Розщеплення атома 1

розщеплення атома

Часто кажуть, що існують два види наук - великі науки і малі. Розщеплення атома - велика наука. Вона має у своєму розпорядженні гігантськими експериментальними установками, колосальними бюджетами та отримує левову частку Нобелівських премій.

Навіщо фізикам знадобилося розщеплювати атом? Проста відповідь - щоб зрозуміти, як влаштований атом, - містить лише частку істини, але є і більш загальна причина. Говорити буквально про розщеплення атома не цілком правильно. Насправді мова йде про зіткнення частинок високої енергії. При зіткненні субатомних частинок, що рухаються з великими швидкостями, відбувається народження нового світу взаємодій і полів. Несучі величезну анергію осколки матерії, що розлітаються після зіткнень, таять в собі секрети природи, які від "створення світу" залишалися похованими в надрах атома.

Установки, на яких здійснюється зіткнення частинок високих енергій, - прискорювачі часток - вражають своїми розмірами і вартістю. Вони досягають декількох кілометрів в діаметрі, і в порівнянні з ними навіть лабораторії, в яких вивчаються зіткнення частинок, здаються крихітними. В інших областях наукових досліджень обладнання розміщується в лабораторії, у фізиці високих енергій лабораторії прилаштовуються до прискорювача. Нещодавно Європейський центр ядерних досліджень (ЦЕРН), розташований недалеко від Женеви, виділив кілька сотень мільйонів доларів на будівництво кільцевого прискорювача. Довжина кола споруджуваного для цієї мети тунелю досягає 27 км. Прискорювач, що отримав назву ЛЕП (LEP, Large Electron-Positron ring-велике електрон позитронне кільце), призначений для прискорення електронів і їх античастинок (позитронів) до швидкостей, всього лише "на волосок" відрізняються від швидкості світла. Щоб мати уявлення про масштаби енергії, уявімо, що замість електронів до таких швидкостей розганяється монетка вартістю в один пенні. В кінці циклу прискорення вона мала б енергією, достатньою для виробництва електроенергії на суму 1000 млн. Дол. Не дивно, що подібні експерименти прийнято відносити до фізики "високих енергій". Рухаючись всередині кільця назустріч один одному, пучки електронів і позитронів відчувають лобові зіткнення, при яких електрони і позитрони анігілюють, вивільняючи енергію, достатню для народження десятків інших частинок.

Що це за частки? Деякі з них - ті самі "цеглинки", з яких побудовані ми з вами: протони і нейтрони, що становлять атомні ядра, і обертаються навколо ядер електрони. Інші частки зазвичай в навколишньому речовині невідомі: їх вік надзвичайно короткий, і після закінчення його вони розпадаються на звичайні частинки. Число різновидів таких нестабільних короткоживучих частинок вражаюче: їх відомо вже кілька сотень. Подібно до зірок, нестабільні частинки занадто численні, щоб їх розрізняти "по іменам". Багато з них позначені лише грецькими буквами, а деякі - просто числами.

Важливо мати на увазі, що всі ці численні і різноманітні нестабільні частинки аж ніяк не є в прямому сенсі складовими частинами протонів, нейтронів або електронів. Стикаючись, електрони і позитрони високих енергій зовсім не розлітаються на безліч субатомних осколків. Навіть при зіткненнях протонів високих енергій, свідомо що складаються з інших об'єктів (кварків), вони, як правило, не розщеплюються на складові частини в звичайному сенсі. Те, що відбувається при таких зіткненнях, краще розглядати як безпосереднє народження нових частинок з енергії зіткнення.

Років двадцять тому фізики були абсолютно збиті з пантелику численністю і різноманітністю нових субатомних частинок, яким, здавалося, не буде кінця. Неможливо було зрозуміти, для чого стільки частинок. Може бути, елементарні частинки подібні мешканцям зоопарку з їх неявно вираженою приналежністю до сімейств, але без будь-якої чіткої систематики. Або, можливо, як вважали деякі оптимісти, елементарні частинки таять в собі ключ до Всесвіту? Що таке спостерігаються фізиками частки: малозначні і випадкові осколки матерії або виникають на наших очах обриси смутно відчувається порядку, що вказує на існування багатої та складної структури суб'ядерними світу? Нині в існуванні такої структури немає ніяких сумнівів. Мікросвіту притаманний глибокий і раціональний порядок, і ми починаємо розуміти, яке значення всіх цих частинок.

Перший крок до розуміння мікросвіту був зроблений в результаті систематизації всіх відомих частинок, подібно до того як в XVIII в. біологи становили докладні каталоги видів рослин і тварин. До числа найбільш важливих характеристик субатомних частинок відносяться маса, електричний заряд і спін.

Електричний заряд частинок змінюється в досить вузькому діапазоні, але, як ми відзначали, завжди кратний фундаментальної одиниці заряду. Деякі частинки, наприклад фотон і нейтрино, не мають електричного заряду. Якщо заряд позитивно зарядженого протона прийняти за +1, то заряд електрона дорівнює -1.

У гл. 2 ми ввели ще одну характеристику часток - спін. Він також завжди приймає значення, кратні деякої фундаментальної одиниці, яка з історичних причин обрана рівною 1/2. Так, протон, нейтрон і електрон мають спін 1/2, а спін фотона дорівнює 1. Відомі також частинки зі спіном 0, 3/2 і 2. Фундаментальних частинок зі спіном більше 2 не виявлено, і теоретики вважають, що часток з такими спинами не існує.

Спін частинки - важлива характеристика, і в залежності від його величини всі частинки поділяються на два класи. Частинки з спинами 0, 1 і 2 називаються "бозонами" - на честь індійського фізика Чатьендраната Бозе, а частинки з напівцілим спіном (тобто зі спіном 1/2 або 3/2 - "фермионами" в честь Енріко Фермі. Належність до одному з цих двох класів є, ймовірно, найбільш важливою в переліку характеристик частинки.

Інша важлива характеристика частинки - її час життя. До недавнього часу вважалося, що електрони, протони, фотони і нейтрино абсолютно стабільні, тобто мають нескінченно великий час життя. Нейтрон залишається стабільним, поки він "замкнений" в ядрі, але вільний нейтрон розпадається приблизно за 15 хв. Всі інші відомі частинки у вищій мірі нестабільні, їх часи життя коливаються в межах від декількох мікросекунд до 10-23 с. Такі інтервали часу здаються незбагненно малими, проте не слід забувати, що частка, що летить зі швидкістю, близькою до швидкості світла (а більшість частинок, які народжуються на прискорювачах, рухаються саме з такими швидкостями), встигає пролетіти за мікросекунд відстань в 300 м.

Нестабільні частки зазнають розпад, який представляє собою квантовий процес, і тому в розпаді завжди є елемент непередбачуваності. Тривалість життя конкретної частинки неможливо передбачити заздалегідь. На основі статистичних міркувань можна передбачити лише середній час життя. Зазвичай кажуть про період напіврозпаду частинки - часу, за яке популяція тотожних частинок скорочується наполовину. Експеримент показує, що зменшення чисельності популяції відбувається по експоненті (див. Рис. 6) і період напіврозпаду становить 0,693 від середнього часу життя.

Фізикам недостатньо знати, що та чи інша частка існує - вони прагнуть зрозуміти, яка її роль. Відповідь на це питання залежить від перерахованих вище властивостей частинок, а також від характеру сил, що діють на частку ззовні і всередині її. В першу чергу властивості частинки визначаються її здатністю (або нездатністю) брати участь у сильній взаємодії. Частинки, які беруть участь у сильній взаємодії, утворюють особливий клас і називаються Андрона. Частинки, які беруть участь в слабкій взаємодії і не беруть участь у сильній, називаються лептонами, що означає "легкі". Познайомимося коротко з кожним з цих сімейств.