Этюды о Вселенной

Постигнув атом, физики обратили свое внимание на ядро.

Ядра и ядерные реакции

Резерфорд был первым, кто понял, что в естественном радиоактивном распаде элементов кроется ключ к пониманию строения атомного ядра, и начал в 1919 г. серию экспериментов, в которых впервые осуществил искусственные превращения ядер одних элементов в другие.

Невозможно в нескольких строчках рассказать об интенсивной работе, приведшей в 1932 г. к открытию нейтрона Чедвиком и, наконец, к удовлетворительному описанию атомного ядра. Существуют две элементарные частицы, протон и нейтрон, сила взаимодействия которых намного больше электрической, но которую можно почувствовать только на исключительно коротких расстояниях. Такие силы связывают вместе протоны и нейтроны (называемые нуклонами). Эти связанные состояния как раз и являются атомными ядрами. Масса электрона исчезающе мала по сравнению с массой нуклонов (примерно в 1840 раз меньше); нейтроны и протоны имеют приблизительно равные массы.

Водород состоит из одного-единственного электрона, вращающегося вокруг ядра из одного протона. а уран состоит из 92 электронов, вращающихся вокруг ядра из 92 протонов и 143 нейтронов. Протоны имеют положительный электрический заряд, а нейтроны нейтральны. Отрицательный заряд электронов компенсирует заряд протонов, поэтому атом как целое нейтрален.

В химических реакциях атомы обмениваются электронами. Ядра в этом не принимают участия, а вот в ядерные реакции они вовлекаются, и в этих реакциях освобождаются энергии в миллионы раз больше, чем в химических. Наиболее примечательная из таких реакций – это деление урана-235 (отметим, что 235 = 92 + 143 – это полное число частиц, составляющих ядро). Все протоны имеют одинаковый заряд и отталкиваются друг от друга. По этой причине ядро, содержащее много протонов, может быть нестабильным и стремиться к распаду на два ядра поменьше, которые, следовательно, стабильны. в общем ядра, которые намного тяжелее урана-235, делятся с такой большой скоростью, что все нестабильны, а ядра легче урана-235 вовсе не делятся или делятся с трудом.

Деление

Чудесным образом оказалось, что ядро самого урана-235 не делится только тогда, когда его «не трогают». Если же с ним сталкивается медленный нейтрон, то тотчас происходит деление этого ядра на два больших осколка да еще два или три нейтрона. Поэтому если в кусок урана-235, состоящий из миллиардов миллиардов атомов, попадет первичный нейтрон, который вызовет деление ядра урана и появление других нейтронов, то в свою очередь эти новые нейтроны тоже вызовут реакции деления и рождение дополнительных нейтронов. Каждое деление происходит за очень короткое время (меньше одной миллионной секунды). Таким образом, теоретически должно было бы произойти деление всех атомов урана и рождение огромного количества нейтронов. Каждое деление освобождает большое количество энергии: тысячная часть всей массы превращается в энергию согласно формуле E = mc2, так что при делении 1 кг урана высвободилось бы энергии около 25 млн. кВтч.

Если бы действительно за короткое время произошло деление всех ядер, то мы имели бы взрыв атомной бомбы. в реакторе же дела идут иначе. Прежде всего природный уран представляет собой смесь, содержащую преимущественно уран-238, который не делится, и меньше 1% урана-235. Вот почему большинство нейтронов в конце концов поглощается неделящимися ядрами, и цепная реакция не возникает, если для этого не приняты специальные меры: урановые стержни в реакторе окружают так называемым замедлителем (обычной или, лучше, «тяжелой» водой, графитом или бериллием) для замедления вылетающих нейтронов, чтобы они с большей эффективностью вызывали деление. При таком устройстве реактор управляем; если начинается его перегрев, то в него вставляются стержни из материала (например, кадмия), сильно поглощающего нейтроны, что приводит к прекращению реакции.

Мезоны Юкавы

Но вернемся к ядерным силам. Используя представления только о нуклонах, электронах и фотонах, можно (в принципе) дать органичное описание всех химических свойств вещества и начать изучение ядер в правильном направлении. Теория поля, являющаяся, без преувеличения, одной из самых трудных научных дисциплин и краеугольным камнем современной физики, объясняет электрические силы, сводя их к обмену фотонами между заряженными частицами, т.е. не существует действия на расстоянии (которое, кстати, противоречило бы теории относительности), а электрические силы передаются квантами света, играющими роль клея для электрических зарядов.

С помощью дерзкой аналогии японец Юкава постулировал существование тогда еще не найденных частиц, π-мезонов, или пионов, которые должны были «склеивать» нуклоны, играя роль ядерных сил. в послевоенное время пионы, наконец, были обнаружены и детально изучены на ускорителях нового поколения. Существуют пионы положительные, нейтральные и отрицательные, они образуют семейство (триплет) частиц, которые, если не считать заряда, почти тождественны; это семейство добавляется к семейству нуклонов (дублету), имеющему похожие свойства. Успех, пришедший с открытием пионов, побудил физиков заняться постройкой все более мощных ускорителей. Вначале они просто раздвигали мешавшие стены старых зданий, а потом дошли до проектирования таких ускорителей, как комплекс ЛЭП в ЦЕРНе, имеющий в окружности 30 км. За развитием ускорителей последовали открытия новых частиц; теперь уже вновь обнаруженная частица ни у кого не вызовет удивления, если, конечно, не будет наделена какими-то особо привлекательными свойствами.

Частицы и античастицы

Почти все эти частицы чрезвычайно нестабильны, за исключением, например, электрона, протона и фотона. Некоторые частицы распадаются за времена, очень большие по сравнению с атомными; так, время жизни свободного нейтрона больше четверти часа. Что же мы узнали, изучая эти частицы? Кроме всего прочего, была подтверждена теория Дирака, согласно которой всякая частица имеет свою античастицу с совпадающими и одновременно «противоположными» свойствами. Так, антипротон имеет массу и характеристики движения такие же, как у протона, но противоположный заряд. Антиэлектрон (называемый позитроном) положителен и вместе с антипротоном может образовать атом антиводорода. Наконец, фотон сам является своей античастицей, так же как и нейтральный пион. Можно вообразить целые галактики, состоящие из антивещества. Отличить их от нормальных галактик можно было бы, выполнив очень тонкие наблюдения, находящиеся пока за пределами экспериментальных возможностей наших астрофизиков. Развитая на основе представления о существовании позитрона квантовая электродинамика с исключительной точностью объясняет множество эффектов, имеющих важное философское значение и обнаруженных при излучении света атомами.

Рассмотрим теперь более подробно основные свойства так называемых «элементарных» частиц. Изучение этих свойств представляет, кроме всего, и заметный методический интерес, поскольку приводит к обсуждению самого процесса исследования исходных составляющих вещества.

Семейства частиц

Сколько элементарных частиц обнаружено до сих пор? Если судить по толщине кратких справочников, где описаны их свойства и которые имеют хождение среди физиков, то несколько сотен. Многие из этих частиц собраны в семейства, похожие на семейства нуклонов или пионов. Эти семейства играют роль, сравнимую с ролью периодической системы Менделеева, столь полезной в химии. Но именно такое сходство и наталкивает на мысль, что мы занимаемся классификацией объектов, похожих на атомы, а вовсе не элементарных. Так или иначе, но уже снова начались поиски действительно элементарных составляющих вещества. к 1963 г. выяснилось, что частицы следует объединять в более обширные семейства. Так, например, нуклоны вместе с Λ-частицей и с частицами Σ0 и Ξ0 должны были образовать сверхсемейство из восьми членов (октет); таким же образом пионы вошли в другой октет и т.д.