T.Redzhe "Etyudy o Vselennoi", Mir/NiT<< 3.4. V glub' atoma | Oglavlenie | 3.6. Elementarnye chasticy >>
3.5. Yadernye sily
Posle izlozheniya osnov teorii otnositel'nosti, kvantovoi mehaniki i atomnoi fiziki interesnee vsego oharakterizovat' v obshih chertah imeyushiesya dannye o samoi glubinnoi strukture materii, t.e. pogovorit' o fizike atomnyh yader i elementarnyh chastic. Prezhde chem nachinat' rasskaz o yadernyh silah, umestno beglo napomnit' etapy puti, privedshego k stanovleniyu kvantovoi mehaniki.
Atomy
Razgovor o chasticah vsegda nachinaetsya s atomov, predstavlenie o kotoryh voshodit k Demokritu, zhivshemu primerno 400 let do n.e. Demokrit schital, chto atomy – eto nedelimye chasticy materii, razlichayushiesya tol'ko formoi, velichinoi, polozheniem i poryadkom, i chto takih atomov est' chetyre vida:
atomy zemli, vody, vozduha i ognya. Etot putanik Aristotel' dobavil k nim eshe atomy efira. Dlitel'noe vremya schitalos', chto atomy etih pyati vidov predstavlyayut soboi pyat' platonovskih pravil'nyh mnogogrannikov (sredi kotoryh kub i oktaedr). Himiya devyatnadcatogo stoletiya sumela ob'yasnit' ogromnoe raznoobrazie himicheskih soedinenii i konfiguracii veshestva, ispol'zuya men'she sotni razlichnyh atomov, vystroennyh v ryady v izumitel'noi periodicheskoi sisteme Mendeleeva.
Esli ne podnimat'sya vyshe neskol'kih tysyach gradusov Cel'siya i prenebrech' yavleniyami, svyazannymi s radioaktivnost'yu, to atomy mozhno rassmatrivat', kak shariki, lishennye vnutrennei struktury i sposobnye vstupat' v svyazi drug s drugom soglasno slozhnym pravilam igry himicheskoi valentnosti. Oni vosprinimayutsya pri etom kak elementarnye ob'ekty, nevidimye i neizmennye. Otkrytie elektrona Tomsonom v konce proshlogo veka i sozdanie modeli Bora-Rezerforda, naprotiv, pokazali, chto atom imeet chrezvychaino slozhnuyu strukturu i chto issledovanie istinnyh sostavnyh chastei veshestva tol'ko nachinaetsya.
Raboty Bora priveli k rozhdeniyu populyarnogo obraza atoma, podobnogo planetarnoi sisteme, v kotoroi elektrony vrashayutsya vokrug ochen' malen'kogo i tyazhelogo yadra. Elektrony zaryazheny otricatel'no i prityagivayutsya polozhitel'nym zaryadom yadra. Ot etogo zaryada zavisit chislo elektronov v atome i, sledovatel'no, ego himicheskie svoistva. Analogiya s Solnechnoi sistemoi, kak uzhe govorilos', ne lishena nedostatkov. V to vremya kak vse elektrony strogo odinakovy, Zemlya, naprimer, znachitel'no otlichaetsya ot Marsa ili Yupitera. Orbity planet lezhat primerno v odnoi ploskosti (ekliptike), a elektronnye orbity nakloneny po-raznomu i zapolnyayut prostranstvo vokrug yadra, obrazuya posledovatel'nost' obolochek razlichnoi struktury. Tem ne menee osnovnoe vozrazhenie protiv takogo uproshennogo predstavleniya atoma sostoit v drugom.
Fotony
V 1887 g. Gerc obnaruzhil, chto ul'trafioletovoe izluchenie, padaya na metallicheskuyu poverhnost', mozhet vyzvat' elektricheskii tok (fotoelektricheskii effekt). Padayushee izluchenie pogloshaetsya, i ego energiya idet na to, chtoby otorvat' elektron ot atoma i osvobodit' ego. Proyavleniya effekta kazalis' ves'ma strannymi. Elektronu v atome energiya izlucheniya mozhet byt' peredana tol'ko opredelennymi porciyami, proporcional'nymi chastote izlucheniya. Energiya sveta okazyvaetsya raspredelennoi po kvantam, ili "atomam" sveta, nazyvaemym fotonami. Foton byl otkryt Einshteinom, davshim pravil'noe ob'yasnenie fotoelektricheskogo effekta (Nobelevskaya premiya byla prisuzhdena emu imenno za eto issledovanie, a ne za teoriyu otnositel'nosti).
Vozvrat k korpuskulyarnoi teorii sveta imel ser'eznye posledstviya dlya vsei ostal'noi fiziki. Dlya nablyudeniya kakogo-nibud' ob'ekta ego neobhodimo osvetit' dozhdem iz fotonov. Predel'naya tochnost', s kakoi mozhno opredelit' polozhenie ob'ekta, ravna dline volny fotona. Esli by nashi glaza videli tol'ko santimetrovye radiovolny radara, to my by ne vosprinimali ob'ekty razmerami men'she odnogo santimetra. Tak chto pri zhelanii uvidet' odinochnyi elektron s pomosh'yu mikroskopa nam prishlos' by ispol'zovat' ochen' korotkovolnovoe izluchenie, chtoby, naprimer, ustanovit' polozhenie elektrona vnutri atoma.
Veroyatnostnoe opisanie
No malaya dlina volny ravnosil'na ochen' vysokoi chastote i, sledovatel'no, sootvetstvuet ochen' energichnym (zhestkim) fotonam. Eti fotony, stalkivayas' s elektronom, peredayut emu energiyu, menyaya pri etom ego skorost' nepredskazuemym obrazom. Chem luchshe izvestno polozhenie elektrona, tem huzhe budet izmerena ego skorost'. Bol'shinstvo fizikov (no ne Einshtein) sklonyalos' k interpretacii tak nazyvaemoi Kopengagenskoi shkoly, soglasno kotoroi eti ogranicheniya na izmerimost' polozheniya elektrona (da i lyuboi drugoi chasticy) vnutrenne prisushi materii i ne zavisyat ot sposoba nablyudeniya. Iz etogo podhoda i rodilas' kvantovaya mehanika, soglasno kotoroi neopredelennost' Geizenberga, v sushnosti, vyrazhaet tot konstruktivnyi princip, kotoryi dolzhen zamenit' strogii determinizm Laplasa veroyatnostnym podhodom k dvizheniyu materii.
Veroyatnostnyi podhod ne byl prinyat temi, ch'i raboty priveli s neizbezhnost'yu k ego stanovleniyu, t.e. de Broilem, Shredingerom i samim Einshteinom, kotoryi vo vremya pamyatnyh debatov s Nil'som Borom bezuspeshno pytalsya raspravit'sya s takim podhodom s pomosh'yu razlichnyh d'yavol'ski izoshrennyh kontr primerov. Sleduya svoei intuicii, my predstavlyaem sebe elektron kak mel'chaishii snaryad, dlya kotorogo mozhno v principe opredelit' posledovatel'nost' polozhenii v zavisimosti ot vremeni (traektoriyu, ili orbitu). Naprotiv, soglasno dovodam Kopengagenskoi shkoly, luchshim analogom elektrona sluzhit volna, rasprostranyayushayasya po poverhnosti morya.
Ni v koem sluchae ne sleduet vser'ez govorit' ob orbite, ili traektorii, elektrona; eti ponyatiya priblizhenny i okazhutsya neadekvatnymi, kak tol'ko my nachnem izuchat' dvizhenie elektrona detal'no. Elektron, kak, vprochem, i vse chasticy, otkrytye vposledstvii (vklyuchaya foton), v sushnosti, predstavlyaet soboi volnu, a atom mozhno sravnit' s rezonansnoi polost'yu, v kotoroi nahodyatsya slozhneishie elektronnye volny.
Kak uzhe govorilos', kolebaniya v atome proishodyat tol'ko v sootvetstvii s naborom vpolne opredelennyh elektronnyh konfiguracii, kazhdaya iz kotoryh priblizhenno sootvetstvuet kakoi-nibud' odnoi iz staryh orbit planetarnoi sistemy (ne vsem orbitam sootvetstvuyut elektronnye konfiguracii). Takoe yavlenie nazyvaetsya "kvantovaniem"; nel'zya perehodit' nepreryvnym obrazom s odnoi orbity na druguyu, eto mozhno delat' tol'ko vpolne opredelennymi skachkami.
Postignuv atom, fiziki obratili svoe vnimanie na yadro.
Yadra i yadernye reakcii
Rezerford byl pervym, kto ponyal, chto v estestvennom radioaktivnom raspade elementov kroetsya klyuch k ponimaniyu stroeniya atomnogo yadra, i nachal v 1919 g. seriyu eksperimentov, v kotoryh vpervye osushestvil iskusstvennye prevrasheniya yader odnih elementov v drugie.
Nevozmozhno v neskol'kih strochkah rasskazat' ob intensivnoi rabote, privedshei v 1932 g. k otkrytiyu neitrona Chedvikom i, nakonec, k udovletvoritel'nomu opisaniyu atomnogo yadra. Sushestvuyut dve elementarnye chasticy, proton i neitron, sila vzaimodeistviya kotoryh namnogo bol'she elektricheskoi, no kotoruyu mozhno pochuvstvovat' tol'ko na isklyuchitel'no korotkih rasstoyaniyah. Takie sily svyazyvayut vmeste protony i neitrony (nazyvaemye nuklonami). Eti svyazannye sostoyaniya kak raz i yavlyayutsya atomnymi yadrami. Massa elektrona ischezayushe mala po sravneniyu s massoi nuklonov (primerno v 1840 raz men'she); neitrony i protony imeyut priblizitel'no ravnye massy.
Vodorod sostoit iz odnogo-edinstvennogo elektrona, vrashayushegosya vokrug yadra iz odnogo protona. A uran sostoit iz 92 elektronov, vrashayushihsya vokrug yadra iz 92 protonov i 143 neitronov. Protony imeyut polozhitel'nyi elektricheskii zaryad, a neitrony neitral'ny. Otricatel'nyi zaryad elektronov kompensiruet zaryad protonov, poetomu atom kak celoe neitralen.
V himicheskih reakciyah atomy obmenivayutsya elektronami. Yadra v etom ne prinimayut uchastiya, a vot v yadernye reakcii oni vovlekayutsya, i v etih reakciyah osvobozhdayutsya energii v milliony raz bol'she, chem v himicheskih. Naibolee primechatel'naya iz takih reakcii – eto delenie urana-235 (otmetim, chto 235 = 92 + 143 – eto polnoe chislo chastic, sostavlyayushih yadro). Vse protony imeyut odinakovyi zaryad i ottalkivayutsya drug ot druga. Po etoi prichine yadro, soderzhashee mnogo protonov, mozhet byt' nestabil'nym i stremit'sya k raspadu na dva yadra pomen'she, kotorye, sledovatel'no, stabil'ny. V obshem yadra, kotorye namnogo tyazhelee urana-235, delyatsya s takoi bol'shoi skorost'yu, chto vse nestabil'ny, a yadra legche urana-235 vovse ne delyatsya ili delyatsya s trudom.
Delenie
Chudesnym obrazom okazalos', chto yadro samogo urana-235 ne delitsya tol'ko togda, kogda ego "ne trogayut". Esli zhe s nim stalkivaetsya medlennyi neitron, to totchas proishodit delenie etogo yadra na dva bol'shih oskolka da eshe dva ili tri neitrona. Poetomu esli v kusok urana-235, sostoyashii iz milliardov milliardov atomov, popadet pervichnyi neitron, kotoryi vyzovet delenie yadra urana i poyavlenie drugih neitronov, to v svoyu ochered' eti novye neitrony tozhe vyzovut reakcii deleniya i rozhdenie dopolnitel'nyh neitronov. Kazhdoe delenie proishodit za ochen' korotkoe vremya (men'she odnoi millionnoi sekundy). Takim obrazom, teoreticheski dolzhno bylo by proizoiti delenie vseh atomov urana i rozhdenie ogromnogo kolichestva neitronov. Kazhdoe delenie osvobozhdaet bol'shoe kolichestvo energii: tysyachnaya chast' vsei massy prevrashaetsya v energiyu soglasno formule E = mc2, tak chto pri delenii 1 kg urana vysvobodilos' by energii okolo 25 mln. kVtch.
Esli by deistvitel'no za korotkoe vremya proizoshlo delenie vseh yader, to my imeli by vzryv atomnoi bomby. V reaktore zhe dela idut inache. Prezhde vsego prirodnyi uran predstavlyaet soboi smes', soderzhashuyu preimushestvenno uran-238, kotoryi ne delitsya, i men'she 1% urana-235. Vot pochemu bol'shinstvo neitronov v konce koncov pogloshaetsya nedelyashimisya yadrami, i cepnaya reakciya ne voznikaet, esli dlya etogo ne prinyaty special'nye mery: uranovye sterzhni v reaktore okruzhayut tak nazyvaemym zamedlitelem (obychnoi ili, luchshe, "tyazheloi" vodoi, grafitom ili berilliem) dlya zamedleniya vyletayushih neitronov, chtoby oni s bol'shei effektivnost'yu vyzyvali delenie. Pri takom ustroistve reaktor upravlyaem; esli nachinaetsya ego peregrev, to v nego vstavlyayutsya sterzhni iz materiala (naprimer, kadmiya), sil'no pogloshayushego neitrony, chto privodit k prekrasheniyu reakcii.
Mezony Yukavy
No vernemsya k yadernym silam. Ispol'zuya predstavleniya tol'ko o nuklonah, elektronah i fotonah, mozhno (v principe) dat' organichnoe opisanie vseh himicheskih svoistv veshestva i nachat' izuchenie yader v pravil'nom napravlenii. Teoriya polya, yavlyayushayasya, bez preuvelicheniya, odnoi iz samyh trudnyh nauchnyh disciplin i kraeugol'nym kamnem sovremennoi fiziki, ob'yasnyaet elektricheskie sily, svodya ih k obmenu fotonami mezhdu zaryazhennymi chasticami, t.e. ne sushestvuet deistviya na rasstoyanii (kotoroe, kstati, protivorechilo by teorii otnositel'nosti), a elektricheskie sily peredayutsya kvantami sveta, igrayushimi rol' kleya dlya elektricheskih zaryadov.
S pomosh'yu derzkoi analogii yaponec Yukava postuliroval sushestvovanie togda eshe ne naidennyh chastic, 
-mezonov, ili pionov, kotorye dolzhny byli "skleivat'" nuklony, igraya rol' yadernyh sil. V poslevoennoe vremya piony, nakonec, byli obnaruzheny i detal'no izucheny na uskoritelyah novogo pokoleniya. Sushestvuyut piony polozhitel'nye, neitral'nye i otricatel'nye, oni obrazuyut semeistvo (triplet) chastic, kotorye, esli ne schitat' zaryada, pochti tozhdestvenny; eto semeistvo dobavlyaetsya k semeistvu nuklonov (dubletu), imeyushemu pohozhie svoistva. Uspeh, prishedshii s otkrytiem pionov, pobudil fizikov zanyat'sya postroikoi vse bolee moshnyh uskoritelei. Vnachale oni prosto razdvigali meshavshie steny staryh zdanii, a potom doshli do proektirovaniya takih uskoritelei, kak kompleks LEP v CERNe, imeyushii v okruzhnosti 30 km. Za razvitiem uskoritelei posledovali otkrytiya novyh chastic; teper' uzhe vnov' obnaruzhennaya chastica ni u kogo ne vyzovet udivleniya, esli, konechno, ne budet nadelena kakimi-to osobo privlekatel'nymi svoistvami.
Chasticy i antichasticy
Pochti vse eti chasticy chrezvychaino nestabil'ny, za isklyucheniem, naprimer, elektrona, protona i fotona. Nekotorye chasticy raspadayutsya za vremena, ochen' bol'shie po sravneniyu s atomnymi; tak, vremya zhizni svobodnogo neitrona bol'she chetverti chasa. Chto zhe my uznali, izuchaya eti chasticy? Krome vsego prochego, byla podtverzhdena teoriya Diraka, soglasno kotoroi vsyakaya chastica imeet svoyu antichasticu s sovpadayushimi i odnovremenno "protivopolozhnymi" svoistvami. Tak, antiproton imeet massu i harakteristiki dvizheniya takie zhe, kak u protona, no protivopolozhnyi zaryad. Antielektron (nazyvaemyi pozitronom) polozhitelen i vmeste s antiprotonom mozhet obrazovat' atom antivodoroda. Nakonec, foton sam yavlyaetsya svoei antichasticei, tak zhe kak i neitral'nyi pion. Mozhno voobrazit' celye galaktiki, sostoyashie iz antiveshestva. Otlichit' ih ot normal'nyh galaktik mozhno bylo by, vypolniv ochen' tonkie nablyudeniya, nahodyashiesya poka za predelami eksperimental'nyh vozmozhnostei nashih astrofizikov. Razvitaya na osnove predstavleniya o sushestvovanii pozitrona kvantovaya elektrodinamika s isklyuchitel'noi tochnost'yu ob'yasnyaet mnozhestvo effektov, imeyushih vazhnoe filosofskoe znachenie i obnaruzhennyh pri izluchenii sveta atomami.
<< 3.4. V glub' atoma | Oglavlenie | 3.6. Elementarnye chasticy >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy
Publikacii so slovami: Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
