Субатомные частицы. Что такое субатомная частица? Каковы задачи физики элементарных частиц

И ядерная физика .

Субатомными частицами являются атомные составляющие: электрон , нейтрон и протон . Протон и нейтрон в свою очередь состоят из кварков .

См. также

Напишите отзыв о статье "Субатомная частица"

Ссылки

Отрывок, характеризующий Субатомная частица

– Bien faite et la beaute du diable, [Хорошо сложена и красота молодости,] – говорил этот человек и увидав Ростова перестал говорить и нахмурился.
– Что вам угодно? Просьба?…
– Qu"est ce que c"est? [Что это?] – спросил кто то из другой комнаты.
– Encore un petitionnaire, [Еще один проситель,] – отвечал человек в помочах.
– Скажите ему, что после. Сейчас выйдет, надо ехать.
– После, после, завтра. Поздно…
Ростов повернулся и хотел выйти, но человек в помочах остановил его.
– От кого? Вы кто?
– От майора Денисова, – отвечал Ростов.
– Вы кто? офицер?
– Поручик, граф Ростов.
– Какая смелость! По команде подайте. А сами идите, идите… – И он стал надевать подаваемый камердинером мундир.
Ростов вышел опять в сени и заметил, что на крыльце было уже много офицеров и генералов в полной парадной форме, мимо которых ему надо было пройти.
Проклиная свою смелость, замирая от мысли, что всякую минуту он может встретить государя и при нем быть осрамлен и выслан под арест, понимая вполне всю неприличность своего поступка и раскаиваясь в нем, Ростов, опустив глаза, пробирался вон из дома, окруженного толпой блестящей свиты, когда чей то знакомый голос окликнул его и чья то рука остановила его.
– Вы, батюшка, что тут делаете во фраке? – спросил его басистый голос.
Это был кавалерийский генерал, в эту кампанию заслуживший особенную милость государя, бывший начальник дивизии, в которой служил Ростов.
Ростов испуганно начал оправдываться, но увидав добродушно шутливое лицо генерала, отойдя к стороне, взволнованным голосом передал ему всё дело, прося заступиться за известного генералу Денисова. Генерал выслушав Ростова серьезно покачал головой.
– Жалко, жалко молодца; давай письмо.
Едва Ростов успел передать письмо и рассказать всё дело Денисова, как с лестницы застучали быстрые шаги со шпорами и генерал, отойдя от него, подвинулся к крыльцу. Господа свиты государя сбежали с лестницы и пошли к лошадям. Берейтор Эне, тот самый, который был в Аустерлице, подвел лошадь государя, и на лестнице послышался легкий скрип шагов, которые сейчас узнал Ростов. Забыв опасность быть узнанным, Ростов подвинулся с несколькими любопытными из жителей к самому крыльцу и опять, после двух лет, он увидал те же обожаемые им черты, то же лицо, тот же взгляд, ту же походку, то же соединение величия и кротости… И чувство восторга и любви к государю с прежнею силою воскресло в душе Ростова. Государь в Преображенском мундире, в белых лосинах и высоких ботфортах, с звездой, которую не знал Ростов (это была legion d"honneur) [звезда почетного легиона] вышел на крыльцо, держа шляпу под рукой и надевая перчатку. Он остановился, оглядываясь и всё освещая вокруг себя своим взглядом. Кое кому из генералов он сказал несколько слов. Он узнал тоже бывшего начальника дивизии Ростова, улыбнулся ему и подозвал его к себе.
Вся свита отступила, и Ростов видел, как генерал этот что то довольно долго говорил государю.
Государь сказал ему несколько слов и сделал шаг, чтобы подойти к лошади. Опять толпа свиты и толпа улицы, в которой был Ростов, придвинулись к государю. Остановившись у лошади и взявшись рукою за седло, государь обратился к кавалерийскому генералу и сказал громко, очевидно с желанием, чтобы все слышали его.
– Не могу, генерал, и потому не могу, что закон сильнее меня, – сказал государь и занес ногу в стремя. Генерал почтительно наклонил голову, государь сел и поехал галопом по улице. Ростов, не помня себя от восторга, с толпою побежал за ним.

На площади куда поехал государь, стояли лицом к лицу справа батальон преображенцев, слева батальон французской гвардии в медвежьих шапках.
В то время как государь подъезжал к одному флангу баталионов, сделавших на караул, к противоположному флангу подскакивала другая толпа всадников и впереди их Ростов узнал Наполеона. Это не мог быть никто другой. Он ехал галопом в маленькой шляпе, с Андреевской лентой через плечо, в раскрытом над белым камзолом синем мундире, на необыкновенно породистой арабской серой лошади, на малиновом, золотом шитом, чепраке. Подъехав к Александру, он приподнял шляпу и при этом движении кавалерийский глаз Ростова не мог не заметить, что Наполеон дурно и не твердо сидел на лошади. Батальоны закричали: Ура и Vive l"Empereur! [Да здравствует Император!] Наполеон что то сказал Александру. Оба императора слезли с лошадей и взяли друг друга за руки. На лице Наполеона была неприятно притворная улыбка. Александр с ласковым выражением что то говорил ему.
Ростов не спуская глаз, несмотря на топтание лошадьми французских жандармов, осаживавших толпу, следил за каждым движением императора Александра и Бонапарте. Его, как неожиданность, поразило то, что Александр держал себя как равный с Бонапарте, и что Бонапарте совершенно свободно, как будто эта близость с государем естественна и привычна ему, как равный, обращался с русским царем.
Александр и Наполеон с длинным хвостом свиты подошли к правому флангу Преображенского батальона, прямо на толпу, которая стояла тут. Толпа очутилась неожиданно так близко к императорам, что Ростову, стоявшему в передних рядах ее, стало страшно, как бы его не узнали.
– Sire, je vous demande la permission de donner la legion d"honneur au plus brave de vos soldats, [Государь, я прошу у вас позволенья дать орден Почетного легиона храбрейшему из ваших солдат,] – сказал резкий, точный голос, договаривающий каждую букву. Это говорил малый ростом Бонапарте, снизу прямо глядя в глаза Александру. Александр внимательно слушал то, что ему говорили, и наклонив голову, приятно улыбнулся.
– A celui qui s"est le plus vaillament conduit dans cette derieniere guerre, [Тому, кто храбрее всех показал себя во время войны,] – прибавил Наполеон, отчеканивая каждый слог, с возмутительным для Ростова спокойствием и уверенностью оглядывая ряды русских, вытянувшихся перед ним солдат, всё держащих на караул и неподвижно глядящих в лицо своего императора.

По теме « Свойства атома »

Выполнил студент 1 курса

Группы Ке-ДЛИ-401

Елисеев Владислав

Проверила:

Медведева Ольга Алексеевна

Кемерово 2015

Строение атома.

В далёком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства в зависимости от её “сущности”. Некоторые из них утверждали, что вещество состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены позднее в работах русского учёного М.В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста, английского химика Д. Дальтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

Периодический закон Д.И. Менделеева показывает существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Это говорит о том что в основе всех атомов лежит нечто общее. До конца XIX века в химии царило убеждение, что атом есть наименьшая неделимая частица простого вещества. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И наконец в конце XIX века были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие.

Это послужило толчком к образованию и развитию нового раздела химии “Строение атома”. Первым указанием на сложную структуру атома - были опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается по возможности весь воздух и затем пропускается сквозь нее ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются "невидимые" катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение. На их пути легко подвижные тела откланяются от своего первоначального пути в магнитном и электрическом поле (в последнем в сторону положительно заряженной пластины). Действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки, так как стекло для них непроницаемо. Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд и летящих со скоростью, достигающей половины скорости света. Также удалось определить массу и величину их заряда. Масса каждой частицы равнялась 0,00055 углеродной частицы. Заряд равняется 1,602 на 10 в минус 19 степени. Особенно замечательно, что масса частиц и величина их заряда не зависит ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут существовать без своих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет, самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов. В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического заряда. Но они могут возникать и вне всякой связи с электрическим зарядом. Так, например при электронной эмиссии металлы испускают электроны; при фотоэффекте многие вещества также выбрасывают электроны. Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицы входят в состав всех атомов; следовательно атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких “составных частей”.

Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом, как известно, электрически нейтрален, из этого следовало, что в его состав должна была входить ещё одна составная часть, уравновешивавшая сумму отрицательных зарядов электронов. Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения

частиц в газах и других веществах.

Резерфорд Эрнест (1871-1937)

частицы, выбрасываемые веществами активных элементов представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их.

Впоследствии аппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона. (Первый трековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. Действие Вильсона камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. В дальнейшем вытеснена другими трековыми детекторами.)

Исследуя пути движения частиц с помощью камеры, Резерфорд заметил, что в камере они параллельны (пути), а при пропускании пучка параллельных лучей через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вообще не проходили через тонкую пластинку.

Исходя из этих наблюдений, Резерфорд предложил свою схему строения атома: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по разным орбиталям вращаются отрицательные электроны. Центростремительные силы, возникающие при их вращении удерживают их на своих орбиталях и не дают им улететь. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения частиц. Размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяние частиц положило начало ядерной теории атома. Одной из задач, стоявших перед теорией строения атома в начале ее развития, было определение величины заряда ядра различных атомов. Так как атом в целом электрически нейтрален, то, определив заряд ядра, можно было бы установить и число окружающих ядро электронов. В решении этой задачи этой большую помощь оказало изучение спектров рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи возникают при ударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело и отличаются от лучей видимого света только значительно меньшей длиной волны. В то время как короткие световые волны имеют длину около 4000 ангстремов (фиолетовые лучи), длины волн рентгеновских лучей лежат в пределах от 20 до 0,1 ангстрема. Чтобы получить спектр рентгеновских лучей, нельзя пользоваться обыкновенной призмой или дифракционной решеткой. (Дифракционная РЕШЕТКА, оптический прибор; совокупность большого количества параллельных щелей в непрозрачном экране или отражающих зеркальных полосок (штрихов), равноотстоящих друг от друга, на которых происходит дифракция света. Дифракционная решетка разлагает падающий на нее пучок света в спектр, что используется в спектральных приборах.)

Для рентгеновских лучей требовалась решётка с очень большим количеством делений на один миллиметр (примерно 1млн./1мм.). Такую решётку искусственно приготовить было невозможно. В 1912 г. у швейцарского физика Лауэ возникла мысль использовать кристаллы в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей.

Упорядоченное расположение атомов в кристалле и малое расстояние между ними давало повод предполагать что как раз кристаллы и подойдут на роль требуемой дифракционной решётки.

Опыт блестяще подтвердил предположение Лауэ, вскоре удалось построить приборы, которые давали возможность получать спектр рентгеновских лучей почти всех элементов. Для получения рентгеновских спектров антикатод в рентгеновских трубках делают из того металла, спектр которого хотят получить, или же наносят соединение исследуемого элемента. Экраном для спектра служит фотобумага; после проявления на ней видны все линии спектра. В 1913 г. английский ученый Мозли, изучая рентгеновские спектры нашел соотношение между длинами волн рентгеновских лучей и порядкового номерами соответствующих элементов - это носит название закона Мозли и может быть сформулировано следующим образом: Корни квадратные из обратных значений длин волн находятся в линейной зависимости от порядковых номеров элементов.

Еще до работ Мозли некоторые учёные предполагали, что порядковый номер элемента указывает число зарядов ядра его атома. В тоже время Резерфорд, изучая рассеивание частиц при прохождении через тонкие металлические пластинки, выяснил, что если заряд электрона принять за единицу, то выражаемый в таких единицах заряд ядра приблизительно равен половине атомного веса элемента. Порядковый номер, по крайне мере более легких элементов, тоже равняется примерно половине атомного веса. Все вместе взятое привело к выводу, что Заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента. Таким образом, закон Мозли позволил определить заряды атомных ядер. Тем самым, ввиду нейтральности атомов, было установлено и число электронов, вращающихся вокруг ядра в атоме каждого элемента. Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря работам Нильс Бора , в которых учение о строении атома неразрывно связывается с учением о происхождении спектров.

Линейчатые спектры получаются при разложении света испускаемого раскаленными парами или газами. Каждому элементу отвечает свой спектр, отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов дает очень сложные спектры, содержащие огромное число линий (в железе до 5000), но встречаются и сравнительно простые спектры.

Развивая ядерную теорию Резерфорда, ученые пришли к мысли, что сложная структура линейчатых спектров обусловлена происходящими внутри атомов колебаниями электронов. По теории Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила притяжения ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращение электрона совершенно аналогично его быстрым колебаниям и должно вызвать испускание электромагнитных волн. Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящий от частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, в следствие чего нарушается равновесие между ним и ядром; для восстановления равновесия электрон должен постепенно передвигаться ближе к ядру, причем так же постепенно будет изменяться частота обращения электрона и характер испускаемого им света. В конце концов, исчерпав всю энергию, электрон должен "упасть" на ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такое непрерывное изменение движения электрона, то и спектр получался бы всегда непрерывный, а не с лучами определенной длины волны. Кроме того, "падение" электрона на ядро означало бы разрушение атома и прекращения его существования. Таким образом, теория Резерфорда была бессильна объяснить не только закономерности в распределении

линий спектра, ни и само существование линейчатых спектров. В 1913 г. Бор предложил сою теорию строения атома, в которой ему удалось с большим искусством согласовать спектральные явления с ядерной моделью атома, применив к последней так называемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецким ученым-физиком Планком. Сущность теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями - квантами энергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками, квант за квантом; дробное число квантов тело не может ни испускать, ни поглощать. Величина кванта энергии зависит от частоты излучения: чем больше частота излучения, тем больше величина кванта. Кванты лучистой энергии называются также фотонами. Применив квантовые представления к вращению электронов вокруг ядра, Бор положил в основу своей теории очень смелые предположения, или постулаты. Хотя эти постулаты и противоречат законам классической электродинамики, но они находят свое оправдание в тех поразительных результатах, к которым приводят, и в том полнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическими результатами и огромным числом экспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в следующем: Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения. Простейшим из атомов является атом водорода; вокруг ядра которого вращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1: 2: 3: ... n Величина n получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались в точности совпадающими с частотами, найденными на опыте для линий водородного спектра.Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых орбит, а вместе с тем и приложимость постулатов Бора для таких расчетов. В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов, хотя это было связанно с некоторым трудностями из-за ее новизны.

Теория Бора позволила разрешить очень важный вопрос о расположении электронов в атомах различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. Однако, иметь ввиду, что все эти схемы это лишь более или менее достоверная гипотеза, позволяющая объяснить многие физические и химические свойства элементов. Как раньше уже было сказано, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены по слоям, т.е. каждому слою принадлежит определенное заполняющие или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается

на несколько энергетических уровней. Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Наибольшее число электронов N, могущих находиться на данном энергетическом уровне, равно удвоенному квадрату номера слоя:

где n-номер слоя. Кроме того, установлено, что число электронов в наружном слое для всех элементов, кроме палладия, не превышает восьми, а в предпоследнем - восемнадцати. Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженные положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот атомы присоединившие электроны становятся заряженные отрицательно. Образующиеся таким путем заряженные частицы, качественно отличные от соответствующих атомов. называются ионами. Многие ионы в свою очередь могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом или в электронейтральные атомы, или в новые ионы с другим зарядом. Теория Бора оказала огромные услуги физике и химии, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснению механизма лучеиспускания, а с другой - к выяснению структуры отдельных атомов и установлению связи между ними. Однако оставалось еще много явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла.

Движение электронов в атомах Бор представлял как простое механическое, однако оно является сложным и своеобразным. Это своеобразие было объяснено новой квантовой теорией. Отсюда и пошло: “Карпускулярно-вролновой дуализм”.

И так, электрон в атоме характеризуется:

1. Главным квантовым числом n, указывающим на энергию электрона;

2. Орбитальным квантовым числом l , указывающим на характер орбиты;

3. Магнитным квантовым числом, характеризующим положение облаков в пространстве;

4. И спиновым квантовым числом, характеризующим веретенообразное движение электрона вокруг своей оси.

В далёком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства в зависимости от её “сущности”. А сейчас, в наше время, благодаря великим учёным, мы точно знаем, из чего на самом деле она состоит.

Используемая литература:

1) Курс общеё химии (Н.В. Коровин)

2) Курс общей химии (А.Н. Харин)

3) Строение вещества (В.К. Васильев, А.Н. Шувалова)

4) Физическая химия (А.Л. Дайнэко)

Строение атомного ядра. Субатомные частицы. Элементы. Изотопы.

Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". Находящиеся в электронном облаке электроны несут отрицательный электрический заряд. Протоны , входящие в состав ядра, несут положительный заряд.

В любом атоме число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом – нейтральная частица, не несущая заряда.

Атом может потерять один или несколько электронов или наоборот – захватить чужие электроны. В этом случае атом приобретает положительный или отрицательный заряд и называется ионом .

Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, так как масса электрона составляет всего лишь 1/1836 часть массы протона. Плотность вещества в ядре фантастически велика – порядка 10 13 - 10 14 г/см 3 . Спичечный коробок, наполненный веществом такой плотности, весил бы 2,5 миллиарда тонн!

Внешние размеры атома – это размеры гораздо менее плотного электронного облака, которое примерно в 100000 раз больше диаметра ядра.

Кроме протонов, в состав ядра большинства атомов входят нейтроны , не несущие никакого заряда. Масса нейтрона практически не отличается от массы протона. Вместе протоны и нейтроны называются нуклонами (от латинского nucleus – ядро).

Электроны, протоны и нейтроны являются главными "строительными деталями" атомов и называются субатомными частицами. Их заряды и массы в кг и в специальных “атомных” единицах массы (а.е.м.) показаны в таблице 2-1.

Таблица 2-1. Субатомные частицы.

Из таблицы 2-1 видно, что массы субатомных частиц чрезвычайно малы. Показатель степени (например, десять в минус двадцать седьмой степени) показывает, сколько нулей после запятой нужно записать, чтобы получилась десятичная дробь, выражающая массу субатомной частицы в килограммах. Это ничтожнейшая часть килограмма, поэтому массу субатомных частиц удобнее выражать в атомных единицах массы (сокращенно – а.е.м.). За атомную единицу массы принята ровно 1/12 часть массы атома углерода, в ядре которого содержится 6 протонов и 6 нейтронов. Схематическое изображение такого "эталонного" атома углерода приведено на рис. 2-5 (б). Атомную единицу массы можно выразить и в граммах: 1 а.е.м. = 1,660540·10 -24 г.

<="" p="">

Рис. 2-5. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и электронного облака. а) В состав ядра атома водорода входит только 1 протон, а электронное облако заполняется одним электроном. б) В ядре атома углерода 6 протонов и 6 нейтронов, а в электронном облаке – 6 электронов. в) Существует также изотопный углерод, ядре которого на 1 нейтрон больше. Содержание этого изотопа в природном углероде составляет чуть более 1% (об изотопах см. ниже). Линейные размеры атомов очень малы: их радиусы составляют от 0,3 до 2,6 ангстрема (1 ангстрем = 10 –8 см). Радиус ядра около 10 –5 ангстрема, то есть 10 –13 см. Это в 100000 раз меньше размеров электронной оболочки. Поэтому правильно показать относительные пропорции ядер и электронных оболочек на рисунке невозможно. Если бы атом увеличился до размеров Земли, то ядро имело бы всего около 60 м в диаметре и могло бы поместиться на футбольном поле.

Масса атома, выраженная в килограммах или граммах, называется абсолютной атомной массой . Чаще пользуются относительной атомной массой , которая выражается в атомных единицах массы (а.е.м.). Относительная атомная масса представляет собой отношение массы какого-нибудь атома к массе 1/12 части атома углерода. Иногда говорят более коротко: атомный вес . Последний термин вовсе не устаревший, как иногда пишут в учебниках – он широко используются в современной научной литературе, поэтому мы тоже будем его применять. Относительная атомная масса и атомный вес, фактически, безразмерные величины (масса какого-либо атома делится на массу части атома углерода), поэтому обозначение "а.е.м." после численного значения обычно опускают (но можно и написать, в этом не будет ошибки). Термины “относительная атомная масса”, “атомная масса” , “атомный вес” в научном химическом языке обычно используются равноправно и между ними просто не делают различий. В Международном союзе химиков (IUPAC) существует Комиссия по относительной распространенности изотопов и атомным весам (Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights или сокращенно – CIAAW), но не "Комиссия по относительным атомным массам". Однако все химики прекрасно понимают, что речь идет об одном и том же.

В российских учебниках и заданиях ЕГЭ пользуются термином относительная атомная масса , которую обозначают символом A r . Здесь "r" – от английского "relative" – относительный. Например, A r = 12,0000 – относительная атомная масса углерода 12 6 C равна 12,0000. В современной научной литературе относительная атомная масса и атомный вес – синонимы.

** Из курса физики вы помните, что вес физического тела является переменной величиной. Например, на Земле и на Луне одно и то же физическое тело имеет разный вес, но масса тела – величина постоянная. Поэтому термин “относительная атомная масса” считается более строгим. Для многих вычислений удобно массы протона и нейтрона в шкале а.е.м. считать округленно равными единице .

На рис. 2-5 показаны атомы двух разных видов. Может возникнуть вопрос: почему двух, а не трех видов – ведь на рисунке изображены три атома? Дело в том, что атомы (б) и (в) относятся к одному и тому же химическому элементу углероду, в то время как атом (а) – совсем другой элемент (водород). Что же такое химические элементы и чем они отличаются друг от друга?

Водород и углерод отличаются числом протонов в ядре и, следовательно, числом электронов в электронной оболочке. Число протонов в ядре атома называют зарядом ядра атома и обозначают буквой Z. Это очень важная величина. Когда мы перейдем к изучению Периодического закона, то увидим, что число протонов в ядре совпадает с порядковым номером атома в Периодической таблице Д.И.Менделеева.

Как мы уже говорили, заряд ядра (число протонов) совпадает с числом электронов в атоме. Когда атомы сближаются, то в первую очередь они взаимодействуют друг с другом не ядрами, а электронами. Число электронов определяет способность атома образовывать связи с другими атомами, то есть его химические свойства. Поэтому атомы с одинаковым зарядом ядра (и одинаковым числом электронов) ведут себя в химическом отношении практически одинаково и рассматриваются как атомы одного химического элемента .

Субатомная физика необычайно популярна. За исследования в этом направлении ученые часто получают Нобелевскую премию. Неверонятной популярностью пользуются нейтрино. За эту частицу присудили четыре награды. 1988 году отметили открытие мюонного нейтрино. В 1995 году, премию получил Фред Рейнерс за регистрацию нейтрино. В 2002 году Рэй Дэвис и Масатоши Кошиба измерили сколько нейтрино Солнце присылает на Землю. В этом году Такааки Каджита и Артур Макдональд разделили премию за демонстрацию того, как нейтрино могут переходить из одной формы в другую.

Вольфганг Паули, предсказавший нейтрино, тоже получил Нобелевскую премию, но за другое открытие в физике элементарных частиц. Возможно, он бы получил еще одну, за нейтрино, но он опубликовал свое открытие в форме письма для конференции физиков, которую не посетил.

Однако самая популярная субатомная частица не единственный сюрприз микромира. Есть еще десяток разных открытий, которые можно назвать сногсшибательными.

10. Существование субатомных частиц

На протяжении 19-го века под вопросом было само существование атомов, и то благодаря успеху атомной теории в химии, озвученной английским школьным учителем Джоном Дальтоном. До него атомы были отвлеченным философским понятием, которое использовалось в рассуждениях о конечной природе материи, но рассматривалось за пределами экспериментальных исследований. Многие физики, вообще, считали атомы фикцией, удобной для объяснения данных экспериментов, но нереальной.

Данные накапливались, и пришлось признать, что если атомы и не существуют, то должна быть какая-то неделимая структура похожая на них. Камнем, подтверждающим существование атомов, стало повторение свойств элементов в периодической системе Менделеева. В 1897 году Томсон сообщил об открытии первой, элементарной частицы – электрона, которая полностью опровергала неделимость атомов.

9. Атомное ядро

Не успели физики принять идею, что атомы существуют, им пришлось начать мириться с тем, что они состоят из отдельных деталей. Томпсон предположил, что отрицательные электроны плавают, как вишни в положительно заряженном пудинге. Но когда Эрнесту Резерфорду и его помощникам удалось расстрелять альфа-частицами тонкий лист золота, некоторые из «патронов» отскочили назад. Это удивило Резерфорда, по его словам это было бы сравнимо со стрельбой по папиросной бумаге, при которой артиллерийские снаряды отлетали назад. Ученый предположил, что внутри атома находится крошечный шарик, сегодня мы называем их ядрами.

8. Нейтроны

К 1930 году физики знали о существовании двух субатомных частиц: протона и электрона, казалось, они все объясняли, кроме одного, почему положительно заряженные протоны не разлетаются. В 1920 году Резерфорд предположил, что они удерживаются рядом, благодаря еще одной частицы в ядре – нейтрону. В 1932 году Джемс Чедвик обнаружил нейтральную частицу. Количество элементарных частиц постоянно росло.

Открытие нейтрона стало огромной неожиданностью для физиков. Когда Резерфорд выдвинул идею существования нейтрона, ему мало кто поверил, возможно, только Чедвик.

7. Субатомные частицы на самом деле волны

Этот сюрприз связан с довольно комичной историей. В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию за то, что доказал экспериментально существование субатомное частицы – электрона. В 1973 году, его сын Джордж тоже получил эту награду, потому, что ему удалось продемонстрировать: электрон – это волна, по крайней мере, иногда. Эта двойственность волна-частица находится в центре квантовой физики.

6. Обнаружение нейтрино

В 1934 году Бете и Рудольф Пайерлс доказали, что нейтрино слабо взаимодействует с веществом, и глупо было бы пытаться обнаружить хотя бы одно. Понадобиться резервуар твердого вещества с диаметром в 1000 световых лет. Но тут же был обнаружен атомный распад и изобретены ядерные реакторы. Физики получили плодовитый источник нейтрино.

5. Элементарные частицы оказались не такими уж элементарными

Уже к 1950 году было обнаружено множество субатомных частиц, мало того, что неделимый атом оказался, еще как делимым, так и количество его частичек перевалило за полсотни. Один из лауреатов Нобелевской премии Леон Ладерман даже пошутил, что если бы ему нужно было выучить названия всех субатомных частиц, он бы стал ботаником. Физики начали подозревать, что у элементарных частиц, есть свои детали.

4. Кварки

В 1950 году физики узнали о субатомных частицах, которые не являются частью атомов. В 1960 году появилась мысль, что элементарные частицы, состоят из маленьких кирпичиков, которые имеют дробный заряд. Мюррей Гелл-Манн назвал эти частицы кварками, идея была новаторской, так как до этого считалось, что дробные заряды – это нонсенс. Через несколько лет очередной сюрприз от экспериментаторов – удалось подтвердить существование кварков.

3. Нарушение симметрии

Задолго до взрыва открытий субатомных частиц, уважаемый математик Герман Вейль отметил, что природа ничего не знает о паритете. Не может быть сомнений, что все законы природы инвариантны по отношению к перестановке справа и слева. Но в 1956 году Чэнь Нин Ян и Цзун-Дао Ли высказали идею, что правило лево-правой симметрии в некоторых случаях не работало, когда дело касается субатомных частиц. Это было сенсацией, особенно, когда появились подтверждения от экспериментаторов.

2. Стабильность протонов

Вне атомного ядра нейтроны крайне нестабильны и распадаются в течение нескольких минут на протон, электрон и антинейтрино. Но, кажется, что протон необычайно стабилен и может оставаться неделимым вечно. Хотя в 1970 годы теоретики начали верить, что протоны должны распадаться хотя бы за триллионы триллионов лет, несмотря на все усилия по выявлению подобного события ученым не удалось его зафиксировать. Это вызвало большое удивление. Все распадается, а протоны – нет.

1. Антиматерия

В 1932 году был обнаружен не только нейтрон, но и позитрон. Его вычислил Карл Андерсон, анализируя следы космических лучей в камере Вильсона. Среди отпечатков физик нашел тот, который выглядел, как и у электрона, но был изогнут в неправильном направлении. Это оказался позитрон, античастица электрона, Андерсон назвал это положительный электрон. Открытие частиц антиматерии было большой неожиданностью, но вполне отвечало теоретическим выкладкам Поля Дирака. Удивительно, что кто-то мог сделать вывод о существовании чего-то настолько странного, просто играя с уравнениями.

Субатомные электроны, протоны частицы и нейтроны

Первую современную атомистическую теорию выдвинул Джон Дальтон. Он предположил, что каждый химический элемент состоит из атомов, одинаковых по размерам и массе. Эти частицы предполагались неделимыми и неизменными в ходе химической реакции. Дальтон приписал атомам таких элементов, как водород, кислород, азот и сера, определенные относительные веса (точнее, массы), а также дал каждому элементу определенный символ.

Однако в конце XIX века был сделан рад открытий, показавших, что атом вовсе не является неделимой частицей, а состоит из субатомных частиц. Первое из этих открытий основывалось на изучении лучей, испускаемых отрицательно заряженным электродом. Существование этих катодных лучей было продемонстрировано в 70-х годах XIX века в целом раде экспериментов, которые выполнили Крукс и Гольдштейн. Например, в эксперименте Крукса с турбинкой катодные лучи вращали крохотную турбинку на стеклянной подвеске. В 1895 г. Вильгельм Рентген открыл Х-лучи, названные в дальнейшем рентгеновскими лучами. В следующем году Антуан Анри Беккерель показал, что соль урана самопроизвольно испускает невидимое излучение, подобное рентгеновским лучам; явление было названо радиоактивностью. За свои исследования Рентген и Беккерель были удостоены Нобелевской премии.

Электрон.

Электрон был первой из обнаруженных субатомных частиц. В 1874 г. Дж. Дж. Стоней предположил, что электрический ток представляет собой поток отрицательно заряженных частиц, названных им в 1891 г. электронами. Однако приоритет открытия электрона почти повсеместно признается за Дж. Дж. Томсоном, который определил удельный заряд и относительную массу электрона.

Джозеф Джон Томсон, открывший электрон в 1897 г. Лауреат Нобелевской премии по физике 1906 г. Его сын, Джордж Паджет Томсон своими исследованиями дифракции электронов при прохождении через золотую фольгу подтвердил теорию Луи де Бройля, согласно которой свободные электроны ведут себя одновременно как волны и как частицы. Дж. Паджет Томсон получил вместе с К. Дэвиссоном Нобелевскую премию по физике в 1937 г. за открытие дифракции электронов на кристаллах.

Рис. 1.1. Прибор Томсона, 1 - катод (-); 2 - анод (+) с отверстием; 3 - вторичные электроды для отклонения катодных лучей; 4 - отклоненное пятно; 5 - неотклоненное пятно; 6 - люминесцентный экран.

Р. Э. Милликен.

Р. С. Малликен.

Иногда из-за сходства фамилий путают Милликена с Малликеном. Оба они лауреаты Нобелевской премии.

Роберт Эндрус Милликен - американский физик, который определил заряд электрона в опытах с капельками масла. В этом эксперименте он создавал электрические заряды на мельчайших капельках масла, воздействуя на них рентгеновскими лучами. Капельки медленно оседали в пространстве между двумя горизонтальными пластинами конденсатора. Массу отдельной капельки можно было определить, измеряя скорость ее падения. Затем пластины конденсатора заряжали, и это приводило к изменению скорости падения заряженных капелек. Измерение скорости капелек позволяло Милликену вычислить находящиеся на них заряды. Хотя заряды на капельках были неодинаковыми, обнаружилось, что все они кратны некоторой величине, которая представляет собой заряд электрона. Милликен получил Нобелевскую премию по физике в 1923 г.

Роберт Сандерсон Малликен - американский химик и физик, награжден Нобелевской премией по химии в 1966 г. за теоретические исследования природы химической связи и молекулярной структуры. В 1920-е годы применил квантовую механику к теоретическому описанию химической связи и интерпретации молекулярных спектров. В частности, ввел представление о молекулярных орбиталях и показал, что электроны могут быть делокализованы на связях, описываемых молекулярными орбиталями (см. гл. 2).

Томсон открыл электрон в результате исследований с катодными лучами. Схематическое изображение разрядной трубки, которой он пользовался для получения катодных лучей, показано на рис. 1.1. Создав в разрядной трубке низкое давление и высокое напряжение (1500 В и выше), Томсон получил катодные лучи, которые образовывали на люминесцентном экране хорошо заметное пятно. Это пятно можно было отклонять в сторону с помощью электрического поля, создаваемого вторичными электродами. Пятно отклонялось в сторону также под действием магнитного поля, направленного перпендикулярно электрическому полю (это не показано на рисунке). Указанные наблюдения привели Томсона к выводу, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, названных электронами. Проводя измерения напряженности магнитного и электрического полей и соответствующего

Рис. 1.2. Каналовые лучи, открытые Гольдштейном. 1 - анод (+); 2 - катод (-) с отверстиями; 3 - вторичный электрод для отклонения каналовых лучей.

отклонения пятна. Томсон смог вычислить отношение заряда к массе для этих частиц. Он установил, что независимо от того, какой газ использовался для наполнения разрядной трубки, значение оставалось неизменным. На этом основании Томсон заключил, что атомы всех элементов содержат электроны.

В 1909 г. Р.Э. Милликен, проводя свои знаменитые эксперименты с капельками масла, определил заряд электрона. В сочетании с найденным Томсоном значением отношения это позволяло вычислить массу электрона. Принятые в настоящее время значения этих величин составляют

Протон.

Второй по очередности открытия субатомных частиц был протон. В 1886 г. Гольдштейн наблюдал положительно заряженные лучи, испускаемые перфорированным катодом. Он назвал их каналовыми лучами (рис. 1.2).

В 1899 г. Резерфорд открыл радиоактивное и -излучение. Приблизительно в то же время Томсон предложил свою модель строения атома, позволяющую объяснить наличие у атома отрицательно и положительно заряженных частей (модель «сливового пудинга», см. ниже).

Эрнест Резерфорд.

Эрнест Резерфорд родился в Новой Зеландии 30 августа 1871 г. В возрасте 27 лет стал профессором физики в Университете Мак-Гилла в канадском городе Монреале и вскоре сделался одним из ведущих специалистов в быстро развивавшейся области исследования радиоактивности. Он открыл несколько радиоактивных элементов и установил наличие двух типов радиоактивного излучения: и -излучение. Вместе с Фредериком Содди он обнаружил, что радиоактивность характеризуется определенным периодом полураспада. В 1907 г. Резерфорд переехал в Англию, где в Манчестерском университете в 1909 г. вместе с Хансом Гейгером еще раз доказал, что -частицы представляют собой двухзарядные ионы гелия. В 1908 г. Резерфорд получил Нобелевскую премию за исследования радиоактивности. В 1910 г. вместе с Гейгером и Марсденом он обнаружил, что -частицы, проходящие через тонкую металлическую фольгу, отклоняются от первоначального направления движения. Это открытие привело Резерфорда в 1911 г. к созданию новой, планетарной, модели строения атома. В 1914 г. он высказал предположение о существовании протона, а в 1920 г. предсказал существование нейтрона. За научные заслуги в 1914 г. Резерфорд по английскому обычаю был возведен в рыцарское достоинство, а в 1921 г. награжден орденом «За заслуги». С 1915 по 1930 г. он был президентом Лондонского королевского общества, а в 1931 г. получил титул пэра. Ои умер 19 октября 1937 г. Резерфорд, несомненно, является одним из самых выдающихся ученых XX века.

Рис. 1.3. Эксперимент Гейгера и Марсдена. а - рассеяние а-частиц после пропускания через листок тонкой золотой фольги. Большинство частиц проходят сквозь фольгу без отклонений, но отдельные частицы рикошетируют обратно, по направлению к источнику; б - согласно предположению Резерфорда, рикошетирующие частицы испытывают столкновение с сердцевиной атома его ядром. Это наблюдение заставило Резерфорда выдвинуть новую модель строения атома.

В 1909 г. Резерфорд показал, что обнаруженное им ранее -излучение обусловлено положительно заряженными атомами гелия. Однако установление истинной природы этих положительных частиц произошло лишь в 1914 г. после знаменитого эксперимента Гейгера и Марсдена.

Ханс Гейгер и Эрнест Марсден были студентами Резерфорда. В 1910 г. они проводили эксперименты, в которых бомбардировали тонкие листки золотой фольги пучком а-частиц (рис. 1.3). Одни а-частицы проходили через фольгу без отклонения (линия А), другие отклонялись от первоначального направления (линия В). Ко всеобщему удивлению, приблизительно 1 из 20 000 частиц отклонялась назад (линия С). «Это было почти столь же невероятно, - рассказывал Резерфорд впоследствии, - как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом по куску папиросной бумаги, а снаряд рикошетом вернулся назад и попал в вас». Из этого эксперимента следовало, что в центре атома находится очень малое положительно заряженное ядро, окруженное относительно удаленными от него легкими отрицательно заряженными электронами.

После этого Резерфорд предсказал существование протона и показал, что его масса более чем в 1800 раз должна превышать массу электрона.

Нейтрон.

Существование нейтрона было предсказано Резерфордом в 1920 г., чтобы объяснить различие между атомной массой и атомным номером (см. ниже). Экспериментально нейтрон был обнаружен в 1932 г. Дж. Чедвиком при изучении результатов

бомбардировки бериллия а-частицами. Бериллий испускал при этом частицы с большой проникающей способностью, которые не отклонялись в электрическом и магнитном полях. Поскольку эти частицы были нейтральными, они получили название нейтронов.

6. Мир субатомных частиц

Расщепление атома

Часто говорят, что существуют два вида наук - большие науки и малые. Расщепление атома - большая наука. Она располагает гигантскими экспериментальными установками, колоссальными бюджетами и получает львиную долю Нобелевских премий.

Зачем физикам понадобилось расщеплять атом? Простой ответ - чтобы понять, как устроен атом, - содержит лишь долю истины, но есть и более общая причина. Говорить буквально о расщеплении атома не вполне правильно. В действительности речь идет о столкновении частиц высокой энергии. При столкновении субатомных частиц, движущихся с большими скоростями, происходит рождение нового мира взаимодействий и полей. Несущие огромную анергию осколки материи, разлетающиеся после столкновений, таят в себе секреты природы, которые от "сотворения мира" оставались погребенными в недрах атома.

Установки, на которых осуществляется столкновение частиц высоких энергий, - ускорители частиц - поражают своими размерами и стоимостью. Они достигают нескольких километров в поперечнике, и по сравнению с ними даже лаборатории, в которых изучаются столкновения частиц, кажутся крошечными. В других областях научных исследований оборудование размещается в лаборатории, в физике высоких энергий лаборатории пристраиваются к ускорителю. Недавно Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН), расположенный недалеко от Женевы, выделил несколько сотен миллионов долларов на строительство кольцевого ускорителя. Длина окружности сооружаемого для этой цели туннеля достигает 27 км. Ускоритель, получивший название ЛЭП (LEP, Large Electron-Positron ring - большое электрон- позитронное кольцо), предназначен для ускорения электронов и их античастиц (позитронов) до скоростей, всего лишь "на волосок" отличающихся от скорости света. Чтобы иметь представление о масштабах энергии, вообразим, что вместо электронов до таких скоростей разгоняется монетка достоинством в один пенни. В конце цикла ускорения она обладала бы энергией, достаточной для производства электроэнергии на сумму 1000 млн. долл.! Неудивительно, что подобные эксперименты принято относить к физике "высоких энергий". Двигаясь внутри кольца навстречу друг другу, пучки электронов и позитронов испытывают лобовые столкновения, при которых электроны и позитроны аннигилируют, высвобождая энергию, достаточную для рождения десятков других частиц.

Что это за частицы? Некоторые из них - те самые "кирпичики", из которых построены мы с вами: протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, и обращающиеся вокруг ядер электроны. Другие частицы обычно в окружающем нас веществе не встречаются: их век чрезвычайно короток, и по истечении его они распадаются на обычные частицы. Число разновидностей таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно: их известно уже несколько сотен. Подобно звездам, нестабильные частицы слишком многочисленны, чтобы их различать "по именам". Многие из них обозначены только греческими буквами, а некоторые - просто числами.

Важно иметь в виду, что все эти многочисленные и разнообразные нестабильные частицы отнюдь не являются в прямом смысле составными частями протонов, нейтронов или электронов. Сталкиваясь, электроны и позитроны высоких энергий вовсе не разлетаются на множество субатомных осколков. Даже при столкновениях протонов высоких энергий, заведомо состоящих из других объектов (кварков), они, как правило, не расщепляются на составные части в обычном смысле. То, что происходит при таких столкновениях, лучше рассматривать как непосредственное рождение новых частиц из энергии столкновения.

Лет двадцать назад физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью и разнообразием новых субатомных частиц, которым, казалось, не будет конца. Невозможно было понять, для чего столько частиц. Может быть, элементарные частицы подобны обитателям зоопарка с их неявно выраженной принадлежностью к семействам, но без какой-либо четкой систематики. Или, возможно, как полагали некоторые оптимисты, элементарные частицы таят в себе ключ к Вселенной? Что такое наблюдаемые физиками частицы: малозначительные и случайные осколки материи или возникающие на наших глазах очертания смутно ощущаемого порядка, указывающего на существование богатой и сложной структуры субъядерного мира? Ныне в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Микромиру присущ глубокий и рациональный порядок, и мы начинаем понимать, каково значение всех этих частиц.

Первый шаг к пониманию микромира был сделан в результате систематизации всех известных частиц, подобно тому как в XVIII в. биологи составляли подробнейшие каталоги видов растений и животных. К числу наиболее важных характеристик субатомных частиц относятся масса, электрический заряд и спин.

Поскольку масса и вес связаны между собой, частицы с большой массой часто называют "тяжелыми". Соотношение Эйнштейна Е =mc^ 2 указывает, что масса частицы зависит от ее энергии и, следовательно, от скорости. Движущаяся частица тяжелее покоящейся. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света. Наиболее очевидный пример частицы с нулевой массой покоя - фотон. Считается, что электрон - самая легкая из частиц с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее, тогда как масса самой тяжелой частицы, которую удалось создать в лаборатории (Z-частицы), примерно в 200 000 раз больше массы электрона.

Электрический заряд частиц меняется в довольно узком диапазоне, но, как мы отмечали, всегда кратен фундаментальной единице заряда. Некоторые частицы, например фотон и нейтрино, не имеют электрического заряда. Если заряд положительно заряженного протона принять за +1, то заряд электрона равен -1.

В гл. 2 мы ввели еще одну характеристику частиц - спин. Он также всегда принимает значения, кратные некоторой фундаментальной единице, которая по историческим причинам выбрана равной 1 /2. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны также частицы со спином 0, 3/2 и 2. Фундаментальных частиц со спином больше 2 не обнаружено, и теоретики полагают, что частиц с такими спинами не существует.

Спин частицы - важная характеристика, и в зависимости от его величины все частицы разделяются на два класса. Частицы со спинами 0, 1 и 2 называются "бозонами" - в честь индийского физика Чатьендраната Бозе, а частицы с полуцелым спином (т.е. со спином 1/2 или 3/2 - "фермионами" в честь Энрико Ферми. Принадлежность к одному из этих двух классов является, вероятно, наиболее важной в перечне характеристик частицы.

Другая важная характеристика частицы - ее время жизни. До недавнего времени считалось, что электроны, протоны, фотоны и нейтрино абсолютно стабильны, т.е. имеют бесконечно большое время жизни. Нейтрон остается стабильным, пока он "заперт" в ядре, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы в высшей степени нестабильны, их времена жизни колеблются в пределах от нескольких микросекунд до 10-23 с. Такие интервалы времени кажутся непостижимо малыми, однако не следует забывать, что частица, летящая со скоростью, близкой к скорости света (а большинство частиц, рождающихся на ускорителях, движутся именно с такими скоростями), успевает пролететь за микросекунду расстояние в 300 м.

Нестабильные частицы претерпевают распад, представляющий собой квантовый процесс, и поэтому в распаде всегда есть элемент непредсказуемости. Продолжительность жизни конкретной частицы невозможно предсказать заранее. На основе статистических соображений можно предсказать лишь среднее время жизни. Обычно говорят о периоде полураспада частицы - времени, за которое популяция тождественных частиц сокращается наполовину. Эксперимент показывает, что уменьшение численности популяции происходит по экспоненте (см. рис. 6) и период полураспада составляет 0,693 от среднего времени жизни.

Физикам недостаточно знать, что та или иная частица существует - они стремятся понять, какова ее роль. Ответ на этот вопрос зависит от перечисленных выше свойств частиц, а также от характера сил, действующих на частицу извне и внутри ее. В первую очередь свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются андронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами, что означает "легкие". Познакомимся кратко с каждым из этих семейств.

Лептоны

Наиболее известен из лептонов электрон. Подобно всем лептонам, он, по-видимому, является элементарным, точечным объектом. Насколько известно, электрон не имеет внутренней структуры, т.е. не состоит из каких-то других частиц. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2, следовательно, они относятся к фермионам.

Другой хорошо известный лептон, но уже без заряда, - это нейтрино. Как уже говорилось в гл. 2, нейтрино неуловимы, словно призраки. Так как нейтрино не участвуют ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они почти полностью игнорируют вещество, проникая через него, как будто его вообще нет. Высокая проникающая способность нейтрино долгое время весьма затрудняла экспериментальное подтверждение их существования. Лишь почти через три десятилетия после предсказания нейтрино они были, наконец, обнаружены в лаборатории. Физикам пришлось ждать создания ядерных реакторов, при работе которых испускается огромное количество нейтрино, и только тогда удалось зарегистрировать лобовое столкновение одной частицы с ядром и тем самым доказать, что она действительно существует. Сегодня удаётся осуществить значительно больше экспериментов с пучками нейтрино, которые возникают при распаде частиц на ускорителе и обладают нужными характеристиками. Подавляющее большинство нейтрино "игнорирует" мишень, но время от времени нейтрино все же взаимодействуют с мишенью, что позволяет получить полезную информацию о структуре других частиц и природе слабого взаимодействия. Разумеется, проведение экспериментов с нейтрино в отличие от экспериментов с другими субатомными частицами не требует использования специальной защиты. Проникающая способность нейтрино столь велика, что они полностью безвредны и проходят сквозь человеческое тело, не причиняя ему ни малейшего вреда.

Несмотря на их неосязаемость, нейтрино занимают особое положение среди других известных частиц, поскольку являются наиболее распространенными частицами по Вселенной, превосходя по численности электроны и протоны в миллиард раз. Вселенная по существу представляет собой море нейтрино, в котором изредка встречаются вкрапления в виде атомов. Вполне возможно даже, что общая масса нейтрино превышает суммарную массу звезд, и поэтому именно нейтрино вносят основной вклад в космическую гравитацию. Согласно данным группы советских исследователей, нейтрино обладает крохотной, но не нулевой массой покоя (менее одной десятитысячной массы электрона); если это действительно так, то гравитационное нейтрино преобладают во Вселенной, что в будущем может вызвать ее коллапс. Так, нейтрино, на первый взгляд наиболее "безобидные" и бестелесные частицы, способны вызвать крушение всей Вселенной.

Среди прочих лептонов следует назвать мюон, открытый в 1936 г. в продуктах взаимодействия космических лучей; он оказался одной из первых известных нестабильных субатомных частиц. Во всех отношениях, кроме стабильности, мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. Мюоны широко распространены в природе, на их долю приходится значительная часть фонового космического излучения, которое регистрируется на поверхности Земли счетчиком Гейгера.

Долгие годы электрон и мюон оставались единственными известными заряженными лептонами. Затем в конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау-лептон". При массе около 3500 масс электрона тау-лептон заведомо является "тяжеловесом" в трио заряженных лептонов, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

Этим список известных лептонов отнюдь не исчерпывается. В 60-х годах было установлено, что существует несколько типов нейтрино. Нейтрино одного типа рождается вместе с электроном при распаде нейтрона, а нейтрино другого типа - при рождении мюона. Нейтрино каждого типа существует в паре со своим собственным заряженным лептоном; следовательно, есть "электронное нейтрино" и "мюонное нейтрино". По всей вероятности, должно существовать и нейтрино третьего типа - сопровождающее рождение тау-лептона. В таком случае общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов - шести (табл. 1). Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати.

Таблица 1

Шесть лептонов соответствуют заряженным и нейтральным модификациям (античастицы в таблицу не включены). Масса и заряд выражены в единицах соответственно массы и заряда электрона. Имеются данные, свидетельствующие о том, что нейтрино могут обладать небольшой массой

Адроны

В отличие от горстки известных лептонов адронов существует буквально сотни. Одно лишь это наводит на мысль, что адроны - не элементарные частицы, а построены из более мелких составляющих. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях, но встречаются в двух разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и распадаются либо менее чем за одну миллионную секунды за счет слабого взаимодействия, либо гораздо быстрее (за время порядка 10-23 с) - за счет сильного взаимодействия.

В 50-х годах физиков крайне озадачили численность и разнообразие адронов. Но мало-помалу частицы удалось классифицировать по трем важным характеристикам: массе, заряду и спину. Постепенно стали появляться признаки порядка и выстраиваться четкая картина. Появились намеки на то, что за кажущимся хаосом данных скрываются симметрии. Решающий шаг в раскрытии тайны адронов был сделан в 1963 г., когда Марри Гелл- Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института предложили теорию кварков.

Рис.10 Адроны построены из кварков. Протон (вверху) состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Более легкий пион (внизу) - это мезон, состоящий из одного u-кварка и одного d-антикварка. Другие адроны представляют собой всевозможные комбинации кварков.

Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк-антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы, что означает "тяжелые частицы". Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк-антикварк образуют частицы, получившие название мезоны - "промежуточные частицы". Выбор такого наименования объясняется тем, что первые обнаруженные мезоны занимали по массе промежуточное положение между электронами и протонами. Чтобы учесть все известные тогда адроны, Гелл-Манн и Цвейг ввели три различных типа ("аромата") кварков, получивших довольно причудливые названия: и (от up - верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный). Допуская возможность различных комбинаций ароматов, можно объяснить существование большого числа адронов. Например, протон состоит из двух и- и одного d-кварков (рис, 10), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка.

Чтобы предложенная Гелл-Манном и Цвейгом теория оказалась действенной, необходимо предположить, что кварки несут дробный электрический заряд. Иначе говоря, они обладают зарядом, величина которого составляет либо 1/3, либо 2/3 фундаментальной единицы - заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин 1/2. поэтому они относятся к фермионам. Массы кварков не установлены столь точно, как массы других частиц, поскольку энергия связи их в адроне сравнима с массами самих кварков. Однако известно, что s-кварк тяжелее и- и d-кварков.

Внутри адронов кварки могут находиться в возбужденных состояниях, во многом сходных с возбужденными состояниями атома, но со значительно большими энергиями. Избыток энергии, заключенный в возбужденном адроне, настолько увеличивает его массу, что до создания теории кварков физики ошибочно принимали возбужденные адроны за совершенно иные частицы. Ныне установлено, что многие из казавшихся различными адронов в действительности представляют собой лишь возбужденные состояния одного и того же фундаментального набора кварков.

Как уже говорилось в гл. 5, кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Но они участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

Существование s-кварков необходимо для построения так называемых "странных" частиц - тяжелых адронов, открытых в начале 50-х годов. Необычное поведение этих частиц, подсказавшее их название, состояло в том, что они не могли распадаться за счет сильного взаимодействия, хотя как сами, так и продукты их распада представляли собой адроны. Физики ломали голову над тем, почему, если и материнские, и дочерние частицы принадлежат к семейству адронов, сильное взаимодействие не вызывает их распада. По какой-то причине эти адроны "предпочитали" гораздо менее интенсивное слабое взаимодействие. Почему? Теория кварков естественным образом решила эту загадку. Сильное взаимодействие не может изменять аромат кварков - на это способно только слабое взаимодействие. А без изменения аромата, сопровождающегося превращением s-кварка в и- или d-кварк, распад невозможен.

В табл. 2 представлены различные возможные комбинации кварков с тремя ароматами и указаны их названия (обычно просто греческая буква). Многочисленные возбужденные состояния не приведены. То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, символизировало главный триумф теории кварков. Но несмотря на этот успех, лишь через несколько лет удалось получить прямые физические доказательства существования кварков.

Эти доказательства были получены в 1969 г. в серии исторических экспериментов, проведенных на большом линейном ускорителе в Станфорде (Калифорния, США) - СЛАКе. Станфордские экспериментаторы рассуждали просто. Если в протоне действительно существуют кварки, то можно наблюдать столкновения с этими частицами внутри протона. Необходим лишь субъядерный "снаряд", который можно было бы направить прямо в недра протона. Использовать для этой цели другой адрон бесполезно, так как он имеет такие же размеры, как и протон. Идеальным снарядом мог бы стать лептон, например электрон. Так как электрон не участвует в сильном взаимодействии, он не "увязнет" в среде, которую образуют кварки. Вместе с тем электрон может почувствовать присутствие кварков благодаря наличию у них электрического заряда.

Таблица 2

Трем ароматам кварков, u, d и s, соответствуют заряды +2/3, -1/3 и -1/3; они комбинируются по три, образуя восемь барионов, приведенных в таблице. Пары кварк- антикварк образуют мезоны. (Некоторые комбинации, такие, как sss опущены.)

В станфордском эксперименте трехкилометровый ускоритель по существу выполнял роль гигантского электронного "микроскопа", который позволил получить изображение внутренности протона. Обычный электронный микроскоп дает возможность различать детали размером менее одной миллионной сантиметра. Протон же в несколько десятков миллионов раз меньше, и его можно "прощупать" только электронами, разогнанными до энергии 2.1010 эВ. Во времена станфордских экспериментов лишь немногие физики придерживались упрощенной теории кварков. Большинство ученых ожидало, что электроны будут отклоняться электрическими зарядами протонов, но при этом считалось, что заряд равномерно распределен внутри протона. Если бы это было действительно так, то происходило бы в основном слабое рассеяние электронов, т.е. при прохождении через протоны электроны не претерпевали бы сильных отклонений. Эксперимент показал, что картина рассеяния резко отличается от предполагаемой. Все происходило так, как если бы некоторые электроны налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Теперь мы знаем, что такими твердыми вкраплениями внутри протонов являются кварки.

В 1974 г. упрощенному варианту теории кварков, которая к тому времени получила признание среди теоретиков, был нанесен чувствительный удар. С интервалом в несколько дней две группы американских физиков - одна в Станфорде во главе с Бартоном Рихтером, другая в Брукхейвенской национальной лаборатории под руководством Сэмюэла Тинга - объявили об открытии независимо друг от друга нового адрона, который получил название пси-частицы. Само по себе открытие нового адрона вряд ли было бы особо достопримечательным, если бы не одно обстоятельство: дело в том, что в схеме, предлагаемой теорией кварков, не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из и-, d- и s-кварков и их антикварков были уже "израсходованы". Из чего же состоит пси-частица?

Проблему удалось решить, обратившись к идее, которая уже некоторое время носилась в воздухе: должен существовать четвертый аромат, который до того никому не доводилось наблюдать. Новый аромат уже имел свое название - charm (очарование), или с. Было высказано предположение, что пси-частица - это мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка (с), т.е. cc. Так как антикварки являются носителями антиаромата, очарование у пси-частицы нейтрализуется, и поэтому экспериментального подтверждения существования нового аромата (очарования) пришлось ждать до тех пор, пока не удалось обнаружить мезоны, в состав которых очарованные кварки входили в паре с анти-кваркамп других ароматов. Ныне известна целая вереница очарованных частиц. Все они очень тяжелые, так что очарованный кварк оказался тяжелее странного кварка.

Описанная выше ситуация повторилась в 1977 г., когда на сцену вышел так называемый ипсилон-мезон (ИПСИЛОН). На этот раз без особых колебаний был введен пятый аромат, получивший название b-кварк (от bottom - дно, а чаще beauty - красота, или прелесть). Ипсилон-мезон представляет собой пару кварк- антикварк, состоящую из b-кварков, и поэтому он обладает скрытой красотой; но, как и в предыдущем случае, другая комбинация кварков позволила в конечном счете обнаружить "красоту".

Об относительных массах кварков можно судить хотя бы по тому, что легчайший из мезонов, пион, состоит из пар и- и d-кварков с антикварками. Пси-мезон примерно в 27 раз, а ипсилон-мезон не менее чем в 75 раз тяжелее пиона.

Постепенное расширение списка известных ароматов происходило параллельно увеличению числа лептонов; поэтому возник очевидный вопрос, будет ли когда-нибудь конец. Кварки были введены для того, чтобы упростить описание всего многообразия адронов, но и сейчас есть ощущение, что список частиц снова растет слишком быстро.

Со времен Демокрита основополагающая идея атомизма заключается в признании того, что в достаточно малых масштабах должны существовать подлинно элементарные частицы, из комбинаций которых состоит окружающее нас вещество. Атомистика привлекательна тем, что неделимые (по определению) фундаментальные частицы должны существовать в весьма ограниченном числе. Разнообразие природы обусловлено большим числом не составных частей, а их комбинаций. Когда обнаружилось, что существует множество различных атомных ядер, исчезла надежда, что то, что мы сегодня называем атомами, соответствует представлению древних греков об элементарных частицах вещества. И хотя по традиции мы продолжаем говорить о различных химических "элементах", известно, что атомы вовсе не элементарны, а состоят из протонов, нейтронов и электронов. И коль скоро число кварков оказывается слишком большим, возникает искушение предположить, что и они представляют собой сложные системы, состоящие из более мелких частиц.

Хотя по указанной причине и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают пептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь. Основания для подобной точки зрения возникают из сравнения свойств лептонов и кварков (табл. 3). Лептоны можно сгруппировать попарно, сопоставив каждому заряженному лептону соответствующее нейтрино. Кварки также можно сгруппировать попарно. Табл. 3 составлена таким образом, что по структуре каждая клетка повторяет расположенную непосредственно перед ней. Например, во второй клетке мюон представлен как "тяжелый электрон", а очарованный и странный кварки - как тяжелые варианты и- и d-кварков. Из следующей клетки видно, что тау-лептон является еще более тяжелым "электроном", а b-кварк - тяжеловесной разновидностью d-кварка. Для полной аналогии необходимы еще одно (тау-лептониое) нейтрино и.шестой аромат кварков, уже получивший название истинного (truth, t). В период работы над этой книгой экспериментальные данные в пользу существования t-кварков не были еще достаточно убедительными, и некоторые физики сомневались в том, что t-кварки вообще существуют.

Таблица 3

Лептоны и кварки естественно объединяются в пары. как показано в таблице. Окружающий нас мир состоит из четырех первых частиц. Но следующие группы, по-видимому, повторяют верхнюю и состоят, кроне нейтрино, из крайне нестабильных частиц.

Могут ли существовать четвертая, пятая и т.д. пары, содержащие еще более тяжелые частицы? Если да, то следующее поколение ускорителей, вероятно, даст физикам возможность обнаружить такие частицы. Однако высказывается любопытное соображение, из которого следует, что иных пар, кроме трех названных, не существует. Это соображение основано на числе типов нейтрино. Мы вскоре узнаем, что в момент Большого взрыва, ознаменовавшего возникновение Вселенной, происходило интенсивное рождение нейтрино. Своеобразная демократия гарантирует каждому виду частиц одинаковую с остальными долю энергии; поэтому, чем больше различных типов нейтрино, тем больше энергии содержится в море нейтрино, заполняющем космическое пространство. Вычисления показывают, что если существует более трех разновидностей нейтрино, то гравитация, создаваемая всеми ими, оказывала бы сильное возмущающее действие на ядерные процессы, протекавшие в первые несколько минут жизни Вселенной. Следовательно, из этих косвенных соображений следует весьма правдоподобный вывод о том, что тремя парами, показанными в табл. 3, исчерпываются все кварки и лептоны, которые существуют в природе.

Интересно отметить, что все обычное вещество во Вселенной состоит лишь из двух легчайших лептонов (электрона и электронного нейтрино) и двух легчайших кварков ( и и d). Если бы все остальные лептоны и кварки внезапно прекратили свое существование, то в окружающем нас мире, по-видимому, очень мало что изменилось бы.

Возможно, более тяжелые кварки и лептоны играют роль своего рода дублеров легчайших кварков и лептонов. Все они нестабильны и быстро распадаются на частицы, расположенные в верхней клетке. Например, тау-лептон и мюон распадаются на электроны, в то время как странные, очарованные и красивые частицы довольно быстро распадаются либо на нейтроны или протоны (в случае барионов), либо на лептоны (в случае мезонов). Возникает вопрос: для чего существуют все эти частицы второго и третьего поколений? Зачем они понадобились природе?

Частицы - переносчики взаимодействий

Шестью парами лептонов и кварков, образующих строительный материал вещества, отнюдь не исчерпывается перечень известных частиц. Некоторые из них, например фотон, не включены в кварковую схему. Частицы, "оставшиеся за бортом", не являются "кирпичиками мироздания", а образуют своего рода "клей", не позволяющий миру распадаться на части, т.е. они связаны с четырьмя фундаментальными взаимодействиями.

Помню, как в детстве мне рассказывали, что Луна заставляет океаны подниматься и опускаться во время ежедневных приливов и отливов. Для меня всегда было загадкой, каким образом океан узнаёт, где находится Луна, и следует за ее движением в небе. Когда уже в школе я узнал о гравитации, мое недоумение только усилилось. Каким образом Луна, преодолев четверть миллиона километров пустого пространства, ухитряется "дотянуться" до океана? Стандартный ответ - Луна создает в этом пустом пространстве гравитационное поле, действие которого достигает океана, приводя его в движение, - конечно, имел какой-то смысл, но все же не удовлетворял меня до конца. Ведь мы не можем видеть гравитационное поле Луны. Может, так только говорится? Разве это действительно объясняет что-нибудь? Мне всегда казалось, что Луна должна каким-то образом сообщать океану, где она находится. Между Луной и океаном должен происходить какой-то обмен сигналами, чтобы вода знала, куда двигаться.

Со временем выяснилось, что представление о силе, передаваемой через пространство в форме сигнала, не так уж далеко от современного подхода к этой проблеме. Чтобы понять, каким образом возникает такое представление, следует рассмотреть более подробно природу силового поля. В качестве примера выберем не океанские приливы, а более простое явление: два электрона сближаются, а затем под действием электростатического отталкивания разлетаются в разные стороны. Физики называют этот процесс проблемой рассеяния. Разумеется, электроны не толкают друг друга буквально. Они взаимодействуют на расстоянии, через электромагнитное поле, порождаемое каждым электроном.

Рис.11. Рассеяние двух заряженных частиц. Траектории частиц искривляются по мере их сближения вследствие действия силы электрического отталкивания.

Нетрудно представить картину рассеяния электрона на электроне. Первоначально электроны разделены большим расстоянием и слабо воздействуют друг на друга. Каждый электрон движется почти прямолинейно (рис. 11). Затем, по мере того как в работу включаются силы отталкивания, траектории электронов начинают искривляться, пока частицы максимально не сблизятся; после этого траектории расходятся, а электроны разлетаются, вновь начиная двигаться по прямолинейным, но уже расходящимся траекториям. Модель такого рода нетрудно продемонстрировать в лаборатории, используя вместо электронов электрически заряженные шарики. И снова возникает вопрос: откуда частица "знает", где находится другая частица, и соответственно этому меняет свое движение.

Хотя картина искривленных траекторий электронов довольно наглядна, она в ряде отношений совершенно непригодна. Дело в том, что электроны - квантовые частицы и их поведение подчиняется специфическим законам квантовой физики. Прежде всего электроны не движутся в пространстве по вполне определенным траекториям. Мы еще можем тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути - до и после рассеяния, по сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неизвестным и неопределенным. Кроме того, интуитивное представление о непрерывном обмене энергией и импульсом между электроном и полем, как бы ускоряющим электрон, противоречит существованию фотонов. Энергия и импульс могут переноситься полем только порциями, или квантами. Более точную картину возмущения, вносимого полем в движение электрона, мы получим, предположив, что электрон, поглощая фотон поля, как бы испытывает внезапный толчок. Следовательно, на квантовом уровне акт рассеяния электрона на электроне можно изобразить, как показано на рис. 12. Волнистая линия, соединяющая траектории двух электронов, соответствует фотону, испущенному одним электроном и поглощенному другим. Теперь акт рассеяния предстает как внезапное изменение направления движения каждого электрон

Рис.12. Квантовое описание рассеяния заряженных частиц. Взаимодействие частиц обусловлено обменом переносчиком взаимодействия, или виртуальным фотоном (волнистая линия).

Диаграммы такого рода впервые применил Ричард Фейнман для наглядного представления различных членов уравнения, и первоначально они имели чисто символическое значение. Но затем диаграммы Фейнмана стали использовать для схематического изображения взаимодействий частиц. Такие картинки как бы дополняют интуицию физика, однако их следует толковать известной долей осторожности. Например, в траектории электрона никогда не наблюдается резкого излома. Поскольку нам известны только начальное и конечное положения электронов, мы не знаем точно момента, когда происходит обмен фотоном, и какая из частиц испускает, а какая поглощает фотон. Все эти детали скрыты пеленой квантовой неопределенности.

Несмотря на это предостережение, диаграммы Фейнмана оказались эффективным средством квантового описания взаимодействия. Фотон, которым обмениваются электроны, можно рассматривать как своего рода посыльного одного из электронов, сообщающего другому: "Я здесь, так что пошевеливайся!". Разумеется, все квантовые процессы носят вероятностный характер, поэтому подобный обмен происходит лишь с определенной вероятностью. Может случиться, что электроны обменяются двумя и более фотонами (рис. 13), хотя это менее вероятно.

Важно отдавать себе отчет в том, что в действительности мы не видим фотонов, снующих от одного электрона к другому. Переносчики взаимодействия - "внутреннее дело" двух электронов. Они существуют исключительно для того, чтобы сообщать электронам, как двигаться, и, хотя они переносят энергию и импульс, соответствующие законы сохранения классической физики на них не распространяются. Фотоны в этом случае можно уподобить мячу, которым обмениваются на корте теннисисты. Подобно тому как теннисный мяч определяет поведение теннисистов на игровой площадке, фотон влияет на поведение электронов.

Успешное описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика сопровождалось расширением понятия фотона: фотон оказывается не только частицей видимого нами света, но и призрачной частицей, которую "видят" только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние. Иногда наблюдаемые нами фотоны называют реальными, а фотоны, переносящие взаимодействие, - виртуальными, что напоминает об их скоротечном, почти призрачном существовании. Различие между реальными и виртуальными фотонами несколько условно, но тем не менее эти понятия получили широкое распространение.

Описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятия виртуальных фотонов - его переносчиков - по своему значению выходит за рамки просто иллюстраций квантового характера. В действительности речь.идет о продуманной до мельчайших деталей и оснащенной совершенным математическим аппаратом теории, известной под названием квантовой электродинамики, сокращенно КЭД. Когда КЭД была впервые сформулирована (это произошло вскоре после второй мировой войны), физики получили в свое распоряжение теорию, удовлетворяющую основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности. Это прекрасный случай увидеть совместные проявления двух важных аспектов новой физики и. проверить их экспериментально.

Теоретически создание КЭД явилось выдающимся достижением. Более ранние исследования взаимодействия фотонов и электронов имели весьма ограниченный успех из-за математических трудностей. Но коль скоро теоретики научились правильно проводить вычисления, все остальное становилось на место. КЭД предложила процедуру получения результатов любого сколь угодно сложного процесса с участием фотонов и электронов.

Рис.13. Рассеяние электронов обусловлено обменом двумя виртуальными фотонами. Такие процессы составляют небольшую поправку к основному процессу, изображенному на рис. 11

Чтобы проверить, насколько хорошо теория согласуется с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, представлявших особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода - простейшего атома. КЭД предсказывала, что уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы, если бы не существовало виртуальных фотонов. Теория очень точно предсказывала величину этого смещения. Эксперимент по обнаружению и измерению смещения с предельной точностью осуществил Уиллис Лэмб из Университета шт. Аризона. Ко всеобщему восторгу результаты вычислений прекрасно совпадали с экспериментальными данными.

Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. И снова результаты теоретических расчетов и эксперимента полностью совпали. Теоретики принялись уточнять вычисления, экспериментаторы - усовершенствовать приборы. Но, хотя точность как теоретических предсказаний, так и экспериментальных результатов непрерывно повышалась, соответствие между КЭД и экспериментом оставалось безукоризненным. Ныне теоретические и экспериментальные результаты по-прежнему согласуются в пределах достигнутой точности, что означает совпадение более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественнонаучных теорий.

Нужно ли говорить, что после подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики. Для описания гравитации был введен гравитон, играющий такую же роль, как фотон. При гравитационном взаимодействии двух частиц между ними происходит обмен гравитонами. Это взаимодействие можно представить наглядно с помощью диаграмм, напоминающих те, что показаны на рис. 12 и 13. Именно гравитоны переносят сигналы от Луны океанам, следуя которым те поднимаются во время приливов и опускаются при отливах. Гравитоны, снующие между Землей и Солнцем, удерживают нашу планету на орбите. Гравитоны накрепко приковывают нас к Земле.

Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света, следовательно, гравитоны - это частицы с "нулевой массой покоя". Но на этом сходство между гравитонами и фотонами кончается. В то время как фотон имеет спин 1, спин гравитона равен 2.

Таблица 4

Частицы-переносчики четырех фундаментальных взаимодействий. Масса выражена в единицах массы протона.

Это важное различие, поскольку оно определяет направление силы: при электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы, например электроны, отталкиваются, а при гравитационном - все частицы притягиваются друг к другу.

Гравитоны могут быть реальными и виртуальными. Реальный гравитон - это не что иное, как квант гравитационной волны, подобно тому как реальный фотон - квант электромагнитной волны. В принципе реальные гравитоны можно "наблюдать". Но поскольку гравитационное взаимодействие невероятно слабое, гравитоны не удается детектировать непосредственно. Взаимодействие гравитонов с другими квантовыми частицами настолько слабое, что вероятность рассеяния или поглощения гравитона, например, протоном бесконечно мала.

Основная идея обмена частицами-переносчиками распространяется и на остальные взаимодействия (табл. 4) - слабое и сильное. Однако в деталях имеются важные различия. Напомним, что сильное взаимодействие обеспечивает связь между кварками. Такую связь может создать силовое поле, сходное с электромагнитным, но более сложное. Электрические силы приводят к образованию связанного состояния двух частиц с зарядами противоположных знаков. В случае кварков возникают связанные состояния трех частиц, что свидетельствует о более сложном характере силового поля, которому соответствуют три разновидности "заряда". Частицы - переносчики взаимодействия между кварками, связывающие их попарно или тройками, называют глюонами.

В случае слабого взаимодействия ситуация несколько иная. Радиус этого взаимодействия чрезвычайно мал. Поэтому переносчиками слабого взаимодействия должны быть частицы с большими массами покоя. Энергию, заключенную в такой массе, приходится "брать в долг" в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, о котором уже шла речь на с. 50. Но поскольку "взятая в долг" масса (и, следовательно, энергия) столь велика, принцип неопределенности требует, чтобы срок погашения такого кредита был чрезвычайно коротким - всего лишь около 10^-28с. Столь короткоживущие частицы не успевают отойти особенно далеко, и радиус переносимого ими взаимодействия очень мал.

В действительности существуют два типа переносчиков слабого взаимодействия. Один из них во всем, кроме массы покоя, подобен фотону. Эти частицы называют Z-частицами. По существу Z-частицы представляют собой новую разновидность света. Другой тип переносчиков слабого взаимодействия, W-частицы, отличаются от Z-частиц наличием электрического заряда. В гл. 7 мы обсудим более подробно свойства Z- и W-частиц, которые были открыты лишь в 1983 г.

Классификация частиц на кварки, лептоны и переносчики взаимодействий завершает перечень известных субатомных частиц. Каждая из названных частиц играет свою, но решающую роль в формировании Вселенной. Не будь частиц-переносчиков, не существовало бы и взаимодействий, и каждая частица осталась бы в неведении относительно своих партнеров. Не могли бы возникнуть сложные системы, любая деятельность была бы невозможна. Без кварков не было бы ни атомных ядер, ни солнечного света. Без лептонов не могли бы существовать атомы, не возникли бы химические структуры и сама жизнь.

Каковы задачи физики элементарных частиц?

Влиятельная британская газета "Гардиан" однажды опубликовала редакционную статью, в которой ставится под вопрос целесообразность развития физики элементарных частиц - дорогостоящего предприятия, которое поглощает не только заметную долю национального бюджета науки, но и львиную долю лучших умов. "Знают ли физики, что они делают? - вопрошала "Гардиан". - Если даже знают, то какая от этого польза? Кому, кроме физиков, нужны все эти частицы?".

Через несколько месяцев после этой публикации мне довелось присутствовать в Балтиморе на лекции Джорджа Киуорта, советника президента США по науке. Киуорт также обратился к физике элементарных частиц, но его лекция была выдержана в совершенно другом тоне. Американские физики были под впечатлением недавнего сообщения из ЦЕРНа, ведущей Европейской лаборатории по физике элементарных частиц, об открытии фундаментальных W- и Z-частиц, которые удалось, наконец, получить на большом протон-антипротонном ускорителе на встречных пучках (коллайдере). Американцы привыкли, что все сенсационные открытия совершаются в их лабораториях физики высоких энергий. Не является ли то, что они уступили пальму первенства, признаком научного и даже национального упадка?

У Киуорта не вызывало сомнений, что для процветания США вообще и американской экономики в частности необходимо, чтобы страна занимала передовые рубежи в научных исследованиях. Основные проекты фундаментальных исследований, заявил Киуорт, находятся на острие прогресса. Соединенные Штаты должны вернуть свое превосходство в области физики элементарных частиц,

На той же неделе по информационным каналам понеслись сообщения об американском проекте гигантского ускорителя, предназначенного для проведения нового поколения экспериментов по физике элементарных частиц. Основные затраты предусматривались в размере 2 млрд. долл., что делало этот ускоритель самой дорогой машиной из когда-либо построенных человеком. Этот гигант дядюшки Сэма, по сравнению с которым даже новый ускоритель ЦЕРНа ЛЭП покажется карликом, настолько велик, что внутри его кольца могло бы целиком разместиться государство Люксембург! Гигантские сверхпроводящие магниты предназначены для создания интенсивных магнитных полей, которые будут заворачивать пучок частиц, направляя его вдоль кольцевидной камеры; она представляет собой настолько огромное сооружение, что новый ускоритель предполагается разместить в пустыне. Хотелось бы знать, что думает по этому поводу редактор газеты "Гардиан".

Известная под названием Сверхпроводящий суперколлайдер (Superconducting Super Collider, SSC), но чаще именуемая "де-зертрон" (от англ. desert - пустыня. - Ред.), эта чудовищная машина сможет ускорять протоны до энергий, примерно в 20 тыс. раз превышающих энергию (массу) покоя. Эти цифры можно интерпретировать по-разному. При максимальном ускорении частицы будут двигаться со скоростью всего на 1 км/ч меньше скорости света - предельной скорости во Вселенной. Релятивистские эффекты при этом столь велики, что масса каждой частицы в 20 тыс. раз больше, чем в состоянии покоя. В системе, связанной с такой частицей, время растянуто настолько, что 1 с соответствует 5,5 ч в нашей системе отсчета. Каждый километр камеры, по которой проносится частица, будет "казаться" ей сжатым всего лишь до 5,0 см.

Что за крайняя нужда заставляет государства расходовать столь огромные ресурсы на все более разрушительное расщепление атома? Есть ли какая-нибудь практическая польза в таких исследованиях?

Любой большой науке, безусловно, не чужд дух борьбы за национальный приоритет. Здесь так же, как в искусстве или спорте, приятно завоевывать призы и мировое признание. Физика элементарных частиц стала своего рода символом государственной мощи. Если она развивается успешно и дает ощутимые результаты, то это свидетельствует о том, что наука, техника, равно как и экономика страны в целом, находятся в основном на должном уровне. Это поддерживает уверенность в высоком качестве продукции других отраслей технологии более общего назначения. Для создания ускорителя и всего сопутствующего оборудования требуется очень высокий уровень профессионализма. Накопленный при разработке новых технологий ценный опыт может оказать неожиданное и благотворное влияние на другие направления научных исследований. Например, научно-исследовательские разработки по сверхпроводящим магнитам, необходимым для "дезертрона", проводятся в США на протяжении двадцати лет. Тем не менее они не приносят прямой выгоды и поэтому их трудно оценить. А нет ли каких-нибудь более ощутимых результатов?

В поддержку фундаментальных исследований иногда приходится слышать и другой аргумент. Физика, как правило, опережает технологию примерно на пятьдесят лет. Практическое применение того или иного научного открытия поначалу отнюдь не очевидно, однако лишь немногие из значительных достижений фундаментальной физики не нашли со временем практических приложений. Вспомним теорию электромагнетизма Максвелла: мог ли ее создатель предвидеть создание и успехи современных телекоммуникации и электроники? А слова Резерфорда о том, что ядерная энергия вряд ли когда-нибудь найдет практическое применение? Можно ли предсказать, к чему способно привести развитие физики элементарных частиц, какие удастся обнаружить новые силы и новые принципы, которые расширят наше понимание окружающего мира и дадут нам власть над более широким кругом физических явлений. А это может привести к развитию не менее революционных по своему характеру технологий, чем радио или ядерная энергетика.

Большинство разделов науки в конечном итоге находили и определенное военное применение. В этом отношении физика элементарных частиц (в отличие от ядерной физики) пока оставалась неприкосновенной. По случайному стечению обстоятельств лекция Киуорта совпала с рекламной шумихой вокруг предложенного президентом Рейганом спорного проекта создания противоракетного, так называемого пучкового, оружия (данный проект является частью программы, получившей название "Стратегическая оборонная инициатива", СОИ). Суть этого проекта в использовании против ракет противника пучков частиц высокой энергии. Такое применение физики элементарных частиц выглядит поистине зловещим.

Преобладает мнение, что создание подобных устройств неосуществимо. Большинство ученых, работающих в области физики элементарных частиц, считают эти идеи абсурдными и противоестественными, резко высказываются против предложения президента. Осудив ученых, Киуорт призвал их "поразмыслить над тем, какую роль они могут сыграть" в реализации проекта пучкового оружия. Это обращение Киуорта к физикам (конечно, чисто случайно) последовало за его словами относительно финансирования физики высоких энергий.

По моему твердому убеждению, физикам, работающим в области высоких энергий, нет нужды оправдывать необходимость фундаментальных исследований ссылками на приложения (особенно военные), исторические аналоги или смутные обещания возможных технических чудес. Физики проводят эти исследования прежде всего во имя своего неистребимого желания узнать, как устроен наш мир, стремления более детально понять природу. Физика элементарных частиц не имеет себе равных среди других видов человеческой деятельности. На протяжении двух с половиной тысячелетий человечество стремилось найти изначальные "кирпичики" мироздания, и теперь мы близки к конечной цели. Гигантские установки помогут нам проникнуть в самое сердце материи и вырвать у природы ее сокровеннейшие тайны. Человечество могут ожидать неожиданные приложения новых открытий, неведомые ранее технологии, но может оказаться, что физика высоких энергий ничего не даст для практики. Но ведь и от величественного собора или концертного зала немного практической пользы. В этой связи нельзя не вспомнить слова Фарадея, заметившего как-то: "Что толку от новорожденного?". Далекие от практики виды человеческой деятельности, к коим относится и физика элементарных частиц, служат свидетельством проявления человеческого духа, без которого мы были бы обречены в нашем излишне материальном и прагматичном мире.