Гравитационное взаимодействие осуществляется на чрезвычайно коротких расстояниях и вследствие крайней малости масс частиц дает весьма малые эффекты

Сильное взаимодействие происходит между ядерными частицами — протоном и нейтроном, благодаря чему достигается такая прочная стабильность ядра. В свободном состоянии нейтрон, например, является нестабильной частицей и распадается с образованием протона, электрона и нейтрино. Но в связанном состоянии в рамках ядра он становится по своим свойствам сходным с протоном. Сильное взаимодействие является короткодействующим, его радиус составляет 10^-13 см. В стабильном веществе взаимодействие между протонами и нейтронами при не слишком высокой температуре способствует лишь усилению связи между ними. Однако если происходит столкновение ядер или их частей — нуклонов, обладающих достаточно высокой энергией, тогда могут произойти различные ядерные реакции. Наиболее примечательной является реакция термоядерного синтеза, сопровождающаяся выделением огромной энергии.

Электромагнитное взаимодействие является менее интенсивным, чем сильное. С помощью такого взаимодействия осуществляется, во-первых, взаимосвязь и взаимодействие между положительно заряженным ядром и обращающимися вокруг него отрицательно заряженными электронами, во-вторых, взаимодействие между атомами в молекулах вещества. С электромагнитными взаимодействиями связано большинство сил, встречающихся в природе: силы упругости, поверхностного натяжения, изменения агрегатного состояния тел, химические превращения, магнитные и оптические явления и т.д. Можно, пожалуй, сказать, что большинство явлений, которые происходят в окружающем нас макромире, могут быть объяснены посредством механизма электромагнитного взаимодействия.

Слабое взаимодействие значительно слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия. О силе взаимодействия судят по скорости процессов, которые оно вызывает. Очевидно, что при слабом взаимодействии процессы происходят гораздо медленнее, чем при сильном и даже электромагнитном взаимодействии. Несмотря на это, слабое взаимодействие играет важную роль в природе. Без него

погасло бы наше Солнце, был бы невозможен -распад радиоактивных атомных ядер, эволюция звезд и многое другое.

Гравитационное взаимодействие является самым слабым среди всех остальных. Сила такого взаимодействия, по закону Ньютона, прямо пропорциональна произведению масс двух элементарных частиц и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Если сравнить эту силу гравитационного взаимодействия между двумя протонами на расстоянии 10^-13 см, то она будет в 10³⁶ раз меньше электростатического взаимодействия между ними на таком же расстоянии (определяемого по закону Кулона). Приведенная классификация взаимодействий имеет относительный характер, так как существенно зависит от энергии частиц. Во всяком случае, классификация не является ни окончательной, ни универсальной.

5. Одна из характерных особенностей элементарных частиц состоит в способности рождаться и уничтожаться, т.е. испускать и поглощать частицы при ядерных реакциях. Типичным примером может служить реакция превращения пары электрон и позитрон в пару фотонов:

Учитывая, что в этой и аналогичных реакциях происходит превращение частиц вещества в кванты излучения, или фотоны, часто ее называют аннигиляцией, или исчезновением, материи. Подобные же взаимопревращения происходят и с другими элементарными частицами, поэтому термин «аннигиляция» вряд ли подходит для характеристики таких превращений. Ведь фотоны являются такими же материальными объектами, как и электроны и позитроны.

7.3. Классификация элементарных частиц

Разделение элементарных частиц по различным группам, или их классификацию, можно проводить по разным основаниям деления. Например, подобную классификацию можно проводить по массе, электрическому заряду, времени жизни частиц и т.д. Однако научная классификация в качестве такого основания выбирает существенный признак, каким, несомненно, служит характер фундаментального взаимодействия частиц.

По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они могут быть отнесены к двум основным группам.

К первой группе относятся адроны (от греч. — сильный, большой), которые особенно активно участвуют в сильном взаимодействии, но могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

Адроны, в свою очередь, делятся на барионы и мезоны.

К барионам (от греч. — тяжелый) относятся элементарные частицы, обладающие полуцелым спином, масса которых не меньше массы протона. С этим связано само название этих частиц, поскольку самая легкая из них— протон — в 1836 раз тяжелее электрона. Протон и нейтрон являются наиболее известными барионами. Кроме них к ним принадлежат гипероны, часть резонансов и «очарованных» частиц, но единственно стабильной частицей среди них является протон. Нейтроны стабильны только во взаимодействии с протонами внутри ядра, в свободном же состоянии они распадаются. Остальные барионы также нестабильны и быстро распадаются, превращаясь в конечном итоге в протон и легкие частицы. Характерным свойством барионов является сохранение разности между числом барионов и антибарионов, которое нередко формулируют в виде закона сохранения барионного заряда, если приписать бариону особый заряд.

К мезонам (от греч. — средний, промежуточный) относят нестабильные адроны, обладающие целочисленным или нулевым спином. Как показывает название этих частиц, большинство из них обладают массами, которые являются промежуточными между массой электрона и массой протона. Первыми частицами с такой промежуточной массой были -мезоны и К -мезоны с разными зарядами. В дальнейшем были обнаружены другие частицы, масса которых превышает массу протона.

Ко второй группе элементарных частиц принадлежат лептоны (от греч. — легкий, тонкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К этой группе относится электрон, мюон, фотон, нейтрино и открытый в 1975 г. тяжелый т-лептон.

Помимо общих групповых характеристик элементарные частицы обладают также специфическими, индивидуальными признаками, которые характеризуются их квантовыми числами. К ним относят массу частицы, время ее жизни, спин и электрический заряд. Основываясь на этих признаках, можно провести дальнейшую классификацию элементарных частиц. По массе они делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относят электрон, протон, фотон и нейтрино. Квазистабильные частицы распадаются вследствие электромагнитного и слабого взаимодействия. Нестабильные частицы распадаются за счет сильного взаимодействия. Спин характеризует собственный момент количества движения частицы и измеряется целым или полуцелым значением, кратным постоянной Планка. Так, у протона и электрона он равен ¹/₂, а У фотона 0. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными наименьшего заряда, присущего электрону.

7.4. Кварковая модель адронов

Большое число элементарных частиц, и в особенности адронов, уже в начале 1950-х гг. побудило физиков заняться поиском закономерностей в распределении их масс и других квантовых чисел. Эти поиски привели Г. Цвейга и М. Гелл-Мана к гипотезе, что все адроны являются комбинациями кварков.

По современным представлениям кварки — гипотетические материальные частицы, из которых состоят все адроны, т.е. частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К ним относятся все барионы и мезоны, а также многочисленные нестабильные (резонансные) элементарные частицы. Согласно новой гипотезе, мезоны состоят из кварка и антикварка, барионы (тяжелые частицы, такие, как протон, нейтрон и им подобные) — из трех кварков.

Гипотеза кварков стала необходимой для объяснения динамики различных процессов, в которых участвуют адроны. В первое время с ее помощью удалось упорядочить большой экспериментальный материал, накопленный при исследовании элементарных частиц. При этом удалось выяснить, что реакции, в которых участвуют некоторые адроны, можно объяснить с помощью гипотетических кварков. В 60-х гг. XX в. был предпринят даже эксперимент, напоминающий опыт Резер-форда, который бомбардировал атомы альфа-частицами. Но вместо таких частиц в новом эксперименте осуществлялась бомбардировка протонов электронами высоких энергий. По рассеянию электронов ученые высказали предположение, что протон обладает определенной структурой, элементами которой должны быть кварки.

Хотя гипотеза о кварках теоретически необходима, никакого надежного экспериментального подтверждения их существования, несмотря на многочисленные поиски с помощью ускорителей высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде, не было найдено. Это заставило некоторых физиков предположить, что здесь мы встречаемся с принципиально новым явлением природы, которое называют удержанием кварков. Однако это мнение не является общепринятым и встречает различные возражения.

Вначале предполагалось, что существует четыре кварка, но в настоящее время к ним добавлено еще два и, следовательно, допускается существование шести кварков, которые обозначаются символами и, d, с, s, t, b. По симметрии им соответствует такое же число антикварков, обозначаемых теми же самыми символами, но с черточкой наверху. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что каждый кварк может быть носителем трех разных зарядов сильного взаимодействия,

которые сейчас принято называть синим, зеленым и красным цветами. Когда происходит объединение таких кварков в единое целое, то их заряды, или цвета, дают общий белый цвет или, точнее, свет. Эта аналогия заимствована из оптики, где соединение синего, зеленого и красного цветов образует белый свет. Точно так же тяжелые адроны, в частности протон и нейтрон, состоят из кварков трех основных цветов. Мезоны же состоят из одного кварка и одного антикварка. В данном случае используется другая аналогия из оптики, состоящая в том, что основной и дополнительный цвет также дают белый свет. Благодаря этим аналогиям исследование о кварках получило название хромоди-намики. Цветовой заряд в хромодинамике, как и в электродинамике, порождает особое поле, названное глюонным (от англ. glue — клей). Кванты такого поля называются глюонами и по свойствам похожи на фотоны, так как лишены массы покоя и зарядов.

Таким образом, при кварковой модели для описания свойств элементарных частиц достаточно допустить существование 18 кварков и 18 антикварков. Поскольку лептоны являются такими же бесструктурными объектами, как и кварки, то к общему числу кварков и антикварков следует добавить число всех лептонов (электрон, мюон, нейтрино и тяжелый лептон) и их антилептонов. Всего, следовательно, получится 44 фундаментальные частицы. Некоторым современным ученым это число кажется также неприемлемым, ибо исследователи стремились построить мироздание на минимальном числе фундаментальных частиц, свойствами которых возможно объяснить бесчисленное многообразие явлений и процессов, происходящих во Вселенной.

На пути создания непротиворечивой теории элементарных частиц возникает, конечно, немало трудностей, связанных, например, с появлением бесконечностей в качестве значений для некоторых физических величин, неясностью механизма определения массы «истинных» элементарных частиц и рядом других проблем. В последние годы наметилась тенденция преодоления этих трудностей путем отказа от представления об элементарных частицах как о точечных образованиях и признания их конечной протяженности, а также принятия новой геометрии на весьма малых расстояниях. По-видимому, перспективным является также учет влияния гравитации на таких расстояниях. Новые пути исследования открываются также путем включения гравитационного взаимодействия в общую структуру взаимодействия элементарных частиц.

Атомистическая концепция, как мы видим, опирается на представление о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического тела можно в конечном итоге свести к свойствам

128

составляющих его мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки. Трудности, которые возникают при таком подходе, с общей, мировоззренческой точки зрения связаны, во-первых, с абсолютизацией аспекта дискретности, неограниченной делимости материи, во-вторых, с полной редукцией сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними. Поэтому с философской точки зрения особенно интересными представляются новые подходы к изучению строения материи, которые основываются не на поиске последних неделимых и фундаментальных ее частиц, а скорее выявлении их внутренних связей для объяснения целостных свойств материальных образований. Такая точка зрения высказывалась еще В. Гейзенбергом, но пока не получила дальнейшего развития. По-видимому, на объединении концепций атомизма и дискретности, с одной стороны, и непрерывности, целостности и системного подхода — с другой, следует ждать дальнейшего прогресса в познании фундаментальных физических свойств материи. Во всяком случае, редукционистская тенденция, связанная с попытками сведения свойств и закономерностей разнообразных сложных объектов и явлений к простым свойствам составляющих их элементов, в настоящее время наталкивается на серьезные трудности, преодоление которых возможно путем поиска альтернативных путей исследования.

Непрекращающаяся жажда познания, желание постичь тайны мироздания, стремление найти окончательную истину сопровождают развитие науки со времени ее возникновения. На примере эволюции концепции атомизма, начиная от Античности и кончая нашими днями, мы видим, какой огромный прогресс совершила наука за более чем две с половиной тысячи лет своего развития. При этом самые значительные успехи были достигнуты за четыре последних столетия, а практическое применение концепция атомизма получила лишь с техническим воплощением ее идей в атомной энергетике.

7.5. Строение атомного ядра и ядерные процессы

С развитием концепции атомизма и переходом к исследованию элементарных частиц физики приступили к изучению самого ядра атома. В первой модели атома Резерфорда—Бора предполагалось, что ядро состоит из положительно заряженных массивных протонов. Только после открытия в 1932 г. английским ученым Д. Чедвиком электрически нейтральной частицы, названной нейтроном, в изучении строения

ядра наметился явный прогресс. Сразу же после этого открытия русский физик Д. Иваненко первым выступил в печати с гипотезой, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и лишенных заряда нейтронов. В том же году немецкий физик В. Гейзенберг развил эту гипотезу дальше. Тот факт, что нейтроны электрически нейтральны, сыграл ключевую роль в дальнейших ядерных исследованиях. Во-первых, электрически нейтральные нейтроны не отталкиваются ядром и поэтому их можно применить для бомбардировки ядра и более тщательного изучения его строения и свойств. Во-вторых, нейтроны служат незаменимым средством в практическом использовании ядерной энергетики, получении трансурановых элементов, радиоактивных изотопов, геологической разведке и т.д.

Протоны и нейтроны, образующие ядро и называемые нуклонами, по своей массе в 4 тыс. раз превосходят массу составляющих атом электронов. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом, число протонов определяет заряд атома, а числонейтронов находится по формуле: N=А — Z, где N— число нейтронов, А — массовое число, Z— число протонов. Размеры ядра зависят от числа содержащихся в нем нуклонов. Плотность ядерного вещества чрезвычайно велика и, по расчетам, составляет приблизительно 10¹⁴ г/см³, т.е. 100 млн т/см³.

Исследование структуры ядра сопряжено со многими теоретическими и экспериментальными трудностями. Поэтому при построении моделей ядра используются различные аналогии и полуэмпирические схемы. Так, еще в 1936 г. известный датский ученый Н. Бор и советский физик Я. Френкель выдвинули капельную модель атомного ядра. В ней ядро рассматривается по аналогии с каплей жидкости, которая, однако, состоит из интенсивно взаимодействующих между собой протонов и нейтронов. Поверхность такой капли может колебаться и при определенных условиях привести к разделению капли на части, т.е. к разрушению ядра.

Другая модель была предложена американским ученым М. Гепперт-Майер и немецким физиком X. Йенсеном в 50-х гг. XX в. Она была названа оболочечной моделью ядра, согласно которой нуклоны, как и электроны в атоме, заполняют соответствующие оболочки в ядре, которые характеризуются разными значениями энергий. В противовес этой модели датские ученые О. Бор (сын Н. Бора) и Б. Мотгельсон выдвинули обобщенную модель ядра, которая состоит из устойчивой внутренней части, вокруг которой движутся внешние нуклоны. Под воздействием этих нуклонов внутренняя часть ядра может изменять свою структуру, принимая форму вытянутого эллипсоида, напоминающую своего рода каплю. Поскольку указанная модель в определенной мере объединяет представления капельной и оболочечной моделей, ее и назвали обобщенной.

9-925

Процесс взаимодействия нуклонов осуществляется путем многократного испускания одним из них -мезона и поглощения его другим нуклоном. В результате этого протон превращается в нейтрон, а нейтрон преобразуется в протон. Протоны и нейтроны, образующие атомное ядро, удерживаются вместе мощными силами ядерного взаимодействия, которые принадлежат, как мы уже знаем, к фундаментальному типу сильного взаимодействия. Под энергией связи ядра подразумевают энергию, которую необходимо затратить, чтобы разделить его на отдельные нуклоны. Она равна разности между суммой масс нуклонов, входящих в ядро, и массой образованного из них ядра, умноженной на квадрат скорости света:

Из этой разницы как раз образуется тот дефект массы, за счет которого возникает огромная термоядерная энергия в результате расщепления ядра:

Отсюда становится ясным, что масса ядра атома меньше массы составляющих его нуклонов, так как в процессе синтеза часть их массы превращается в энергию и выделяется в окружающую среду. Зная общую энергию связи нуклонов, можно найти удельную энергию, приходящуюся на отдельный нуклон. Для большинства ядер эта энергия в среднем оказывается одинаковой, но для легких и тяжелых ядер наблюдается отклонение от среднего значения. Следует также обратить внимание на то, что с увеличением числа протонов в тяжелых ядрах тех атомов, которые занимают места в последних клетках периодической системы элементов Менделеева, заметное воздействие оказывают силы отталкивания между положительно заряженными протонами. Они стремятся разрушить ядро, и поэтому ядра таких атомов становятся нестабильными, а атомы химических элементов, начиная с № 83 (висмут), оказываются неустойчивыми. Именно этим объясняется естественная радиоактивность элементов, наблюдаемая в природе.

Впервые такую радиоактивность обнаружил французский ученый А. Беккерель в 1896 г. Изучая соли урана, а затем и чистый уран, он заметил, что они непрерывно излучают энергию, которую Беккерель назвал радиоактивной. Дальнейшее исследование явления радиоактивности другими учеными, и в особенности супругами М. Склодовской-Кюри и П. Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий, позволило выявить ряд свойств и закономерностей радиоактивного излучения. Было установлено, что все радиоактивные вещества испускают три рода лучей, которые были названы -лучами. При анализе -лучи оказались ядрами гелия, -лучи сначала связывали с испуска-

нием электрона, но теперь мы знаем, что они характерны для слабого взаимодействия вообще, у-лучи обладают большой проникающей способностью и во многом аналогичны жестким рентгеновским лучам.

Первое объяснение естественной радиоактивности было достигнуто с помощью представления о превращении одних химических элементов в другие, которое, как мы знаем, привело к революции в естествознании и отказу от прежних взглядов на атомы как мельчайшие, неизменные и неделимые частицы вещества. Впоследствии с помощью квантовой механики удалось дать более адекватное объяснение механизму радиоактивных процессов.

В 1940 г. русские ученые Г.Н. Флеров и К.А. Петржак открыли новый вид радиоактивного превращения, связанный со спонтанным, или самопроизвольным, делением атомных ядер. Но явление радиоактивности, наблюдаемое в естественных условиях, вряд ли по своему значению и роли в физико-химических исследованиях можно сравнить с искусственной радиоактивностью, которая вызывается и контролируется самим ученым. Преимущества такого исследования очевидны: во-первых, ученый получает при этом возможность экспериментировать с явлениями, во-вторых, — и это главное — он создает искусственные элементы, которые не встречаются в природе.

Первыми такую искусственную радиоактивность наблюдали французские физики супруги И. и Ф. Жолио-Кюри, получившие изотоп фосфора. В настоящее время наиболее эффективным средством, способным вызвать искусственную радиоактивность или получить изотопы, служат, как мы уже знаем, нейтроны. В принципе искусственная радиоактивность не отличается от радиоактивности естественной, поскольку обе они основываются на разрушении ядра атома и превращении одних атомов в другие.

Особого внимания заслуживает процесс деления тяжелых ядер, который может происходить как естественно, так и искусственно. В последнем случае для этого следует бомбардировать ядро нейтронами. В 1939 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман, бомбардируя уран нейтронами, обнаружили, что при этом образуются ядра щелочноземельных элементов. В том же году австрийские физики Л. Майтнер и О. Фриш установили, что при бомбардировке ядра урана-235 нейтронами оно делится на два осколка и при этом испускается 2—3 свободных нейтрона. Эти нейтроны, попадая на другие ядра, могут вызвать их деление и таким способом вызвать цепную реакцию. В результате этого выделяется огромное количество энергии вследствие принципа дефекта массы, рассмотренного выше. Для сравнения можно отметить, что энергия, получаемая в результате цепной реакции деления

 

1 кг урана, в несколько миллионов раз больше, чем, например, при сжигании того же количества угля.

Однако осуществить такую цепную реакцию весьма трудно, поскольку для этого требуется уран-235, которого в природном уране содержится всего 0,7%. Поэтому необходимо из урановой руды вьщелить достаточное количество урана-235, чтобы могла начаться цепная реакция. Эта критическая масса составляет несколько десятков килограммов. Такая реакция будет, однако, неуправляемой и может привести к большому взрыву, как и в водородной бомбе. Но реакция, которая происходит в водородной бомбе, имеет принципиально иной характер. Она основана на термоядерном синтезе, т.е. на соединении легких ядер водорода при очень высокой температуре, в сотни миллионов градусов, которая получается путем взрыва атомной бомбы, сконструированной вместе с водородной бомбой. Огромная температура, выделяемая при атомном взрыве, создает условия для термоядерного синтеза ядер водорода и выброса получаемой при этом гигантской энергии.

Аналогичные термоядерные процессы, т.е. реакции синтеза легких ядер и превращения их в более тяжелые ядра, постоянно происходят в недрах звезд, в частности нашего Солнца. Использование термоядерной энергии в земных условиях связано с поисками управляемого термоядерного синтеза, что навсегда решило бы энергетические проблемы человечества.

Основные понятия, вопросы и задания

 

Адроны	Кварки
Антинейтроны	Лептоны
Антипротоны	Мезоны
Атом	Модель
Барионы	Молекула
Взаимодействие	Радиоактивность
Глюоны
Гравитация	Электрон
Изотопы	Ядерные процессы

1. Когда гипотеза об атомах вошла в естествознание и для чего она была использована?

2. Какие новые открытия в физике опровергли представление об атомах как последних неизменных и неделимых частицах материи?

3. Чем отличается искусственная радиоактивность от естественной?

4. Когда возникла революции в естествознании и к каким новым выводам она привела?

5. Какие элементарные частицы были известны до возникновения квантовой механики?

6. Какие новые частицы были открыты непосредственно после создания квантовой механики?

7. Какие частицы стали называться элементарными и где вначале они были открыты?

8. Какими общими свойствами обладают элементарные частицы?

9. Какие фундаментальные взаимодействия рассматриваются в физике?

 

10. Чем характеризуются сильные взаимодействия?

11. Какую роль электромагнитное взаимодействие играет в окружающем нас мире?

12. Как происходит естественный радиоактивный распад?

13. Сравните по силе гравитационное и слабое взаимодействие?

14. Какие частицы называются кварками и почему они не обнаружены в свободном состоянии?

15. Какие частицы относятся к адронам?

16. Какими массами обладают мезоны?

17. Какие частицы относятся к лептонам?

18. Что такое вещество и антивещество?

19. Что называют аннигиляцией элементарных частиц?

20. Какие реакции называются ядерными?

21. Как происходит процесс деления тяжелых ядер?

22. Что представляет собой термоядерный синтез? '

Литература

Основная:

Марков М.А. О природе материи. М., 1976. Физический энциклопедический словарь. М., 1983. С. 896—902. Философия науки. Современные философские проблемы областей научного знания. М., 2005.

Дополнительная:

Коккедэ Я. Теория кварков. М., 1971.

Окунь Л.Б. Лептоны и кварки. М., 1981.

Ситенко А.Г., Тартаковский. Лекции по теории ядра. М., 1972.

Философия: энциклопедический словарь / Под ред. А.А. Ивина. М., 2004.

Глава 8