرند. درخواست کی‌ورث برای فیزیکدانان (البته کاملاً تصادفی) به دنبال سخنان او در مورد تأمین مالی فیزیک با انرژی بالا بود.

اعتقاد راسخ من این است که فیزیکدانان پرانرژی نیازی به توجیه نیاز به تحقیقات بنیادی با استناد به کاربردها (به ویژه موارد نظامی)، مشابه های تاریخی، یا وعده های مبهم از معجزات فنی احتمالی ندارند. فیزیکدانان این مطالعات را در درجه اول به نام میل غیرقابل نابودی خود برای یافتن چگونگی کارکرد جهان ما، میل به درک بیشتر طبیعت انجام می دهند. فیزیک ذرات در بین رشته های دیگر بی نظیر است فعالیت انسانی. برای دو هزار و نیم، بشریت برای یافتن "بلوک های سازنده" اصلی جهان تلاش کرده است و اکنون ما به هدف نهایی نزدیک شده ایم. تاسیسات غول پیکر به ما کمک می کند تا به قلب ماده نفوذ کنیم و عمیق ترین اسرار آن را از طبیعت دور کنیم. بشریت می تواند انتظار کاربردهای غیرمنتظره اکتشافات جدید، فناوری های ناشناخته قبلی را داشته باشد، اما ممکن است معلوم شود که فیزیک با انرژی بالا چیزی برای تمرین نمی دهد. اما حتی یک کلیسای جامع یا سالن کنسرت با شکوه کاربرد عملی کمی دارد. در این زمینه، نمی توان سخنان فارادی را به یاد آورد که یک بار گفت: "نوزاد به دنیا آمده چه فایده ای دارد؟" انواع فعالیت های انسانی دور از عمل، که شامل فیزیک ذرات بنیادی می شود، به عنوان شاهدی بر تجلی روح انسان عمل می کند، که بدون آن ما در دنیای بیش از حد مادی و عمل گرایانه خود محکوم به فنا خواهیم بود.

ایزوتوپ مناسب را انتخاب کنید.برخی از عناصر یا ایزوتوپ ها تحت واپاشی رادیواکتیو قرار می گیرند و ایزوتوپ های مختلف ممکن است رفتار متفاوتی داشته باشند. رایج ترین ایزوتوپ اورانیوم دارای وزن اتمی 238 و متشکل از 92 پروتون و 146 نوترون است، اما هسته های آن به طور معمول نوترون ها را بدون تقسیم شدن به هسته های عناصر سبک تر جذب می کنند. ایزوتوپ اورانیوم که هسته آن دارای سه نوترون کمتر، 235 U است، بسیار راحت تر از U238 شکافت می شود و ایزوتوپ شکافت پذیر نامیده می شود.

• هنگامی که اورانیوم شکافته می شود، سه نوترون آزاد می شود که با اتم های دیگر اورانیوم برخورد می کند و باعث واکنش زنجیره ای می شود.
• برخی از ایزوتوپ ها آنقدر آسان و سریع تقسیم می شوند که حفظ یک واکنش هسته ای ثابت غیرممکن است. به این پدیده، پوسیدگی خودبخودی یا خودبخودی می گویند. برای مثال، ایزوتوپ پلوتونیوم 240 Pu در معرض چنین فروپاشی است، برخلاف 239 Pu که سرعت شکافت کمتری دارد.

برای ادامه واکنش پس از واپاشی اولین اتم، باید ایزوتوپ کافی جمع آوری شود.برای انجام این کار، داشتن حداقل مقدار مشخصی ایزوتوپ شکافت پذیر لازم است که واکنش را پشتیبانی کند. این کمیت جرم بحرانی نامیده می شود. برای رسیدن به جرم بحرانی و افزایش احتمال پوسیدگی، مقدار کافی ماده اولیه مورد نیاز است.

یک هسته اتمی یک ایزوتوپ را به سمت هسته دیگری از همان ایزوتوپ شلیک کنید.از آنجایی که ذرات زیراتمی به صورت آزاد نادر هستند، اغلب لازم است که آنها را از اتم های حاوی این ذرات جدا کنیم. یکی از راه‌های انجام این کار شلیک یک اتم از یک ایزوتوپ به دیگری از همان اتم است.

• از این روش برای ایجاد استفاده شد بمب اتمیاز 235 U که در هیروشیما رها شد. یک سلاح توپ مانند با هسته اورانیوم 235 اتم U را به سمت هدفی با 235 اتم U شلیک کرد. اتم ها به اندازه ای سریع پرواز کردند که نوترون های آزاد شده از آنها به هسته اتم های U235 دیگر نفوذ کردند و آنها را شکافتند. این شکاف، به نوبه خود، نوترون هایی را آزاد کرد که 235 اتم U را بیشتر شکافت.

هسته های یک ایزوتوپ شکافت پذیر را با ذرات زیر اتمی بمباران کنید.یک ذره زیراتمی منفرد می تواند به یک اتم 235 U برخورد کند و آن را به دو اتم جداگانه از عناصر دیگر تقسیم کند و سه نوترون آزاد کند. ذرات زیر اتمی را می توان از یک منبع کنترل شده (مانند تفنگ نوترونی) تولید کرد یا در اثر برخورد هسته ها ایجاد شد. معمولا از سه نوع ذرات زیر اتمی استفاده می شود.

• پروتون ها این ذرات زیر اتمی دارای جرم و بار الکتریکی مثبت هستند. تعداد پروتون های یک اتم تعیین می کند که اتم کدام عنصر است.
• نوترون ها این ذرات زیراتمی جرمی برابر با یک پروتون دارند، اما خنثی هستند (بدون بار الکتریکی).
• ذرات آلفا این ذرات هسته های بدون الکترون اتم های هلیوم هستند. آنها از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده اند.

همجوشی هستهای

کشف ایزوتوپ های عناصر پایدار و اصلاح اندازه گیری بار اولیه اولین دستاوردهای فیزیک پس از جنگ (1917-1918) بود. در سال 1919 یک مورد جدید ساخته شد کشف هیجان انگیز- شکافتن مصنوعی هسته. این کشف توسط رادرفورد در کمبریج در آزمایشگاه کاوندیش انجام شد که در همان سال 1919 ریاست آن را بر عهده داشت.

رادرفورد برخورد ذرات آلفا با اتم های سبک را مطالعه کرد. برخورد ذرات آلفا با هسته چنین اتمی باید آنها را تسریع کند. بنابراین، هنگامی که یک ذره آلفا به هسته هیدروژن برخورد می کند، سرعت خود را 1.6 برابر افزایش می دهد و هسته 64 درصد انرژی خود را از ذره آلفا می گیرد. چنین هسته‌های شتاب‌دار به‌راحتی توسط سوسوزن‌هایی که هنگام برخورد با صفحه سولفید روی رخ می‌دهند، شناسایی می‌شوند. آنها در واقع توسط مارسدن در سال 1914 مشاهده شدند.

رادرفورد آزمایش‌های مارسدن را ادامه داد، اما، همانطور که خودش اشاره کرد، این آزمایش‌ها «در فواصل بسیار نامنظم انجام می‌شد، زیرا فعالیت‌های روزانه و کارهای مربوط به جنگ اجازه می‌داد...» «آزمایش‌ها حتی برای مدت طولانی کاملاً متوقف شدند». تنها پس از پایان جنگ، آزمایش ها به طور منظم انجام شد و نتایج آنها در سال 1919 در چهار مقاله تحت عنوان نام متداول"برخورد ذرات آلفا با اتم های سبک."

وسیله ای که رادرفورد برای مطالعه چنین برخوردهایی استفاده کرد، یک محفظه برنجی به طول 18 سانتی متر، ارتفاع 6 سانتی متر و عرض 2 سانتی متر بود.منبع ذرات آلفا یک دیسک فلزی پوشیده شده با ماده شیمیایی فعال. دیسک در داخل محفظه قرار داده شد و می‌توان آن را در فواصل مختلف از صفحه سولفید روی نصب کرد که با استفاده از میکروسکوپ سوسوزن روی آن مشاهده شد.

محفظه را می توان با گازهای مختلف پر کرد (شکل 78 را ببینید).

برنج. 78. طیف نگار جرمی دمپستر

هنگامی که اکسیژن خشک یا دی اکسید کربن معرفی شد، تعداد سوسوزن ها به دلیل جذب ذرات آلفا توسط لایه گاز کاهش یافت. رادرفورد در مقاله چهارم نوشت: «اما یک اثر غیرمنتظره زمانی که هوای خشک به دستگاه وارد شد، کشف شد. به جای کاهش، تعداد سوسوزن ها افزایش یافت و برای جذب مربوط به تقریباً یک لایه هوای 19 سانتی متری، تعداد آنها تقریباً 2 برابر بیشتر از آنچه در خلاء مشاهده شد بود. از این آزمایش مشخص شد که ذرات a هنگام عبور از هوا، سوسوزنی‌هایی را ایجاد می‌کنند که با طول مسیرهای بزرگ مطابقت دارد، که روشنایی آن برای چشم تقریباً برابر با روشنایی H-سوزن‌ها به نظر می‌رسد. از آنجایی که در اکسیژن و دی اکسید کربناگر چنین تأثیری مشاهده نمی شد، با احتمال زیاد می توان استدلال کرد که این اثر منشأ آن را مدیون نیتروژن است.

محفظه با نیتروژن تمیز و کاملاً خشک شده پر شد. "در نیتروژن خالص تعداد سوسوزن های مربوط به یک برد طولانی بیشتر از هوا بود." بنابراین، "سوسوزن های دوربرد مشاهده شده در هوا باید به نیتروژن نسبت داده شود."

با این حال، لازم بود نشان داده شود که ذرات آلفای دوربرد که باعث سوسوزن می‌شوند «نتایج برخورد ذرات آلفا با اتم‌های نیتروژن هستند».

نمودار اولین نصب Millikan

رادرفورد از طریق آزمایش‌های متعدد نشان داد که واقعاً چنین است و در نتیجه چنین برخوردهایی، ذرات با حداکثر برد 28 سانتی‌متر، مشابه اتم‌های H به دست می‌آیند. رادرفورد نوشت: «از نتایج به‌دست‌آمده تا کنون، اجتناب از این نتیجه‌گیری دشوار است که اتم‌های دوربرد تولید شده در برخورد ذرات آلفا با نیتروژن اتم‌های نیتروژن نیستند، بلکه به احتمال زیاد، اتم‌ها یا اتم‌های هیدروژن هستند. با جرم 2 "اگر چنین است، پس باید نتیجه بگیریم که اتم نیتروژن در نتیجه نیروهای عظیم ایجاد شده در هنگام برخورد با ذره آلفای سریع متلاشی می شود و اتم هیدروژن آزاد شده بخشی جدایی ناپذیر از اتم را تشکیل می دهد."

بنابراین، پدیده شکافتن هسته های نیتروژن در هنگام برخورد ذرات آلفای سریع کشف شد و این ایده برای اولین بار بیان شد که هسته های هیدروژن بخشی جدایی ناپذیر از هسته اتم هستند. رادرفورد متعاقباً اصطلاح "پروتون" را برای این جزء از هسته پیشنهاد کرد. رادرفورد مقاله خود را با این جمله به پایان رساند: "نتایج در مجموع نشان می دهد که اگر ذرات آلفا یا ذرات سریع متحرک مشابه با انرژی بسیار بالاتر را بتوان برای آزمایش استفاده کرد، تخریب ساختارهای هسته ای بسیاری از اتم های سبک را می توان تشخیص داد."

در 3 ژوئن 1920، رادرفورد سخنرانی به اصطلاح باکری را با عنوان "ساختار هسته ای اتم" ایراد کرد. رادرفورد در این سخنرانی با گزارش نتایج تحقیقات خود در مورد برخورد ذرات آلفا با هسته اتم و شکافت هسته های نیتروژن، در مورد ماهیت محصولات شکافت، احتمال وجود هسته هایی با جرم 3 را مطرح کرد. و 2 و هسته هایی با جرم یک هسته هیدروژن، اما با بار صفر. در انجام این کار، او از فرضیه ای که برای اولین بار توسط ماری اسکلودوسکا-کوری بیان شد، نتیجه گرفت که هسته اتم حاوی الکترون است.

رادرفورد می نویسد که «به نظر او بسیار قابل قبول است که یک الکترون بتواند دو هسته H و شاید حتی یک هسته H را به هم متصل کند. اگر فرض اول درست باشد، احتمال وجود اتمی با جرم حدود 2 و با یک بار را نشان می دهد. چنین ماده ای را باید ایزوتوپ هیدروژن در نظر گرفت. فرض دوم حاکی از امکان وجود اتمی با جرم 1 و بار هسته ای برابر با صفر است. چنین تشکیلاتی کاملاً ممکن به نظر می رسند... چنین اتمی خواص کاملاً خارق العاده ای خواهد داشت. میدان خارجی آن باید عملاً برابر با صفر باشد، به استثنای مناطق بسیار نزدیک به هسته. در نتیجه باید توانایی عبور آزادانه از ماده را داشته باشد. وجود چنین اتمی احتمالاً با طیف‌سنجی به سختی قابل تشخیص خواهد بود و محتوی آن در یک ظرف بسته ممکن نخواهد بود. از سوی دیگر، باید به راحتی وارد ساختار اتم شود و یا با هسته آن ترکیب شود، یا توسط میدان شدید دومی شتاب گرفته و یک اتم یا الکترون H یا هر دو باردار ایجاد کند.

بنابراین، فرضیه ای در مورد وجود یک نوترون و یک ایزوتوپ سنگین هیدروژن مطرح شد. این بر اساس فرضیه ارائه شده توسط M. Sklodowska-Curie بیان شد که هسته اتم ها از هسته هیدروژن (پروتون) و الکترون تشکیل شده است.

این مفهوم بلافاصله اعداد هسته ای مشخصه A و Z را توضیح داد.

با این حال، ویژگی های هسته مانند عدد جرمی A و بار Z ناکافی بودند. در سال 1924، قبل از کشف اسپین، دبلیو پائولی پیشنهاد کرد که هسته دارای گشتاور مغناطیسی است که بر حرکت الکترون های مداری تأثیر می گذارد و در نتیجه ساختاری فوق ظریف از خطوط طیفی ایجاد می کند. توضیح ساختار ظریف طیف ها با حضور اسپین مرتبط لحظات مغناطیسیهسته ها منجر به تقسیم هسته ها به دو نوع شد. هسته‌های نوع زوج که دارای اسپین عدد صحیح هستند، از آمار بوز تبعیت می‌کنند؛ هسته‌های نوع فرد که دارای اسپین نیمه صحیح هستند، از آمار فرمی دیراک تبعیت می‌کنند. بنابراین، طبق تئوری پروتون-الکترون، هسته های متشکل از تعداد زوج الکترون و پروتون باید از آمار بوز تبعیت کنند، و آنهایی که دارای یک عدد فرد هستند - آمار فرمی دیراک.

در سال 1930 معلوم شد که هسته نیتروژن از آمار بوز تبعیت می کند ، اگرچه طبق نظریه پروتون-الکترون ساختار هسته ، از 21 ذره (14 پروتون ، 7 الکترون) تشکیل شده است. این واقعیت در علم فاجعه نیتروژن نامیده می شود.

در همان سالی که فاجعه نیتروژن کشف شد، نتایج آزمایش‌های ال. مایتنر و اورتمن منتشر شد که نتایج آزمایش‌های الیس و ورچستر در سال 1927 را تأیید کرد. این آزمایش‌ها نشان داد که انرژی کل (3 پرتو، اندازه گیری شده توسط یک میکروکالری متر دیواره ضخیم، کمتر از تفاوت انرژی هسته اصلی و نهایی است، یعنی بخشی از انرژی ساطع شده توسط هسته در خلال واپاشی p ناپدید می شود و در نتیجه با قانون بقای انرژی در تضاد آشکار است.

راه حل مشکل فاجعه نیتروژن و معمای طیف p بر اساس ایده وجود ذرات خنثی در طبیعت - سنگین به نام نوترون و سبک - به نام نوترینو ارائه شد. ، یک نوترون کوچک، به پیشنهاد فرمی.

برگرفته از کتاب ماجراهای مستر تامپکینز نویسنده گاموف گئورگی

فصل 12 درون هسته سخنرانی بعدی که آقای تامپکینز در آن شرکت کرد به ساختار درونی هسته به عنوان مرکزی که الکترون های اتمی به دور آن می چرخند اختصاص داشت.پروفسور شروع کرد: خانم ها و آقایان. - با کاوش در ساختار ماده سعی خواهیم کرد

از کتاب [سخنرانی برای دانش آموزان مدرسه] نویسنده ایوانف ایگور پیروویچ

دنیای شگفت انگیزداخل هسته اتم

از کتاب جدیدترین کتابحقایق جلد 3 [فیزیک، شیمی و فناوری. تاریخ و باستان شناسی. متفرقه] نویسنده کوندراشوف آناتولی پاولوویچ

دنیای شگفت انگیز درون هسته اتم

از کتاب نوترینو - ذره شبح مانند یک اتم توسط ایزاک آسیموف

از کتاب درس تاریخ فیزیک نویسنده استپانوویچ کودریاوتسف پاول

از کتاب سفرهای بین سیاره ای [پروازها به فضای جهانو دستاورد اجرام آسمانی] نویسنده پرلمان یاکوف ایسیدوروویچ

ساختار هسته اگرچه به نظر می رسید که مسئله تابش یک ذره در نهایت روشن شود، از آنجایی که قانون بقای بار الکتریکی محقق شد، فیزیکدانان به تحقیقات خود ادامه دادند. برای آنها یک راز باقی مانده بود که چگونه یک هسته با بار مثبت می تواند منتشر شود

از کتاب تاریخ بمب اتمی توسط مانیا هوبرت

دافعه درون هسته تا سال 1932 مشخص شد که هسته ها منحصراً از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده اند. از بیشتر نظریه های اولیه، که استدلال می کرد که الکترون در هسته وجود دارد، نپذیرفت. اگرچه این امر بسیاری از مشکلات را به یکباره حل کرد، اما سؤالی مطرح شد که قبلاً وجود نداشت

از کتاب خطر سیارک-دنباله دار: دیروز، امروز، فردا نویسنده شوستوف بوریس میخائیلوویچ

جاذبه درون هسته اگر هنگام در نظر گرفتن هسته های اتم، از فعل و انفعالات گرانشی غافل شویم و فقط الکترومغناطیسی را در نظر بگیریم، توضیح وجود هسته دشوار است. ذراتی که آن را تشکیل می دهند به دلیل نیروهای عظیم نمی توانند با هم جمع شوند

از کتاب ماری کوری. رادیواکتیویته و عناصر [بهترین راز پنهان ماده] نویسنده Paes Adela Muñoz

کشف هسته اتم اجازه دهید یکی از اکتشافات اساسی رادرفورد را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم - کشف هسته اتم و مدل سیاره ای اتم. ما دیدیم که تشبیه یک اتم به یک منظومه سیاره ای در همان آغاز قرن بیستم انجام شد. اما این مدل سخت بود

از کتاب نویسنده

مدل پروتون-نوترونی هسته 28 مه 1932 فیزیکدان شوروی D. D. Ivanenko یادداشتی در Nature منتشر کرد که در آن پیشنهاد کرد که نوترون، همراه با پروتون، یک عنصر ساختاری هسته است. وی خاطرنشان کرد: چنین فرضیه ای مشکل فاجعه نیتروژن را حل می کند. که در

از کتاب نویسنده

درون هسته این سفر بی‌سابقه برای مسافران هسته ژول ورنوف به اندازه‌ای که در رمان توصیف شده است، صلح‌آمیز و مرفه نخواهد بود. با این حال فکر نکنید که در طول سفر از زمین به ماه خطر آنها را تهدید می کند. اصلا! اگر تا آن زمان توانستند زنده بمانند

از کتاب نویسنده

به فصل هشتم 6. فشار داخل گلوله توپ برای خوانندگانی که مایلند محاسبات ذکر شده در صفحه 65 را بررسی کنند، این محاسبات ساده را در اینجا ارائه می دهیم. در پایان

از کتاب نویسنده

از کتاب نویسنده

4.2. مشخصات فیزیکی، ساختار هسته B دهه گذشتهدانش ما در مورد دنباله دارها و فرآیندهای رخ داده در آنها به طور قابل توجهی گسترش یافته است. افزایش شدید علاقه به دنباله دارها با آماده سازی و نگهداری فضای بین المللی تسهیل شد

از کتاب نویسنده

رادرفورد و کشف هسته اتم چه اتفاقی برای کسی افتاد که در جوانی راگبی باز خوبی بود و سپس قبل از هر کس دیگری متوجه شد که اتم می تواند تجزیه شود؟ ارنست رادرفورد در ژانویه 1907، مدتی پس از مرگش به «تبعید» آمریکایی خود پایان داد