ФИЗИКА МИКРОМИРА

Е.В.Широков

ФИЗИКА МИКРОМИРА

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Квантовая физика − раздел физики, изучающий явления, свойственные микромиру, т.е. объектам, имеющим размеры 10^-10 м. и меньше. Специфичность явлений, происходящих в микромире, заключается прежде всего в невозможности напрямую, т.е. посредством органов чувств (главным образом, зрения) получить информацию о происходящих процессах. Для описания явлений микромира необходимы принципиально новые подходы и методы, опирающиеся на экспериментально измеряемые величины.
Рождению квантовой физики предшествовала драматическая ситуация, сложившаяся в физике в самом конце 19 века. Классическая физика оказалась не в состоянии адекватно описать спектр равновесного излучения. В тот период тепловое излучение рассматривалось, как совокупность плоских волн и его теоретическое описание хорошо согласовывалось с экспериментом. Однако при высоких частотах предсказываемая плотность энергии излучения должна была возрастать до бесконечности. Эта ситуация получила название «ультрафиолетовая катастрофа».

    Неожиданный выход из ситуации предложил немецкий физик Макс Планк (Max Karl Ernst Ludwig Planck). Его идея заключалась в том, что излучение происходит отдельными квантами и энергия электромагнитной волны не может быть произвольной, как считалось в классической физике, а должна принимать определённые значения, пропорциональные некой очень малой величине h (равной 6.63·10^-34 Дж·с), которая затем и была названа постоянной Планка. Тогда общая плотность энергии уже не может считаться непрерывной величиной, а состоит из множества энергетических порций (квантов), сумма которых не может быть настолько большой, как предсказывали классические гипотезы. Проблема плотности излучения и «ультрафиолетовой катастрофы» была успешно решена. За открытие кванта энергии в 1918 г. Макс Планк был удостоен Нобелевской премии.
    Введение кванта позволило разрешить и ряд других вопросов, стоявших тогда перед наукой. Используя идею Планка о кванте энергии, Альберт Эйнштейн в 1905 г. получил уравнение фотоэффекта E = hν + W, где E − кинетическая энергия электронов, ν − частота электромагнитного излучения, h − постоянная Планка, а W − работа выхода электронов для данного вещества. Важнейшим достижением в данном случае стало введение энергии электромагнитного излучения, как функции, зависящей от частоты (или длины волны) излучения, что привело к созданию в дальнейшем шкалы электромагнитных волн.
    Идея кванта привела к выводу о дискретности явлений происходящих в микромире, что в дальнейшем было использовано при изучении энергетических уровней атомов и атомных ядер.

Зависимость длины волны различных типов частиц от их энергии
(ядерные единицы − МэВ = 1.6·10^-13 Дж, фм =10^-15 м)

    Другим важным следствием дискретности явлений микромира стало открытие Луи де Бройлем (1929 г.) универсальности корпускулярно-волнового дуализма, т.е. того факта, что объекты микромира имеют одновременно как волновую, так и корпускулярную природу. Это позволило не только объяснить ряд явлений, связанных с взаимодействием частиц с веществом (например, дифракцию частиц), но и в дальнейшем развить методы использования излучений для воздействия на частицы, что привело к созданию основного современного инструмента исследования материи – ускорителей.
    Во второй половине 20-х годов XX-го века был создан теоретический аппарат описания квантовых явлений − квантовая механика. Наиболее значительный вклад в её создания внесли Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер, Нильс Бор, Поль Дирак, Вольфганг Паули, Макс Борн и другие.
    Квантовая механика - отдельная, хорошо развитая часть современной физики. Для глубокого её усвоения необходима хорошая математическая подготовка, выходящая далеко за рамки курса физики многих ВУЗов. Однако объяснения основных понятий квантовой механики не так уж сложны. К этим основным понятиям относятся в первую очередь физический смысл квантования, принцип неопределённости и волновая функция.
    Физический смысл дискретности состояний в микромире, в первую очередь, связан с физическим смыслом постоянной Планка. Малость её величины определяет масштаб взаимодействий в микромире. Действительно, при переходе к макромиру и классическим представлениям величины, подобные постоянной Планка становятся пренебрежимо малыми и в большинстве случаев мы рассматриваем их, как нулевые. При этом происходит так называемый предельный переход, т.е. принципы классической физики можно рассматривать как предельный вариант физики квантовой, когда огромные по масштабам микромира массы, размеры и другие параметры макрообъектов, сводят к нулю те взаимодействия, которые являются значимыми в микромире. Поэтому можно сказать, что постоянная Планка является связующим звеном между явлениями микро- и макромира.
    Особенно хорошо это можно видеть на примере дискретности состояний в микромире. Например, разница между энергетическими состояниями атома может составлять десятые доли электронвольта (энергетической единицы микромира, равной 1.6·10^-19 Дж). Достаточно вспомнить, что на закипание одного стакана воды нужно затратить десятки килоджоулей и становится ясно, что с точки зрения классической физики подобная дискретность абсолютно неощущаема! Именно поэтому мы можем говорить о непрерывности процессов, которые нас окружают, несмотря на давно и устойчиво подтверждённую дискретность тех явлений, которые происходят в атомах и атомных ядрах.
    По этой же причине незамечаемым в макромире является и такой фундаментальный принцип физики микромира, как принцип неопределённости, предложенный В. Гейзенбергом в 1927 г.
    Приведённый ниже рисунок объясняет необходимость введения принципа неопределённости в микромире и отсутствие этой необходимости в макромире

    Действительно, степень воздействия внешнего источника (свет) на макрообъект (статуя) несоизмерим с его параметрами (например, массой, пересчитанной в эквивалентную энергию) Бессмысленно рассуждать на тему того, как падающий световой фотон может повлиять на, например, координату статуи в пространстве.
    Другое дело, когда объектом воздействия становится микрообъект. Энергия электрона в атоме составляет десятки (реже − больше) электронвольт и степень воздействия вполне соизмерима с этой энергией. Таким образом при попытке точно измерить какой-либо параметр микрообъекта (энергию, импульс, координату) мы столкнёмся с тем, что сам процесс измерения будет изменять измеряемые параметры, причём очень сильно. Тогда необходимо признать, что при любых измерениях в микромире мы никогда не сможем провести точные измерения − всегда будет иметь место ошибка в определении основных параметров системы. Принцип неопределённости имеет математическое выражение в виде соотношения неопределённости, например ΔpΔx ≈ ћ, где Δp − неопределённость в определении импульса, а Δx − неопределённость в определении координаты системы. Отметим, что стоящая справа постоянная Планка указывает на границы применимости принципа неопределённости, ведь в макромире мы смело можем заменить её нулём и выполнять точные измерения любых величин. Принцип неопределённости приводит к выводу о невозможности точно задать какой-либо параметр системы, например, бессмысленно говорить о точном местоположении частицы в пространстве. В этой связи необходимо заметить, что широко распространённое представление атома как совокупности электронов, вращающихся по заданным орбитам вокруг ядра, является просто данью человеческому восприятию окружающего мира, необходимости иметь перед собой какие-либо зрительные образы. В действительности никаких чётких траекторий − орбит в атоме не существует.
    Однако, можно задать вопрос − что тогда является основной характеристикой систем в микромире, если такие параметры как энергия, импульс, время взаимодействия (или существования), координата − не определены? Такой универсальной величиной является волновая функция квантовой системы.
    Волновая функция ψ, введённая Максом Борном для определения характеристик квантовой системы, имеет достаточно сложный физический смысл. Большую наглядность имеет другая величина − квадрат модуля волновой функции |ψ|² . Эта величина определяет, например, вероятность того, что квантовая система находится в данный момент времени в данной точке. Вообще, вероятностный принцип является основным в физике микромира. Любой происходящий процесс характеризуется прежде всего вероятностью его протекания с теми или иными особенностями.
    Волновая функция различна для различных систем. Кроме знания волновой функции для правильного описания системы требуется также информация и о других параметрах, например, характеристики поля, в котором данная система находится и с которым она взаимодействует. Исследование подобных систем как раз и является одной из задач квантовой механики. По сути дела, квантовая физика образует язык, с помощью которого мы описываем наши опыты и результаты при изучении микромира, более общий, чем классическая теория. При этом важно понимать, что квантовая физика не отменяет классическую, а содержит ее как свой предельный случай. При переходе от микрообъектов к обычным макроскопическим объектам ее законы становятся классическими и, таким образом, квантовая физика устанавливает пределы применимости классической физики. Переход от классической физики к квантовой есть переход к более глубокому уровню рассмотрения материи.
    Процессы, происходящие в микромире, относятся к явлениям, почти полностью лежащими за пределами чувственных восприятий. Поэтому понятия, которыми оперирует квантовая теория и явления, которые она рассматривает, часто лишены наглядности, присущей классической физике. При становлении квантовой теории были пересмотрены такие казалось бы, очевидные и привычные представления о частицах и волнах, о дискретном и непрерывном, о статистическом (вероятностном) и динамическом описании. Квантовая физика стала важнейшим шагом в построении современной физической картины мира. Она позволила предсказать и объяснить огромное число различных явлений − от процессов, протекающих в атомах и атомных ядрах, до макроскопических эффектов в твердых телах; без нее невозможно, как представляется теперь, понять происхождение Вселенной. Диапазон квантовой физики широк − от элементарных частиц до космических объектов. Без квантовой физики немыслимо не только естествознание, но и современная техника.

АТОМНАЯ ФИЗИКА

В 1885 г. Дж.Дж.Томсон открыл электрон − первый объект микромира. Было положено начало возникновению нового раздела науки − физики атома. Уже к началу XX века существовало несколько моделей строения атома, из которых самая известная принадлежала самому Дж.Дж.Томсону. Исходя из этой модели, атом представлял из себя локализованный в небольшом объёме положительный заряд, в котором, как изюмины в кексе, находились электроны. Эта модель объясняла ряд наблюдаемых эффектов, однако была не в состоянии объяснить другие, в частности, возникновение линейчатых атомных спектров. В 1911 г. ответ на вопрос об устройстве атома попытался дать соотечественник Томсона, Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford).
Схема опыта была проста – в свинцовом блоке помещался источник, радиоактивное вещество, излучающее ядра гелия. Заряженные частицы проходили сквозь тонкую золотую фольгу и рассеивались, взаимодействуя с атомами золота. Затем рассеянные частицы попадали на экран, покрытый веществом, в котором они вызывали сцинцилляции (вспышки). Идея состояла в том, что если бы модель атома Томсона была бы верной, взаимодействие происходило бы примерно одинаково под всеми углами по пути движения частиц. Действительно, большая часть частиц попадала на экран, слабо взаимодействуя с веществом фольги. Но, небольшая (примерно 8 частиц из тысячи) их часть испытывала сильное рассеяние НАЗАД, как будто сталкивалась с каким-то зарядом, сконцентрированным в середине атома. После многочисленных экспериментов Резерфорд сделал вывод − модель Томсона неверна. Он предложил модель, впоследствии названную планетарной. В центре, в небольшом объёме, сконцентрирован весь положительный заряд (ядро), электроны расположены вокруг него.

Схема опыта Резерфорда

Модель Резерфорда была хороша, но по-прежнему не отвечала на ряд вопросов. Например, как происходит излучение атомов (люминесценция)? При каких обстоятельствах атомы излучают разные световые фотоны? От чего это зависит? Связано ли излучение атомов с поведением электронов внутри них? Ответы на эти вопрос два года спустя дал выдающийся датский физики Нильс Бор (Niels Henrik David Bohr)

Изображение Н.Бора на датской банкноте в 500 крон.

    Бор развил планетарную модель, предположив, что каждый электрон в атоме имеет какое-либо фиксированное энергетическое состояние (что очень приближённо можно описывать, как нахождение электрона на какой-либо орбите) Пока атом находится в низшем энергетическом состоянии, он не может излучать. При получении энергии извне, электроны могут менять своё энергетическое состояние (переходить на другую орбиту) или даже покидать атом (ионизация). При возвращении на своё место (или на свою орбиту) избыточная энергия выделяется в виде характеристического излучения (фотона с какой-либо энергией). Атом «по Бору» отвечал на все те вопросы, которые возникли после создания первых атомных моделей. Экспериментальное исследование атомов успешно подтвердило боровскую модель и кстати, квантовые предсказания о дискретности энергий в атоме. В 1922 году за работы по исследованию структуры атомов и их излучения Нильс Бор был удостоен Нобелевской премии.
    Уже в 20-е годы прошлого века атом был хорош изучен. Успеху способствовало и то, что связь компонент атома − ядра и электронов, осуществлялось за счёт хорошо известного кулоновского потенциала. К концу 20-х годов возникла и квантовая теория, описывающая ряд атомов и закономерности их поведения.
    Атомы – электронейтральные квантовые системы с характерными размерами порядка 10^-10 м. Каждый атом содержит в себе ядро, в котором сосредоточен положительный заряд атома и сконцентрирована практически вся (более 99.9%) масса атома. Отрицательный заряд распределён между электронами, их число равно числу положительно заряженных ядерных частиц (протонов) в ядре. При приложении к атому определённой энергии, называемой энергией ионизации, один из электронов покидает атом. Оставшаяся положительно заряженная часть называется ионом, а данный процесс − ионизацией. Обратный процесс называется рекомбинацией и сопровождается испусканием фотона с энергией, соответствующей разнице в энергиях атома до и после рекомбинации.

    Ионизация является процессом, постоянно происходящим вокруг нас. Источниками ионизации является космическое излучение, различные приборы и устройства, радиоактивные источники.
    На основе вышеописанных свойств атомов функционирует большое количество технических устройств. Пример, с которым мы встречаемся каждый день − лампы дневного света. Именно свечение газа в результате рекомбинации ионов и является причиной излучения светового излучения в этих устройствах.
    В 50-х годах прошлого века в результате изучения свойств вынужденного излучения фотонов рядом атомов были разработаны усилители оптического излучения − лазеры. (от сокращения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation − усиление света посредством вынужденного излучения). Лазер − не оптический прибор, подобный легендарным зеркальным щитам Архимеда, это квантовое устройство, использующее структуру атомных уровней для оптического усиления излучения. Основным достоинством лазера является высокая монохроматичность (т.е. все излучаемые фотоны имеют практически одну и ту же длину волны) излучения, которое он генерирует. Именно в силу этого лазеры в настоящее время широко используются в промышленной и бытовой электронике и технике, медицине и других областях.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

В 1911 г. Эрнест Резерфорд предложил свою модель атома, в центре которого находился объект с размерами примерно 10^-15− 10^-14 м., содержащий почти всю массу атома. Этот объект получил название атомного ядра. Однако, как это не удивительно, изучение атомного ядра началось гораздо раньше, ещё в конце XIX-го века. Правда, тогда свойства атомных ядер приписывались атомам, структура которых была точно неизвестна.

В 1896 г. Антуан Беккерель, изучая излучение от атомов некоторых тяжёлых металлов, пришёл к выводу, что испускаемые ими частицы, в отличие от света, имеют свойство проникать через плотные вещества. Через 3 года, продолжая эксперименты с радиоактивными веществами, Эрнест Резерфорд поместил урановую руду в магнитное поле и установил, что первичный пучок расщепился на 3 части, один сорт частиц отклонился в сторону северного полюса магнита, второй − в сторону южного, а третий прошёл без изменений. Ещё не зная природу этих излучений, Резерфорд дал им наименование по первым трём буквам греческого алфавита − α, β и γ. Подобные исследования, помимо Беккереля и Резерфорда, проводили и супруги Кюри − Пьер и Мария (Склодовская-Кюри). Мария Кюри внесла огромный вклад в изучение радиоактивности атомных ядре, впервые получила металлический радий и была в числе тех учёных, которые создавали экспериментальную ядерную физику. Она − единственная женщина − учёный, удостоенная двух Нобелевских премий (по химии и физике).
Однако настоящий прогресс в развитии физики атомного ядра произошёл уже после создания квантовой механики. Ведь после того, как в 1911−13 гг. Резерфордом и Бором была открыта структура атома, возник вопрос − а какова структура атомного ядра? Ответ на него попытался дать Резерфорд, проводивший в 1918−21 гг. опыты по изучению лёгких атомных ядер. Именно он впервые в 1919 г. осуществил ядерную реакцию и открыл протон

¹⁴N +⁴He → ¹⁷O + p

Азот, взаимодействуя с ядрами гелия (α-частицами), превращался в кислород и водород. Фактически, Резерфорд первым добился того, о чём мечтали средневековые алхимики – превращения одного вещества в другое.

Вылет протона из ядра подтверждал идею о наличии протонов в ядре. Вместе с тем, стало ясно, что массы ядер, гораздо больше, чем если бы они состояли из нужного числа протонов. Тогда возникла идея о протонно-электронной модели ядра, электроны в ядре компенсировали заряд части протонов, которые были там, что называется, «для веса».
    Успехи квантовой механики очень скоро привели к тому, что возможность существования электронов в ядрах оказалась под сомнением − в соответствии с принципом неопределённости у электрона, помещённого в ядро должна была быть слишком большая энергия и он не мог там удерживаться. В 1931 г. Гейзенберг, Иваненко и Майорана, независимо друг от друга, предлагают идею «нейтрального протона» − тяжелой частицы без заряда, находящейся в атомном ядре. Окончательная ясность наступила в 1932 г., когда Джеймс Чэдвик (James Chadwick) открыл нейтрон – нейтральную частицу с массой примерно равной массе протона. Так, была сформирована современная протонно-нейтронная модель атомного ядра.
    Основным недостатком в нашем знании об атомном ядре, является отсутствие точного вида ядерного потенциала, связывающего нуклоны. Решение проблемы создания законченной теории ядра является самой важной в ядерной физике. Вместе с тем, многое о строении атомного ядра нам известно.
    Атомное ядро − объект с размерами порядка 10^-15 м, состоящий из двух сортов частиц – протонов и нейтронов. Их массы равны примерно 1.7·10^-27 кг., причём нейтрон на 0.14% тяжелее протона. Из-за схожести в свойствах (за исключением наличия заряда) обе частицы часто называют словом «нуклон».
    В настоящий момент известно примерно 3400 атомных ядер. 330 из них стабильны, остальные за достаточно короткое время могут самопроизвольно превращаться в другие ядра (радиоактивны). Ядра, имеющие в своём составе одинаковое число протонов, но разное нейтронов, называются изотопами одного и того же элемента. Так, например, водород имеет три изотопа − собственно водород, дейтерий и радиоактивный тритий. А вот у олова насчитывается свыше 30-ти изотопов, большинство из них − радиоактивны.
    Атомное ядро − квантовая система, которая подчиняется законам квантовой физики. Атомному ядру присуща дискретная энергетическая структура. В нём, правда, нет «планетарного» строения, как в атоме, но так же есть различные энергетические положения нуклонов, называемые уровнями энергии. При получении порции энергии, нуклоны в ядре переходят в более высокое энергетическое состояние, а возвращаясь обратно, испускают энергию в виде фотонов с малой длиной волны. Такие ядерные фотоны обычно называют γ-квантами. При достижении энергии, называемой энергией отделения нуклона, ядро может выбросить нуклон, изменяя свой состав и свойства. Количество нуклонов разного сорта в ядре и их энергетическое состояние определяют свойства атомных ядер и более фундаментальные характеристики. Например, распространенность элементов во Вселенной объясняется именно квантовыми характеристиками атомных ядер.
    При объединении нуклонов в ядра наблюдается интересный эффект − масса получившегося ядра оказывается немного (примерно на 1%) меньше, чем масса составляющих его нуклонов. Разница между массой нуклонов и массой ядра идёт на связь нуклонов в ядре и поэтому называется энергией связи

Е_св = ZМ_pс² + (A-Z)М_nс2 − М_яс²,

где Z − заряд ядра, А − массовое число (число нуклонов в ядре)

Энергия связи является чрезвычайно важной величиной, также определяющей многие свойства ядер. Не менее важной величиной является удельная энергия связи, т.е. отношение энергии связи к числу нуклонов

ε = Е_св/A

Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов

Можно заметить, что данная зависимость имеет явный максимум в районе ядра ⁵⁶Fe (поэтому его называют ещё «железным максимумом»). Это обстоятельство, без преувеличения, имеет огромную практическую важность.

Ещё в конце 30-х годов прошлого века при исследовании тяжёлых ядер была установлена закономерность постепенного снижения удельной энергии связи. Как следствие, при уменьшении это величины ядро становится более неустойчивым, «рыхлым». Кроме того, при определённом воздействии, оно может начать выбрасывать нуклоны или даже развалиться на части. В 1939 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман (Otto Hahn and Fritz Strassman), облучая соли урана тепловыми нейтронами, обнаружили среди продуктов реакций барий. Это означало, что под совсем небольшим воздействием (энергия тепловых нейтронов соответствует энергии молекул газа при комнатной температуре) один из изотопов урана способен разделиться. Однако главным было не это, а то, что как следует из вышеприведённой диаграммы, получившиеся ядра-осколки будут иметь гораздо более высокую удельную энергию связи, т.е. будут прочнее связаны. Следовательно, при делении возникнет разница в энергии и эта разница будет выделяться. Последующие полтора десятилетия перевели это открытие в практическую область. В 1942 г. был запущен первый ядерный реактор (США), в 1945 г. взорвана первая ядерная бомба (США), в 1954 г. − запущена первая электростанция на ядерном топливе (СССР).

Цепная реакция деления

    Каким образом осуществляется практическое извлечение энергии при делении? Представим, что у нас в достаточном количестве есть образец вещества, делящегося при небольшом воздействии (тепловые нейтроны). После первого акта деления, кроме ядер-осколков выделится и несколько нейтронов с гораздо большей, чем у тепловых нейтронов, энергией. Они разделят встретившиеся им на пути ядра, в результате этого процесса, в каждом новом разделившемся ядре будут образовываться новые нейтроны, которые, в свою очередь, разделят новые ядра и т.д. Процесс будет носить лавинообразный характер и по этой причине носит название цепной реакции деления.
    Подобный процесс реализуется в ядерном заряде и приводит к колоссальному энерговыделению за короткое (несколько миллисекунд) время. Взрыв заряда из нескольких килограммов например, ²³⁹Pu, аналогичен взрыву нескольких сотен килотонн (!) обычного взрывчатого вещества.
    Однако, есть способ растянуть данный процесс во времени. Если посмотреть на схему цепной реакции, то видно, что важным фактором является количество нейтронов, делящих ядра. Поэтому, помещая в делящийся материал вещество, способное захватывать нейтроны (поглотитель), можно замедлить этот процесс настолько, чтобы иметь возможность отводить выделяющуюся энергию, заставляя её, например, нагревать воду до кипения и использовать пар для вращения турбины электростанции (АЭС). В современных ядерных силовых установках в качестве поглотителя используется углерод (графит).
    Если взглянуть теперь на область ядер, лежащих левее «железного максимума», можно заметить, что их удельная энергия связи в среднем оказывается ещё более низкой, чем у ядер в самом максимуме. Таким образом, для лёгких ядер возможен процесс, обратный делению – синтез. При этом, как и в случае деления, энергия будет выделяться. К числу реакций синтеза можно отнести, например, слияние ядер дейтерия с образованием гелия.

²H +²H →³He + n

Термоядерная реакция

   Проблема, как нетрудно увидеть, заключается в том, что во всех случаях приходится иметь дело со слиянием одноимённо заряженных объектов, возникает так называемый кулоновский барьер, для преодоления которого надо всё же затратить энергию. Проще всего это достигается путём нагрева синтезируемых веществ до очень высоких (миллионы градусов) температур. В земных условиях это возможно только при ядерном взрыве. Таким образом, помещая ядерный заряд в оболочку из лёгких элементов, можно получить неуправляемую реакцию синтеза или (по причине возникающих высоких температур), термоядерную реакцию. Впервые такая реакция (взрыв термоядерной бомбы) была осуществлена в 1953 г.(СССР).
    В природе термоядерные реакции протекают в звёздах, где существуют все условия для «пробивания» кулоновского барьера. Кроме того, сильнейшее гравитационное сжатие также способствует протеканию реакции синтеза с образованием более тяжёлых элементов, вплоть до железа.
    Проблема реализации управляемого термоядерного синтеза продолжает оставаться нерешённой и одной из самых актуальных для физики атомного ядра, как дающая возможность использования дешёвого топлива в практически неограниченных количествах без каких-либо губительных последствий для окружающей среды.
    Как уже отмечалось, состав атомного ядра во многом определяет его свойства. Одним из самых заметных ядерных характеристик, влияющих на поведение ядер, является соотношение между нейтронами и протонами в атомных ядрах. Лучше всего это видно на так называемой N-Z диаграмме.

N-Z диаграмма атомных ядер.

На диаграмме можно видеть несколько заметных областей. Одна из них − центральная часть, узкая полоса ядер, отмеченных чёрным. Это − так называемая «долина стабильности», область стабильных ядер, не подверженных распадам. При увеличении числа нейтронов (вправо от долины стабильности) расположены ядра, отмеченные синим цветом. При переизбытке нейтронов энергия ядра возрастает и появляется возможность для «возвращения» в долину стабильности путём превращения одного из нейтронов в протон

n → p + e^-+ _e.

Этот процесс называется β-минус-распадом. Нейтрон превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино. Нейтрон может испытывать данный распад и вне ядер. В результате такого распада ядро увеличивает свой заряд, сдвигаясь в область стабильности.
Красная область − область ядер с переизбытком протонов. В них реализуется обратный процесс:

p → n + e⁺+ ν_e

называемый β-плюс-распадом. Протон превращается в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино (последние две частицы − «антиподы» электрона и антинейтрино). Нужно отметить, что так как масса протона меньше массы нейтрона, то такой распад происходит только в ядрах, в свободном состоянии протон стабилен.
Жёлтая область на диаграмме − область тяжёлых неустойчивых ядер. Для них характерен уже другой тип распада – испускание α-частиц (ядер ⁴He) или α-распад, Этот тип распада приводит к уменьшению и заряда и массового числа и «перемещению» ядра в область более лёгких ядер. Иногда это приводит к цепочке распадов. Например,

²²⁶Ra → ²²²Rn +⁴He; ²²²Rn → ²⁰⁸Po +⁴He; ²⁰⁸Po → ²⁰⁴Pb +⁴He,

где последним оказывается уже стабильное ядро.
Во многих случаях возникающее в результате распада ядро имеет переизбыток энергии и освобождается от него испусканием γ-кванта, происходит γ-переход в ядре (иногда не совсем корректно именуемый γ-распадом).
Все распады ядер характеризуются своими особенностями, связанными с вероятностью распадов, типом вылетающих частиц и их энергиями. Однако существуют общие закономерности распадов, установленные ещё во время работ Беккереля и Кюри. Основной из них − закон радиоактивного распада.

N(t) = N₀e^-λt,

где N − число радиоактивных ядер в образце в данный момент, N₀− число радиоактивных ядер в некий начальный момент времени, а λ − так называемая постоянная распада, характеризующая вероятность распада. Постоянная распада не слишком удобна для практического применения, поэтому чаще пользуются другой величиной, T_1/2 – периодом полураспада, характеризующим время, за которое число активных ядер уменьшается в 2 раза. Постоянная распада и период полураспада связаны соотношением

T_1/2= ln2/λ.

Различные радиоактивные ядра-источники могут иметь периоды полураспада, начиная с миллисекунд и заканчивая миллиардами лет. Кроме того, важной характеристикой является активность источника (или его масса), которая характеризует интенсивность распада в данный момент времени. Вокруг нас постоянно присутствуют различные типы радиоактивных ядер, а два радиоактивных изотопа − ⁴⁰K и ¹⁴C, постоянно находятся в человеческом организме.

ФИЗИКА ЧАСТИЦ

    Физика частиц − возможно один из самых динамичных разделов физики. По крайней мере, трудно назвать какую-либо другую область естественнонаучных знаний, в которой представления об окружающем мире 40 − 50 лет назад так отличались бы от тех, которые мы имеем сейчас. Это связано, в первую очередь с изменением тех представлений о фундаментальных частицах и взаимодействиях, которые произошли за это время в ходе экспериментальных и теоретических исследований материи. Что же сейчас представляют из себя основные положения физики частиц?
    Фундаментальные частицы − набор частиц, которые на настоящий момент являются элементарными составляющими вещества. В 20-е годы прошлого века таких частиц (да и вообще частиц) было только две − протон и электрон. Уже в 50-е годы общее число известных частиц приблизилось к двум десяткам и многие из них считались бесструктурными. Сейчас общий счёт частиц идёт на сотни, но вот к действительно фундаментальным относятся немногие. Все фундаментальные частицы можно разделить на несколько больших групп.
    Кварки. По современным представлениям это основная составляющая материи, по массе они составляют более 95% всего видимого вещества. Кварки делятся на 6 типов (ароматов), каждый из которых имеет свои свойства и отличия от других. Это u(up), d(down), s(strange), c(charm), b(bottom) и t(top). Кварки имеют дробный заряд, равный 1/3 или 2/3 от заряда электрона (протона). Каждый из кварков имеет свою античастицу – антикварк, совпадающую с кварком по массе, но противоположную по многим другим характеристикам (например, имеющую противоположный электрический заряд). Кроме того, кварки имеют особую характеристику – цвет, которой лишены все остальные частицы (говорят, что они бесцветные). У кварков три цвета – красный, синий и зёлёный.
    Разумеется, не стоит думать, что цвет кварков это видимый глазом эффект. Под цветом подразумевается особая характеристика, выражающаяся в поведении кварков при различных взаимодействиях между ними. Название в данном случае условно, точно также эту характеристику можно было назвать, например, вкусом, или использовать любой другой термин.
    Как легко подсчитать, общее число кварков (с учётом антикварков и цветов) равно 36. Из этих 36 частиц формируются все известные структурные тяжёлые частицы. Совокупность трёх кварков образует барионы, а совокупность пары кварк-антикварк, мезоны. К числу барионов относятся и хорошо известные нам протон и нейтрон. Барионы и мезоны объединяются под общим термином адроны. Из всех адронов стабильным является только протон, все остальные адроны распадаются, превращаясь в другие частицы.
    Лептоны. Это другая группа частиц, главным отличием которых от адронов является их бесструктурность, т.е. лептоны не состоят из других частиц, а являются элементарными. Лептоны делятся на заряженные − электрон, мюон и таон и нейтральные − электронное, мюонное и таонное нейтрино. С учётом античастиц общее число лептонов равно 12-ти. Лептоны не образуют каких-либо комбинаций, за исключением электронов, входящих в состав атомов. Электрон же является единственным стабильным заряженным лептоном. Стабильность всех типов нейтрино сейчас находится под вопросом.
    Переносчики взаимодействий. Общее число взаимодействий равно 4-м. Это сильное (действующее между кварками и адронами), электромагнитное, слабое (действующее между практически всеми частицами, но особенно ярко проявляющееся при взаимодействии лептонов) и гравитационное. Каждое взаимодействие переносится полем, которое представляется как поток частиц-переносчиков. Переносчиком сильного взаимодействия является глюон, электромагнитного − гамма-квант, слабого − три типа промежуточных бозонов (W^-, W⁺ и Z) и гравитационного – гравитон (впрочем, последняя частица является лишь предсказываемой из теоретических соображений). Все переносчики имеют свои свойства и принимают участие каждый в своём взаимодействии.
    Что касается остальных частиц, то в сильном взаимодействии принимают участие только адроны и глюоны; в электромагнитном − заряженные частицы и гамма-кванты; в слабом − все, кроме переносчиков других взаимодействий; в гравитационном − частицы, имеющие массу. Возникновение массы частиц связано ещё с одним особым полем, которое называют полем Хиггса, а переносящие его частицы − бозонами Хиггса.

До начала 60-х годов прошлого века все известные на тот момент частицы считались бесструктурными. Однако благодаря прогрессу в развитии основного экспериментального инструментария − ускорителей частиц, уже в конце 50-х годов возникли предположения о структурности нуклонов. Проводя эксперименты на электронном ускорителе, американский физик Роберт Хофштадтер (Robert Hofstadter), установил, что рассеивая электроны на нейтронах, можно видеть, что электроны взаимодействуют с «внутренностью» нейтрона так, как будто он имеет некий скрытый заряд, сложным образом распределённый внутри. Хофштадтер предположил, что это может быть связано с наличием неких носителей электрического заряда внутри незаряженного нейтрона. Через несколько лет похожие эксперименты были проведены и в других лабораториях.

    Основываясь на данных этих экспериментов и изучая систематику частиц, открытых на тот момент, другой американский физик, Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann) в 1963 г. выдвинул гипотезу о том, что протон и нейтрон построены из более мелких частиц, которые он назвал кварками. Первоначально Гелл-Манн ввёл только два кварка− u и d, однако затем большее число открытых частиц с различными свойствами заставили вносить в модель коррективы, увеличивая их число сначала до 3 и 4-х, а потом до 6-ти. Кварковая гипотеза в своём развитии сталкивалась со многими проблемами. Во-первых, психологически трудно было воспринимать существование частиц с зарядом, меньшим, чем заряд электрона Во-вторых, обнаруженные в конце 60-х годов частицы интерпретировались в кварковой модели таким образом, что это могло идти вразрез с основными положениями квантовой механики. Для решения этой проблемы была введена особая характеристика (квантовое число) кварков − цвет. В-третьих, проблемой кварковой модели являлось то, что все попытки обнаружить кварки в свободном состоянии не приводили к успеху. Это вызывало неприятие модели у многих учёных, ведь только экспериментальное подтверждение гипотезы переводит её из разряда гипотез в разряд физических истин. Так, в 1969 г. М.Гелл-Манн был удостоен Нобелевской премии, однако в формулировке присуждения «За вклад и открытия в классификации элементарных частиц и их взаимодействий» не было слова «кварк».
    Только после экспериментов в DESY (Германия), Fermilab (США) и Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН) к концу 80-х годов удалось пронаблюдать эффекты, которые свидетельствовали о наличии частиц с дробным зарядом. Первая Нобелевская премия, в формулировке которой присутствовало слово «кварк» была присуждена Дж. Фридману, Г. Кендаллу и Р.Тейлору в 1990 г. Примерно тогда же было дано объяснение проблеме наблюдения кварков в свободном состоянии. Специфичность взаимодействия кварков друг с другом делает эту процедуру принципиально невозможной (так называемый confinement), возможно только косвенное наблюдение кварковых эффектов.
    В настоящий момент существует хорошо развитый отдельный раздел теоретической физики, изучающий глюоны и кварки − квантовая хромодинамика. В этом разделе обобщены успехи квантовой теории в применении её к специфическому «цветному пространству» кварков и глюонов.
    Адроны − частицы, построенные из кварков на настоящий момент включают в себя более чем 400 частиц (и античастиц). Все они, кроме протона и нейтрона (являющегося стабильным в ядрах) имеют времена жизни не больше одной микросекунды и распадаются на другие частицы (в итоге, стабильные). Ряд частиц имеют массы в несколько раз превышающие массы нуклонов. Среди адронов имеются электронейтральные частицы, имеются заряженные, в том числе и с зарядом +2 и -2 (в единицах заряда электрона). Разнообразие тяжелых частиц позволяет изучать закономерности их взаимодействия с различными полями и в конечном итоге, получить правильное представление о закономерностях построения нашего мира.
    Лептоны не могут похвастаться таким многообразием, как адроны. Общее их число (с античастицами) равно всего лишь 12-ти. Легчайший заряженный лептон − электрон, был открыт в 1895 г., его античастица (позитрон) − в 1934, более тяжёлый мюон − в 1962г, а последний, таон с массой более чем в 3000 раз большей, чем у электрона − в 1975 г. Однако наиболее интересными на настоящий день являются незаряженные лептоны− нейтрино.

В конце 20-х годов прошлого века шло бурное изучение различных типов радиоактивных распадов. При изучении β-распада учёные столкнулись с парадоксальной ситуацией − электроны всякий раз имели различную энергию, хотя в распаде, в результате которого образуется две частицы

n → p + e^-,

вся энергия распада должна пропорционально делиться между электроном и атомным ядром, т.е. электроны должны иметь фиксированную энергию. Дело дошло до того, что даже Нильс Бор был готов признать, что при β-распаде нарушается закон сохранения энергии! Выход был найден выдающимся немецким физиком Вольфгангом Паули (Wolfgang Pauli). Он предположил, что вместе с электроном возникает ещё одна незаряженная частица (маленький нейтрон), которая вылетает при распаде без регистрации, всякий раз унося различную порцию энергии. Идея, предложенная Паули, блестяще разрешала ситуацию, закон сохранения энергии оставался незыблемым, а возникновение новой частицы объясняло ситуацию с «потерей энергии». Однако довольно долго нейтрино (название, предложенное Энрико Ферми) оставалось «бумажной частицей».

Прогресс в экспериментальном изучении нейтрино прежде всего связан с именем выдающегося физика (итальянца по происхождению, в 1950 г. переехавшего в СССР) Бруно Понтекорво. В 1944 г. Понтекорво, проводя теоретическое изучение возможных свойств нейтрино, предложил эффективный метод регистрации этой частицы. В качестве источника, по мнению Понтекорво, мог стать процесс, в котором интенсивно происходили бы распады радиоактивных ядер. Чуть позже Понтекорво предложил использовать ядерный реактор, как искусственный источник нейтрино. Уже в начале 50-х годов были начаты работы по регистрации нейтрино (тогда предполагалось, что у нейтрино нет античастицы). Первым экспериментом по регистрации (анти)нейтрино стал опыт Фредерика Райнеса (Frederick Reines)) и Клайда Коуэна (Clyde L. Cowan, Jr.), которым в 1957 г. удалось зарегистрировать реакторные антинейтрино. Следующим этапом изучения этой частицы стала регистрация солнечных нейтрино, осуществлённая Рэймондом Дэвисом (Raymond Davis Jr.) в 1967 г. в шахте Хоумстейк (США). Уже тогда стало ясно, что взаимодействие нейтрино с веществом происходит так редко, что для его эффективной регистрации требуются большие объёмы регистрирующего вещества и долгое время проведения измерений. Один из самых успешных нейтринных экспериментов на установке Kamiokande (Япония) за несколько лет работы с огромным баком вместимостью в несколько десятков тысяч тонн воды дал результат в виде нескольких нейтрино в год! Причём помимо времени для проведения подобных экспериментов требуются и большие финансовые затраты. По меткому выражению Б.Понтекорво, «Физика элементарных частиц − дорогая наука..».
С чем связан современный интерес к нейтрино? Высочайшая проникающая способность этих частиц позволяет получать информацию об объектах, недоступных для изучения другим способом. Круг применения тут огромен − от информации о процессах в удалённых галактиках и галактических скоплениях, до нейтринной геолокации Земли. В настоящее время вводятся в действие крупные проекты по регистрации астрофизических нейтрино − нейтринные телескопы большого объёма, где в качестве регистрирующего вещества используется морская вода или лёд. Предполагается сооружение двух телескопов объёмом по 1 км³ в Северном (Средиземноморье) и Южном (Антарктика) полушариях.

Нейтринный телескоп ANTARES

Нерешённой до сих пор проблемой остаётся и проблема массы нейтрино. Удивительно, но это пожалуй, единственная частица, про которую невозможно сказать, имеет ли она массу или нет! В последние годы большие надежды в решении этой проблемы возлагаются на наблюдение так называемых нейтринных осцилляций, самопроизвольных переходов нейтрино одного типа в другой.
Несмотря на наличие различных методов современных исследований, основным инструментом с 40-х годов прошлого века остаются ускорители заряженных частиц. Любой ускоритель является в прямом смысле этого слова микроскопом, позволяющем взглянуть вглубь материи. Ведь для наблюдения того или иного объекта в микромире, необходимо использовать излучение с длиной волны, соизмеримой с его размерами. А так как исходя из волновых свойств частиц, мы можем получить

λ = ћc/E,

где λ − длина волны, ћ − постоянная Планка, c − скорость света, а E − энергия, то для большего «увеличения» нашего «микроскопа» необходимо увеличивать энергию частиц. На настоящий момент существуют разные типы ускорителей, в основном, ускоряющие протоны и электроны. Принцип работы стандартного линейного ускорителя, например, чрезвычайно прост и состоит в том, что при прохождении разницы потенциалов электрон (или протон), набирает энергию.

fa02.png (970 bytes)

Именно поэтому единица энергии, используемая в ядерной физике и физике частиц, именуется «электронвольт», это энергия, которую приобретает электрон при прохождении разницы потенциалов в 1 Вольт. Конечно, в современных ускорителях ускорение осуществляется с помощью переменного электромагнитного поля, «раскачивающего» частицы на разных участках. Максимальная энергия электронов, достигнутая в электронных ускорителя на сегодняшний день составляет 100 ГэВ (10¹¹ эВ), а в протонных − 3.5 ТэВ (3.5·10¹² эВ). Последнее значение соответствует энергии протонов, достигнутой на крупнейшем современном протонном ускорителе − Большом Адронном Коллайдере (LHC) в ЦЕРНе.

Схематическое изображение комплекса ускорителей в ЦЕРН на географической карте.

Этот крупнейший ускорительный комплекс представляет из себя сверхпроводящее кольцо длиной более 27 километров, позволяющее «раскручивать» протоны до энергий 7 ТэВ. При такой энергии сталкивающихся протонов (а столкновение, понятно, ещё больше увеличивает энергетический выход) становится возможным наблюдать всевозможные реакции с образованием различных частиц, в том числе и с большими массами. Большая часть экспериментов, запланированных на коллайдере, связана с проверкой предсказаний Стандартной Модели − набором теоретических предположений, описывающих структуру материи. Подтверждение или опровержение этих гипотез даст науке возможность двигаться вперёд, решая те проблемы, которые стоят на сегодняшний день перед человечеством.

Вопросы для самопроверки

Каково принципиальное отличие методов изучения микромира и макромира?
Каков физический смысл постоянной Планка?
Возможно ли одновременное точное измерение координаты и импульса частицы в микромире?
Приведите пример дискретности энергии в квантовой системе.
Что является основной характеристикой квантовой системы?
Назовите эксперимент, положивший начало современному представлению о структуре атома.
Каков примерный размер атома?
Какова причина излучения атомами фотонов?
Что такое ионизация?
Каков примерный размер атомного ядра?
Какие частицы входят в состав атомного ядра?
Что такое энергия связи ядра?
Почему тяжёлые ядра делятся?
Почему реакции ядерного синтеза называют термоядерными?
Что такое альфа-распад?
Назовите три группы фундаментальных частиц.
Перечислите типы кварков.
Из скольких кварков состоят протон и нейтрон?
Что такое нейтрино?
Перечислите типы фундаментальных взаимодействий.