канием электрона и нейтрино (нейтральной частички,	происходит примерно так же, как фотон испускается
обладающей ничтожной массой и собственным моментом	атомом.
вращения, или спином, равным 1/2). Испускание электрона

6.5. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ИСКУССТВЕННЫЕ РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Самопроизвольный распад и образование новых элементов изучались с начала XX в. Так, при обработке драгоценных камней на Цейлоне был открыт новый минерал — торианит, который в Англии исследовали У.Рамзай и О.Ган. Они получили вещество, соответствующее торию, но с большей радиоактивностью, и назвали его радиоторием. Среднее время его жизни оказалось 2 года. Значит, им можно было бы заменить дорогостоящий радий в лабораторных опытах, но они не смогли выделить радиоторий никакими химическими методами. В 1907–1910 гг. подобные проблемы возникали при выделении некоторых других радиоактивных элементов. После открытия нейтрона опыты по бомбардировке альфа-частицами продолжались, меняя представления об элементах и показывая возможность превращения одних элементов в другие.

Фотографии протона, вылетающего при столкновении альфа-частицы с атомом азота, получил в камере Вильсона ученик Резерфорда П.Блэккет (1925 г.). Но это явление, т.е. расщепление ядра, происходило очень редко: на 23000 фотографий с 460000 траекторий частиц только в восьми случаях наблюдался вылет протона. Значит, альфа- частицы слишком неэффективны для расщепления. Теория Гамова позволяла, придав частице большую энергию, преодолеть потенциальный барьер, и, так как для маленьких частиц вероятность проникновения больше, разогнав до большой скорости протоны, можно добиться большей эффективности, чем у альфа-частиц.

В атомной физике 1 эВ соответствует энергии, приобретаемой частицей с зарядом е при прохождении разности потенциалов 1 В. Энергия наиболее быстрых альфа-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, равна 8 МэВ. В 1925 г. для получения рентгеновских лучей использовались мощные индукционные катушки с разностью потенциалов порядка 100 кВ. Значит, ускоренный в таком поле электрон (или протон) мог приобрести энергию в 0,1 МэВ. Но теория Гамова предсказывала, что протоны с энергией 1 МэВ будут по эффективности равны альфа-частицам с энергией 32 МэВ. Идея была привлекательной, и начали строить все более мощные установки со все более огромными напряжениями. Возникла современная алхимия, как выразился Резерфорд.

Космические лучи, открытые еще в 1904 г., привлекали внимание и астрономов, и геофизиков. Они вызывали первичную ионизацию воздуха, возрастающую с высотой. После Первой мировой войны их изучение возобновилось не только на высотах, но и в глубинах водоемов. Косми- ческое излучение, не без влияния исследований радиоактивности, считалось состоящим из гамма-квантов, вызывавших в атмосфере бета-излучение. Д.В.Скобельцын, основатель советской школы по физике атомного ядра и космических лучей, впервые исследовал эти лучи с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, и установил, что ионизация воздуха создается не гаммаквантами, а быстрыми β-лучами при энергиях 200 МэВ.

Дальнейшие исследования показали, что первичные косми- ческие лучи, состоящие в основном из протонов, действительно рождают быстрые β-лучи. Американский физик К.Андерсон осенью 1932 г. продолжил исследования лучей по методу Скобельцына и обнаружил на фотоснимках треков (следов) в камере Вильсона положительные электроны, которые назвал позитронами (одновременно с ним их открыли в Англии Блэккет и Оккиалини). Велись активные поиски позитрона в самых разных процессах. При облучении ядер тяжелых элементов жесткими гаммаквантами зафиксировали рождение пар электрон–позит- рон — так материя гамма-кванта переходила в материю электрона и позитрона. Затем было открыто превращение пары электрон–позитрон в два гамма-кванта — этот процесс назвали аннигиляцией. Образование позитрона было обнаружено и при взаимодействии с ядрами альфа-частиц

èнейтронов. Так в очень короткий срок стало известно о существовании античастиц.

Открытие искусственных радиоактивных элементов осуществили И.Кюри, дочь П. и М.Кюри, и ее муж, Ф.Жолио (1934 г.). За год до этого они установили, что при бомбардировке альфа-частицами некоторых легких элементов возникают позитроны, испускающиеся и после реакции. Энергетические соображения привели их к выводу, что сначала альфа-частица захватывается ядром алюминия с мгновенным испусканием нейтрона и образованием радиоактивного атома (изотопа фосфора с атомным весом 30), затем этот нестабильный атом — названный радиофосфором — распадается с испусканием позитрона

èпревращается в уже устойчивый изотоп кремния. За открытие искусственной радиоактивности супруги Жолио– Кюри стали лауреатами Нобелевской премии по химии (1935 г.). Открытие искусственных радиоактивных элементов имело большое значение для науки и создало огромное поле приложений в биологии и практической медицине.

Опыты по бомбардировке нейтронами ядер тяжелых элементов в Италии проводил Ферми. Выяснилось, что при захвате ядрами медленных нейтронов могут образовываться радиоактивные изотопы тех же или последующих элементов. Так, при облучении урана найдены изотопы нескольких веществ с периодами полураспада 10 с, 40 с, 13 мин и 100 мин. Изучая последние два, Ферми отметил, что они не являются изотопами элементов между номерами 82 и 92. Так были открыты трансурановые элементы. Кроме того, Ферми отметил, что эффективнее действуют «замедленные» нейтроны, т.е. предварительно прошедшие через воду или парафин. Эту кажущуюся парадоксальной ситуацию он объяснил с позиций волновой механики.

Âрезультате возникла идея, что при бомбардировке нейтронами (в отличие от альфа-частиц) могут образоваться и элементы, расположенные примерно в середине таблицы Менделеева, т.е. нейтроны могут расколоть ядро

71

на большие осколки. В 1938 г. О.Ган и Ф.Штрасман обна-	Вскоре было обнаружено, что деление урана сопровож-
ружили, что после бомбардировки нейтронами урана из	дается появлением свободных нейтронов, которые, попадая
раствора вместе с барием осаждаются четыре альфа-	в ядро урана, могут вызвать новый процесс деления. Появи-
радиоактивных вещества. Сначала их посчитали изотопами	лись и теоретические работы, в которых формулировались
актиния и радия, но позднее заметили, что они не отделимы	конкретные условия для получения ядерной взрывной
от бария, а отделяются от радиотория. В то же время	реакции. Наиболее значительных результатов в этом
реакциями деления урана занимались Майтнер (работавшая	направлении достигли физики-теоретики Я.Б.Зельдович и
до прихода нацизма вместе с Ганом и Штрасманом и	Ю.Б.Харитон, впервые осуществившие расчет цепной
вынужденная бежать в Копенгаген), О.Фриш (также эмиг-	реакции деления урана: «Для осуществления условий
рировавший в Данию к Бору) и Ф.Жолио–Кюри.	цепного взрыва урана необходимо для замедления нейт-
Исследования конца 30-х годов стимулировали развитие	ронов применять тяжелый водород или, может быть,
представлений о структуре ядра, которое тогда рассмат-	тяжелую воду, или какое-нибудь другое вещество, обеспе-
ривали как твердое тело, склеенное из альфа-частиц и	чивающее достаточно малое сечение захвата. Значительное
нуклонов. Бор указывал, что взаимодействие частицы с	по сравнению с водородом сечение рассеяния и несколько
ядром следует рассмотреть более внимательно. Модель	меньшая эффективность обмена энергией могут компен-
жидкой капли, предложенная Гамовым в 1931 г., тоже	сироваться ничтожно малым сечением захвата нейтронов
осталась вне внимания. Но сразу после сообщений о делении	и связанной с этим возможностью чрезвычайного разбав-
ядра урана ленинградский физик-теоретик Я.И.Френкель	ления урана… Другая возможность заключается в обога-
объяснил явление по капельной модели ядра: ÿäðî, êàê è	щении урана изотопом 235».
жидкая капля, должно обладать огромным поверхностным	Открытие деления урана ознаменовало начало ýðû
натяжением (порядка 1016 Н/м). Попадание нейтрона в ядро	ядерной физики. После того, как удалось расщепить ядра
приводит к электрокапиллярным колебаниям капли, что и	урана и плутония, сумели добиться быстрого и интен-
вызывает ее деление почти пополам. Впоследствии эту	сивного высвобождения энергии, необходимой для взрыва
теорию разрабатывали Н.Бор и Дж.Уилер.	атомной бомбы.

6.6. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПРОБЛЕМА ПОИСКА «ПЕРВИЧНЫХ ОБЪЕКТОВ»

Элементарными называют частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. Первыми были обнаружены электрон, протон, нейтрон и фотон — квант электромагнитного поля. Из первых трех строили вещество, а фотон осуществлял взаимодействие между ними. Тогда считали, что они ни на что далее не могут быть разложены и потому являются «первичными кирпичиками» мироздания. Позднее узнали, прежние элементарные частички имеют внутреннюю структуру и могут превращаться друг в друга. После Второй мировой войны благодаря мощной технике было открыто еще много частиц, претендующих на «элементарность». У каждой частицы, кроме фотона, оказалась еще и античастица. Сейчас элементарных частиц уже более трехсот. К ним относят и те частицы, которые получают при помощи мощных циклотронов, синхротронов и других ускорителей частиц. Есть элементарные частицы, возникающие при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют несколько миллионных долей секунды, потом распадаются, видоизменяются, превращаясь в другие элементарные частицы, или испускают энергию в форме излучения. Хотя проблема элементарных частиц связана с самими основами науки, их изучение ведется в некотором отрыве от других областей физики.

Основные характеристики элементарных частиц — масса, электрический заряд, спин, среднее время жизни, магнитный момент, пространственная четность, барионный заряд и квантовые числа.

Масса элементарных частиц — это масса покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Ее определяют по отношению к массе покоя электрона me, самой маленькой из масс покоя. Нейтрон и протон тяжелее электрона почти в 2000 раз. Но есть и очень тяжелые

частицы, например, Z-частицы, получаемые на ускорителях, с массой покоя в 2000000 me. Фотоны вообще не имеют массы покоя. По массе частицы делят на лептоны (электрон

èнейтрино); мезоны (с массой от 1 до 1000 me); барионы (с массой более 1000 me). В состав барионов входят протоны, нейтроны, гипероны и др.

Электрический заряд меняется от нуля до «+» или «–». Каждой частице, кроме фотона, нейтрино и двух мезонов, соответствует частица с противоположным зарядом или античастица. В 1963 г. была высказана гипотеза о существовании частиц с дробным зарядом — кварков.

Ñïèí — одна из важнейших характеристик элементарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1, это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360

градусов. Частицы со спином 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т.е. в 720 градусов. Спин протона,

нейтрона и электрона — 1/2. Существуют частицы со спином в 3/2, 5/2 и т.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:

–фермионы (название дано в честь Энрико Ферми), к

ним относят частицы с полуцелыми (1/2, 3/3…) спинами. Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса — лептоны (ãðå÷. leptos «легкий») и кварки (название заимствовано американским физиком Марри Гелл-Маном из романа Дж.Джойса «Поминки по Финнегану», где это слово означало нечто неопределенное, мистическое). Кварки входят в состав протонов, нейтронов

èдругих подобных им частиц, называемых в совокупности адронами (ãðå÷. adros «сильный»). Заряженные лептоны могут так же, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и

72

нейтрино, проходить хоть сквозь всю Землю, ни с чем не	онные доли секунды он распадается на электрон и два
взаимодействуя. У каждой частицы есть и античастица,	нейтрино. Фоновое космическое излучение в большой
отличающаяся только зарядом;	части состоит из мюонов. В конце 70-х был обнаружен
– бозоны, названные в честь индийского ученого Шать-	третий заряженный лептон (кроме электрона и мюона) —
ендраната Бозе (1894–1974), одного из создателей кван-	тау-лептон. Он ведет себя очень похоже на своих собратьев,
товой статистики. Это частицы с целыми спинами (0, 1, 2),	но тяжелее электрона в 3500 раз. У каждого лептона есть и
бозоны переносят взаимодействие.	античастица, т.е. всего их 12.
Между частицами существуют четыре типа взаимо-	Адронов существует очень много, их сотни. Поэтому
действий, каждое из которых переносится своим типом	часто считают их не элементарными частицами, а состав-
бозонов. Фотон, квант света, переносит электромагнитные	ленными из других. Они бывают электрически заряженные
взаимодействия, гравитон — силы тяготения, действующие	и нейтральные. Все адроны участвуют в сильном, слабом и
между любыми телами, имеющими массу. Восемь глюонов	гравитационном взаимодействиях. Среди них самые извест-
осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий,	íûå — протон и нейтрон. Остальные живут очень мало,
связывающих кварки. Промежуточные векторные бозоны	распадаясь за 10–6 с за счет слабого взаимодействия или за
переносят слабые взаимодействия, ответственные за неко-	10–23 с за счет сильного. Адроны рассортировали по массе,
торые распады частиц. Считается, что к этим четырем	заряду и спину. В этом помогла гипотеза кварков, èëè
взаимодействиям сводятся все силы в природе. Одним из	частиц, составляющих адроны.
самых ярких достижений нашего века стало доказательство	Кварки могут соединяться для этого тройками, сос-
того, что при очень высоких температурах (или энергиях)	тавляя барионы, либо парами кварк — антикварк, составляя
все четыре взаимодействия объединяются в одно.	мезоны (промежуточные частицы). Кварки имеют заряд 1/
При энергии 100 ГэВ (109 эВ) объединяются электро-	3
	èëè 2/ заряда электрона. Тогда в комбинации они дадут 0
	3
магнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соот-	или 1. Все кварки имеют спин, равный 1/ , т.е. они относятся
ветствует температуре Вселенной через 10–10 с после	2
	к фермионам. Считают, что они сцепляются сильным
Большого Взрыва и в 4 триллиона раз выше комнатной. Это	взаимодействием, но участвуют и в слабом. Особенности
открытие, сделанное в ЦЕРНе, позволило предположить,	сильного взаимодействия характеризуют типами («арома-
что при энергии порядка 1015 ГэВ можно достичь объеди-	тами») — «верхний», «нижний», «странный». Но слабое
нения с ними сильных взаимодействий, как это утверж-	взаимодействие может поменять «аромат» кварка. Напри-
дается в Теориях Великого Объединения (ТВО), а при	мер, при распаде нейтрона один из «нижних» кварков
энергии 1019 ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединится и	становится «верхним», а избыток заряда уносит рожда-
гравитационное взаимодействие, «образуя» ТВС (Теорию	ющийся электрон. Так что сильное взаимодействие не
Всего Сущего).	может менять «аромат», а без изменения «аромата» кварка
Ускорителей, на которых можно получить такие энер-	невозможен распад адрона.
гии и проверить эти теории, пока нет и не предвидится,	Новый адрон, названный «пси-частицей», áûë
поэтому обращаются ко Вселенной, чтобы найти в ней	обнаружен на ускорителях (1974 г.). Поэтому нужно в
возможные ограничения для огромного числа элемен-	соответствии с теорией кварков ввести еще одну характе-
тарных частиц. В последние тридцать лет между физикой	ристику, четвертый «аромат», так появился «очарованный»
элементарных частиц и космологией существует тесная	кварк. Так что пси-частица — это предположительно мезон,
связь. Совокупность астрофизических данных можно	состоящий из с-кварка и с-антикварка. Сейчас обнаружено
рассматривать как «экспериментальный материал», накоп-	уже много очарованных частиц, и все они тяжелые. А в
ленный в результате работы Вселенной как гигантского	1977 г. появился ипсилон-мезон, и вся история повторилась,
ускорителя частиц. Мы можем иметь дело только с кос-	пятый аромат получил название «прелесть». Так разви-
венными следствиями происходивших и происходящих	вается ныне атомистика. Сейчас считают, что существуют
процессов, с усредненным по всей Вселенной результатом	12 кварков — фундаментальных частиц и столько же
их влияния на эволюцию материи.	античастиц. Шесть частиц — это кварки с экзотическими
Среди лептонов наиболее известен электрон, вероятно,	именами «верхний», «нижний», «очарованный», «стран-
он не состоит из других частиц, т.е. элементарен. Другой	íûé», «истинный», «прелестный». Они являются порож-
лептон — нейтрино. Это самый распространенный лептон	дением теории, стремящейся к упорядоченности и красоте,
во Вселенной, и в то же время самый неуловимый. Нейт-	и открыты все, за исключением «истинного». Остальные
рино не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном	шесть — лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соот-
взаимодействиях. После предсказания нейтрино было	ветствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-
обнаружено только через 30 лет на ускорителях. Нейтрино	нейтрино).
бывает трех видов — электронное, мюонное è òàó-íåéò-	Эти 12 частиц, или два по шесть, группируют в три
ðèíî. Каждый из них рождается вместе с тем или иным	поколения, каждое из четырех членов. В первом поколе-
лептоном (в соответствии с названием) — вместе с элект-	нии — «верхний» и «нижний» кварки, электрон и элект-
роном при распаде нейтрона или вместе с мюоном, или	ронное нейтрино, во втором — «очарованный» и «стран-
вместе с тау-лептоном. Мюон — это тоже широко распро-	ный» кварки, мюон и мюонное нейтрино, в третьем —
страненный в природе лептон. Он был обнаружен в кос-	«истинный» и «прелестный» кварки и тау-частица со своим
мических лучах в 1936 г.; это очень нестабильная частица,	нейтрино. Все обычное вещество состоит из частиц первого
а в остальном он очень похож на электрон. За две милли-	поколения. Протон, например, состоит из двух «верхних»

73

кварков и одного «нижнего», нейтрон — из двух «нижних» и одного «верхнего». Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных протонов и нейтронов), окруженного электронным облаком.

Но почему существуют другие поколения частиц и сколько их может быть? По мнению японских физиков М.Кобаяси и Т.Масакава, асимметрия между веществом и антивеществом требует наличия трех поколений. Если же число поколений не ограничено, являются ли кварки и лептоны основными «кирпичиками природы» и насколько они фундаментальны? Последние данные, полученные на

ускорителях разного типа, позволяют считать, что число поколений не может быть более пяти, так как полное число нейтрино не превышает этого числа. Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии, в моделях первичного нуклеосинтеза, породившего те или иные частицы, часть которых может быть установлена по распространенности того или другого элемента во Вселенной. Эти исследования дают человеку возможность прикоснуться к тайне мироздания, найти те «кирпичики», из которых построено все в мире, а за ними стоят и новые технологии.

Глава 7. МИРОЗДАНИЕ В СВЕТЕ КЛАССИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ПАРАДИГМЫ

7.1. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ И ПРИМЕРЫ ПРОЯВЛЕНИЯ В ПРИРОДЕ

С движением электрических зарядов связаны многие явления, происходящие в живой и неживой природе. Люди с восхищением и ужасом наблюдали грозовые явления в атмосфере.

Древние римляне делили молнии «по предназначению», отмечая их свойства двигаться по металлам. Аристотель заметил, что «медь щита расплавлялась, а дерево, его покрывавшее, оставалось невредимым». Сенека, философ и наставник императора Нерона, отмечал, что «серебро расплавляется, а кошелек, в котором оно находилось, остается невредимым». Моряки XV в. привязывали к верхушкам мачт обнаженные мечи. Молнии систематизировали и изучали Б.Франклин, М.В.Ломоносов и Г.Рихтер, попытку построить научную картину грозы и ее наиболее драматических проявлений — грома и молнии — предпринял Д.Араго.

Молнии — это гигантские (длиной до нескольких километров) электрические искры между облаками в атмосфере или между облаками и поверхностью Земли. Длительность таких искровых разрядов составляет доли секунд. Чаще всего наблюдаются линейные молнии, они сопровождаются громом. Искровые разряды возникают при напряженностях электрического поля Å, больших критических Åêð для данного давления и сорта газа. В воздухе пробой возникает при атмосферном давлении Åêð = 30 кВ/см. Возникает ярко светящийся извилистый канал, по которому проходит импульс тока большой силы. Так, в канале молнии диаметром около 0,4 м при длине в 103 м за время 10–4 с сила тока достигает 100 кА. При этом температура в канале может доходить до 10000 К. Из-за резкого и интенсивного нагрева газа происходит скачок давления с возникновением звуковых и ударных волн.

Иногда возникают шаровые молнии — это образование при ударе обычной молнии газообразных активных веществ, горящих в присутствии катализаторов (частичек дыма или пыли), согласно модели Я.И.Френкеля. Но пока еще неизвестны вещества с такой огромной теплотворной способностью, какой обладает вещество шаровой молнии. По гипотезе А.Мейснера, это — сгусток горячей плазмы, быстро вращающийся за счет некоего начального импульса, переданного сгустку линейной молнией. Но теория не

объясняет достаточно длительного существования шаровой молнии. По теории П.Л.Капицы, молния улавливает радиоволны, возникающие во время грозы, поэтому и может долго существовать, тем более, что имеет пристрастие к всевозможным трубам и дымоходам. Ученым удалось получить в лаборатории плазменные сгустки, напоминающие шаровую молнию, но все свойства этого загадочного объекта пока не удалось получить.

Электрические свойства рыб были известны еще в далекой древности. Аристотель сообщал, что электри- ческий скат «заставляет цепенеть животных, которых он хочет поймать, побеждая их силой удара, живущего в его теле». Позже выяснилось, что электрический скат длиной в 2 м способен создать электроимпульс напряжением в 50–60 В при силе тока в 50 А. Электрический угорь может парализовать лягушку на расстоянии 1 м. Электрические органы рыб — это специальные мускульные клетки, напоминающие по схеме соединения и конструктивному принципу электробатареи, причем такие органы занимают большую часть тела рыбы. Чувствительность к электромагнитным полям в живой природе просто поразительна. Прекрасно ориентируются в поле инфузории, меняют свой рост растения. Открытие Л.Гальвани — мышцы и нервы аналогичны обкладкам конденсатора — привело к созданию электрофизиологии, к созданию гальванического элемента А.Вольта в конце XVIII в., к открытию электролиза У.Никольсоном и А.Карлейном и т.д.

Полярные сияния, называемые часто сполохами, наблюдаются в высоких северных широтах. Они разнообразны по форме и цвету, полыхают несколько часов как разноцветное пламя, охватившее полнеба. Свет вызывается столкновениями протонов и электронов солнечного ветра с атомами кислорода и азота, находящимися в верхних слоях атмосферы. Еще М.В.Ломоносов считал, что это явление вызвано электрическими разрядами в разреженном воздухе. Взаимодействие частиц солнечного ветра с магнитным полем Земли приводит к повышенной концентрации заряженных частиц в областях, находящихся вблизи геомагнитных полюсов Земли. Возбуждаемые заряженными частицами атомы кислорода дают яркое излучение в красной и зеленой областях спектра, а молекулы азота — в

74