Текст книги "В делении сила. Ферми. Ядерная энергия."

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 9 страниц)

ГЛАВА 3
Нейтрино и бета-распад

Благодаря открытию нейтрона, искусственной радиации и делению ядра немногим больше чем за десятилетие, между 1927 и 1938 годами, ученым удалось проникнуть в тайны атомного мира. Модель Томаса – Ферми позволила понять феномен электрической проводимости и заложила основы современной электроники. Ферми получил Нобелевскую премию за доказательство возможности получения новых радиоактивных элементов и дал название новой частице – нейтрино. Сегодня идут споры о том, могут ли нейтрино развивать скорость, превышающую скорость света.

В 1926 году Ферми подал запрос на кафедру физики университета Кальяри. После работы в этом учебном заведении он смог бы рассчитывать на более престижные должности. Однако комиссия сочла блестящего ученого слишком молодым и предпочла ему Джованни Джорджи, имевшего более солидное резюме: он написал докторскую диссертацию на восемь лет раньше Ферми и был уже известен благодаря разработке системы МКС (в которой основными единицами измерения являются метр, килограмм и секунда). Тогда Орсо Марио Корбино, директор физического отделения Римского университета, решил создать новую кафедру теоретической физики в Риме. Корбино хотел собрать группу физиков-новаторов, а для этого ему нужны были талантливые молодые ученые, желающие произвести революцию в итальянской науке. Корбино организовал конкурс, в котором Ферми занял первое место, а Персико – второе. Так эти два давних друга начали тесное сотрудничество в научных исследованиях.

Когда Ферми вернулся в Италию, Лаура Капон была студенткой второго курса Римского университета. Она посещала лекции Корбино по электричеству, проходившие в здании на улице Панисперна, в бывшем монастыре, который в 1870 году был отдан университету под отделение физики. В другом бывшем монастыре, расположенном на той же улице, проходили занятия по химии, на которые в основном и ходила Лаура. В целом список предметов, которые она выбрала для изучения, был очень разносторонним, на стыке различных дисциплин, как лекции Корбино.

Сам Корбино хорошо представлял себе, чего хочет. Он пригласил Разетти из Флоренции в Рим на место, для которого не требовалось участвовать в государственном конкурсе (ученый знал, что Разетти отлично сойдется в работе с Ферми), и убедил некоторых блестящих студентов инженерного факультета заняться физикой. Среди них был Эдоардо Амальди, друг Лауры Капон, который вместе с ней ходил на лекции Корбино по электричеству. Вскоре к ним присоединились Эмилио Сегре, Бруно Понтекорво, замкнутый, но талантливый Этторе Майорана и другие. Корбино удалось создать вокруг Энрико Ферми рабочую группу, известную нам как «ребята с улицы Панисперна».

Изучение теплоты можно рассматривать как специальную отрасль механики.

Ферми во введении в свою «Термодинамику»

Ферми подталкивал группу соратников к выходу за рамки традиционных университетских курсов, как он сам делал это во время учебы. Молодость самого Ферми и поддержка со стороны Разетти способствовали его сближению с молодыми студентами, которыми он руководил. Обычно, отталкиваясь от одной задачи, Ферми соединял физическую теорию с необходимыми для ее решения математическими инструментами и объяснял ее эмпирические последствия. Ученый демонстрировал энциклопедические знания, говоря об излучении черного тела, теории относительности Эйнштейна, термодинамике, электродинамике или статистической механике и показывая связи между ними. Он всегда стремился дойти до сути проблемы и найти способ ее экспериментального решения, которое должно было предоставить необходимые данные, «основу объяснений».

По субботам во второй половине дня у профессора Кастельнуово обычно собирались семьи и студенты, так или иначе имевшие отношение к Римскому университету. На этих вечерах студенты и молодые профессора не только обсуждали научные вопросы, но и завязывали дружеские отношения. Там Лаура Капон и Энрико Ферми встретились вновь.

ТАЙНА АТОМА И МОДЕЛЬ ТОМАСА – ФЕРМИ

Когда Ферми опубликовал свою работу «О квантовании идеального одноатомного газа», ученые еще не имели ни малейшего представления о той вселенной элементарных частиц, которую мы кратко описали в конце предыдущей главы. Атом оставался совершенной загадкой. В 1920 году Резерфорд выдвинул гипотезу о существовании нейтрона (которая еще не была доказана эмпирически) и в том же году назвал ядро атома водорода протоном, который он обнаружил в ходе эксперимента в 1919 году.

Благодаря своей теории статистики Ферми начинал приобретать международную известность: в одном из писем Лоренцу в июне 1926 года Эйнштейн советовал коллеге пригласить на пятый Сольвеевский конгресс, который должен был состояться в октябре 1927 года, Ферми или Ланжевена, лучших ораторов и знатоков квантовой статистики. В результате туда поехал Ланжевен, и именно он запечатлен на одной из самых знаменитых фотографий в истории науки. Месяцем раньше, в сентябре 1927 года, в Комо прошла еще одна международная конференция по физике, посвященная 100-летию со дня смерти Алессандро Вольты. Корбино удалось собрать на ней, кроме своих «ребят с улицы Панисперна», большинство тех, кто должен был участвовать и в Сольвеевском конгрессе: приехали Планк, Паули, Гейзенберг, Резерфорд, Лоренц и Бор.

В Комо Бор изложил свой знаменитый принцип дополнительности квантовой механики, который постулировал, что для понимания мира квантов согласно копенгагенской интерпретации классическая физика должна дополняться волновой и корпускулярной теориями. Он переиначил принцип неопределенности Гейзенберга, выдвинутый последним в марте того же года, и предположил, что независимо от того, являются ли частицы объектом наблюдения, наблюдатель взаимодействует с квантовыми системами таким образом, что эта система не может считаться независимой. Другими словами, квантовая наука оформлялась как вероятностная, она положила конец классическому подходу Ньютона. Эпистемологические выводы, следующие из копенгагенской интерпретации, занимали философов на протяжении всего XX века: реальность – это физика вероятностей? В мире атомов все казалось другим и непонятным. В макроскопическом же мире, напротив, вероятности событий становятся настолько высокими, что статистика придает нам уверенность.

Английские астрономы могут стать американскими сенаторами, но реками – никогда.

Энрико Ферми о своем эпистемологическом видении

Ферми был очарован успехами статистической физики в объяснении квантового мира. Поэтому он решил использовать тот же метод, который он применил для статистики одноатомного газа, для подсчета эффективного потенциала, действующего на электроны. Он рассмотрел частицы как газ из фермионов при абсолютном нуле, которые поддерживают вокруг ядра электрическое притяжение.

В статье «Статистический метод определения некоторых свойств атома» Ферми изложил модель, известную сегодня как атомная модель Томаса – Ферми, поскольку Люэлин Хиллет Томас предложил похожую модель годом раньше, хотя Ферми ничего не знал о его работе. Согласно модели Томаса – Ферми облако электронов не падает на ядро, что должно было бы произойти из-за электромагнитного притяжения с протонами, имеющими противоположный заряд, потому что принцип исключения Паули ограничивает количество электронов на разных уровнях. Электроны ведут себя как идеальный газ Ферми, то есть как совокупность фермионов, не притягивающихся друг к другу и подчиняющихся принципу исключения. Эта простая модель хорошо работала для свободных электронов в металлах. Например, она объясняла их хорошую электрическую проводимость, а также, как продемонстрировал в 1930 году индийский физик Чандрасекар, поведение белых карликов, которые не коллапсируют, если их масса не превышает определенного верхнего предела.

Совокупность энергии Ферми-газа при абсолютном нуле больше суммы энергий фундаментальных состояний отдельных частиц. Это объясняется тем, что принцип Паули действует как давление, удерживающее фермионы отдельно друг от друга и в движении. Поэтому давление Ферми-газа ничтожно и при абсолютном нуле: давлением Ферми, или давлением вырождения, называют давление, которое стабилизирует звезды, и только в том случае, если звезда обладает достаточной массой для преодоления давления Ферми, она может провалиться в гравитационную сингулярность, или в черную дыру.

Наконец, модель Томаса – Ферми дала хорошее описание атомной плотности и объяснила, почему размеры каждого материального элемента являются следствием равновесия между внешними силами (электромагнитными или гравитационными, в зависимости от того, рассматриваются квантовые или астрономические явления) и давлением Ферми. В XX веке атомно-статистические теории Ферми успешно применялись также в науке о материалах.

СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ МЕТАЛЛА

В Ферми-газе как системе свободных фермионов частицы не взаимодействуют друг с другом, в отличие от Ферми-жидкости. В зависимости от того, как протоны и электроны описаны статистикой Ферми, можно сделать первые приблизительные выводы с помощью этой модели газа Ферми. Нельзя забывать, что когда была предложена модель Томаса – Ферми, нейтрон еще не был открыт, так что точность расчетов Ферми вызывает удивление.

ПОВЕРХНОСТЬ И СКОРОСТЬ ФЕРМИ

Энергия последнего заполненного электронами уровня (или уровня Ферми, n_F) описывается следующим выражением:

ε_F = h²n²_F/8mL² = h²/8m·(N/2L)²,

где N – количество электронов, m – масса электрона, h – постоянная Планка, N/L – электронная плотность газа, которая зависит от L, глубины потенциальной ямы, считающейся в данном случае одномерной (краевая задача). Определим волновой вектор Ферми:

k_F = 2πn_F/L.

В идеальном случае со сферой с радиусом k_F поверхность Ферми будет определена как поверхность, отделяющая населенные уровни от пустых в пространстве импульсов (см. рисунок). Энергию Ферми можно записать в зависимости от k_F в данном случае

ε_F = h²k²_F/8πm.

Определение скорости Ферми (v_F) следующее: это скорость, с которой фермион двигается на поверхности Ферми:

v_F = √(2ε_F/m) = hk_F/2πm.

Эти параметры характеризуют электроны, населяющие последний энергетический уровень в металлах (уровень Ферми). Зная их, можно подсчитать, когда они перейдут в зону проводимости. Это позволило развиваться полупроводникам и современной электронике.

Распределение энергии фермионов в Ферми-газе устанавливается посредством плотности, температуры и совокупности свободных энергетических уровней, следуя статистике Ферми – Дирака, как мы видели в предыдущей статье.

В 1927 году Паули успешно использовал статистику Ферми для объяснения парамагнетизма щелочных металлов, таких как литий. В том же году Зоммерфельд применил ее к свободным электронам в металле, хотя уже в 1900 году немецкий физик Пауль Друде изучал проводимость на примере классического газа. Свободные электроны металлов являются причиной электрической проводимости, и их надо отличать от электронов, которые остаются связанными с атомными ядрами и не входят в так называемую зону проводимости.

При температуре ниже, чем температура Ферми, газ может считаться вырожденным, и следовательно, давление Ферми имеет место только благодаря принципу исключения. Температура Ферми зависит от массы задействованных фермионов и от плотности энергетических уровней. Для металлов она равна тысячам градусов Кельвина. Максимальная энергия фермионов при абсолютном нуле равна энергии Ферми, которая определяет границу перехода электронов, связанных с ядром, к электрической проводимости.

Итак, в металле одна часть электронов остается при атомах, которые формируют его структуру, а другая, находящаяся на внешних уровнях и орбиталях, становится газом свободных электронов (см. рисунок на следующей странице). Их можно легко сдвигать с помощью внешних электромагнитных полей. Таким образом, батарейка может легко вызвать движение электронов в металле и, следовательно, электрический ток.

Понимание явления проводимости металлов в середине XX века позволило создать полупроводниковые материалы, имеющие фундаментальное значение для современной электроники. Они стали основой технологической революции в нашу кремниевую эпоху.

Схема свободных электронов лития. Только некоторые из них перешли от последнего уровня, или уровня Ферми, к зоне проводимости – своего рода бульону, в котором электроны двигаются с большой легкостью и который обеспечивает хорошую проводимость металлов.

СЕМЕЙНАЯ ЖИЗНЬ ФЕРМИ

Во время субботних вечеринок у профессора Кастельнуово сложилась тесная компания студентов и молодых профессоров. Среди «ребят с улицы Панисперна» были такие студенты, как Амальди и Сегре, и близость к ним по возрасту Ферми, Персико и Разетти способствовала зарождению тесной дружбы. Лаура и Энрико тоже сближались все сильнее и в конце концов встали рядом перед алтарем. Они поженились жарким днем 19 июля 1928 года. Лаура была умной девушкой, очень непосредственной и эмоциональной. Она влюбилась не только в гений Ферми, в ученого, поражавшего (и даже иногда пугавшего) ее своими знаниями и открывавшего ей чудеса физики, но и в сердечного, простого человека, способного наслаждаться малым, получать удовольствие от жизни и мечтать.

Лаура редко сопровождала мужа в поездках и впервые оказалась вместе с ним в США в 1930 году, когда Энрико должен был прочитать лекцию на конференции в Энн-Арборе, в Мичиганском университете. Так она увидела страну, которая позже стала ее второй родиной, и так началась, как писала сама Лаура, ее «американизация». Вернувшись в Рим после медового месяца, чета переселилась в квартиру, где через несколько лет родилась их старшая дочь Нелла (1931), а потом сын Джулио (1936), названный в честь погибшего брата Энрико. Этот период был очень плодотворным для Ферми-ученого. Казалось, ничто не могло поколебать их счастье, но внешние обстоятельства оказались сильнее человека. Ужесточение фашистского режима вынудило семью Ферми эмигрировать.

Ферми с Лаурой Капой в 1954 году. Они поженились в 1928-м.

Корбино, создатель группы «ребята с улицы Панислерна».

Под наблюдением Корбино Ферми руководил «ребятами с улицы Панисперна». Слева направо: Оскар Д’Агостино, Эмилио Сегре, Эдоардо Амальди, Франко Разетти и Энрико Ферми. Около 1930 года.

СПЕКТР УЛИЦЫ ПАНИСПЕРНА

Спектроскопия позволяет проанализировать химический состав вещества на основе, например, его спектра излучения или поглощения (см. рисунок). Если газ подвергается действию высокочастотной радиации, то поглощает часть спектра и в результате получается спектр поглощения, в котором нет полос, соответствующих длине волн поглощенного излучения. С другой стороны, возбужденный газ может испускать излучение с длиной волн, обусловленной его химическим составом, поэтому каждый газ имеет собственный спектр излучения. В первые годы работы на улице Панисперна Ферми изучал молекулярную спектроскопию в тесном сотрудничестве с Разетти, так как понял, что это прямой способ получить сведения о структуре материи. Его догадку подтверждали и исследования спектра водорода, сделанные Иоганном Якобом Бальмером в 1885 году, и последующие дополнения Йоханнеса Ридберга. В 1908 году Ридберг опытным путем получил формулу частоты спектральных линий для перехода атома водорода между уровнями n и n':

Схема устройства для измерения атомных спектров.

Фотографическая пластина идет в комплекте с камерами переменного тока, подключенными к компьютеру. Наблюдаемые спектральные линии говорят составе вещества, его атомной и молекулярной структуре.

v = R_H(1/n² – 1/n'²),

где R_H – постоянная Ридберга для водорода, на сегодняшний день равная R_{H =} 10967 758,341 ± 0,001 м^-1 (в то время это значение было гораздо менее точным). Американский физик Теодор Лайман (1874-1954) открыл новые линии в ультрафиолетовой зоне, а позднее Пашен, Браккет и Пфунд выявили новые линии в инфракрасной. Даже Бор, создавая в 1913 году свою атомную модель, предусмотрел, чтобы она соответствовала спектроскопическим прогнозам, так как частота излучения фотонов должна совпадать с переходами электронов на другие энергетические уровни. Этому условию должна соответствовать модель атома (см. рисунок на следующей странице).

Формула боровской модели

E = 13,6eV/n²

точно предсказывала переходы атомов водорода. Ферми очень интересовался атомной физикой. В 1928 году он опубликовал «Введение в атомную физику», в котором, помимо прочего, продемонстрировал свои незаурядные педагогические способности. Ферми был убежден: если кто-то действительно что-то понял, он должен быть в состоянии это объяснить. В последующие годы он много занимался популяризаторской работой. В 1928 году вышел учебник Ферми по физике для учеников старших классов, в 1929-м – серия статей для широкого круга читателей, например «Экспериментальное обоснование новых физических теорий» или «Современные задачи физики», а в 1930-м – «Современная физика», «Атомы и звезды» и «О квантовой электродинамике». Ферми считал, что ученые обязаны рассказывать обществу о своих открытиях, хотя в то время Италии только предстояло пройти долгий путь к всеобщей грамотности, а физика еще не до конца восприняла теории квантов и относительности. Разетти же, со своей стороны, был прекрасным экспериментатором и брал на себя большую часть работы по постановке опытов, оставляя на долю Ферми их продумывание и теоретическую интерпретацию результатов.

Энергетические уровни водорода с квантовым числом л на каждом уровне и приблизительное изображение некоторых переходов, которые появляются в спектре (серия Лаймана в ультрафиолетовом, Балмера в видимом и Пашена в инфракрасном). Шкала длины волны и частоты не линеарна. Энергия измеряется в электрон вольтах (эВ), длина волны – в ангстремах

(1А = 10^-10 м), а частота – в герцах (Гц).

Ферми всегда стремился выйти за рамки простой констатации результатов, его интуиция подсказывала ему саму суть проблемы, а полученные данные ученый анализировал с большим математическим изяществом. Вместе с Разетти они дали хорошую техническую подготовку Сегре и Амальди, которые впоследствии сделали в спектроскопии большие открытия, имевшие огромное значение для развития итальянской физики.

Вслед за Сегре в 1928 году физикой решил заняться Этторе Майорана, обладавший уникальными вычислительными способностями и привлеченный успехами рабочей группы Ферми. Вместе с Джованни Джентиле, еще одним молодым профессором с улицы Панисперна, он начал заниматься квантовыми исследованиями в области спектроскопии, применением модели Томаса – Ферми к квантовым состояниям электронов, находящихся на нижних уровнях урана и гадолиния, а также изучением тонкой структуры цезия.

В первых атомных моделях, например в боровской, спектральные линии были соотнесены с переходами между квантовыми уровнями, основанными на квантовом числе n. Однако Уилсон и Зоммерфельд разработали правила квантования, объясняющие так называемую тонкую структуру, или расщепление спектральных линий на несколько составляющих. Оно наблюдается во всех спектрах при наличии достаточно точных спектрометров и обусловлено спин-орбитальным взаимодействием, которое в конце 20-х годов еще было окутано тайной. Разетти и Ферми изучали тонкую структуру из-за ее способности точно предсказать структуру атомных уровней.

В 1929 году Корбино перед Итальянским Обществом научного прогресса заявил: «Единственная существующая сегодня возможность сделать великие открытия в физике появится, когда кому-нибудь удастся изменить ядро атома». Переход к ядерной физике был неизбежен, и стажировки за рубежом были хорошей возможностью познакомить Италию с открытиями других ученых. Так, период с 1928 по 1929 год Разетти провел в Калифорнийском технологическом институте, где изучал эффект Рамана с американским физиком Робертом Эндрюсом Милликеном, а затем – год в Берлине, работая с австрийским физиком Лизой Мейтнер и овладевая техниками наблюдения в ядерной физике. В это же время Сегре поехал в Гамбург учиться у Отто Гана, а потом – в Амстердам, к Питеру Зееману, чтобы улучшить свои знания спектроскопии; Амальди изучал дифракцию рентгеновских лучей в жидкостях вместе с Дебаем в Лейпциге, а вернувшись в Рим, вместе с Ферми сконструировал первую в Италии туманную камеру (или камеру Вильсона). В 1933 году, как раз когда к власти в Германии пришли нацисты, Майорана тоже уехал в Лейпциг, чтобы работать с Гейзенбергом над новой ядерной теорией. Бруно Понтекорво в 1936 году уехал в Париж, где работал вместе с Ирен Кюри и Фредериком Жолио, открывшими в 1934 году эмпирическим путем нейтрон и искусственную радиацию. Будучи евреем, он больше не вернулся в Италию, где ужесточался фашистский режим, и позже оказался замешан в странном шпионском скандале.

Группа, которую Корбино удалось собрать вокруг Ферми, состояла из разносторонне одаренных исследователей. За годы своего существования она приобрела международный авторитет в физике и продолжала бы двигать вперед итальянскую науку, если бы Муссолини не спровоцировал побег ученых, ставший прелюдией ко Второй мировой войне. Дуче понял, что эксперименты, над которыми работали «ребята с улицы Панисперна», могли прославить Италию. Эти молодые ученые исследовали структуру материи и секреты атома, который очень скоро стал проявлять свои волшебные и даже пугающие свойства. В марте 1929 года Ферми вступил в Королевскую академию Италии, созданную Муссолини в 1926 году для пропаганды новых национальных ценностей. Помимо этого, Ферми, который всегда был вне фашизма в частности и вне политики вообще, пришлось вступить в Национальную фашистскую партию: это была единственная возможность гарантировать финансирование его исследовательской группы.

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И ПОЯВЛЕНИЕ НЕЙТРОНА

Ферми стал изучать квантовую теорию излучения летом 1929 года, познакомившись с работами Дирака. Он сконцентрировался на взаимодействии между электронами и электромагнитными полями, а также на процессах излучения и поглощения фотонов в области, названной квантовой электродинамикой. Она объясняет взаимодействия между фотонами и заряженными фермионами, теорию квантовых электромагнитных полей, создание и разрушение частиц. В серии статей, опубликованных между 1929 и 1932 годами, Ферми сформулировал описание заряженных частиц в магнитных полях с позиций теории относительности, представив частицы с точки зрения уравнения Шрёдингера и не прибегая к квантовому формализму Гейзенберга или Паули. В своей «Интерпретации принципа причинности в квантовой механике» (1930) Ферми трактовал с позиций квантовой механики тот факт, что будущие события не полностью детерминированы. Он подчеркнул, что в перспективе важнее неуверенность в определении физических состояний, чем узкий взгляд на временное развитие пространства событий. В его рассуждениях прослеживался интеллектуальный переход от классической физики к современной.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

На схеме представлены основные типы элементарных частиц, составляющие материю (слева) и являющиеся носителями взаимодействий (справа). Элементарные частицы и их взаимодействие управляют Вселенной. Под названием частиц – носительниц взаимодействий указаны области физики, их изучающие. Гравитоны еще не классифицированы.

В природе существует четыре основных вида взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое. Гравитационное взаимодействие происходит между частицами, обладающими массой, оно было описано Ньютоном. Электромагнетизм – взаимодействие между частицами с электрическим зарядом посредством электромагнитного поля. Сильное взаимодействие (или сильное ядерное взаимодействие) позволяет кваркам соединяться и образовывать адроны, то есть ядра атомов. Слабое взаимодействие (или слабое ядерное взаимодействие) – причина изменений «ароматов» кварков и лептонов; другими словами, оно отвечает за трансформацию кварков и лептонов в более легкие частицы и бета-распад, как объяснил Ферми. Электромагнитное взаимодействие, сильное и слабое, сегодня изучают в рамках так называемой стандартной модели. Целью теоретической физики является описание этих четырех взаимодействий как аспектов единой силы, но для этого необходимо экспериментально доказать существование гравитона.

Действительно, в своей первой работе «О квантовой электродинамике» (1929) он отталкивался от классической электродинамики, а потом сделал резкий переход к теории квантов. В последующих работах Ферми пытался сформулировать теорию электромагнитного излучения, которая не противоречила бы квантовой механике. В 1932 году он опубликовал блестящую статью «Современная физика. Новая антология», в которой заложил основы современной квантовой электродинамики, с поразительной простотой объясняя сложнейшую область науки. Ричард Фейнман всегда говорил об этой работе как об одном из столпов, на котором он построил современную квантовую электродинамику.

Когда американский физик немецкого происхождения Ханс Бете (1906-2005) приехал в Рим по стипендии Фонда Рокфеллера (престиж группы Ферми был так велик, что он начал принимать студентов), то был поражен способностью Ферми анализировать сложнейшие задачи, а затем решать их точными математическими методами. В 1932 году Бете и Ферми написали совместную работу «О взаимодействии двух электронов», в которой рассказывали о поведении фермионов в зависимости от обмена фотонами.

В начале 1929 года наиболее распространенная атомная модель представляла ядро с протонами А и электронами A-Z. То есть в ней были представлены электроны на орбиталях вокруг ядра и электроны в самом ядре вместе с протонами. Необходимо было выяснить, какой статистике подчинялось ядро: Бозе – Эйнштейна или Ферми – Дирака.

В 1928 году Вальтер Боте заметил, что при облучении альфа-частицами бериллий испускает проникающие и при этом электрически нейтральные частицы. Он решил, что это фотоны, гамма-излучение. Джеймс Чедвик (1891-1974) подверг воздействию излучения бериллия разные вещества и выяснил, что излучаемые частицы должны быть нейтральными и обладать массой, близкой к массе протона.

ДИАГРАММЫ ФЕЙНМАНА

В 1948 году американский физик Ричард Фейнман (1918-1988) предложил эффективный и наглядный способ упрощенного представления взаимодействия элементарных частиц. Его диаграммы нельзя пугать с пространственно-временными диаграммами или с реальными движениями частиц (которые получают при помощи туманной камеры). В своей самой строгой версии диаграммы Фейнмана показывают, как влияет возмущение на квантовый переход от начального квантового состояния к конечному. Например, при взаимодействии двух электронов, которые обмениваются фотоном, в одной вершине сходятся две фермионные линии (непрерывные прямые) и одна фотонная (представленная волнистой линией).

Пример диаграммы Фейнмана, на которой два электрона обмениваются фотоном.

Так были открыты нейтроны, существование которых предсказывал Резерфорд. В феврале 1932 года Чедвик теоретически доказал существование этой новой частицы, нейтрона. В январе того же года Гарольд Юри открыл новый изотоп водорода, дейтерий. В апреле Уолтон и Кокрофт получили первый ядерный распад путем облучения ускоренными протонами в электростатическом ускорителе легких ядер, а вскоре после этого Лоуренс, Ливингстон и Мильтон использовали для ядерного распада циклотрон, разработанный Эрнестом Лоуренсом. В 1933 году Олифант, Кинси и Резерфорд открыли тритий, подтвердив, что нейтрон имеет фундаментальное значение в атомной структуре и в новом представлении об изотопе. Хотя элементы периодической таблицы определялись по количеству их протонов, ядро атомов могло иметь большее или меньшее количество нейтронов. Атом X с N количеством нейтронов и Z протонов имел массовое число А = N + Z и обозначался обычно как Х^A_Z. Было доказано, что водород также может иметь изотопы с массовым числом А = 2 (дейтерий H²₁) и А = 3 (тритий, H³₁) с одним или двумя нейтронами соответственно.

Если бы я мог запомнить названия всех этих частиц, то стал бы ботаником.

Энрико Ферми

Анализируя космическое излучение, американский физик Карл Андерсон (1905-1991) впервые выявил позитрон, е+, частицу с такими же массой и спином, как у электрона, но с положительным зарядом. Таким образом, Андерсон подтвердил предсказания Дирака о квантовых моделях, сделанные в 1927 году, к которым также в 1928 году пришел Майорана. Карта элементарных частиц становилась все полнее. В атомной и ядерной физике начиналась революция. В 1932 году Ферми был приглашен в Париж на Пятую Международную конференцию об электричестве, где он выступил с докладом «Современное состояние физики атомного ядра», в котором объяснил несостоятельность модели атомного ядра, основанной на протонах и электронах, и изложил гипотезу Паули о существовании нейтрино.

БЕТА-РАСПАД, НЕЙТРИНО И СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Распад ядра случается всякий раз, когда ядро атома приходит в возбужденное состояние, то есть отличное от состояния с наименьшим возможным количеством энергии. Возбуждение атомов происходит естественным образом или может быть создано искусственно. Естественная радиоактивность была открыта французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году, она изучалась Пьером и Марией Кюри и является следствием процессов ядерного распада. Существует три типа радиоактивности: альфа (α), бета (β) и гамма (γ) (см. рисунок). Гамма-излучение состоит из фотонов с высокой энергией, способных проникать в свинце на глубину до 7 см. Фотоны могут исходить, например, от протона в возбужденном состоянии ядра, который переходит на уровень с меньшей энергией: р+ → р + γ. Гамма-лучи образуются также в ходе ядерных реакций на звездах, например на Солнце, но, к счастью, они не проходят сквозь атмосферу и не достигают земной поверхности. Объяснение гамма-распада не представляло особой трудности в рамках теории Ферми, так как соответствовало теориям Планка и Эйнштейна. Экспериментальная же физика должна была разработать необходимые инструменты для его анализа и получения данных об атомных ядрах. В 1933 году Ферми и Разетти создали спектрометр с кристаллами висмута – пригодилась техника, которой Разетти научился за год до этого у Лизы Мейтнер. Альфа-распад состоит в излучении альфа-частицы (ядра гелия-4, Не⁴₂) ядром. Например, Мария Кюри открыла, что это происходит с радием, который естественным образом превращается в радон:

Ra²²⁶₈₈ → Rd²²²₈₆ + He⁴₂.

Каждый вид излучения имеет свою проникающую способность. Альфа-частицы останавливает обычный листок бумаги, бета– частицы – тонкая деревянная доска, а гамма– частицы и нейтроны – брусок свинца толщиной в несколько сантиметров или кусок цемента толщиной в метр.