Як цей процес був відкритий та описаний. Розкривається його застосування як джерело енергії та ядерної зброї.

"Неподільний" атом

Двадцять перше століття рясніє такими висловлюваннями, як «енергія атома», «ядерні технології», «радіоактивні відходи». Раз у раз у газетних заголовкахмиготять повідомлення про можливість радіоактивного забруднення ґрунту, океанів, льодів Антарктики. Однак звичайна людина часто не дуже добре собі уявляє, що це за галузь науки і як вона допомагає в повсякденному житті. Почати варто, мабуть, із історії. З самого першого питання, яке задавала ситий і одягнений чоловік, його цікавило, як влаштований світ. Як бачить око, чому чує вухо, чим вода відрізняється від каменю – ось що здавна хвилювало мудреців. Ще в стародавньої Індіїі Греції деякі допитливі уми припустили, що існує мінімальна частка (її ще називали «неподільною»), що має властивості матеріалу. Середньовічні хіміки підтвердили здогад мудреців, і сучасне визначення атома таке: атом - це найменша частка речовини, яка є носієм його властивостей.

Частини атома

Однак розвиток технології (зокрема, фотографії) призвело до того, що атом перестав вважатися найменшою можливою частинкою речовини. І хоча окремо взятий атом електронейтральний, вчені досить швидко зрозуміли: він складається з двох частин із різними зарядами. Кількість позитивно заряджених частин компенсує кількість негативних, отже, атом залишається нейтральним. Але однозначної моделі атома немає. Оскільки у період все ще панувала класична фізика, то висловлювалися різні припущення.

Моделі атома

Спочатку було запропоновано модель «булка із ізюмом». Позитивний заряд хіба що заповнював собою весь простір атома, й у ньому, як родзинки у булці, розподілялися негативні заряди. Знаменитий визначив таке: у центрі атома розташований дуже важкий елементз позитивним зарядом (ядро), а навколо розташовуються значно легші електрони. Маса ядра в сотні разів важча за суму всіх електронів (воно становить 99,9 відсотків від маси всього атома). Таким чином народилася планетарна модель атома Бора. Однак деякі з її елементів суперечили прийнятій на той момент класичній фізиці. Тому було розроблено нову, квантову механіку. З її появою розпочався некласичний період науки.

Атом та радіоактивність

Зі всього сказаного вище стає зрозуміло, що ядро ​​- це важка, позитивно заряджена частина атома, яка становить його основну масу. Коли і положення електронів на орбіті атома були добре вивчені, настав час зрозуміти природу атомного ядра. На допомогу прийшла геніальна та несподівано відкрита радіоактивність. Вона допомогла розкрити сутність важкої центральної частини атома, оскільки джерело радіоактивності – розподіл ядер. На рубежі дев'ятнадцятого та двадцятого сторіччя, відкриття сипалися одне за одним. Теоретичне рішення однієї задачі викликало необхідність ставити нові досліди. Результати експериментів породжували теорії та гіпотези, які потрібно підтвердити або спростувати. Найчастіше найбільші відкриттяз'являлися просто тому, що саме таким чином формула ставала зручною для обчислень (наприклад, квант Макса Планка). Ще на початку ери фотографії вчені знали: уранові солі засвічують світлочутливу плівку, але вони не підозрювали, що в основі цього явища лежить поділ ядер. Тому радіоактивність вивчали, аби зрозуміти природу розпаду ядра. Вочевидь, що випромінювання породжувалися квантовими переходамиале було не до кінця зрозуміло, якими саме. Подружжя Кюрі добувала чисті радій та полоній, обробляючи практично вручну. уранову руду, щоб отримати відповідь на це запитання.

Заряд радіоактивного випромінювання

Резерфорд багато зробив вивчення будови атома і зробив внесок у дослідження того, як відбувається розподіл ядра атома. Вчений помістив випромінювання, що виділяється радіоактивним елементом, магнітне поле і отримав приголомшливий результат. Виявилося, що радіація складається з трьох компонентів: одна була нейтральною, а дві інші – позитивно та негативно зарядженими. Вивчення розподілу ядра почалося з визначення його складових. Доведено, що ядро ​​може ділитися, віддавати частину свого позитивного заряду.

Будова ядра

Пізніше з'ясувалося, що атомне ядро ​​складається не тільки з позитивно заряджених протонів частинок, але і нейтральних частинок нейтронів. Всі разом вони називаються нуклонами (від англійської "nucleus", ядро). Проте вчені знову наштовхнулися на проблему: маса ядра (тобто кількість нуклонів) не завжди відповідала його заряду. Водень ядро ​​має заряд +1, а маса може бути і три, і два, і один. У наступного його у періодичної таблиці гелію заряд ядра +2, у своїй його ядро ​​містить від 4 до 6 нуклонів. Більше складні елементиможуть мати набагато більше різних мас при одному і тому ж заряді. Такі варіації атомів називають ізотопами. Причому деякі ізотопи виявилися цілком стійкими, інші ж швидко розпадалися, тому що для них характерно було поділ ядер. Якому принципу відповідала кількість нуклонів стійкості ядер? Чому додавання лише одного нейтрону до важкого і цілком стабільного ядру призводило до його розколу, виділення радіоактивності? Як не дивно, відповіді на це важливе питання досі не знайдено. Досвідченим шляхом з'ясувалося, що певною кількістю протонів та нейтронів відповідають стійкі зміни атомних ядер. Якщо в ядрі 2, 4, 8, 50 нейтронів та/або протонів, то ядро ​​однозначно буде стійким. Ці числа навіть називають магічними (і назвали їх дорослі вчені, ядерні фізики). Таким чином, розподіл ядер залежить від їх маси, тобто від кількості нуклонів, що входять до них.

Крапля, оболонка, кристал

Визначити фактор, який відповідає за стійкість ядра, Наразіне вдалося. Існує безліч теорій моделі Три найзнаменитіші та розроблені найчастіше суперечать один одному в різних питаннях. Згідно з першою, ядро ​​– це крапля спеціальної ядерної рідини. Як і для води, для нього характерні плинність, поверхневий натяг, злиття та розпад. У оболонковій моделі в ядрі теж є деякі рівні енергії, які заповнюються нуклонами. Третя стверджує, що ядро ​​- середовище, яке здатне заломлювати особливі хвилі (дебройлівські), при цьому коефіцієнт заломлення - це Проте жодна модель поки що не змогла повною мірою описати, чому за певної критичної маси саме цього хімічного елемента починається розщеплення ядра.

Яким буває розпад

Радіоактивність, як було зазначено вище, було виявлено у речовинах, які можна знайти у природі: урані, полонії, радії. Наприклад, щойно здобутий чистий уран радіоактивний. Процес розщеплення у разі буде спонтанним. Без будь-яких зовнішніх впливів певна кількість атомів урану випустить альфа-частинки, мимоволі перетворившись на торій. Є показник, який називається періодом напіврозпаду. Він показує, який проміжок часу від початкового числа частини залишиться приблизно половина. Для кожного радіоактивного елемента період напіврозпаду свій - від часток секунди для каліфорнію до сотень тисяч років для урану та цезію. Але існує й вимушена радіоактивність. Якщо ядра атомів бомбардувати протонами чи альфа-частинками (ядрами гелію) з високою кінетичною енергією, вони можуть «розколотися». Механізм перетворення, звичайно, відрізняється від того, як розбивається улюблена мамина ваза. Проте якась аналогія простежується.

Енергія атома

Поки що ми не відповіли на питання практичного характеру: звідки при розподілі ядра береться енергія. Для початку треба пояснити, що при утворенні ядра діють спеціальні ядерні сили, які називаються сильною взаємодією. Оскільки ядро ​​складається з безлічі позитивних протонів, залишається питання, як вони тримаються разом, адже електростатичні сили мають досить сильно відштовхувати їх одна від одної. Відповідь одночасно і проста, і ні: ядро ​​тримається за рахунок дуже швидкого обміну між нуклонами особливими частинками – пі-мезонами. Цей зв'язок живе неймовірно мало. Як тільки припиняється обмін пі-мезон, ядро ​​розпадається. Також точно відомо, що маса ядра менша за суму всіх складових його нуклонів. Цей феномен отримав назву дефекту мас. Фактично недостатня маса - це енергія, яка витрачається підтримки цілісності ядра. Як тільки від ядра атома відокремлюється якась частина, ця енергія виділяється і на атомних електростанціях перетворюється на тепло. Тобто енергія розподілу ядра – це наочна демонстрація знаменитої формули Ейнштейна. Нагадаємо, формула говорить: енергія і маса можуть перетворюватися один на одного (E=mc 2).

Теорія та практика

Тепер розповімо, як це суто теоретичне відкриття використовується у житті для отримання гігават електроенергії. По-перше, слід зазначити, що у керованих реакціях використовується вимушене розподіл ядер. Найчастіше це уран чи полоній, які бомбардуються швидкими нейтронами. По-друге, не можна не розуміти, що розподіл ядер супроводжується створенням нових нейтронів. В результаті кількість нейтронів у зоні реакції здатна наростати дуже швидко. Кожен нейтрон стикається з новими ще цілими ядрами, розщеплює їх, що призводить до зростання виділення тепла. Це і є ланцюгова реакція поділу ядер. Неконтрольоване зростання кількості нейтронів у реакторі здатне призвести до вибуху. Саме це і сталося у 1986 році на Чорнобильської АЕС. Тому в зоні реакції завжди є речовина, яка поглинає зайві нейтрони, запобігаючи катастрофі. Це графіт у формі довгих стрижнів. Швидкість поділу ядер можна уповільнити, занурюючи стрижні в зону реакції. Рівняння складається безпосередньо для кожної діючої радіоактивної речовини і бомбардуючих її частинок (електрони, протони, альфа-частинки). Однак кінцевий вихід енергії підраховується згідно із законом збереження: Е1+Е2=Е3+Е4. Тобто повна енергія вихідного ядра і частинки (Е1+Е2) має дорівнювати енергії ядра, що вийшло, і виділилася у вільному вигляді енергії (Е3+Е4). Рівняння ядерної реакції також показує, яка речовина у результаті розпаду. Наприклад, для урану U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Тут не наведено ізотопів хімічних елементів, проте це важливо. Наприклад, існує цілих три можливості поділу урану, при яких утворюються різні ізотопи свинцю та неону. Майже у ста відсотках випадків реакція поділу ядра дає радіоактивні ізотопи. Тобто під час розпаду урану виходить радіоактивний торій. Торій здатний розпастися до протактінія, той - до актинія, і таке інше. Радіоактивними в цьому ряду можуть бути і вісмути, і титан. Навіть водень, що містить у ядрі два протони (при нормі один протон), називається інакше – дейтерій. Вода, утворена з таким воднем, називається важкою та заповнює перший контур у ядерних реакторах.

Немирний атом

Такі висловлювання, як «гонка озброєнь», « холодна війна», «Ядерна загроза» сучасній людиніможуть здатися історичними та неактуальними. Але колись кожен випуск новин майже в усьому світі супроводжувався репортажами про те, скільки винайдено видів ядерної зброї і як треба з цим боротися. Люди будували підземні бункери та робили запаси на випадок ядерної зими. Цілі сім'ї працювали створення притулку. Навіть мирне використання реакцій поділу ядер може призвести до катастрофи. Здавалося б, Чорнобиль навчив людство акуратності у цій сфері, але стихія планети виявилася сильнішою: землетрус у Японії пошкодив надійні зміцнення АЕС «Фукусіма». Енергію ядерної реакції використовуватиме руйнування набагато легше. Технологам необхідно лише обмежити силу вибуху, щоб не зруйнувати ненароком усю планету. Найгуманніші бомби, якщо їх можна так назвати, не забруднюють околиці радіацією. Загалом найчастіше вони використовують неконтрольовану ланцюгову реакцію. Те, чого на атомних електростанціях прагнуть усіма силами уникнути, у бомбах домагаються вельми примітивним способом. Для будь-якого природно радіоактивного елемента існує певна критична маса чистої речовини, У якому ланцюгова реакція зароджується сама собою. Для урану, наприклад, це лише п'ятдесят кілограмів. Так як уран дуже важкий, це лише невелика металева кулька 12-15 сантиметрів у діаметрі. Перші атомні бомби, скинуті на Хіросіму та Нагасакі, були зроблені саме за таким принципом: дві нерівні частини чистого урану просто з'єднувалися та породжували жахливий вибух. Сучасна зброя, ймовірно, складніша. Однак про критичну масу не слід забувати: між невеликими обсягами чистої радіоактивної речовини при зберіганні повинні бути перешкоди, що не дозволяють з'єднатися частинам.

Джерела радіації

Усі елементи із зарядом атомного ядра більше 82 радіоактивні. Майже все легші хімічні елементи мають радіоактивні ізотопи. Чим важче ядро, тим менший його час життя. Деякі елементи (типу каліфорнію) можна видобути лише штучним шляхом - зіштовхуючи важкі атоми з легшими частинками, найчастіше на прискорювачах. Так як вони дуже нестабільні, земної кориїх немає: для формування планети вони дуже швидко розпалися інші елементи. Речовини з легшими ядрами, наприклад, уран, цілком можна видобувати. Процес цей довгий, придатного до видобутку урану, навіть у дуже багатих рудах міститься менше одного відсотка. Третій шлях, мабуть, свідчить про те, що нова геологічна епоха вже розпочалася. Це видобуток радіоактивних елементів із радіоактивних відходів. Після відпрацювання палива на електростанції, на підводному човні або авіаносці, виходить суміш вихідного урану та кінцевої речовини, результату поділу. На даний момент це вважається твердим радіоактивними відходамиі стоїть гостре питання, як їх зберігати так, щоб вони не забруднили навколишнє середовище. Однак є ймовірність, що в недалекому майбутньому вже готові концентровані радіоактивні речовини(наприклад, полоній), видобуватимуть із цих відходів.

26 листопада 1894 р. У Санкт-Петербурзі відбулося одруження російського царя Миколи II та німецької принцеси Аліси Гессен-Дармштадтської. Після вінчання дружина імператора прийняла православну вірута отримала ім'я Олександра Федорівна.

27 листопада 1967 р. У московському кінотеатрі "Мир" пройшла прем'єра першого радянського трилера "Вій". Головні ролі зіграли Леонід Куравльов та Наталія Варлей. Зйомки проходили в Івано-Франківській області та селищі Седнів на Чернігівщині.

28 листопада 1942 р. радянський Союзуклав угоду з Францією про спільну боротьбу з фашистською Німеччиною у небі. Перша французька авіаційна ескадрилья «Нормандія-Німан» складалася з 14 льотчиків та 17 технічних працівників.

29 листопада 1812 р.Розгромлено армію Наполеона під час переправи через річку Березина. Наполеон втратив близько 35 тисяч жителів. Втрати російських військ, згідно з написом на 25-й стіні галереї військової слави Храму Христа Спасителя, склали 4 тисячі солдатів. Майже 10 тисяч французів було взято в полон російським генералом Петром Вітгенштейном.

1 грудня 1877 р.У селі Марківка Вінницької області народився Микола Леонтович, український композитор, хоровий диригент, автор пісень «Дударік», «Козака несуть», «Мала мати одну доньку», «Щедрик» (пісня відома на Заході як різдвяна колядка дзвіночків («Carol of the Bells»).

1 грудня 1991 р. Відбувся всеукраїнський референдум щодо державної незалежності України. Першим президентом країни обрано Леоніда Кравчука.

2 грудня 1942 р. Фізик Енріко Фермі з групою американських учених з Чикагського університету здійснив контрольовану ядерну реакцію, вперше розщепивши атом.

1 грудня 1992 року у міжнародній базі даних зареєстровано український домен UA

Серед колишніх радянських республікУкраїна стала першою країною, яка 1 грудня 1992 року здобула національний домен в інтернеті. Росія пройшла реєстрацію пізніше: домен RU з'явився 7 квітня 1994 року. У тому ж році свої домени отримали Республіка Білорусь – BY, Вірменія – AM та Казахстан – KZ. А першим національним доменом в історії інтернету став американський US, він був зареєстрований у березні 1985 року. Тоді ж з'явилися домени Великобританії – UK та Ізраїлю – IL. Створення доменної системи дозволяло за назвою сайту одразу розуміти, де він розташований.

У січні 1993 року на конференції українських інтернет-фахівців у селищі Славське Львівської області було запропоновано 27 доменів, створених за географічним принципом, обраним за кодом телефонної нумерації. Українські міста та підприємства отримали можливість створювати свої сайти в інтернеті, наприклад, kiev.ua, crimea.ua, dnepropetrovsk.ua. Усі обов'язки щодо їх адміністрування, як і раніше, виконувались фізичними особами на громадських засадах. У деяких публічних доменах така практика збереглася досі. Зараз у кожного національного чи географічного домену є свій адміністратор – компанія чи фізична особа, яка визначає правила реєстрації. Згодом інтернет породив свою версію мови. Доменне ім'я, яке закінчується абревіатурою COM, NET, EDU означає скорочення загального поняття. Наприклад, COM – комерційний, NET – мережевий, EDU – освітній. У нашій країні найпопулярнішим є домен COM. Навесні 2001 року з метою наведення порядку нарешті було створено юридичну особу ТОВ «Хостмайстер», куди увійшли адміністратори UA та інших українських доменів. Фізичні особи, колишні власники українського домену UA, офіційно передали «Хостмайстру» частину повноважень.

Створити власний сайт та отримати домен зараз може кожен. Перший етап, на якому реєструвати домени в зоні UA могли лише власники торгових марок, закінчився. З 2010 року доступна вільна реєстрація домену терміном на десять років для будь-кого, ціна використання домену на один рік становить 90 гривень. До речі, першим передбачив інтернет письменник, філософ та громадський діячХІХ століття Володимир Одоєвський. У романі «4338-й рік», виданому 1837 року, Одоєвський писав: « Між знайомими будинками влаштовані магнетичні телеграфи, за допомогою яких ті, хто живе на далекій відстані, спілкуються один з одним.». Зараз, відкриваючи сайт в інтернеті, не виходячи з дому, кожен з нас може купити авіа- та залізничний квиток, здійснити покупки в супермаркеті електроніки, опублікувати свої твори без посередників та навіть знайти супутника життя на сайті знайомств. Двадцятирічні важко уявити собі епоху, коли за книгами йшли до бібліотеки, листи писали від руки, а новини дізнавалися лише з телевізійних програм чи друкованих видань.

6. Світ субатомних частинок

Розщеплення атома

Часто кажуть, що існують два види наук – великі науки та малі. Розщеплення атома – велика наука. Вона має в своєму розпорядженні гігантські експериментальні установки, колосальні бюджети і отримує левову частку Нобелівських премій.

Навіщо фізикам знадобилося розщеплювати атом? Проста відповідь – щоб зрозуміти, як влаштований атом, – містить лише частку істини, але є й загальніша причина. Говорити буквально про розщеплення атома не зовсім правильно. В дійсності мова йдепро зіткнення часток високої енергії При зіткненні субатомних частинок, які з великими швидкостями, відбувається народження нового світу взаємодій і полів. Осколки матерії, що несуть величезну анергію, що розлітаються після зіткнень, таять у собі секрети природи, які від "створення світу" залишалися похованими в надрах атома.

Установки, на яких здійснюється зіткнення частинок високих енергій, - прискорювачі частинок - вражають своїми розмірами та вартістю. Вони досягають кількох кілометрів у поперечнику, і в порівнянні з ними навіть лабораторії, в яких вивчаються зіткнення частинок, здаються крихітними. В інших областяхобладнання розміщується у лабораторії, у фізиці високих енергій лабораторії прилаштовуються до прискорювача. Нещодавно Європейський центр ядерних досліджень (ЦЕРН), розташований неподалік Женеви, виділив кілька сотень мільйонів доларів на будівництво кільцевого прискорювача. Довжина кола спорудженого для цієї мети тунелю досягає 27 км. Прискорювач, який отримав назву ЛЕП (LEP, Large Electron-Positron ring - велике електрон-позитронне кільце), призначений для прискорення електронів та їх античастинок (позитронів) до швидкостей, лише "на волосок", що відрізняються від швидкості світла. Щоб мати уявлення про масштаби енергії, уявимо, що замість електронів до таких швидкостей монета розганяється гідністю в один пенні. Наприкінці циклу прискорення вона мала б енергію, достатню для виробництва електроенергії на суму 1000 млн. дол.! Не дивно, що такі експерименти прийнято відносити до фізики "високих енергій". Рухаючись усередині кільця назустріч один одному, пучки електронів і позитронів зазнають лобових зіткнень, при яких електрони та позитрони анігілюють, вивільняючи енергію, достатню для народження десятків інших частинок.

Що це за частки? Деякі з них - ті самі "цеглинки", з яких побудовані ми з вами: протони і нейтрони, що складають атомні ядра, і електрони, що обертаються навколо ядер. Інші частки зазвичай в навколишній речовині не зустрічаються: їх вік надзвичайно короткий, і після закінчення вони розпадаються на звичайні частинки.

Число різновидів таких нестабільних короткоживучих частинок разюче: їх відомо вже кілька сотень. Подібно до зірок, нестабільні частинки занадто численні, щоб їх розрізняти "за іменами". Багато з них позначені лише грецькими літерами, а деякі – просто числами. Важливо мати на увазі, що всі ці численні та різноманітні нестабільні частинки аж ніяк не є у прямому розумінніскладовими частинами

Років двадцять тому фізики були зовсім спантеличені численністю і різноманітністю нових субатомних частинок, яким, здавалося, не буде кінця. Неможливо було зрозуміти, для чогостільки частинок. Можливо, елементарні частинки подібні до мешканців зоопарку з їх неявно вираженою приналежністю до сімейств, але без будь-якої чіткої систематики. Чи, можливо, як вважали деякі оптимісти, елементарні частинки таять у собі ключ до Всесвіту? Що таке спостерігаються фізиками частинки: малозначні і випадкові уламки матерії або обриси, що виникають на наших очах, смутно відчувається порядку, що вказує на існування багатої і складної структури суб'ядерного світу? Нині у існуванні такої структури немає жодних сумнівів.

Мікросвіт притаманний глибокий і раціональний порядок, і ми починаємо розуміти, яке значення всіх цих частинок.

Перший крок до розуміння мікросвіту було зроблено в результаті систематизації всіх відомих частинок, подібно до того, як у XVIII ст. біологи складали найдокладніші каталоги видів рослин та тварин. До найважливіших характеристик субатомних частинок ставляться маса, електричний заряд і спин. Оскільки маса та вага пов'язані між собою, частинки з великою масою часто називають "важкими". Співвідношення ЕйнштейнаЕ =mc^ 2 вказує, що маса частки залежить від її енергії та, отже, від швидкості. Частка, що рухається, важча від спокою.Коли говорять про масу частки, мають на увазі її

масу спокою,

оскільки ця маса залежить від стану руху. Частка, що має нульову масу спокою, рухається зі швидкістю світла. Найбільш очевидний приклад частки з нульовою масою спокою – фотон. Вважається, що електрон – найлегша з частинок із ненульовою масою спокою. /2. Протон і нейтрон майже в 2000 разів важчі, тоді як маса найважчої частки, яку вдалося створити в лабораторії (Z-частинки), приблизно в 200 000 разів більша за масу електрона. 1/2, а спин фотона дорівнює 1. Відомі також частинки зі спином 0, 3/2 і 2. Фундаментальних частинок зі спином більше 2 не виявлено, і теоретики вважають, що частинок з такими спинами немає.

Спин частинки - важлива характеристика, і залежно від його величини всі частки поділяються на два класи. Частинки зі спинами 0, 1 і 2 називаються "бозонами" - на честь індійського фізика Чатьендраната Бозе, а частинки з напівцілим спином (тобто зі спином 1/2 або 3/2 - "ферміонами" на честь Енріко Фермі. Приналежність до одного з цих двох класів є, ймовірно, найважливішою у переліку характеристик частинки.

Інша важлива характеристика частки – її час життя. Донедавна вважалося, що електрони, протони, фотони та нейтрино абсолютно стабільні, тобто. мають нескінченно велику пору життя. Нейтрон залишається стабільним, поки він "замкнений" у ядрі, але вільний нейтрон розпадається приблизно за 15 хв. Всі інші відомі частинки в вищого ступенянестабільні, їх часи життя коливаються не більше від кількох мікросекунд до 10-23 з. Такі інтервали часу здаються незбагненно малими, проте не слід забувати, що частка, що летить зі швидкістю, близькою до швидкості світла (а більшість частинок, що народжуються на прискорювачах, рухаються саме з такими швидкостями), встигає пролетіти за мікросекунду відстань 300 м.

Нестабільні частинки зазнають розпаду, що є квантовим процесом, і тому в розпаді завжди є елемент непередбачуваності.

Тривалість життя конкретної частки неможливо передбачити заздалегідь. За підсумками статистичних міркувань можна передбачити лише середній час життя. Зазвичай говорять про період напіврозпаду частки - часу, протягом якого населення тотожних частинок скорочується наполовину. Експеримент показує, що зменшення чисельності популяції відбувається за експонентом (див. рис. 6) та період напіврозпаду становить 0,693 від середнього часу життя. Фізикам недостатньо знати, що чи інша частка існує - вони прагнуть зрозуміти, яка її роль. Відповідь це питання залежить від перерахованих вище властивостей частинок, і навіть відхарактеру сил , що діють на частинку ззовні та всередині неї. Насамперед властивості частки визначаються її здатністю (або нездатністю) брати участь у сильній взаємодії. Частинки, що беруть участь у сильній взаємодії, утворюють особливий клас і називаютьсяандронами. Частинки, що беруть участь у слабкій взаємодії і не беруть участь у сильній, називаютьсящо означає "легкі". Познайомимося коротко з кожним із цих сімейств.

Лептони

Найбільш відомий із лептонів електрон. Подібно до всіх лептонів, він, мабуть, є елементарним, точковим об'єктом. Наскільки відомо, електрон немає внутрішньої структури, тобто. не складається з якихось інших частинок. Хоча лептони можуть мати електричний заряд, а можуть і не мати, спин у всіх у них дорівнює 1/2, отже, вони належать до ферміонів.

Інший добре відомий лептон, але вже без заряду – це нейтрино. Як мовилося раніше в гол. 2, нейтрино невловимі, ​​наче привиди.Так як нейтрино не беруть участь ні в сильній, ні в електромагнітній взаємодії, вони майже повністю ігнорують речовину, проникаючи через неї, ніби її взагалі немає. Висока проникаюча здатність нейтрино довгий час дуже ускладнювала експериментальне підтвердження існування. Лише майже три десятиліття після передбачення нейтрино вони були, нарешті, виявлено в лабораторії. Фізикам довелося чекати на створення ядерних реакторів, при роботі яких випускається велика кількістьнейтрино, і лише тоді вдалося зареєструвати лобове зіткнення однієї частинки з ядром і тим самим довести, що вона справді існує. Сьогодні вдається здійснити значно більше експериментів з пучками нейтрино, які виникають при розпаді частинок на прискорювачі і мають потрібні характеристики. Переважна більшість нейтрино "ігнорує" мішень, але іноді нейтрино все ж таки взаємодіють з мішенню, що дозволяє отримати

Незважаючи на їх невловимість, нейтрино займають особливе становище серед інших відомих частинок, оскільки є найбільш поширеними частинками Всесвіту, перевищуючи за чисельністю електрони і протони в мільярд разів. Всесвіт по суті є морем нейтрино, в якому зрідка зустрічаються вкраплення у вигляді атомів. Цілком можливо навіть, що загальна маса нейтрино перевищує сумарну масу зірок, і тому саме нейтрино роблять основний внесок у космічну гравітацію. Згідно з даними групи радянських дослідників, нейтрино має крихітну, але не нульову масу спокою (менше однієї десятитисячної маси електрона); якщо це дійсно так, то гравітаційне нейтрино переважають у Всесвіті, що в майбутньому може спричинити його колапс. Так, нейтрино, на перший погляд найбільш "нешкідливі" і безтілесні частинки, здатні викликати аварію всього Всесвіту.

Серед інших лептонів слід назвати мюон, відкритий 1936 р. у продуктах взаємодії космічних променів; він виявився однією з перших відомих нестабільних субатомних частинок. У всіх відносинах, крім стабільності, мюон нагадує електрон: має той самий заряд і спин, бере участь у тих самих взаємодіях, але має велику масу.

Приблизно за дві мільйонні частки секунди мюон розпадається на електрон та два нейтрино. Мюони широко поширені у природі, їх частку припадає значна частина фонового космічного випромінювання, яке реєструється лежить на поверхні Землі лічильником Гейгера.

Довгі роки електрон та мюон залишалися єдиними відомими зарядженими лептонами. Потім наприкінці 70-х років було виявлено третій заряджений лептон, який отримав назву "тау-лептон". При масі близько 3500 мас електрона тау-лептон свідомо є "важкоатлетом" в тріо заряджених лептонів, але у всьому іншому він поводиться подібно до електрона і мюона. Цим список відомих лептонів аж ніяк не вичерпується. У 60-х роках було встановлено, що є кілька типів нейтрино.різновидів нейтрино дорівнює трьом, а загальна кількість лептонів – шести (табл. 1). Зрозуміло, кожен лептон має свою античастинку; таким чином, загальна кількість різних лептонів дорівнює дванадцяти.

Таблиця 1

Шість лептонів відповідають зарядженим та нейтральним модифікаціям (античастинки в таблицю не включені). Маса і заряд виражені в одиницях відповідно до маси і заряду електрона. Є дані, що свідчать про те, що нейтрино можуть мати невелику масу

Адрони

На відміну від жменьки відомих лептонів адронів, існує буквально сотні. Лише це наводить на думку, що адрони - не елементарні частинки, а побудовані з дрібніших складових.

Усі адрони беруть участь у сильній, слабкій та гравітаційній взаємодіях, але зустрічаються у двох різновидах - електрично заряджені та нейтральні. Серед адронів найбільш відомі та широко поширені нейтрон і протон. Інші адрони короткоживучі і розпадаються або менш ніж за одну мільйонну секунди за рахунок слабкої взаємодії, або набагато швидше (за час порядку 10-23 с) - за рахунок сильної взаємодії.

У 50-х роках фізиків вкрай здивували чисельність та різноманітність адронів. Але помалу частки вдалося класифікувати за трьома важливими характеристиками: масою, зарядом і спиною. Поступово почали з'являтися ознаки порядку та вибудовуватись чітка картина. З'явилися натяки на те, що за хаосом даних, що здається, ховаються симетрії. Вирішальний крок у розкритті таємниці адронів було зроблено 1963 р., коли Маррі Гелл-Манн і Джордж Цвейг із Каліфорнійського технологічного інституту запропонували теорію кварків.

Рис.10 Адрони збудовані з кварків. Протон (вгорі) складається з двох u-кварків та одного d-кварка. Більш легкий півонія (внизу) - це мезон, що складається з одного u-кварка та одного d-антикварка. Інші адрони є всілякими комбінаціями кварків.Основна ідея цієї теорії є дуже простою. Усі адрони побудовані з дрібніших частинок, які називають кварками. Кварки можуть з'єднуватися один з одним одним із двох можливих способів: або трійками, або парами кварк-антиквар. З трьох кварків складаються порівняно важкі частки. баріони,"проміжні частки". Вибір такої назви пояснюється тим, що перші виявлені мезони займали за масою проміжне положення між електронами та протонами. Щоб врахувати всі відомі тоді адрони, Гелл-Манн і Цвейг запровадили три різних типу ("аромату") кварків, які отримали досить химерні назви: і(від up -верхній), d(від down -нижній) та s (від strange- Дивний). Допускаючи можливість різноманітних комбінацій ароматів, можна пояснити існування великої кількостіадронів. Наприклад, протон складається з двох і-та одного d-кварків (рис, 10), а нейтрон - з двох d-кварків та одного u-кварка.

Щоб запропонована Гелл-Манном і Цвейгом теорія виявилася дієвою, необхідно припустити, що кварки мають дробовий електричний заряд. Інакше кажучи, вони мають заряд, величина якого становить або 1/3, або 2/3 фундаментальної одиниці - заряду електрона. Комбінація з двох і трьох кварків може мати сумарний заряд, що дорівнює нулю або одиниці. Усі кварки мають спін 1/2. тому вони належать до ферміонів. Маси кварків не встановлені настільки точно, як маси інших частинок, оскільки енергія зв'язку їх у адроні можна порівняти з масами самих кварків. Однак відомо, що s-кварк важчий і-та d-кварків.

Усередині адронів кварки можуть перебувати у збуджених станах, багато в чому подібних до збуджених станів атома, але зі значно більшими енергіями. Надлишок енергії, укладений у збудженому адроні, настільки збільшує його масу, що до створення теорії кварків фізики помилково приймали збуджені адрони за зовсім інші частки. Нині встановлено, що багато з адронів, що здавалися різними, насправді являють собою лише збуджені стани одного і того ж фундаментального набору кварків.

Як мовилося раніше в гол. 5, кварки скріплюються між собою сильною взаємодією. Але вони беруть участь і у слабкій взаємодії.

Існування s-кварків необхідне побудови про " дивних " частинок - важких адронів, відкритих на початку 50-х. і-Незвичайна поведінка цих частинок, що підказала їхню назву, полягало в тому, що вони не могли розпадатися за рахунок сильної взаємодії, хоча як самі, так і продукти їхнього розпаду були адронами.

Фізики ламали голову над тим, чому, якщо і материнські, і дочірні частки належать до сімейства адронів, сильна взаємодія не викликає їхнього розпаду. З якоїсь причини ці адрони "надавали перевагу" набагато менш інтенсивній слабкій взаємодії. Чому? Теорія кварків природно вирішила цю загадку. Сильна взаємодія не може змінювати аромат кварків - на це здатна лише слабка взаємодія. А без зміни аромату, що супроводжується перетворенням s-кварка на

або d-кварки, розпад неможливий. У табл. 2 представлені різні можливі комбінації кварків з трьома ароматами та зазначені їх назви (зазвичай просто грецька літера). Численні збуджені стани не наведені. Те, що з різних комбінацій трьох основних частинок можна отримати всі відомі адрони, символізувало головний тріумф теорії кварків. Але незважаючи на цей успіх, лише за кілька років вдалося отримати прямі фізичні докази існування кварків..

Ці докази були отримані у 1969 р. у серії історичних експериментів, проведених на великому лінійному прискорювачі у Станфорді (Каліфорнія, США) – СЛАК. Станфордські експериментатори міркували просто. Якщо в протоні справді існують кварки, можна спостерігати зіткнення з цими частинками всередині протона. Потрібний лише суб'ядерний "снаряд", який можна було б спрямувати прямо в надра протона. Використовувати для цієї мети інший адрон марно, оскільки він має такі самі розміри, як і протон. Ідеальним снарядом міг би стати лептон, наприклад, електрон. Так як електрон не бере участі в сильній взаємодії, він не "ув'язне" в середовищі, яке утворюють кварки. Водночас електрон може відчути присутність кварків завдяки наявності у них

електричного заряду

У станфордському експерименті трикілометровий прискорювач по суті виконував роль гігантського електронного мікроскопа, який дозволив отримати зображення нутрощі протона. Простий електронний мікроскоп дає можливість розрізняти деталі розміром не більше однієї мільйонної сантиметра. Протон у кілька десятків мільйонів разів менше, і його можна "промацати" тільки електронами, розігнаними до енергії 2.1010 еВ. У період станфордських експериментів лише деякі фізики дотримувалися спрощеної теорії кварків.

Більшість вчених очікувало, що електрони відхилятимуться електричними зарядами протонів, але вважалося, що заряд рівномірно розподілений усередині протона. Якби це було справді так, відбувалося б переважно слабке розсіювання електронів, тобто.

Проблему вдалося вирішити, звернувшись до ідеї, яка вже деякий час гасала в повітрі: повинен існувати четвертий аромат, який до того нікому не доводилося спостерігати. Новий аромат вже мав свою назву – charm (чарівність), або с. Було висловлено припущення, що пси-частка - це мезон, що складається з с-кварка та с-антикварка (с), тобто. cc. Так як антикварки є носіями антиаромату, чарівність у пси-частинки нейтралізується, і тому експериментального підтвердження існування нового аромату (чарівності) довелося чекати доти, доки не вдалося виявити мезони, до складу яких зачаровані кварки входили в парі з антикваркампом інших ароматів. . Нині відома ціла низка зачарованих частинок.

Всі вони дуже важкі, так що зачарований кварк виявився важчим за дивний кварок.

Описана вище ситуація повторилася 1977 р., коли на сцену вийшов так званий іпсілон-мезон (ІПСІЛОН). Цього разу без особливих коливань був запроваджений п'ятий аромат, який отримав назву b-кварк (від bottom – дно, а частіше beauty – краса, чи краса). і-Іпсілон-мезон являє собою пару кварк-антикварк, що складається з b-кварків, і тому він має приховану красу; але, як і попередньому випадку, інша комбінація кварків дозволила зрештою виявити " красу " .

Про відносні маси кварків можна судити хоча б з того, що найлегший з мезонів, півонія, складається з пар

та d-кварків з антикварками. Псі-мезон приблизно в 27 разів, а іпсілон-мезон не менш ніж у 75 разів важчий за півонію. Поступове розширення списку відомих ароматів відбувалося паралельно до збільшення числа лептонів; тому постало очевидне питання, чи буде колись кінець. Кварки були введені для того, щоб спростити опис всієї різноманітності адронів, але й зараз є відчуття, що список часток знову зростає надто швидко.З часів Демокрита основна ідея атомізму полягає у визнанні того, що в досить малих масштабах повинні існувати справді елементарні частинки, з комбінацій яких складається оточуюча речовина. Атомістика приваблива тим, що неподільні (за визначенням) фундаментальні частки мають існувати у дуже обмеженому числі. Різноманітність природи обумовлена більшим числомах речовини. І хоча за традицією ми продовжуємо говорити про різні хімічні "елементи", відомо, що атоми зовсім не елементарні, а складаються з протонів, нейтронів та електронів. І якщо число кварків виявляється занадто великим, виникає спокуса припустити, що і вони являють собою складні системискладаються з більш дрібних частинок.

Хоча з вказаної причини і існує деяка незадоволеність кварковою схемою, більшість фізиків вважає кварки справді елементарними частинками - точковими, неподільними і не мають внутрішньої структури. Щодо цього вони нагадують пептони, і вже давно передбачається, що між цими двома різними, але подібними за своєю структурою сімействами має існувати глибокий взаємозв'язок. Підстави для подібної точки зору виникають із порівняння властивостей лептонів та кварків (табл. 3). Лептони можна згрупувати попарно, зіставивши кожному зарядженому лептон відповідне нейтрино. Кварки також можна згрупувати попарно. і-Табл. 3 складена таким чином, що структурою кожна клітина повторює розташовану безпосередньо перед нею. Наприклад, у другій клітині мюон представлений як "важкий електрон", а зачарований і дивний кварки - як важкі варіанти та d-кварків.З наступної клітини видно, що тау-лептон є ще більш важким "електроном", а b-кварк - великоваговим різновидом d-кварка.

Для повної аналогії необхідні ще одне (тау-лептоніо) нейтрино і шостий аромат кварків, що вже отримав назву істинного.

(Truth, t).

Чи можуть бути четверта, п'ята і т.д. пари, що містять ще важчі частки? Якщо так, то наступне покоління прискорювачів, можливо, дасть фізикам можливість виявити такі частинки. Проте висловлюється цікаве міркування, з якого випливає, що інших пар, крім трьох названих, немає. Це міркування полягає в числі типів нейтрино. Ми невдовзі дізнаємося, що на момент Великого вибуху, що ознаменував виникнення Всесвіту, відбувалося інтенсивне народження нейтрино. Своєрідна демократія гарантує кожному виду частинок однакову з іншими частку енергії; тому чим більше різних типів нейтрино, тим більше енергії міститься в морі нейтрино, що заповнює космічний простір. Обчислення показують, що й існує більше трьох різновидів нейтрино, то гравітація, створювана усіма ними, надавала б сильний вплив на ядерні процеси, що протікали в перші кілька хвилин життя Всесвіту. Отже, з цих непрямих міркувань слід дуже правдоподібний висновок у тому, що трьома парами, показаними в табл. 3, вичерпуються всі кварки та лептони, які існують у природі.

Цікаво відзначити, що вся звичайна речовина у Всесвіті складається лише з двох найлегших лептонів (електрона та електронного нейтрино) та двох найлегших кварків ( іі d).Якби всі інші лептони і кварки раптово припинили своє існування, то в навколишньому світі, мабуть, мало що змінилося б.

Можливо, більш важкі кварки та лептони відіграють роль свого роду дублерів найлегших кварків та лептонів. Всі вони нестабільні та швидко розпадаються на частинки, розташовані у верхній клітині. для чогоНаприклад, тау-лептон і мюон розпадаються на електрони, тоді як дивні, зачаровані і красиві частинки досить швидко розпадаються або на нейтрони або протони (у разі баріонів) або на лептони (у разі мезонів). Виникає питання:

існують усі ці частинки другого та третього поколінь? Навіщо вони знадобилися природі?

Частинки - переносники взаємодій

Пам'ятаю, як у дитинстві мені розповідали, що Місяць змушує океани підніматися та опускатися під час щоденних припливів та відливів. Для мене завжди було загадкою, яким чином океан дізнається, де знаходиться Місяць, і слідує за його рухом у небі. Коли вже в школі я дізнався про гравітацію, моє подив тільки посилилося.

Яким чином Місяць, подолавши чверть мільйона кілометрів порожнього простору, примудряється "дотягтися" до океану? Стандартна відповідь - Місяць створює в цьому порожньому просторі гравітаційне поле, дія якого досягає океану, наводячи його в рух, - звичайно, мав якийсь сенс, але все ж таки не задовольняв мене до кінця. Адже ми не можемо бачити гравітаційне поле Місяця. Може, так тільки кажуть? Хіба це справді пояснює щось? Мені завжди здавалося, що Місяць повинен якимось чином повідомляти океан, де він знаходиться. Між Місяцем та океаном має відбуватися якийсь обмін сигналами, щоб вода знала, куди рухатися.Згодом з'ясувалося, що уявлення про силу, що передається через простір у формі сигналу, не така вже далеко від сучасного підходу до цієї проблеми. Щоб зрозуміти, як виникає таке уявлення, слід розглянути докладніше природу

силового поля . Як приклад виберемо не океанські припливи, а простіше явище: два електрони зближуються, а потім під дією електростатичного відштовхування розлітаються в різні боки. Фізики називають цей процес проблемою розсіювання. Зрозуміло, електрони не штовхають один одного буквально. Вони взаємодіють на відстані через електромагнітне поле, що породжується кожним електроном.

Рис.11. Розсіювання двох заряджених частинок. Траєкторії частинок викривляються в міру їхнього зближення внаслідок дії сили електричного відштовхування.і слабо впливають один на одного. Кожен електрон рухається майже прямолінійно (рис. 11). Потім, у міру того, як в роботу включаються сили відштовхування, траєкторії електронів починають викривлятися, поки частинки максимально не зблизяться; після цього траєкторії розходяться, а електрони розлітаються, знову починаючи рухатися прямолінійними, але вже розбіжними траєкторіями. Модель такого роду неважко продемонструвати у лабораторії, використовуючи замість електронів електрично заряджені кульки. І знову постає питання: звідки частка "знає", де знаходиться інша частка, і відповідно до цього змінює свій рух.

Хоча картина викривлених траєкторій електронів досить наочна, вона у низці стосунків зовсім непридатна. Справа в тому, що електрони - квантові частинки та їх поведінка підпорядковується специфічним законам. квантової фізики. Насамперед електрони не рухаються у просторі цілком певними траєкторіями. Ми ще можемо тим чи іншим способом визначити початкову і кінцеву точки шляху - до і після розсіювання, сам шлях у проміжку між початком і кінцем руху залишається невідомим і невизначеним. Крім того, інтуїтивне уявлення про безперервний обмін енергією та імпульсом між електроном і полем, що як би прискорює електрон, суперечить існуванню фотонів. Енергія та імпульс можуть переноситися полемлише порціями, чи квантами. Більш точну картину обурення, що вноситься полем у рух електрона, ми отримаємо, припустивши, що електрон, поглинаючи фотон поля, ніби відчуває раптовий поштовх. Отже, на квантовому рівні акт розсіювання електрона на електроні можна зобразити, як показано на рис. 12. Хвиляста лінія, що з'єднує траєкторії двох електронів, відповідає фотону, випущеному одним електроном і поглиненим іншим. Тепер акт розсіювання постає як раптова зміна напрямку руху кожного електрона

Рис.12. Квантовий опис розсіювання заряджених частинок. Взаємодія частинок обумовлена ​​обміном переносником взаємодії, або віртуальним фотоном (хвиляста лінія).

Діаграми такого роду вперше застосував Річард Фейнман для наочного подання різних членів рівняння, і спочатку вони мали суто символічне значення. Але потім діаграми Фейнмана стали використовуватиме схематичного зображення взаємодій частинок. Такі картинки як би доповнюють інтуїцію фізика, проте їх слід тлумачити певною часткою обережності. Наприклад, у траєкторії електрона ніколи не спостерігається різкого зламу. Оскільки нам відомі лише початкове та кінцеве положення електронів, ми не знаємо точно моменту, коли відбувається обмін фотоном, і яка з часток випромінює, а яка поглинає фотон. Всі ці деталі приховані пеленою квантової невизначеності.

Незважаючи на це застереження, діаграми Фейнмана виявилися ефективним засобом квантового опису взаємодії. Фотон, яким обмінюються електрони, можна розглядати як свого роду посланця одного з електронів, що повідомляє іншому: "Я тут, так що ворушись!". Зрозуміло, всі квантові процеси мають імовірнісний характер, тому подібний обмін відбувається лише з певною ймовірністю. Може статися, що електрони обміняються двома і більше фотонами (мал. 13), хоча це менш імовірно.

Важливо усвідомлювати, що насправді ми не бачимо фотонів, що снують від одного електрона до іншого. Переносники взаємодії – "внутрішня справа" двох електронів. Вони існують виключно для того, щоб повідомляти електрони, як рухатися, і, хоча вони переносять енергію та імпульс, відповідні закони збереження класичної фізики на них не поширюються. Фотони в цьому випадку можна уподібнити до м'яча, яким обмінюються на корті тенісисти. Подібно до того, як тенісний м'яч визначає поведінку тенісистів на ігровому майданчику, фотон впливає на поведінку електронів.

Успішне опис взаємодії з допомогою частки-переносника супроводжувалося розширенням поняття фотона: фотон виявляється як частинкою видимого нами світла, а й примарною частинкою, яку " бачать " лише заряджені частки, зазнають розсіяння. Інколи спостерігаються нами фотони називаютьреальними, а фотони, що переносять взаємодію, -віртуальними,

Опис електромагнітної взаємодії з використанням поняття віртуальних фотонів – його переносників – за своїм значенням виходить за рамки просто ілюстрацій квантового характеру. Йдеться про продуману до дрібних деталей і оснащену досконалим математичним апаратом теорії, відомої під назвою квантової електродинаміки,скорочено КЕД. Коли КЕД була вперше сформульована (це сталося невдовзі після Другої світової війни), фізики отримали своє розпорядження теорію, що задовольняє основним принципам як квантової теорії, і теорії відносності. Це чудова нагода побачити спільні прояви двох важливих аспектів нової фізики та. перевірити їх експериментально.

Теоретично виробництво КЕД стало видатним досягненням.

Більш ранні дослідження взаємодії фотонів та електронів мали дуже обмежений успіх через математичні труднощі. Але якщо теоретики навчилися правильно проводити обчислення, все інше ставало місце. КЕД запропонувала процедуру отримання результатів будь-якого складного процесу за участю фотонів і електронів.

Рис.13. Розсіювання електронів обумовлено обміном двома віртуальними фотонами. Такі процеси становлять невелику поправку до основного процесу, зображеного на рис. 11Щоб перевірити, наскільки добре теорія узгоджується з реальністю, фізики зосередили увагу на двох ефектах, що становили особливий інтерес. Перший стосувався

Друга вирішальна перевірка КЕД стосувалася дуже малої поправки до свого магнітного моменту електрона. І знову результати теоретичних розрахунків та експерименту повністю збіглися. Теоретики почали уточнювати обчислення, експериментатори – удосконалити прилади. Але, хоча точність як теоретичних передбачень, і експериментальних результатів безперервно підвищувалася, відповідність між КЭД і експериментом залишалося бездоганним. Нині теоретичні та експериментальні результати, як і раніше, узгоджуються в межах досягнутої точності, що означає збіг більше дев'яти знаків після коми. Така разюча відповідність дає право вважати КЕД найбільш досконалою з існуючих природничих теорій.

Чи треба говорити, що після такого тріумфу КЕД була прийнята як модель для квантового опису трьох інших фундаментальних взаємодій. Зрозуміло, полям, що з іншими взаємодіями, повинні відповідати інші частки-переносники. Для опису гравітації було введено гравітон,що грає таку ж роль, як фотон. При гравітаційному взаємодії двох частинок між ними відбувається обмін гравітонами. Цю взаємодію можна уявити за допомогою діаграм, що нагадують ті, що показані на рис. 12 та 13. Саме гравітони переносять сигнали від Місяця океанам, за якими ті піднімаються під час припливів і опускаються при відливах. Гравітони, що снують між Землею та Сонцем, утримують нашу планету на орбіті. Гравітони міцно приковують нас до Землі.

Подібно до фотонів, гравітони рухаються зі швидкістю світла, отже, гравітони - це частинки з "нульовою масою спокою". Але на цьому подібність між гравітонами та фотонами закінчується. У той час як фотон має 1 спин, спин гравітону дорівнює 2.

Таблиця 4

Частинки-переносники чотирьох фундаментальних взаємодій.

Маса виражена в одиницях маси протону.

Це важлива відмінність, оскільки воно визначає напрямок сили: при електромагнітній взаємодії однойменно заряджені частинки, наприклад електрони, відштовхуються, а при гравітаційному - всі частки притягуються одна до одної. Гравітони можуть бути реальними та віртуальними. Реальний гравітон - це не що інше, як квант гравітаційної хвилі, подібно до того, як реальний фотон - квант. У принципі реальні гравітони можна "спостерігати". Але оскільки гравітаційна взаємодія неймовірно слабка, гравітони не вдається детектувати безпосередньо. Взаємодія гравітонів з іншими квантовими частинками настільки слабка, що ймовірність розсіювання або поглинання гравітону, наприклад протоном нескінченно мала.

Основна ідея обміну частинками-переносниками поширюється і інші взаємодії (табл. 4) - слабке і сильне. Однак у деталях є важливі відмінності. Нагадаємо, що сильна взаємодія забезпечує зв'язок між кварками. Такий зв'язок може створити силове поле, подібне до електромагнітного, але більш складне. Електричні сили призводять до утворення пов'язаного стану двох частинок із протилежними зарядами знаків. У разі кварків виникають пов'язані стани трьох частинок, що свідчить про складніший характер силового поля, якому відповідають три різновиди "заряду". Частинки - переносники взаємодії між кварками, що пов'язують їх попарно чи трійками, називають

глюонів.

У разі слабкої взаємодії ситуація дещо інша. Радіус цієї взаємодії надзвичайно малий. Тому переносниками слабкої взаємодії мають бути частки з більшими масами спокою. Енергію, укладену в такій масі, доводиться "позичати" відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга, про який вже йшлося на с. 50. Але оскільки " взята в борг " маса (і, отже, енергія) настільки велика, принцип невизначеності вимагає, щоб термін погашення такого кредиту був надзвичайно коротким - лише близько 10-28с. Такі короткоживучі частинки не встигають відійти особливо далеко, і радіус взаємодії, що переноситься ними, дуже малий.

Класифікація частинок на кварки, лептони та переносники взаємодій завершує перелік відомих субатомних частинок. Кожна з названих частинок грає свою, але вирішальну роль у формуванні Всесвіту.

Якби не було частинок-переносників, не існувало б і взаємодій, і кожна частка залишилася б у невіданні щодо своїх партнерів.

Не могли б виникнути складні системи, будь-яка діяльність була б неможлива. Без кварків не було б ні атомних ядер, ні сонячного світла. Без лептонів не могли б існувати атоми, не виникли б хімічні структури та саме життя.

Якими є завдання фізики елементарних частинок?

Впливова британська газета "Гардіан" одного разу опублікувала редакційну статтю, в якій ставиться під питання доцільність розвитку фізики елементарних частинок - дорогого підприємства, яке поглинає не лише помітну частку національного бюджету науки, а й левову частку найкращих умів. "Чи знають фізики, що вони роблять? - Запитувала "Гардіан". - Якщо навіть знають, то яка від цього користь? Кому, крім фізиків, потрібні всі ці частинки?" Через кілька місяців після цієї публікації мені довелося бути присутнім у Балтіморі на лекції Джорджа Кіуорта, радника президента США з науки. Кіуорт також звернувся до фізики елементарних частинок, але його лекція була витримана у зовсім іншому тоні.Американські фізики були під враженням недавнього повідомлення з ЦЕРНу, провідної Європейської лабораторії з фізики елементарних частинок, про відкриття фундаментальних W- та Z-часток, які вдалося нарешті отримати на великому протон-антипротонному прискорювачі на зустрічних пучках (колайдері). Американці звикли, що всі сенсаційні відкриття відбуваються у їхніх лабораторіях фізики високих енергій.

Того ж тижня інформаційними каналами пролунали повідомлення про американський проект гігантського прискорювача, призначеного для проведення нового покоління експериментів з фізики елементарних частинок. Основні витрати передбачалися у розмірі 2 млрд. дол., що робило цей прискорювач найдорожчою машиною з будь-коли побудованих людиною. Цей гігант дядечка Сема, в порівнянні з яким навіть новий прискорювач ЦЕРН ЛЕП здасться карликом, настільки великий, що всередині його кільця могла б повністю розміститися держава Люксембург! Гігантські надпровідні магніти призначені для створення інтенсивних магнітних полів, які загортатимуть пучок частинок, спрямовуючи його вздовж кільцеподібної камери; вона є настільки величезною спорудою, що новий прискорювач передбачається розмістити в пустелі. Хотілося б знати, що думає із цього приводу редактор газети "Гардіан".

Відома під назвою Надпровідний суперколайдер (Superconducting Super Collider, SSC), але найчастіше іменована "де-зертрон" (від англ. desert -пустелі. - ред.),ця жахлива машина зможе прискорювати протони до енергій, що приблизно в 20 тис. разів перевищують енергію (масу) спокою. Ці цифри можна інтерпретувати по-різному.

При максимальному прискоренні частки рухатимуться зі швидкістю всього на 1 км/год менше швидкості світла - граничної швидкості у Всесвіті. Релятивістські ефекти при цьому настільки великі, що маса кожної частки в 20 тис. разів більша, ніж у стані спокою. У системі, пов'язаної з такою часткою, час розтягнуто настільки, що 1 с відповідає 5,5 год у системі відліку. Кожен кілометр камери, по якій проноситься частка, "здаватиметься" їй стиснутим лише до 5,0 см.

Що за крайня потреба змушує держави витрачати такі величезні ресурси на дедалі більше руйнівне розщеплення атома? Чи є якась практична користь у таких дослідженнях?Будь-який великий науці. Фізика елементарних частинок стала свого роду символом державної сили. Якщо вона розвивається успішно і дає відчутні результати, це свідчить у тому, що наука, техніка, як і економіка країни загалом, перебувають у основному належному рівні. Це підтримує впевненість у високій якості продукції інших галузей технології більш загального призначення. Для створення прискорювача та всього супутнього обладнання потрібно дужевисокий рівень

професіоналізму. Накопичений при розробці нових технологій цінний досвід може вплинути на інші напрями наукових досліджень. Наприклад, науково-дослідні розробки надпровідних магнітів, необхідних для "дезертрона", проводяться в США протягом двадцяти років. Проте вони не приносять прямої вигоди і тому їх важко оцінити. А чи немає якихось більш відчутних результатів? На підтримку фундаментальних досліджень іноді доводиться чути інший аргумент. Фізика зазвичай випереджає технологію приблизно на п'ятдесят років. Практичне застосування того чи іншогонаукового відкриття спочатку аж ніяк не очевидно, проте лише небагато з значних досягнень фундаментальної фізики не знайшли з часомпрактичних додатків . Згадаймо теорію електромагнетизму Максвелла: чи міг її творець передбачати створення та успіхи сучасних телекомунікації та електроніки? А слова Резерфорда про те, що ядерна енергія навряд чи колись знайдепрактичне застосування ?Чи можна передбачити, до чого здатне привести розвиток фізики елементарних частинок, які вдасться виявити нові сили та нові принципи, які розширять наше розуміння навколишнього світу та дадуть нам владу над ширшим колом

Більшість розділів науки зрештою знаходили і певне військове застосування. У цьому плані фізика елементарних частинок (на відміну ядерної фізики) поки що залишалася недоторканною.

За випадковим збігом обставин лекція Кіуорта збіглася з рекламним галасом навколо запропонованого президентом Рейганом спірного проекту створення протиракетної, так званої пучкової зброї (даний проект є частиною програми, що отримала назву "Стратегічна оборонна ініціатива", СОІ). Суть цього проекту використання проти ракет противника пучків частинок високої енергії. Таке застосування фізики елементарних частинок виглядає воістину зловісним.

Переважає думка, що створення таких пристроїв неможливо. Більшість учених, які працюють у галузі фізики елементарних частинок, вважають ці ідеї абсурдними та протиприродними, різко висловлюються проти пропозиції президента. Засудивши вчених, Кіуорт закликав їх "поміркувати над тим, яку роль вони можуть відіграти" у реалізації проекту пучкової зброї. Це звернення Кіуорта до фізиків (звичайно, суто випадково) було за його словами щодо фінансування фізики високих енергій.. Протягом двох з половиною тисячоліть людство прагнуло знайти початкові "цеглинки" світобудови, і тепер ми близькі до кінцевої мети. Гігантські установки допоможуть нам проникнути в саме серце матерії та вирвати у природи її найпотаємніші таємниці. Людство можуть очікувати несподіваних додатків нових відкриттів, невідомих раніше технологій, але може виявитися, що фізика високих енергій нічого не дасть для практики. Але й від величного собору чи концертного залу трохи практичної користі. У зв'язку з цим не можна не згадати слова Фарадея, який якось помітив: "Що користь від новонародженого?".

Далекі від практики види людської діяльності, до яких належить і фізика елементарних частинок, є свідченням прояву людського духу, без якого ми були б приречені в нашому зайве матеріальному та прагматичному світі.Виберіть відповідний ізотоп.

• Деякі елементи або ізотопи зазнають радіоактивного розпаду, при цьому різні ізотопи можуть поводитися по-різному. Найбільш поширений ізотоп урану має атомну вагу 238 і складається з 92 протонів та 146 нейтронів, але його ядра зазвичай поглинають нейтрони без розщеплення на ядра легших елементів. Ізотоп урану, ядро ​​якого містить на три нейтрони менше, 235 U, розщеплюється набагато легше, ніж 238 U, його називають ізотопом, що ділиться.
• При розщепленні (розподілі) урану вивільняються три нейтрони, які стикаються з іншими атомами урану, внаслідок чого виникає ланцюгова реакція.

Деякі ізотопи розщеплюються настільки легко та швидко, що неможливо підтримувати постійну ядерну реакцію. Це називається спонтанним, або мимовільним, розпадом. Наприклад, такий розпад схильний до ізотопу плутонію 240 Pu, на відміну від 239 Pu з меншою швидкістю поділу.Щоб реакція продовжилася після розпаду першого атома, слід зібрати достатньо ізотопу.

Для цього необхідно мати певну мінімальну кількість ізотопу, що ділиться, який буде підтримувати реакцію. Цю кількість називають критичною масою. Щоб досягти критичної маси та підвищити ймовірність розпаду, потрібна достатня кількість вихідного матеріалу.Вистріліть одним атомним ядром ізотопу в інше ядро ​​того ж ізотопу.

• Цей метод був використаний для створення атомної бомбиз 235 U, яка була скинута на Хіросіму. Схоже на гармату зброю з урановим сердечником вистрілювало атоми 235 U в мішень з таких же атомів 235 U. Атоми летіли досить швидко, щоб нейтрони, що виділялися з них, проникали в ядра інших атомів 235 U і розщеплювали їх. При розщепленні, своєю чергою, вивільнялися нейтрони, які розщеплювали наступні атоми 235 U.

Обстріляйте ядра ізотопу, що ділиться субатомними частинками.Одиночна субатомна частка може потрапити в атом 235 U і розщепити його на два окремих атоми інших елементів, при цьому виділяться три нейтрони. Субатомні частинки можна одержати з контрольованого джерела (наприклад, нейтронної гармати) або створити внаслідок зіткнення ядер. Зазвичай використовують три види субатомних частинок.

• Протони. Ці субатомні частинки мають масу і позитивний електричний заряд. Кількість протонів в атомі визначає, яким атомом елемента він є.
• нейтрони. Маса цих субатомних частинок дорівнює масі протона, але вони нейтральні (не мають електричного заряду).
• Альфа-частинки. Ці частинки є вільними від електронів ядрами атомів гелію. Вони складаються з двох протонів та двох нейтронів.

Розщеплення ядра

Відкриття ізотопів стабільних елементів, уточнення вимірювання елементарного заряду були першими досягненнями післявоєнної фізики (1917-1918). У 1919 р. було зроблено нове сенсаційне відкриття- Штучне розщеплення ядра. Відкриття це було зроблено Резерфордом у Кембриджі в Кавендіській лабораторії, яку він очолив у тому ж, 1919 р.

Резерфорд вивчав зіткнення а-часток з легкими атомами. Зіткнення а-частки з ядрами таких атомів мають прискорювати їх. Так, при ударі а-частки про ядро ​​водню воно збільшує свою швидкість в 1,6 рази, і ядро ​​відбирає у а-частки 64% її енергії. Такі прискорені ядра легко виявити по сцинтиляціям, що виникають при ударі їх об екран із сірчистого цинку. Їх справді спостерігав Марсден 1914 р.

Резерфорд продовжив досліди Марсдена, але, як він зазначав сам, ці досліди «виконувалися в вельми нерегулярні проміжки часу, оскільки дозволяли повсякденні заняття та робота, пов'язана з війною...» «Досліди навіть припинялися на довгий час». Лише після закінчення війни досліди ставилися регулярно, та їх результати були опубліковані у 1919 р. у чотирьох статтях під загальною назвою"Зіткнення а-часток з легкими атомами".

Прилад, що застосовувався Резерфордом для вивчення таких зіткнень, був латунною камерою довжиною 18 см, висотою 6 см і шириною 2 см. Джерелом а-частинок служив металевий диск, покритий активною речовиною. Диск містився всередині камери і міг встановлюватися на різних відстанях від екрану з сірчистого цинку, на якому спостерігалися мікроскопом сцинтиляції.

Камера могла заповнюватись різними газами (див. мал. 78).

Мал. 78. Мас-спектрограф Демпестера

При впусканні сухого кисню або вуглекислого газу число сцинтиляцій зменшувалося внаслідок поглинання а-часток шаром газу. «Несподіваний ефект, однак, - писав Резер-форд у четвертій статті, - було виявлено, коли в апарат було введено сухе повітря. Замість зменшення кількість сцинтиляцій збільшилася, і для поглинання, що відповідає приблизно шару повітря в 19 см, число їх було приблизно в 2 рази більше, ніж те, що спостерігалося при вакуумі. З цього досвіду було ясно, що а-частки при проходженні через повітря дають початок сцинтиляціям, відповідним великим довжинам пробігу, яскравість яких для ока була приблизно рівною яскравості Н-сцинтиляцій». Бо в кисні і вуглекислому газітакого ефекту немає, то з великою ймовірністю можна було стверджувати, що цей ефект зобов'язаний своїм походженням азоту.

Камеру заповнювали чистим ретельно висушеним азотом. «У чистому азоті кількість сцинтиляцій, що відповідають великому пробігу, була більшою, ніж у повітрі». Таким чином, "сцинтиляції при великому пробігу, що спостерігаються в повітрі, повинні бути приписані азоту".

Необхідно було, проте, показати, що довгопробіжні а-частки, що викликають сцинтиляцію, «є результатами зіткнень а-часток з атомами азоту».

Схема першої установки Міллікена

Шляхом численних дослідів Резерфорд показав, що це дійсно так і що в результаті таких зіткнень виходять частки з максимальним пробігом 28 см, таким самим, як у Н-атомів. «З отриманих досі результатів, - писав Резерфорд, - важко уникнути висновку, що атоми з великим пробігом, що виникають при зіткненні а-часток з азотом, є не атомами азоту, але, ймовірно, атомами водню або атомами з масою 2 Якщо це так, то ми повинні зробити висновок, що атом азоту розпадається внаслідок величезних сил, що розвиваються при зіткненні з швидкою а-часткою, і що водень, що звільняється, утворює складову частину атома».

Так було відкрито явище розщеплення ядер азоту при ударах швидких а-часток і вперше висловлено думку, що ядра водню є складовою ядер атомів. Згодом Резерфорд запропонував термін протон для цієї складової частини ядра. Резерфорд закінчував свою статтю словами: «Результати в цілому вказують на те, що якщо а-частки або подібні до них швидко рухомі частинки з значно більшою енергією могли б застосовуватися для дослідів, то можна було б виявити руйнування ядерних структур багатьох легких атомів».

3 червня 1920 р. Резерфорд прочитав так звану Бакеріанську лекцію під назвою "Нуклеарна будова атома". Повідомляючи в цій лекції про результати своїх досліджень щодо зіткнення а-часток з ядрами атомів та про розщеплення ядер азоту, Резерфорд, обговорюючи природу продуктів розщеплення, зробив припущення про можливість існування ядер з масою 3 і 2 та ядер з масою ядра водню, але з нульовим зарядом. При цьому він виходив із гіпотези, висловленої вперше Марією Склодовською-Кюрі, що до складу атомного ядра входять електрони.

Резерфорд пише, що «йому здається дуже правдоподібним, що один електрон може зв'язати два Н-ядра і, можливо, навіть одне Н-ядро. Якщо справедливе перше припущення, воно вказує на можливість існування атома з масою близько 2 та з одним зарядом. Таку речовину слід розглядати як ізотоп водню. Друге припущення містить у собі думку про можливість існування атома з масою 1 і нуклеарним зарядом, що дорівнює нулю. Подібні утворення видаються цілком можливими... Подібний атом мав би цілком фантастичні властивості. Його зовнішнє поле практично повинно дорівнювати нулю, за винятком областей, що дуже близько прилягають до ядра; внаслідок цього він повинен би мати здатність вільно проходити через матерію. Існування такого атома, ймовірно, важко було б виявити спектроскопом, і його не можна було б утримати в закритій посудині. З іншого боку, він повинен був легко входити в структуру атома і з'єднуватися з його ядром, або розганятися інтенсивним полем останнього, даючи початок зарядженому Н-атому або електрону або тому і іншому ».

Так була висловлена ​​гіпотеза про існування нейтрона та важкого ізотопу водню. Вона була висловлена ​​на основі запропонованої М. Склодовської-Кюрі гіпотези, що ядра атомів складаються з ядер водню (протонів) та електронів.

Це уявлення негайно пояснило характерні ядерні числа А і Z.

Однак такі характеристики ядра, як масове число А та заряд Z, виявилися недостатніми. Ще в 1924 р. до відкриття спина В. Паулі припустив, що ядро ​​має магнітний момент, що впливає на рух орбітальних електронів і тим самим створює надтонку структуру спектральних ліній. Пояснення тонкої структури спектрів наявністю обумовлених спином магнітних моментівядер призвело до поділу ядер на два типи. Ядра парного типу, що мають цілий спин, підпорядковуються статистиці Бозе, ядра непарного типу, що мають напівцілий спин, підпорядковуються статистиці фермі - Дірака. Тому за протонно-електронною теорією ядра, що складаються з парного числа електронів і протонів, повинні підкорятися статистиці Бозе, з непарного – статистиці ферми – Діраку.

У 1930 р. з'ясувалося, що ядро ​​азоту підпорядковується статистиці Бозе, хоча воно згідно з протонно-електронною теорією будови ядра складається з 21 частинки (14 протонів, 7 електронів). Цей факт отримав у науці назву азотної катастрофи.

У тому ж році, коли виявилася азотна катастрофа, були опубліковані результати дослідів Л. Мейтнер і Ортмана, які підтвердили результати дослідів Елліс і Вустера 1927 р. Ці досліди показали, що повна енергія (3-променів, що вимірюється товстостінним мікрокалориметром, менше різниці енергій кінцевого ядер, т. е. частина енергії, що випускається ядром при р-распаде, зникає.

Вирішення проблеми азотної катастрофи та загадки р-спектрів було дано на основі уявлення про існування в природі нейтральних частинок - важкої, названої нейтроном, і легкої - названої на пропозицію Фермі нейтрино, тобто маленьким нейтроном.

З книги Пригоди Містера Томпкінса автора Гамов Георгій

Розділ 12 Усередині ядра Наступна лекція, яку відвідав містер Томпкінс, була присвячена внутрішній будові ядра як центру, навколо якого обертаються атомні електрони. - Леді та джентльмени, - почав професор. - Дедалі більше заглиблюючись у будову матерії, ми спробуємо

З книги [лекція для школярів] автора Іванов Ігор П'єрович

Дивовижний світвсередині атомного ядра

Із книги Новітня книгафактів. Том 3 [Фізика, хімія та техніка. Історія та археологія. Різне] автора Кондрашов Анатолій Павлович

Дивовижний світ усередині атомного ядра

З книги Нейтрино – примарна частка атома автора Азимов Айзек

З книги Курс історії фізики автора Степанович Кудрявцев Павло

З книги Міжпланетні подорожі [Польоти в світовий простірта досягнення небесних тіл] автора Перельман Яків Ісидорович

Будова ядра Хоча питання про випромінювання?-частинки здавалося остаточно з'ясованим, оскільки закон збереження електричного заряду виконувався, фізики продовжували свої дослідження. Для них залишалося загадкою, як позитивно заряджене ядро ​​здатне випускати

З книги Історія атомної бомби автора Манія Хуберт

Відштовхування всередині ядра До 1932 стало ясно, що ядра складаються виключно з протонів і нейтронів. Від більш ранніх теорій, які стверджували, що у ядрі знаходяться електрони, відмовилися. Хоча це вирішило відразу багато проблем, виникло питання, якого не було раніше.

З книги Астероїдно-кометна небезпека: вчора, сьогодні, завтра автора Шустов Борис Михайлович

Якщо при розгляді атомних ядер знехтувати гравітаційними взаємодіями і враховувати тільки електромагнітні, важко пояснити існування ядра. Частинки, з яких воно складається, не могли б поєднатися через колосальні сили

З книги Марія Кюрі. Радіоактивність та елементи [Найпотаємніший секрет матерії] автора Паєс Адела Муньос

Відкриття атомного ядра Розглянемо дещо докладніше одне з фундаментальних відкриттів Резерфорда -відкриття атомного ядра та планетарної моделі атома. Ми бачили, що уподібнення атома планетній системі робилося ще на початку XX ст. Але цю модель було важко

З книги автора

Протонно-нейтронна модель ядра 28 травня 1932 радянський фізикД. Д. Іваненко опублікував у «Nature» замітку, в якій висловив припущення, що нейтрон є поряд із протоном структурним елементом ядра. Він зазначив, що така гіпотеза вирішує проблему азотної катастрофи. У

З книги автора

Усередині ядра Ця небувала подорож пройде для пасажирів Жюль-Вернова ядра далеко не так мирно та благополучно, як описано в романі. Не думайте, що небезпека загрожує їм під час подорожі від Землі до Місяця. Анітрохи! Якби їм удалося залишитися живими до моменту,

З книги автора

До глави VIII 6. Тиск усередині гарматного ядра Для читачів, які побажали б перевірити розрахунки, згадані на стор. 65-й, наводимо тут ці нескладні обчислення. Для розрахунків нам доведеться користуватися лише двома формулами прискореного руху, саме: кінці

З книги автора

З книги автора

4.2. Фізичні характеристики, будова ядра В останнє десятиліттянаші знання про комети і процеси, що відбуваються на них, значно розширилися. Різкому підвищенню інтересу до комет сприяли підготовка та проведення міжнародного космічного

З книги автора

РЕЗЕРФОРД І ВІДКРИТТЯ АТОМНОГО ЯДРУ Що ж відбувалося з тим, хто в молодості був хорошим гравцем у регбі, а потім раніше за всіх здогадався, що атом може розпадатися? Ернест Резерфорд закінчив своє американське «посилання» у січні 1907 року, через деякий час після смерті