Hogyan fedezték fel és írták le ezt a folyamatot. Felfedik energiaforrásként és nukleáris fegyverként való felhasználását.

"Oszthatatlan" atom

A huszonegyedik század tele van olyan kifejezésekkel, mint az „atomenergia”, „nukleáris technológia”, „radioaktív hulladék”. Időről időre újságcímek Villogó üzenetek érkeznek az Antarktisz talajának, óceánjainak és jegének radioaktív szennyeződésének lehetőségéről. A hétköznapi embernek azonban gyakran nincs túl jó fogalma arról, hogy mi is ez a tudományterület, és miben segít Mindennapi élet. Érdemes talán a történelemmel kezdeni. Már az első kérdéstől fogva, amit egy jóllakott és öltözött férfi feltett, érdekelte, hogyan működik a világ. Hogyan lát a szem, miért hall a fül, miben különbözik a víz a kőtől - ez az, ami ősidők óta aggasztotta a bölcseket. Benne is ősi indiaés Görögországban néhány érdeklődő elme azt sugallta, hogy létezik egy minimális részecske (ezt „oszthatatlannak is nevezték”), amely egy anyag tulajdonságaival rendelkezik. A középkori kémikusok megerősítették a bölcsek sejtését, és az atom modern meghatározása a következő: az atom az anyag legkisebb részecskéje, amely tulajdonságainak hordozója.

Egy atom részei

A technológia (különösen a fényképezés) fejlődése azonban oda vezetett, hogy az atomot már nem tekintik az anyag lehető legkisebb részecskéjének. És bár egyetlen atom elektromosan semleges, a tudósok hamar rájöttek, hogy két különböző töltésű részből áll. A pozitív töltésű részek száma kompenzálja a negatívak számát, így az atom semleges marad. De az atomnak nem volt egyértelmű modellje. Mivel ekkor még a klasszikus fizika volt az uralkodó, különféle feltételezések születtek.

Atom modellek

Először a „mazsolás zsemle” modellt javasolták. A pozitív töltés mintha kitöltötte volna az atom teljes terét, és a negatív töltések úgy oszlottak el benne, mint a mazsola a zsemlében. A híres a következőt határozta meg: az atom középpontjában van egy nagyon nehéz elem pozitív töltésű (mag), és körülötte sokkal könnyebb elektronok helyezkednek el. Az atommag tömege több százszor nehezebb, mint az összes elektron összege (az egész atom tömegének 99,9 százalékát teszi ki). Így született meg az atom Bohr bolygómodellje. Néhány eleme azonban ellentmondott az akkoriban elfogadott klasszikus fizikának. Ezért egy újat, a kvantummechanikát fejlesztettek ki. Eljövetelével megkezdődött a tudomány nem klasszikus korszaka.

Atom és radioaktivitás

A fent elmondottakból világossá válik, hogy az atommag az atom nehéz, pozitív töltésű része, amely az atom nagy részét alkotja. Amikor alaposan tanulmányozták az elektronok helyzetét egy atom pályáján, ideje volt megérteni a természetet atommag. A zseniális és váratlanul felfedezett radioaktivitás segített. Segített feltárni az atom nehéz központi részének lényegét, mivel a radioaktivitás forrása a maghasadás. A tizenkilencedik és huszadik század fordulóján egymás után jöttek a felfedezések. Egy probléma elméleti megoldása új kísérletek elvégzését tette szükségessé. A kísérletek eredményeiből olyan elméletek és hipotézisek születtek, amelyeket meg kell erősíteni vagy cáfolni. Gyakran legnagyobb felfedezések egyszerűen azért jelent meg, mert így vált kényelmessé a képlet a számításokhoz (mint például a Max Planck-kvantum). A tudósok már a fényképezés korszakának kezdetén is tudták, hogy az uránsók megvilágítják a fényérzékeny filmeket, de nem sejtették, hogy ez a jelenség maghasadáson alapul. Ezért a radioaktivitást tanulmányozták, hogy megértsék a nukleáris bomlás természetét. Nyilvánvaló, hogy a sugárzás keletkezett kvantumátmenetek, de nem volt teljesen világos, hogy pontosan melyek. A Curie-k tiszta rádiumot és polóniumot bányásztak, szinte kézzel dolgoztak fel uránérc hogy választ kapjunk erre a kérdésre.

Radioaktív töltés

Rutherford sokat tett az atom szerkezetének tanulmányozásáért, és hozzájárult az atommag hasadási folyamatának tanulmányozásához. A tudós egy radioaktív elem által kibocsátott sugárzást mágneses térbe helyezte, és elképesztő eredményt kapott. Kiderült, hogy a sugárzás három összetevőből áll: az egyik semleges, a másik kettő pedig pozitív és negatív töltésű. A maghasadás tanulmányozása a komponensek azonosításával kezdődött. Bebizonyosodott, hogy az atommag képes osztódni és feladni pozitív töltésének egy részét.

Magszerkezet

Később kiderült, hogy az atommag nemcsak pozitív töltésű protonrészecskékből áll, hanem neutronok semleges részecskéiből is. Együtt nukleonoknak nevezik őket (az angol „nucleus”, nucleus szóból). A tudósok azonban ismét problémába ütköztek: az atommag tömege (vagyis a nukleonok száma) nem mindig felelt meg a töltésének. A hidrogénben az atommag töltése +1, tömege lehet három, kettő vagy egy. A periódusos rendszer következő héliumának magtöltése +2, míg magjában 4-6 nukleon található. Több összetett elemek sokkal több különböző tömegű lehet azonos töltéssel. Az atomok ezen változatait izotópoknak nevezzük. Ezenkívül néhány izotóp meglehetősen stabilnak bizonyult, míg mások gyorsan lebomlanak, mivel maghasadás jellemezte őket. Milyen elvnek felelt meg a nukleonok száma az atommagok stabilitásának? Miért vezetett egyetlen neutron hozzáadása egy nehéz és teljesen stabil atommaghoz annak felhasadásához és radioaktivitás felszabadulásához? Furcsa módon erre a fontos kérdésre még nem találták meg a választ. Kísérletileg kiderült, hogy az atommagok stabil konfigurációi megfelelnek bizonyos számú protonnak és neutronnak. Ha az atommagban 2, 4, 8, 50 neutron és/vagy proton van, akkor az atommag biztosan stabil lesz. Ezeket a számokat még varázslatnak is nevezik (és így nevezték őket a felnőtt tudósok és az atomfizikusok). Így az atommagok hasadása tömegüktől, vagyis a bennük lévő nukleonok számától függ.

Csepp, kagyló, kristály

Határozza meg azt a tényezőt, amely a mag stabilitásáért felelős, on Ebben a pillanatban nem sikerült. A modellnek számos elmélete létezik, a három leghíresebb és legfejlettebb elmélet különböző kérdésekben gyakran ellentmond egymásnak. Az első szerint a mag egy csepp speciális nukleáris folyadék. A vízhez hasonlóan folyékonyság, felületi feszültség, összeolvadás és szétesés jellemzi. A héjmodellben az atommagban is vannak bizonyos energiaszintek, amelyek nukleonokkal vannak feltöltve. A harmadik azt állítja, hogy az atommag egy olyan közeg, amely képes megtörni speciális hullámokat (De Broglie hullámok), és a törésmutatója az. Azonban még egyetlen modell sem tudta teljes mértékben leírni, hogy ennek a kémiai elemnek egy bizonyos kritikus tömegénél miért. , megkezdődik a mag hasadása.

Hogyan történik a bomlás?

A radioaktivitást, mint fentebb említettük, a természetben előforduló anyagokban fedezték fel: uránban, polóniumban, rádiumban. Például a frissen bányászott, tiszta urán radioaktív. A felosztási folyamat ebben az esetben spontán lesz. Mindenféle külső hatás nélkül bizonyos számú uránatom alfa-részecskéket bocsát ki, amelyek spontán módon tóriummá alakulnak át. Van egy felezési időnek nevezett mutató. Megmutatja, hogy mennyi idő alatt marad meg az alkatrész kezdeti számának körülbelül a fele. Minden radioaktív elemnek megvan a maga felezési ideje – a kalifornium másodperc törtrészeitől az urán és a cézium több százezer évig terjed. De van indukált radioaktivitás is. Ha az atommagokat nagy kinetikus energiájú protonokkal vagy alfa-részecskékkel (héliummagokkal) bombázzák, azok „hasadhatnak”. Az átalakulás mechanizmusa természetesen különbözik attól, ahogy édesanyád kedvenc vázája eltörik. Egy bizonyos analógia azonban nyomon követhető.

Atomenergia

Egyelőre nem válaszoltunk a gyakorlati kérdésre: honnan származik az energia az atommaghasadás során? Először is el kell magyarázni, hogy az atommag kialakulása során speciális nukleáris erők hatnak, amelyeket erős kölcsönhatásnak nevezünk. Mivel az atommag sok pozitív protonból áll, továbbra is az a kérdés, hogyan tapadnak össze, mivel az elektrosztatikus erőknek elég erősen kell taszítaniuk őket egymástól. A válasz egyszerű és nem is: az atommagot a nukleonok - pi-mezonok - közötti nagyon gyors speciális részecskék cseréje tartja össze. Ez a kapcsolat hihetetlenül rövid életű. Amint a pi mezonok cseréje leáll, a mag szétesik. Az is biztosan ismert, hogy az atommag tömege kisebb, mint az összes alkotó nukleonjának összege. Ezt a jelenséget tömeghibának nevezzük. Valójában a hiányzó tömeg az az energia, amelyet a mag integritásának fenntartására fordítanak. Amint egy rész elválik az atommagtól, ez az energia felszabadul és hővé alakul az atomerőművekben. Vagyis a maghasadási energia Einstein híres képletének egyértelmű demonstrációja. Emlékezzünk vissza, hogy a képlet azt mondja: az energia és a tömeg egymásba alakítható (E=mc 2).

Elmélet és gyakorlat

Most elmondjuk, hogyan használják ezt a tisztán elméleti felfedezést a való életben gigawatt elektromos áram előállítására. Először is meg kell jegyezni, hogy a szabályozott reakciók kényszerített maghasadást alkalmaznak. Leggyakrabban ez urán vagy polónium, amelyet gyors neutronok bombáznak. Másodszor, nem lehet figyelmen kívül hagyni, hogy a maghasadás új neutronok keletkezésével jár. Ennek eredményeként a reakciózónában a neutronok száma nagyon gyorsan megnőhet. Minden neutron új, még ép atommagokkal ütközik, felhasítja azokat, ami a hőleadás növekedéséhez vezet. Ez a maghasadás láncreakciója. A neutronok számának ellenőrizetlen növekedése egy reaktorban robbanáshoz vezethet. Pontosan ez történt 1986-ban Csernobili atomerőmű. Ezért a reakciózónában mindig van olyan anyag, amely elnyeli a felesleges neutronokat, megelőzve ezzel a katasztrófát. Ez a grafit hosszú rudak formájában. A maghasadás sebessége lassítható, ha a rudakat a reakciózónába merítjük. Az egyenletet kifejezetten az egyes aktív radioaktív anyagokra és az azt bombázó részecskékre (elektronok, protonok, alfa részecskék) állítják össze. A végső energiakibocsátást azonban a megmaradási törvény szerint számítják ki: E1+E2=E3+E4. Vagyis az eredeti mag és részecske összenergiájának (E1 + E2) meg kell egyeznie a kapott mag energiájával és a szabad formában felszabaduló energiával (E3 + E4). A magreakció egyenlete azt is megmutatja, hogy milyen anyag keletkezik a bomlás eredményeként. Például az urán esetében U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. A kémiai elemek izotópjait itt nem adjuk meg, de ez fontos. Például az urán hasadásának három lehetősége van, amelyek az ólom és a neon különböző izotópjait állítják elő. A maghasadás során az esetek csaknem száz százalékában radioaktív izotópok keletkeznek. Vagyis az urán bomlása radioaktív tóriumot termel. A tórium lebomolhat protaktiniummá, ez aktiniummá stb. Ebben a sorozatban a bizmut és a titán is radioaktív lehet. Még a hidrogént is, amely két protont tartalmaz az atommagban (a norma egy proton), másképpen nevezik - deutérium. Az ilyen hidrogénnel képződött vizet nehéznek nevezik, és kitölti a primer kört az atomreaktorokban.

Békéstelen atom

Olyan kifejezések, mint "fegyverkezési verseny", " hidegháború", "nukleáris fenyegetés" a modern embernek történelminek és irrelevánsnak tűnhet. Ám valamikor szinte az egész világon minden sajtóközleményhez beszámolók jártak arról, hogy hányféle nukleáris fegyvert találtak fel, és hogyan bánjunk velük. Az emberek földalatti bunkereket építettek, és készleteket halmoztak fel arra az esetre nukleáris tél. Egész családok dolgoztak a menhely létrehozásán. Még az atommaghasadási reakciók békés célú alkalmazása is katasztrófához vezethet. Úgy tűnik, Csernobil megtanította az emberiséget az óvatosságra ezen a területen, de a bolygó elemei erősebbnek bizonyultak: a japán földrengés megrongálta a fukusimai atomerőmű nagyon megbízható erődítményeit. A nukleáris reakció energiáját sokkal könnyebb megsemmisítésre felhasználni. A technológusoknak csak korlátozniuk kell a robbanás erejét, hogy véletlenül ne pusztítsák el az egész bolygót. A „leghumánusabb” bombák, ha lehet annak nevezni, nem szennyezik sugárzással a környéket. Általában általában ellenőrizetlen láncreakciót alkalmaznak. Amit az atomerőművekben mindenáron elkerülni igyekeznek, azt bombákban érik el nagyon primitív módon. Minden természetesen radioaktív elemnek van egy bizonyos kritikus tömege tiszta anyag, amelyben a láncreakció magától beindul. Az urán esetében például csak ötven kilogramm. Mivel az urán nagyon nehéz, csak egy kis, 12-15 centiméter átmérőjű fémgolyó. Az első atombombák, amelyeket Hirosimára és Nagaszakira dobtak, pontosan ezen elv szerint készültek: a tiszta urán két egyenlőtlen része egyszerűen egyesült, és félelmetes robbanást generált. A modern fegyverek valószínűleg kifinomultabbak. Nem szabad azonban megfeledkezni a kritikus tömegről: a kis mennyiségű tiszta radioaktív anyag között a tárolás során akadályoknak kell lenniük, amelyek nem teszik lehetővé az alkatrészek összekapcsolását.

Sugárforrások

Minden 82-nél nagyobb atommagtöltésű elem radioaktív. Szinte minden könnyebb kémiai elemnek van radioaktív izotópja. Minél nehezebb a mag, annál rövidebb az élettartama. Egyes elemek (például kalifornium) csak mesterségesen nyerhetők - nehéz atomok könnyebb részecskékkel való ütköztetésével, leggyakrabban gyorsítókban. Mivel nagyon instabilok, földkéreg Nincsenek ott: a bolygó kialakulása során nagyon gyorsan szétestek más elemekre. Könnyebb atommaggal rendelkező anyagok, például urán bányászhatók. Ez a folyamat hosszú, még a nagyon gazdag ércek is kevesebb mint egy százalékot tartalmaznak bányászásra alkalmas uránt. A harmadik út talán azt jelzi, hogy egy új geológiai korszak már elkezdődött. Ez a radioaktív elemek kinyerése a radioaktív hulladékból. Az üzemanyag erőműben, tengeralattjárón vagy repülőgép-hordozón történő feldolgozása után a kiindulási urán és a hasadás eredményeként kapott végső anyag keveréke keletkezik. Jelenleg szilárdnak számít rádioaktív hulladékés a sürgető kérdés az, hogyan temetjük el őket úgy, hogy ne szennyezzenek környezet. Fennáll azonban a lehetőség, hogy a közeljövőben kész koncentrált radioaktív anyagok(például polónium) kivonják ebből a hulladékból.

1894. november 26. Szentpéterváron volt II. Miklós orosz cár és Alice hessen-darmstadti német hercegnő esküvője. Az esküvő után a császár felesége elfogadta ortodox hités az Alexandra Fedorovna nevet kapta.

1967. november 27. A "Mir" moszkvai mozi adott otthont az első szovjet thriller "Viy" premierjének. A főbb szerepeket Leonid Kuravlev és Natalia Varley játszották. A forgatás az Ivano-Frankivszk régióban és a Csernyihiv régióban található Szednev faluban zajlott.

1942. november 28 szovjet Únió megállapodást kötött Franciaországgal a náci Németország elleni közös harcról az égvilágon. Az első francia „Normandie-Niemen” repülőszázad 14 pilótából és 17 műszaki munkásból állt.

1812. november 29 Napóleon hadserege vereséget szenvedett, miközben átkelt a Berezina folyón. Napóleon körülbelül 35 ezer embert veszített. Az orosz csapatok vesztesége a Megváltó Krisztus-székesegyház katonai dicsőségének karzatának 25. falán lévő felirat szerint 4 ezer katonát tett ki. Majdnem 10 ezer franciát fogott el Peter Wittgenstein orosz tábornok.

1877. december 1 Markovka faluban, Vinnicja régióban Nyikolaj Leontovics ukrán zeneszerző, kóruskarmester, a „Dudarik”, „A kozák visz”, „Mala anya egy lánya”, „Shchedrik” című dalok szerzője (a dal ismert Nyugaton a harangok karácsonyi énekeként („Csengek éneke”).

1991. december 1. Ukrajna teljes ukrán népszavazása zajlott Ukrajna állami függetlenségének kérdésében. Leonyid Kravcsukot választották az ország első elnökévé.

1942. december 2. Enrico Fermi fizikus és a Chicagói Egyetem amerikai tudósainak egy csoportja irányított nukleáris reakciót hajtott végre, és először hasított atomot.

1992. december 1-jén regisztrálták az UA ukrán domaint a nemzetközi adatbázisban

Az előbbiek között szovjet köztársaságok Ukrajna lett az első ország, amely nemzeti internetes domaint kapott 1992. december 1-jén. Oroszországot később regisztrálták: az RU domain 1994. április 7-én jelent meg. Ugyanebben az évben a Fehérorosz Köztársaság megkapta domainjeit - BY, Örményország - AM és Kazahsztán - KZ. Az internet történetének első nemzeti domainje pedig az amerikai USA volt, 1985 márciusában regisztrálták. Ezzel egyidőben megjelentek Nagy-Britannia – Egyesült Királyság és Izrael – IL domainjei. A domainrendszer létrehozása lehetővé tette, hogy a webhely nevéből azonnal megértsük, hol található.

1993 januárjában az ukrán internetes szakemberek konferenciáján a Lviv régióbeli Slavskoye faluban 27 domaint javasoltak, amelyeket földrajzi alapon hoztak létre, telefonszámok alapján választottak ki. Az ukrán városoknak és vállalkozásoknak lehetőségük van saját weboldalak létrehozására az interneten, például kiev.ua, crimea.ua, dnepropetrovsk.ua. Az adminisztrációjukkal kapcsolatos minden felelősséget továbbra is magánszemélyek végeztek önkéntes alapon. Egyes közterületeken ez a gyakorlat a mai napig folytatódik. Mostantól minden nemzeti vagy földrajzi domainnek megvan a saját rendszergazdája – egy cég vagy magánszemély, aki meghatározza a regisztrációs szabályokat. Idővel az internet megszületett a nyelv saját változata. A COM, NET, EDU rövidítéssel végződő domain név a rövidítést jelenti általános koncepció. Például a COM kereskedelmi, a NET hálózati, az EDU oktatási. Hazánkban a legnépszerűbb domain a COM. 2001 tavaszán a rend helyreállítása érdekében végül létrejött a Hostmaster LLC jogi személy, amely UA és más ukrán domainek adminisztrátorait foglalta magában. Magánszemélyek, az UA ukrán domain korábbi tulajdonosai, hivatalosan átruházták hatáskörük egy részét a „Hostmaster”-re.

Manapság bárki létrehozhat saját weboldalt, és szerezhet domaint. Az első szakasz, amelynek során csak a védjegytulajdonosok regisztrálhattak domaint az UA zónában, már lezárult. 2010 óta az ingyenes domain regisztráció bárki számára elérhető tíz évre, az egyéves domain használat ára 90 hrivnya. Az internetet egyébként elsőként egy író, filozófus és közéleti személyiség XIX. századi Vlagyimir Odojevszkij. Az 1837-ben megjelent „4338-as év” című regényében Odojevszkij ezt írta: „ Az ismerős házak közé mágneses távírók vannak beépítve, amelyeken keresztül a nagy távolságban élők kommunikálnak egymással." Most, ha megnyit egy weboldalt az interneten, anélkül, hogy elhagyná otthonát, mindegyikünk vásárolhat levegőt és vasúti jegy, vásároljon egy elektronikai szupermarketben, tegye közzé műveit közvetítők nélkül, sőt, találjon élettársat egy társkereső oldalon. A húszévesek nehezen tudnak elképzelni egy olyan korszakot, amikor a könyvtárba jártak könyvet vásárolni, a leveleket kézzel írták, a híreket pedig csak televízióműsorokból vagy nyomtatott kiadványokból értesültek.

6. A szubatomi részecskék világa

Az atom felosztása

Gyakran mondják, hogy kétféle tudomány létezik - nagy és kicsi. Az atom felosztása nagy tudomány. Óriási kísérleti létesítményekkel, óriási költségvetéssel rendelkezik, és megkapja a Nobel-díjak oroszlánrészét.

Miért kellett a fizikusoknak kettévágniuk az atomot? Az egyszerű válasz – hogy megértsük, hogyan működik az atom – az igazságnak csak egy részét tartalmazza, de van egy általánosabb oka is. Nem teljesen helyes szó szerint beszélni az atom kettéhasadásáról. Valójában arról beszélünk nagy energiájú részecskék ütközéséről. Amikor a nagy sebességgel mozgó szubatomi részecskék összeütköznek, a kölcsönhatások és mezők új világa születik. A hatalmas anergiát hordozó, ütközések után szétszóródó anyagtöredékek a természet titkait rejtik, amelyek a „világteremtéstől” az atom mélyén maradtak eltemetve.

Azok a berendezések, ahol nagy energiájú részecskék ütköznek – részecskegyorsítók – szembetűnőek méretükben és költségükben. Több kilométer átmérőjűek, így még a részecskék ütközését vizsgáló laboratóriumok is kicsinek tűnnek ehhez képest. Más területeken tudományos kutatás a berendezés a laboratóriumban található, a nagyenergiájú fizikában a laboratóriumok a gyorsítóhoz kapcsolódnak. A közelmúltban a Genf közelében található Európai Nukleáris Kutatási Központ (CERN) több száz millió dollárt különített el egy gyűrűgyorsító megépítésére. Az erre a célra épülő alagút kerülete eléri a 27 km-t. A LEP-nek (Large Electron-Positron ring) nevezett gyorsítót arra tervezték, hogy az elektronokat és antirészecskéit (pozitronjait) olyan sebességre gyorsítsa fel, amely csak egy hajszál választja el a fénysebességtől. Ahhoz, hogy képet kapjunk az energia skálájáról, képzeljük el, hogy elektronok helyett egy fillér érmét gyorsítanak fel ilyen sebességre. A gyorsulási ciklus végén elegendő energiája lenne 1000 millió dollár értékű áram előállításához! Nem meglepő, hogy az ilyen kísérleteket általában a „nagy energiájú” fizika kategóriába sorolják. A gyűrűn belül egymás felé haladva az elektron- és pozitronsugarak frontális ütközéseket tapasztalnak, amelyek során az elektronok és a pozitronok megsemmisülnek, és több tucat másik részecske előállításához elegendő energia szabadul fel.

Mik ezek a részecskék? Ezek egy része éppen az „építőelem”, amelyből felépültünk: az atommagokat alkotó protonok és neutronok, valamint az atommagok körül keringő elektronok. Más részecskék általában nem találhatók meg a minket körülvevő anyagban: élettartamuk rendkívül rövid, és lejárta után közönséges részecskékre bomlanak szét. Az ilyen instabil, rövid élettartamú részecskék fajtáinak száma elképesztő: közülük több száz már ismert. A csillagokhoz hasonlóan az instabil részecskék is túl sokak ahhoz, hogy név szerint azonosítsák őket. Sokukat csak görög betűk jelölik, néhányat pedig csak számok.

Fontos szem előtt tartani, hogy ez a sok és változatos instabil részecske egyáltalán nem szó szerint értendő alkatrészek protonok, neutronok vagy elektronok. Ütközéskor a nagy energiájú elektronok és pozitronok nem szóródnak szét sok szubatomi töredékre. Még a nyilvánvalóan más objektumokból (kvarkokból) álló nagyenergiájú protonok ütközésekor sem válnak szét a szokásos értelemben vett alkotórészeikre. Az ilyen ütközések során bekövetkező eseményeket inkább úgy tekinthetjük, mint új részecskék közvetlen létrehozását az ütközés energiájából.

Körülbelül húsz évvel ezelőtt a fizikusokat teljesen megzavarta az új szubatomi részecskék száma és sokfélesége, amelyeknek úgy tűnt, nincs vége. Lehetetlen volt megérteni Miért annyi részecske. Talán az elemi részecskék olyanok, mint egy állatkert lakói, implicit családi hovatartozásukkal, de minden egyértelmű taxonómia nélkül. Vagy talán – ahogy egyes optimisták hitték – az elemi részecskék rejtik a kulcsot az univerzumhoz? Melyek a fizikusok által megfigyelt részecskék: jelentéktelen és véletlenszerű anyagtöredékek vagy egy homályosan észlelt rend körvonalai, amelyek a szemünk előtt rajzolódnak ki, jelezve a szubnukleáris világ gazdag és összetett szerkezetének létezését? Most már nem kétséges, hogy létezik egy ilyen szerkezet. A mikrovilág mély és racionális rendje van, és kezdjük megérteni mindezen részecskék jelentését.

A mikrovilág megértése felé tett első lépést az összes ismert részecske rendszerezése tette meg, akárcsak a 18. században. biológusok részletes katalógusokat állítottak össze a növény- és állatfajokról. A szubatomi részecskék legfontosabb jellemzői a tömeg, az elektromos töltés és a spin.

Mivel a tömeg és a tömeg összefüggenek, a nagy tömegű részecskéket gyakran "nehéznek" nevezik. Einstein rokona E =mc^ A 2 azt jelzi, hogy egy részecske tömege függ az energiájától és így a sebességétől. A mozgó részecske nehezebb, mint egy álló. Amikor egy részecske tömegéről beszélnek, azt komolyan is gondolják pihenő mise, mivel ez a tömeg nem függ a mozgásállapottól. A nulla nyugalmi tömegű részecske fénysebességgel mozog. A nulla nyugalmi tömegű részecske legnyilvánvalóbb példája a foton. Úgy gondolják, hogy az elektron a legkönnyebb részecske, amelynek nyugalmi tömege nem nulla. A proton és a neutron közel 2000-szer nehezebb, míg a laboratóriumban létrehozott legnehezebb részecske (a Z részecske) körülbelül 200 000-szerese az elektron tömegének.

A részecskék elektromos töltése meglehetősen szűk tartományban változik, de, mint megjegyeztük, mindig a töltés alapegységének többszöröse. Egyes részecskéknek, például a fotonoknak és a neutrínóknak nincs elektromos töltése. Ha egy pozitív töltésű proton töltését +1-nek vesszük, akkor az elektron töltése -1.

ch. 2 bemutattuk a részecskék másik jellemzőjét - a spint. Mindig olyan értékeket vesz fel, amelyek többszörösei valamilyen alapvető egységnek, amelyet történelmi okokból 1-nek választottak /2. Így a protonnak, a neutronnak és az elektronnak van egy spinje 1/2, a foton spinje pedig 1. Ismertek olyan részecskék is, amelyek spinje 0, 3/2 és 2. 2-nél nagyobb spinű fundamentális részecskéket nem fedeztek fel, és a teoretikusok úgy vélik, hogy ilyen spinű részecskék nem léteznek.

Egy részecske spinje fontos jellemző, és értékétől függően minden részecskét két osztályba sorolunk. A 0, 1 és 2 spinű részecskéket "bozonoknak" nevezik – Chatyendranath Bose indiai fizikus után, illetve a félegész spinű részecskéket (azaz 1/2 vagy 3/2 spinnel). - "fermionok" Enrico Fermi tiszteletére. E két osztály valamelyikéhez való tartozás valószínűleg a legfontosabb a részecskék jellemzőinek listájában.

A részecskék másik fontos jellemzője az élettartama. Egészen a közelmúltig azt hitték, hogy az elektronok, protonok, fotonok és neutrínók abszolút stabilak, azaz. végtelenül hosszú élettartamúak. A neutron stabil marad, amíg "zárva" van az atommagban, de egy szabad neutron körülbelül 15 perc alatt elbomlik. Az összes többi ismert részecske benne legmagasabb fokozat instabilok, élettartamuk néhány mikroszekundumtól 10-23 másodpercig terjed. Az ilyen időintervallumok felfoghatatlanul kicsinek tűnnek, de nem szabad elfelejteni, hogy a fénysebességhez közeli sebességgel repülő részecske (és a gyorsítókban születő részecskék többsége pontosan ilyen sebességgel mozog) egy mikroszekundum alatt 300 méteres távolságot is képes megtenni.

Az instabil részecskék bomláson mennek keresztül, ami kvantumfolyamat, ezért a bomlásban mindig van egy kiszámíthatatlan elem. Egy adott részecske élettartamát nem lehet előre megjósolni. Statisztikai megfontolások alapján csak az átlagos élettartamot lehet megjósolni. Általában egy részecske felezési idejéről beszélnek - arról az időről, amely alatt az azonos részecskék populációja felére csökken. A kísérlet azt mutatja, hogy a populáció méretének csökkenése exponenciálisan megy végbe (lásd 6. ábra), és a felezési idő az átlagos élettartam 0,693-a.

A fizikusoknak nem elég tudni, hogy ez vagy az a részecske létezik - igyekeznek megérteni, mi a szerepe. A kérdésre adott válasz a fent felsorolt ​​részecskék tulajdonságaitól, valamint a az erők természete, kívülről és belülről hat a részecskére. Először is, egy részecske tulajdonságait az határozza meg, hogy mennyire képes (vagy képtelen) részt venni erős kölcsönhatásokban. Az erős kölcsönhatásban részt vevő részecskék egy speciális osztályt alkotnak, és ún andronok. Azokat a részecskéket, amelyek gyenge kölcsönhatásban vesznek részt, és nem vesznek részt erős kölcsönhatásokban, nevezzük leptonok, ami "tüdőt" jelent. Vessünk egy rövid pillantást ezekre a családokra.

Leptonok

A leptonok közül a legismertebb az elektron. Mint minden lepton, ez is elemi, pontszerű objektumnak tűnik. Az elektronnak ismereteink szerint nincs belső szerkezete, azaz. nem áll más részecskékből. Bár a leptonoknak van elektromos töltése, de lehet, hogy nem, mindegyiknek ugyanaz a forgása 1/2, ezért a fermionok közé sorolják őket.

Egy másik jól ismert lepton, de töltés nélkül, a neutrínó. Ahogy már említettük a fejezetben. 2, a neutrínók olyan megfoghatatlanok, mint a szellemek. Mivel a neutrínók nem vesznek részt sem az erős, sem az elektromágneses kölcsönhatásban, szinte teljesen figyelmen kívül hagyják az anyagot, úgy hatolnak át rajta, mintha ott sem lenne. A neutrínók nagy áthatoló képessége hosszú ideig nagyon megnehezítette létezésük kísérleti igazolását. Csaknem három évtized telt el a neutrínók előrejelzése után, hogy végre felfedezték őket a laboratóriumban. A fizikusoknak várniuk kellett a kibocsátó atomreaktorok létrehozására nagy mennyiség neutrínó, és csak ezután lehetett regisztrálni egy részecske frontális ütközését az atommaggal, és ezzel bebizonyítani, hogy valóban létezik. Ma már sokkal több kísérletet lehet végezni neutrínó nyalábokkal, amelyek a részecskék gyorsítóban történő bomlásából származnak, és rendelkeznek a szükséges jellemzőkkel. A neutrínók túlnyomó többsége „figyelmen kívül hagyja” a célpontot, de időről időre a neutrínók mégis kölcsönhatásba lépnek a célponttal, ami lehetővé teszi a célpont elérését. hasznos információ más részecskék szerkezetéről és a gyenge kölcsönhatás természetéről. Természetesen a neutrínókkal végzett kísérletek elvégzése, ellentétben más szubatomi részecskékkel végzett kísérletekkel, nem igényel különleges védelmet. A neutrínók áthatoló ereje olyan nagy, hogy teljesen ártalmatlanok, és átjutnak az emberi testen anélkül, hogy a legkisebb kárt is okoznák.

Megfoghatatlanságuk ellenére a neutrínók különleges helyet foglalnak el az ismert részecskék között, mivel ők a legelterjedtebb részecskék az Univerzumban, egymilliárddal felülmúlják az elektronokat és a protonokat. Az univerzum lényegében neutrínók tengere, időnként atomok formájában zárványokkal. Még az is lehetséges, hogy a neutrínók össztömege meghaladja a csillagok össztömegét, és ezért a neutrínók adják a fő hozzájárulást a kozmikus gravitációhoz. A szovjet kutatók egy csoportja szerint a neutrínóknak kicsi, de nem nulla nyugalmi tömege van (kevesebb, mint az elektron tömegének egytizede); ha ez igaz, akkor a gravitációs neutrínók uralják az Univerzumot, ami a jövőben annak összeomlását okozhatja. Így a neutrínók, első pillantásra a „legártalmatlanabb” és legtestetlenebb részecskék, képesek az egész Univerzum összeomlására.

Más leptonok közül meg kell említeni a müont, amelyet 1936-ban fedeztek fel a kozmikus sugarak kölcsönhatási termékeiben; kiderült, hogy az egyik első ismert instabil szubatomi részecskék. A müon a stabilitás kivételével minden tekintetben elektronhoz hasonlít: azonos a töltése és a spinje, ugyanazokban a kölcsönhatásokban vesz részt, de tömege nagyobb. Körülbelül két milliomod másodperc alatt a müon elektronra és két neutrínóra bomlik. A müonok széles körben elterjedtek a természetben, és a Geiger-számláló által a Föld felszínén észlelt kozmikus háttérsugárzás jelentős részét teszik ki.

Sok éven át az elektron és a müon maradt az egyetlen ismert töltött lepton. Aztán az 1970-es évek végén felfedeztek egy harmadik töltött leptont, a tau leptont. A körülbelül 3500 elektrontömegű tau lepton nyilvánvalóan a töltött leptonok hármasának „nehézsúlya”, de minden más tekintetben úgy viselkedik, mint egy elektron és egy müon.

Az ismert leptonok listája még korántsem kimerült. A 60-as években felfedezték, hogy többféle neutrínó létezik. Az egyik típusú neutrínók az elektronnal együtt születnek a neutron bomlása során, a másik típusú neutrínók pedig a müonok születése során. Mindegyik neutrínótípus párban létezik a saját töltésű leptonjával; ezért van egy "elektronneutrínó" és egy "müonneutrínó". Valószínűleg léteznie kell egy harmadik típusú neutrínónak is, amely a tau lepton születését kíséri. Ebben az esetben teljes szám A neutrínóknak három fajtája van, a leptonok száma összesen hat (1. táblázat). Természetesen minden leptonnak megvan a maga antirészecskéje; így a különböző leptonok száma összesen tizenkettő.

Asztal 1

Hat lepton felel meg a töltött és a semleges módosulásoknak (az antirészecskéket a táblázat nem tartalmazza). A tömeget és a töltést az elektron tömegének és töltésének egységeiben fejezzük ki. Bizonyítékok vannak arra, hogy a neutrínók tömege alacsony lehet

Hadronok

A maroknyi ismert leptonnal szemben szó szerint több száz hadron létezik. Ez önmagában arra utal, hogy a hadronok nem elemi részecskék, hanem kisebb komponensekből épülnek fel. Minden hadron részt vesz erős, gyenge és gravitációs kölcsönhatásokban, de két változatban találhatók - elektromosan töltött és semleges. A hadronok közül a leghíresebb és legelterjedtebb a neutron és a proton. A megmaradt hadronok rövid életűek, és vagy a másodperc egymilliomod része alatt bomlanak le a gyenge kölcsönhatás miatt, vagy sokkal gyorsabban (10-23 s nagyságrendű idő alatt) - az erős kölcsönhatás miatt.

Az 1950-es években a fizikusokat rendkívül zavarba hozta a hadronok száma és sokfélesége. De fokozatosan a részecskéket három fontos jellemző szerint osztályozták: tömeg, töltés és spin. Fokozatosan a rend jelei kezdtek megjelenni, és tiszta kép kezdett kirajzolódni. Vannak utalások arra, hogy az adatok látszólagos káosza mögött szimmetriák rejtőznek. A hadronok rejtélyének megfejtésében döntő lépést tett 1963, amikor Murray Gell-Mann és George Zweig, a Kaliforniai Műszaki Intézet munkatársa javasolta a kvarkok elméletét.

10. ábra A hadronok kvarkokból épülnek fel. A proton (top) két up kvarkból és egy d kvarkból áll. A világosabb pion (alul) egy mezon, amely egy u-kvarkból és egy d-antikvarkból áll. Más hadronok a kvarkok mindenféle kombinációja.

Ennek az elméletnek a fő gondolata nagyon egyszerű. Minden hadron kisebb részecskékből, úgynevezett kvarkokból áll. A kvarkok kétféleképpen kombinálhatók egymással lehetséges módjai: akár hármasban, akár kvark-antikvark párban. A viszonylag nehéz részecskék három kvarkból állnak - baryonok, ami "nehéz részecskéket" jelent. A legismertebb barionok a neutronok és a protonok. A könnyebb kvark-antikvark párok részecskéket alkotnak, az úgynevezett mezonok -„köztes részecskék”. Ennek a névnek a megválasztását az magyarázza, hogy az elsőként felfedezett mezonok tömegben egy köztes helyet foglaltak el az elektronok és a protonok között. Az összes akkor ismert hadron figyelembe vétele érdekében Gell-Mann és Zweig három különböző típusú ("íz") kvarkot vezetett be, amelyek meglehetősen fantázianeveket kaptak: És(tól től fel - felső), d(tól től le - alsó) és s (tól furcsa- furcsa). Az ízek különféle kombinációinak lehetőségét megengedve megmagyarázhatjuk a létezést nagyszámú hadronok. Például egy proton kettőből áll És-és egy d-kvark (10. ábra), a neutron pedig két d-kvarkból és egy u-kvarkból áll.

Ahhoz, hogy a Gell-Mann és Zweig által javasolt elmélet hatékony legyen, fel kell tételezni, hogy a kvarkok részleges elektromos töltést hordoznak. Más szóval, van egy töltésük, amelynek értéke az alapegység - az elektron töltésének - 1/3-a vagy 2/3-a. Két és három kvark kombinációjának teljes töltése lehet nulla vagy egy. Minden kvark spin 1/2. ezért a fermionok közé sorolják őket. A kvarkok tömegét nem határozzák meg olyan pontosan, mint más részecskék tömegét, mivel kötési energiájuk egy hadronban összemérhető maguknak a kvarkok tömegével. Ismeretes azonban, hogy az s-kvark nehezebb És-és d-kvarkok.

A hadronok belsejében a kvarkok gerjesztett állapotban lehetnek, hasonlóan az atomok gerjesztett állapotához, de sokkal nagyobb energiákkal. A gerjesztett hadronban lévő energiatöbblet annyira megnöveli a tömegét, hogy a kvarkelmélet megalkotása előtt a fizikusok tévedésből a gerjesztett hadronokat teljesen más részecskékre vették. Mostanra megállapítást nyert, hogy a látszólag különböző hadronok közül sok valójában csak ugyanazon alapvető kvarkkészlet gerjesztett állapota.

Ahogy már említettük a fejezetben. 5, a kvarkokat erős kölcsönhatás tartja össze. De részt vesznek a gyenge interakciókban is. A gyenge kölcsönhatás megváltoztathatja a kvark ízét. Így történik a neutronbomlás. A neutronban az egyik d-kvark u-kvarkká alakul, és a többlettöltés elviszi az egyidejűleg megszülető elektront. Hasonlóképpen, az íz megváltoztatásával a gyenge kölcsönhatás más hadronok bomlásához vezet.

Az s-kvarkok létezése szükséges az úgynevezett „furcsa” részecskék - nehéz hadronok - felépítéséhez, amelyeket az 50-es évek elején fedeztek fel. E részecskék szokatlan viselkedése, ami a nevüket sugallta, az volt, hogy az erős kölcsönhatások miatt nem tudtak lebomlani, jóllehet maguk és bomlástermékeik is hadronok voltak. A fizikusok azon törték a fejüket, hogy ha az anya- és a leányrészecskék is a hadroncsaládhoz tartoznak, akkor az erős erő miért nem okozza bomlásukat. Valamiért ezek a hadronok a sokkal kevésbé intenzív gyenge kölcsönhatást "előnyben részesítették". Miért? A kvarkelmélet természetesen megoldotta ezt a rejtélyt. Az erős kölcsönhatás nem tudja megváltoztatni a kvarkok ízét - csak a gyenge kölcsönhatás képes erre. És ízváltozás nélkül, az s-kvark átalakulásával kísérve És- vagy d-kvark, a bomlás lehetetlen.

táblázatban A 2. ábra a három ízű kvarkok különböző lehetséges kombinációit és nevüket mutatja be (általában csak egy görög betű). Számos gerjesztett állapot nem jelenik meg. Az a tény, hogy a három alapvető részecske különféle kombinációiból minden ismert hadron előállítható, a kvarkelmélet fő diadalát jelképezi. A siker ellenére azonban csak néhány évvel később sikerült közvetlen fizikai bizonyítékot szerezni a kvarkok létezésére.

Ezt a bizonyítékot 1969-ben szerezték meg történelmi kísérletek sorozatában, amelyeket a Stanford-i (Kalifornia, USA) - SLAC - nagy lineáris gyorsítónál végeztek. A stanfordi kísérletezők egyszerűen érveltek. Ha valóban vannak kvarkok a protonban, akkor a protonon belül ezekkel a részecskékkel való ütközések figyelhetők meg. Csak egy szubnukleáris „lövedékre” van szükség, amelyet közvetlenül a proton mélyére lehetne irányítani. Hiába használunk erre a célra másik hadront, mivel annak méretei megegyeznek a protonnal. Ideális lövedék egy lepton, például egy elektron. Mivel az elektron nem vesz részt az erős kölcsönhatásban, nem fog „megakadni” a kvarkok alkotta közegben. Ugyanakkor egy elektron érzékeli a kvarkok jelenlétét a jelenléte miatt elektromos töltés.

2. táblázat

A kvarkok három íze, az u, d és s a +2/3, -1/3 és -1/3 töltéseknek felel meg; hármasban egyesülve alkotják a táblázatban látható nyolc bariont. A kvark-antikvark párok mezonokat alkotnak. (Néhány kombináció, például az sss, kimarad.)

A Stanford-kísérletben a három kilométeres gyorsító lényegében egy óriási elektronmikroszkópként működött, amely képeket készített a proton belsejéről. A hagyományos elektronmikroszkóp a centiméter egy milliomod részénél kisebb részleteket képes megkülönböztetni. A proton viszont több tízmilliószor kisebb, és csak 2,1010 eV energiára gyorsított elektronokkal lehet „szondázni”. A stanfordi kísérletek idején kevés fizikus ragaszkodott a kvarkok leegyszerűsített elméletéhez. A legtöbb tudós arra számított, hogy a protonok elektromos töltései eltérítik az elektronokat, de azt feltételezték, hogy a töltés egyenletesen oszlik el a protonon belül. Ha ez valóban így lenne, akkor főleg gyenge elektronszórás történne, pl. Amikor a protonokon áthaladnak, az elektronok nem mennek át erős elhajláson. A kísérlet kimutatta, hogy a szórási mintázat élesen eltér a várttól. Minden úgy történt, mintha egyes elektronok apró szilárd zárványokba repültek volna, és a leghihetetlenebb szögekben visszapattantak volna róluk. Ma már tudjuk, hogy a protonokon belüli ilyen szilárd zárványok kvarkok.

1974-ben érzékeny csapást mértek a kvarkelmélet leegyszerűsített változatára, amely addigra már a teoretikusok körében is elismert volt. Néhány napon belül egymás után az amerikai fizikusok két csoportja – az egyik a Stanfordban Barton Richter vezette, a másik a Brookhaven National Laboratoryban Samuel Ting vezetésével – egymástól függetlenül bejelentette egy új hadron felfedezését, amelyet pszi-részecskének neveztek. Önmagában egy új hadron felfedezése aligha lenne különösebben figyelemre méltó, ha nem egy körülmény: a tény az, hogy a kvarkelmélet által javasolt sémában nem volt hely egyetlen új részecske számára. Az up, d és s kvarkok és antikvarkjainak minden lehetséges kombinációja már „elhasználódott”. Miből áll a psi részecske?

A problémát úgy oldották meg, hogy egy olyan ötlethez fordultak, amely már egy ideje a levegőben volt: legyen egy negyedik illat, amit még soha senki nem észlelt. Az új illatnak már megvolt a neve - charm (charm), vagy s. Feltételezték, hogy a psi-részecske egy c-kvarkból és egy c-antikvarkból (c) álló mezon, azaz. cc. Mivel az antikvarkok az anti-íz hordozói, a pszi részecske varázsa semlegesítve van, ezért az új íz (báj) létezésének kísérleti megerősítésére várni kellett a mezonok felfedezéséig, amelyekben a bájkvarkokat antikvarkampokkal párosították. más ízekből. Ma már az elvarázsolt részecskék egész sora ismert. Mindegyik nagyon nehéz, így a bájkvark nehezebbnek bizonyul, mint a furcsa kvark.

A fent leírt helyzet megismétlődött 1977-ben, amikor az úgynevezett upsilon mezon (UPSILON) megjelent a színen. Ezúttal különösebb habozás nélkül bemutatták az ötödik ízt, a b-quark nevet (alulról - alulról, és gyakrabban szépség - szépség, vagy báj). Az upsilon mezon egy kvark-antikvark pár, amely b kvarkokból áll, ezért rejtett szépsége van; de, mint az előző esetben, a kvarkok eltérő kombinációja lehetővé tette a „szépség” végső felfedezését.

A kvarkok relatív tömegét legalább abból a tényből lehet megítélni, hogy a legkönnyebb mezon, a pion párokból áll És- a d-kvarkok pedig antikvarkokkal. A psi mezon körülbelül 27-szer, az upsilon mezon pedig legalább 75-ször nehezebb, mint a pion.

Az ismert ízek listájának fokozatos bővülése a leptonok számának növekedésével párhuzamosan történt; így a nyilvánvaló kérdés az volt, hogy lesz-e valaha vége. A kvarkokat azért vezették be, hogy leegyszerűsítsék a hadronok teljes változatának leírását, de még most is az az érzés, hogy a részecskék listája ismét túl gyorsan bővül.

Démokritosz kora óta az atomizmus alapgondolata az a felismerés, hogy kellően kis léptékben létezniük kell valóban elemi részecskéknek, amelyek kombinációi alkotják a körülöttünk lévő anyagot. Az atomizmus azért vonzó, mert az oszthatatlan (definíció szerint) alapvető részecskéknek nagyon korlátozott számban kell létezniük. A természet sokszínűsége annak köszönhető egy nagy szám nem alkotórészeik, hanem kombinációik. Amikor felfedezték, hogy sok különböző atommag létezik, eltűnt a remény, hogy amit ma atomoknak nevezünk, az megfelel az ókori görögök elképzelésének, elemi részecskék ah anyagok. És bár a hagyomány szerint továbbra is különféle kémiai „elemekről” beszélünk, ismert, hogy az atomok egyáltalán nem elemiek, hanem protonokból, neutronokból és elektronokból állnak. És mivel a kvarkok száma túl nagynak bizonyul, felmerül a kísértés, hogy feltételezzük, hogy ők is összetett rendszerek kisebb részecskékből áll.

Bár emiatt van némi elégedetlenség a kvark sémával kapcsolatban, a legtöbb fizikus a kvarkokat valóban elemi részecskéknek tekinti – pontszerű, oszthatatlan és belső szerkezet nélküli. Ebben a tekintetben a peptonokra hasonlítanak, és régóta feltételezik, hogy mély kapcsolatnak kell lennie e két különálló, de szerkezetileg hasonló család között. Ennek a nézőpontnak az alapja a leptonok és kvarkok tulajdonságainak összehasonlítása (3. táblázat). A leptonokat párokba csoportosíthatjuk úgy, hogy minden töltött leptont egy megfelelő neutrínóval társítunk. A kvarkok párokba is csoportosíthatók. asztal A 3. ábra úgy van összeállítva, hogy az egyes cellák szerkezete megismétli a közvetlenül előtte lévőt. Például a második cellában a müont "nehéz elektronként", a bájt és a furcsa kvarkokat pedig nehéz változatokként ábrázolják. És-és d-kvarkok. A következő dobozból látható, hogy a tau lepton egy még nehezebb "elektron", a b kvark pedig a d kvark nehezebb változata. A teljes hasonlathoz szükségünk van még egy (tau-leptonium) neutrínóra és egy hatodik ízű kvarkokra, ami már megkapta az igaz nevet (igazság, t). A könyv írásakor a csúcskvarkok létezésére vonatkozó kísérleti bizonyítékok még nem voltak elég meggyőzőek, és egyes fizikusok kételkedtek abban, hogy a csúcskvarkok egyáltalán léteznek.

3. táblázat

A leptonok és kvarkok természetesen párosulnak. táblázatban látható módon. A minket körülvevő világ az első négy részecskéből áll. De a következő csoportok láthatóan megismétlik a felsőt, és a neutrínók koronájában rendkívül instabil részecskékből állnak.

Lehet-e negyedik, ötödik stb. még nehezebb részecskéket tartalmazó gőzök? Ha igen, a gyorsítók következő generációja valószínűleg lehetőséget ad a fizikusoknak az ilyen részecskék kimutatására. Azonban egy érdekes megfontolás hangzik el, amiből az következik, hogy a nevezett három páron kívül nincs más pár. Ez a megfontolás a neutrínótípusok számán alapul. Hamarosan megtudjuk, hogy az ősrobbanás pillanatában, amely az Univerzum felbukkanását jelentette, intenzív neutrínók keletkeztek. Egyfajta demokrácia garantálja minden típusú részecske ugyanolyan energiarészesedését, mint a többi; ezért minél több különböző típusú neutrínó van, annál több energiát tartalmaz a neutrínó-tenger hely. A számítások azt mutatják, hogy ha háromnál több fajta neutrínó létezne, akkor mindegyikük által keltett gravitáció erősen zavaró hatással lenne az Univerzum életének első perceiben lezajlott magfolyamatokra. Következésképpen ezekből a közvetett megfontolásokból nagyon valószínű következtetés az, hogy a táblázatban látható három pár. 3, a természetben létező összes kvark és lepton kimerült.

Érdekes megjegyezni, hogy az Univerzumban minden közönséges anyag csak két legkönnyebb leptonból (elektron és elektronneutrínó) és két legkönnyebb kvarkból áll ( ÉsÉs d). Ha az összes többi lepton és kvark hirtelen megszűnne létezni, akkor valószínűleg nagyon kevés változás történne a minket körülvevő világban.

Talán a nehezebb kvarkok és leptonok egyfajta tartalék szerepét töltik be a legkönnyebb kvarkok és leptonok számára. Mindegyik instabil és gyorsan szétesik a felső cellában található részecskékre. Például a tau lepton és a müon elektronokká bomlik, míg a furcsa, elbűvölő és gyönyörű részecskék meglehetősen gyorsan bomlanak le neutronokká vagy protonokká (barionok esetén), vagy leptonokká (mezonok esetében). Felmerül a kérdés: Miért Léteznek ezek a második és harmadik generációs részecskék? Miért volt rájuk szüksége a természetnek?

A részecskék a kölcsönhatások hordozói

Az ismert részecskék listáját semmiképpen sem meríti ki hat pár lepton és kvark, amelyek az anyag építőanyagát képezik. Néhány közülük, például a foton, nem szerepel a kvark áramkörben. A „bordán hagyott” részecskék nem „az univerzum építőkövei”, hanem egyfajta „ragasztót” alkotnak, amely nem engedi szétesni a világot, i. négy alapvető kölcsönhatáshoz kapcsolódnak.

Emlékszem, gyerekkoromban azt mondták nekem, hogy a hold hatására az óceánok emelkednek és süllyednek a napi dagály idején. Mindig is rejtély volt számomra, hogy az óceán honnan tudja, hol van a Hold, és hogyan követi mozgását az égen. Amikor az iskolában tanultam a gravitációról, tanácstalanságom csak fokozódott. Hogyan sikerül a Holdnak, miután leküzdötte a negyedmillió kilométernyi üres teret, „elérni” az óceánt? A szokásos válasz - a Hold gravitációs mezőt hoz létre ebben az üres térben, amelynek hatása eléri az óceánt, és mozgásba hozza azt - természetesen volt némi értelme, de mégsem elégített ki teljesen. Hiszen nem láthatjuk a Hold gravitációs terét. Lehet, hogy csak ezt mondják? Ez tényleg megmagyaráz valamit? Mindig úgy éreztem, hogy a holdnak valahogy meg kell mondania az óceánnak, hogy hol van. Valamilyen jelcserének kell lennie a Hold és az óceán között, hogy a víz tudja, merre kell mozogni.

Idővel kiderült, hogy a térben jel formájában továbbított erő gondolata nem áll távol a probléma modern megközelítésétől. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan merül fel egy ilyen ötlet, részletesebben meg kell vizsgálnunk a természetet erőtér. Példaként ne óceáni árapályt válasszunk, hanem egy egyszerűbb jelenséget: két elektron közeledik egymáshoz, majd elektrosztatikus taszítás hatására különböző irányokba repülnek szét. A fizikusok ezt a folyamatot szórási problémának nevezik. Természetesen az elektronok szó szerint nem lökdösik egymást. Távolról kölcsönhatásba lépnek, az egyes elektronok által generált elektromágneses mezőn keresztül.

11. ábra. Két töltött részecske szórása. A részecskék pályája az elektromos taszítás hatására meggörbül egymáshoz közeledve.

Nem nehéz elképzelni az elektron-elektron szórás képét. Kezdetben az elektronok szétválnak távolságiés kevés hatással vannak egymásra. Mindegyik elektron csaknem egyenes vonalúan mozog (11. ábra). Aztán, ahogy a taszító erők működésbe lépnek, az elektronpályák elkezdenek meggörbülni, amíg a részecskék a lehető legközelebb vannak; ezt követően a pályák szétválnak, és az elektronok szétrepülnek, ismét egyenes vonalú, de már széttartó pályákon kezdenek el mozogni. Egy ilyen modell könnyen demonstrálható a laboratóriumban elektronok helyett elektromosan töltött golyókkal. És ismét felmerül a kérdés: honnan „tudja” egy részecske, hogy hol van egy másik részecske, és ennek megfelelően változtatja meg mozgását.

Bár a görbült elektronpályák képe meglehetősen vizuális, több szempontból teljesen alkalmatlan. Az a tény, hogy az elektronok kvantumrészecskék, és viselkedésük bizonyos törvényeknek engedelmeskedik kvantumfizika. Először is, az elektronok nem mozognak a térben jól meghatározott pályákon. Az út kezdő- és végpontját így vagy úgy még meghatározhatjuk - szóródás előtt és után, de maga az út a mozgás kezdete és vége közötti intervallumban ismeretlen és bizonytalan marad. Ezenkívül az elektron és a mező közötti folyamatos energia- és impulzuscsere intuitív elképzelése, mintha felgyorsítaná az elektront, ellentmond a fotonok létezésének. Az energia és a lendület átadható terület csak részletekben, vagy kvantumokban. Pontosabb képet kapunk a tér által az elektron mozgásába bevitt zavarról, ha feltételezzük, hogy a mezőből fotont elnyelő elektron hirtelen lökést tapasztal. Ezért kvantumszinten az elektron elektronon való szórásának aktusa az ábrán látható módon ábrázolható. 12. A két elektron pályáját összekötő hullámvonal az egyik elektron által kibocsátott, a másik által elnyelt fotonnak felel meg. Most a szórás aktusa az egyes elektronok mozgási irányának hirtelen változásaként jelenik meg

12. ábra. A töltött részecskék szóródásának kvantumleírása. A részecskék kölcsönhatása egy kölcsönhatáshordozó, vagy virtuális foton (hullámvonal) cseréjének köszönhető.

Az ilyen diagramokat először Richard Feynman használta egy egyenlet különböző feltételeinek vizuális megjelenítésére, és kezdetben pusztán szimbolikus jelentéssel bírtak. De aztán a Feynman-diagramokat kezdték használni a részecskék kölcsönhatásainak diagramszerű ábrázolására. Úgy tűnik, hogy az ilyen képek kiegészítik a fizikus intuícióját, de bizonyos óvatossággal kell értelmezni őket. Például soha nincs éles törés az elektronpályán. Mivel csak az elektronok kezdeti és végső helyzetét ismerjük, nem tudjuk pontosan, hogy mikor cserélődik a foton, és melyik részecske bocsát ki és melyik nyeli el a fotont. Mindezeket a részleteket a kvantumbizonytalanság fátyla rejti el.

E figyelmeztetés ellenére a Feynman-diagramok hatékony eszköznek bizonyultak a kvantumkölcsönhatások leírására. Az elektronok között kicserélt foton egyfajta hírvivőnek tekinthető, amely az egyik elektrontól azt mondja a másiknak: „Itt vagyok, úgyhogy indulj!” Természetesen minden kvantumfolyamat valószínűségi jellegű, így ilyen csere csak bizonyos valószínűséggel megy végbe. Előfordulhat, hogy az elektronok két vagy több fotont cserélnek (13. ábra), bár ez kevésbé valószínű.

Fontos felismerni, hogy a valóságban nem látunk fotonokat egyik elektronról a másikra surrogni. A kölcsönhatáshordozók két elektron „belső anyagai”. Kizárólag azért léteznek, hogy megmondják az elektronoknak, hogyan mozogjanak, és bár energiát és lendületet hordoznak, a klasszikus fizika megfelelő megmaradási törvényei nem vonatkoznak rájuk. A fotonok ebben az esetben egy labdához hasonlíthatók, amelyet a teniszezők a pályán cserélnek. Ahogy a teniszlabda határozza meg a teniszezők viselkedését a játszótéren, a foton befolyásolja az elektronok viselkedését.

A hordozórészecskével történő kölcsönhatás sikeres leírása a foton fogalmának kibővítésével járt: a fotonról kiderül, hogy nem csak egy számunkra látható fényrészecske, hanem egy olyan kísérteties részecske is, amelyet csak töltéssel „látnak”. szóródáson áteső részecskék. Néha az általunk megfigyelt fotonokat ún igazi,és a kölcsönhatást hordozó fotonok azok virtuális, ami röpke, szinte kísérteties létükre emlékeztet bennünket. A valós és virtuális fotonok megkülönböztetése némileg önkényes, de ennek ellenére ezek a fogalmak széles körben elterjedtek.

Az elektromágneses kölcsönhatás leírása a virtuális fotonok – hordozói – fogalmával a maga jelentőségében túlmutat a kvantum jellegű illusztrációkon. A valóságban a legapróbb részletekig átgondolt elméletről beszélünk, amely tökéletes matematikai apparátussal van felszerelve, ún. kvantum elektrodinamika, Rövidítve QED. Amikor röviddel a második világháború után először megfogalmazták a QED-t, a fizikusok olyan elmélettel rendelkeztek, amely kielégítette mind a kvantumelmélet, mind a relativitáselmélet alapelveit. Ez egy csodálatos lehetőség az új fizika két fontos aspektusának együttes megnyilvánulásainak megtekintésére és. ellenőrizze őket kísérletileg.

Elméletileg a QED létrehozása kiemelkedő eredmény volt. A fotonok és elektronok kölcsönhatásával foglalkozó korábbi vizsgálatok matematikai nehézségek miatt nagyon korlátozott sikerrel jártak. De amint a teoretikusok megtanulták helyesen végezni a számításokat, minden más a helyére került. A QED eljárást javasolt bármilyen bonyolult folyamat eredményének megszerzésére, amely fotonokat és elektronokat is magában foglal.

13. ábra. Az elektronszórást két virtuális foton cseréje okozza. Az ilyen folyamatok kis módosítást jelentenek az ábrán látható fő folyamathoz képest. tizenegy

Annak tesztelésére, hogy az elmélet mennyire felel meg a valóságnak, a fizikusok két különösen érdekes hatásra összpontosítottak. Az első érintett energiaszintek a hidrogénatom a legegyszerűbb atom. A QED azt jósolta, hogy a szinteket kissé el kell tolni attól a pozíciótól, amelyet elfoglalnának, ha nem léteznének virtuális fotonok. Az elmélet nagyon pontosan megjósolta ennek az eltolódásnak a nagyságát. Az elmozdulás rendkívüli pontosságú észlelésére és mérésére irányuló kísérletet Willis Lamb, a University of State munkatársa végezte. Arizona. Mindenki nagy örömére a számítási eredmények tökéletesen egybeestek a kísérleti adatokkal.

A QED második döntő tesztje az elektron saját mágneses momentumának rendkívül kis korrekciójára vonatkozott. És ismét az elméleti számítások és a kísérlet eredményei teljesen egybeestek. A teoretikusok finomítani kezdték számításaikat, a kísérletezők pedig műszereiket. De bár mind az elméleti előrejelzések, mind a kísérleti eredmények pontossága folyamatosan javult, a QED és a kísérlet közötti egyetértés kifogástalan maradt. Az elméleti és a kísérleti eredmények ma még az elért pontosság határain belül egyeznek, ami kilenc tizedesjegynél nagyobb egyezést jelent. Egy ilyen feltűnő megfeleltetés jogot ad arra, hogy a QED-et a létező természettudományi elméletek közül a legfejlettebbnek tekintsük.

Mondanunk sem kell, hogy egy ilyen diadal után a QED-t a másik három alapvető kölcsönhatás kvantumleírásának modelljeként alkalmazták. Természetesen az egyéb kölcsönhatásokhoz kapcsolódó mezőknek meg kell felelniük más hordozó részecskéknek. A gravitáció leírására bevezették graviton, ugyanazt a szerepet tölti be, mint a foton. Két részecske gravitációs kölcsönhatása során gravitonok cserélődnek közöttük. Ezt a kölcsönhatást az ábrán láthatóhoz hasonló diagramok segítségével lehet megjeleníteni. 12. és 13. A gravitonok szállítják a jeleket Holdak az óceánok felé, ezt követően dagály idején felemelkednek, apály idején pedig leesnek. A Föld és a Nap között kavargó gravitonok tartják pályán bolygónkat. A gravitonok szilárdan a Földhöz láncolnak bennünket.

A fotonokhoz hasonlóan a gravitonok is fénysebességgel haladnak, ezért a gravitonok „nulla nyugalmi tömegű” részecskék. De itt véget is érnek a gravitonok és a fotonok közötti hasonlóságok. Míg a foton spinje 1, a gravitoné 2.

4. táblázat

Négy hordozó részecske alapvető kölcsönhatások. A tömeget proton tömegegységekben fejezzük ki.

Ez azért fontos különbség, mert ez határozza meg az erő irányát: az elektromágneses kölcsönhatásban a hasonló töltésű részecskék, például az elektronok taszítják, míg a gravitációs kölcsönhatásban minden részecske vonzódik egymáshoz.

A gravitonok lehetnek valósak vagy virtuálisak. Az igazi graviton nem más, mint egy gravitációs hullám kvantuma, ahogy a valódi foton is egy kvantum elektromágneses hullám. Elvileg valódi gravitonok „megfigyelhetők”. De mivel a gravitációs kölcsönhatás hihetetlenül gyenge, a gravitonokat nem lehet közvetlenül észlelni. A gravitonok kölcsönhatása más kvantumrészecskékkel olyan gyenge, hogy végtelenül kicsi annak a valószínűsége, hogy egy graviton szétszóródik vagy elnyelődik például egy proton által.

A hordozórészecskék cseréjének alapötlete más kölcsönhatásokra is vonatkozik (4. táblázat) - gyenge és erős. A részletekben azonban vannak lényeges különbségek. Emlékezzünk vissza, hogy az erős kölcsönhatás biztosítja a kapcsolatot a kvarkok között. Ilyen kapcsolatot egy elektromágneseshez hasonló, de bonyolultabb erőtér hozhat létre. Az elektromos erők két ellentétes előjelű töltésű részecske kötött állapotának kialakulásához vezetnek. A kvarkok esetében három részecske kötött állapota keletkezik, ami az erőtér összetettebb jellegére utal, aminek háromféle „töltés” ​​felel meg. A részecskéket - a kvarkok közötti kölcsönhatás hordozóit, párban vagy hármasban összekötő részecskéket nevezik gluonok.

Gyenge interakció esetén némileg más a helyzet. Ennek a kölcsönhatásnak a sugara rendkívül kicsi. Ezért a gyenge kölcsönhatás hordozóinak nagy nyugalmi tömegű részecskéknek kell lenniük. Az ilyen tömegben lévő energiát a Heisenberg-féle bizonytalansági elvnek megfelelően kell „kölcsönvenni”, amelyről már szó volt a 2. o. 50. Mivel azonban a „kölcsönzött” tömeg (és így az energia) olyan nagy, a bizonytalanság elve megköveteli, hogy egy ilyen kölcsön visszafizetési ideje rendkívül rövid legyen – csak körülbelül 10^-28 másodperc. Az ilyen rövid élettartamú részecskéknek nincs idejük nagyon messzire elmozdulni, és az általuk hordozott kölcsönhatási sugár nagyon kicsi.

Valójában kétféle gyenge erő transzporter létezik. Az egyik a nyugalmi tömeg kivételével mindenben hasonlít a fotonhoz. Ezeket a részecskéket Z-részecskéknek nevezzük. A Z részecskék lényegében egy újfajta fény. A gyenge erőhordozók másik típusa, a W részecskék elektromos töltés jelenlétében különböznek a Z részecskéktől. ch. 7 részletesebben tárgyaljuk a Z és W részecskék tulajdonságait, amelyeket csak 1983-ban fedeztek fel.

A részecskék kvarkokra, leptonokra és kölcsönhatáshordozókra való besorolása teszi teljessé az ismert szubatomi részecskék listáját. E részecskék mindegyike saját, de meghatározó szerepet játszik az Univerzum kialakulásában. Ha nem lennének hordozó részecskék, nem lennének kölcsönhatások, és minden részecske homályban maradna partnereivel kapcsolatban. Komplex rendszerek nem jöhetnének létre, bármilyen tevékenység lehetetlen lenne. Kvarkok nélkül nem lennének atommagok vagy napfény. Leptonok nélkül nem létezhetnének az atomok, nem keletkeznének kémiai szerkezetek és maga az élet.

Mik a részecskefizika céljai?

A The Guardian befolyásos brit lap egyszer megjelent egy vezércikkben, amelyben megkérdőjelezi a részecskefizika fejlesztésének bölcsességét, egy drága vállalkozást, amely nemcsak az ország tudományos költségvetésének jelentős részét emészti fel, hanem a legjobb elmék oroszlánrészét is. „Tudják a fizikusok, mit csinálnak?” – kérdezte a Guardian. „Még ha tudják is, mi haszna van belőle? Kinek van szüksége ezekre a részecskékre a fizikusokon kívül?”

Néhány hónappal a publikáció után lehetőségem nyílt részt venni Baltimore-ban George Keyworth, az Egyesült Államok elnökének tudományos tanácsadója előadásán. Keyworth a részecskefizikával is foglalkozott, de az előadása teljesen más hangot kapott. Az amerikai fizikusokat lenyűgözte a CERN, Európa vezető részecskefizikai laboratóriumának közelmúltbeli jelentése, amely az alapvető W és Z részecskék felfedezéséről szól, amelyeket végül egy nagyméretű proton-antiproton ütközőnyaláb ütköztetőben sikerült megszerezni. Az amerikaiak megszokták, hogy minden szenzációs felfedezést nagy energiájú fizikai laboratóriumaikban tesznek. Az, hogy elvesztették a pálmát, nem a tudományos, sőt nemzeti hanyatlás jele?

Keyworthnek nem volt kétsége afelől, hogy az Egyesült Államok általában, és különösen az amerikai gazdaság virágzásához az országnak a tudományos kutatás élvonalában kell lennie. Főbb projektek alapkutatás, Keyworth mondta, élen járnak a haladásban. Az Egyesült Államoknak vissza kell szereznie fölényét a részecskefizikában,

Ugyanezen a héten a hírcsatornák jelentéseket terjesztettek egy amerikai projektről, amely egy óriási gyorsítóra irányul, amelyet a részecskefizikai kísérletek új generációjának elvégzésére terveztek. A fő költséget 2 milliárd dollárra becsülték, így ez a gyorsító a valaha épített legdrágább gép. Uncle Sam óriása, amelyhez képest még az új CERN LEP gyorsító is törpének fog tűnni, akkora, hogy Luxemburg egész állama elférne a gyűrűjében! Az óriás szupravezető mágneseket úgy tervezték, hogy intenzív mágneses mezőket hozzanak létre, amelyek egy gyűrű alakú kamra mentén irányítják a részecskék sugarát; olyan hatalmas szerkezetről van szó, hogy az új gyorsítót állítólag a sivatagban kell elhelyezni. Érdeklődnék, hogy mit gondol erről a Guardian újság szerkesztője.

Szupravezető szuperütköztető (SSC) néven ismert, de gyakrabban "de-zertron" néven emlegetik (az angol nyelvből). sivatag - sivatag. - szerk.), ez a szörnyű gép képes lesz a protonokat a nyugalmi energiánál (tömegnél) körülbelül 20 ezerszer nagyobb energiákra gyorsítani. Ezek a számok többféleképpen értelmezhetők. Maximális gyorsulás mellett a részecskék mindössze 1 km/h-val kisebb sebességgel mozognak, mint a fénysebesség – ez a legnagyobb sebesség az Univerzumban. A relativisztikus hatások olyan nagyok, hogy az egyes részecskék tömege 20 ezerszer nagyobb, mint nyugalmi állapotban. Az ilyen részecskékkel kapcsolatos rendszerben az idő annyira megnyúlik, hogy 1 s a mi vonatkoztatási rendszerünkben 5,5 órának felel meg. A kamra minden kilométere, amelyen a részecskék átsöpörnek, „úgy tűnik”, hogy csak 5,0 cm-re van összenyomva.

Milyen szélsőséges szükséglet kényszeríti az államokat arra, hogy ilyen hatalmas erőforrásokat fordítsanak az atom egyre pusztítóbb hasadására? Van-e gyakorlati haszna egy ilyen kutatásnak?

Bármi nagy tudomány természetesen nem idegen a nemzeti elsőbbségért folytatott küzdelem szellemétől. Itt is, akárcsak a művészetben vagy a sportban, itt is jólesik díjakat nyerni és globális elismerés. A részecskefizika az államhatalom egyfajta szimbólumává vált. Ha sikeresen fejlődik és kézzelfogható eredményeket hoz, akkor ez azt jelzi, hogy a tudomány, a technológia, valamint az ország gazdasága összességében alapvetően megfelelő szinten van. Ez alátámasztja a más általánosabb technológiai ágak termékeinek magas minőségébe vetett bizalmat. Létrehozni egy gyorsítót és az összes kapcsolódó berendezést, nagyon magas szint szakmaiság. Az új technológiák fejlesztése során szerzett értékes tapasztalatok váratlan és jótékony hatást gyakorolhatnak a tudományos kutatás más területeire. Például az USA-ban húsz éve folyik kutatás és fejlesztés a „desertronhoz” szükséges szupravezető mágnesekkel kapcsolatban. Közvetlen haszonnal azonban nem járnak, ezért nehezen értékelhetők. Vannak-e kézzelfoghatóbb eredmények?

Néha hallani egy másik érvet az alapkutatások mellett. A fizika körülbelül ötven évvel a technológia előtt jár. Egyik vagy másik gyakorlati alkalmazása tudományos felfedezés eleinte egyáltalán nem nyilvánvaló, de az alapvető fizika jelentős előrelépései közül néhányat nem fedeztek fel az idők során praktikus alkalmazások. Emlékezzünk Maxwell elektromágneses elméletére: megalkotója előre láthatta a modern távközlés és elektronika létrejöttét és sikerét? És Rutherford szavai, amelyek szerint az atomenergiát nem valószínű, hogy valaha is megtalálják gyakorlati használat? Megjósolható-e, hogy az elemi részecskefizika fejlődése mire vezethet, milyen új erők és új elvek fedezhetők fel, amelyek kiterjesztik a körülöttünk lévő világ megértését, és hatalmat adnak az emberek szélesebb köre felett? fizikai jelenségek. Ez pedig olyan technológiák kifejlesztéséhez vezethet, amelyek nem kevésbé forradalmi természetűek, mint a rádió- vagy az atomenergia.

A legtöbb tudományág végül talált valamilyen katonai alkalmazást. Ebből a szempontból a részecskefizika (szemben a magfizikával) eddig érinthetetlen maradt. Véletlenül Keyworth előadása egybeesett Reagan elnök vitatott, rakétaelhárító, úgynevezett sugárfegyver létrehozására irányuló projektje körüli reklámfelhajtással (ez a projekt a Strategic Defense Initiative, SDI nevű program része). Ennek a projektnek az a lényege, hogy nagy energiájú részecskenyalábokat használnak az ellenséges rakéták ellen. A részecskefizika ezen alkalmazása valóban baljóslatú.

Az uralkodó vélemény, hogy ilyen eszközök létrehozása nem kivitelezhető. Az elemi részecskefizika területén dolgozó tudósok többsége abszurdnak és természetellenesnek tartja ezeket az elképzeléseket, és élesen tiltakozik az elnök javaslata ellen. Keyworth elítélte a tudósokat, és felszólította őket, hogy "gondolják meg, milyen szerepet játszhatnak" a sugárfegyver-projektben. Keyworth felhívása a fizikusokhoz (persze pusztán véletlenül) a nagyenergiájú fizika finanszírozásával kapcsolatos szavait követte.

Szilárd meggyőződésem, hogy a nagyenergiájú fizikusoknak nem kell igazolniuk az alapkutatás szükségességét alkalmazásokra (főleg katonaira), történelmi analógokra vagy lehetséges műszaki csodákra vonatkozó homályos ígéretekre hivatkozva. A fizikusok ezeket a tanulmányokat elsősorban a világunk működésének megismerésére irányuló eltörölhetetlen vágyuk, a természet részletesebb megértésének a jegyében végzik. A részecskefizika páratlan a többi tudományág között emberi tevékenység. Az emberiség két és fél évezrede óta arra törekszik, hogy megtalálja az univerzum eredeti „építőköveit”, és most már közel járunk a végső célhoz. Óriási installációk segítenek behatolni az anyag szívébe, és kiszabadítani a természetből annak legmélyebb titkait. Új felfedezések, eddig ismeretlen technológiák váratlan alkalmazásaira számíthat az emberiség, de kiderülhet, hogy a nagyenergiájú fizika semmit sem ad a gyakorláshoz. De még egy fenséges katedrálisnak vagy koncertteremnek is kevés gyakorlati haszna van. Ezzel kapcsolatban nem lehet nem felidézni Faraday szavait, aki egyszer megjegyezte: „Mire jó egy újszülött?” A gyakorlattól távol álló emberi tevékenységtípusok, amelyek magukban foglalják az elemi részecskék fizikáját is, az emberi szellem megnyilvánulásának bizonyítékaiként szolgálnak, enélkül túlságosan anyagi és pragmatikus világunkban pusztulásra vagyunk ítélve.

Válassza ki a megfelelő izotópot. Egyes elemek vagy izotópok radioaktív bomláson mennek keresztül, és a különböző izotópok eltérően viselkedhetnek. Az urán leggyakoribb izotópja 238 atomtömegű, 92 protonból és 146 neutronból áll, de magjai jellemzően abszorbeálják a neutronokat anélkül, hogy könnyebb elemek atommagjaira szakadnának. Az urán izotópja, amelynek magja hárommal kevesebb neutront tartalmaz, 235 U, sokkal könnyebben hasad, mint 238 U, és hasadó izotópnak nevezik.

• Az urán hasadásakor három neutron szabadul fel, amelyek más uránatomokkal ütköznek, láncreakciót okozva.
• Egyes izotópok olyan könnyen és gyorsan hasadnak, hogy lehetetlen állandó nukleáris reakciót fenntartani. Ezt a jelenséget spontán, vagy spontán bomlásnak nevezik. Például a 240 Pu plutónium izotóp ilyen bomlásnak van kitéve, ellentétben a 239 Pu-val, amelynek a hasadási sebessége kisebb.

Ahhoz, hogy a reakció az első atom lebomlása után is folytatódjon, elegendő izotópot kell összegyűjteni. Ehhez szükség van egy bizonyos minimális mennyiségű hasadó izotópra, amely támogatja a reakciót. Ezt a mennyiséget nevezzük kritikus tömegnek. A kritikus tömeg eléréséhez és a bomlás valószínűségének növeléséhez elegendő mennyiségű kiindulási anyag szükséges.

Lődd át egy izotóp egyik atommagját ugyanannak az izotópnak egy másik atommagjára. Mivel a szubatomi részecskék ritkák szabad formában, gyakran el kell különíteni őket az ezeket a részecskéket tartalmazó atomoktól. Ennek egyik módja az, hogy egy izotóp egyik atomját ugyanannak az atomnak egy másik atomjára lövik.

• Ezt a módszert használták a létrehozáshoz atombomba 235 U-ból, amelyet Hirosimára ejtettek. Egy uránmaggal ellátott ágyúszerű fegyver 235 U atomot lőtt ki egy hasonló 235 U atomból álló célpontra.Az atomok elég gyorsan repültek ahhoz, hogy a belőlük felszabaduló neutronok behatoljanak a többi 235 U atom magjába, és széthassák azokat. A hasadás során pedig neutronok szabadultak fel, amelyek további 235 U atomot hasítottak fel.

Bombázd meg a hasadó izotóp magjait szubatomi részecskékkel. Egyetlen szubatomi részecske eltalálhat egy 235 U méretű atomot, és más elemek két különálló atomjára oszthatja fel, három neutront felszabadítva. A szubatomi részecskék előállíthatók ellenőrzött forrásból (például neutronágyúból) vagy atommagok ütközésével. Általában háromféle szubatomi részecskét használnak.

• Protonok. Ezek a szubatomi részecskék tömeggel és pozitív elektromos töltéssel rendelkeznek. Az atomban lévő protonok száma határozza meg, hogy melyik elem atomja.
• Neutronok. Ezek a szubatomi részecskék tömege megegyezik a proton tömegével, de semlegesek (nincs elektromos töltésük).
• Alfa részecskék. Ezek a részecskék a hélium atomok elektronmentes magjai. Két protonból és két neutronból állnak.

Nukleáris maghasadás

A stabil elemek izotópjainak felfedezése és az elemi töltés mérésének finomítása volt a háború utáni fizika (1917-1918) első vívmánya. 1919-ben újat készítettek szenzációs felfedezés- a mag mesterséges hasadása. Ezt a felfedezést Rutherford tette Cambridge-ben a Cavendish Laboratóriumban, amelyet ugyanabban az évben, 1919-ben vezetett.

Rutherford az alfa-részecskék és a könnyű atomok ütközését tanulmányozta. Az alfa-részecskék és az ilyen atomok magjainak ütközése felgyorsítja azokat. Így amikor egy alfa-részecske eltalál egy hidrogénmagot, 1,6-szorosára növeli a sebességét, és az atommag az energiájának 64%-át veszi el az alfa-részecskétől. Az ilyen felgyorsult magokat könnyen kimutatható szcintillációkkal, amelyek akkor lépnek fel, amikor egy cink-szulfid képernyőhöz érnek. Valójában Marsden figyelte meg őket 1914-ben.

Rutherford folytatta Marsden kísérleteit, de – ahogy ő maga is megjegyezte – ezeket a kísérleteket „nagyon szabálytalan időközönként végezték, ahogyan a háborúval kapcsolatos napi tevékenységek és munkák lehetővé tették...” „A kísérletek hosszú időre teljesen le is álltak”. Csak a háború befejezése után végeztek rendszeresen kísérleteket, amelyek eredményeit 1919-ben négy cikkben publikálták. gyakori név"Alfa részecskék ütközése könnyű atomokkal."

A Rutherford által az ilyen ütközések vizsgálatára használt eszköz egy 18 cm hosszú, 6 cm magas és 2 cm széles sárgaréz kamra volt, az alfa részecskék forrása egy fémkorong volt, amelyet hatóanyag. A lemezt a kamrában helyezték el, és különböző távolságokra lehetett felszerelni a cink-szulfid szitától, amelyen mikroszkóp segítségével szcintillációt figyeltek meg.

A kamra különféle gázokkal tölthető meg (lásd 78. ábra).

Rizs. 78. Dempester tömegspektrográf

Száraz oxigén vagy szén-dioxid bevezetésekor a szcintillációk száma csökkent az alfa-részecskék gázréteg általi abszorpciója miatt. „Váratlan hatást fedeztek fel azonban – írta Rutherford a negyedik cikkben –, amikor száraz levegőt vezettek a készülékbe. Csökkenés helyett a szcintillációk száma nőtt, a megközelítőleg 19 cm-es légrétegnek megfelelő abszorpció esetén számuk körülbelül 2-szerese volt a vákuumban észleltnek. Ebből a kísérletből világossá vált, hogy az a-részecskék, amikor áthaladnak a levegőn, nagy úthossznak megfelelő szcintillációkat okoznak, amelyek fényessége a szem számára megközelítőleg megegyezik a H-szcintillációk fényesével. Mivel oxigénben és szén-dioxid Ha nem figyeltek meg ilyen hatást, akkor nagy valószínűséggel azt lehetne állítani, hogy ez a hatás a nitrogénnek köszönhető.

A kamrát tiszta, alaposan szárított nitrogénnel töltöttük fel. "Tiszta nitrogénben a nagy hatótávolságú szcintillációk száma nagyobb volt, mint a levegőben." Így „a levegőben megfigyelt hosszú távú szcintillációt a nitrogénnek kell tulajdonítani”.

Meg kellett azonban mutatni, hogy a szcintillációt okozó nagy hatótávolságú alfa-részecskék „alfa-részecskék nitrogénatomokkal való ütközésének eredményei”.

Az első Millikan telepítés diagramja

Rutherford számos kísérlettel kimutatta, hogy ez valóban így van, és az ilyen ütközések eredményeként a részecskék maximális hatótávolsága 28 cm, ami megegyezik a H atomokéval. „Az eddigi eredményekből – írta Rutherford – nehéz elkerülni azt a következtetést, hogy az alfa-részecskék nitrogénnel való ütközésekor keletkező nagy hatótávolságú atomok nem nitrogénatomok, hanem minden valószínűség szerint hidrogénatomok vagy atomok. 2 tömegű "Ha ez így van, akkor arra a következtetésre kell jutnunk, hogy a nitrogénatom a gyors alfa-részecskékkel való ütközés során fellépő hatalmas erők hatására szétesik, és a felszabaduló hidrogénatom az atom szerves részét képezi."

Így felfedezték a nitrogénmagok felhasadásának jelenségét a gyors alfa részecskék becsapódása során, és először fogalmazódott meg az a gondolat, hogy a hidrogénmagok az atommagok szerves részét képezik. Rutherford ezt követően javasolta a „proton” kifejezést az atommag ezen komponensére. Rutherford a következő szavakkal fejezte be cikkét: „Az eredmények összességében azt mutatják, hogy ha alfa-részecskéket vagy hasonló, gyorsan mozgó, sokkal nagyobb energiájú részecskéket fel lehetne használni kísérletekhez, számos könnyű atom magszerkezetének pusztulását lehetne kimutatni.”

1920. június 3-án Rutherford tartotta az úgynevezett bakeri előadást „Az atommagszerkezet” címmel. Ebben az előadásban az alfa-részecskék atommagokkal való ütközésével és a nitrogénmagok hasadásával kapcsolatos kutatásainak eredményeiről számolva be, Rutherford a hasadási termékek természetét tárgyalva feltételezte a 3 tömegű atommagok létezésének lehetőségét. és 2 és atommagok, amelyek tömege egy hidrogénatommag, de nulla töltéssel. Ennek során abból a hipotézisből indult ki, amelyet először Marie Skłodowska-Curie fogalmazott meg, miszerint az atommag elektronokat tartalmaz.

Rutherford azt írja, hogy „nagyon hihetőnek tűnik számára, hogy egy elektron két H atommagot és talán még egy H atommagot is meg tud kötni. Ha az első feltevés igaz, akkor ez egy körülbelül 2 tömegű és egy töltésű atom létezésének lehetőségét jelzi. Az ilyen anyagot a hidrogén izotópjának kell tekinteni. A második feltevés magában foglalja egy 1 tömegű és nullával egyenlő magtöltésű atom létezésének lehetőségét. Az ilyen képződmények teljesen lehetségesnek tűnnek... Egy ilyen atomnak teljesen fantasztikus tulajdonságai lennének. Külső mezőjének gyakorlatilag nullának kell lennie, kivéve a maghoz nagyon közeli régiókat; ennek eredményeként képesnek kell lennie arra, hogy szabadon áthaladjon az anyagon. Egy ilyen atom létezését valószínűleg nehéz lenne spektroszkóppal kimutatni, és zárt tartályban sem lenne lehetséges. Másrészt könnyen be kell lépnie az atom szerkezetébe, és vagy egyesülnie kell az atommagjával, vagy fel kell gyorsítania az utóbbi intenzív tere, ami egy töltött H-atomot vagy elektront, vagy mindkettőt eredményez.

Így hipotézist állítottak fel egy neutron és egy nehéz hidrogénizotóp létezéséről. M. Sklodowska-Curie hipotézise alapján fejezték ki, hogy az atommagok hidrogénmagokból (protonokból) és elektronokból állnak.

Ez a fogalom azonnal megmagyarázta a jellegzetes A és Z nukleáris számokat.

Az atommag olyan jellemzői azonban, mint az A tömegszám és a Z töltés, elégtelennek bizonyultak. Még 1924-ben, a spin felfedezése előtt W. Pauli felvetette, hogy az atommagnak van egy mágneses momentuma, amely befolyásolja az orbitális elektronok mozgását, és ezáltal spektrumvonalak hiperfinom szerkezetét hozza létre. A spektrumok finomszerkezetének magyarázata a spinnel kapcsolatos jelenléttel mágneses momentumok magok a magok két típusra osztásához vezettek. A páros típusú magok, amelyek egész számú spintel rendelkeznek, engedelmeskednek a Bose statisztikáinak, a páratlan típusú magok, amelyeknek fél egész számú spinjük van, engedelmeskednek a Fermi-Dirac statisztikának. Ezért a proton-elektron elmélet szerint a páros számú elektronból és protonból álló atommagoknak engedelmeskedniük kell a Bose statisztikának, a páratlan számúaknak pedig - Fermi-Dirac statisztikának.

1930-ban kiderült, hogy a nitrogénmag engedelmeskedik a Bose statisztikáinak, bár az atommag szerkezetének proton-elektron elmélete szerint 21 részecske (14 proton, 7 elektron) alkotja. Ezt a tényt a tudományban nitrogénkatasztrófának nevezik.

Ugyanabban az évben, amikor a nitrogénkatasztrófát felfedezték, megjelentették L. Meitner és Ortmann kísérleteinek eredményeit, amelyek megerősítették Ellis és Worcester 1927-es kísérleteinek eredményeit. Ezek a kísérletek azt mutatták, hogy a (3 sugár, vastag falú mikrokaloriméterrel mérve kisebb, mint az eredeti és a végső mag energiakülönbsége, azaz a mag által a p-bomlás során kibocsátott energia egy része eltűnik, ami kirívó ellentmondást eredményez az energia megmaradás törvényével.

A nitrogénkatasztrófa problémájára és a p-spektrumok rejtvényére a megoldást a semleges részecskék – a nehéz, neutronnak nevezett és a könnyű – neutrínó, azaz a természetben való létezésének gondolata alapján adták meg. , egy kis neutron, Fermi javaslatára.

A Tompkins úr kalandjai című könyvből szerző Gamov Georgij

12. fejezet az atommag belsejében A következő előadás, amelyen Tompkins úr részt vett, az atommag belső szerkezetének, mint az atomelektronok keringésének központjának volt szentelve.. – Hölgyeim és uraim – kezdte a professzor. - Mélyebbre ásva az anyag szerkezetében, megpróbáljuk

A könyvből [előadás iskolásoknak] szerző Ivanov Igor Pierovics

Csodálatos világ az atommag belsejében

könyvből Legújabb könyv tények. 3. kötet [Fizika, kémia és technológia. Történelem és régészet. Vegyes] szerző Kondrashov Anatolij Pavlovics

A csodálatos világ az atommagban

A Neutrino - az atom kísérteties részecskéje című könyvből írta Isaac Asimov

A Fizikatörténeti kurzus című könyvből szerző Sztyepanovics Kudrjavcev Pavel

Az Interplanetary Travel [Flights to világtérés az eredmény égitestek] szerző Perelman Jakov Izidorovics

Az atommag felépítése Bár a részecske kisugárzásának kérdése végleg tisztázódottnak tűnt, mivel az elektromos töltés megmaradásának törvénye teljesült, a fizikusok tovább folytatták kutatásaikat. Rejtély maradt számukra, hogyan sugározhat ki egy pozitív töltésű atommag

Az atombomba története című könyvből írta Mania Hubert

Taszítás az atommagban 1932-re világossá vált, hogy az atommagok kizárólag protonokból és neutronokból állnak. Többtől korai elméletek, aki azzal érvelt, hogy az atommagban elektronok vannak, elutasította. Bár ez egyszerre sok problémát megoldott, felmerült egy olyan kérdés, ami eddig nem létezett

Az Asteroid-Comet Hazard: Yesterday, Today, Tomorrow című könyvből szerző Shustov Borisz Mihajlovics

A magon belüli vonzás Ha az atommagok vizsgálatánál figyelmen kívül hagyjuk a gravitációs kölcsönhatásokat, és csak az elektromágneseseket vesszük figyelembe, akkor nehéz megmagyarázni az atommag létezését. Az ezt alkotó részecskék kolosszális erők miatt nem tudtak összeállni

A Marie Curie című könyvből. A radioaktivitás és az elemek [Az anyag legjobban őrzött titka] szerző Paes Adela Muñoz

Az atommag felfedezése Vizsgáljuk meg kicsit részletesebben Rutherford egyik alapvető felfedezését – az atommag felfedezését és az atom bolygómodelljét. Láttuk, hogy az atomot bolygórendszerhez hasonlították a 20. század legelején. De ez a modell nehéz volt

A szerző könyvéből

Az atommag proton-neutron modellje 1932. május 28 szovjet fizikus D. D. Ivanenko a Nature-ben tett közzé egy megjegyzést, amelyben azt javasolta, hogy a neutron a protonnal együtt az atommag szerkezeti eleme. Rámutatott, hogy egy ilyen hipotézis megoldja a nitrogénkatasztrófa problémáját. BAN BEN

A szerző könyvéből

Inside the Core Ez a példátlan utazás a Jules Vernov Core utasai számára nem lesz olyan békés és virágzó, mint a regényben leírtak. Ne gondolja azonban, hogy veszély fenyegeti őket a Földről a Holdra való utazás során. Egyáltalán nem! Ha sikerült addig életben maradniuk

A szerző könyvéből

A VIII. fejezethez 6. Nyomás az ágyúgolyóban Azoknak az olvasóknak, akik szeretnék ellenőrizni a 65. oldalon említett számításokat, itt bemutatjuk ezeket az egyszerű számításokat. a végén

A szerző könyvéből

A szerző könyvéből

4.2. A B mag fizikai jellemzői, szerkezete elmúlt évtizedben az üstökösökről és a rajtuk zajló folyamatokról szóló ismereteink jelentősen bővültek. Az üstökösök iránti érdeklődés meredek növekedését a nemzetközi tér előkészítése és megtartása segítette elő

A szerző könyvéből

RUTHERFORD ÉS AZ ATOMMAG FELFEDEZÉSE Mi történt valakivel, aki fiatalkorában jó rögbijátékos volt, és aztán mindenki más előtt rájött, hogy az atom elbomolhat? Ernest Rutherford 1907 januárjában, valamivel halála után vetett véget amerikai „száműzetésének”.