Анри Бекерел

Някога учените вярваха, че атомите са най-малките частици. Но преди сто години те откриха, че дори атомите могат да бъдат разделени на много по-малки частици. Именно благодарение на това стана възможно създаването на атомната бомба. През 1896 г. френски учен Анри Бекерел(1852-1908) случайно открива, че някои атоми са „радиоактивни“, тоест излъчват лъчи.

На следващата година английският учен Дж. Дж. Томсън(1856-1940) забеляза, че светлинните електрически лъчи всъщност са електрически заредени частици, чийто размер е многократно по-малък от атом. Доказано е, че тези частици - електрони - се намират в атомите.

Ърнест Ръдърфорд

Малко по-късно английски учен Ърнест Ръдърфорд(1871-1937) открива, че радиоактивността не е нищо повече от разделяне на атоми, за да се образуват други атоми. Докато се разпадат, тези атоми също излъчват потоци от частици, които той нарича алфа и бета частици. През 1911 г. Ръдърфорд насочва потоци от алфа частици към златно фолио.

Повечето от тях минаха направо през него. но няколко отскочиха. Той разбра, че атомите не са твърди парчета материя, както се смяташе преди, а са основно празно пространство и следователно частиците обикновено преминават през фолиото. Но те имат малки и плътни централни положително заредени части - ядрата, и именно срещу тях се удрят малкото отскочили частици. През 1912 г. датски учен започва да работи с Ръдърфорд Нилс Бор(1885-1962). Бор предложи. че всеки тип атом има различен брой електрони, които кръжат на различни разстояния около ядрото, като планети в слънчева орбита. Днес знаем, че електроните приличат повече на размити облаци от енергия, отколкото на планети, но идеята на Бор е по същество правилна.

Разделяне на атома През 1919 г. Ръдърфорд успява да раздели атомите за първи път. Той изстрелва алфа частици към азотния газ, което кара водородните ядра да се отделят от азотните ядра. Тогава Ръдърфордстига до извода, че всички атомни ядра са изградени от водородни ядра, които той нарича протони. През 1932 г. англичанин Джеймс Чадуик(1891-1974) открива друга частица в ядрото - неутронът. Неутроните нямат електрически заряд, за разлика от неутроните, които имат положителен заряд, който балансира отрицателния заряд на електроните.

италиански учен Енрико Ферми(1901-1954) се зае да разбере какво би се случило, ако поток от неутрони бъде насочен към най-големия познат атом – атома на урана. Той вярваше, че неутроните ще се комбинират с урана и ще образуват още по-голям атом.

Всъщност, както показа австрийският физик Лиз Майтнер(1878-1968), атомът на урана се разделя на две части, образувайки по-малки атоми като барий. В същото време бяха освободени и допълнителни неутрони. Ако тези неутрони след това на свой ред разделят други атоми на уран, може да започне „верижна реакция“ на сблъсъци и разцепвания. Учените осъзнаха, че когато атомните ядра се разделят в такава верижна реакция, се освобождава огромно количество енергия.

Тази енергия е достатъчна, за да създаде невероятно мощна бомба. Възползвайки се от тази идея, група учени, ръководени от американеца Робърт Опенхаймер (1904-1967), създават първата атомна бомба. През август 1945 г., по време на Втората световна война (1939-1945), американски уранови бомби са хвърлени върху японските градове Хирошима и Нагасаки. Това доведе до ужасяващи и разрушителни последици.

6. Светът на субатомните частици

Разделяне на атома

Често се казва, че има два вида науки - големи и малки науки. Разделянето на атома е голяма наука. Разполага с гигантски експериментални съоръжения, колосални бюджети и получава лъвския дял от Нобеловите награди.

Защо физиците трябваше да разделят атома? Простият отговор - да разберем как работи атомът - съдържа само част от истината, но има и по-обща причина. Не е съвсем правилно да се говори буквално за разцепването на атома. Реално става дума за сблъсък на високоенергийни частици. Когато субатомни частици, движещи се с високи скорости, се сблъскат, се ражда нов свят от взаимодействия и полета. Фрагментите материя, носещи огромна енергия, разпръсквайки се след сблъсъци, крият тайните на природата, които от „сътворението на света” са останали заровени в дълбините на атома.

Инсталациите, където се сблъскват високоенергийни частици - ускорители на частици - са поразителни по размер и цена. Те достигат няколко километра напречно, което прави дори лабораториите, които изучават сблъсъци на частици, да изглеждат малки в сравнение с тях. В други области на научните изследвания оборудването се намира в лаборатория; във физиката на високите енергии лабораториите са прикрепени към ускорител. Наскоро Европейският център за ядрени изследвания (CERN), разположен близо до Женева, отпусна няколкостотин милиона долара за изграждането на пръстеновиден ускорител. Обиколката на изграждания за целта тунел достига 27 км. Ускорителят, наречен LEP (Large Electron-Positron ring), е проектиран да ускорява електрони и техните античастици (позитрони) до скорости, които са само на косъм от скоростта на светлината. За да получите представа за мащаба на енергията, представете си, че вместо електрони монета от стотинка се ускорява до такива скорости. В края на цикъла на ускоряване той ще има достатъчно енергия, за да произведе електроенергия на стойност 1000 милиона долара! Не е изненадващо, че подобни експерименти обикновено се класифицират като физика на „високи енергии“. Движейки се един към друг вътре в пръстена, лъчите от електрони и позитрони изпитват челен сблъсък, при който електроните и позитроните анихилират, освобождавайки енергия, достатъчна за производството на десетки други частици.

Какви са тези частици? Някои от тях са самите „градивни елементи“, от които сме изградени: протони и неутрони, които изграждат атомните ядра, и електрони, обикалящи около ядрата. Други частици обикновено не се намират в материята около нас: техният живот е изключително кратък и след изтичането му те се разпадат на обикновени частици. Броят на разновидностите на такива нестабилни краткотрайни частици е удивителен: вече са известни няколкостотин от тях. Подобно на звездите, нестабилните частици са твърде много, за да бъдат идентифицирани по име. Много от тях са обозначени само с гръцки букви, а някои само с цифри.

Важно е да се има предвид, че всички тези многобройни и разнообразни нестабилни частици в никакъв случай не са буквално компонентипротони, неутрони или електрони. При сблъсък високоенергийните електрони и позитрони не се разпръскват на множество субатомни фрагменти. Дори при сблъсъци на високоенергийни протони, които очевидно се състоят от други обекти (кварки), те, като правило, не се разделят на съставните си части в обичайния смисъл. Това, което се случва при такива сблъсъци, е по-добре да се разглежда като директно създаване на нови частици от енергията на сблъсъка.

Преди около двадесет години физиците бяха напълно объркани от броя и разнообразието на новите субатомни частици, които изглеждаха безкрайни. Беше невъзможно да се разбере За каквотолкова много частици. Може би елементарните частици са като обитателите на зоологическата градина, с имплицитната семейна принадлежност, но без ясна таксономия. Или може би, както смятат някои оптимисти, елементарните частици държат ключа към Вселената? Какви са частиците, наблюдавани от физиците: незначителни и произволни фрагменти от материя или очертанията на смътно възприеман ред, възникващ пред очите ни, показващ съществуването на богата и сложна структура на субядрения свят? Сега няма съмнение за съществуването на такава структура. Има дълбок и рационален ред в микросвета и ние започваме да разбираме значението на всички тези частици.

Първата стъпка към разбирането на микросвета е направена в резултат на систематизирането на всички известни частици, както през 18 век. биолози съставиха подробни каталози на растителни и животински видове. Най-важните характеристики на субатомните частици включват маса, електрически заряд и спин.

Тъй като масата и теглото са свързани, частиците с голяма маса често се наричат ​​"тежки". Връзката на Айнщайн E =mc^ 2 показва, че масата на една частица зависи от нейната енергия и следователно от нейната скорост. Движещата се частица е по-тежка от неподвижната. Когато говорят за масата на една частица, те имат предвид това маса на почивка,тъй като тази маса не зависи от състоянието на движение. Частица с нулева маса на покой се движи със скоростта на светлината. Най-очевидният пример за частица с нулева маса на покой е фотонът. Смята се, че електронът е най-леката частица с ненулева маса на покой. Протонът и неутронът са почти 2000 пъти по-тежки, докато най-тежката частица, създадена в лабораторията (Z-частицата), е около 200 000 пъти по-голяма от масата на електрона.

Електрическият заряд на частиците варира в доста тесен диапазон, но, както отбелязахме, той винаги е кратен на основната единица заряд. Някои частици, като фотони и неутрино, нямат електрически заряд. Ако зарядът на положително зареден протон се приеме за +1, тогава зарядът на електрона е -1.

В гл. 2 въведохме друга характеристика на частиците - спин. Също така винаги приема стойности, които са кратни на някаква фундаментална единица, която по исторически причини е избрана да бъде 1 /2. Така протонът, неутронът и електронът имат спин 1/2, а спинът на фотона е 1. Частици със спин 0, 3/2 и 2 също са известни. Фундаменталните частици със спин по-голям от 2 не са открити и теоретиците смятат, че частици с такива спинове не съществуват.

Спинът на една частица е важна характеристика и в зависимост от нейната стойност всички частици се разделят на два класа. Частиците със спинове 0, 1 и 2 се наричат ​​„бозони“ – на името на индийския физик Чатиендранат Бозе, а частиците с полуцяло спин (т.е. със спин 1/2 или 3/2) - „фермиони“ в чест на Енрико Ферми. Принадлежността към един от тези два класа е може би най-важният в списъка с характеристики на една частица.

Друга важна характеристика на частицата е нейният живот. Доскоро се смяташе, че електроните, протоните, фотоните и неутриното са абсолютно стабилни, т.е. имат безкрайно дълъг живот. Неутронът остава стабилен, докато е "затворен" в ядрото, но свободният неутрон се разпада за около 15 минути. Всички останали известни частици са силно нестабилни, техният живот варира от няколко микросекунди до 10-23 s. Такива времеви интервали изглеждат непонятно малки, но не бива да забравяме, че частица, летяща със скорост, близка до скоростта на светлината (а повечето частици, родени в ускорителите, се движат точно с такива скорости), успява да прелети разстояние от 300 m за микросекунда.

Нестабилните частици претърпяват разпад, което е квантов процес и следователно винаги има елемент на непредсказуемост в разпада. Продължителността на живота на дадена частица не може да бъде предвидена предварително. Въз основа на статистически съображения може да се предвиди само средната продължителност на живота. Обикновено те говорят за времето на полуразпад на една частица - времето, през което популацията от идентични частици намалява наполовина. Експериментът показва, че намаляването на размера на популацията става експоненциално (виж Фиг. 6) и полуживотът е 0,693 от средното време на живот.

За физиците не е достатъчно да знаят, че тази или онази частица съществува - те се стремят да разберат каква е нейната роля. Отговорът на този въпрос зависи от свойствата на частиците, изброени по-горе, както и от природата на силите, действащи върху частицата отвън и вътре в нея. На първо място, свойствата на една частица се определят от нейната способност (или неспособност) да участва в силни взаимодействия. Частиците, участващи в силни взаимодействия, образуват специален клас и се наричат андрони.Частиците, които участват в слаби взаимодействия и не участват в силни взаимодействия, се наричат лептони,което означава "бели дробове". Нека разгледаме накратко всяко от тези семейства.

лептони

Най-известният от лептоните е електронът. Както всички лептони, изглежда, че е елементарен, точков обект. Доколкото е известно, електронът няма вътрешна структура, т.е. не се състои от никакви други частици. Въпреки че лептоните могат или не могат да имат електрически заряд, всички те имат едно и също въртене 1/2, следователно те се класифицират като фермиони.

Друг известен лептон, но без заряд, е неутриното. Както вече беше споменато в гл. 2, неутриното са неуловими като призраците. Тъй като неутриното не участват нито в силните, нито в електромагнитните взаимодействия, те почти напълно игнорират материята, прониквайки през нея, сякаш тя изобщо не съществува. Високата проникваща способност на неутриното за дълго време направи много трудно експерименталното потвърждаване на тяхното съществуване. Само почти три десетилетия след предсказването на неутриното те най-накрая бяха открити в лабораторията. Физиците трябваше да изчакат създаването на ядрени реактори, по време на които се излъчват огромен брой неутрино, и едва тогава успяха да регистрират челния сблъсък на една частица с ядро ​​и по този начин да докажат, че то наистина съществува. Днес е възможно да се извършват много повече експерименти с неутрино лъчи, които възникват от разпадането на частици в ускорител и имат необходимите характеристики. По-голямата част от неутриното "пренебрегват" целта, но от време на време неутриното взаимодействат с целта, което предоставя полезна информация за структурата на други частици и природата на слабата сила. Разбира се, провеждането на експерименти с неутрино, за разлика от експериментите с други субатомни частици, не изисква използването на специална защита. Проникващата способност на неутриното е толкова голяма, че те са напълно безвредни и преминават през човешкото тяло, без да му причинят ни най-малко вреда.

Въпреки своята неосезаемост, неутриното заемат специална позиция сред другите познати частици, тъй като те са най-разпространените частици във Вселената, превъзхождащи по брой електроните и протоните с милиард към едно. Вселената по същество е море от неутрино, с случайни включвания под формата на атоми. Възможно е дори общата маса на неутриното да надвишава общата маса на звездите и следователно именно неутриното дават основния принос за космическата гравитация. Според група съветски изследователи неутриното имат малка, но не нулева маса на покой (по-малко от една десет хилядна от масата на електрона); ако това е вярно, тогава гравитационните неутрино доминират във Вселената, което в бъдеще може да причини нейния колапс. Така неутриното, на пръв поглед най-„безобидните“ и безтелесни частици, са в състояние да предизвикат колапса на цялата Вселена.

Сред другите лептони трябва да се спомене мюонът, открит през 1936 г. в продуктите на взаимодействието на космическите лъчи; се оказа една от първите известни нестабилни субатомни частици. Във всички отношения, с изключение на стабилността, мюонът прилича на електрон: има същия заряд и въртене, участва в същите взаимодействия, но има по-голяма маса. За около две милионни от секундата мюонът се разпада на електрон и две неутрино. Мюоните са широко разпространени в природата и представляват значителна част от фоновото космическо лъчение, което се открива на повърхността на Земята от брояч на Гайгер.

В продължение на много години електронът и мюонът остават единствените известни заредени лептони. След това, в края на 70-те години, е открит трети зареден лептон, наречен тау лептон. С маса от около 3500 електронни маси, тау лептонът очевидно е „тежката категория“ от триото заредени лептони, но във всички други отношения той се държи като електрон и мюон.

Този списък с известни лептони в никакъв случай не е изчерпан. През 60-те години е открито, че има няколко вида неутрино. Неутрино от един тип се раждат заедно с електрон по време на разпада на неутрон, а неутрино от друг тип се раждат по време на раждането на мюон. Всеки тип неутрино съществува по двойки със собствен зареден лептон; следователно има "електронно неутрино" и "мюонно неутрино". По всяка вероятност би трябвало да има и трети вид неутрино - съпътстващо раждането на тау лептона. В този случай общият брой на разновидностите на неутрино е три, а общият брой на лептоните е шест (Таблица 1). Разбира се, всеки лептон има своя собствена античастица; така общият брой на различните лептони е дванадесет.

маса 1

Шест лептона съответстват на заредени и неутрални модификации (античастиците не са включени в таблицата). Масата и зарядът се изразяват съответно в единици маса и заряд на електрона. Има доказателства, че неутриното може да има малка маса

адрони

За разлика от шепата известни лептони, има буквално стотици адрони. Само това предполага, че адроните не са елементарни частици, а са изградени от по-малки компоненти. Всички адрони участват в силни, слаби и гравитационни взаимодействия, но се срещат в две разновидности – електрически заредени и неутрални. Сред адроните най-известните и широко разпространени са неутронът и протонът. Останалите адрони са краткотрайни и се разпадат или за по-малко от една милионна от секундата поради слабото взаимодействие, или много по-бързо (за време от порядъка на 10-23 s) - поради силното взаимодействие.

През 50-те години на миналия век физиците бяха изключително озадачени от броя и разнообразието на адроните. Но малко по малко частиците бяха класифицирани според три важни характеристики: маса, заряд и въртене. Постепенно започнаха да се появяват признаци на ред и започна да се очертава ясна картина. Има намеци, че зад очевидния хаос на данните има скрити симетрии. Решителната стъпка в разкриването на мистерията на адроните идва през 1963 г., когато Мъри Гел-Ман и Джордж Цвайг от Калифорнийския технологичен институт предлагат теорията за кварките.

Фиг.10 Адроните са изградени от кварки. Протон (отгоре) се състои от два up кварка и един d кварк. По-лекият пион (отдолу) е мезон, състоящ се от един u-кварк и един d-антикварк. Други адрони са всякакви комбинации от кварки.

Основната идея на тази теория е много проста. Всички адрони са направени от по-малки частици, наречени кварки. Кварките могат да се свързват един с друг по един от двата възможни начина: или в триплети, или в двойки кварк-антикварк. Относително тежките частици са изградени от три кварка - бариони,което означава "тежки частици". Най-известните бариони са неутронът и протонът. По-леките двойки кварк-антикварк образуват частици, т.нар мезони -"междинни частици". Изборът на това име се обяснява с факта, че първите открити мезони са заемали междинна позиция по маса между електрони и протони. За да вземат предвид всички известни тогава адрони, Гел-Ман и Цвайг въвеждат три различни типа („вкусове“) кварки, които получават доста фантастични имена: И(от нагоре-горен), д(от надолу -по-ниско) и s (от странно- странно). Чрез допускане на възможността за различни комбинации от вкусове може да се обясни съществуването на голям брой адрони. Например протонът се състои от две И-и един d-кварк (фиг. 10), а неутронът е изграден от два d-кварка и един u-кварк.

За да бъде ефективна теорията, предложена от Гел-Ман и Цвайг, е необходимо да се приеме, че кварките носят частичен електрически заряд. С други думи, те имат заряд, чиято стойност е 1/3 или 2/3 от основната единица - зарядът на електрона. Комбинация от два и три кварка може да има общ заряд нула или единица. Всички кварки имат спин 1/2. следователно те се класифицират като фермиони. Масите на кварките не се определят толкова точно, колкото масите на другите частици, тъй като тяхната енергия на свързване в адрон е сравнима с масите на самите кварки. Известно е обаче, че s-кваркът е по-тежък И-и d-кварки.

Вътре в адроните кварките могат да бъдат във възбудени състояния, подобно на възбудените състояния на атом, но с много по-високи енергии. Излишната енергия, съдържаща се във възбуден адрон, увеличава масата му толкова много, че преди създаването на кварковата теория, физиците погрешно приемаха възбудените адрони за напълно различни частици. Сега е установено, че много от привидно различни адрони всъщност са само възбудени състояния на един и същ фундаментален набор от кварки.

Както вече беше споменато в гл. 5, кварките се държат заедно чрез силно взаимодействие. Но те също участват в слаби взаимодействия. Слабото взаимодействие може да промени вкуса на кварк. Ето как се получава разпадането на неутрони. Един от d-кварките в неутрона се превръща в u-кварк и излишният заряд отнася електрона, който се ражда в същото време. По същия начин, чрез промяна на вкуса, слабото взаимодействие води до разпадане на други адрони.

Съществуването на s-кварки е необходимо за изграждането на така наречените "странни" частици - тежки адрони, открити в началото на 50-те години. Необичайното поведение на тези частици, което предполага името им, е, че те не могат да се разпаднат поради силни взаимодействия, въпреки че както самите те, така и продуктите от разпада им са адрони. Физиците са озадачени защо, ако и майката, и дъщерната частица принадлежат към семейството на адроните, силната сила не ги кара да се разпадат. По някаква причина тези адрони „предпочитаха“ много по-малко интензивното слабо взаимодействие. Защо? Теорията на кварките естествено разреши тази мистерия. Силното взаимодействие не може да промени вкуса на кварките - само слабото взаимодействие може да направи това. И то без промяна на вкуса, придружена от превръщането на s-кварка в И-или d-кварк, разпадането е невъзможно.

В табл Фигура 2 представя различните възможни комбинации от кварки с три вкуса и техните имена (обикновено само гръцка буква). Многобройни възбудени състояния не са показани. Фактът, че всички известни адрони могат да бъдат получени от различни комбинации от трите фундаментални частици, символизира основния триумф на кварковата теория. Но въпреки този успех, само няколко години по-късно беше възможно да се получат преки физически доказателства за съществуването на кварки.

Това доказателство е получено през 1969 г. в серия от исторически експерименти, проведени в големия линеен ускорител в Станфорд (Калифорния, САЩ) - SLAC. Експериментаторите от Станфорд разсъждаваха просто. Ако наистина има кварки в протона, тогава могат да се наблюдават сблъсъци с тези частици вътре в протона. Всичко, което е необходимо, е субядрен „снаряд“, който може да бъде насочен директно в дълбините на протона. Безполезно е да се използва друг адрон за тази цел, тъй като той има същите размери като протон. Идеален снаряд би бил лептон, като например електрон. Тъй като електронът не участва в силното взаимодействие, той няма да "заседне" в средата, образувана от кварки. В същото време електронът може да усети наличието на кварки поради наличието на електрически заряд.

таблица 2

Трите вида на кварките, u, d и s, съответстват на заряди +2/3, -1/3 и -1/3; те се комбинират по три, за да образуват осемте бариона, показани в таблицата. Двойките кварк-антикварк образуват мезони. (Някои комбинации, като sss, са пропуснати.)

В експеримента в Станфорд трикилометровият ускорител по същество действа като гигантски електронен „микроскоп“, който създава изображения на вътрешността на протон. Един конвенционален електронен микроскоп може да различи детайли, по-малки от една милионна от сантиметъра. Протонът, от друга страна, е няколко десетки милиони пъти по-малък и може да бъде „сондиран“ само от електрони, ускорени до енергия от 2,1010 eV. По времето на Станфордските експерименти малко физици се придържаха към опростената теория за кварките. Повечето учени очакваха електроните да бъдат отклонени от електрическите заряди на протоните, но се предполагаше, че зарядът е равномерно разпределен в протона. Ако това беше наистина така, тогава щеше да се получи основно слабо разсейване на електрони, т.е. Когато преминават през протони, електроните не биха претърпели силни отклонения. Експериментът показа, че моделът на разсейване рязко се различава от очаквания. Всичко се случи така, сякаш някои електрони летяха в малки твърди включвания и отскачаха от тях под най-невероятни ъгли. Сега знаем, че такива твърди включвания вътре в протоните са кварки.

През 1974 г. опростената версия на теорията на кварките, която по това време е получила признание сред теоретиците, е нанесена чувствителен удар. В рамките на няколко дни една от друга две групи американски физици - едната в Станфорд, ръководена от Бартън Рихтер, другата в Националната лаборатория Брукхейвън, ръководена от Самуел Тинг - независимо един от друг обявиха откриването на нов адрон, наречен пси частица. Само по себе си откриването на нов адрон едва ли би било особено забележително, ако не беше едно обстоятелство: факт е, че в схемата, предложена от теорията на кварките, нямаше място за нито една нова частица. Всички възможни комбинации от up, d и s кварки и техните антикварки вече са „използвани“. От какво се състои пси частицата?

Проблемът беше решен чрез обръщане към идея, която витаеше във въздуха от известно време: трябва да има четвърти аромат, който никой не е наблюдавал досега. Новият аромат вече имаше своето име - чар (чар), или s. Предполага се, че пси частицата е мезон, състоящ се от c-кварк и c-антикварк (c), т.е. вв. Тъй като антикварките са носители на антиаромат, очарованието на пси частицата се неутрализира и следователно експерименталното потвърждение за съществуването на нов аромат (чар) трябваше да изчака, докато бъдат открити мезони, в които очарователните кварки бяха сдвоени с антикваркампи на други вкусове. Вече е известен цял низ от омагьосани частици. Всички те са много тежки, така че чаровният кварк се оказва по-тежък от странния кварк.

Ситуацията, описана по-горе, се повтори през 1977 г., когато на сцената се появи така нареченият ипсилон мезон (UPSILON). Този път без много колебание беше въведен пети вкус, наречен b-quark (от bottom - дъно и по-често beauty - красота или чар). Ипсилонният мезон е двойка кварк-антикварк, съставена от b кварки и следователно има скрита красота; но, както в предишния случай, различна комбинация от кварки направи възможно в крайна сметка да се открие „красотата“.

За относителните маси на кварките може да се съди поне по факта, че най-лекият мезон, пионът, се състои от двойки И-и d-кварки с антикварки. Пси мезонът е около 27 пъти, а ипсилон мезонът е поне 75 пъти по-тежък от пиона.

Постепенното разширяване на списъка с известни вкусове се извършва успоредно с увеличаването на броя на лептоните; така че очевидният въпрос беше дали някога ще има край. Кварките бяха въведени, за да се опрости описанието на цялото разнообразие от адрони, но дори сега има усещането, че списъкът на частиците отново расте твърде бързо.

От времето на Демокрит основната идея на атомизма е признаването, че в достатъчно малък мащаб трябва да съществуват наистина елементарни частици, комбинациите от които изграждат материята около нас. Атомизмът е привлекателен, защото неделимите (по дефиниция) фундаментални частици трябва да съществуват в много ограничен брой. Разнообразието на природата се дължи на големия брой не на нейните съставни части, а на техните комбинации. Когато беше открито, че има много различни атомни ядра, изчезна надеждата, че това, което днес наричаме атоми, съответства на представата на древните гърци за елементарните частици на материята. И въпреки че според традицията продължаваме да говорим за различни химични „елементи“, известно е, че атомите изобщо не са елементарни, а се състоят от протони, неутрони и електрони. И тъй като броят на кварките се оказва твърде голям, е изкушаващо да се предположи, че те също са сложни системи, състоящи се от по-малки частици.

Въпреки че поради тази причина има известно недоволство от кварковата схема, повечето физици смятат кварките за наистина елементарни частици – точковидни, неделими и без вътрешна структура. В това отношение те приличат на пептоните и отдавна се предполага, че трябва да има дълбока връзка между тези две различни, но структурно подобни семейства. Основата за тази гледна точка възниква от сравнението на свойствата на лептоните и кварките (Таблица 3). Лептоните могат да бъдат групирани по двойки чрез свързване на всеки зареден лептон със съответното неутрино. Кварките също могат да бъдат групирани по двойки. Таблица 3 е съставен по такъв начин, че структурата на всяка клетка повтаря тази, разположена непосредствено пред нея. Например, във втората клетка мюонът е представен като "тежък електрон", а очарователните и странните кварки са представени като тежки варианти И-и d-кварки. От следващото поле можете да видите, че тау лептонът е още по-тежък „електрон“, а b кваркът е по-тежка версия на d кварка. За пълна аналогия се нуждаем от още едно (тау-лептониево) неутрино и шести аромат на кварки, който вече е получил името истински (истина, t).По времето, когато се пишеше тази книга, експерименталните доказателства за съществуването на топ кварки все още не бяха достатъчно убедителни и някои физици се съмняваха, че топ кварките изобщо съществуват.

Таблица 3

Лептоните и кварките естествено се сдвояват. както е показано в таблицата. Светът около нас се състои от първите четири частици. Но следващите групи, очевидно, повтарят горната и се състоят, в короната на неутрино, от изключително нестабилни частици.

Може ли да има четвърти, пети и т.н. изпарения, съдържащи още по-тежки частици? Ако е така, следващото поколение ускорители вероятно ще даде възможност на физиците да открият такива частици. Изказва се обаче едно интересно съображение, от което следва, че няма други двойки освен посочените три. Това съображение се основава на броя на видовете неутрино. Скоро ще научим, че в момента на Големия взрив, белязал възникването на Вселената, е имало интензивно създаване на неутрино. Един вид демокрация гарантира на всеки тип частици същия дял енергия като на останалите; следователно, колкото повече различни видове неутрино, толкова повече енергия се съдържа в морето от неутрино, изпълващо космическото пространство. Изчисленията показват, че ако имаше повече от три разновидности на неутрино, тогава гравитацията, създадена от всички тях, би имала силен смущаващ ефект върху ядрените процеси, настъпили през първите няколко минути от живота на Вселената. Следователно от тези косвени съображения следва много правдоподобно заключение, че трите двойки, показани в табл. 3, всички кварки и лептони, които съществуват в природата, са изчерпани.

Интересно е да се отбележи, че цялата обикновена материя във Вселената се състои само от два най-леки лептона (електрон и електронно неутрино) и два най-леки кварка ( ИИ д).Ако всички други лептони и кварки внезапно престанат да съществуват, тогава вероятно много малко ще се промени в света около нас.

Може би по-тежките кварки и лептони играят ролята на своеобразен резерв за най-леките кварки и лептони. Всички те са нестабилни и бързо се разпадат на частици, разположени в горната клетка. Например тау-лептонът и мюонът се разпадат на електрони, докато странните, очарователни и красиви частици се разпадат доста бързо или на неутрони, или на протони (в случай на бариони), или на лептони (в случай на мезони). Възниква въпросът: За каквоИма ли всички тези частици от второ и трето поколение? Защо природата имаше нужда от тях?

Частиците са носители на взаимодействия

Списъкът на известните частици в никакъв случай не се изчерпва с шест двойки лептони и кварки, които образуват строителния материал на материята. Някои от тях, като фотона, не са включени в кварковата верига. „Оставените зад борда“ частици не са „градивни елементи на Вселената“, а образуват нещо като „лепило“, което не позволява на света да се разпадне, т.е. те са свързани с четири основни взаимодействия.

Спомням си, че като дете ми казаха, че луната кара океаните да се издигат и спускат по време на ежедневните приливи и отливи. За мен винаги е било загадка как океанът знае къде е Луната и следи нейното движение в небето. Когато научих за гравитацията в училище, недоумението ми само се засили. Как Луната, след като е преодоляла четвърт милион километра празно пространство, успява да „достигне“ океана? Стандартният отговор - Луната създава гравитационно поле в това празно пространство, чието действие достига до океана, задвижвайки го - разбира се, имаше някакъв смисъл, но все още не ме удовлетворяваше напълно. В крайна сметка не можем да видим гравитационното поле на Луната. Може би само това казват? Това наистина ли обяснява нещо? Винаги ми се струваше, че луната трябва по някакъв начин да каже на океана къде се намира. Трябва да има някакъв вид обмен на сигнали между луната и океана, така че водата да знае накъде да се движи.

С течение на времето се оказа, че идеята за силата, предавана през пространството под формата на сигнал, не е толкова далеч от съвременния подход към този проблем. За да разберем как възниква тази идея, трябва да разгледаме по-подробно природата на силовото поле. Като пример, нека изберем не океанските приливи и отливи, а по-просто явление: два електрона се приближават един към друг и след това под въздействието на електростатично отблъскване летят в различни посоки. Физиците наричат ​​този процес проблем на разсейването. Разбира се, електроните не се избутват буквално един друг. Те взаимодействат на разстояние чрез електромагнитното поле, генерирано от всеки електрон.

Фиг. 11. Разсейване на две заредени частици. Траекториите на частиците се огъват, когато се приближават една към друга поради действието на електрическо отблъскване.

Не е трудно да си представим картината на разсейването на електрон върху електрон. Първоначално електроните са разделени на голямо разстояние и имат малък ефект един върху друг. Всеки електрон се движи почти праволинейно (фиг. 11). След това, когато силите на отблъскване влизат в действие, траекториите на електроните започват да се огъват, докато частиците се приближат възможно най-близо; след това траекториите се разминават и електроните се разделят, като отново започват да се движат по праволинейни, но вече разминаващи се траектории. Модел от този вид може лесно да бъде демонстриран в лабораторията, като се използват електрически заредени топки вместо електрони. И отново възниква въпросът: как една частица „знае“ къде се намира друга частица и съответно променя движението си.

Въпреки че картината на извитите електронни траектории е доста визуална, тя е напълно неподходяща в редица отношения. Факт е, че електроните са квантови частици и поведението им се подчинява на специфичните закони на квантовата физика. На първо място, електроните не се движат в пространството по точно определени траектории. Все още можем да определим по един или друг начин началната и крайната точка на пътя - преди и след разсейването, но самият път в интервала между началото и края на движението остава неизвестен и несигурен. В допълнение, интуитивната идея за непрекъснат обмен на енергия и импулс между електрона и полето, сякаш ускорява електрона, противоречи на съществуването на фотони. Енергията и инерцията могат да се прехвърлят полесамо на части или кванти. Ще получим по-точна картина на смущението, въведено от полето в движението на електрона, като приемем, че електронът, поглъщайки фотон от полето, изглежда изпитва внезапен тласък. Следователно, на квантово ниво, актът на разсейване на електрон върху електрон може да бъде изобразен, както е показано на фиг. 12. Вълнообразната линия, свързваща траекториите на два електрона, съответства на фотон, излъчен от единия електрон и погълнат от другия. Сега актът на разсейване изглежда като внезапна промяна в посоката на движение на всеки електрон

Фиг. 12. Квантово описание на разсейването на заредени частици. Взаимодействието на частиците се дължи на обмена на носител на взаимодействие или виртуален фотон (вълнообразна линия).

Диаграми от този вид са използвани за първи път от Ричард Файнман за визуално представяне на различните членове на уравнение и първоначално те са имали чисто символично значение. Но след това диаграмите на Файнман започват да се използват за диаграмно изобразяване на взаимодействията на частиците. Такива снимки изглежда допълват интуицията на физика, но трябва да се тълкуват с известна доза предпазливост. Например, никога няма рязко прекъсване на траекторията на електрона. Тъй като знаем само началната и крайната позиция на електроните, не знаем точно кога фотонът се обменя и коя частица излъчва и коя поглъща фотона. Всички тези подробности са скрити от воал на квантова несигурност.

Въпреки това предупреждение, диаграмите на Файнман се оказаха ефективно средство за описание на квантовите взаимодействия. Фотонът, обменен между електроните, може да се разглежда като вид пратеник от един от електроните, който казва на другия: „Тук съм, така че се движете!“ Разбира се, всички квантови процеси са вероятностни по природа, така че такъв обмен се случва само с определена вероятност. Може да се случи електроните да обменят два или повече фотона (фиг. 13), въпреки че това е по-малко вероятно.

Важно е да разберем, че в действителност не виждаме фотони да се движат от един електрон към друг. Носителите на взаимодействие са "вътрешната материя" на два електрона. Те съществуват единствено, за да казват на електроните как да се движат и въпреки че носят енергия и импулс, съответните закони за запазване на класическата физика не са приложими за тях. Фотоните в този случай могат да бъдат оприличени на топка, която тенисистите си разменят на корта. Точно както топката за тенис определя поведението на тенисистите на игрището, фотонът влияе върху поведението на електроните.

Успешното описание на взаимодействието с помощта на частица носител беше придружено от разширяване на концепцията за фотон: фотонът се оказва не само видима за нас частица светлина, но и призрачна частица, която се „вижда“ само от заредени частици, подложени на разсейване. Понякога фотоните, които наблюдаваме, се наричат истински,а фотоните, носещи взаимодействието, са виртуален,което ни напомня за тяхното мимолетно, почти призрачно съществуване. Разграничението между реални и виртуални фотони е донякъде произволно, но въпреки това тези концепции са широко разпространени.

Описанието на електромагнитното взаимодействие с помощта на концепцията за виртуални фотони - неговите носители - по своето значение надхвърля просто илюстрации от квантова природа. В действителност говорим за теория, обмислена до най-малкия детайл и оборудвана с перфектен математически апарат, известен като квантова електродинамика,Съкратено като QED. Когато QED беше формулиран за първи път малко след Втората световна война, физиците имаха на разположение теория, която отговаряше на основните принципи както на квантовата теория, така и на относителността. Това е прекрасна възможност да видите комбинираните прояви на два важни аспекта на новата физика и. проверете ги експериментално.

Теоретично, създаването на QED е изключително постижение. По-ранните изследвания на взаимодействието на фотони и електрони имаха много ограничен успех поради математически трудности. Но веднага щом теоретиците се научиха да извършват изчисления правилно, всичко останало си дойде на мястото. QED предложи процедура за получаване на резултатите от всеки, без значение колко сложен процес, включващ фотони и електрони.

Фиг. 13. Разсейването на електрони се причинява от обмена на два виртуални фотона. Такива процеси представляват малко изменение на основния процес, показан на фиг. единадесет

За да проверят колко добре теорията съответства на реалността, физиците се съсредоточиха върху два ефекта, които бяха от особен интерес. Първият се отнася до енергийните нива на водородния атом, най-простият атом. QED прогнозира, че нивата трябва да бъдат леко изместени от позицията, която биха заели, ако виртуалните фотони не съществуват. Теорията прогнозира мащаба на тази промяна много точно. Експериментът за откриване и измерване на изместването с изключителна точност е извършен от Уилис Ламб от Държавния университет. Аризона. За радост на всички, резултатите от изчисленията напълно съвпаднаха с експерименталните данни.

Вторият решаващ тест на QED се отнася до изключително малката корекция на собствения магнитен момент на електрона. И отново резултатите от теоретичните изчисления и експеримента напълно съвпаднаха. Теоретиците започнаха да усъвършенстват своите изчисления, а експериментаторите започнаха да подобряват своите инструменти. Но въпреки че точността както на теоретичните прогнози, така и на експерименталните резултати непрекъснато се подобрява, съгласието между QED и експеримента остава безупречно. В наши дни теоретичните и експерименталните резултати все още съвпадат в границите на постигнатата точност, което означава съвпадение над девет знака след десетичната запетая. Подобно поразително съответствие дава право да се счита QED за най-напредналата от съществуващите естественонаучни теории.

Излишно е да казвам, че след такъв триумф QED беше приет като модел за квантовото описание на другите три фундаментални взаимодействия. Разбира се, полетата, свързани с други взаимодействия, трябва да съответстват на други частици носители. За да се опише гравитацията беше въведена гравитон,играе същата роля като фотона. При гравитационното взаимодействие на две частици между тях се обменят гравитони. Това взаимодействие може да се визуализира с помощта на диаграми, подобни на тези, показани на фиг. 12 и 13. Гравитоните са тези, които пренасят сигнали от Луната към океаните, след което се издигат по време на приливи и падат по време на отливи. Гравитоните, които се движат между Земята и Слънцето, поддържат нашата планета в орбита. Гравитоните ни приковават здраво към Земята.

Подобно на фотоните, гравитоните се движат със скоростта на светлината, следователно гравитоните са частици с „нулева маса на покой“. Но тук приликите между гравитоните и фотоните свършват. Докато един фотон има спин 1, гравитонът има спин 2.

Таблица 4

Частици, които носят четири основни взаимодействия. Масата се изразява в единици за протонна маса.

Това е важна разлика, защото определя посоката на силата: при електромагнитно взаимодействие частици с подобен заряд, като електрони, се отблъскват, докато при гравитационно взаимодействие всички частици се привличат една към друга.

Гравитоните могат да бъдат реални или виртуални. Истинският гравитон не е нищо повече от квант на гравитационна вълна, точно както истинският фотон е квант на електромагнитна вълна. По принцип реалните гравитони могат да бъдат „наблюдавани“. Но тъй като гравитационното взаимодействие е невероятно слабо, гравитоните не могат да бъдат открити директно. Взаимодействието на гравитоните с други квантови частици е толкова слабо, че вероятността за разсейване или поглъщане на гравитон, например от протон, е безкрайно малка.

Основната идея за обмен на частици носители важи и за други взаимодействия (Таблица 4) - слаби и силни. Има обаче важни разлики в детайлите. Да припомним, че силното взаимодействие осигурява връзката между кварките. Такава връзка може да бъде създадена от силово поле, подобно на електромагнитното, но по-сложно. Електрическите сили водят до образуването на свързано състояние на две частици със заряди с противоположни знаци. В случая на кварките възникват свързани състояния на три частици, което показва по-сложен характер на силовото поле, на което съответстват три вида „заряд“. Наричат ​​се частици - носители на взаимодействие между кварките, свързващи ги по двойки или тройки глуони.

В случай на слабо взаимодействие ситуацията е малко по-различна. Радиусът на това взаимодействие е изключително малък. Следователно носителите на слабото взаимодействие трябва да са частици с големи маси на покой. Енергията, съдържаща се в такава маса, трябва да бъде „заета“ в съответствие с принципа на неопределеността на Хайзенберг, който вече беше обсъден на стр. 50. Но тъй като "заетата" маса (и следователно енергия) е толкова голяма, принципът на несигурност изисква периодът на изплащане на такъв заем да бъде изключително кратък - само около 10^-28s. Такива краткотрайни частици нямат време да се придвижат много далеч и радиусът на взаимодействие, който носят, е много малък.

Всъщност има два вида преносители на слаба сила. Един от тях е подобен на фотон във всичко, с изключение на масата на покой. Тези частици се наричат ​​Z частици. Z частиците са по същество нов вид светлина. Друг вид носител на слаба сила, W частиците, се различават от Z частиците по наличието на електрически заряд. В гл. 7 ще обсъдим по-подробно свойствата на Z и W частиците, които са открити едва през 1983 г.

Класификацията на частиците на кварки, лептони и носители на взаимодействия допълва списъка на известните субатомни частици. Всяка от тези частици играе своя собствена, но решаваща роля във формирането на Вселената. Ако нямаше частици носители, нямаше да има взаимодействия и всяка частица щеше да остане на тъмно за своите партньори. Не биха могли да възникнат сложни системи, всяка дейност би била невъзможна. Без кварки не би имало атомни ядра или слънчева светлина. Без лептони атомите не биха могли да съществуват, химическите структури и самият живот не биха възникнали.

Какви са целите на физиката на елементарните частици?

Влиятелният британски вестник The Guardian веднъж публикува редакционна статия, поставяща под съмнение мъдростта на разработването на физиката на елементарните частици, скъпо начинание, което поглъща не само значителна част от бюджета за наука на нацията, но и лъвския пай от най-добрите умове. „Физиците знаят ли какво правят?“ „Дори и да знаят, каква е ползата от тях, освен на физиците?“

Няколко месеца след тази публикация имах възможността да присъствам на лекция в Балтимор на Джордж Кейуърт, съветник на президента на САЩ по науката. Кейуърт също се обърна към физиката на елементарните частици, но лекцията му имаше съвсем различен тон. Американски физици бяха впечатлени от неотдавнашен доклад от CERN, водещата европейска лаборатория по физика на елементарните частици, за откриването на фундаментални W и Z частици, които най-накрая бяха получени в голям ускорител на протон-антипротонен сблъсък на лъчи. Американците са свикнали, че всички сензационни открития се правят в техните лаборатории по физика на високите енергии. Фактът, че са загубили палмата, не е ли знак за научен и дори национален упадък?

Кейуърт не се съмняваше, че за да просперират Съединените щати като цяло и американската икономика в частност, страната трябва да бъде в челните редици на научните изследвания. Големите основни изследователски проекти, каза Кейуърт, са в челните редици на напредъка. Съединените щати трябва да възвърнат своето надмощие във физиката на елементарните частици,

Същата седмица новинарските канали разпространиха съобщения за американски проект за гигантски ускорител, предназначен да провежда ново поколение експерименти във физиката на елементарните частици. Основната цена беше оценена на 2 милиарда долара, което направи този ускорител най-скъпата машина, създавана някога от човека. Този гигант на Чичо Сам, който би превъзхождал дори новия LEP ускорител на CERN, е толкова голям, че целият щат Люксембург може да се побере в неговия пръстен! Гигантските свръхпроводящи магнити са проектирани да създават интензивни магнитни полета, които ще извиват лъч от частици, насочвайки го по протежение на пръстеновидна камера; това е толкова огромна структура, че новият ускорител трябва да бъде разположен в пустинята. Бих искал да знам какво мисли редакторът на вестник Guardian по този въпрос.

Известен като Superconducting Super Collider (SSC), но по-често наричан "de-zertron" (от англ. пустинен -пустинен. - ред.),тази чудовищна машина ще може да ускори протоните до енергии приблизително 20 хиляди пъти по-високи от останалата енергия (маса). Тези числа могат да се тълкуват по различни начини. При максимално ускорение частиците ще се движат със скорост само с 1 км/ч по-малка от скоростта на светлината – максималната скорост във Вселената. Релативистките ефекти са толкова големи, че масата на всяка частица е 20 хиляди пъти по-голяма от тази в покой. В системата, свързана с такава частица, времето се разтяга толкова много, че 1 s съответства на 5,5 часа в нашата референтна система. Всеки километър от камерата, през която преминава частицата, ще „изглежда“ компресиран само до 5,0 cm.

Каква крайна нужда принуждава държавите да изразходват толкова огромни ресурси за все по-разрушителното делене на атома? Има ли практическа полза от подобни изследвания?

Всяка голяма наука, разбира се, не е чужда на духа на борба за национален приоритет. И тук, както в изкуството или спорта, е хубаво да печелиш награди и световно признание. Физиката на елементарните частици се превърна в своеобразен символ на държавна власт. Ако се развива успешно и дава осезаеми резултати, това означава, че науката, технологиите, както и икономиката на страната като цяло са на правилното ниво. Това подкрепя доверието във високото качество на продуктите от други по-общи технологични клонове. Създаването на ускорител и цялото свързано оборудване изисква много високо ниво на професионализъм. Ценният опит, придобит от разработването на нови технологии, може да има неочаквани и благотворни ефекти върху други области на научните изследвания. Например в САЩ в продължение на двадесет години се провеждат изследвания и разработки на свръхпроводящи магнити, необходими за „десертрона“. Те обаче не осигуряват преки ползи и поради това са трудни за оценка. Има ли по-осезаеми резултати?

Понякога се чува и друг аргумент в подкрепа на фундаменталните изследвания. Физиката има тенденция да изпреварва технологиите с около петдесет години. Практическото приложение на дадено научно откритие изобщо не е очевидно в началото, но само няколко от значимите постижения на фундаменталната физика не са намерили практическо приложение във времето. Нека си спомним теорията на Максуел за електромагнетизма: може ли нейният създател да предвиди създаването и успеха на съвременните телекомуникации и електроника? А какво да кажем за думите на Ръдърфорд, че ядрената енергия едва ли някога ще намери практическо приложение? Възможно ли е да се предвиди до какво може да доведе развитието на физиката на елементарните частици, какви нови сили и нови принципи ще бъдат открити, които ще разширят нашето разбиране за света около нас и ще ни дадат власт над по-широк кръг от физични явления. И това може да доведе до развитието на технологии, не по-малко революционни по природа от радиото или ядрената енергия.

Повечето клонове на науката в крайна сметка намериха известно военно приложение. В това отношение физиката на елементарните частици (за разлика от ядрената физика) досега остава недосегаема. По стечение на обстоятелствата лекцията на Кейуърт съвпадна с рекламния шум около противоречивия проект на президента Рейгън за създаване на противоракетно, така нареченото лъчево оръжие (този проект е част от програма, наречена Инициатива за стратегическа отбрана, SDI). Същността на този проект е да се използват високоенергийни лъчи от частици срещу вражески ракети. Това приложение на физиката на елементарните частици е наистина зловещо.

Преобладаващото мнение е, че създаването на такива устройства е неосъществимо. Повечето учени, работещи в областта на физиката на елементарните частици, смятат тези идеи за абсурдни и неестествени и се обявяват остро срещу предложението на президента. Осъждайки учените, Кейуърт ги призова да "обмислят каква роля могат да играят" в проекта за лъчево оръжие. Обръщението на Кейуърт към физиците (чисто случайно, разбира се) последва думите му относно финансирането на физиката на високите енергии.

Моето твърдо убеждение е, че физиците на високите енергии не е необходимо да оправдават необходимостта от фундаментални изследвания с цитиране на приложения (особено военни), исторически аналози или неясни обещания за възможни технически чудеса. Физиците провеждат тези изследвания преди всичко в името на своето неизкоренимо желание да разберат как работи нашият свят, желанието да разберат природата по-подробно. Физиката на елементарните частици е несравнима сред другите човешки дейности. В продължение на две хилядолетия и половина човечеството се стреми да открие първоначалните „градивни елементи“ на Вселената и сега сме близо до крайната цел. Гигантските инсталации ще ни помогнат да проникнем в самото сърце на материята и да изтръгнем от природата нейните най-дълбоки тайни. Човечеството може да очаква неочаквани приложения на нови открития, непознати досега технологии, но може да се окаже, че физиката на високите енергии няма да даде нищо за практиката. Но дори една величествена катедрала или концертна зала няма много практическа полза. В тази връзка не можем да не си спомним думите на Фарадей, който веднъж отбеляза: „Каква полза от новородено бебе?“ Видове човешки дейности, които са далеч от практиката, включително физиката на елементарните частици, служат като доказателство за проявата на човешкия дух, без който бихме били обречени в нашия прекалено материален и прагматичен свят.

Често се казва, че има два вида науки - големи и малки науки. Разделянето на атома е голяма наука. Разполага с гигантски експериментални съоръжения, колосални бюджети и получава лъвския дял от Нобеловите награди.

Защо физиците трябваше да разделят атома? Простият отговор - да разберем как работи атомът - съдържа само част от истината, но има и по-обща причина. Не е съвсем правилно да се говори буквално за разцепването на атома. Реално става дума за сблъсък на високоенергийни частици. Когато субатомни частици, движещи се с високи скорости, се сблъскат, се ражда нов свят от взаимодействия и полета. Фрагментите материя, носещи огромна енергия, разпръсквайки се след сблъсъци, крият тайните на природата, които от „сътворението на света” са останали заровени в дълбините на атома.

Инсталациите, където се сблъскват високоенергийни частици - ускорители на частици - са поразителни по размер и цена. Те достигат няколко километра напречно, което прави дори лабораториите, които изучават сблъсъци на частици, да изглеждат малки в сравнение с тях. В други области на научните изследвания оборудването се намира в лаборатория; във физиката на високите енергии лабораториите са прикрепени към ускорител. Наскоро Европейският център за ядрени изследвания (CERN), разположен близо до Женева, отпусна няколкостотин милиона долара за изграждането на пръстеновиден ускорител. Обиколката на изграждания за целта тунел достига 27 км. Ускорителят, наречен LEP (Large Electron-Positron ring), е проектиран да ускорява електрони и техните античастици (позитрони) до скорости, които са само на "на косъм" различни от скоростта на светлината. За да получите представа за мащаба на енергията, представете си, че вместо електрони монета от стотинка се ускорява до такива скорости. В края на цикъла на ускоряване той ще има достатъчно енергия, за да произведе електроенергия на стойност 1000 милиона долара! Не е изненадващо, че подобни експерименти обикновено се класифицират като физика на „високи енергии“. Движейки се един към друг вътре в пръстена, лъчите от електрони и позитрони изпитват челен сблъсък, при който електроните и позитроните анихилират, освобождавайки енергия, достатъчна за производството на десетки други частици.

Какви са тези частици? Някои от тях са самите „градивни елементи“, от които сме изградени: протони и неутрони, които изграждат атомните ядра, и електрони, обикалящи около ядрата. Други частици обикновено не се намират в материята около нас: техният живот е изключително кратък и след изтичането му те се разпадат на обикновени частици. Броят на разновидностите на такива нестабилни краткотрайни частици е удивителен: вече са известни няколкостотин от тях. Подобно на звездите, нестабилните частици са твърде много, за да бъдат идентифицирани по име. Много от тях са обозначени само с гръцки букви, а някои само с цифри.

Важно е да се има предвид, че всички тези многобройни и разнообразни нестабилни частици в никакъв случай не са буквално компонентипротони, неутрони или електрони. При сблъсък високоенергийните електрони и позитрони не се разпръскват на множество субатомни фрагменти. Дори при сблъсъци на високоенергийни протони, които очевидно се състоят от други обекти (кварки), те, като правило, не се разделят на съставните си части в обичайния смисъл. Това, което се случва при такива сблъсъци, е по-добре да се разглежда като директно създаване на нови частици от енергията на сблъсъка.

Преди около двадесет години физиците бяха напълно объркани от броя и разнообразието на новите субатомни частици, които изглеждаха безкрайни. Беше невъзможно да се разбере За каквотолкова много частици. Може би елементарните частици са като обитателите на зоологическата градина, с имплицитната семейна принадлежност, но без ясна таксономия. Или може би, както смятат някои оптимисти, елементарните частици държат ключа към Вселената? Какви са частиците, наблюдавани от физиците: незначителни и произволни фрагменти от материя или очертанията на смътно възприеман ред, възникващ пред очите ни, показващ съществуването на богата и сложна структура на субядрения свят? Сега няма съмнение за съществуването на такава структура. Има дълбок и рационален ред в микросвета и ние започваме да разбираме значението на всички тези частици.

Първата стъпка към разбирането на микросвета е направена в резултат на систематизирането на всички известни частици, както през 18 век. биолози съставиха подробни каталози на растителни и животински видове. Най-важните характеристики на субатомните частици включват маса, електрически заряд и спин.

Тъй като масата и теглото са свързани, частиците с голяма маса често се наричат ​​„тежки“. Връзката на Айнщайн E =mc^ 2 показва, че масата на една частица зависи от нейната енергия и следователно от нейната скорост. Движещата се частица е по-тежка от неподвижната. Когато говорят за масата на една частица, те имат предвид това маса на почивка,тъй като тази маса не зависи от състоянието на движение. Частица с нулева маса на покой се движи със скоростта на светлината. Най-очевидният пример за частица с нулева маса на покой е фотонът. Смята се, че електронът е най-леката частица с ненулева маса на покой. Протонът и неутронът са почти 2000 пъти по-тежки, докато най-тежката частица, създадена в лабораторията (Z-частицата), е около 200 000 пъти по-голяма от масата на електрона.

Електрическият заряд на частиците варира в доста тесен диапазон, но, както отбелязахме, той винаги е кратен на основната единица заряд. Някои частици, като фотони и неутрино, нямат електрически заряд. Ако зарядът на положително зареден протон се приеме за +1, тогава зарядът на електрона е -1.

В гл. 2 въведохме друга характеристика на частиците - спин. Също така винаги приема стойности, които са кратни на някаква фундаментална единица, която по исторически причини е избрана да бъде 1 /2. Така протонът, неутронът и електронът имат спин 1/2, а спинът на фотона е 1. Частици със спин 0, 3/2 и 2 също са известни. Фундаменталните частици със спин по-голям от 2 не са открити и теоретиците смятат, че частици с такива спинове не съществуват.

Спинът на една частица е важна характеристика и в зависимост от нейната стойност всички частици се разделят на два класа. Частиците със спинове 0, 1 и 2 се наричат ​​„бозони” - на името на индийския физик Чатиендранат Бозе, а частиците с полуцяло спин (т.е. със спин 1/2 или 3/2) - „фермиони“ в чест на Енрико Ферми. Принадлежността към един от тези два класа е може би най-важният в списъка с характеристики на една частица.

Друга важна характеристика на частицата е нейният живот. Доскоро се смяташе, че електроните, протоните, фотоните и неутриното са абсолютно стабилни, т.е. имат безкрайно дълъг живот. Неутронът остава стабилен, докато е „заключен“ в ядрото, но свободният неутрон се разпада за около 15 минути. Всички други известни частици са силно нестабилни, като времето на живот варира от няколко микросекунди до 10-23 секунди малка, но не бива да забравяме, че частица, летяща със скорост, близка до скоростта на светлината (а повечето частици, родени на ускорителите, се движат точно с такива скорости), успява да прелети разстояние от 300 m за микросекунда.

Нестабилните частици претърпяват разпад, което е квантов процес и следователно винаги има елемент на непредсказуемост в разпада. Продължителността на живота на дадена частица не може да бъде предвидена предварително. Въз основа на статистически съображения може да се предвиди само средната продължителност на живота. Обикновено те говорят за времето на полуразпад на една частица - времето, през което популацията от идентични частици намалява наполовина. Експериментът показва, че намаляването на размера на популацията става експоненциално (виж Фиг. 6) и полуживотът е 0,693 от средното време на живот.

За физиците не е достатъчно да знаят, че тази или онази частица съществува - те се стремят да разберат каква е нейната роля. Отговорът на този въпрос зависи от свойствата на частиците, изброени по-горе, както и от природата на силите, действащи върху частицата отвън и вътре в нея. На първо място, свойствата на една частица се определят от нейната способност (или неспособност) да участва в силни взаимодействия. Частиците, участващи в силни взаимодействия, образуват специален клас и се наричат андрони.Частиците, които участват в слаби взаимодействия и не участват в силни взаимодействия, се наричат лептони,което означава "бели дробове". Нека разгледаме накратко всяко от тези семейства.

лептони

Най-известният от лептоните е електронът. Както всички лептони, изглежда, че е елементарен, точков обект. Доколкото е известно, електронът няма вътрешна структура, т.е. не се състои от никакви други частици. Въпреки че лептоните могат или не могат да имат електрически заряд, всички те имат едно и също въртене 1/2, следователно те се класифицират като фермиони.

Друг известен лептон, но без заряд, е неутриното. Както вече беше споменато в гл. 2, неутриното са неуловими като призраците. Тъй като неутриното не участват нито в силните, нито в електромагнитните взаимодействия, те почти напълно игнорират материята, прониквайки през нея, сякаш тя изобщо не съществува. Високата проникваща способност на неутриното отдавна прави много трудно експерименталното потвърждаване на тяхното съществуване. Само почти три десетилетия след предсказването на неутриното те най-накрая бяха открити в лабораторията. Физиците трябваше да изчакат създаването на ядрени реактори, по време на които се излъчват огромен брой неутрино, и едва тогава успяха да регистрират челния сблъсък на една частица с ядро ​​и по този начин да докажат, че то наистина съществува. Днес е възможно да се извършват много повече експерименти с неутрино лъчи, които възникват от разпадането на частици в ускорител и имат необходимите характеристики. По-голямата част от неутриното „игнорират“ целта, но от време на време неутриното взаимодействат с целта, което предоставя полезна информация за структурата на други частици и естеството на слабата сила. Разбира се, провеждането на експерименти с неутрино, за разлика от експериментите с други субатомни частици, не изисква използването на специална защита. Проникващата способност на неутриното е толкова голяма, че те са напълно безвредни и преминават през човешкото тяло, без да му причинят ни най-малко вреда.

Въпреки своята неосезаемост, неутриното заемат специална позиция сред другите познати частици, тъй като те са най-разпространените частици във Вселената, превъзхождащи по брой електроните и протоните с милиард към едно. Вселената по същество е море от неутрино, с случайни включвания под формата на атоми. Възможно е дори общата маса на неутриното да надвишава общата маса на звездите и следователно именно неутриното дават основния принос за космическата гравитация. Според група съветски изследователи неутриното имат малка, но не нулева маса на покой (по-малко от една десет хилядна от масата на електрона); ако това е вярно, тогава гравитационните неутрино доминират във Вселената, което в бъдеще може да причини нейния колапс. Така неутриното, на пръв поглед най-„безобидните“ и безтелесни частици, са в състояние да предизвикат колапса на цялата Вселена.

Сред другите лептони трябва да се спомене мюонът, открит през 1936 г. в продуктите на взаимодействието на космическите лъчи; се оказа една от първите известни нестабилни субатомни частици. Във всички отношения, с изключение на стабилността, мюонът прилича на електрон: има същия заряд и въртене, участва в същите взаимодействия, но има по-голяма маса. За около две милионни от секундата мюонът се разпада на електрон и две неутрино. Мюоните са широко разпространени в природата и представляват значителна част от фоновото космическо лъчение, което се открива на повърхността на Земята от брояч на Гайгер.

В продължение на много години електронът и мюонът остават единствените известни заредени лептони. След това, в края на 70-те години, е открит трети зареден лептон, наречен тау лептон. С маса от около 3500 електронни маси, тау-лептонът очевидно е „тежката категория“ в триото заредени лептони, но във всички други отношения той се държи като електрон и мюон.

Този списък с известни лептони в никакъв случай не е изчерпан. През 60-те години е открито, че има няколко вида неутрино. Неутрино от един тип се раждат заедно с електрон по време на разпада на неутрон, а неутрино от друг тип се раждат по време на раждането на мюон. Всеки тип неутрино съществува по двойки със собствен зареден лептон; следователно има „електронно неутрино“ и „мюонно неутрино“. По всяка вероятност би трябвало да има и трети вид неутрино - съпътстващо раждането на тау лептона. В този случай общият брой на разновидностите на неутрино е три, а общият брой на лептоните е шест (Таблица 1). Разбира се, всеки лептон има своя собствена античастица; така общият брой на различните лептони е дванадесет.

маса 1

Шест лептона съответстват на заредени и неутрални модификации (античастиците не са включени в таблицата). Масата и зарядът се изразяват съответно в единици маса и заряд на електрона. Има доказателства, че неутриното може да има малка маса

адрони

За разлика от шепата известни лептони, има буквално стотици адрони. Само това предполага, че адроните не са елементарни частици, а са изградени от по-малки компоненти. Всички адрони участват в силни, слаби и гравитационни взаимодействия, но се срещат в две разновидности – електрически заредени и неутрални. Сред адроните най-известните и широко разпространени са неутронът и протонът. Останалите адрони са краткотрайни и се разпадат или за по-малко от една милионна от секундата поради слабото взаимодействие, или много по-бързо (за време от порядъка на 10-23 s) - поради силното взаимодействие.

През 50-те години на миналия век физиците бяха изключително озадачени от броя и разнообразието на адроните. Но малко по малко частиците бяха класифицирани според три важни характеристики: маса, заряд и въртене. Постепенно започнаха да се появяват признаци на ред и започна да се очертава ясна картина. Има намеци, че зад очевидния хаос на данните има скрити симетрии. Решителната стъпка в разкриването на мистерията на адроните идва през 1963 г., когато Мъри Гел-Ман и Джордж Цвайг от Калифорнийския технологичен институт предлагат теорията за кварките.

Ориз. 10 Адроните са изградени от кварки. Протон (отгоре) се състои от два up кварка и един d кварк. По-лекият пион (отдолу) е мезон, състоящ се от един u кварк и един d антикварк. Други адрони са всякакви комбинации от кварки.

Основната идея на тази теория е много проста. Всички адрони са направени от по-малки частици, наречени кварки. Кварките могат да се свързват един с друг по един от двата възможни начина: или в триплети, или в двойки кварк-антикварк. Относително тежките частици са изградени от три кварка - бариони,което означава „тежки частици“. Най-известните бариони са неутронът и протонът. По-леките двойки кварк-антикварк образуват частици, т.нар мезони -„междинни частици“. Изборът на това име се обяснява с факта, че първите открити мезони са заемали междинна позиция по маса между електрони и протони. За да вземат предвид всички известни тогава адрони, Гел-Ман и Цвайг въвеждат три различни типа („вкусове“) кварки, които получават доста фантастични имена: И(от нагоре-горен), д(от надолу -по-ниско) и s (от странно- странно). Чрез допускане на възможността за различни комбинации от вкусове може да се обясни съществуването на голям брой адрони. Например протонът се състои от две И-и един d-кварк (фиг. 10), а неутронът е изграден от два d-кварка и един u-кварк.

За да бъде ефективна теорията, предложена от Гел-Ман и Цвайг, е необходимо да се приеме, че кварките носят частичен електрически заряд. С други думи, те имат заряд, чиято стойност е 1/3 или 2/3 от основната единица - зарядът на електрона. Комбинация от два и три кварка може да има общ заряд нула или единица. Всички кварки имат спин 1/2. следователно те се класифицират като фермиони. Масите на кварките не се определят толкова точно, колкото масите на другите частици, тъй като тяхната енергия на свързване в адрон е сравнима с масите на самите кварки. Известно е обаче, че s-кваркът е по-тежък И-и d-кварки.

Вътре в адроните кварките могат да бъдат във възбудени състояния, подобно на възбудените състояния на атом, но с много по-високи енергии. Излишната енергия, съдържаща се във възбуден адрон, увеличава масата му толкова много, че преди създаването на кварковата теория, физиците погрешно приемаха възбудените адрони за напълно различни частици. Сега е установено, че много от привидно различни адрони всъщност са само възбудени състояния на един и същ фундаментален набор от кварки.

Както вече беше споменато в гл. 5, кварките се държат заедно чрез силно взаимодействие. Но те също участват в слаби взаимодействия. Слабото взаимодействие може да промени вкуса на кварк. Ето как се получава разпадането на неутрони. Един от d-кварките в неутрона се превръща в u-кварк и излишният заряд отнася електрона, който се ражда в същото време. По същия начин, чрез промяна на вкуса, слабото взаимодействие води до разпадане на други адрони.

Съществуването на s-кварки е необходимо за изграждането на така наречените "странни" частици - тежки адрони, открити в началото на 50-те години. Необичайното поведение на тези частици, което предполага името им, е, че те не могат да се разпаднат поради силни взаимодействия, въпреки че както самите те, така и продуктите от разпада им са адрони. Физиците са озадачени защо, ако и майката, и дъщерната частица принадлежат към семейството на адроните, силната сила не ги кара да се разпадат. По някаква причина тези адрони „предпочитаха“ много по-малко интензивното слабо взаимодействие. Защо? Теорията на кварките естествено разреши тази мистерия. Силното взаимодействие не може да промени вкуса на кварките - само слабото взаимодействие може да направи това. И то без промяна на вкуса, придружена от превръщането на s-кварка в И-или d-кварк, разпадането е невъзможно.

В табл Фигура 2 представя различните възможни комбинации от кварки с три вкуса и техните имена (обикновено само гръцка буква). Многобройни възбудени състояния не са показани. Фактът, че всички известни адрони могат да бъдат получени от различни комбинации от трите фундаментални частици, символизира основния триумф на кварковата теория. Но въпреки този успех, само няколко години по-късно беше възможно да се получат преки физически доказателства за съществуването на кварки.

Това доказателство е получено през 1969 г. в серия от исторически експерименти, проведени в големия линеен ускорител в Станфорд (Калифорния, САЩ) - SLAC. Експериментаторите от Станфорд разсъждаваха просто. Ако наистина има кварки в протона, тогава могат да се наблюдават сблъсъци с тези частици вътре в протона. Всичко, което е необходимо, е субядрен „снаряд“, който може да бъде насочен директно в дълбините на протона. Безполезно е да се използва друг адрон за тази цел, тъй като той има същите размери като протон. Идеален снаряд би бил лептон, като например електрон. Тъй като електронът не участва в силното взаимодействие, той няма да "заседне" в средата, образувана от кварки. В същото време електронът може да усети наличието на кварки поради наличието на електрически заряд.

таблица 2

Трите вида на кварките, u, d и s, съответстват на заряди +2/3, -1/3 и -1/3; те се комбинират по три, за да образуват осемте бариона, показани в таблицата. Двойките кварк-антикварк образуват мезони. (Някои комбинации, като sss, са пропуснати.)

В експеримента в Станфорд трикилометровият ускорител по същество действа като гигантски електронен „микроскоп“, който позволява да се изобрази вътрешността на протон. Един конвенционален електронен микроскоп може да различи детайли, по-малки от една милионна от сантиметъра. Протонът, от друга страна, е няколко десетки милиони пъти по-малък и може да бъде „сондиран“ само от електрони, ускорени до енергия от 2,1010 eV. По времето на Станфордските експерименти малко физици се придържаха към опростената теория за кварките. Повечето учени очакваха електроните да бъдат отклонени от електрическите заряди на протоните, но се предполагаше, че зарядът е равномерно разпределен в протона. Ако това беше наистина така, тогава щеше да се получи основно слабо разсейване на електрони, т.е. Когато преминават през протони, електроните не биха претърпели силни отклонения. Експериментът показа, че моделът на разсейване рязко се различава от очаквания. Всичко се случи така, сякаш някои електрони летяха в малки твърди включвания и отскачаха от тях под най-невероятни ъгли. Сега знаем, че такива твърди включвания вътре в протоните са кварки.

През 1974 г. опростената версия на теорията на кварките, която по това време е получила признание сред теоретиците, е нанесена чувствителен удар. В рамките на няколко дни една от друга две групи американски физици - едната в Станфорд, ръководена от Бартън Рихтер, другата в Националната лаборатория Брукхейвън, ръководена от Самуел Тинг - независимо един от друг обявиха откриването на нов адрон, наречен пси частица. Само по себе си откриването на нов адрон едва ли би било особено забележително, ако не беше едно обстоятелство: факт е, че в схемата, предложена от теорията на кварките, нямаше място за нито една нова частица. Всички възможни комбинации от up, d и s кварки и техните антикварки вече са „използвани“. От какво се състои пси частицата?

Проблемът беше решен чрез обръщане към идея, която витаеше във въздуха от известно време: трябва да има четвърти аромат, който никой не е наблюдавал досега. Новият аромат вече имаше своето име - чар (чар), или s. Предполага се, че пси частицата е мезон, състоящ се от c-кварк и c-антикварк (c), т.е. вв. Тъй като антикварките са носители на антиаромат, очарованието на пси частицата се неутрализира и следователно експерименталното потвърждение за съществуването на нов аромат (чар) трябваше да изчака, докато бъдат открити мезони, в които очарователните кварки бяха сдвоени с антикваркампи на други вкусове. Вече е известен цял низ от омагьосани частици. Всички те са много тежки, така че чаровният кварк се оказва по-тежък от странния кварк.

Ситуацията, описана по-горе, се повтори през 1977 г., когато на сцената се появи така нареченият ипсилон мезон (UPSILON). Този път без много колебание беше въведен пети вкус, наречен b-quark (от bottom - дъно и по-често beauty - красота или чар). Ипсилонният мезон е двойка кварк-антикварк, съставена от b кварки и следователно има скрита красота; но, както в предишния случай, различна комбинация от кварки направи възможно в крайна сметка да се открие „красотата“.

За относителните маси на кварките може да се съди поне по факта, че най-лекият мезон, пионът, се състои от двойки И-и d-кварки с антикварки. Пси мезонът е около 27 пъти, а ипсилон мезонът е поне 75 пъти по-тежък от пиона.

Постепенното разширяване на списъка с известни вкусове се извършва успоредно с увеличаването на броя на лептоните; така че очевидният въпрос беше дали някога ще има край. Кварките бяха въведени, за да се опрости описанието на цялото разнообразие от адрони, но дори сега има усещането, че списъкът на частиците отново расте твърде бързо.

От времето на Демокрит основната идея на атомизма е признаването, че в достатъчно малък мащаб трябва да съществуват наистина елементарни частици, комбинациите от които изграждат материята около нас. Атомизмът е привлекателен, защото неделимите (по дефиниция) фундаментални частици трябва да съществуват в много ограничен брой. Разнообразието на природата се дължи на големия брой не на нейните съставни части, а на техните комбинации. Когато беше открито, че има много различни атомни ядра, изчезна надеждата, че това, което днес наричаме атоми, съответства на представата на древните гърци за елементарните частици на материята. И въпреки че според традицията продължаваме да говорим за различни химични „елементи“, известно е, че атомите изобщо не са елементарни, а се състоят от протони, неутрони и електрони. И тъй като броят на кварките се оказва твърде голям, е изкушаващо да се предположи, че те също са сложни системи, състоящи се от по-малки частици.

Въпреки че поради тази причина има известно недоволство от кварковата схема, повечето физици смятат кварките за наистина елементарни частици – точковидни, неделими и без вътрешна структура. В това отношение те приличат на пептоните и отдавна се предполага, че трябва да има дълбока връзка между тези две различни, но структурно подобни семейства. Основата за тази гледна точка възниква от сравнението на свойствата на лептоните и кварките (Таблица 3). Лептоните могат да бъдат групирани по двойки чрез свързване на всеки зареден лептон със съответното неутрино. Кварките също могат да бъдат групирани по двойки. Таблица 3 е съставен по такъв начин, че структурата на всяка клетка повтаря тази, разположена непосредствено пред нея. Например, във втората клетка мюонът е представен като „тежък електрон“, а очарователните и странните кварки са представени като тежки варианти И-и d-кварки. От следващото поле можете да видите, че тау лептонът е дори по-тежък „електрон“, а b кваркът е тежка версия на d кварка. За пълна аналогия се нуждаем от още едно (тау-лептониево) неутрино и шести аромат на кварки, който вече е получил името истински (истина, t).По времето, когато се пишеше тази книга, експерименталните доказателства за съществуването на топ кварки все още не бяха достатъчно убедителни и някои физици се съмняваха, че топ кварките изобщо съществуват.

Таблица 3

Лептоните и кварките естествено се сдвояват. както е показано в таблицата. Светът около нас се състои от първите четири частици. Но следващите групи, очевидно, повтарят горната и се състоят, в короната на неутрино, от изключително нестабилни частици.

Може ли да има четвърти, пети и т.н. изпарения, съдържащи още по-тежки частици? Ако е така, следващото поколение ускорители вероятно ще даде възможност на физиците да открият такива частици. Изказва се обаче едно интересно съображение, от което следва, че няма други двойки освен посочените три. Това съображение се основава на броя на видовете неутрино. Скоро ще научим, че в момента на Големия взрив, белязал възникването на Вселената, е имало интензивно създаване на неутрино. Един вид демокрация гарантира на всеки тип частици същия дял енергия като на останалите; следователно, колкото повече различни видове неутрино, толкова повече енергия се съдържа в морето от неутрино, изпълващо космическото пространство. Изчисленията показват, че ако имаше повече от три разновидности на неутрино, тогава гравитацията, създадена от всички тях, би имала силен смущаващ ефект върху ядрените процеси, настъпили през първите няколко минути от живота на Вселената. Следователно от тези косвени съображения следва много правдоподобно заключение, че трите двойки, показани в табл. 3, всички кварки и лептони, които съществуват в природата, са изчерпани.

Интересно е да се отбележи, че цялата обикновена материя във Вселената се състои само от два най-леки лептона (електрон и електронно неутрино) и два най-леки кварка ( ИИ д).Ако всички други лептони и кварки внезапно престанат да съществуват, тогава вероятно много малко ще се промени в света около нас.

Може би по-тежките кварки и лептони играят ролята на своеобразен резерв за най-леките кварки и лептони. Всички те са нестабилни и бързо се разпадат на частици, разположени в горната клетка. Например тау-лептонът и мюонът се разпадат на електрони, докато странните, очарователни и красиви частици се разпадат доста бързо или на неутрони, или на протони (в случай на бариони), или на лептони (в случай на мезони). Възниква въпросът: За каквоИма ли всички тези частици от второ и трето поколение? Защо природата имаше нужда от тях?

През 1939гАлберт Айнщайнсе обърна към президента Рузвелт с предложение да положат всички усилия за овладяване на енергията на атомния разпад преди нацистите. По това време той е емигрирал от фашистка ИталияЕнрико Фермивече работеше по този проблем в Колумбийския университет.

(В ускорителната камера на Европейската лаборатория по физика на частиците (ЦЕРН), най-големият център от този вид в Европа. Парадоксално е, че за изследване на най-малките частици са необходими гигантски структури.)

Въведение

През 1854 г. германец Хайнрих Гайслер. (1814-79) изобретява вакуумна стъклена тръба с електроди, наречена тръба на Heusler, и живачна помпа, която прави възможно получаването на висок вакуум. Чрез свързване на високоволтова индукционна бобина към електродите на тръбата той получава зелено сияние върху стъклото срещу отрицателния електрод. През 1876 г. немски физик Евгени Голдщайн(1850-1931) предполага, че това сияние е причинено от лъчи, излъчвани от катода, и нарича тези лъчи катодни лъчи.

(Новозеландският физик Ърнест Ръдърфорд (1871-1937) в лабораторията Кавендиш в университета в Кеймбридж, която той ръководи през 1919 г.)

Електрони

английски учен Уилям Крукс(1832-1919) подобри тръбата на Heusler и показа възможността за отклоняване на катодни лъчи чрез магнитно поле. През 1897 г. друг английски изследовател, Джоузеф Томсън, предполага, че лъчите са отрицателно заредени частици и определя тяхната маса, която се оказва около 2000 пъти по-малка от масата на водороден атом. Той нарече тези частици електрони, като взе име, предложено няколко години по-рано от ирландски физик Джордж Стоуни(1826-1911), който теоретично изчислява големината на техния заряд. Ето как става очевидна делимостта на атома. Томсън предлага модел, в който електроните са разпръснати из целия атом, като стафиди в кекс. И скоро бяха открити други частици, включени в атома. През 1895 г. започва работа в Кавендишката лаборатория Ърнест Ръдърфорд(1871-1937), който заедно с Томсън започва изследване на радиоактивността на урана и открива два вида частици, излъчвани от атомите на този елемент. Частиците със заряд и маса на електрон той нарича бета-частици, а други, положително заредени, с маса, равна на масата на 4 водородни атома, алфа-частици. Освен това атомите на урана са били източник на високочестотно електромагнитно излъчване - гама лъчи.

(Ото Хан и Лиз Майтнер. През 1945 г. Ган бешеинтерниран от съюзниците в Англия и едва там той научава, че е получил Нобелова награда за химия за 1944 г. „за откриването на деленето на тежки ядра.“)

протони

През 1886 г. Голдщайн открива друго лъчение, разпространяващо се в посока, обратна на катодните лъчи, което той нарича катодни лъчи. По-късно беше доказано, че те се състоят от атомни йони. Ръдърфорд предложи да наречем положителния водороден йон протон (от гръцкипротон- първото), тъй като той смята, че водородното ядро ​​е неразделна част от атомните ядра на всички други елементи. Така в началото на 20в. Установено е съществуването на три субатомни частици: електрон, протон и алфа-частица. IN1907 Г-н Ръдърфорд става професор в университета в Манчестър. Тук, опитвайки се да разбере структурата на атома, той провежда своите известни експерименти върху разсейването на алфа частици. Изследвайки преминаването на тези частици през тънко метално фолио, той стига до извода, че в центъра на атома има малко плътно ядро, способно да отразява алфа частици. Асистентът на Ръдърфорд по това време беше млад датски физик.Нилс Бор(1885-1962), който в1913 г., в съответствие с наскоро създадената квантова теория, предложи модел на структурата на атома, известен катоМодел на Ръдърфорд-Бор. В него електроните се въртяха около ядрото като планетите около Слънцето.

( Енрико Ферми (1901-54) получава Нобелова награда през 1938 г. за работата си върху неутронното облъчване на материята. През 1942 г. той за първи път извършва самоподдържаща се верижна реакция на разпадане на атомни ядра.)

Атомни модели

В този първи модел ядрото се състоеше от положително заредени протони и известен брой електрони, които частично неутрализираха своя заряд; освен това около ядрото се движат допълнителни електрони, чийто общ заряд е равен на положителния заряд на ядрото.Алфа частици, подобно на ядрата на хелиевите атоми, трябва да се състои от4 протони и2 електрони.Всичко свърши10 години преди този модел да бъде ревизиран. IN1930 Г-н Герман Валтер Боте(1891-1957) обяви откриването на нов вид радиоактивно лъчение, произведено, когато берилият се облъчва с алфа частици. англичанинДжеймс Чадуик(1891-1974) повторил тези експерименти и стигнал до извода, че това лъчение се състои от частици, равни по маса на протоните, но без електрически заряд. Те се наричаха неутрони. След това германецътВернер Хайзенберг(1901-76) предложи модел на атом, чието ядро ​​се състои само от протони и неутрони.Група изследователи с един от първите субатомни ускорители на частици -циклотрон(1932 г.). Това устройство е предназначено да ускорява частици и след това да бомбардира специални цели с тях.

(Група изследователи с един от първите субатомни ускорители на частици - циклотронът (1932 г.). Това устройство е предназначено да ускорява частици и след това да бомбардира специални цели с тях.)

Разделяне на атома

Физиците по света веднага видяха в неутроните идеален инструмент за въздействие върху атомите - тези тежки, незаредени частици лесно проникваха в атомните ядра. IN1934-36 Италия Енрико Ферми(1901-54) получи тяхната помощ37 радиоактивни изотопи на различни елементи. Поглъщайки неутрон, атомното ядро ​​става нестабилно и излъчва енергия под формата на гама лъчи. Ферми облъчи урана с неутрони, надявайки сепредго превърнете в нов елемент - „уран“ В същата посока на работа в Берлин, германецът Ото Хан(1879-1 Си австриецЛиз Майтнер(1878 - 1968). IN1938 Г-жа Майтнер, бягайки от нацистите, заминава за Стокхолм и продължава да работи заедно сФридрих Щрасман(1902-80). Скоро Хан и Майтнер, продължавайки експеримента и сравнявайки резултатите чрез кореспонденция, откриха образуването на радиоактивен барий в облъчен с неутрони уран. Майтнер предположи, че съм атом на уран (атомен номер92) расасе разделя на две ядра: барий (атомен номер на елемент с номер43 по-късно наречентехнеций). Така беше открита възможността за разделяне на атомното ядро. Установено е също, че когато ядрото на уранов атом се разруши,2-3 неутрони, всеки от които на свой ред е способен да инициира разпадането на уранови атоми, предизвиквайки верижна реакция с освобождаване на огромно количество енергия...

Изберете подходящия изотоп.Някои елементи или изотопи претърпяват радиоактивен разпад и различните изотопи могат да се държат по различен начин. Най-често срещаният изотоп на урана има атомно тегло 238 и се състои от 92 протона и 146 неутрона, но ядрата му обикновено абсорбират неутрони, без да се разделят на ядра от по-леки елементи. Изотоп на урана, чието ядро ​​съдържа три неутрона по-малко, 235 U, се дели много по-лесно от 238 U и се нарича делящ се изотоп.

• Когато уранът се разделя (деляне), се освобождават три неутрона, които се сблъскват с други уранови атоми, предизвиквайки верижна реакция.
• Някои изотопи се разделят толкова лесно и бързо, че е невъзможно да се поддържа постоянна ядрена реакция. Това явление се нарича спонтанен или спонтанен разпад. Например плутониевият изотоп 240 Pu е обект на такъв разпад, за разлика от 239 Pu, който има по-ниска скорост на делене.

За да продължи реакцията след разпадането на първия атом, трябва да се събере достатъчно изотоп.За целта е необходимо да има определено минимално количество делящ се изотоп, който да поддържа реакцията. Това количество се нарича критична маса. За достигане на критична маса и увеличаване на вероятността от гниене е необходимо достатъчно количество изходен материал.

Изстреляйте едно атомно ядро ​​на изотоп в друго ядро ​​на същия изотоп.Тъй като субатомните частици са рядкост в свободна форма, често е необходимо да се отделят от атомите, съдържащи тези частици. Един от начините да направите това е да изстреляте един атом от изотоп в друг от същия атом.

• Този метод е използван за създаването на атомната бомба 235 U, хвърлена над Хирошима. Подобно на оръдие оръжие с ураново ядро ​​изстреля 235 U-атома към мишена от подобни 235 U-атоми, които летяха достатъчно бързо, така че отделените от тях неутрони проникнаха в ядрата на други 235 U-атоми. Деленето на свой ред освобождава неутрони, които разделят още 235 U атома.

Бомбардирайте ядрата на делящ се изотоп със субатомни частици.Една субатомна частица може да удари атом 235 U и да го раздели на два отделни атома на други елементи, освобождавайки три неутрона. Субатомните частици могат да бъдат произведени от контролиран източник (като неутронна пушка) или създадени чрез сблъсък на ядра. Обикновено се използват три вида субатомни частици.

• протони. Тези субатомни частици имат маса и положителен електрически заряд. Броят на протоните в един атом определя от кой елемент е атом.
• неутрони. Тези субатомни частици имат същата маса като протона, но са неутрални (нямат електрически заряд).
• Алфа частици. Тези частици са свободните от електрони ядра на хелиевите атоми. Те се състоят от два протона и два неутрона.