Концепции современного естествознания

дающихся и аннигилирующих виртуальных частиц [18].

Нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков. Эта частица устойчива только в составе стабильных атомных ядер, свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Период полураспада нейтрона (время за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 минут. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше времени вследствие сильного поглощения их ядрами. Как и протон, нейтрон участвует во всех видах взаимодействий, в том числе в электромагнитном: при общей нейтральности вследствие сложного внутреннего строения в нем существуют электрические токи.

Заряд ядра равен целому числу Z (порядковому номеру элемента) единиц зарядов протона. Его пишут слева внизу у символа элемента. Сумму протонов Z и нейтронов N, содержащихся в ядре атома, называют ядерным массовым числом (или просто массовым числом): А = Z + N. Массовое число обычно пишут слева вверху у символа атома. Так, запись 12С обозначает атом углерода с ядерным массовым числом 12.

Масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, входящих в это ядро. Разность между массами ядра и нуклонов называют дефектом массы. Например, масса изотопа гелия равна 4,0015 атомных единиц массы (а.е.м),

вто время как сумма масс двух протонов и двух нейтронов составляет 4,0319 а.е.м., соответственно дефект массы равен 0,0304 а.е.м. Дефект массы определяет устойчивость атомных ядер и энергию связи нуклонов

вядре, Он соответствует энергии, которая выделяется при образовании

ядра из протонов и нейтронов и может быть рассчитана по уравнению Эйнштейна: E = mс2, где E- энергия; m – масса; c – скорость света.

Согласно этому уравнению, уменьшение массы на 0,0304 а.е.м. при

образовании ядра гелия из двух протонов и двух нейтронов соответствует выделению энергии 4,52·10–12Дж или 2,72·109 кДж – на 1 моль ядер гелия.

Соответственно средняя энергия связи в ядре гелия на 1 моль нуклонов составляет 6,8·108. кДж, т.е. в миллион раз превышает энергию связи атомов в молекулах.

Существуют ядра с одним и тем же значением Z, но с различным значением А, т. е. ядра с различным содержанием нейтронов. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное количество нейтронов, называются

изотопами. Так, символами: 126 Си 136 С обозначают изотопы углерода. Большинство химических элементов является совокупностями изотопов. Например, природный кислород состоит из изотопов 168 О (99,76%), 178 О (0,04%) и 188 О (0,2%), природный хлор – из изотопов 1735 Сl (75,53%) и

131

3717 Сl (24,47%). Наличие нескольких изотопов у элементов – основная

причина дробных значений атомных масс элементов. Наиболее многочисленны изотопы (по 6 – 10) у элементов с Z от 40 до 56, т. е. расположенных в середине периодической системы элементов. При этом число устойчивых (стабильных) изотопов меньше числа неустойчивых, т. е. радиоактивных. Элементы, начиная с 84 (полоний) и кончая 92 (уран), состоят только из неустойчивых изотопов. При Z > 92 изотопы становятся настолько нестабильными, что все тяжелые элементы, начиная с нептуния (93), получены искусственным путем.

Так как изотопы одного и того же элемента имеют одинаковый заряд ядра и соответственно одинаковое электронное строение, то химические свойства их практически тождественны. Исключение составляют изотопы легких элементов, у которых атомные массы существенно различаются. У таких изотопов и их соединений наблюдается заметная разница химиче-

ских свойств. Примером таких изотопов могут быть протий 11H , дейтерий

21Н и тритий 31Н.

Многие ядра атомов неустойчивы и могут самопроизвольно превращаться в другие ядра. Явление самопроизвольного распада ядер природных элементов получило название естественной радиоактивности. Естественная радиоактивность открыта французскими физиками А. Беккерелем (1896), М. Кюри и П. Кюри (1898). К основным типам самопроизвольных ядерных процессов относятся α и β-распады и спонтанное деление. При α-распаде ядро испускает α-частицы, (ядра гелия) с массовым, числом четыре и положительным зарядом два, что приводит к образованию изотопа элемента с зарядом ядра на две единицы меньше исходного. Выделение α-частиц характерно для большинства элементов: с массовыми числами, превышающими 208, например для изотопа урана:

23492 U→23090Th+42He .

При β-распаде происходит испускание ядром электрона e– или позитрона e+ или захват ядром электрона с одного из ближайших к ядру энергетических уровней. При этом нейтрон превращается в протон или протон

– в нейтрон. β-распад сопровождается выделением заряженных частиц нейтрино или антинейтрино. Нейтрино и антинейтрино обозначаются

символами соответственно υ	и υ. При электронном β-распаде
n →p + e− + υ излучаются электрон и антинейтрино.
Например, 21483 Bi→21484 Po + e− + υ.
При позитронном β-распаде	n → p + e+ + υ испускаются позитрон и

нейтрино.

132

Например, 116 C→115 B + e+ + υ

При электронном захвате, p + e− → n + υ ядро захватывает электрон с ближайшего уровня и испускает нейтрино.

Например, 7234Se + e−→7233 As + υ

При β-распаде массовое число ядер не изменяется. При β-распаде возникают атомы, новых элементов, смещенных на одно место от исходного элемента к концу периодической системы (для электронного β- распада ) или к её началу (для позитронного β-распада или электронного захвата).

Спонтанным делением называется самопроизвольный распад ядер тяжелых элементов на два (реже на три, четыре) ядра атомов элементов, находящихся в середине периодической системы. Спонтанное деление со-

провождается излучением нейтронов. Спонтанному делению подвергаются ядра атомов урана (235U и 238U), тория (230Th и 232Th) и др., например

23292 U→13856 Ba+8636Kr +8n

Продолжительность ядерных процессов варьируется в очень больших пределах, от малых долей секунды до миллиарда лет и более. Реакция радиоактивного распада, подчиняется кинетическому уравнению для реакций первого порядка Nt = N0 e–λt, где Nt – число не распавшихся ядер к моменту времени t; N0 – первоначальное число ядер; λ – постоянная радиоактивного распада.

Для характеристики скорости распада радиоактивных веществ используют величину, называемую периодом полураспада.

Период полураспада t1/2 – промежуток времени, в течение которого первоначальное число ядер радиоактивного вещества вследствие распада уменьшается вдвое.

Все элементы, находящиеся в периодической системе элементов после висмута, радиоактивны. Среди последних существуют три элемента, а

именно: торий-232 (t ½=1,39·1010 лет), уран-235 (t ½ =7·108 лет) и уран-238 (t½=4,5·109 лет), продолжительность жизни которых достаточно высока, чтобы они могли сохраниться на Земле в течение прошедших 4,5 - 5 млрд. лет ее существования.

Изотопы 23290 Th, 23892 U и 23592 U – родоначальники природных радиоак-

тивных рядов тяжелых элементов, названных соответственно рядом тория, урана и актиноурана; α- и β- превращения в этих рядах заканчивают-

ся образованием трех устойчивых изотопов свинца: 20882 Pb , 20782 Pb и

20682 Pb .

В ядре нуклоны связаны силами особого рода – ядерными. Одна из характерных их особенностей – короткодействие: на расстояниях порядка

133

10-15 м. и меньше они превышают любые другие силы, вследствие чего нуклоны не разлетаются под действием электростатического отталкивания одноименно заряженных протонов. При больших расстояниях ядерные силы очень быстро уменьшаются до нуля.

Механизм действия ядерных сил основан на том же принципе что и электромагнитных – на обмене взаимодействующих объектов виртуальными частицами.

Виртуальные частицы в квантовой теории – это частицы, которые имеют такие же квантовые числа (спин, электрической и барионной заряды и др.), как и соответствующие реальные частицы, но для которых не выполняется обычная связь между энергией, импульсом и массой. Возможность такого нарушения вытекает из квантового соотношения неопределенностей между энергией временем и может происходить лишь в течение малого промежутка времени, что препятствует экспериментальной регистрации виртуальных частиц. Соотношение неопределенностей, или принцип неопределенности для энергии и времени гласит: энергию физической системы даже в стационарном состоянии можно измерить лишь с точностью, не превышающей результат деления постоянной Планка на время измерения. Иначе говоря, по принципу неопределенности на короткое время, равное отношению постоянной Планка к неопределенности энергии ∆E, любая система (в том числе и вакуум) может перейти в состояние, отличающееся на ∆Е. Такие переходы соответствуют рождению частиц на указанное выше короткое время.

Первые идеи в попытке объяснить ядерные силы как постоянный обмен некими частицами были высказаны в 30-е годы японским физиком Хидэки Юкавой (1907 – 1981гг.). В рамках квантовой теории существует связь между массой обмениваемой частицы и радиусом соответствующего взаимодействия. Следовательно, на основе ограниченности радиуса действия ядерных сил логично заключить, что сильное взаимодействие обусловлено обменом массивными частицами. Конкретно их масса оценивается в 10 – 150 МэВ, т. е. 1/7–1/9 массы протона. Меньше чем через 10 лет после предсказания Юкавы эти частицы, пи-мезоны, были обнаружены опытным путем.

Однако, начиная с 1970 г. физики открыли много новых свойств сильного взаимодействия, не укладывающихся в рамки теории Юкавы. Вновь обретенные знания привели к тому, что в течение нескольких лет была разработана новая теория сильного взаимодействия – так называемая квантовая хромодинамика. Эта теория имеет дело с кварками. Гипотезу кварков предложил в 1967 г. американский физик-теоретик М. Гелл-Ман

(р. 1929г.).

Кварк – частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом, со-

134

ставной элемент адронов. Это название было заимствовано М. ГеллМаном в одном из фантастических романов и означает нечто пустяковое и странное.

Помимо спина, кварки имеют еще две внутренние степени свободы – «аромат» и «цвет» (степень свободы – независимое возможное изменение состояния физической системы, обусловленное вариациями ее параметров). Каждый кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний, которые условно называют красным, синим и желтым (только для удобства – никакого отношения к оптическим свойствам это не имеет). В наблюдаемых адронах кварки скомбинированы таким образом, что возникающие состояния не несут цвета – являются «бесцветными». Ароматов известно пять и предполагается наличие шестого. Свойства кварков разных ароматов различны.

Обычное вещество состоит из легких и- и d-кварков, входящих в состав нуклонов ядер. Более тяжелые кварки создаются искусственно или наблюдаются в космических лучах. Здесь слова «создаются» и «наблюдаются» нельзя понимать буквально – ни один кварк не был зарегистрирован в свободном виде, их можно наблюдать только внутри адронов. При попытке выбить кварк из адрона происходит следующее: вылетающий кварк рождает на своем пути из вакуума пары кварк – антикварк, расположенные в порядке убывания скоростей. Один из медленных кварков занимает место исходного, а тот вместе с остальными рожденными кварками и антикварками образует адроны.

Цветовой заряд в квантовой хромодинамике является аналогом электрического заряда, порождающего электромагнитное поле. Цветовой заряд тоже порождает поле – глюонное. Взаимодействие кварков осуществляется путем обмена глюонными полями восьми цветовых разновидностей. В отличие от электромагнитного поля эти поля, являясь цветовыми, обладают цветовым зарядом и поэтому сами порождают глюонные поля и взаимодействуют друг с другом, вследствие чего уравнения для глюонного поля нелинейны. Квантами глюонных полей являются глюоны.

Название глюонов произошло от английского «glue» – клей. Лишенные массы покоя и электрического заряда, глюоны в какой-то мере подобны фотонам. Они могут перемещаться в пределах расстояний 10–15 м. Как и кварки, глюоны существуют лишь внутри адронов, и об их присутствии можно судить только по следствиям, которые они вызывают. Так, когда электрон и позитрон аннигилируют при высоких энергиях, происходит сначала превращение этой пары в виртуальный фотон, порождающий пару кварк-антикварк. Разлет последних сопровождается появлением новых пар кварков, формирующих адроны, которые разлетаются в противоположные стороны в виде двух струй. Но существует вероятность и

135

трехструйного процесса – первая пара кварк-антикварк может испустить тормозной глюон. При высокой энергии этот глюон способен породить еще одну адронную струю, отличную по направлению от остальных двух. И действительно, такие трехструйные процессы были обнаружены, когда в ускорителе сталкивающимся электронно-позитронным пучкам была сообщена достаточная энергия. И хотя трехструйных событий зарегистрировано немного (около 10 на 1 эксперимент, что соответствует прогнозу), результаты не объясняются присутствием одних только кварков.

Наиболее острая проблема квантовой хромодинамики – причина отсутствия свободных кварков и глюонов. Она тесно связана с тем, что дальнодействующие силы между кварками из-за обмена безмассовыми глюонами) превращаются в короткодействующие ядерные силы между адронами. Обычно считается, что по мере удаления цветового кварка, например, в протоне эффективное взаимодействие его возрастает настолько, что из физического вакуума рождается пара кварк-антикварк, обесцвечивающая как вылетающий кварк, так и остаток протона кварк превращается в виртуальный мезон, ответственный за ядерные силы. Однако какиелибо доказательства данного механизма пока отсутствуют.

3.4. Модели атомного ядра

Для серьезного развития серьезных наук нет ничего пагубнее звериной серьезности. Нужен юмор и некоторая издевка над собой и науками. Тогда все будет процветать.

Н. Бор

Науку надо делать весело и красиво, иначе нечего в нее и соваться.

Тимофеев-Ресовский

В ядерной физике используются различные теоретические модели, которые могут показаться противоречащими друг другу. Н. Бор и советский физик Я.И. Френкель (1894 – 1952 гг.) предложили в 1936 г. капельную модель атомного ядра, согласно которой оно уподобляется капле заряженной плотной жидкости, состоящей из интенсивно взаимодействующих между собой нуклонов (нейтронов и протонов). Как и в капле обычной жидкости, поверхность капли-ядра может колебаться, что при некоторых условиях приводит к развалу ядра. иными словами, к делению ядра. Американский физик М. Гепперт-Майер (1906 – 1972 гг.) и одновременно немецкий физик X. Йенсен (1907 – 1973 гг.) разработали в 1950 г. оболочечную модель атомного ядра, по которой нуклоны движутся независимо друг от друга в неком усредненном поле ядерных сил. Подобно электро-

136

нам в атоме, нуклоны заполняют различные оболочки, каждая из которых характеризуется определённым значением энергии. Стремясь примирить взаимоисключающие исходные положения двух моделей, датские ученые О. Бор (р. 1922 г.) и Б. Моттельсон (р. 1926 г.), а также Дж. Рейнуотер (р. 1917 г.) (США) разработали в начале 1950-х годов так называемую обобщенную модель атомного ядра. Согласно этой модели, ядро состоит из сердцевины – устойчивой внутренней части (нуклоны целиком заполненных оболочек) и «внешних» нуклонов, движущихся в поле, создаваемом сердцевиной. Под влиянием внешних нуклонов сердцевина может деформироваться, принимая форму вытянутого или сплюснутого эллипсоида, и испытывать колебания.

Первое измерение размеров ядра было выполнено английским физиком Э. Резерфордом в 1911 г. В дальнейшем были разработаны и другие методы, но все они основаны на наблюдении рассеяния различных частиц атомными ядрами. Пучок α-частиц падает на образец исследуемого вещества. Рассеянные таким образцом частицы регистрируются детектором. Перемещая детектор, можно измерить относительное число частиц, рассеянных на тот или иной угол. Результаты эксперимента свидетельствовали о вступлении в действие каких-то новых сил. Ими могут быть силы ядерного взаимодействия, действующие только на очень малых расстояниях. Естественно предположить, что аномально рассеянные частицы входили в соприкосновение с ядром.

Расчеты показали, что расстояние между α-частицей и ядром связано с углом рассеяния определенной формулой. При подстановке в нее максимального угла рассеяния получается расстояние между центрами частицы и ядра в момент касания, равное сумме их радиусов. Радиус самой α- частицы легко определяется при изучении рассеяния на ядрах гелия.

Так можно измерять только ядра самых легких элементов с небольшим зарядом ядра. В ином случае энергии α-частицы оказывается недостаточно для преодоления электростатического отталкивания. В дальнейшем для измерения ядер тяжелых элементов стали применять α-частицы, протоны и частицы других типов, ускоренные до больших энергий. После открытия нейтронов стало ясно, что они более удобны для обстрела ядер: благодаря отсутствию электрического заряда они могут беспрепятственно подходить к любым ядрам и даже проникать в них. Для аналогичных целей можно использовать и быстрые электроны. Проведенные измерения показали, что размеры ядер атомов всех элементов порядка 10–15 –10–14 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атома.

Масса ядра определяется массой входящих в его состав нейтронов и протонов. Поскольку любое ядро состоит из Z протонов и N нейтронов N = A – Z, где А – массовое число число нуклонов в ядре), то на первый

137

взгляд масса ядра должна просто равняться сумме масс протонов и нейтронов. Однако, как показывают результаты измерений, реальная масса всегда меньше такой суммы. Их разность получила название дефекта массы ∆m.

Энергия – одна из важнейших характеристик протекания любых физических процессов. В ядерной физике ее роль особенно велика, поскольку незыблемость закона сохранения энергии позволяет делать достаточно точные расчеты даже в тех случаях, когда многие детали явлений остаются неизвестными.

Представим мысленно процесс, при котором ядро образуется из отдельных протонов и нейтронов путем их последовательного соединения. Сцепление частиц происходит под действием ядерных сил. При этом, как только два нуклона (или нуклон и уже образовавшийся зародыш ядра) окажутся в пределах зоны действия ядерных сил, они начинают под их действием двигаться на встречу друг другу с быстро нарастающей скоростью, так что в момент столкновения будут обладать большим запасом кинетической энергии. Дальше либо частицы снова израсходуют запас энергии на преодоление сил ядерного притяжения, либо лишняя энергия уйдет из системы в виде фотона. В последнем случае нуклоны окажутся крепко связанными друг с другом.

3.5. Получение новых атомных ядер. Искусственная радиоактивность

Процесс научного исследования глубоко интимен: иногда мы сами не знаем, что мы делаем.

Ф. Крик

Спрашивайте природу, она хранит все истины и на вопросы ваши будет отвечать вам непременно и удовлетворительно.

Ф. Бэкон

Процессы взаимодействия ядер одних элементов с ядрами других элементов или с фудаментальными частицами, при которых образуются ядра новых элементов, получили название ядерных реакций. Чаще всего ядерные реакции представляют собой взаимодействие ядер с частицами сравнительно небольшой массы (α-частицами, протонами, нейтронами и т. д.). Первую ядерную реакцию в лаборатории осуществил Э. Резер-

форд (1919г.)

147 N+42He→178 O + p

Ядерные реакции, подобно химическим, подразделяются на реакции замещения, присоединения, диссоциации, обратимые. Например, реакция

138

замещения

105 B + α→136 C + p

Реакция присоединения

2713 Al + n→2813 Al + γ

В процессе ядерных реакций образуются ядра, способные к самопроизвольному распаду. Явление самопроизвольного распада искусственно полученных ядер называют искусственной радиоактивностью. Искусственную радиоактивность открыли в 1933г французские ученые Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри осуществившие ядерную реакцию:

2713 Al+42He →n+3015P

Радиоизотоп фосфора-30 неустойчив и распадается с образованием устойчивого ядра кремния по уравнению реакции:

3015 P→3014 Si + e+

Открытие ядерных реакций и искусственной радиоактивности имело огромное значение для науки и техники. Появилась возможность искусственного синтеза элементов. Впервые неизвестный ранее элемент технеций был синтезирован в 1937 г. по уравнению реакции:

4298 Mo+21H→9943Tc + n

Позднее были синтезированы трансурановые элементы от элементов с порядковыми номерами 93 – 108. Наибольшие успехи в этой области были достигнуты учеными социалистических стран под руководством Г.Н. Флерова и американскими учеными под руководством Г. Сиборга [18].

В качестве примера приведем несколько реакций синтеза трансурановых элементов:

23892 U + n→23992 U→23993 Np + e−

23994 Pu + α→24296 Cm + n

24294 Pu+2210Ne→260104 Ku + 4n

К сожалению 104 элемент был назван Rf (Резерфордий), а не Ku (Курчатовий).

Радиоактивные изотопы нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Они используются в приборах промышленного контроля, например для выявления дефектов в металлах и сплавах и определения уровня жидкости в закрытых емкостях. Ценным методом научного исследования стал метод меченых атомов. Метод заключается в том, что к исследуемому элементу добавляют в незначительном количестве радиоактивный изотоп, по излучению которого судят о поведении элемента в тех или иных процессах и о его содержании в объемах или на по-

139

верхности раздела веществ. В медицине радиоактивные изотопы используют для диагностики и лечения. С помощью радиоактивных изотопов определяют возраст углеродосодержащих материалов, горных пород Земли и космических тел.

Например, возраст углеродосодержащих материалов определяется с помощью радиоизотопа углерода –14, который образуется в верхних слоях атмосферы по реакции:

147 N + n→146 C+11H

Радиоактивный углерод усваивается растениями и затем животными. Он претерпевает радиоактивный β-распад:

146 C→147 N + e−

По содержанию радиоактивного углерода в отмерших организмах или растениях можно судить о возрасте углеродосодержащего вещества. Возраст минералов можно определить по отношению свинца-206, образующегося в результате радиоактивного распада урана-238.

3.6. Фундаментальные типы взаимодействия в природе

Как все единство сплетено Одно в другом воплощено!

Гете

Главная цель естественных наук – раскрыть единство сил природы.

Л. Больцман

За последние полвека в экспериментах на ускорителях было обнаружено много частиц. Все частицы делят на два класса – фермионы (название дано в честь Энрико Ферми) и бозоны, названные в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе (1894 – 1974 гг.), одного из создателей квантовой статистики: фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие. Фермионы, в свою очередь, делят на два класса – лептоны (греч. leptos «легкий») и кварки (название заимствовано американским физиком Марри Гелл-Маном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где это слово означало что-то неопределенное, мистическое). Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адронами (греч. adros «сильный»). Заряженные лептоны могут также, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и нейтрино, проходить легко сквозь всю Землю, ни с чем не взаимодействуя. Для того чтобы отклонить полет нейтрино на 45°, необходимо построить «стенку» из свинца толщиной …в 10 тыс. световых лет. У каждой частицы есть и античас-

140