Fisiunea atomică. Rutherford și scindarea atomului. Lumea particulelor subatomice

Descoperirea nucleului atomic Să luăm în considerare puțin mai detaliat una dintre descoperirile fundamentale ale lui Rutherford - descoperirea nucleului atomic și modelul planetar al atomului. Am văzut că asemănarea unui atom cu un sistem planetar a fost făcută chiar la începutul secolului al XX-lea. Dar acest model a fost dificil

Modelul proton-neutron al nucleului La 28 mai 1932, fizicianul sovietic D. D. Ivanenko a publicat o notă în Nature în care sugera că neutronul, împreună cu protonul, este un element structural al nucleului. El a subliniat că o astfel de ipoteză rezolvă problema catastrofei azotului. ÎN

În interiorul nucleului Această călătorie fără precedent pentru pasagerii nucleului Jules Vernov nu va fi la fel de pașnică și prosperă precum este descrisă în roman. Nu vă gândiți, însă, că pericolul îi amenință în timpul călătoriei de la Pământ la Lună. Deloc! Dacă au reușit să rămână în viață până atunci

La Capitolul VIII 6. Presiunea în interiorul unei ghiulele Pentru cititorii care ar dori să verifice calculele menționate la pagina 65, prezentăm aici aceste calcule simple.Pentru calcule va trebui să folosim doar două formule pentru mișcarea accelerată și anume: 1) Viteza v în cele din urmă

4.2. Caracteristici fizice, structura nucleară În ultimul deceniu, cunoștințele noastre despre comete și procesele care au loc pe acestea s-au extins semnificativ. O creștere bruscă a interesului pentru comete a fost facilitată de pregătirea și deținerea spațiului internațional

RUTHERFORD ȘI DEscoperirea nucleului atomic Ce s-a întâmplat cu cineva care a fost un bun jucător de rugby în tinerețe și apoi, înaintea oricui, și-a dat seama că atomul se poate descompune? Ernest Rutherford și-a încheiat „exilul” american în ianuarie 1907, la ceva timp după moartea sa

Fisiunea nucleară este divizarea unui atom greu în două fragmente de masă aproximativ egală, însoțită de eliberarea unei cantități mari de energie.

Descoperirea fisiunii nucleare a început o nouă eră - „era atomică”. Potențialul posibilei sale utilizări și raportul risc-beneficiu al utilizării sale au generat nu numai multe progrese sociologice, politice, economice și științifice, ci și probleme serioase. Chiar și din punct de vedere pur științific, procesul de fisiune nucleară a creat un număr mare de puzzle-uri și complicații, iar explicația sa teoretică completă este o chestiune de viitor.

Împărțirea este profitabilă

Energiile de legare (pe nucleon) diferă pentru nuclee diferite. Cele mai grele au o energie de legare mai mică decât cele situate la mijlocul tabelului periodic.

Aceasta înseamnă că nucleele grele cu un număr atomic mai mare de 100 beneficiază de împărțirea în două fragmente mai mici, eliberând astfel energie care este convertită în energie cinetică a fragmentelor. Acest proces se numește divizare

Conform curbei de stabilitate, care arată numărul de protoni față de numărul de neutroni pentru nuclizii stabili, nucleele mai grele preferă un număr mai mare de neutroni (față de numărul de protoni) decât nucleele mai ușoare. Acest lucru sugerează că unii neutroni „de rezervă” vor fi emiși odată cu procesul de fisiune. În plus, vor absorbi și o parte din energia eliberată. Un studiu al fisiunii nucleului unui atom de uraniu a arătat că sunt eliberați 3-4 neutroni: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Numărul atomic (și masa atomică) al fragmentului nu este egal cu jumătate din masa atomică a părintelui. Diferența dintre masele de atomi formate ca urmare a divizării este de obicei de aproximativ 50. Cu toate acestea, motivul pentru aceasta nu este încă pe deplin clar.

Energiile de legare ale 238 U, 145 La și 90 Br sunt 1803, 1198 și, respectiv, 763 MeV. Aceasta înseamnă că, în urma acestei reacții, se eliberează energia de fisiune a nucleului de uraniu, egală cu 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Fisiune spontană

Procesele de fisiune spontană sunt cunoscute în natură, dar sunt foarte rare. Durata medie de viață a acestui proces este de aproximativ 10 17 ani și, de exemplu, durata medie de viață a descompunerii alfa a aceluiași radionuclid este de aproximativ 10 11 ani.

Motivul pentru aceasta este că, pentru a se împărți în două părți, miezul trebuie mai întâi să sufere deformare (întindere) într-o formă elipsoidală și apoi, înainte de a se împărți în cele din urmă în două fragmente, să formeze un „gât” în mijloc.

Bariera potențială

Într-o stare deformată, două forțe acționează asupra miezului. Una este energia de suprafață crescută (tensiunea superficială a unei picături de lichid explică forma sa sferică), iar cealaltă este repulsia Coulomb între fragmentele de fisiune. Împreună produc o barieră potențială.

Ca și în cazul dezintegrarii alfa, pentru ca fisiunea spontană a nucleului unui atom de uraniu să aibă loc, fragmentele trebuie să depășească această barieră folosind tunelul cuantic. Valoarea barierei este de aproximativ 6 MeV, ca în cazul dezintegrarii alfa, dar probabilitatea unui tunel al particulelor alfa este mult mai mare decât cea a produsului de fisiune atomică mult mai greu.

Diviziunea forțată

Mult mai probabil este fisiunea indusă a nucleului de uraniu. În acest caz, nucleul mamă este iradiat cu neutroni. Dacă părintele o absoarbe, se leagă, eliberând energie de legare sub formă de energie vibrațională care poate depăși cei 6 MeV necesari pentru a depăși bariera potențială.

Acolo unde energia neutronului suplimentar nu este suficientă pentru a depăși bariera potențială, neutronul incident trebuie să aibă o energie cinetică minimă pentru a putea induce fisiunea atomică. În cazul 238 U, energia de legare a neutronilor suplimentari lipsește cu aproximativ 1 MeV. Aceasta înseamnă că fisiunea unui nucleu de uraniu este indusă doar de un neutron cu o energie cinetică mai mare de 1 MeV. Pe de altă parte, izotopul 235 U are un neutron nepereche. Când un nucleu absoarbe unul suplimentar, se împerechează cu el și această împerechere are ca rezultat o energie de legare suplimentară. Acest lucru este suficient pentru a elibera cantitatea de energie necesară pentru ca nucleul să depășească bariera de potențial, iar fisiunea izotopului are loc la coliziunea cu orice neutron.

Dezintegrare beta

Chiar dacă reacția de fisiune produce trei sau patru neutroni, fragmentele conțin încă mai mulți neutroni decât izobarele lor stabile. Aceasta înseamnă că fragmentele de clivaj tind să fie instabile la degradarea beta.

De exemplu, atunci când are loc fisiunea nucleului de uraniu 238 U, izobara stabilă cu A = 145 este neodim 145 Nd, ceea ce înseamnă că fragmentul de lantan 145 La se descompune în trei etape, emițând de fiecare dată un electron și un antineutrin, până când un se formează un nuclid stabil. O izobară stabilă cu A = 90 este zirconiul 90 Zr, astfel încât fragmentul de clivaj al bromului 90 Br se descompune în cinci etape ale lanțului de descompunere β.

Aceste lanțuri de dezintegrare β eliberează energie suplimentară, aproape toată care este transportată de electroni și antineutrini.

Reacții nucleare: fisiunea nucleelor ​​de uraniu

Emisia directă de neutroni de la un nuclid cu prea mulți neutroni pentru a asigura stabilitatea nucleară este puțin probabilă. Ideea aici este că nu există repulsie coulombiană și astfel energia de suprafață tinde să mențină neutronul legat de părintele. Cu toate acestea, acest lucru se întâmplă uneori. De exemplu, fragmentul de fisiune de 90 Br în prima etapă a dezintegrarii beta produce krypton-90, care poate fi într-o stare excitată cu suficientă energie pentru a depăși energia de suprafață. În acest caz, emisia de neutroni poate avea loc direct cu formarea criptonului-89. este încă instabil la dezintegrarea β până când devine stabil ytriu-89, deci krypton-89 se descompune în trei pași.

Fisiunea nucleelor ​​de uraniu: reacție în lanț

Neutronii emiși în reacția de fisiune pot fi absorbiți de un alt nucleu părinte, care apoi suferă o fisiune indusă. În cazul uraniului-238, cei trei neutroni care sunt produși ies cu o energie mai mică de 1 MeV (energia eliberată în timpul fisiunii unui nucleu de uraniu - 158 MeV - este transformată în principal în energia cinetică a fragmentelor de fisiune ), deci nu pot provoca o fisiune suplimentară a acestui nuclid. Cu toate acestea, la o concentrație semnificativă a izotopului rar 235 U, acești neutroni liberi pot fi captați de nuclee de 235 U, care de fapt pot provoca fisiune, deoarece în acest caz nu există un prag de energie sub care fisiunea să nu fie indusă.

Acesta este principiul unei reacții în lanț.

Tipuri de reacții nucleare

Fie k numărul de neutroni produși într-o probă de material fisionabil în etapa n a acestui lanț, împărțit la numărul de neutroni produși în etapa n - 1. Acest număr va depinde de câți neutroni produși în etapa n - 1 sunt absorbiți de nucleul care poate suferi diviziunea forţată.

Dacă k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Dacă k > 1, atunci reacția în lanț va crește până când tot materialul fisionabil va fi epuizat.Acest lucru se realizează prin îmbogățirea minereului natural pentru a obține o concentrație suficient de mare de uraniu-235. Pentru o probă sferică, valoarea lui k crește odată cu creșterea probabilității de absorbție a neutronilor, care depinde de raza sferei. Prin urmare, masa U trebuie să depășească o anumită cantitate, astfel încât să se poată produce fisiunea nucleelor ​​de uraniu (reacție în lanț).

Dacă k = 1, atunci are loc o reacție controlată. Acesta este utilizat în Procesul este controlat prin distribuirea tijelor de cadmiu sau bor între uraniu, care absorb majoritatea neutronilor (aceste elemente au capacitatea de a capta neutroni). Fisiunea nucleului de uraniu este controlată automat prin deplasarea tijelor astfel încât valoarea lui k să rămână egală cu unitatea.

Se spune adesea că există două tipuri de științe - științe mari și științe mici. Împărțirea atomului este o știință mare. Are facilități experimentale gigantice, bugete colosale și primește partea leului din premiile Nobel.

De ce au trebuit fizicienii să împartă atomul? Răspunsul simplu - pentru a înțelege cum funcționează atomul - conține doar o parte din adevăr, dar există un motiv mai general. Nu este în întregime corect să vorbim literal despre scindarea atomului. În realitate, vorbim despre ciocnirea particulelor de înaltă energie. Când particulele subatomice care se mișcă la viteze mari se ciocnesc, se naște o nouă lume de interacțiuni și câmpuri. Fragmentele de materie purtătoare de anergie enormă, împrăștiate după ciocniri, ascund secretele naturii, care de la „crearea lumii” au rămas îngropate în adâncurile atomului.

Instalațiile în care particulele de înaltă energie se ciocnesc - acceleratorii de particule - sunt uimitoare prin dimensiunea și costul lor. Ele ating câțiva kilometri în diametru, făcând chiar și laboratoarele care studiază coliziunile particulelor să pară mici în comparație. În alte domenii de cercetare științifică, echipamentul este amplasat într-un laborator; în fizica energiilor înalte, laboratoarele sunt atașate la un accelerator. Recent, Centrul European de Cercetare Nucleară (CERN), situat lângă Geneva, a alocat câteva sute de milioane de dolari pentru construirea unui accelerator inel. Circumferința tunelului care se construiește în acest scop ajunge la 27 km. Acceleratorul, numit LEP (Inel mare electron-pozitron), este proiectat să accelereze electronii și antiparticulele lor (pozitroni) la viteze care sunt doar „un fir de păr” diferite de viteza luminii. Pentru a vă face o idee despre scara energiei, imaginați-vă că, în loc de electroni, o monedă penny este accelerată la astfel de viteze. La sfârșitul ciclului de accelerare, ar avea suficientă energie pentru a produce energie electrică în valoare de 1.000 de milioane de dolari! Nu este surprinzător că astfel de experimente sunt de obicei clasificate drept fizică de „energie înaltă”. Deplasându-se unul spre celălalt în interiorul inelului, fasciculele de electroni și pozitroni experimentează coliziuni frontale, în care electronii și pozitronii se anihilează, eliberând energie suficientă pentru a produce zeci de alte particule.

Ce sunt aceste particule? Unele dintre ele sunt chiar „blocurile de construcție” din care suntem construiți: protoni și neutroni care alcătuiesc nucleele atomice și electroni care orbitează în jurul nucleelor. Alte particule nu se găsesc, de obicei, în materia din jurul nostru: durata lor de viață este extrem de scurtă și, după ce expiră, se dezintegrează în particule obișnuite. Numărul de soiuri de astfel de particule instabile de scurtă durată este uimitor: câteva sute dintre ele sunt deja cunoscute. La fel ca stelele, particulele instabile sunt prea numeroase pentru a fi identificate după nume. Multe dintre ele sunt indicate doar prin litere grecești, iar unele doar prin cifre.

Este important să rețineți că toate aceste particule instabile numeroase și variate nu sunt în niciun caz literal componente protoni, neutroni sau electroni. Când se ciocnesc, electronii și pozitronii de înaltă energie nu se împrăștie în multe fragmente subatomice. Chiar și în ciocnirile de protoni de înaltă energie, care constau în mod evident din alte obiecte (cuarcuri), aceștia, de regulă, nu sunt împărțiți în părțile lor componente în sensul obișnuit. Ceea ce se întâmplă în astfel de coliziuni este mai bine privit ca crearea directă de noi particule din energia coliziunii.

În urmă cu aproximativ douăzeci de ani, fizicienii erau complet derutați de numărul și varietatea de noi particule subatomice, care păreau să nu aibă sfârșit. Era imposibil de înțeles Pentru ce atât de multe particule. Poate că particulele elementare sunt ca locuitorii unei grădini zoologice, cu apartenența lor implicită la familie, dar fără nicio taxonomie clară. Sau poate, așa cum au crezut unii optimiști, particulele elementare dețin cheia universului? Care sunt particulele observate de fizicieni: fragmente nesemnificative și aleatorii de materie sau contururile unei ordini vag percepute care se ivesc în fața ochilor noștri, indicând existența unei structuri bogate și complexe a lumii subnucleare? Acum nu există nicio îndoială cu privire la existența unei astfel de structuri. Există o ordine profundă și rațională în microlume și începem să înțelegem semnificația tuturor acestor particule.

Primul pas spre înțelegerea microlumii a fost făcut ca urmare a sistematizării tuturor particulelor cunoscute, la fel ca în secolul al XVIII-lea. biologii au întocmit cataloage detaliate ale speciilor de plante și animale. Cele mai importante caracteristici ale particulelor subatomice includ masa, sarcina electrică și spin.

Deoarece masa și greutatea sunt legate, particulele cu masă mare sunt adesea numite „grele”. Relația lui Einstein E =mc^ 2 indică faptul că masa unei particule depinde de energia sa și, prin urmare, de viteza acesteia. O particulă în mișcare este mai grea decât una staționară. Când vorbesc despre masa unei particule, vorbesc serios masa de odihna,întrucât această masă nu depinde de starea de mișcare. O particulă cu masă în repaus zero se mișcă cu viteza luminii. Cel mai evident exemplu de particule cu masă de repaus zero este fotonul. Se crede că electronul este cea mai ușoară particulă cu o masă de repaus diferită de zero. Protonul și neutronul sunt de aproape 2.000 de ori mai grele, în timp ce cea mai grea particulă creată în laborator (particula Z) este de aproximativ 200.000 de ori masa electronului.

Sarcina electrică a particulelor variază într-un interval destul de îngust, dar, după cum am observat, este întotdeauna un multiplu al unității fundamentale de sarcină. Unele particule, cum ar fi fotonii și neutrinii, nu au sarcină electrică. Dacă sarcina unui proton încărcat pozitiv este considerată a fi +1, atunci sarcina electronului este -1.

În cap. 2 am introdus o altă caracteristică a particulelor - spin. De asemenea, iau întotdeauna valori care sunt multipli ai unei unități fundamentale, care din motive istorice este aleasă să fie 1 /2. Astfel, un proton, neutron și electron au un spin 1/2, iar spinul fotonului este 1. Sunt cunoscute și particulele cu spin 0, 3/2 și 2. Nu au fost descoperite particule fundamentale cu spin mai mare de 2, iar teoreticienii cred că particulele cu astfel de spin nu există.

Spinul unei particule este o caracteristică importantă și, în funcție de valoarea acesteia, toate particulele sunt împărțite în două clase. Particulele cu spini 0, 1 și 2 sunt numite „bosoni” - după fizicianul indian Chatyendranath Bose, iar particulele cu spin semi-întreg (adică cu spin 1/2 sau 3/2 - „fermions” în onoarea lui Enrico Fermi. Apartenența la una dintre aceste două clase este probabil cea mai importantă din lista de caracteristici ale unei particule.

O altă caracteristică importantă a unei particule este durata de viață. Până de curând, se credea că electronii, protonii, fotonii și neutrinii erau absolut stabili, adică. au o viață infinit de lungă. Un neutron rămâne stabil în timp ce este „blocat” în nucleu, dar un neutron liber se descompune în aproximativ 15 minute. Toate celelalte particule cunoscute sunt foarte instabile, cu durate de viață variind de la câteva microsecunde la 10-23 de secunde. Astfel de intervale de timp par de neînțeles mic, dar nu trebuie să uităm că o particulă care zboară cu o viteză apropiată de viteza luminii (și majoritatea particulelor născute la acceleratoare se mișcă exact la astfel de viteze) reușește să zboare pe o distanță de 300 m într-o microsecundă.

Particulele instabile suferă dezintegrare, care este un proces cuantic și, prin urmare, există întotdeauna un element de imprevizibilitate în dezintegrare. Durata de viață a unei anumite particule nu poate fi prezisă în avans. Pe baza considerentelor statistice, poate fi prezisă doar durata medie de viață. De obicei, se vorbește despre timpul de înjumătățire al unei particule - timpul în care populația de particule identice este redusă la jumătate. Experimentul arată că scăderea dimensiunii populației are loc exponențial (vezi Fig. 6) și timpul de înjumătățire este de 0,693 din timpul mediu de viață.

Nu este suficient ca fizicienii să știe că aceasta sau acea particulă există - ei se străduiesc să înțeleagă care este rolul ei. Răspunsul la această întrebare depinde de proprietățile particulelor enumerate mai sus, precum și de natura forțelor care acționează asupra particulei din exterior și din interiorul acesteia. În primul rând, proprietățile unei particule sunt determinate de capacitatea (sau incapacitatea) de a participa la interacțiuni puternice. Particulele care participă la interacțiuni puternice formează o clasă specială și sunt numite androni. Se numesc particulele care participă la interacțiuni slabe și nu participă la interacțiuni puternice leptoni, care înseamnă „plămâni”. Să aruncăm o scurtă privire la fiecare dintre aceste familii.

Leptoni

Cel mai cunoscut dintre leptoni este electronul. Ca toți leptonii, pare a fi un obiect elementar, sub formă de punct. Din câte se știe, electronul nu are structură internă, adică. nu constă din alte particule. Deși leptonii pot avea sau nu o sarcină electrică, toți au același spin 1/2, prin urmare, ei sunt clasificați ca fermioni.

Un alt lepton binecunoscut, dar fără încărcare, este neutrino. După cum sa menționat deja în cap. 2, neutrinii sunt la fel de evazivi ca fantomele. Deoarece neutrinii nu participă nici la interacțiunile puternice, nici la interacțiunile electromagnetice, ei ignoră aproape complet materia, pătrunzând prin ea de parcă nu ar fi deloc acolo. Capacitatea mare de penetrare a neutrinilor pentru o lungă perioadă de timp a făcut foarte dificilă confirmarea experimentală a existenței lor. Au trecut doar aproape trei decenii după ce neutrinii au fost prezis că au fost descoperiți în sfârșit în laborator. Fizicienii au fost nevoiți să aștepte crearea reactoarelor nucleare, în timpul cărora sunt emise un număr mare de neutrini și abia atunci au putut să înregistreze ciocnirea frontală a unei particule cu un nucleu și, prin urmare, să demonstreze că există cu adevărat. Astăzi este posibil să se efectueze mult mai multe experimente cu fascicule de neutrini, care apar din dezintegrarea particulelor într-un accelerator și au caracteristicile necesare. Marea majoritate a neutrinii „ignoră” ținta, dar din când în când neutrinii interacționează cu ținta, ceea ce oferă informații utile despre structura altor particule și natura forței slabe. Desigur, efectuarea de experimente cu neutrini, spre deosebire de experimentele cu alte particule subatomice, nu necesită utilizarea unei protecții speciale. Puterea de penetrare a neutrinilor este atât de mare încât sunt complet inofensive și trec prin corpul uman fără a-i provoca cel mai mic rău.

În ciuda intangibilității lor, neutrinii ocupă o poziție specială printre alte particule cunoscute, deoarece sunt cele mai abundente particule din Univers, depășind electronii și protonii cu un miliard la unu. Universul este în esență o mare de neutrini, cu incluziuni ocazionale sub formă de atomi. Este chiar posibil ca masa totală a neutrinilor să depășească masa totală a stelelor și, prin urmare, neutrinii sunt cei care aduc principala contribuție la gravitația cosmică. Potrivit unui grup de cercetători sovietici, neutrinii au o masă în repaus mică, dar nu zero (mai puțin de o zece miime din masa unui electron); dacă acest lucru este adevărat, atunci neutrinii gravitaționali domină Universul, ceea ce în viitor poate provoca prăbușirea acestuia. Astfel, neutrinii, la prima vedere cele mai „inofensive” și necorporale particule, sunt capabili să provoace prăbușirea întregului Univers.

Printre alți leptoni, trebuie menționat muonul, descoperit în 1936 în produsele interacțiunii razelor cosmice; s-a dovedit a fi una dintre primele particule subatomice instabile cunoscute. În toate privințele, cu excepția stabilității, muonul seamănă cu un electron: are aceeași sarcină și spin, participă la aceleași interacțiuni, dar are o masă mai mare. În aproximativ două milioane de secundă, muonul se descompune într-un electron și doi neutrini. Muonii sunt răspândiți în natură și reprezintă o parte semnificativă a radiației cosmice de fundal care este detectată pe suprafața Pământului de un contor Geiger.

Timp de mulți ani, electronul și muonul au rămas singurii leptoni încărcați cunoscuți. Apoi, la sfârșitul anilor 1970, a fost descoperit un al treilea lepton încărcat, numit tau lepton. Cu o masă de aproximativ 3500 de mase de electroni, leptonul tau este evident „greutatea” din trioul de leptoni încărcați, dar în toate celelalte privințe se comportă ca un electron și un muon.

Această listă de leptoni cunoscuți nu este deloc epuizată. În anii 60 s-a descoperit că există mai multe tipuri de neutrini. Neutrinii de un tip se nasc împreună cu un electron în timpul dezintegrarii unui neutron, iar neutrinii de alt tip se nasc în timpul nașterii unui muon. Fiecare tip de neutrin există în perechi cu propriul său lepton încărcat; prin urmare, există un „neutrin electronic” și un „neutrin muon”. După toate probabilitățile, ar trebui să existe și un al treilea tip de neutrin - care însoțește nașterea leptonului tau. În acest caz, numărul total de varietăți de neutrini este de trei, iar numărul total de leptoni este de șase (Tabelul 1). Desigur, fiecare lepton are propria sa antiparticulă; astfel numărul total de leptoni diferiți este de doisprezece.

tabelul 1

Șase leptoni corespund modificărilor încărcate și neutre (antiparticulele nu sunt incluse în tabel). Masa și sarcina sunt exprimate în unități de masă electronilor și, respectiv, sarcină. Există dovezi că neutrinii pot avea o masă mică

Hadroni

Spre deosebire de pumnii leptoni cunoscuți, există literalmente sute de hadroni. Numai acest lucru sugerează că hadronii nu sunt particule elementare, ci sunt construite din componente mai mici. Toți hadronii participă la interacțiuni puternice, slabe și gravitaționale, dar se găsesc în două soiuri - încărcate electric și neutre. Dintre hadroni, cei mai faimoși și răspândiți sunt neutronul și protonul. Hadronii rămași sunt de scurtă durată și se descompun fie în mai puțin de o milioneme de secundă din cauza interacțiunii slabe, fie mult mai rapid (într-un timp de ordinul a 10-23 s) - datorită interacțiunii puternice.

În anii 1950, fizicienii erau extrem de nedumeriți de numărul și diversitatea hadronilor. Dar, încetul cu încetul, particulele au fost clasificate în funcție de trei caracteristici importante: masă, sarcină și spin. Treptat, au început să apară semne de ordine și a început să iasă la iveală o imagine clară. Există indicii că există simetrii ascunse în spatele haosului aparent al datelor. Un pas decisiv în dezvăluirea misterului hadronilor a venit în 1963, când Murray Gell-Mann și George Zweig de la Institutul de Tehnologie din California au propus teoria quarcilor.

Orez. 10 Hadronele sunt construite din quarci. Un proton (sus) este format din doi cuarci up și un cuarc d. Pionul mai ușor (de jos) este un mezon, format dintr-un u-quark și un d-antiquark. Alți hadroni sunt tot felul de combinații de quarci.

Ideea principală a acestei teorii este foarte simplă. Toți hadronii sunt formați din particule mai mici numite quarci. Quarcii se pot conecta între ei într-unul din două moduri posibile: fie în tripleți, fie în perechi quarc-antiquarc. Particulele relativ grele sunt formate din trei quarci - barioni, care înseamnă „particule grele”. Cei mai cunoscuți barioni sunt neutronul și protonul. Perechile quark-antiquarc mai ușoare formează particule numite mezoni -„particule intermediare”. Alegerea acestui nume se explică prin faptul că primii mezoni descoperiți au ocupat o poziție intermediară în masă între electroni și protoni. Pentru a ține cont de toți hadronii cunoscuți atunci, Gell-Mann și Zweig au introdus trei tipuri diferite („arome”) de quarci, care au primit nume destul de fanteziste: Și(din sus - superior), d(din jos - inferior) și s (de la ciudat- ciudat). Permițând posibilitatea diverselor combinații de arome, se poate explica existența unui număr mare de hadroni. De exemplu, un proton este format din doi Și-și un d-quark (Fig. 10), iar neutronul este format din doi d-quark și un u-quark.

Pentru ca teoria propusă de Gell-Mann și Zweig să fie eficientă, este necesar să presupunem că quarcii poartă o sarcină electrică fracționată. Cu alte cuvinte, au o sarcină a cărei valoare este fie 1/3, fie 2/3 din unitatea fundamentală - sarcina electronului. O combinație de doi și trei quarci poate avea o sarcină totală de zero sau unu. Toți quarcii au spin 1/2. prin urmare sunt clasificați ca fermioni. Masele quarcilor nu sunt determinate la fel de precis ca masele altor particule, deoarece energia lor de legare într-un hadron este comparabilă cu masele quarcilor înșiși. Cu toate acestea, se știe că s-quark-ul este mai greu Și-și d-quarci.

În interiorul hadronilor, quarcurile pot fi în stări excitate, la fel ca stările excitate ale unui atom, dar cu energii mult mai mari. Excesul de energie conținut într-un hadron excitat își mărește masa atât de mult încât înainte de crearea teoriei cuarcilor, fizicienii au luat din greșeală hadroni excitați pentru particule complet diferite. S-a stabilit acum că mulți dintre hadronii aparent diferiți sunt de fapt doar stări excitate ale aceluiași set fundamental de quarci.

După cum sa menționat deja în cap. 5, quarkurile sunt ținute împreună printr-o interacțiune puternică. Dar ei participă și la interacțiuni slabe. Interacțiunea slabă poate schimba aroma unui quark. Acesta este modul în care se produce dezintegrarea neutronilor. Unul dintre cuarcurile d din neutron se transformă într-un cuarc u, iar sarcina în exces duce electronul care se naște în același timp. În mod similar, prin schimbarea aromei, interacțiunea slabă duce la descompunerea altor hadroni.

Existența s-quarkurilor este necesară pentru construcția așa-numitelor particule „ciudate” - hadroni grei, descoperiți la începutul anilor 50. Comportamentul neobișnuit al acestor particule, care le-a sugerat numele, a fost că nu se puteau descompune din cauza interacțiunilor puternice, deși atât ei înșiși, cât și produsele lor de degradare erau hadroni. Fizicienii s-au nedumerit de ce, dacă atât particulele mamă, cât și particulele fiice aparțin familiei hadronilor, forța puternică nu le face să se descompună. Din anumite motive, acești hadroni „preferau” interacțiunea slabă mult mai puțin intensă. De ce? Teoria Quark a rezolvat în mod natural acest mister. Interacțiunea puternică nu poate schimba aroma quarcilor - doar interacțiunea slabă poate face acest lucru. Și fără o schimbare a aromei, însoțită de transformarea s-quark-ului în Și- sau d-quark, dezintegrarea este imposibilă.

În tabel Figura 2 prezintă diferitele combinații posibile de quarci cu trei arome și numele acestora (de obicei doar o literă grecească). Numeroase stări excitate nu sunt afișate. Faptul că toți hadronii cunoscuți puteau fi obținuți din diferite combinații ale celor trei particule fundamentale a simbolizat principalul triumf al teoriei cuarcilor. Dar, în ciuda acestui succes, doar câțiva ani mai târziu a fost posibil să se obțină dovezi fizice directe ale existenței quarcilor.

Această dovadă a fost obținută în 1969 într-o serie de experimente istorice efectuate la marele accelerator liniar de la Stanford (California, SUA) - SLAC. Experimentatorii de la Stanford au raționat simplu. Dacă într-adevăr există quarci în proton, atunci pot fi observate ciocniri cu aceste particule din interiorul protonului. Tot ce este nevoie este un „proiectil” subnuclear care ar putea fi îndreptat direct în adâncurile protonului. Este inutil să folosiți un alt hadron în acest scop, deoarece are aceleași dimensiuni ca un proton. Un proiectil ideal ar fi un lepton, cum ar fi un electron. Deoarece electronul nu participă la interacțiunea puternică, nu se va „bloca” în mediul format din quarci. În același timp, un electron poate simți prezența quarcilor datorită prezenței unei sarcini electrice.

masa 2

Cele trei arome de quarci, u, d și s, corespund sarcinilor +2/3, -1/3 și -1/3; se combină în trei pentru a forma cei opt barioni prezentati în tabel. Perechile quarc-antiquarc formează mezoni. (Unele combinații, cum ar fi sss, sunt omise.)

În experimentul de la Stanford, acceleratorul de trei kilometri a acționat în esență ca un „microscop” electronic gigant care a făcut posibilă imaginea interiorului unui proton. Un microscop electronic convențional poate distinge detalii mai mici de o milioneme dintr-un centimetru. Un proton, pe de altă parte, este de câteva zeci de milioane de ori mai mic și poate fi „sondat” doar de electroni accelerați la o energie de 2,1010 eV. La momentul experimentelor de la Stanford, puțini fizicieni au aderat la teoria simplificată a quarcilor. Majoritatea oamenilor de știință se așteptau ca electronii să fie deviați de sarcinile electrice ale protonilor, dar se presupunea că sarcina este distribuită uniform în interiorul protonului. Dacă acest lucru ar fi într-adevăr așa, atunci ar avea loc în principal o dispersie slabă a electronilor, de exemplu. Când trec prin protoni, electronii nu ar suferi deviații puternice. Experimentul a arătat că modelul de împrăștiere diferă brusc de cel așteptat. Totul s-a întâmplat ca și cum unii electroni ar fi zburat în mici incluziuni solide și au sărit de pe ele la cele mai incredibile unghiuri. Acum știm că astfel de incluziuni solide din protoni sunt cuarci.

În 1974, versiunea simplificată a teoriei quarcilor, care până atunci câștigase recunoaștere în rândul teoreticienilor, a primit o lovitură sensibilă. La câteva zile unul de celălalt, două grupuri de fizicieni americani - unul la Stanford condus de Barton Richter, celălalt la Brookhaven National Laboratory condus de Samuel Ting - au anunțat în mod independent descoperirea unui nou hadron, care a fost numit particula psi. În sine, descoperirea unui nou hadron cu greu ar fi deosebit de remarcabilă dacă nu dintr-o singură circumstanță: adevărul este că în schema propusă de teoria quarcilor nu era loc pentru o singură particule nouă. Toate combinațiile posibile de cuarci up, d și s și antiquarcii lor au fost deja „utilizate”. Din ce constă o particulă psi?

Problema a fost rezolvată apelând la o idee care era în aer de ceva vreme: ar trebui să existe un al patrulea miros pe care nimeni nu-l observase până acum. Noul parfum își avea deja numele - farmec (farmec), sau s. S-a sugerat că o particulă psi este un mezon format dintr-un c-quark și un c-antiquark (c), adică. cc. Întrucât antiquarcii sunt purtători de anti-aromă, farmecul particulei psi este neutralizat și, prin urmare, confirmarea experimentală a existenței unei noi arome (farmec) a trebuit să aștepte până când au fost descoperiți mezoni, în care quarkurile de farmec au fost asociate cu anti-quarkamp-uri. de alte arome. Un întreg șir de particule fermecate este acum cunoscut. Toate sunt foarte grele, așa că quarcul farmec se dovedește a fi mai greu decât quarcul ciudat.

Situația descrisă mai sus s-a repetat în 1977, când în fața locului a apărut așa-numitul meson upsilon (UPSILON). De data aceasta, fără prea multă ezitare, a fost introdusă o a cincea aromă, numită b-quark (de jos – jos, și mai des frumusețe – frumusețe, sau farmec). Mesonul upsilon este o pereche quark-antiquark alcătuită din quarci b și, prin urmare, are o frumusețe ascunsă; dar, ca și în cazul precedent, o combinație diferită de quarci a făcut posibilă descoperirea „frumuseței”.

Masele relative ale quarcilor pot fi judecate cel puțin după faptul că cel mai ușor dintre mezoni, pionul, este format din perechi. Și- iar d-quark-urile cu antiquarci. Mezonul psi este de aproximativ 27 de ori, iar mezonul upsilon este de cel puțin 75 de ori mai greu decât pionul.

Extinderea treptată a listei de arome cunoscute s-a produs în paralel cu creșterea numărului de leptoni; așa că întrebarea evidentă era dacă va exista vreodată un sfârșit. Quarcii au fost introduși pentru a simplifica descrierea întregii varietăți de hadroni, dar chiar și acum există sentimentul că lista de particule crește din nou prea repede.

Încă din vremea lui Democrit, ideea fundamentală a atomismului a fost recunoașterea faptului că, la o scară suficient de mică, trebuie să existe particule cu adevărat elementare, ale căror combinații alcătuiesc materia din jurul nostru. Atomismul este atractiv deoarece particulele fundamentale indivizibile (prin definiție) trebuie să existe într-un număr foarte limitat. Diversitatea naturii se datorează numărului mare nu al părților sale constitutive, ci al combinațiilor lor. Când s-a descoperit că există multe nuclee atomice diferite, a dispărut speranța că ceea ce numim astăzi atomi corespunde ideii grecilor antici despre particulele elementare ale materiei. Și, deși, conform tradiției, continuăm să vorbim despre diverse „elemente” chimice, se știe că atomii nu sunt deloc elementari, ci sunt formați din protoni, neutroni și electroni. Și din moment ce numărul de quarci se dovedește a fi prea mare, este tentant să presupunem că și ei sunt sisteme complexe formate din particule mai mici.

Deși din acest motiv există o oarecare nemulțumire față de schema de quarci, majoritatea fizicienilor consideră quarkurile ca fiind cu adevărat particule elementare - punctiforme, indivizibile și fără structură internă. În această privință, ele seamănă cu peptone și s-a presupus de mult timp că trebuie să existe o relație profundă între aceste două familii distincte, dar similare structural. Baza acestui punct de vedere provine dintr-o comparație a proprietăților leptonilor și quarcilor (Tabelul 3). Leptonii pot fi grupați în perechi asociind fiecare lepton încărcat cu un neutrin corespunzător. Quarcii pot fi, de asemenea, grupați în perechi. Masa 3 este compusă în așa fel încât structura fiecărei celule o repetă pe cea situată direct în fața acesteia. De exemplu, în a doua celulă muonul este reprezentat ca un „electron greu”, iar farmecul și quarkurile ciudate sunt reprezentate ca variante grele Și-și d-quarkurile. Din caseta următoare puteți vedea că leptonul tau este un „electron” și mai greu, iar quarcul b este o versiune grea a quarcului d. Pentru o analogie completă, avem nevoie de încă un neutrin (tau-leptonium) și o a șasea aromă de quarci, care a primit deja numele adevărat. (adevăr, t). La momentul scrierii acestei cărți, dovezile experimentale pentru existența quarcilor de top nu erau încă suficient de convingătoare, iar unii fizicieni se îndoiau că există quarcuri de top.

Tabelul 3

Leptonii și quarcii se perechează în mod natural. așa cum se arată în tabel. Lumea din jurul nostru este formată din primele patru particule. Dar următoarele grupe, aparent, o repetă pe cea superioară și constau, în coroana de neutrini, din particule extrem de instabile.

Poate fi un al patrulea, al cincilea etc. vapori care conțin particule și mai grele? Dacă da, următoarea generație de acceleratoare va oferi fizicienilor posibilitatea de a detecta astfel de particule. Se exprimă însă o considerație interesantă, din care rezultă că nu există alte perechi în afară de cele trei numite. Această considerație se bazează pe numărul de tipuri de neutrini. Vom afla în curând că în momentul Big Bang-ului, care a marcat apariția Universului, a avut loc o intensă creație de neutrini. Un fel de democrație garantează fiecărui tip de particule aceeași cotă de energie ca și celelalte; prin urmare, cu cât sunt mai diferite tipuri de neutrini, cu atât mai multă energie este conținută în marea de neutrini care umple spațiul cosmic. Calculele arată că dacă ar exista mai mult de trei soiuri de neutrini, atunci gravitația creată de toți ar avea un puternic efect perturbator asupra proceselor nucleare care au avut loc în primele minute de viață ale Universului. În consecință, din aceste considerații indirecte rezultă o concluzie foarte plauzibilă că cele trei perechi prezentate în tabel. 3, toți quarcii și leptonii care există în natură sunt epuizați.

Este interesant de observat că toată materia obișnuită din Univers constă doar din doi leptoni cei mai ușori (neutrini de electroni și electroni) și doi cuarci cei mai ușori ( ȘiȘi d). Dacă toți ceilalți leptoni și quarci ar înceta brusc să existe, atunci probabil că foarte puține s-ar schimba în lumea din jurul nostru.

Poate că quarcii și leptonii mai grei joacă rolul unui fel de rezervă pentru cei mai ușori quarci și leptoni. Toate sunt instabile și se dezintegrează rapid în particule situate în celula superioară. De exemplu, leptonul tau și muonul se descompun în electroni, în timp ce particulele ciudate, fermecate și frumoase se descompun destul de repede fie în neutroni, fie în protoni (în cazul barionilor), fie în leptoni (în cazul mezonilor). Se pune întrebarea: Pentru ce Există toate aceste particule de a doua și a treia generație? De ce natura avea nevoie de ele?

6. Lumea particulelor subatomice

Împărțirea atomului

Se spune adesea că există două tipuri de științe - științe mari și științe mici. Împărțirea atomului este o știință mare. Are facilități experimentale gigantice, bugete colosale și primește partea leului din premiile Nobel.

De ce au trebuit fizicienii să împartă atomul? Răspunsul simplu - pentru a înțelege cum funcționează atomul - conține doar o parte din adevăr, dar există un motiv mai general. Nu este în întregime corect să vorbim literal despre scindarea atomului. În realitate, vorbim despre ciocnirea particulelor de înaltă energie. Când particulele subatomice care se mișcă la viteze mari se ciocnesc, se naște o nouă lume de interacțiuni și câmpuri. Fragmentele de materie purtătoare de anergie enormă, împrăștiate după ciocniri, ascund secretele naturii, care de la „crearea lumii” au rămas îngropate în adâncurile atomului.

Instalațiile în care particulele de înaltă energie se ciocnesc - acceleratorii de particule - sunt uimitoare prin dimensiunea și costul lor. Ele ating câțiva kilometri în diametru, făcând chiar și laboratoarele care studiază coliziunile particulelor să pară mici în comparație. În alte domenii de cercetare științifică, echipamentul este amplasat într-un laborator; în fizica energiilor înalte, laboratoarele sunt atașate la un accelerator. Recent, Centrul European de Cercetare Nucleară (CERN), situat lângă Geneva, a alocat câteva sute de milioane de dolari pentru construirea unui accelerator inel. Circumferința tunelului care se construiește în acest scop ajunge la 27 km. Acceleratorul, numit LEP (Inel mare electron-pozitron), este conceput pentru a accelera electronii și antiparticulele lor (pozitroni) la viteze care sunt la doar un fir de păr de viteza luminii. Pentru a vă face o idee despre scara energiei, imaginați-vă că, în loc de electroni, o monedă penny este accelerată la astfel de viteze. La sfârșitul ciclului de accelerare, ar avea suficientă energie pentru a produce energie electrică în valoare de 1.000 de milioane de dolari! Nu este surprinzător că astfel de experimente sunt de obicei clasificate drept fizică de „energie înaltă”. Deplasându-se unul spre celălalt în interiorul inelului, fasciculele de electroni și pozitroni experimentează coliziuni frontale, în care electronii și pozitronii se anihilează, eliberând energie suficientă pentru a produce zeci de alte particule.

Ce sunt aceste particule? Unele dintre ele sunt chiar „blocurile de construcție” din care suntem construiți: protoni și neutroni care alcătuiesc nucleele atomice și electroni care orbitează în jurul nucleelor. Alte particule nu se găsesc, de obicei, în materia din jurul nostru: durata lor de viață este extrem de scurtă și, după ce expiră, se dezintegrează în particule obișnuite. Numărul de soiuri de astfel de particule instabile de scurtă durată este uimitor: câteva sute dintre ele sunt deja cunoscute. La fel ca stelele, particulele instabile sunt prea numeroase pentru a fi identificate după nume. Multe dintre ele sunt indicate doar prin litere grecești, iar unele doar prin cifre.

Este important să rețineți că toate aceste particule instabile numeroase și variate nu sunt în niciun caz literal componente protoni, neutroni sau electroni. Când se ciocnesc, electronii și pozitronii de înaltă energie nu se împrăștie în multe fragmente subatomice. Chiar și în ciocnirile de protoni de înaltă energie, care constau în mod evident din alte obiecte (cuarcuri), aceștia, de regulă, nu sunt împărțiți în părțile lor componente în sensul obișnuit. Ceea ce se întâmplă în astfel de coliziuni este mai bine privit ca crearea directă de noi particule din energia coliziunii.

În urmă cu aproximativ douăzeci de ani, fizicienii erau complet derutați de numărul și varietatea de noi particule subatomice, care păreau să nu aibă sfârșit. Era imposibil de înțeles Pentru ce atât de multe particule. Poate că particulele elementare sunt ca locuitorii unei grădini zoologice, cu apartenența lor implicită la familie, dar fără nicio taxonomie clară. Sau poate, așa cum au crezut unii optimiști, particulele elementare dețin cheia universului? Care sunt particulele observate de fizicieni: fragmente nesemnificative și aleatorii de materie sau contururile unei ordini vag percepute care se ivesc în fața ochilor noștri, indicând existența unei structuri bogate și complexe a lumii subnucleare? Acum nu există nicio îndoială cu privire la existența unei astfel de structuri. Există o ordine profundă și rațională în microlume și începem să înțelegem semnificația tuturor acestor particule.

Primul pas spre înțelegerea microlumii a fost făcut ca urmare a sistematizării tuturor particulelor cunoscute, la fel ca în secolul al XVIII-lea. biologii au întocmit cataloage detaliate ale speciilor de plante și animale. Cele mai importante caracteristici ale particulelor subatomice includ masa, sarcina electrică și spin.

Deoarece masa și greutatea sunt legate, particulele cu masă mare sunt adesea numite „grele”. Relația lui Einstein E =mc^ 2 indică faptul că masa unei particule depinde de energia sa și, prin urmare, de viteza acesteia. O particulă în mișcare este mai grea decât una staționară. Când vorbesc despre masa unei particule, vorbesc serios masa de odihna,întrucât această masă nu depinde de starea de mișcare. O particulă cu masă în repaus zero se mișcă cu viteza luminii. Cel mai evident exemplu de particule cu masă de repaus zero este fotonul. Se crede că electronul este cea mai ușoară particulă cu o masă de repaus diferită de zero. Protonul și neutronul sunt de aproape 2.000 de ori mai grele, în timp ce cea mai grea particulă creată în laborator (particula Z) este de aproximativ 200.000 de ori masa electronului.

Sarcina electrică a particulelor variază într-un interval destul de îngust, dar, după cum am observat, este întotdeauna un multiplu al unității fundamentale de sarcină. Unele particule, cum ar fi fotonii și neutrinii, nu au sarcină electrică. Dacă sarcina unui proton încărcat pozitiv este considerată a fi +1, atunci sarcina electronului este -1.

În cap. 2 am introdus o altă caracteristică a particulelor - spin. De asemenea, iau întotdeauna valori care sunt multipli ai unei unități fundamentale, care din motive istorice este aleasă să fie 1 /2. Astfel, un proton, neutron și electron au un spin 1/2, iar spinul fotonului este 1. Sunt cunoscute și particulele cu spin 0, 3/2 și 2. Nu au fost descoperite particule fundamentale cu spin mai mare de 2, iar teoreticienii cred că particulele cu astfel de spin nu există.

Spinul unei particule este o caracteristică importantă și, în funcție de valoarea acesteia, toate particulele sunt împărțite în două clase. Particulele cu spini 0, 1 și 2 sunt numite „bosoni” - după fizicianul indian Chatyendranath Bose, iar particulele cu spin semiîntreg (adică cu spin 1/2 sau 3/2 - „fermions” în cinstea lui Enrico Fermi. Apartenența la una dintre aceste două clase este probabil cea mai importantă din lista de caracteristici ale unei particule.

O altă caracteristică importantă a unei particule este durata de viață. Până de curând, se credea că electronii, protonii, fotonii și neutrinii erau absolut stabili, adică. au o viață infinit de lungă. Neutronul rămâne stabil în timp ce este „blocat” în nucleu, dar un neutron liber se descompune în aproximativ 15 minute. Toate celelalte particule cunoscute sunt foarte instabile, durata lor de viață variază de la câteva microsecunde la 10-23 s. Asemenea intervale de timp par de neînțeles de mici, dar nu trebuie să uităm că o particulă care zboară cu o viteză apropiată de viteza luminii (și majoritatea particulelor născute în acceleratoare se mișcă exact cu astfel de viteze) reușește să zboare pe o distanță de 300 m într-o microsecundă.

Particulele instabile suferă dezintegrare, care este un proces cuantic și, prin urmare, există întotdeauna un element de imprevizibilitate în dezintegrare. Durata de viață a unei anumite particule nu poate fi prezisă în avans. Pe baza considerentelor statistice, poate fi prezisă doar durata medie de viață. De obicei, se vorbește despre timpul de înjumătățire al unei particule - timpul în care populația de particule identice este redusă la jumătate. Experimentul arată că scăderea dimensiunii populației are loc exponențial (vezi Fig. 6) și timpul de înjumătățire este de 0,693 din timpul mediu de viață.

Nu este suficient ca fizicienii să știe că aceasta sau acea particulă există - ei se străduiesc să înțeleagă care este rolul ei. Răspunsul la această întrebare depinde de proprietățile particulelor enumerate mai sus, precum și de natura forțelor care acționează asupra particulei din exterior și din interiorul acesteia. În primul rând, proprietățile unei particule sunt determinate de capacitatea (sau incapacitatea) de a participa la interacțiuni puternice. Particulele care participă la interacțiuni puternice formează o clasă specială și sunt numite androni. Se numesc particulele care participă la interacțiuni slabe și nu participă la interacțiuni puternice leptoni, care înseamnă „plămâni”. Să aruncăm o scurtă privire la fiecare dintre aceste familii.

Leptoni

Cel mai cunoscut dintre leptoni este electronul. Ca toți leptonii, pare a fi un obiect elementar, sub formă de punct. Din câte se știe, electronul nu are structură internă, adică. nu constă din alte particule. Deși leptonii pot avea sau nu o sarcină electrică, toți au același spin 1/2, prin urmare, ei sunt clasificați ca fermioni.

Un alt lepton binecunoscut, dar fără încărcare, este neutrino. După cum sa menționat deja în cap. 2, neutrinii sunt la fel de evazivi ca fantomele. Deoarece neutrinii nu participă nici la interacțiunile puternice, nici la interacțiunile electromagnetice, ei ignoră aproape complet materia, pătrunzând prin ea de parcă nu ar fi deloc acolo. Capacitatea mare de penetrare a neutrinilor pentru o lungă perioadă de timp a făcut foarte dificilă confirmarea experimentală a existenței lor. Au trecut doar aproape trei decenii după ce neutrinii au fost prezis că au fost descoperiți în sfârșit în laborator. Fizicienii au fost nevoiți să aștepte crearea reactoarelor nucleare, în timpul cărora sunt emise un număr mare de neutrini și abia atunci au putut să înregistreze ciocnirea frontală a unei particule cu un nucleu și, prin urmare, să demonstreze că există cu adevărat. Astăzi este posibil să se efectueze mult mai multe experimente cu fascicule de neutrini, care apar din dezintegrarea particulelor într-un accelerator și au caracteristicile necesare. Marea majoritate a neutrinii „ignoră” ținta, dar din când în când neutrinii interacționează cu ținta, ceea ce oferă informații utile despre structura altor particule și natura forței slabe. Desigur, efectuarea de experimente cu neutrini, spre deosebire de experimentele cu alte particule subatomice, nu necesită utilizarea unei protecții speciale. Puterea de penetrare a neutrinilor este atât de mare încât sunt complet inofensive și trec prin corpul uman fără a-i provoca cel mai mic rău.

În ciuda intangibilității lor, neutrinii ocupă o poziție specială printre alte particule cunoscute, deoarece sunt cele mai abundente particule din Univers, depășind electronii și protonii cu un miliard la unu. Universul este în esență o mare de neutrini, cu incluziuni ocazionale sub formă de atomi. Este chiar posibil ca masa totală a neutrinilor să depășească masa totală a stelelor și, prin urmare, neutrinii sunt cei care aduc principala contribuție la gravitația cosmică. Potrivit unui grup de cercetători sovietici, neutrinii au o masă în repaus mică, dar nu zero (mai puțin de o zece miime din masa unui electron); dacă acest lucru este adevărat, atunci neutrinii gravitaționali domină Universul, ceea ce în viitor poate provoca prăbușirea acestuia. Astfel, neutrinii, la prima vedere cele mai „inofensive” și necorporale particule, sunt capabili să provoace prăbușirea întregului Univers.

Printre alți leptoni, trebuie menționat muonul, descoperit în 1936 în produsele interacțiunii razelor cosmice; s-a dovedit a fi una dintre primele particule subatomice instabile cunoscute. În toate privințele, cu excepția stabilității, muonul seamănă cu un electron: are aceeași sarcină și spin, participă la aceleași interacțiuni, dar are o masă mai mare. În aproximativ două milioane de secundă, muonul se descompune într-un electron și doi neutrini. Muonii sunt răspândiți în natură și reprezintă o parte semnificativă a radiației cosmice de fundal care este detectată pe suprafața Pământului de un contor Geiger.

Timp de mulți ani, electronul și muonul au rămas singurii leptoni încărcați cunoscuți. Apoi, la sfârșitul anilor 1970, a fost descoperit un al treilea lepton încărcat, numit tau lepton. Cu o masă de aproximativ 3500 de mase de electroni, leptonul tau este evident „greutatea” a trioului de leptoni încărcați, dar în toate celelalte privințe se comportă ca un electron și un muon.

Această listă de leptoni cunoscuți nu este deloc epuizată. În anii 60 s-a descoperit că există mai multe tipuri de neutrini. Neutrinii de un tip se nasc împreună cu un electron în timpul dezintegrarii unui neutron, iar neutrinii de alt tip se nasc în timpul nașterii unui muon. Fiecare tip de neutrin există în perechi cu propriul său lepton încărcat; prin urmare, există un „neutrin electronic” și un „neutrin muon”. După toate probabilitățile, ar trebui să existe și un al treilea tip de neutrin - care însoțește nașterea leptonului tau. În acest caz, numărul total de varietăți de neutrini este de trei, iar numărul total de leptoni este de șase (Tabelul 1). Desigur, fiecare lepton are propria sa antiparticulă; astfel numărul total de leptoni diferiți este de doisprezece.

tabelul 1

Șase leptoni corespund modificărilor încărcate și neutre (antiparticulele nu sunt incluse în tabel). Masa și sarcina sunt exprimate în unități de masă electronilor și, respectiv, sarcină. Există dovezi că neutrinii pot avea o masă mică

Hadroni

Spre deosebire de pumnii leptoni cunoscuți, există literalmente sute de hadroni. Numai acest lucru sugerează că hadronii nu sunt particule elementare, ci sunt construite din componente mai mici. Toți hadronii participă la interacțiuni puternice, slabe și gravitaționale, dar se găsesc în două soiuri - încărcate electric și neutre. Dintre hadroni, cei mai faimoși și răspândiți sunt neutronul și protonul. Hadronii rămași sunt de scurtă durată și se descompun fie în mai puțin de o milioneme de secundă din cauza interacțiunii slabe, fie mult mai rapid (într-un timp de ordinul a 10-23 s) - datorită interacțiunii puternice.

În anii 1950, fizicienii erau extrem de nedumeriți de numărul și diversitatea hadronilor. Dar, încetul cu încetul, particulele au fost clasificate în funcție de trei caracteristici importante: masă, sarcină și spin. Treptat, au început să apară semne de ordine și a început să iasă la iveală o imagine clară. Există indicii că există simetrii ascunse în spatele haosului aparent al datelor. Un pas decisiv în dezvăluirea misterului hadronilor a venit în 1963, când Murray Gell-Mann și George Zweig de la Institutul de Tehnologie din California au propus teoria quarcilor.

Fig.10 Hadronele sunt construite din quarci. Un proton (sus) este format din doi cuarci up și un cuarc d. Pionul mai ușor (de jos) este un mezon, format dintr-un u-quark și un d-antiquark. Alți hadroni sunt tot felul de combinații de quarci.

Ideea principală a acestei teorii este foarte simplă. Toți hadronii sunt formați din particule mai mici numite quarci. Quarcii se pot conecta între ei într-unul din două moduri posibile: fie în tripleți, fie în perechi quarc-antiquarc. Particulele relativ grele sunt formate din trei quarci - barioni, ceea ce înseamnă „particule grele”. Cei mai cunoscuți barioni sunt neutronul și protonul. Perechile quark-antiquarc mai ușoare formează particule numite mezoni -„particule intermediare”. Alegerea acestui nume se explică prin faptul că primii mezoni descoperiți au ocupat o poziție intermediară în masă între electroni și protoni. Pentru a ține cont de toți hadronii cunoscuți atunci, Gell-Mann și Zweig au introdus trei tipuri diferite („arome”) de quarci, care au primit nume destul de fanteziste: Și(din sus - superior), d(din jos - inferior) și s (de la ciudat- ciudat). Permițând posibilitatea diverselor combinații de arome, se poate explica existența unui număr mare de hadroni. De exemplu, un proton este format din doi Și-și un d-quark (Fig. 10), iar neutronul este format din doi d-quark și un u-quark.

Pentru ca teoria propusă de Gell-Mann și Zweig să fie eficientă, este necesar să presupunem că quarcii poartă o sarcină electrică fracționată. Cu alte cuvinte, au o sarcină a cărei valoare este fie 1/3, fie 2/3 din unitatea fundamentală - sarcina electronului. O combinație de doi și trei quarci poate avea o sarcină totală de zero sau unu. Toți quarcii au spin 1/2. prin urmare sunt clasificați ca fermioni. Masele quarcilor nu sunt determinate la fel de precis ca masele altor particule, deoarece energia lor de legare într-un hadron este comparabilă cu masele quarcilor înșiși. Cu toate acestea, se știe că s-quark-ul este mai greu Și-și d-quarci.

În interiorul hadronilor, quarcurile pot fi în stări excitate, la fel ca stările excitate ale unui atom, dar cu energii mult mai mari. Excesul de energie conținut într-un hadron excitat își mărește masa atât de mult încât înainte de crearea teoriei cuarcilor, fizicienii au luat din greșeală hadroni excitați pentru particule complet diferite. S-a stabilit acum că mulți dintre hadronii aparent diferiți sunt de fapt doar stări excitate ale aceluiași set fundamental de quarci.

După cum sa menționat deja în cap. 5, quarkurile sunt ținute împreună printr-o interacțiune puternică. Dar ei participă și la interacțiuni slabe. Interacțiunea slabă poate schimba aroma unui quark. Acesta este modul în care se produce dezintegrarea neutronilor. Unul dintre cuarcurile d din neutron se transformă într-un cuarc u, iar sarcina în exces duce electronul care se naște în același timp. În mod similar, prin schimbarea aromei, interacțiunea slabă duce la descompunerea altor hadroni.

Existența s-quarkurilor este necesară pentru construcția așa-numitelor particule „ciudate” - hadroni grei, descoperiți la începutul anilor 50. Comportamentul neobișnuit al acestor particule, care le-a sugerat numele, a fost că nu se puteau descompune din cauza interacțiunilor puternice, deși atât ei înșiși, cât și produsele lor de degradare erau hadroni. Fizicienii s-au nedumerit de ce, dacă atât particulele mamă, cât și particulele fiice aparțin familiei hadronilor, forța puternică nu le face să se descompună. Din anumite motive, acești hadroni „preferau” interacțiunea slabă mult mai puțin intensă. De ce? Teoria Quark a rezolvat în mod natural acest mister. Interacțiunea puternică nu poate schimba aroma quarcilor - doar interacțiunea slabă poate face acest lucru. Și fără o schimbare a aromei, însoțită de transformarea s-quark-ului în Și- sau d-quark, dezintegrarea este imposibilă.

În tabel Figura 2 prezintă diferitele combinații posibile de quarci cu trei arome și numele acestora (de obicei doar o literă grecească). Numeroase stări excitate nu sunt afișate. Faptul că toți hadronii cunoscuți puteau fi obținuți din diferite combinații ale celor trei particule fundamentale a simbolizat principalul triumf al teoriei cuarcilor. Dar, în ciuda acestui succes, doar câțiva ani mai târziu a fost posibil să se obțină dovezi fizice directe ale existenței quarcilor.

Această dovadă a fost obținută în 1969 într-o serie de experimente istorice efectuate la marele accelerator liniar de la Stanford (California, SUA) - SLAC. Experimentatorii de la Stanford au raționat simplu. Dacă într-adevăr există quarci în proton, atunci pot fi observate ciocniri cu aceste particule din interiorul protonului. Tot ce este nevoie este un „proiectil” subnuclear care ar putea fi îndreptat direct în adâncurile protonului. Este inutil să folosiți un alt hadron în acest scop, deoarece are aceleași dimensiuni ca un proton. Un proiectil ideal ar fi un lepton, cum ar fi un electron. Deoarece electronul nu participă la interacțiunea puternică, nu se va „bloca” în mediul format din quarci. În același timp, un electron poate simți prezența quarcilor datorită prezenței unei sarcini electrice.

masa 2

Cele trei arome de quarci, u, d și s, corespund sarcinilor +2/3, -1/3 și -1/3; se combină în trei pentru a forma cei opt barioni prezentati în tabel. Perechile quarc-antiquarc formează mezoni. (Unele combinații, cum ar fi sss, sunt omise.)

În experimentul de la Stanford, acceleratorul de trei kilometri a acționat în esență ca un „microscop” electronic gigant care a produs imagini ale interiorului unui proton. Un microscop electronic convențional poate distinge detalii mai mici de o milioneme dintr-un centimetru. Un proton, pe de altă parte, este de câteva zeci de milioane de ori mai mic și poate fi „sondat” doar de electroni accelerați la o energie de 2,1010 eV. La momentul experimentelor de la Stanford, puțini fizicieni au aderat la teoria simplificată a quarcilor. Majoritatea oamenilor de știință se așteptau ca electronii să fie deviați de sarcinile electrice ale protonilor, dar se presupunea că sarcina este distribuită uniform în interiorul protonului. Dacă acest lucru ar fi într-adevăr așa, atunci ar avea loc în principal o dispersie slabă a electronilor, de exemplu. Când trec prin protoni, electronii nu ar suferi deviații puternice. Experimentul a arătat că modelul de împrăștiere diferă brusc de cel așteptat. Totul s-a întâmplat ca și cum unii electroni ar fi zburat în mici incluziuni solide și au sărit de pe ele la cele mai incredibile unghiuri. Acum știm că astfel de incluziuni solide din protoni sunt cuarci.

În 1974, versiunea simplificată a teoriei quarcilor, care până atunci câștigase recunoaștere în rândul teoreticienilor, a primit o lovitură sensibilă. La câteva zile unul de celălalt, două grupuri de fizicieni americani - unul la Stanford condus de Barton Richter, celălalt la Brookhaven National Laboratory condus de Samuel Ting - au anunțat în mod independent descoperirea unui nou hadron, care a fost numit particula psi. În sine, descoperirea unui nou hadron cu greu ar fi deosebit de remarcabilă dacă nu dintr-o singură circumstanță: adevărul este că în schema propusă de teoria quarcilor nu era loc pentru o singură particule nouă. Toate combinațiile posibile de cuarci up, d și s și antiquarcii lor au fost deja „utilizate”. Din ce constă o particulă psi?

Problema a fost rezolvată apelând la o idee care era în aer de ceva vreme: ar trebui să existe un al patrulea miros pe care nimeni nu-l observase până acum. Noul parfum își avea deja numele - farmec (farmec), sau s. S-a sugerat că o particulă psi este un mezon format dintr-un c-quark și un c-antiquark (c), adică. cc. Întrucât antiquarcii sunt purtători de anti-aromă, farmecul particulei psi este neutralizat și, prin urmare, confirmarea experimentală a existenței unei noi arome (farmec) a trebuit să aștepte până când au fost descoperiți mezoni, în care quarkurile de farmec au fost asociate cu anti-quarkamp-uri. de alte arome. Un întreg șir de particule fermecate este acum cunoscut. Toate sunt foarte grele, așa că quarcul farmec se dovedește a fi mai greu decât quarcul ciudat.

Situația descrisă mai sus s-a repetat în 1977, când în fața locului a apărut așa-numitul meson upsilon (UPSILON). De data aceasta, fără prea multă ezitare, a fost introdusă o a cincea aromă, numită b-quark (de jos – jos, și mai des frumusețe – frumusețe, sau farmec). Mesonul upsilon este o pereche quark-antiquark alcătuită din quarci b și, prin urmare, are o frumusețe ascunsă; dar, ca și în cazul precedent, o combinație diferită de quarci a făcut posibilă descoperirea „frumuseței”.

Masele relative ale quarcilor pot fi judecate cel puțin după faptul că cel mai ușor dintre mezoni, pionul, este format din perechi. Și- iar d-quark-urile cu antiquarci. Mezonul psi este de aproximativ 27 de ori, iar mezonul upsilon este de cel puțin 75 de ori mai greu decât pionul.

Extinderea treptată a listei de arome cunoscute s-a produs în paralel cu creșterea numărului de leptoni; așa că întrebarea evidentă era dacă va exista vreodată un sfârșit. Quarcii au fost introduși pentru a simplifica descrierea întregii varietăți de hadroni, dar chiar și acum există sentimentul că lista de particule crește din nou prea repede.

Încă din vremea lui Democrit, ideea fundamentală a atomismului a fost recunoașterea faptului că, la o scară suficient de mică, trebuie să existe particule cu adevărat elementare, ale căror combinații alcătuiesc materia din jurul nostru. Atomismul este atractiv deoarece particulele fundamentale indivizibile (prin definiție) trebuie să existe într-un număr foarte limitat. Diversitatea naturii se datorează numărului mare nu al părților sale constitutive, ci al combinațiilor lor. Când s-a descoperit că există multe nuclee atomice diferite, a dispărut speranța că ceea ce numim astăzi atomi corespunde ideii grecilor antici despre particulele elementare ale materiei. Și, deși, conform tradiției, continuăm să vorbim despre diverse „elemente” chimice, se știe că atomii nu sunt deloc elementari, ci sunt formați din protoni, neutroni și electroni. Și din moment ce numărul de quarci se dovedește a fi prea mare, este tentant să presupunem că și ei sunt sisteme complexe formate din particule mai mici.

Deși din acest motiv există o oarecare nemulțumire față de schema de quarci, majoritatea fizicienilor consideră quarkurile ca fiind cu adevărat particule elementare - punctiforme, indivizibile și fără structură internă. În această privință, ele seamănă cu peptone și s-a presupus de mult timp că trebuie să existe o relație profundă între aceste două familii distincte, dar similare structural. Baza acestui punct de vedere provine dintr-o comparație a proprietăților leptonilor și quarcilor (Tabelul 3). Leptonii pot fi grupați în perechi asociind fiecare lepton încărcat cu un neutrin corespunzător. Quarcii pot fi, de asemenea, grupați în perechi. Masa 3 este compusă în așa fel încât structura fiecărei celule o repetă pe cea situată direct în fața acesteia. De exemplu, în a doua celulă muonul este reprezentat ca un „electron greu”, iar farmecul și quarkurile ciudate sunt reprezentate ca variante grele Și-și d-quarci. Din caseta următoare puteți vedea că leptonul tau este un „electron” și mai greu, iar quarcul b este o versiune mai grea a quarcului d. Pentru o analogie completă, avem nevoie de încă un neutrin (tau-leptonium) și o a șasea aromă de quarci, care a primit deja numele adevărat. (adevăr, t). La momentul scrierii acestei cărți, dovezile experimentale pentru existența quarcilor de top nu erau încă suficient de convingătoare, iar unii fizicieni se îndoiau că există quarcuri de top.

Tabelul 3

Leptonii și quarcii se perechează în mod natural. așa cum se arată în tabel. Lumea din jurul nostru este formată din primele patru particule. Dar următoarele grupe, aparent, o repetă pe cea superioară și constau, în coroana de neutrini, din particule extrem de instabile.

Poate fi un al patrulea, al cincilea etc. vapori care conțin particule și mai grele? Dacă da, următoarea generație de acceleratoare va oferi fizicienilor posibilitatea de a detecta astfel de particule. Se exprimă însă o considerație interesantă, din care rezultă că nu există alte perechi în afară de cele trei numite. Această considerație se bazează pe numărul de tipuri de neutrini. Vom afla în curând că în momentul Big Bang-ului, care a marcat apariția Universului, a avut loc o intensă creație de neutrini. Un fel de democrație garantează fiecărui tip de particule aceeași cotă de energie ca și celelalte; prin urmare, cu cât sunt mai diferite tipuri de neutrini, cu atât mai multă energie este conținută în marea de neutrini care umple spațiul cosmic. Calculele arată că dacă ar exista mai mult de trei soiuri de neutrini, atunci gravitația creată de toți ar avea un puternic efect perturbator asupra proceselor nucleare care au avut loc în primele minute de viață ale Universului. În consecință, din aceste considerații indirecte rezultă o concluzie foarte plauzibilă că cele trei perechi prezentate în tabel. 3, toți quarcii și leptonii care există în natură sunt epuizați.

Este interesant de observat că toată materia obișnuită din Univers constă doar din doi leptoni cei mai ușori (neutrini de electroni și electroni) și doi cuarci cei mai ușori ( ȘiȘi d). Dacă toți ceilalți leptoni și quarci ar înceta brusc să existe, atunci probabil că foarte puține s-ar schimba în lumea din jurul nostru.

Poate că quarcii și leptonii mai grei joacă rolul unui fel de rezervă pentru cei mai ușori quarci și leptoni. Toate sunt instabile și se dezintegrează rapid în particule situate în celula superioară. De exemplu, leptonul tau și muonul se descompun în electroni, în timp ce particulele ciudate, fermecate și frumoase se descompun destul de repede fie în neutroni, fie în protoni (în cazul barionilor), fie în leptoni (în cazul mezonilor). Se pune întrebarea: Pentru ce Există toate aceste particule de a doua și a treia generație? De ce natura avea nevoie de ele?

Particulele sunt purtătoare de interacțiuni

Lista particulelor cunoscute nu este în niciun caz epuizată de șase perechi de leptoni și quarci, care formează materialul de construcție al materiei. Unele dintre ele, cum ar fi fotonul, nu sunt incluse în circuitul cuarcilor. Particulele „rămase peste bord” nu sunt „blocuri de construcție ale universului”, ci formează un fel de „lipici” care nu permite lumii să se destrame, de exemplu. sunt asociate cu patru interacțiuni fundamentale.

Îmi amintesc că mi s-a spus când eram copil că luna face ca oceanele să se ridice și să scadă în timpul mareelor ​​zilnice. A fost întotdeauna un mister pentru mine cum oceanul știe unde este Luna și își urmărește mișcarea pe cer. Când am aflat despre gravitație la școală, nedumerirea mea s-a intensificat. Cum reușește Luna, după ce a depășit un sfert de milion de kilometri de spațiu gol, să „atingă” oceanul? Răspunsul standard - Luna creează un câmp gravitațional în acest spațiu gol, a cărui acțiune ajunge la ocean, punându-l în mișcare - desigur, avea ceva sens, dar tot nu m-a satisfăcut pe deplin. La urma urmei, nu putem vedea câmpul gravitațional al Lunii. Poate doar asta spun ei? Chiar explică asta ceva? Mereu mi s-a părut că luna trebuie să spună cumva oceanului unde se află. Trebuie să existe un fel de schimb de semnal între lună și ocean, astfel încât apa să știe unde să se miște.

De-a lungul timpului, s-a dovedit că ideea de forță transmisă prin spațiu sub forma unui semnal nu este atât de departe de abordarea modernă a acestei probleme. Pentru a înțelege cum apare această idee, trebuie să luăm în considerare mai detaliat natura câmpului de forță. De exemplu, să alegem nu mareele oceanice, ci un fenomen mai simplu: doi electroni se apropie unul de celălalt și apoi, sub influența repulsiei electrostatice, se despart în direcții diferite. Fizicienii numesc acest proces problema împrăștierii. Desigur, electronii nu se împing unul pe altul. Ele interacționează la distanță, prin câmpul electromagnetic generat de fiecare electron.

Fig. 11. Imprăștirea a două particule încărcate. Traiectoriile particulelor sunt îndoite pe măsură ce se apropie unele de altele datorită acțiunii repulsiei electrice.

Nu este greu de imaginat imaginea împrăștierii electron-pe-electron. Inițial, electronii sunt separați de o distanță mare și au puțin efect unul asupra celuilalt. Fiecare electron se mișcă aproape rectiliniu (Fig. 11). Apoi, pe măsură ce forțele de respingere intră în joc, traiectoriile electronilor încep să se îndoaie până când particulele sunt cât mai aproape posibil; după aceasta, traiectorii diverg, iar electronii zboară în afară, începând din nou să se miște pe traiectorii rectilinii, dar deja divergente. Un model de acest fel poate fi demonstrat cu ușurință în laborator folosind bile încărcate electric în loc de electroni. Și din nou apare întrebarea: cum „știe” o particulă unde se află o altă particulă și, în consecință, își schimbă mișcarea.

Deși imaginea traiectoriilor curbe ale electronilor este destul de vizuală, este complet nepotrivită din mai multe privințe. Cert este că electronii sunt particule cuantice și comportamentul lor se supune legilor specifice ale fizicii cuantice. În primul rând, electronii nu se mișcă în spațiu pe traiectorii bine definite. Putem încă determina într-un fel sau altul punctele de început și de sfârșit ale căii - înainte și după împrăștiere, dar calea în sine în intervalul dintre începutul și sfârșitul mișcării rămâne necunoscută și incertă. În plus, ideea intuitivă a unui schimb continuu de energie și impuls între electron și câmp, ca și cum ar accelera electronul, contrazice existența fotonilor. Energia și impulsul pot fi transferate camp numai în porții, sau cuante. Vom obține o imagine mai precisă a perturbației introduse de câmp în mișcarea electronului presupunând că electronul, absorbind un foton din câmp, pare să experimenteze o împingere bruscă. Prin urmare, la nivel cuantic, actul de împrăștiere a unui electron pe un electron poate fi descris așa cum se arată în Fig. 12. Linia ondulată care leagă traiectoriile a doi electroni corespunde unui foton emis de un electron și absorbit de celălalt. Acum actul de împrăștiere apare ca o schimbare bruscă a direcției de mișcare a fiecărui electron

Fig. 12. Descrierea cuantică a împrăștierii particulelor încărcate. Interacțiunea particulelor se datorează schimbului unui purtător de interacțiune sau foton virtual (linie ondulată).

Diagramele de acest fel au fost folosite pentru prima dată de Richard Feynman pentru a reprezenta vizual diferiții termeni ai unei ecuații și au avut inițial o semnificație pur simbolică. Dar apoi diagramele Feynman au început să fie folosite pentru a descrie schematic interacțiunile dintre particule. Astfel de imagini par să completeze intuiția fizicianului, dar ar trebui interpretate cu o anumită prudență. De exemplu, nu există niciodată o întrerupere bruscă în traiectoria electronilor. Întrucât știm doar pozițiile inițiale și finale ale electronilor, nu știm exact când este schimbat fotonul și ce particulă emite și care absoarbe fotonul. Toate aceste detalii sunt ascunse de un văl de incertitudine cuantică.

În ciuda acestui avertisment, diagramele Feynman s-au dovedit a fi un mijloc eficient de descriere a interacțiunilor cuantice. Fotonul schimbat între electroni poate fi considerat ca un fel de mesager de la unul dintre electroni care îi spune celuilalt: „Sunt aici, așa că mișcă-te!” Desigur, toate procesele cuantice sunt de natură probabilistică, astfel încât un astfel de schimb are loc numai cu o anumită probabilitate. Se poate întâmpla ca electronii să facă schimb de doi sau mai mulți fotoni (Fig. 13), deși acest lucru este mai puțin probabil.

Este important să ne dăm seama că, în realitate, nu vedem fotoni care trec de la un electron la altul. Purtătorii de interacțiune sunt „materia internă” a doi electroni. Ele există doar pentru a le spune electronilor cum să se miște și, deși transportă energie și impuls, legile de conservare corespunzătoare ale fizicii clasice nu li se aplică. Fotonii în acest caz pot fi asemănați cu o minge pe care jucătorii de tenis o schimbă pe teren. Așa cum o minge de tenis determină comportamentul jucătorilor de tenis pe terenul de joacă, un foton influențează comportamentul electronilor.

Descrierea reușită a interacțiunii folosind o particulă purtătoare a fost însoțită de o extindere a conceptului de foton: un foton se dovedește a fi nu numai o particulă de lumină vizibilă pentru noi, ci și o particulă fantomatică care este „văzută” doar de încărcat. particulele aflate în curs de împrăștiere. Uneori fotonii pe care îi observăm sunt numiți real, iar fotonii care poartă interacţiunea sunt virtual, care ne amintește de existența lor trecătoare, aproape fantomatică. Distincția dintre fotonii reali și virtuali este oarecum arbitrară, dar totuși aceste concepte au devenit larg răspândite.

Descrierea interacțiunii electromagnetice folosind conceptul de fotoni virtuali - purtătorii săi - în semnificația sa depășește doar ilustrațiile de natură cuantică. În realitate, vorbim despre o teorie gândită până la cel mai mic detaliu și dotată cu un aparat matematic perfect, cunoscut sub numele de electrodinamica cuantica, Abreviat ca QED. Când QED a fost formulat pentru prima dată la scurt timp după al Doilea Război Mondial, fizicienii aveau la dispoziție o teorie care satisfacea principiile de bază atât ale teoriei cuantice, cât și ale relativității. Aceasta este o oportunitate minunată de a vedea manifestările combinate a două aspecte importante ale noii fizici și. verifica-le experimental.

Teoretic, crearea QED a fost o realizare remarcabilă. Studiile anterioare ale interacțiunii fotonilor și electronilor au avut un succes foarte limitat din cauza dificultăților matematice. Dar, de îndată ce teoreticienii au învățat să efectueze corect calculele, totul a căzut la loc. QED a propus o procedură pentru obținerea rezultatelor oricărui proces, oricât de complex, care implică fotoni și electroni.

Fig. 13. Difuzarea electronilor este cauzată de schimbul a doi fotoni virtuali. Astfel de procese constituie o mică modificare a procesului principal prezentat în Fig. unsprezece

Pentru a testa cât de bine se potrivea teoria cu realitatea, fizicienii s-au concentrat pe două efecte care au fost de un interes deosebit. Prima se referea la nivelurile de energie ale atomului de hidrogen, cel mai simplu atom. QED a prezis că nivelurile ar trebui să fie ușor deplasate față de poziția pe care ar ocupa-o dacă nu ar exista fotonii virtuali. Teoria a prezis amploarea acestei schimbări foarte precis. Experimentul de detectare și măsurare a deplasării cu o acuratețe extremă a fost realizat de Willis Lamb de la Universitatea de Stat. Arizona. Spre bucuria tuturor, rezultatele calculului au coincis perfect cu datele experimentale.

Al doilea test decisiv al QED a vizat corecția extrem de mică a momentului magnetic propriu al electronului. Și din nou, rezultatele calculelor teoretice și ale experimentului au coincis complet. Teoreticienii au început să-și rafineze calculele, iar experimentatorii au început să-și îmbunătățească instrumentele. Dar, deși acuratețea atât a predicțiilor teoretice, cât și a rezultatelor experimentale s-a îmbunătățit continuu, acordul dintre QED și experiment a rămas impecabil. În zilele noastre, rezultatele teoretice și experimentale sunt încă de acord în limitele preciziei obținute, ceea ce înseamnă o coincidență de peste nouă zecimale. O astfel de corespondență izbitoare dă dreptul de a considera QED cea mai avansată dintre teoriile științelor naturale existente.

Inutil să spun că după un astfel de triumf, QED a fost adoptat ca model pentru descrierea cuantică a celorlalte trei interacțiuni fundamentale. Desigur, câmpurile asociate cu alte interacțiuni trebuie să corespundă altor particule purtătoare. Pentru a descrie gravitația a fost introdus graviton, jucând același rol ca un foton. În timpul interacțiunii gravitaționale a două particule, gravitonii sunt schimbate între ele. Această interacțiune poate fi vizualizată folosind diagrame similare cu cele prezentate în Fig. 12 și 13. Gravitonii sunt cei care transportă semnale de la Lună către oceane, după care se ridică în timpul mareelor ​​înalte și cad în timpul mareelor ​​joase. Gravitonii care se scurg între Pământ și Soare mențin planeta noastră pe orbită. Gravitonii ne leagă ferm de Pământ.

Ca și fotonii, gravitonii călătoresc cu viteza luminii, prin urmare gravitonii sunt particule cu „masă de repaus zero”. Dar aici se termină asemănările dintre gravitoni și fotoni. În timp ce un foton are un spin de 1, un graviton are un spin de 2.

Tabelul 4

Particule care poartă patru interacțiuni fundamentale. Masa este exprimată în unități de masă protonice.

Aceasta este o diferență importantă, deoarece determină direcția forței: în interacțiunea electromagnetică, particulele încărcate similar, cum ar fi electronii, se resping, în timp ce în interacțiunea gravitațională, toate particulele sunt atrase unele de altele.

Gravitonii pot fi reali sau virtuali. Un graviton real nu este altceva decât un cuantum al unei unde gravitaționale, la fel cum un foton real este un cuantum al unei unde electromagnetice. În principiu, gravitonii reali pot fi „observați”. Dar, deoarece interacțiunea gravitațională este incredibil de slabă, gravitonii nu pot fi detectați direct. Interacțiunea gravitonilor cu alte particule cuantice este atât de slabă încât probabilitatea de împrăștiere sau absorbție a unui graviton, de exemplu, de către un proton este infinit de mică.

Ideea de bază a schimbului de particule purtătoare se aplică și altor interacțiuni (Tabelul 4) - slabe și puternice. Cu toate acestea, există diferențe importante în detaliu. Să ne amintim că interacțiunea puternică asigură legătura dintre quarci. O astfel de conexiune poate fi creată printr-un câmp de forță similar cu unul electromagnetic, dar mai complex. Forțele electrice duc la formarea unei stări legate a două particule cu sarcini de semne opuse. În cazul quarcilor, apar stări legate de trei particule, ceea ce indică o natură mai complexă a câmpului de forță, căruia îi corespund trei tipuri de „sarcină”. Se numesc particule - purtători de interacțiune între quarci, care îi conectează în perechi sau tripleți gluoni.

În cazul interacțiunii slabe situația este oarecum diferită. Raza acestei interacțiuni este extrem de mică. Prin urmare, purtătorii interacțiunii slabe trebuie să fie particule cu mase mari de repaus. Energia conținută într-o astfel de masă trebuie să fie „împrumutată” în conformitate cu principiul incertitudinii Heisenberg, care a fost deja discutat la p. 50. Dar, deoarece masa „împrumutată” (și, prin urmare, energia) este atât de mare, principiul incertitudinii cere ca perioada de rambursare a unui astfel de împrumut să fie extrem de scurtă - doar aproximativ 10^-28s. Astfel de particule cu viață scurtă nu au timp să se deplaseze foarte departe, iar raza de interacțiune pe care o poartă este foarte mică.

Există de fapt două tipuri de transportoare de forță slabă. Unul dintre ei este similar cu un foton în orice, cu excepția masei de repaus. Aceste particule se numesc particule Z. Particulele Z sunt în esență un nou tip de lumină. Un alt tip de purtător de forță slabă, particulele W, diferă de particulele Z prin prezența unei sarcini electrice. În cap. 7 vom discuta mai detaliat proprietățile particulelor Z și W, care au fost descoperite abia în 1983.

Clasificarea particulelor în quarci, leptoni și purtători de interacțiuni completează lista particulelor subatomice cunoscute. Fiecare dintre aceste particule joacă un rol propriu, dar decisiv în formarea Universului. Dacă nu ar exista particule purtătoare, nu ar exista interacțiuni și fiecare particulă ar rămâne în întuneric despre partenerii săi. Nu ar putea apărea sisteme complexe, orice activitate ar fi imposibilă. Fără quarci nu ar exista nuclee atomice sau lumină solară. Fără leptoni, atomii nu ar putea exista, structurile chimice și viața însăși nu ar apărea.

Care sunt scopurile fizicii particulelor?

Influentul ziar britanic The Guardian a publicat odată un editorial care punea sub semnul întrebării înțelepciunea dezvoltării fizicii particulelor, o întreprindere costisitoare care consumă nu numai o parte semnificativă din bugetul științei naționale, ci și partea leului dintre cele mai bune minți. „Știu fizicienii ce fac?” a întrebat Guardianul. „Chiar dacă știu, la ce folosește? Cine, în afară de fizicieni, are nevoie de toate aceste particule?”

La câteva luni după această publicație, am avut ocazia să asist la o prelegere la Baltimore susținută de George Keyworth, consilierul pentru știință al președintelui SUA. Keyworth a abordat și fizica particulelor, dar prelegerea sa a luat un ton complet diferit. Fizicienii americani au fost impresionați de un raport recent al CERN, cel mai important laborator de fizică a particulelor din Europa, despre descoperirea particulelor fundamentale W și Z, care au fost în cele din urmă obținute la un mare ciocnitor de fascicule proton-antiproton. Americanii sunt obișnuiți cu faptul că toate descoperirile senzaționale sunt făcute în laboratoarele lor de fizică de înaltă energie. Faptul că au pierdut palma nu este un semn al declinului științific și chiar național?

Keyworth nu se îndoia că pentru ca Statele Unite în general și economia americană în special să prospere, țara trebuia să fie în fruntea cercetării științifice. Principalele proiecte de cercetare de bază, a spus Keyworth, sunt în fruntea progresului. Statele Unite trebuie să-și recapete supremația în fizica particulelor,

În aceeași săptămână, canalele de știri au difuzat rapoarte despre un proiect american pentru un accelerator gigant conceput pentru a efectua o nouă generație de experimente în fizica particulelor. Costul principal a fost estimat la 2 miliarde de dolari, făcând din acest accelerator cea mai scumpă mașină construită vreodată de om. Acest uriaș Unchiul Sam, care ar depăși chiar și noul accelerator LEP al CERN, este atât de mare încât întregul stat Luxemburg ar putea încăpea în inelul său! Magneții supraconductori giganți sunt proiectați pentru a crea câmpuri magnetice intense care vor ondula un fascicul de particule, direcționându-l de-a lungul unei camere în formă de inel; este o structură atât de uriașă încât noul accelerator ar trebui să fie situat în deșert. Aș dori să știu ce părere are redactorul ziarului Guardian despre asta.

Cunoscut sub numele de Superconducting Super Collider (SSC), dar mai des denumit „de-zertron” (din engleză. desert - deşert. - Ed.), această mașină monstruoasă va fi capabilă să accelereze protonii la energii de aproximativ 20 de mii de ori mai mari decât energia de repaus (masă). Aceste numere pot fi interpretate în moduri diferite. La accelerație maximă, particulele se vor mișca cu o viteză de numai 1 km/h mai mică decât viteza luminii - viteza maximă din Univers. Efectele relativiste sunt atât de mari încât masa fiecărei particule este de 20 de mii de ori mai mare decât în ​​repaus. În sistemul asociat cu o astfel de particule, timpul este întins atât de mult încât 1 s corespunde la 5,5 ore în cadrul nostru de referință. Fiecare kilometru din camera prin care trece particulele va „pare” a fi comprimat la doar 5,0 cm.

Ce fel de nevoie extremă obligă statele să cheltuiască resurse atât de enorme pentru fisiunea din ce în ce mai distructivă a atomului? Există vreun beneficiu practic pentru o astfel de cercetare?

Orice mare știință, desigur, nu este străină de spiritul de luptă pentru prioritatea națională. Aici, la fel ca în artă sau sport, este frumos să câștigi premii și recunoaștere mondială. Fizica particulelor a devenit un fel de simbol al puterii de stat. Dacă se dezvoltă cu succes și produce rezultate tangibile, atunci acest lucru indică faptul că știința, tehnologia, precum și economia țării în ansamblu, sunt practic la nivelul corespunzător. Acest lucru susține încrederea în calitatea înaltă a produselor din alte ramuri tehnologice mai generale. Crearea unui accelerator și a tuturor echipamentelor asociate necesită un nivel foarte ridicat de profesionalism. Experiența valoroasă dobândită în urma dezvoltării de noi tehnologii poate avea efecte neașteptate și benefice asupra altor domenii ale cercetării științifice. De exemplu, cercetarea și dezvoltarea magneților supraconductori necesari „desertronului” au fost efectuate în SUA de douăzeci de ani. Cu toate acestea, ele nu oferă beneficii directe și, prin urmare, sunt greu de evaluat. Există rezultate mai tangibile?

Se aude uneori un alt argument în sprijinul cercetării fundamentale. Fizica tinde să fie cu aproximativ cincizeci de ani înaintea tehnologiei. Aplicarea practică a unei anumite descoperiri științifice nu este deloc evidentă la început, dar doar câteva dintre realizările semnificative ale fizicii fundamentale nu și-au găsit aplicații practice de-a lungul timpului. Să ne amintim de teoria electromagnetismului a lui Maxwell: ar fi putut creatorul său să prevadă crearea și succesul telecomunicațiilor și electronicii moderne? Și cum rămâne cu cuvintele lui Rutherford că energia nucleară este puțin probabil să găsească vreodată aplicație practică? Este posibil să prezicem la ce poate duce dezvoltarea fizicii particulelor elementare, la ce noi forțe și noi principii vor fi descoperite care ne vor extinde înțelegerea lumii din jurul nostru și ne vor oferi putere asupra unei game mai largi de fenomene fizice. Și acest lucru ar putea duce la dezvoltarea unor tehnologii nu mai puțin revoluționare ca natură decât radioul sau energia nucleară.

Cele mai multe ramuri ale științei au găsit în cele din urmă unele aplicații militare. În acest sens, fizica particulelor (spre deosebire de fizica nucleară) a rămas până acum de neatins. Dintr-o coincidență, prelegerea lui Keyworth a coincis cu publicitatea în jurul proiectului controversat al președintelui Reagan de a crea o armă antirachetă, așa-numita fascicul (acest proiect face parte dintr-un program numit Inițiativa de Apărare Strategică, SDI). Esența acestui proiect este utilizarea fasciculelor de particule de înaltă energie împotriva rachetelor inamice. Această aplicație a fizicii particulelor este cu adevărat sinistră.

Opinia predominantă este că crearea unor astfel de dispozitive nu este fezabilă. Majoritatea oamenilor de știință care lucrează în domeniul fizicii particulelor elementare consideră aceste idei absurde și nenaturale și se pronunță puternic împotriva propunerii președintelui. Condamnând oamenii de știință, Keyworth i-a îndemnat să „lueze în considerare ce rol ar putea juca” în proiectul de arme cu fascicul. Apelul lui Keyworth către fizicieni (pur întâmplător, desigur) a urmat cuvintele sale referitoare la finanțarea fizicii energiilor înalte.

Convingerea mea fermă este că fizicienii de înaltă energie nu trebuie să justifice necesitatea cercetării fundamentale citând aplicații (în special cele militare), analogi istorici sau promisiuni vagi de posibile miracole tehnice. Fizicienii efectuează aceste studii în primul rând în numele dorinței lor ineradicabile de a afla cum funcționează lumea noastră, a dorinței de a înțelege natura mai detaliat. Fizica particulelor este de neegalat printre alte activități umane. Timp de două milenii și jumătate, omenirea s-a străduit să găsească „blocurile” originale ale universului, iar acum suntem aproape de obiectivul final. Instalațiile uriașe ne vor ajuta să pătrundem în inima materiei și să smulgem din natură cele mai adânci secrete ale acesteia. Omenirea se poate aștepta la aplicații neașteptate ale noilor descoperiri, tehnologii necunoscute anterior, dar se poate dovedi că fizica energiilor înalte nu va oferi nimic pentru practică. Dar chiar și o catedrală maiestuoasă sau o sală de concert nu are nicio utilitate practică. În acest sens, nu se poate să nu-ți amintești cuvintele lui Faraday, care a remarcat odată: „La ce folosește un nou-născut?” Tipuri de activitate umană care sunt departe de practică, care includ fizica particulelor elementare, servesc drept dovezi ale manifestării spiritului uman, fără de care am fi condamnați în lumea noastră prea materială și pragmatică.

26 noiembrie 1894. Nunta țarului rus Nicolae al II-lea și a prințesei germane Alice de Hesse-Darmstadt a avut loc la Sankt Petersburg. După nuntă, soția împăratului a acceptat credința ortodoxă și a primit numele Alexandra Feodorovna.

27 noiembrie 1967. Cinematograful din Moscova „Mir” a găzduit premiera primului thriller sovietic „Viy”. Rolurile principale au fost interpretate de Leonid Kuravlev și Natalia Varley. Filmările au avut loc în regiunea Ivano-Frankivsk și în satul Sednev din regiunea Cernihiv.

28 noiembrie 1942 Uniunea Sovietică a încheiat un acord cu Franța pentru a lupta în comun cu Germania nazistă în cer. Prima escadrilă de aviație franceză „Normandie-Niemen” era formată din 14 piloți și 17 lucrători tehnici.

29 noiembrie 1812 Armata lui Napoleon a fost învinsă în timp ce trecea râul Berezina. Napoleon a pierdut aproximativ 35 de mii de oameni. Pierderile trupelor rusești, conform inscripției de pe peretele al 25-lea al galeriei de glorie militară a Catedralei Mântuitorului Hristos, s-au ridicat la 4 mii de soldați. Aproape 10 mii de francezi au fost capturați de generalul rus Peter Wittgenstein.

1 decembrie 1877În satul Markovka, regiunea Vinnytsia, Nikolai Leontovici, compozitor ucrainean, dirijor de coră, autor al cântecelor „Dudarik”, „Cazacul poartă”, „Mala, mama unei fiice”, „Șchedrik” (melodia este cunoscută în Occident ca colindul clopotelor de Crăciun („Carol of the Bells”).

1 decembrie 1991. A avut loc un referendum integral ucrainean pe tema independenței de stat a Ucrainei. Leonid Kravchuk a fost ales primul președinte al țării.

2 decembrie 1942. Fizicianul Enrico Fermi și un grup de oameni de știință americani de la Universitatea din Chicago au efectuat o reacție nucleară controlată, divizând un atom pentru prima dată.

La 1 decembrie 1992, domeniul ucrainean UA a fost înregistrat în baza de date internațională

Dintre fostele republici sovietice, Ucraina a devenit prima țară care a primit un domeniu național de internet la 1 decembrie 1992. Rusia a fost înregistrată ulterior: domeniul RU a apărut pe 7 aprilie 1994. În același an, Republica Belarus și-a primit domeniile - BY, Armenia - AM și Kazahstan - KZ. Și primul domeniu național din istoria Internetului a fost SUA americane, a fost înregistrat în martie 1985. În același timp, au apărut și domeniile Marii Britanii - Marea Britanie și Israel - IL. Crearea unui sistem de domenii a făcut posibilă înțelegerea imediată a locului în care era localizat după numele site-ului.

În ianuarie 1993, la o conferință a specialiștilor ucraineni de internet din satul Slavskoye, regiunea Lviv, au fost propuse 27 de domenii, create pe o bază geografică, selectate prin codul de numerotare telefonică. Orașele și întreprinderile ucrainene au posibilitatea de a-și crea propriile site-uri web pe internet, de exemplu, kiev.ua, crimea.ua, dnepropetrovsk.ua. Toate responsabilitățile pentru administrarea lor au continuat să fie îndeplinite de persoane în mod voluntar. În unele domenii publice, această practică continuă până în prezent. Acum fiecare domeniu național sau geografic are propriul administrator - o companie sau o persoană fizică care stabilește regulile de înregistrare. De-a lungul timpului, internetul a dat naștere propriei sale versiuni a limbii. Un nume de domeniu care se termină cu acronimul COM, NET, EDU este o abreviere pentru un concept general. De exemplu, COM este comercial, NET este de rețea, EDU este educațional. La noi, cel mai popular domeniu este COM. În primăvara anului 2001, pentru a restabili ordinea, a fost creată în cele din urmă entitatea juridică Hostmaster LLC, care includea administratori ai UA și ai altor domenii ucrainene. Persoanele fizice, foști proprietari ai domeniului ucrainean UA, au transferat oficial o parte din puterile lor către „Hostmaster”.

În prezent, oricine își poate crea propriul site web și poate obține un domeniu. Prima etapă, în timpul căreia doar proprietarii de mărci comerciale puteau înregistra domenii în zona UA, sa încheiat deja. Din 2010, înregistrarea gratuită a domeniului este disponibilă pentru oricine pentru o perioadă de zece ani; prețul utilizării unui domeniu timp de un an este de 90 grivne. Apropo, primul care a prezis internetul a fost scriitorul, filozoful și personajul public din secolul al XIX-lea Vladimir Odoevski. În romanul „Anul 4338”, publicat în 1837, Odoevski a scris: „ Între casele familiare sunt instalate telegrafe magnetice, prin care cei care locuiesc la mare distanță comunică între ei." Acum, deschizând un site web pe internet fără a pleca de acasă, fiecare dintre noi poate cumpăra un bilet de avion și de tren, poate face cumpărături la un supermarket de electronice, își poate publica lucrările fără intermediari și chiar poate găsi un partener de viață pe un site de întâlniri. Tinerii de douăzeci de ani cu greu își pot imagina o epocă în care mergeau la bibliotecă să cumpere cărți, scrisorile erau scrise de mână, iar știrile se aflau doar din programele de televiziune sau din publicațiile tipărite.