Чтение онлайн

Эта идея была не такой уж необычной для объяснения ядерной силы: электромагнитную силу можно объяснить точно так же. «Кусочки» электромагнитного поля — энергетические пакеты — летают между зарядами, неся свои сообщения. С этой точки зрения, поле электромагнитных сил состоит из фотонов.

Согласно Юкаве, главное различие между электромагнитным полем и полем ядерной силы состоит в массе вестника. Фотоны электромагнитного поля не имеют массы, в то время как вестники поля ядерной силы являются частицами с массой, отличной от нуля. Юкава предсказал, что эти частицы в 200–300 раз тяжелее электрона. Таким образом, вестник ядерной силы должен располагаться по массе между ядерными частицами и электроном (протон в 1836, а нейтрон в 1839 раз тяжелее электрона). Частицы такого типа называют мезонами, из греческого «meso» — средний. Область влияния частицы-вестника зависит от ее массы: чем тяжелее вестник, тем меньше область. Только частицы без массы, такие как фотоны, могут распространять свое влияние на любое расстояние.

В современной физике метание частиц-вестников взад и вперед заменило собой вихри Декарта, действие на расстоянии Ньютона, силовые линии Фарадея и волны в эфире. Разумеется, теориями Ньютона и Фарадея все еще пользуются для вычисления гравитационной и электромагнитной силы. Однако новые силы, открытые в XX веке, лучше описываются методом Юкавы, и сильное ядерное взаимодействие стало первым тому примером.

Юкава предсказал свои частицы-вестники в 1935 году. Через два года в потоках космических лучей (частицы, приходящие на Землю из космоса) была обнаружена новая частица в 207 раз тяжелее электрона; она была хорошим кандидатом в вестники. Время ее жизни оказалось маленьким: в среднем за две микросекунды она разрушается на другие частицы. Однако дальнейшие исследования показали, что эта частица, названная мюоном, скорее является тяжелой формой электрона, а не вестником. Прошло еще 12 лет, и группа Сесила Пауэлла (1903–1969) в Бристольском университете впервые увидела частицу Юкавы — пион. Существуют два типа пионов — заряженный (в 273 раза массивнее электрона) и нейтральный (264 массы электрона).

По нашим меркам, заряженный пион живет очень мало: в среднем 2,6 x 10 – 8с. Но нам следует сравнивать время его жизни с «ядерным годом» — временем, необходимым ядерной частице для одного оборота вокруг ядра, а оно составляет всего 10 – 22с. Так что пион живет в 10 14раз дольше ядерного года, что выглядит вечностью в ядерной шкале времени. В этой шкале даже нейтральный пион, распадающийся в среднем за 10 – 16с, тоже живет очень долго. Если предположить, что «предназначением» пионов в природе является передача ядерной силы, то им нет необходимости жить так долго.

Мы дошли до картины, в которой атомное ядро содержит одну или нескольких ядерных частиц, движущихся друг вокруг друга в маленьком объеме ядра под действием притяжения ядерной силой. Существует два типа ядерных частиц: протоны и нейтроны. Можно представить облако пионов, мечущихся между этими частицами и создающих ядерную силу. Ядро также может обладать плотными скоплениями двух протонов и двух нейтронов, которые могут выбрасываться из ядра как альфа-частицы. По аналогии с электроном, прыгающим между энергетическими уровнями, ядерные частицы могут так перестраивать свои орбиты, что энергия высвобождается в виде высокоэнергичного гамма-излучения. Энергия ядерных процессов значительно больше, чем атомных, примерно в миллион раз. Этим объясняется преимущество (на единицу веса) ядерного топлива, используемого на атомных электростанциях, по сравнению с химическим топливом обычных электростанций. Этим же объясняется гигантская мощь ядерных взрывов.

Если в ядре нет электронов, то как быть с бета-излучением, когда из ядер вылетают электроны? Это объяснил блестящий итальянский физик Энрико Ферми всего через год после открытия нейтрона (рис. 18.1).

Рис. 18.1. Энрико Ферми (1901–1954) внес значительный вклад в ядерную физику.

Ферми предположил, что внутри атомного ядра действует еще и другая ядерная сила, названная слабой силой. Она приводит сначала к рождению электрона, а затем к его выбросу из ядра; при этом нейтрон превращается в протон. Мы поймем этот процесс лучше, когда познакомимся с внутренней структурой нейтрона и протона.

Теория Ферми замечательна еще и тем, что она предсказала существование новой элементарной частицы — нейтрино. На этот «маленький нейтрончик» не действуют ни электромагнитная сила, ни сильное ядерное взаимодействие. Его единственная связь с внешним миром осуществляется посредством слабой силы. Область действия слабой силы очень мала — всего 1 % диаметра протона, а по своему усилию она в 100 000 раз уступает сильному ядерному взаимодействию. Так что нейтрино должно очень тесно приблизиться к своему соседу, чтобы они почувствовали влияние друг друга. Поэтому вначале о существовании нейтрино догадались косвенно, заметив странную потерю энергии при бета-распаде. Вольфганг Паули понял, что потерянная энергия ускользает в виде неуловимых частиц. Нейтрино обычного типа имеет массу менее 10 – 4массы электрона; существует и другие виды нейтрино (мы с ними познакомимся), массы которых еще меньше.

Для нейтрино столкновение с другими частицами настолько маловероятно, что оно может свободно пройти сквозь свинцовую стену толщиной в световые годы! Только при огромном количестве нейтрино некоторые из них удается захватить приборами. Впервые в 1955 году нейтрино было зарегистрировано вблизи ядерного реактора в Саванна-Ривер (США). За последние десятилетия были обнаружены нейтрино из «термоядерного реактора» в центре Солнца и из других астрономических источников. Считается, что нейтрино — одни из самых многочисленных частиц во Вселенной, но их очень трудно наблюдать.

Всего лишь через день после того, как Чедвик послал свою статью об открытии нейтрона в журнал Nature, другой журнал, Physical Review, получил известие о втором важнейшем открытии 1932 года, сделанном группой ученых из Колумбийского университета (Нью-Йорк) под руководством химика, физика и астронома Гарольда Юри (1893–1981).

Вспомним объяснение странного атомного веса хлора — 35,46, лежащее почти посередине между двумя целыми числами. В природе существует два вида хлора, два «изотопа», с весами 35 и 37. Вообще, у большинства химических элементов есть по нескольку изотопов. Всего химических элементов известно немногим более ста, а число изотопов превышает 2000, хотя стабильны из них только 280. В ядре хлора 17 протонов соединяются с 18 или 20 нейтронами. Таким образом, атомное число, определяющее химические свойства, в обоих случаях равно 17, но атомные веса различаются: 17 + 18 и 17 + 20; кроме того, существуют редкие изотопы хлора: 17 + 19 = 36 и 17 + 23 = 40.

Еще до 1932 года появилось предположение, что водород может иметь несколько изотопов, так как атомный вес водорода в природе превышает вес протона. Различие настолько мало (относительное превышение составляет около 10 – 4), что сказать что-либо определенное было невозможно. Требовалось выделить в чистом виде тяжелую форму водорода, но это очень трудно, поскольку химические свойства изотопов одинаковые. Юри с коллегами смог сделать это. Теперь уже не составляло труда показать, что тяжелый водород имеет атомный вес 2, а значит, его ядро содержит один протон и один нейтрон. Это вещество назвали дейтерием, хотя по сути это водород, точнее — его тяжелая разновидность. Но дейтерий заслужил свое «отдельное» название: он играет ключевую роль в изучении ядерной силы, так как движение двух тел легче исследовать, чем движение трех тел (вспомним о сложной задаче трех тел, движущихся под действием гравитации; см. главу и).

В ядрах элементов возможны не любые комбинации протонов и нейтронов. В массивных ядрах число нейтронов немного больше числа протонов. Если мы пытаемся искусственно уменьшить число нейтронов настолько, что оно выйдет за рамки возможных значений, ядро станет неустойчивым и начнет меняться за счет радиоактивности до тех пор, пока не превратится в стабильное ядро (рис. 18.2).

Рис. 18.2. Ядра состоят из протонов (серые шарики) и нейтронов (темные шарики). Ядро урана состоит из 92 протонов и 146 нейтронов. Это одно из самых тяжелых среди известных атомных ядер.

Хотя о существовании атомного ядра было известно с 1911 года, настоящее рождение ядерной физики произошло в 1932 году. В тот «сумасшедший» год, кроме уже упомянутых открытий, начал действовать самый важный прибор ядерной физики — ускоритель частиц. До этого момента атомные ядра исследовали путем их бомбардировки частицами, вылетающими из радиоактивных веществ. При стоимости, например, радия в 100 000 долларов за грамм это делало создание сильного потока частиц чрезвычайно дорогам. Кроме того, для расщепления тяжелых ядер требуется поток частиц, имеющих скорость гораздо выше той, с которой частицы испускаются природными источниками.