Шалнов К глубинным тайнам материи 2007

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

ВВЕДЕНИЕ

Прошедшее столетие ознаменовано большими успехами в области физики, изучающей строение атома и его центральной части — атомного ядра.

К сожалению, первым результатом было создание атомной, а затем и водородной бомбы. Как хорошо всем известно, атомные бомбы, кроме испытаний на полигонах, были применены Соединенными Штатами Америки при бомбардировках японских городов Хиросима и Нагасаки. Это привело к огромным жертвам среди мирного населения. Правда, всякое военное применение достижений науки и раньше приводило к стремлению создать инструмент для уничтожения противников, врагов, т.е. себе подобных созданий — людей. Так было с механикой, химией, биологией и другими отраслями человеческих знаний.

Но мы остановимся на позитивных процессах, сопровождающих научные достижения.

Результатом мирного применения атомной энергии было создание атомной энергетики, которая уже сейчас производит заметную часть электроэнергии, потребляемой человечеством. Это несомненно большой практический выход для поддержки населения Земли и экономии ресурсов, традиционно расходуемых на энергоснабжение.

В настоящее время интенсивно продолжается изучение строения материи. Наши знания об устройстве атома и его центральной части — атомного ядра — постоянно углубляются. Получено много позитивных результатов, которые с успехом используются в разных областях человеческой деятельности: медицине, технологии, металлургии и т.д.

Процесс изучения продолжается, хотя до результата, приносящего реальную пользу экономике, повышение жизненного уровня населения, по-видимому, еще далеко. Однако мы должны быть уверены, что понимание особенностей строения материи, исследование взаимодействия тех или иных процессов в природе на уровне атомного ядра должно привести и к практическому применению научных результатов, как это имело место в атомной энергетике.

Итак, нарисуем простейшую картину проблемы, о которой будет далее идти речь в этой книге.

Есть объект исследования — атомное ядро.

5

А.В. Шальнов

Вприроде уже есть источники, которые могут его разрушить, взаимодействуя с ним. Это — космические лучи и излучение радиоактивных изотопов. Разве этого недостаточно? Нет — потому что эти источники неуправляемы по основным параметрам взаимодействия с атомным ядром. Мы не можем точно предсказать энергию получаемых в этом случае снарядов и по величине, и по интенсивности, и по пространственному распределению. Поэтому анализировать полученные результаты взаимодействия излучений от этих источников затруднительно, но возможно. Более того, удалось получить чрезвычайно важные и нужные сведения.

Создаются и уже созданы специальные установки, в которых генерируются «снаряды» для разрушения атомного ядра. Этими снарядами можно управлять: их интенсивностью, видом, распределением во времени и пространстве. Отсюда: значительно проще расшифровать результаты воздействия на атомное ядро и создать реальную картину — для дальнейшего использования этих результатов.

Внастоящей работе главным объектом изучения будут специальные экспериментальные установки — ускорители заряженных частиц. Их история начиналась с создания довольно скромных по размерам, сравнительно недорогих устройств, позволяющих «бомбардировать» атомное ядро, разрушить его и затем изучить результаты этого разрушительного процесса, для того чтобы попытаться построить картину конструкции этого очень мелкого по размерам объекта, определить силы взаимодействия между отдельными его составляющими. Впоследствии оказалось, что для дальнейшего изучения необходимо увеличить энергию ускоренных частиц. Требование увеличить их энергию возникало каждый раз после получения очередных результатов, так как нужны были новые детали процесса.

Естественно, что чем больше энергия пучка, тем сложнее становится и сам ускоритель. Усложнение это сопровождалось увеличением стоимости, размеров и энергопотребления ускорителей. Конечно, усложнялась и становилась дороже и регистрирующая аппаратура.

Таким образом, стремление ученых-физиков к пониманию картины микромира привело к дальнейшему продвижению в области все бóльших и бóльших энергий. По экономическим соображениям оказалась необходимой кооперация ученых разных стран, т.е. меж-

6

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

дународное сотрудничество, с паритетным вложением капиталов для создания, обеспечения непрерывной работы ускорителей и интерпретации полученных результатов. Естественно, что как и во многих научных направлениях, здесь широко используются достижения науки и техники, полученные в других областях.

Наиболее яркий пример — применение современной вычислительной техники с целью обеспечения эффективной работы ускорителей и обработки получаемых экспериментальных результатов. Вряд ли можно было достичь столь больших успехов без применения вычислительной техники.

Для понимания многих эффектов в области получения высокоэнергетичных заряженных частиц в изложении будут использоваться наглядные механические и другие аналогии. Они, конечно, не полностью отражают процессы, происходящие в реальных структурах атомного ядра. Но и цель популярного изложения несколько иная. Предполагается, что эту книгу будут читать не специалисты в области физики атомного ядра, а читатели, далекие от этой области, но обладающие изрядным запасом любознательности.

И, наконец, показывая историю развития ускорителей заряженных частиц, от устройств, скромных по своим размерам вначале (десятки и сотни квадратных метров), до современных колоссов (километрового и более размера), мы постарались иллюстрировать и физические принципы их реализации.

Уже сейчас более или менее ясно, что потребности в энергии ускоряемых частиц для глубинного исследования атомного ядра настолько велики, что размеры ускорителей, если их делать на базе современной техники, превысят размеры нашей планеты. Это просто означает, что надо искать новые способы исследований. Но это уже совсем другая задача.

Для интересующихся ускорителями рекомендуется [1].

1. НЕМНОГО ИСТОРИИ

Уже в Древней Греции предполагали, что существует некая часть вещества, которая определяет свойства химического элемента. Она имеет очень малые размеры и является неделимой (a’tomos — неделимый по-гречески). Как выяснилось впоследствии, в этом свойстве (неделимости) древние греки ошибались. Так же, как и многие последующие исследователи.

7

А.В. Шальнов

Интенсивно изучение атома началось в XX в.

Всамом начале века (1903 г.) Томсоном была предложена модель атома, с помощью которой автор пытался объяснить линейчатый спектр излучения атомов. Эта модель представляла собой равномерно заряженную положительным электричеством среду, внутри которой находится электрон. Выведенный из равновесного положения электрон совершает колебания относительно центра сферы и излучает электромагнитную энергию. Модель оказалась неправильной, но она подтолкнула к более глубокому экспериментальному и теоретическому изучению строения атома.

Это было сделано Резерфордом с сотрудниками. Однако ядерная модель атома — положительно заряженное ядро и электроны, вращающиеся на определенных орбитах вокруг него, не стыковалась с классической механикой и электродинамикой.

Датский физик Нильс Бор сделал существенно новые предложения, приведшие впоследствии к созданию квантовой механики.

В1924 г. Луи де Бройль выдвинул идею о необходимости учитывать как корпускулярные, так и волновые явления.

Фундаментальные предложения, изменившие многие представления о физике микромира, были сделаны в новой квантовой или волновой механике Шредингером, Гейзенбергом, Дираком и другими. Так, согласно принципу Паули в атоме, состоящем из центральной части (ядра) и периферийной части (электронов) в одном

итом же состоянии не могут находиться два электрона. Таким образом, моделью атома стало ядро, окруженное электронами, подчиняющимися правилам квантовой механики. Это позволило впоследствии понять строение молекул и кристаллов и объяснить спектры излучения атомов, молекул и кристаллов.

Затем оказалось, что и ядра атомов также имеют дискретные уровни энергии и способны излучать и поглощать очень коротко-

волновое излучение (γ -лучи). Далее последовало изучение самого атомного ядра. Первоначально предполагалось, что ядра состоят из протонов и нейтронов, и они получили название элементарных (неделимых) частиц. В 1935 г. Х. Юкава высказал гипотезу о существовании частиц тяжелее электрона, занимающих среднее положение между электронами и нуклонами. Их назвали мезонами. Далее оказалось, что существует два вида мезонов. Чтобы их не путать, первый тип назвали µ -мезонами, а второй π -мезонами. И оба типа активно участвуют в строении атомного ядра.

8

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Не углубляясь пока в современные представления о строении атомного ядра, оставив этот материал для заключительной части книги, запомним только, что ускорители заряженных частиц внесли самый серьезный вклад в современное понимание структуры атомного ядра.

Закончим этот раздел информацией об ученых, упомянутых в нем.

Джозеф Джонс Томсон (1856 — 1940), английский физик, член Петербургской АН, член АН СССР;

Эрнест Резерфорд (1871 — 1937), английский физик, член АН

СССР; Нильс Бор (1885 — 1962), датский физик, член АН СССР;

Луи де Бройль (1892 — 1987), французский физик, член АН

СССР; Эрвин Шрéдингер (1887 — 1961), австрийский физик, член АН

СССР; Вернер Гéйзенберг (1901 — 1976), немецкий физик;

Поль Дирáк (1902 — 1984), английский физик, член АН СССР; Вольфганг Пáули (1900 — 1958), швейцарский физик; Хидэки Юкáва (1907 — 1981), японский физик, член АН СССР.

2. ПРОСТАЯ АНАЛОГИЯ

Как уже упоминалось ранее, чтобы изучить, из чего состоит объект исследования, надо знать его составные части, т.е. попросту говоря — разрушить его. Такое действие требует определенной энергии, причем количество передаваемой объекту энергии зависит от разных причин.

Рассмотрим простейший и хорошо известный всем бильярдный вариант. Если два шара сталкиваются, то результат соударения зависит от их массы и от того, как происходит процесс соударения.

Для простоты будем считать, что массы шаров одинаковы, и сначала предположим, что удар абсолютно упругий. Если столкновение «лобовое», т.е. вектор скорости движущегося шара проходит через центр неподвижного, то движущийся шар останавливается, а неподвижный начинает двигаться в том же направлении и приобре-

9

А.В. Шальнов

тает его скорость. При таком соударении передается максимум энергии от одного шара другому*.

Если же неподвижный шар недостаточно прочен, то он разрушится. Изучая осколки (их массу, направление движения, скорости

ит.д.), можно установить, из каких отдельных частей состоит неподвижный шар.

Картина будет особенно ясной, если он состоял из отдельных «склеенных» компонентов, тогда можно узнать из каких. Например, насколько сильно были привязаны «осколки» к разрушенному шару

ит.д.

Примерно так (а на самом деле значительно сложнее) обстоит дело и с исследованием атомного ядра.

Из этого довольно примитивного описания процесса соударения двух шаров, можно сделать несколько выводов.

Первый — для передачи максимальной энергии удар должен быть центральным.

Второй — для той же цели желательно иметь одинаковые массы.

Третий — удар должен быть разрушающим, а для этого надо, чтобы энергия движущегося шара была достаточно большой.

Четвертый — надо иметь инструменты, которые бы измерили результат взаимодействия (массы осколков, их скорости, углы расходимости и т.д.).

3. ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ УСКОРИТЕЛЬ

Итак, ускоритель заряженных частиц — это устройство, на выходе которого создается поток ускоренных частиц. Напомним, что он является альтернативой других источников — космических лучей и радиоактивного распада. Его главное преимущество — управляемость характеристиками ускоренных частиц.

Идея о контролируемом потоке ускоренных частиц начала реализовываться в начале XX в. Естественно, что в создании таких потоков должен быть использован целый ряд устройств, взаимно связанных и согласованных с друг другом.

* При не «лобовом» ударе два шара разойдутся. Если мы играем в бильярд и задача состоит, чтобы положить оба шара в лузу и это действительно случится, то для игры (при некоторых правилах) это будет хороший результат. Но при этом неподвижному шару передается меньшая энергия.

10