Библиотека
Теология
Конфессии
Иностранные языки
Другие проекты
|
Комментарии (3)
Карпенков С. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов
Глава 4. АТОМНЫЙ И НУКЛОННЫЙ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ
4.1. Эволюция представлений о строении атомов
Открытие сложного строения атома – важнейший этап становления современной физики. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные системы, были сформированы новые представления о свойствах микрочастиц, которые описываются квантовой механикой.
Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах веществ, как уже отмечалось выше, возникло еще в античные времена (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В средние века учение об атомах, будучи материалистическим, не получило признания. К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность. К этому времени работами французского химика А. Лавуазье (1743–1794), великого русского ученого М.В. Ломоносова и английского химика и физика Д. Дальтона (1766–1844) была доказана реальность существования атомов. Однако в это время вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы считались неделимыми.
Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д.И. Менделеев, разработавший в 1869 г. периодическую систему элементов, в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Во второй половине XIX в. было экспериментально доказано, что электрон является одной из основных частей любого вещества. Эти выводы, а также многочисленные экспериментальные данные привели к тому, что в начале XX в. серьезно встал вопрос о строении атома.
Существование закономерной связи между всеми химическими элементами, ярко выраженное в периодической системе Менделеева, наталкивает на мысль о том, что в основе строения всех атомов лежит общее свойство: все они находятся в близком родстве друг с другом.
Однако до конца XIX в. в химии господствовало метафизическое убеждение, что атом есть наименьшая частица простого вещества, последний предел делимости материи. При всех химических превращениях разрушаются и вновь создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на более мелкие части.
Различные предположения о строении атома долгое время не подтверждались какими-либо экспериментальными данными. Лишь в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения при определенных условиях одних атомов в другие. На основе этих открытий начало быстро развиваться учение о строении атома.
Первые косвенные подтверждения о сложной структуре атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Изучение свойств этих лучей привело к заключению, что они представляют собой поток мельчайших частиц, несущих отрицательный электрический заряд и летящих со скоростью, близкой к скорости света. Особыми приемами удалось определить массу катодных частиц и величину их заряда, выяснить, что они не зависят ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут быть лишены своих зарядов и превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет сущность их природы. Эти частицы, получившие название электронов, были открыты в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном.
Изучение строения атома практически началось в 1897–1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Томсон предложил первую модель атома, представив атом как сгусток материи, обладающий положительным электрическим зарядом, в который вкраплено столько электронов, что превращает его в электрически нейтральное образование. В этой модели предполагалось, что под влиянием внешних воздействий электроны могли совершать колебания, т. е. двигаться ускоренно. Казалось бы, это позволяло ответить на вопросы об излучении света атомами вещества и гамма-лучей атомами радиоактивных веществ.
Положительно заряженных частиц внутри атома модель атома Томсона не предполагала. Но как же тогда объяснить испускание положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами? Модель атома Томсона не давала ответа и на некоторые другие вопросы.
В 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах была обнаружена положительно заряженная часть атома. Дальнейшие более тщательные исследования показали, что при прохождении пучка параллельных лучей сквозь слои газа или тонкую металлическую пластинку выходят уже не параллельные лучи, а несколько расходящиеся: происходит рассеяние альфа-частиц, т. е. отклонение их от первоначального пути. Углы отклонения невелики, но всегда имеется небольшое число частиц (примерно одна из нескольких тысяч), которые отклоняются очень сильно. Некоторые частицы отбрасываются назад, как если бы на пути встретилась непроницаемая преграда. Это не электроны – их масса гораздо меньше массы альфа-частиц. Отклонение может происходить при столкновении с положительными частицами, масса которых того же порядка, что и масса альфа-частиц. Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил следующую схему строения атома.
В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Поскольку масса электрона ничтожна мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На долю ядра и электронов, число которых сравнительно невелико, приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой.
Предложенная Резерфордом схема строения атома или, как обыкновенно говорят, планетарная модель атома, легко объясняет явления отклонения альфа-частиц. Действительно, размеры ядра и электронов чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов, поэтому большинство альфа-частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда альфа-частица очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяния альфа-частиц положило начало ядерной теории атома.
Планетарная модель атома позволила объяснить результаты опытов по рассеянию альфа-частиц вещества, однако возникли принципиальные трудности при обосновании устойчивости атомов.
Первая попытка построить качественно новую – квантовую – теорию атома была предпринята в 1913 г. Нильсом Бором. Он поставил цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил ядерную модель Резерфорда. Он предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам. Движение по окружности даже с постоянной скоростью обладает ускорением. Такое ускоренное движение заряда эквивалентно переменному току, который создает в пространстве переменное электромагнитное поле. На создание этого поля расходуется энергия. Энергия поля может создаваться за счет энергии кулоновского взаимодействия электрона с ядром. В результате электрон должен двигаться по спирали и упасть на ядро. Однако опыт показывает, что атомы – очень устойчивые образования. Отсюда следует вывод, что результаты классической электродинамики, основанной на уравнениях Максвелла, неприменимы к внутриатомным процессам. Необходимо найти новые закономерности. В основу своей теории атома Бор положил следующие постулаты.
Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.
Этот постулат находится в противоречии с классической теорией. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантовые значения момента импульса.
Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией
h = En - Em
равной разности энергий соответствующих стационарных состояний (Еn и Еm – соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения/поглощения).
Переходу электрона со стационарной орбиты под номером m на стационарную орбиту под номером n соответствует переход атома из состояния с энергией Еm в состояние с энергией Еn (рис. 4.1).
Рис. 4.1. К пояснению постулатов Бора
При Еn > Еm происходит излучение фотона (переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, т. е. переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на более близлежащую), при Еn < Еm – его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е, переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот
квантовых переходов и определяет линейчатый спектр атома.
Теория Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаемый линейчатый спектр водорода.
Успехи теории атома водорода были получены ценой отказа от фундаментальных положений классической механики, которая на протяжении более 200 лет остается безусловно справедливой. Поэтому большое значение имело прямое экспериментальное доказательство справедливости постулатов Бора, особенно первого – о существовании стационарных состояний. Второй постулат можно рассматривать как следствие закона сохранения энергии и гипотезы о существовании фотонов.
Немецкие физики Д. Франк и Г. Герц, изучая методом задерживающего потенциала столкновение электронов с атомами газов (1913г.), экспериментально подтвердили существование стационарных состояний и дискретность значений энергии атомов.
Несмотря на несомненный успех концепции Бора применительно к атому водорода, для которого оказалось возможным построить количественную теорию спектра, создать подобную теорию для следующего за водородом атома гелия на основе представлений Бора не удалось. Относительно атома гелия и более сложных атомов теория Бора позволила делать лишь качественные (хотя и очень важные) заключения. Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электронов в атоме имеет мало общего с движением планет по орбитам.
В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на многие вопросы, касающиеся строения и свойств атомов любых элементов.
Универсальность корпускулярно-волновой концепции
Французский ученый Луи де Бройль (1892–1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами.
Согласно де Бройлю с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики энергия Е и импульс р, а с другой, – волновые характеристики – частота v и длина волны  . Формулы, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как и для фотонов:
Е= h ; р = h/λ.
Смелость гипотезы де Бройля заключалась именно в том, что приведенные формулы постулировались не только для фотонов, но и для других микрочастиц, в частности для таких, которые обладают массой покоя. Таким образом, с любой частицей, обладающей импульсом, сопоставляется волновой процесс с длиной волны, определяемой формулой де Бройля:
Эта формула справедлива для любой частицы с импульсом р.
Вскоре гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально американскими физиками К. Дэвиссоном (1881–1958) и Л. Джермером (1896–1971), которые обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся от естественной дифракционной решетки кристалла никеля, дает отчетливую дифракционную картину.
Подтвержденная экспериментально гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств вещества коренным образом изменила представления о свойствах микрообъектов. Всем микрообьектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства: для них существуют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.
Принципы неопределенности и дополнительности
Согласно двойственной корпускулярно-волновой природе частиц вещества для описания свойств микрочастиц используются либо волновые, либо корпускулярные представления. Приписать им все свойства частиц и все свойства волн нельзя. Возникает необходимость введения некоторых ограничений в применении к объектам микромира понятий классической механики.
В классической механике всякая частица движется по определенной траектории, так что в любой момент времени точно фиксированы ее координата и импульс. Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц. Одно из основных различий заключается в том, что нельзя говорить о движении микрочастицы по определенной траектории и об одновременных точных значениях ее координаты и импульса. Это следует из корпускулярно-волнового дуализма. Так, понятие «длина волны в данной точке» лишено физического смысла, а поскольку импульс выражается через длину волны, то микрочастица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату. И наоборот, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то ее импульс является полностью неопределенным.
Немецкий физик В. Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел в 1927 г. к выводу:
объект микромира невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно координату х и определенный импульс р, причем неопределенности этих величин удовлетворяют условию
Δx · Δp ≥ h
(h – постоянная Планка), т. е. произведение неопределенностей координаты и импульса не может быть меньше постоянной Планка.
Невозможность одновременно точно определить координату и соответствующую ей составляющую импульса не связана с несовершенством методов измерения или измерительных приборов. Это следствие специфики микрообъектов, отражающей особенности их объективных свойств, их двойственной корпускулярно-волновой природы. Соотношение неопределенностей получено при одновременном использовании классических характеристик движения частицы (координаты, импульса) и наличия у нее волновых свойств. Поскольку в классической механике принято, что измерение координаты и импульса может быть произведено с любой точностью, то соотношение неопределенностей является, таким образом, квантовым ограничением применимости классической механики к микрообьектам.
Соотношение неопределенностей, отражая специфику физики микрочастиц, позволяет оценить, например, в какой мере можно применять понятия классической механики к микрочастицам, в частности, с какой степенью точности можно говорить о траекториях микрочастиц. Известно, что движение по траектории характеризуется в любой момент времени определенными значениями координат и скорости.
Для макроскопических тел их волновые свойства не играют никакой роли: координата и скорость макротел могут быть одновременно измерены достаточно точно. Это означает, что для описания движения макротел с абсолютной достоверностью можно пользоваться законами классической механики.
Соотношение неопределенностей неоднократно являлось предметом философских дискуссий, приводивших некоторых философов к его идеалистическому истолкованию: соотношение неопределенностей, не давая возможности одновременно точно определить координаты и импульсы (скорости) частиц, устанавливает границу познаваемости мира, с одной стороны, и существования микрообъектов вне пространства и времени – с другой. На самом деле соотношение неопределенностей не ставит какого-либо предела познанию микромира, а только указывает, насколько применимы к нему понятия классической механики.
Для описания микрообъектов H. Бор сформулировал в 1927 г. принципиальное положение квантовой механики – принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.
Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например, координату частицы и ее скорость (или импульс). В общем случае дополнительными друг к другу являются физические величины, которым соответствуют операторы, не коммутирующие между собой, например, направление и величина момента импульса, кинетическая и потенциальная энергия.
С физической точки зрения принцип дополнительности часто объясняют (следуя Бору) влиянием измерительного прибора (микроскопического объекта) на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из дополнительных величин (например, координаты частицы) с помощью соответствующего прибора другая величина (импульс) в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает полностью неконтролируемое изменение. Хотя такое толкование принципа дополнительности и подтверждается анализом простейших экспериментов, с общей точки зрения оно наталкивается на возражения философского характера. С позиции современной квантовой теории роль прибора в измерениях заключается в «приготовлении» некоторого состояния системы. Состояния, в которых взаимодополнительные величины имели бы одновременно точно определенные значения, принципиально невозможны, причем если одна из таких величин точно определена, то значения другой полностью неопределенны. Таким образом, фактически принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанные с наблюдателем.
4.4. Вероятностный характер микропроцессов
Вероятностные свойства микрочастиц
Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограниченность применения классической механики к микрообъектам, диктуемая принципами дополнительности и неопределенности, а также противоречие целого ряда экспериментов применяемым в начале XX в. теориям привели к новому этапу развития физических представлений окружающего мира, и в особенности микромира – созданию квантовой механики, описывающей свойства микрочастиц с учетом их волновых особенностей. Ее создание и развитие охватывают период с 1900 г. (формулировка Планком квантовой гипотезы) до 20-х годов XX в. и связано прежде всего с работами австрийского физика Э. Шредингера, немецкого физика В. Гейзенберга и английского физика П. Дирака.
В это время возникли новые принципиальные проблемы, в частности проблема, связанная с пониманием физической природы волн де Бройля. Для ее выяснения рассмотрим дифракцию микрочастиц. Дифракционная картина, наблюдаемая для микрочастиц, характеризуется неодинаковым распределением потоков этих частиц, рассеянных или отраженных по различным направлениям: в одних направлениях наблюдается большее число частиц, чем в других. Наличие максимумов в дифракционной картине с точки зрения волновой теории означает, что эти направления соответствуют наибольшей интенсивности волн де Бройля. Вместе с тем интенсивность таких волн оказывается больше там, где имеется большее число частиц, т. е. их интенсивность в данной точке пространства определяет число частиц, попавших в эту точку. Следовательно, дифракционная картина для микрочастиц – это проявление статистической (вероятностной) закономерности, согласно которой частицы попадают в те места, где интенсивность волн де Бройля наибольшая.
Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц – важная отличительная особенность квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т. е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицы в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля неверно уже хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрицательной, что не имеет смысла.
Чтобы устранить эти трудности, немецкий физик М. Борн (1882–1970) в 1926г. предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а амплитуда вероятности, названная волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме.
Итак, в квантовой механике состояние микрочастиц описывается принципиально по-новому – с помощью волновой функции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах.
Статистическое толкование волн де Бройля и соотношение неопределенностей Гейзенберга привели к выводу, что уравнением движения в квантовой механике, описывающим движения микрочастиц в различных силовых полях, должно быть уравнение, из которого вытекали бы наблюдаемые на опыте волновые свойства частиц. Основным должно быть уравнение относительно волновой функции, ибо именно она, или, точнее, ее квадрат определяет вероятность нахождения частицы в заданный момент времени в заданном определенном объеме. Кроме того, искомое уравнение должно учитывать волновые свойства частиц, т. е. должно быть волновым уравнением.
Основное уравнение квантовой механики сформулировано в 1926 г. Э. Шредингером. Уравнение Шредингера, как и многие уравнения физики, не выводится, а постулируется. Правильность данного уравнения Шредингера подтверждается согласием с опытом получаемых с его помощью результатов, что в свою очередь придает ему характер закона природы.
Принципы причинности и соответствия
Из соотношения неопределенностей иногда делают идеалистический вывод о неприменимости принципа причинности к явлениям, происходящим в микромире. При этом основываются на следующих соображениях. В классической механике, согласно принципу причинности – принципу классического детерминизма – по известному состоянию системы в некоторый момент времени (полностью определяемому значениями координат и импульсов всех частиц системы) и силам, приложенным к ней, можно абсолютно точно описать ее состояние в любой последующий момент. Следовательно, классическая физика основывается на следующем понимании причинности: состояние механической системы в начальный момент времени с известным законом взаимодействия частиц есть причина, а ее состояние в последующий момент – следствие.
С другой стороны, микрообъекты не могут иметь одновременно и определенную координату, и определенную соответствующую проекцию импульса, поэтому делается вывод о том, что в начальный момент времени состояние системы точно не определяется. Если же состояние системы точно не определено в начальный момент времени, то не могут быть предсказаны и последующие состояния, т. е. нарушается принцип причинности. Однако никакого нарушения принципа причинности применительно к микрообъектам не наблюдается, поскольку в квантовой механике понятие состояния микрообъекта приобретает совершенно иной смысл, чем в классической механике. В квантовой механике состояние микрообъекта полностью определяется волновой функцией. Задание волновой функции для данного момента времени определяет ее значение в последующие моменты. Таким образом, состояние системы микрочастиц, определенное в квантовой механике, однозначно вытекает из предшествующего состояния, как того требует принцип причинности.
В становлении квантовомеханических представлений важную роль сыграл выдвинутый Н. Бором в 1923 г. принцип соответствия: всякая новая, более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает ее полностью, а включает в себя классическую теорию, указывая границы ее применения, причем в определенных предельных случаях новая теория переходит в старую.
Так, формулы кинематики и динамики релятивистской механики переходят при скоростях, много меньших скорости света, в формулы механики Ньютона. Например, хотя гипотеза де Бройля приписывает волновые свойства всем телам, но волновыми свойствами макроскопических тел можно пренебречь и для них можно применять классическую механику Ньютона.
Общие сведения
Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует также взаимопревращения атомных ядер, происходящие в результате как радиоактивных распадов, так и различных ядерных реакций. К ядерной физике тесно примыкают физика элементарных частиц, физика и техника ускорителей заряженных частиц, ядерная энергетика.
Ядерно-физические исследования имеют огромное научное значение, позволяя продвигаться в понимании строения материи, и в то же время чрезвычайно важны в практическом отношении (в энергетике, медицине и т. д.).
Элементарные частицы – первичные, неразложимые частицы, из которых, как предполагается, состоит вся материя. В современной физике этот термин обычно употребляется не в своем точном значении, а в менее строгом – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, удовлетворяющих условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона. К элементарным частицам относятся протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны, нейтрино трех типов, странные частицы (К-мезоны, гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым очарованием, «очарованные» частицы, промежуточные векторные бозоны и т. п. – всего их несколько сотен, в основном нестабильных. Их число продолжает расти по мере расширения наших знаний. Большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку являются составными системами.
Массы большинства элементарных частиц имеют порядок массы протона, равной 1,7 · 10-24 г. Размеры протона, нейтрона, пи-мезона и других адронов – 10-13 см, а электрона и мюона не определены, но меньше 10-16 см. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения. Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц – способность испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами.
Истинно элементарные частицы
В настоящее время с теоретической точки зрения известны следующие истинно элементарные (на данном этапе развития науки считающиеся неразложимыми) частицы: кварки и лептоны (эти разновидности относятся к частицам вещества), кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны), а также частицы Хиггса.
Каждая пара лептонов объединяется с соответствующей парой кварков в четверку, называемую поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, отличаются лишь массы: второе тяжелее первого, третье тяжелее второго. Предполагается, что в природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц или при взаимодействии космических лучей в атмосфере.
К истинно элементарным частицам относятся кванты полей, создаваемых частицами вещества. Массивные W-бозоны являются переносчиками слабых взаимодействий между кварками и лептонами. Глюоны – переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и сами кварки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются на промежуточных стадиях некоторых реакций. Теория кварков и глюонов называется квантовой хромодинамикой.
Частица с предполагаемым спином 2 – это гравитон. Его существование предсказано теоретически. Однако обнаружить его будет чрезвычайно трудно, так как он очень слабо взаимодействует с веществом.
Наконец, к истинно элементарным частицам относятся частицы Хиггса, или Н-мезоны, и гравитино. Они не обнаружены на опыте, но их существование предполагается во многих современных теоретических моделях.
Антивещество
У многих частиц существуют двойники в виде античастиц, с теми же массой, временем жизни, спином, но отличающиеся знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. (электрон–позитрон, протон–антипротон и др). Существование античастиц было впервые предсказано в 1928 г. английским физиком-теоретиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского движения электрона следовало второе решение для его двойника – позитрона, имеющего туже массу, но положительный электрический заряд.
Античастица позитрон была впервые обнаружена в 1932 г. в космических лучах американским физиком К. Андерсоном (р. 1905), лауреатом Нобелевской премии 1936г.
Характерная особенность поведения частиц и античастиц – их аннигиляция при столкновении, т. е. переход в другие частицы с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и т. п. Типичный пример – взаимоуничтожение электрона и позитрона с выделением энергии при рождении двух фотонов. Аннигиляция может происходить не только при электромагнитном взаимодействии, но и при сильном. Если при низких энергиях аннигиляция происходит с образованием более легких частиц, то при высоких могут рождаться и более тяжелые, чем исходные, если полная энергия сталкивающихся частиц превышает порог рождения новых, равный сумме их энергии покоя.
В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами – все процессы, протекающие с первыми, возможны и аналогичны для вторых. Подобно протонам и нейтронам их античастицы могут образовывать антиядра. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скопления антивещества.
Классификация условно элементарных частиц
В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные (электрон, протон, фотон и нейтрино), квазистабильные (распадающиеся при электромагнитном и слабом взаимодействиях, время их жизни больше 10-20с и резонансы (частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия, характерное время жизни 10-22 - 10-24 с).
В соответствии с четырьмя видами фундаментальных взаимодействий различают соответственно четыре вида элементарных частиц: адроны, участвующие во всех взаимодействиях; лептоны, не участвующие только в сильном взаимодействии (а нейтрино и в электромагнитном); фотон – носитель только в электромагнитного взаимодействия, и гипотетический гравитон – переносчик гравитационного взаимодействия.
Адроны – общее название для частиц, наиболее активно участвующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы – барионы и мезоны.
Барионы – это адроны с полуцелым спином. Самые известные из них – протон и нейтрон. Одним из свойств барионов, отличающим их от других частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда.
Мезоны – адроны с целым спином. Их барионный заряд равен нулю. Большинство из них крайне нестабильны и распадаются за время порядка 10-23. Столь короткоживущие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рождение обнаруживают по косвенным признакам. Например, изучают реакцию аннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения, обнаруживают, что при каком-то ее значении выход адронов резко увеличился. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица. Потом она мгновенно распадается на другие частицы, которые и регистрируются. Такие короткоживущие частицы называются резонансами. Большинство барионов и мезонов – резонансы.
Адроны не являются истинно элементарными частицами Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барион состоит из трех кварков, мезоны построены из кварка и антикварка, кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. В принципе теория допускает существование других адронов, построенных из большего числа или из одного глюонного поля.
Первоначально кварковая модель была предложена для систематики слишком многочисленного семейства адронов. Такая модель включала кварки трех типов или ароматов (в дальнейшем оказалось, что их больше). С помощью кварков удалось разделить адроны на группы, называемые мультиплетами. Частицы одного мультиплета имеют малоотличающиеся массы.
Нуклонный уровень
Примерно через 20 лет после того, как Резерфорд «разглядел» в недрах атома его ядро, был открыт нейтрон – частица по всем своим свойствам такая же, как ядро атома водорода – протон, но только без электрического заряда. Нейтрон оказался чрезвычайно удобен для зондирования внутренности ядер. Поскольку он электрически нейтрален, электрическое поле ядра не отталкивает его – соответственно, даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приблизиться к ядру на расстояния, при которых начинают проявляться ядерные силы. После открытия нейтрона физика микромира двинулась вперед семимильными шагами.
Вскоре после обнаружения нейтрона два физика-теоретика – немецкий Вернер Гейзенберг и советский Дмитрий Иваненко – выдвинули гипотезу о том, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. На ней базируется современное представление о строении ядра.
Протоны и нейтроны объединяются словом нуклон. Протоны – это элементарные частицы, которые являются ядрами атомов легчайшего химического элемента – водорода. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается Z (число нейтронов – N). Протон имеет положительный электрический заряд, по абсолютному значению равный элементарному электрическому заряду. Он примерно в 1836 раз тяжелее электрона. Протон состоит из двух и-кварков с зарядом Q = + 2/3 и одного d-кварка с Q = – 1/3 , связанных глюонным полем. Он имеет конечные размеры порядка 10-15 м, хотя его нельзя представить как твердый шарик, он скорее напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.
Электрический заряд нейтрона равен 0, масса его – примерно 940 МэВ. Нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков. Эта частица устойчива только в составе стабильных атомных ядер, свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Период полураспада нейтрона (время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше времени вследствие сильного поглощения их ядрами. Как и протон, нейтрон участвует во всех видах взаимодействий, в том числе в электромагнитном: при общей нейтральности вследствие сложного внутреннего строения в нем существуют электрические токи.
В ядре нуклоны связаны силами особого рода – ядерными. Одна из характерных их особенностей – короткодействие: на расстояниях порядка 10-15 м и меньше они превышают любые другие силы, вследствие чего нуклоны не разлетаются под действием электростатического отталкивания одноименно заряженных протонов. При больших расстояниях ядерные силы очень быстро уменьшаются до нуля.
Механизм действия ядерных сил основан на том же принципе, что и электромагнитных – на обмене взаимодействующих объектов виртуальными частицами.
Виртуальные частицы в квантовой теории – это частицы, которые имеют такие же квантовые числа (спин, электрический и барионный заряды и др.), как и соответствующие реальные частицы, но для которых не выполняется обычная связь между энергией, импульсом и массой.
Кварки
Гипотезу кварков предложил в 1967 г. американский физик-теоретик М. Гелл-Ман (р. 1929). Кварк – частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом, составной элемент адронов. Это название было заимствовано М. Гелл-Маном в одном из фантастических романов и означает нечто пустяковое и странное.
Помимо спина, кварки имеют еще две внутренние степени свободы – «аромат» и «цвет» (степень свободы – независимое возможное изменение состояния физической системы, обусловленное вариациями ее параметров). Каждый кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний, которые условно называют красным, синим и желтым (только для удобства – никакого отношения к оптическим свойствам это не имеет). В наблюдаемых адронах кварки скомбинированы таким образом, что возникающие состояния не несут цвета – являются «бесцветными». Ароматов известно пять и предполагается наличие шестого. Свойства кварков разных ароматов различны.
Обычное вещество состоит из легких и- и d-кварков, входящих в состав нуклонов ядер. Более тяжелые кварки создаются искусственно или наблюдаются в космических лучах. Здесь слова «создаются» и «наблюдаются» нельзя понимать буквально – ни один кварк не был зарегистрирован в свободном виде, их можно наблюдать только внутри адронов. При попытке выбить кварк из адрона происходит следующее: вылетающий кварк рождает на своем пути из вакуума пары кварк – антикварк, расположенные в порядке убывания скоростей. Один из медленных кварков занимает место исходного, а тот вместе с остальными рожденными кварками и антикварками образует адроны.
Дефект массы и энергия связи
Масса ядра определяется массой входящих в его состав нейтронов и протонов. Поскольку любое ядро состоит из Z протонов и N = А – Z нейтронов, где А– массовое число (число нуклонов в ядре), то, на первый взгляд, масса ядра должна просто равняться сумме масс протонов и нейтронов. Однако, как показывают результаты измерений, реальная масса всегда меньше такой суммы. Их разность получила название дефекта массы  m.
Энергия – одна из важнейших характеристик протекания любых физических процессов. В ядерной физике ее роль особенно велика, поскольку незыблемость закона сохранения энергии позволяет делать достаточно точные расчеты даже в тех случаях, когда многие детали явлений остаются неизвестными.
Разорвать ядро на отдельные нуклоны можно, лишь введя в него извне каким-либо способом энергию не меньше той, что выделилась в процессе его образования. Это и есть полная энергия связи ядра Е св. С ней непосредственно связано происхождение дефекта массы Δm. В соответствии с формулой
Е св = Δmс2
уменьшение энергии системы при образовании ядра на какую-то величину должно неизбежно приводить к уменьшению общей массы. Такое изменение массы происходит при любых процессах, связанных с передачей энергии. Но в привычных для нас явлениях изменения массы относительно малы и незаметны. В ядерных же явлениях из-за большого значения ядерных сил изменение массы весьма значительно. Так, для ядра неона дефект массы составляет почти 1% массы ядра.
Средняя энергия связи одного нуклона в ядре
Если разделить величину «ушедшей» при образовании ядра энергии на полное число нуклонов, то получится средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре, или удельная энергия связи, равная Есв /А. Удельная энергия связи зависит от массового числа. Для большинства ядер значения средней удельной энергии связи оказываются примерно одинаковыми (исключение составляют легкие и тяжелые ядра).
У каждого нуклона есть ограниченный запас возможностей взаимодействия, и если этот запас уже израсходован на связь с двумя-тремя соседними нуклонами, то остальные связи оказываются ослабленными даже на очень близких расстояниях.
Наиболее прочными являются ядра со средними массовыми числами. В легких ядрах все или почти все нуклоны лежат на поверхности ядра, и поэтому не в полной мере используют свои возможности взаимодействия, что несколько уменьшает удельную энергию связи. С ростом массового числа увеличивается доля нуклонов, лежащих внутри ядра, которые используют свои возможности полностью, поэтому значение удельной энергии связи постепенно увеличивается. При дальнейшем увеличении массового числа начинает все сильнее сказываться взаимное отталкивание электрических зарядов протонов, которое стремится разорвать ядро и поэтому уменьшает удельную энергию связи. Это приводит к тому, что все тяжелые ядра оказываются нестабильными.
Радиоактивность
Французский физик А.А. Беккерель (1852–1908) 1 марта 1896г. обнаружил почернение фотопластинки под действием невидимых лучей сильной проникающей способности, испускаемых солью урана. Вскоре он выяснил, что спрсобностью лучеиспускания обладает сам уран. Радиоактивность (такое название получило открытое явление) оказалась привилегией самых тяжелых элементов таблицы Менделеева. Это явление определяют как самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного элемента в изотоп другого, при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия (альфа-частиц). Было установлено, что радиоактивность – весьма распространенное явление.
Атомные ядра, которые отличаются числом нейтронов и протонов, имеют общее название – нуклиды. Из 1500 известных нуклидов только 265 – стабильные. Среди элементов, содержащихся в земной коре, радиоактивными являются все с порядковыми номерами более 83, т. е. расположенные в периодической системе после висмута. У них вообще нет стабильных изотопов (изотопы – разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся числом нейтронов в составе ядра). Естественная радиоактивность обнаружена у отдельных изотопов и других элементов. Природные радиоактивные изотопы подвержены распаду, сопровождающемуся испусканием альфа- или бета-частиц (очень редко обоих видов).
В 1940 г. советские ученые Г.Н. Флеров и К.А. Петржак обнаружили новый вид. радиоактивных превращений – спонтанное деление ядер. Испускание гамма-лучей не приводит к превращениям элементов и потому не считается видом радиоактивных превращений. Таким образом, число способов радиоактивного распада природных изотопов весьма ограниченно.
Тем не менее ныне известны и другие способы. Они были открыты или предсказаны после того, как в 1934г. французские физики, супруги Ирен (1897– 1956) и Фредерик (1900–1958) Жолио-Кюри, наблюдали явление искусственной радиоактивности. В результате ядерных реакций (например, при облучении различных элементов альфа-частицами или нейтронами) образуются не существующие в природе радиоактивные изотопы. И. и Ф. Жолио-Кюри осуществили ядерную реакцию, продуктом которой был радиоактивный изотоп фосфора с массовым числом 30. Данный вид превращений называют бета-плюс распадом, подразумевая под бета-минус испускание электрона. В ходе бета-плюс распада заряд ядра уменьшается на 1. Такое же его изменение происходит при так называемом орбитальном захвате: некоторые ядра могут захватывать электрон с ближайших оболочек. Это тоже вид радиоактивных превращений. Принято бета-плюс, бета-минус распады и эпсилон-захват объединять под общим названием бета-распада. Физики-теоретики предсказали возможность двойного бета-превращения, при котором одновременно испускаются два электрона или два позитрона. На практике такое превращение пока не обнаружено. Наблюдалась также протонная и двухпротонная радиоактивность. Всем этим видам превращений подвержены только искусственные изотопы, не встречающиеся в природе.
Радиоактивность характеризуется не только видом испускаемых частиц, но и их энергией, которая может в миллионы раз превосходить энергию химических процессов. Для каждого отдельного ядра предсказать заранее момент распада абсолютно невозможно. Время жизни ядра – случайная величина. На скорость радиоактивного распада нельзя повлиять внешними факторами –давлением, температурой и др. Спонтанный характер распада – одна из наиболее важных его особенностей.
Хотя все ядра живут разное время от момента образования до момента распада, для каждого радиоактивного вещества существует вполне определенное среднее время жизни ядер. Скорость распада подчиняется закону радиоактивного распада, выраженному формулой
N t = N0e-λt,
где λ – постоянная радиоактивного распада, N t – число нераспавшихся ядер в момент времени t; N0 – начальное число нераспавшихся ядер (в момент t=0).
Цепная реакция деления ядер урана
Эта реакция была открыта в 1939г.: выяснилось, что при попадании в ядро одного нейтрона оно делится на две-три части. При делении одного ядра освобождается около 200 МэВ энергии. На кинетическую энергию движения осколков уходит около 165 МэВ, остальное уносит гамма-излучение (часть электромагнитного излучения с очень малой длиной волны) – поток фотонов. Можно подсчитать, что при полном делении 1 кг урана выделится 80 000 млрд. Дж. Это в несколько миллионов раз больше, чем при сжигании 1 кг угля или нефти. Было бы удивительно такую энергию не использовать.
В 1939 г. было обнаружено, что при делении ядер урана, кроме осколков, вылетают также 2–3 свободных нейтрона. При благоприятных условиях они могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Цепная ядерная реакция
Практическое осуществление ценных реакций затруднено некоторыми обстоятельствами. В частности, вторичные нейтроны способны вызывать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235, для разрушения же ядер изотопа урана-238 их энергия оказывается недостаточной. В природном уране содержится примерно 0,7% урана-235. Необходимое условие для осуществления цепной реакции – наличие достаточно большого количества урана-235, так как в образце малых размеров большинство нейтронов пролетает насквозь, не попав ни в одно ядро. Минимальная (критическая) масса для чистого урана-235 составляет несколько десятков килограммов.
Термоядерный синтез
В связи с тем, что между атомными ядрами на малых расстояниях действуют ядерные силы притяжения, при сближении двух ядер возможно их слияние, т. е. синтез более тяжелого ядра. Чтобы ядра могли преодолеть электростатическое отталкивание и сблизиться, они должны обладать достаточной кинетической энергией. Соответственно проще всего осуществляется синтез легких ядер с малым электрическим зарядом.
В природе реакции синтеза происходят в очень горячем веществе, например в недрах звезд, где при температуре порядка 14 млн. градусов (центр Солнца) энергия теплового движения некоторых частиц достаточна для преодоления отталкивания. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называют термоядерным.
Особенность термоядерных реакций как источника энергии – очень большое ее выделение на единицу массы реагирующих веществ – в 10 млн. раз больше, чем в химических реакциях. Вступление в синтез 1 г изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 т бензина. В принципе уже сегодня энергию термоядерного синтеза можно получить на Земле. Нагреть вещество до звездных температур можно, используя энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба, где взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и к последующему термоядерному взрыву. Однако это неуправляемый процесс.
Для осуществления управляемого ядерного синтеза требуется несколько условий. Во-первых, нужно нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Во-вторых, необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергии, чем ее затрачивается на нагрев вещества (или, еще лучше, чтобы рождающиеся быстрые частицы сами поддерживали требуемую температуру). Это возможно при условии хорошей изоляции.
Легче всего осуществить синтез между тяжелыми изотопами водорода – дейтерием и тритием (рис. 4.3). Дейтерий имеется на Земле в огромных количествах в морской воде (1 атом на 6000 атомов водорода); тритий можно получить искусственно, облучая литий нейтронами.
Рис. 4.3. Термоядерный синтез
Для осуществления термоядерной реакции наиболее выгодна температура около 100 млн. градусов. Что касается времени удержания энергии, т. е. качества изоляции, то в данном случае условие следующее: плазма с плотностью 1014 ионов в 1 см3 должна заметно остывать не быстрее чем за 1 секунду.
Удержание плазмы от попадания на теплоизолирующие стенки осуществляется при помощи магнитных полей, направляющих поток частиц по спирали, замкнутой в кольцо. Ввиду того, что плазма состоит из ионов и электронов, магнитное поле имеет на нее прямое влияние.
Для нагрева можно использовать ток, протекающий по плазменному «шнуру». Есть и другие способы нагрева – с помощью высокочастотных электромагнитных волн, пучков быстрых частиц, световыми пучками, генерируемыми лазерами. Чем больше мощность нагревающего устройства, тем быстрее можно нагреть плазму до требуемой температуры. Последние разработки позволяют это делать за столь малое время, что вещество успевает вступить в реакцию синтеза раньше, чем разлететься из-за теплового движения. В таких условиях дополнительная термоизоляция оказывается ненужной. Единственное, что удерживает частицы от разлетания, это их собственная инерция. Данное направление – инерционный термоядерный синтез в последнее время усиленно развивается.
Развитие теории
Новейшие достижения физики элементарных частиц явно выделили из общего их числа группу частиц – возможных кандидатов на роль истинно элементарных. Многие вопросы, однако, требуют дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное число лептонов, кварков и различных векторных частиц и существуют ли физические принципы, его определяющие. Не вполне ясны причины деления частиц со спином 1/2 на лептоны и кварки и происхождение их внутренних квантовых чисел.
Современные теории исходят из того, что частицы являются точечными объектами и что четырехмерное пространство-время остается непрерывным и неискривленным вплоть до самых малых расстояний. В действительности указанные предположения, по-видимому, неверны, так как частицы, очевидно, должны быть материальными объектами конечной протяженности, а пространство-время в масштабах 10-33 см меняет свои свойства под действием гравитации и образует нечто вроде квантов. Учет этих обстоятельств открывает путь к созданию единой теории взаимодействия.
Современные ускорители
Полученные в ускорителе управляемые пучки быстрых частиц оказались единственным подходящим инструментом для операций внутри атомов и атомных ядер, для исследования специфики и структуры ядерных частиц. Но для этого нужна энергия в десятки, сотни и даже тысячи ГэВ (гигаэлектрон-вольт; 1 ГэВ = 109 эВ). Так что отнюдь не случайно область фундаментальных исследований строения материи называется физикой высоких энергий. Если бы ускорители, рассчитанные на высокие энергии, делались по принципу телевизионной трубки линейными, то, как показывают расчеты, их размеры достигали бы многих сотен километров. Поэтому ускоритель как бы сворачивают в кольцо, заставляя частицы многократно проходить участки, где действует ускоряющее электрическое поле. Чем выше энергия частиц, тем труднее завернуть их, пустить по круговой траектории, тем более сильные заворачивающие магнитные поля нужны для этого. Кроме того, одноименно заряженные частицы в пучке взаимно отталкиваются, и рассеиваются на остатках атмосферы в вакуумной трубе ускорителя. Поэтому наряду с поворачивающими магнитами нужны и магниты фокусирующие, сжимающие частицы в тонкий пучок. Максимальная энергия современных ускорителей ограничивается разумным пределом размеров и стоимости именно магнитной системы, наиболее громоздкой и дорогостоящей.
Сформированный ускорителем пучок частиц (обычно это электроны или примерно в 2000 раз более тяжелые протоны) направляют на специально подобранную, исходя из задач эксперимента, мишень, при соударении с которой рождается множество разнообразных вторичных частиц. С помощью достаточно сложных систем – детекторов – эти частицы регистрируют, определяют их массу, электрический заряд, скорость и многие другие характеристики. Затем путем сложной математической обработки этой информации на ЭВМ восстанавливают траекторию движения и всю картину взаимодействия ускоренной частицы с веществом мишени. И, наконец, сопоставляя результаты измерений с предварительным расчетом, делают выводы о параметрах теоретической модели взаимодействия. Именно здесь и добывается новое знание о свойствах внутриядерных частиц. Очень может быть, что именно знания, которые даст нам физика высоких энергий, позволят создать новую энергетику – энергетику XXI в., которая положит конец тотальному уничтожению ресурсов нашей планеты.
Вместо неподвижной мишени можно использовать и встречный ускоренный пучок частиц. Это позволяет при соответствующей компоновке ускорителей гораздо эффективнее использовать энергию их пучков. Такие самые современные ускорители на встречных пучках называют коллайдерами. В мире пока всего несколько коллайдеров. Они находятся в США, Японии, Германии, а также в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), базирующейся в Швейцарии. Наша страна много лет также была среди лидеров в разработке и строительстве ускорителей и соответственно в физике высоких энергий. Так, в частности, были в свое время «мировыми рекордсменами» по энергии ускоренных протонов и по своим размерам построенный в 1956 г. синхрофазотрон в Дубне (энергия 10 ГэВ, длина орбиты частиц около 200 м, вес кольцевого электромагнита 40 тыс. т), а затем – построенный в 1967 г. синхротрон в городе Протвино близ Серпухова (энергия 70 ГэВ, длина орбиты 1,5 км, вес электромагнита 22 тыс. т). С помощью этих устройств был получен целый ряд фундаментальных результатов и сделано несколько открытий. Были, например, впервые зарегистрированы ядра антивещества и обнаружен так называемый «серпуховский эффект» – возрастание полных сечений адронных взаимодействий (величин, определяющих ход реакции двух сталкивающихся частиц) и многое другое.
Ускоритель У-70 Института физики высоких энергий в Протвино поныне остается крупнейшим в России. На нем проводят исследования физики из многих лабораторий нашей страны и стран СНГ, выполняется ряд совместных с Западом физических программ. В ходе его реконструкции для начальной стадии ускорения был установлен первый в мире линейный ускоритель с высокочастотной фокусировкой, без магнитов, а также введен в действие «промежуточный» синхротрон на энергию 1,5 ГэВ диаметром 30 м. В результате этой модернизации интенсивность протонного пучка (грубо говоря, количество частиц в пучке) была усилена на порядок, что позволило даже после появления за рубежом более мощных ускорителей сохранить интерес физиков к отечественной исследовательской программе. Одновременно был разработан проект нового ускорителя УНК (ускорительно-накопительный комплекс), который на долгое время мог стать наиболее мощным в мире и привлечь лучшие силы мирового физического общества. Уже в 1983 г., после принятия соответствующего правительственного решения, в Протвино начались работы по сооружению УНК, который в итоге должен был обеспечивать энергию 3000 ГэВ – это втрое превышает энергию наиболее мощного сейчас в мире ускорителя лаборатории имени Э. Ферми (ФНАЛ) в США.
Для УНК прорыли кольцевой тоннель длиной 21 км и диаметром около 5 м (по размерам он сопоставим с кольцевой линией московского метро). В нем планировали установить сверхпроводящие магниты, которые уже прошли испытания. Однако с распадом СССР хозяйственные связи прервались, и завод в Усть-Каменогорске, где производили сверхпроводник, оказался заграничным. Было решено пустить первую очередь новой установки, используя обычные магниты, что обеспечит энергию 600 ГэВ (ее назвали У-600). Для этого необходимо установить по кольцу более двух тысяч магнитов весом около 10 т каждый, что оценивается примерно в 150 млн. долларов и составляет лишь малую часть от уже вложенных средств. В 1997 г. руководители Минатома предложили форсировать работы и завершить их за три года.
Лет через десять будет завершено сооружение самого крупного в мире ускорителя заряженных частиц – большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider – LHC) в Женеве, в 27-километровом подземном тоннеле на границе между Швейцарией и Францией. Физики надеются, что при немыслимых сегодня энергиях сталкивающихся частиц (порядка 10 трлн. электрон-вольт) можно будет наконец-то получить недостающие пока сведения о глубинных механизмах их взаимодействия внутри ядра и выстроить непротиворечивую картину мироздания. Кроме того, новые знания непременно дадут новые пути для утоления «энергетических аппетитов» человечества без тотального уничтожения земных ресурсов – задача необходимая и благородная.
Россия, в понимании европейских ученых, имеет уникальную научно-техническую культуру, значение которой в общем мировом процессе познания трудно переоценить. Снижение ее уровня, а тем более ее утрата была бы тяжким ударом по прогрессу человечества, и поэтому сотрудничество с российскими учеными обязано продолжаться и укрепляться на пользу обеим сторонам.
В программе LHC российская физика будет представлена вполне достойно. Речь идет не только о сооружении самого ускорителя на сверхпроводящих магнитах, но и о создании грандиозной экспериментальной техники. Ускоритель сам по себе – это только «локомотив» научного поиска, а весь «полезный груз» доставляют детекторы частиц и излучений. На большом ускорителе и размеры детекторов поражают воображение. Один из них – самый крупный, названный проектировщиками АТЛАС, – представляет собой размещенный под землей цилиндр длиной 26 и диаметром 20 м, общим весом 7 тыс. т, со сложнейшей аппаратурой.
При создании детектора АТЛАС и для проведения экспериментов на нем сложилась международная команда в полторы тысячи человек из трех десятков стран. И дело здесь не только в масштабах установки. Новая физика отличается от прежней сильнее, чем заводской конвейер от кустарной мастерской. Достаточно сказать, что АТЛАС станет выдавать поток данных, эквивалентный информации, циркулирующей сегодня во всех европейских компьютерных сетях.
Согласно одному из греческих мифов, Атлас был титаном, которому пришлось в наказание за непослушание богам Олимпа удерживать небосвод на своих плечах. Продолжая параллель, можно сказать, что женевский АТЛАС призван укрепить и поддержать своими мощными усилиями все здание современной физики. Но это не наказание, а плод совместного творчества множества ученых из многих стран и основа благополучного существования всех тех людей, которые далеки от науки, но пользуются ее плодами.
Структурная нейтронография
Стремясь проникнуть в глубь вещества и изучить его структуру, исследователи создавали все более эффективные инструменты и методы. На смену оптическому микроскопу пришел электронный микроскоп с несравненно более высоким разрешением. Рентгеноструктурный анализ позволил «увидеть» форму атомной решетки кристалла и даже проследить за ее изменениями под действием внешних условий например, при изменении температуры и давления. Сравнительно недавно были созданы, развиты и усовершенствованы новые методы изучения вещества, основанные на рассеянии в нем нейтронов.
Нейтрон, как и любая другая частица, одновременно обладает и свойствами волны. Поэтому поток нейтронов можно рассматривать как очень коротковолновое излучение (характерная длина волны – порядка 0,03 нм, или 0,3 ангстрема). Проходя через вещество, нейтроны испытывают дифракцию – рассеяние на отдельных атомах, при котором из начального пучка частиц возникают дополнительные отклоненные потоки. Их направление и интенсивность зависят от строения рассеивающего объекта. В кристалле, например, можно выделить набор правильных атомных слоев – кристаллографических плоскостей, при отражении от которых потоки нейтронов меняют интенсивность. Максимумы интенсивности возникают в направлениях, где на разности путей двух отраженных пучков укладывается целое число их волн. Это условие рассеяния волн кристаллом было обнаружено в 1913г. английским физиком У.Л. Брэггом (1890–1971) и советским Г.В. Вульфом (1863–1925) для рентгеновского излучения; оно справедливо и для любых других волн. Измеряя углы рассеяния нейтронов, можно воссоздать атомную структуру вещества.
За основополагающие работы по исследованию законов рассеяния нейтронов и за создание принципиально новых методов исследования жидкостей и твердых тел – структурной нейтронографии – Королевская Академия наук Швеции присудила в 1994 г. Нобелевскую премию по физике американскому физику Клифорду Шаллу и канадскому исследователю Бертрому Брокгаузу.
Структурная нейтронография позволяет проследить за поведением каждого атома. На рис. 4.4 показана проекция упругого рассеяния нейтронов в кристалле КН2РО4 вблизи водородной связи О–Н–О. Видны два атома кислорода (сплошные линии) и два атома водорода (пунктирные линии). Расстояние между ними при комнатной температуре (293К) – порядка 10-12 см (рис. 4.4,а). Понижение температуры до 77 К вызвало фазовый переход, при котором один атом водорода приблизился к атому кислорода на 0,37 · 10-12 см (рис. 4.4,б).
Рис. 4.4. Картина упругого рассеяния нейтронов при
комнатной (а) и низкой (б) температурах
Нейтронография – одно из крупнейших достижений ядерной физики последнего времени. Она отрывает широкие возможности микроскопических исследований многообразных не только физических, о и химических, и биологических объектов. Такое многогранное применение нейтронографии, по сути физического метода, свидетельствует о тесной взаимосвязи различных отраслей современного естествонания: физики, химии, биологии.
1. Дайте краткую характеристику модели атома Томсона.
2. Охарактеризуйте планетарную модель атома.
3. Можно ли с помощью теории Бора объяснить структуру атомов всех элементов таблицы Менделеева?
4. В чем сущность принципа неопределенности?
5. Сформулируйте принцип дополнительности.
6. Кто и когда сформулировал основное уравнение нерелятивистской квантовой механики?
7. В чем заключается принцип причинности для микропроцессов?
8. Назовите основные характеристики элементарных частиц.
9. Кто и когда предсказал существование античастиц?
10. Из каких частиц состоит атомное ядро?
11. Кто и когда предложил гипотезу кварков?
12. Дайте краткую характеристику цепной реакции деления урана.
13. Охарактеризуйте термоядерный синтез. При какой температуре он реализуется?
14. Приведите характеристики современных ускорителей.
15. В чем заключается сущность структурной нейтронографии ?
.
Комментарии (3)
Обратно в раздел Наука
|
|
