Текст книги "Вселенная в электроне"

Автор книги: Владилен Барашенков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 18 страниц)

Внутри ядра

После того как Резерфорд «разглядел» в недрах атома его крошечное ядрышко, многим казалось, что наконец-таки наука достигла самого дна природы – глубже этого уже ничего нет. Но прошло всего каких-то двадцать лет и был открыт нейтрон – частица по всем своим свойствам такая же, как ядро атома водорода – протон, но только без электрического заряда. Нейтральный протон. Физикам открылась еще одна, теперь уже четвертая по счету, ступенька в глубинах микромира.

Назвать протоном ядро самого легкого и маленького по величине атома предложил все тот же Резерфорд. Этот термин он образовал от греческого слова «протос» – первый. Одновременно это напоминает протеин – простейший белок, основу, из которой построены клетки всех живых организмов. Резерфорд был уверен, что ядра тяжелых атомов тоже каким-то образом должны быть связаны с протоном. В имени его нейтрального собрата, нейтрона, отражено основное отличительное свойство этой частицы – отсутствие заряда. Она не отталкивается электрическим полем ядра и, как нож в теплое масло, проникает внутрь атомных ядер, разваливая их на части или образуя новые ядра. Нейтрон оказался чрезвычайно удобным «щупом» для зондирования внутренности ядер. После его открытия ядерная физика двинулась вперед семимильными шагами.

В известной сказке А. Толстого длинноносый Буратино и его друзья открыли волшебную дверь в каморке папы Карло маленьким золотым ключиком, который мудрая черепаха Тортила нашла в глубоком илистом пруду. Для физиков таким сказочным золотым ключиком стал нейтрон, с его помощью им удалось отомкнуть кладовую атомной энергии. Но это уже совсем другая история…

Вернемся, однако, к атомному ядру. Вскоре после открытия нейтрона два теоретика, немец Вернер Гейзенберг – тот самый, кто позднее руководил работами по созданию атомной бомбы в фашистской Германии, – и советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко – ныне он профессор Московского университета – выдвинули гипотезу о том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Согласно их теории, оно по внешнему виду напоминает плод граната с тесно прижавшимися друг к другу ягодками-частицами. В ядре водорода таких частиц всего одна – один-единственный протон, в ядрах тяжелых элементов – например, в свинце или уране – их уже более двух сотен. Опыты блестяще подтвердили эту теорию. Но оставалось загадкой, какие силы так крепко связывают в ядерные капли заряженные и нейтральные частицы.

Чтобы понять, в чем тут дело, нам придется вернуться назад, к началу нашего века.

Мезонный бадминтон

Шел 1905 год. В России бушевал шторм революции. В студенческих аудиториях бурлили сходки. Профессора университетов уходили в отставку, протестуя против жестоких расправ царя с рабочими и студентами. А в далекой спокойной Швейцарии Альберт Эйнштейн, молодой и мало кому известный сотрудник патентного бюро, напечатал в журнале статью, в которой доказывал, что свет – это поток частиц. Незадолго до этого он закончил учебу, но, не найдя лучшей работы, ему пришлось временно стать чиновником.

Его статью мало кто принял всерьез. Идею о том, что свет состоит из отдельных частичек-корпускул, высказывал еще великий Ньютон, но опыты не подтвердили его гипотезы и в течение двух последующих столетий ученые не сомневались в волновой природе света. О том, что свет, радиоизлучение, тепловое излучение нагретых тел – все это разновидности электромагнитных волн, можно было прочитать в любом учебнике физики. А из статьи Эйнштейна вытекало, что световые частицы одновременно имеют свойства волны и корпускулы. Это частицы, которые движутся по волновым законам. Когда энергия невелика, на первый план выступают их волновые свойства. Образно говоря, они в этом случае чувствуют себя нетвердо, их движение неровно и запутанно, как у пьяного. Наоборот, набрав энергии, они приобретают уверенность, и их поведение тогда мало чем отличается от потока быстрых электронов.

Частицы света похожи на двуликого Януса: с одной стороны – частица, с другой – волна! Это нелегко себе представить, недаром даже самые лучшие физики отказывались признать теорию Эйнштейна. Однако опыты приносили ей все новые и новые подтверждения, и постепенно она завоевала всеобщее признание. Частицы электромагнитного поля назвали фотонами от греческого слова «фотос» – свет.

Когда заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они обмениваются фотонами – как будто играют в бадминтон. Одна частица испускает воланчик-фотон, вторая его ловит и отбрасывает обратно. Чем частицы ближе одна к другой, тем живее идет игра и тем сильнее их взаимодействие. Воланчик – фотон – мелькает так быстро, что между партнерами протягивается что-то вроде связывающего их ремня. Правда, он не сплошной, но это неважно – ведь и обычный ремень при большом увеличении, как мы видели выше, состоит в основном из пустоты!

Но вот нейтрон в такой бадминтон не играет. У него нет заряда, и фотоны он просто не замечает. Ему нужны какие-то другие воланчики.

Во что играют внутри ядра нейтроны, первыми начали изучать советские физики Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм (Игорь Евгеньевич Тамм впоследствии стал академиком, одним из ведущих физиков нашей страны). Но прежде чем говорить об их идее, следует познакомиться еще с двумя важными событиями, которые произошли в физике почти одновременно с открытием нейтрона.

В реакции испускания ядром электрона была обнаружена таинственная пропажа. Суммарная энергия ядра и электрона после реакции всякий раз оказывалась меньше энергии исходного нераспавшегося ядра. Чуть-чуть меньше, но и это недопустимо, так как закон сохранения энергии должен выполняться точно. Энергия не может исчезать без следа или возникать из ничего – иначе можно было бы построить вечный двигатель. Вот и пришлось физикам из двух зол выбирать меньшее: или признать, что не верен закон сохранения энергии, или допустить, что энергию уносит какая-то неведомая неуловимая частица, не имеющая электрического заряда. С такой гипотезой выступил швейцарский теоретик Вольфганг Паули. Частицу назвали нейтрино – нейтрончик.

На другой стороне Атлантического океана американский физик Курт Андерсон изучал космические лучи с помощью прибора, который называется камерой Вильсона. Это плотно закрытый сосуд, заполненный насыщенными парами спирта. Такой пар находится в крайне неустойчивом состоянии. Стоит только внутри занимаемого им объема образоваться какой-либо неоднородности, как вокруг нее сразу же начинают конденсироваться капельки тумана. Проходя сквозь камеру, заряженная частица своим электрическим полем повреждает электронные оболочки атомов, однородность среды нарушается, и там, где прошла частица, остается след – сконденсировавшаяся струйка тумана, толщина и плотность которой зависит от массы частицы. Похожее явление можно наблюдать, когда высоко в безоблачном небе пролетает реактивный самолет. За ним тянется ровный белый след. Это те же капельки тумана, которые сконденсировались на молекулах газов и частичках топлива, выбрасываемых моторами самолета. Наверное, каждый не раз видел такой след в небе. Тонкие белые полосы, они особенно хорошо смотрятся ранним утром или вечером, когда их освещают косые лучи солнца.

Если камеру Вильсона поместить еще и в магнитное поле – например, между полюсами сильного электромагнита, – то траектории частиц изогнутся, положительных – в одну сторону, отрицательных – в другую. (Вспомним правило буравчика для направления электрического тока в магнитном поле!) Это позволяет установить знак заряда частицы. Одна из стенок камеры стеклянная, и сквозь нее хорошо видно, что происходит внутри. Такой метод исследования космических лучей разработан советским ученым Д. В. Скобельциным. Им и воспользовался американский физик.

Неожиданно для себя Андерсон обнаружил тонкие, выходящие из одной точки следы, похожие на букву Л с загнутыми ножками. Одну половину буквы «рисовал» электрон, вторую – точно такая же частица, но с зарядом противоположного знака. Положительный электрон. Андерсон назвал его позитроном – от греческого слова «позитро», то есть положительный.

Далее мы еще много раз будем говорить об удивительных близнецах-братьях электроне и позитроне. Многие их тайны не разгаданы до сих пор. Но сейчас нам важно только одно: сам факт существования в природе положительно заряженных частиц – позитронов.

Основываясь на этом факте и на гипотезе Паули о нейтрино, Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм предположили, что частицы внутри ядра обмениваются не только фотонами, но еще и парами частиц, то есть могут испускать и поглощать сразу по два воланчика – электрон и нейтрино или позитрон и нейтрино. Испустив позитрон и нейтрино, или, наоборот, поглотив электрон и нейтрино, протон становится нейтроном. Соответствующим образом ведет себя и нейтрон, он становится протоном.

Может возникнуть вопрос: а зачем нужна пара частиц, разве протон и нейтрон не могут обмениваться одним электроном или позитроном? Нет, не могут. Это им строго-настрого запрещено. Дело в том, что частицы, подобно маленьким волчкам, безостановочно вращаются вокруг своей оси. И вращение их одинаковое, различие лишь в направлении – слева направо или справа налево. Отрываясь от протона или нейтрона, рождающаяся частица может унести с собой их вращение, а это невозможно – невращающихся протонов и нейтронов не существует. Когда же испускается пара частиц, они могут вращаться в противоположных направлениях и тогда в сумме пара никакого вращения не уносит.

Теория внутриядерных сил, разработанная Иваненко и Таммом, на некоторое время стала главным событием физики. Однако более детальные расчеты вскоре показали, что испускание двух воланов происходит слишком редко и образуемых ими «ремней» (точнее было бы сказать – тоненьких ниточек!) недостаточно, чтобы скрепить ядро.

Тем не менее идея объяснить внутриядерные силы бадминтоном каких-то новых частиц выглядела очень привлекательной. Это одна из тех идей, которые играют роль теоретического трамплина. Молодой японский теоретик Хидеки Юкава пошел дальше по этому пути. Он решил атаковать задачу с тыла – предположил, что протоны и нейтроны обмениваются какой-то еще неизвестной нам частицей, и путем сравнения расчетов с опытом попытался установить ее свойства. У него получилось, что эта частица должна быть в двести – триста раз тяжелее электрона, а частота ее испускания и поглощения в процессе бадминтона раз в тысячу больше, чем для фотона. Бадминтон, когда вместо размеренной игры с легким электромагнитным воланчиком партнеры с огромной быстротой перебрасываются тяжелым валуном!

Частица, с массой в двести раз большей массы электрона, вскоре действительно была обнаружена в космических лучах. Ее назвали мезоном, опять воспользовавшись греческим корнем. «Мезо» по-гречески означает «средний». Средний между электроном и протоном.

Используя греческие корни для своих терминов, физики отдают дань уважения первым ученым-атомистам.

Итак, молекулы и атомы скреплены электромагнитными силами. Именно эти силы играют здесь роль «строительного цемента». Внутри ядер действуют в тысячу раз более мощные мезонные силы. Поэтому ядра намного плотнее атомов. Грубо говоря, в триллион раз. Для сравнения напомним, что плотность воздуха и железа различается всего лишь десять тысяч раз, а здесь – триллион!

Вокруг таблицы Менделеева

Задержимся еще немного на ступени атомных ядер. Здесь много интересного.

Как известно, число протонов в ядре оказалось равным номеру химического элемента в периодической таблице, составленной более ста лет назад Д. И. Менделеевым. Ядра с одинаковым числом протонов могут быть «нагружены» различным числом нейтронов. Такие ядра и соответствующие им химические элементы принято называть изотопами, то есть «равнорасположенными» (находящимися в одной и той же клетке таблицы), от сочетания слов «изо» – равный и «топ» – положение. Изотопы почти не различаются по своим химическим свойствам, но, как правило, сильно отличаются по ядерным. Например, один изотоп может быть равнодушным к блуждающим вокруг него нейтронам, а другой, наоборот, жадно их поглощает, увеличивая свою массу.

Чем больше в ядре протонов, тем сильнее они его распирают – ведь все они имеют одинаковый положительный заряд. Когда их становится слишком много, мезонные «ремни» не выдерживают, рвутся, и ядро распадается. Поэтому таблица Менделеева обрывается где-то недалеко за сотым элементом. Самый устойчивый изотоп ядра с номером 94 (это плутоний, из которого делают атомные бомбы) живет в среднем около двадцати пяти тысяч лет. 101-й элемент, менделевий, распадается, прожив пятьдесят – шестьдесят дней. А последний, самый тяжелый, известный сегодня элемент с номером 109 существует всего лишь доли секунды.

Охотиться на новые элементы очень непросто. В дебрях ядерных реакций они рождаются считанными единицами. Рождаются и тут же исчезают. Единственное, что успевают сделать физики, – засечь время их жизни от рождения до распада да еще попытаться заметить какие-нибудь следы цепочки радиоактивных превращений, в конце которой образуется новый элемент. Это все равно, как если бы охотник старался определить, какого зверя он встретил в лесу, по редким царапинам на коре дерева да скорости, с какой неведомый зверь перебежал поляну.

Здесь часто бывают ошибки и много споров. Появляется сообщение об открытии нового элемента, а физики из другой лаборатории утверждают, что это всего лишь новый изотоп давно известного ядра. Споры длятся долгие годы, иногда десятилетия.

Скептики шутят, что поиск новых элементов напоминает ловлю черной кошки в темной комнате, когда неизвестно, сидит она там или давно уже сбежала. И тем не менее найдено уже 109 достоверно подтвержденных элементов!

Могут спросить: а зачем это нужно? Ну будет изготовлен (синтезирован, как говорят физики) еще один элемент, живущий сотую долю секунды? Дорогостоящий научный спорт, погоня за рекордами?

Расчеты говорят, что в окрестностях 112-й клетки таблицы Менделеева, по-видимому, существует «остров стабильности». Внутриядерные частицы собираются там в особо устойчивые группы. Такое иногда бывает – добавляется в нужных местах несколько подпорок, и разваливающаяся конструкция становится вдруг устойчивой. Но больше добавить нельзя – упадет.

Как долго живут сверхтяжелые ядра на «острове стабильности», точно неизвестно. Возможно, годы или десятки тысяч лет, как плутоний, а может, найдутся такие, которые вообще не будут распадаться. Такие ядра были бы прекрасным ядерным горючим. Они на пределе устойчивости, поэтому стоит задеть их слегка нейтрону в атомном реакторе, как они распадутся с выделением большой энергии. Концентрированное топливо для звездолетов, компактные атомные батареи для судов и самолетов да мало ли что еще! Исследования продолжаются.

Однако не только остров стабильности манит ученых. В природе нет ядер, которые состояли бы только из одних нейтронов. Если известные нам стабильные ядра нагружать нейтронами, они становятся неустойчивыми. Но это – когда нейтронов мало. Если собрать вместе сразу много десятков нейтронов, то такие нейтронные капли, возможно, станут устойчивыми и не будут распадаться. У теоретиков есть некоторые основания так думать.

Интересно, какими свойствами будет обладать нейтронное вещество? Может, на этом пути удастся создать аккумуляторы нейтронов и сверхпрочную нейтронную броню – непробиваемую защиту от любых излучений?

Вокруг таблицы Менделеева уйма интересных дел и заманчивых возможностей.

Брызги материи

Полвека назад, перед второй мировой войной, физики знали шесть частиц. Четыре основных частицы-кирпичика: протон, нейтрон, электрон, позитрон, и две вспомогательных частицы-воланчика: фотон и мезон.

Кстати, с мезоном произошла занятная путаница. Когда его обнаружили в космических лучах, физиков удивило, насколько легко он проходил сквозь толстые железные и свинцовые болванки. Оставалось загадкой, каким образом столь слабо взаимодействующая частица может связывать протоны и нейтроны в ядрах. Ответ был найден уже после войны. Оказалось, что существуют два вида мезонов: один – слабовзаимодействующая, похожая на электрон частица, ее-то и открыли в предвоенные годы, а другой – предсказанный Юкава несколько более тяжелый, сильновзаимодействующий мезон. Физиков сбила с толку близость масс этих частиц. Чтобы их различать, им в качестве ярлыка-этикетки присвоили греческие буквы μ (мю) и π (пи) и стали называть мю– и пи– мезонами.

Была еще седьмая частица – нейтрино. Точнее, гипотеза о частице-невидимке, которая взаимодействует с веществом так слабо, что успевает пройти не только сквозь весь земной шар, но и сквозь всю толщу Солнца и не поглотиться. Она не оставляет никаких следов в окружающем веществе. Эту частицу никто не наблюдал, но в ее пользу говорили многие косвенные данные.

В том, что физики довольно быстро поверили в нейтрино, важную роль сыграл авторитет ее изобретателя Вольфганга Паули. Знаменитый физик-теоретик еще при жизни стал легендой. Человек весьма трудный в общении, он был очень требователен к своим ученикам и сотрудникам и не всегда считался с мнением коллег, тем более что в его собственных работах ошибки были крайне редки. Среди физиков ходит много смешных историй и анекдотов, связанных с именем Паули. Его знакомые шутили, что присутствие Паули действует не только на физиков, но и на их приборы – как и физики, они начинают волноваться и сбиваться. Однажды был подготовлен розыгрыш. Большие настенные часы в зале, где предполагалось выступление Паули, с помощью электрического реле соединили с дверью. Ожидалось, что когда Паули ее откроет (а он был человеком пунктуальным), часы «испугаются» и встанут. Но этого не случилось – неожиданно отказало реле.

– Этого и следовало ожидать, – смеялись в зале, – сработал «эффект Паули»!

Четверть века физики вынуждены были мириться с тем, что в их рассуждениях и расчетах присутствует невидимка. Поймали ее в опытах, выполненных уже после второй мировой войны, когда появились мощные источники нейтрино – атомные реакторы.

Пока шла война, физикам было не до частиц. Они разрабатывали радары, аппаратуру для обнаружения вражеских подводных лодок, занимались атомным оружием и массой других неотложных дел. Но после войны в различных странах – в Советском Союзе, Западной Европе, в США – стали один за другим создавать мощные ускорители, способные разгонять протоны и электроны до гигантских энергией. Ускоренные частицы дробили атомные ядра, и среди осколков физики то и дело находили «золотые крупинки» новых, неизвестных дотоле частиц.

Брызги материи! Некоторые из них обладали настолько неожиданными свойствами, что пришлось учредить особую категорию «странных частиц». Сегодня многие из них хорошо изучены и уже не выглядят странными, но это название к ним прочно прилипло, как прилипает иногда к человеку смешная детская кличка.

А далее открытия посыпались, как из рога изобилия. Редкий месяц не приносил какой-либо новой частицы. Открывая очередной номер физического журнала, можно было с уверенностью сказать, что там речь идет еще об одной частице. Теперь частиц несколько сотен. Для их обозначения давно уже не хватает ни греческого, ни латинского алфавитов. Некоторые частицы известны просто под номерами: А1, А2 и так далее. Даже специалисты толком не знают, сколько открыто частиц, – много!

В Калифорнии группа физиков-экспертов собирает, проверяет и анализирует все сообщения об открытии новых частиц. Это очень важная и нужная работа, так как иногда случается, что частицу открывают одновременно в нескольких институтах. Ее измеренные в опыте параметры чуть-чуть различаются, она получает разные названия, и возникает путаница. Эксперты составляют сводку всех частиц – достоверно открытых и тех, относительно которых остаются еще некоторые сомнения. Это толстенькая брошюра в несколько десятков страниц.

И вот что важно: если не считать частиц-кирпичиков протона, нейтрона и электрона, то перечисленных в этой брошюре частиц нет ни внутри ядра, ни в атоме. Они каждый раз заново рождаются в ядерных реакциях. Пословица говорит: лес рубят – щепки летят. Но щепки – это кусочки того, что уже было. Частицы же, как искры при ударе топора о металл, образуются в процессах столкновений.

В древнем мифе рассказывается о рождении богини Афродиты из морской пены. Неистовый ветер ударил волну о берег, и из вспыхнувшей радуги брызг и белой шипящей пены ступила на берег богиня красоты. Рождение частиц происходит не менее эффектно, но не из пены, а из энергии, точнее, из массы, связанной с энергией. Движущаяся частица весит больше неподвижной, поскольку кинетическая энергия движения тоже имеет массу. За счет этой массы и образуются новые частицы.

Большие ускорители как раз и создаются для того, чтобы разгонять частицы до такой скорости, чтобы их энергии было достаточно для рождения новых.

Электроны, протоны, мезоны и другие частицы принято называть элементарными. Если атомы и их ядра можно разделить на более простые части, то с элементарными частицами это не удается. В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга – взаимопревращаются. Если в одной реакции, например, при распаде родились более легкие частицы, то в другой, наоборот, образуются тяжелые. Никаких более простых «кусков» от частиц не отщепляется. В то же время из них, как из кирпичиков конструктора, можно построить весь окружающий мир во всей его красоте и разнообразии.

Ступень элементарных частиц необычайно богата своим содержанием. Каких только здесь нет пород, гибридов и монстров! Некоторые из них следует рассмотреть поближе.