Чтение онлайн

Рис. 8. Радиоактивный распад ядра урана238. Ядро урана238, претерпевая ряд радиоактивных превращений, переходит в устойчивое ядро свинца206

Далее следует длинный ряд преобразований с испусканием альфа-частиц, а иногда и гамма-лучей. В результате этих превращений образуется изотоп свинца — свинец214. Но этот свинец неустойчив. Он также перегружен нейтронами, его ядро, испуская электрон, образует ядро висмута214, которое, теряя альфа-частицу, переходит в ядро таллия210. В этом неустойчивом ядре все еще есть излишки нейтронов. Лишние нейтроны превращаются в протоны, и ядро, три раза испуская электрон, переходит в ядро полония210, из которого вылетает альфа-частица, и, наконец, образуется вполне устойчивое ядро свинца206.

Интересно, что получающееся при промежуточных превращениях ядро висмута210 может распадаться двумя способами: излучая электрон или альфа-частицу. В обоих случаях конечным ядром является ядро свинца206.

Не следует думать, что все эти процессы протекают очень быстро. В среднем проходит много миллиардов лет, прежде чем из ядра урана238 получится ядро свинца206. Отдельные превращения происходят очень быстро, другие требуют тысяч, миллионов и даже миллиардов лет. Например, среднее время «жизни» ядер урана234 около 380 тысяч лет, тория234 — 35 дней, а свинца214 — 38 минут.

Было бы неправильным сравнивать среднее время «жизни» радиоактивного ядра со средним временем жизни, например, человека. Вполне закономерно то, что человек умирает не в юношеском, а в престарелом возрасте, так как изношенный организм старого человека сильнее подвержен различного рода заболеваниям.

Но нельзя говорить об «износе» радиоактивных ядер. Эти ядра «умирают» независимо от внешних обстоятельств. Законы радиоактивных превращений таковы, что с одинаковой вероятностью распадаются как старые, давно образовавшиеся ядра, так и молодые, только что получившиеся из другого радиоактивного ядра.

Новые элементарные частицы. Для того чтобы объяснить плотность и огромную прочность ядра, в 1935 году японский физик Юкава предположил, что ядерные силы вызываются особыми частицами, в 200–300 раз тяжелее электрона. Один из нуклонов испускает эту частицу, другой ее поглощает. Таким образом, частица связана с каждым из нуклонов и обусловливает ядерные силы между ними. Эта на первый взгляд странная теория Юкавы, как мы знаем, позволила объяснить величину ядерных сил и обстоятельство, благодаря которому эти силы действуют на весьма малом расстоянии.

Надо было найти такую частицу. И вот в 1937 году появилось сообщение, что в космических лучах были действительно найдены частицы, обладающие подходящей массой. Но ликование физиков было преждевременным. Вновь открытая частица — мю-мезон очень слабо взаимодействовала с ядрами и поэтому, естественно, не могла играть роли связующего звена между протоном и нейтроном.

Десять долгих лет физики усиленно искали другую частицу. Наконец ее след был обнаружен в эмульсии фотопластинки, облученной космическими лучами высоко в горах. Она оказалась несколько тяжелее своей предшественницы и была названа пи-мезоном. Пи-мезон живет очень недолго — несколько миллиардных долей секунды и затем превращается в знакомый нам мю-мезон, излучая при этом нейтрино. Пи-мезон живет примерно в 100 раз меньше мю-мезона. Вот поэтому физики так долго и не могли обнаружить пи-мезоны. Ведь 99 процентов времени своей жизни они проводят в виде мю-мезонов.

Как мы уже с вами знаем, пи-мезоны и оказались частицами, о существовании которых предполагал Юкава. По-видимому, они и обусловливают ядерные силы, действующие между протонами и нейтронами. Пи- и мю-мезоны могут быть отрицательными и положительными, в зависимости от знака электрического заряда, который всегда равен по величине заряду электрона. Найден был также пи-мезон, не имеющий электрического заряда.

Последние годы оказались для физиков весьма продуктивными. Было найдено больше десятка новых элементарных частиц: ка-мезоны с массой около 1000 электронных масс и гипероны — частицы тяжелее протонов. Большинство этих частиц было найдено в космических лучах. Сейчас, когда ученые обладают весьма мощными ускорителями заряженных частиц, различные мезоны получаются искусственно.

Среди других элементарных частиц антипротон занимает несколько особое место. Дело в том, что история этой частицы начинается не с момента ее открытия, то есть с 1955 года, а значительно раньше.

Еще в 1928 году, когда известный физик Дирак создал уточненную теорию электрона, он с удивлением увидел, что из написанных им на бумаге уравнений вытекают не только свойства самого электрона. Эти уравнения указывали на существование еще и другой частицы, по своим свойствам противоположной электрону. Тут не могло быть математической ошибки, так как это уравнение очень точно предсказывало наблюдаемое в опыте поведение электрона. Но, может быть, Дираку следовало поступить так же, как школьнику, решающему задачу с квадратным уравнением: выбрать решение, имеющее физический смысл, а другое отбросить! Нет, уравнение Дирака говорит об одновременном существовании двух частиц: электрона и какого-то антиэлектрона. Дирак с большим сомнением рассказывал своим коллегам, что по совершенно непонятной ему причине его уравнение для электрона описывает частицу с массой электрона, но имеющую положительный заряд.

Сейчас мы знаем, что антиэлектроном оказался позитрон. Он был предсказан за несколько лет до своего открытия и обнаружен сначала в космических лучах, а затем уже получен искусственно. Позитрон — это удивительное, как бы зеркальное отображение своего собрата электрона.

Теория Дирака дает нечто большее, чем предсказание существования позитрона. Она говорит о существовании античастиц у тяжелых ядерных частиц: антипротона и антинейтрона, и дает возможность также предсказать основные свойства этих частиц. В частности, антипротон должен обладать массой, равной массе протона, и в противоположность ему иметь отрицательный заряд. При встрече с протоном такая пара, протон-антипротон, исчезает. Эта атомная катастрофа по своим масштабам значительно больше, чем аннигиляция электрона и позитрона, и сопровождается выделением энергии, равной двум миллиардам электронвольт.

Получить антипротон значительно труднее, нежели позитрон. Для рождения пары электрон-позитрон нужен гамма-квант с энергией около одного миллиона электронвольт. Рождение же антипротона может произойти только при столкновении двух нуклонов. При этом должна затратиться энергия, равная двум миллиардам электронвольт.

Вполне естественно, что ученые пытались вначале найти антипротоны в космических лучах, где происходит столкновение ядерных частиц с колоссальной энергией. Однако найти следы антипротона в фотоэмульсии среди миллионов следов других частиц различной массы и энергии, конечно, очень трудно. Были найдены следы, которые, судя по многим признакам, должны принадлежать антипротонам. Но здесь могла быть и ошибка. Поэтому ученые обратились к мощным ускорителям, на которых получается очень много заряженных частиц с энергией в несколько миллиардов электронвольт.

Трудности получения антипротона усугубляются тем обстоятельством, что при столкновении нуклонов не вся энергия расходуется на рождение пары протон-антипротон. Большая часть энергии удерживается сталкивающимися нуклонами. Поэтому для рождения антипротона нужна энергия не менее четырех миллиардов электронвольт, если столкновение происходит между свободными протонами (или нейтронами), и больше пяти миллиардов электронвольт, если столкновение нуклонов происходит внутри ядра.

Протоны с такой энергией были получены в 1955 году на большом ускорителе — космотроне в Беркли (Калифорния), и это дало возможность группе американских физиков под руководством Сегре, Чемберлена и других в 1955 году получить антипротоны при бомбардировке быстрыми протонами медной мишени.

Физики уже не сомневались, что раз существует антипротон, то должен существовать антинейтрон. Его труднее обнаружить, потому что, как и нейтрон, он не регистрируется обычными счетчиками и не оставляет следа в фотоэмульсии. Но, помимо других отличий от обычного нейтрона, эта частица обладает еще способностью к аннигиляции. Это обстоятельство позволило ученым в 1956 году обнаружить и антинейтрон.

Открытие антипротона и антинейтрона, по-видимому, не сулит нам новых возможностей в получении атомной энергии. Но изучение новых элементарных частиц позволяет глубже познать само ядро, характер и свойства ядерных сил, а это очень важно для развития ядерной физики, техники и ядерной энергетики.