Концепции современного естествознания

p align="left">

Открытие нейтрона, электрона, мю-мезона

В 1932 г. сотрудник Резерфорда Д. Чэдвик открыл нейтрон, точнее, электрически нейтральный объект с массой, приблизительно равной массе протона. Существование подобного объекта не нарушало законов атомной физики, более того, он был предсказан Резерфордом ещё в 1920 г. Действительно, если ядро атома гелия, например, имеет массу, равную четырём массам протона, а заряд, равный двум зарядам протона, следовательно, в ядре должно существовать ещё нечто, тяжёлое и нейтральное. Но это нечто можно было собрать из существующих на то время деталей конструктора. Резерфорд выдвинул на эту роль гипотетический особо тесный комплекс протон+электрон. И это было совершенно естественно - раз в процессе в-распада из ядра вылетают электроны, значит их там должно быть много. Правда, уже в 1932 г. Д.Д. Иваненко и Э. Майорана независимо друг от друга предложили модель ядра, состоящую из протонов и нейтронов. Только два года спустя Чэдвик пришёл к выводу, что открытый им объект - новая элементарная частица. Признать это было психологически сложно - физики не хотели новых частиц, не хотели перестраивать с таким трудом созданную теорию атома, казавшегося таким простым и прекрасным. Помимо нейтрона, к началу 30-х годов были ещё две гипотетических частицы, получивших впоследствии названия "нейтрино" и "позитрон". Нейтрино придумал Паули для объяснения непонятных явлений при в-распаде радиоактивных веществ. Почему скорости электронов, вылетающих из одинаковых атомов, разные? Паули предположил, что при в-распаде атом испускает две частицы и суммарная их энергия постоянна, а между частицами она делится достаточно произвольно. Вторая частица электрически нейтральна, поэтому она не регистрируется обычными приборами и не вступает во взаимодействие с атомами. Он считал, что если данная частица существует, то при его жизни её не обнаружат - необходим феноменальный прогресс экспериментальной техники для регистрации нейтрино. В оценке скорости прогресса он ошибся и на три года пережил срок экспериментального доказательства существования нейтрино. Положительно заряженный электрон можно было получить из уравнений Дирака, однако мало кто думал, что это решение имеет какой-либо физический смысл.

Теория сильного взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие

Цветовое взаимодействие, ядерное взаимодействие -- одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике. Сильное взаимодействие действует в масштабах атомных ядер и меньше, отвечая за притяжение между нуклонами в ядрах и между кварками в адронах. В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны, а также составленные из них элементарные частицы, называемые адронами. В 1934 г. Хидэки Юкава предложил гипотезу сильного взаимодействия. Если протоны в ядре атома, испытывая мощнейшее электрическое отталкивание, не разлетаются, то значит, их удерживают более мощные силы, чем электромагнитные. Юкава вводит новое поле, в котором силы действуют на очень коротком расстоянии. Он рассчитал, что чем массивней квант поля, тем короче расстояние, на которое оно распространяется. Так как кванты электромагнитного поля - фотоны - не имеют массы, электромагнитные воздействия распространяются на бесконечные расстояния. Короткодействующее "сильное" поле Юкавы тоже квантуется, и масса кванта должна быть меньше массы протона, но больше массы электрона. Гипотетическая частица Юкавы получила название мезон (мезо- греч. - средне- промежуточной).Частица, похожая на мезон Юкавы, была обнаружена при исследовании в космических лучей, в 1937 г., но позже оказалось, что это не квант сильного поля.

Это была первая частица, существование которой не было предсказано никакой теорией и даже не могло быть объяснено никакой теорией. "Правильный" мезон Юкавы (точнее один из трёх мезонов, квантов сильного поля с разными электрическими зарядами) был обнаружен в 1947 г. В дальнейшем он был назван р-мезоном, сокращённо - пионом, а "лжемезон" - м-мезоном (мюоном). После него были открыты более сотни "ненужных" частиц. Сильн.взаим-я в высокоэнергетич. Реакциях: Имеется целый ряд высокоэнергетических процессов столкновения адронов, в которых отсутствует жёсткий масштаб, из-за чего вычисления по теории возмущений в рамках КХД перестают быть надёжными. Среди таких реакций -- полные сечения столкновения адронов, упругое рассеяние адронов на небольшие углы, дифракционные процессы.

С точки зрения кинематики, в таких реакциях достаточно большой является только полная энергия сталкивающихся частиц в их системе покоя, но не переданный импульс. Начиная с 1960-х годов, основные свойства таких реакций успешно описываются феноменологическим подходом, основанным на теории Редже. В рамках этой теории, высокоэнергетическое рассеяние адронов происходит за счёт обмена некоторыми составными объектами -- реджеонами. Наиболее важным реджеоном в этой теории является померен -- единственный реджеон, вклад которого в сечение рассеяния не уменьшается с энергией. В 1970-х годах оказалось, что многие свойства реджеонов можно вывести и из квантовой хромодинамики.

Текущее состояние в теории сильных взаимодействий: КХД -- общепринятая теория сильных взаимодействий.

Во-первых, в тех областях, где её численные предсказания надёжны, они хорошо согласуются с опытом.

Во-вторых, в ней на смену сотням «элементарных» кирпичиков материи (адронов) с запутанными «правилами игры» приходят 6 кварков с единственным дополнительным квантовым числом. Все свойства унитарной симметрии адронов, все правила «адронной химии» автоматически следуют из взаимодействия кварков.

В-третьих, КХД построена в согласии с общими требованиями квантовой теории поля, в частности, она перенормируема. Поскольку сильные взаимодействия в КХД описываются на основе калибровочного подхода, есть надежда на то, что удастся объединить сильное взаимодействие с электрослабым.



Классификация ЭЧ

К настоящему времени число зарегистрированных частиц и античастиц приближается к четырём сотням. Существует две относительно смежные классификации элементарных частиц. Во-первых, это деление частиц на фермионы (частицы вещества) и бозоны (кванты полей). Выше уже упоминалось, что фермионы подчиняются запрету Паули и имеют дробный спин, в то время как на бозоны запрет Паули не распространяется, и они имеют целочисленные спины.Другая система частиц - деление их на лёгкие (лептоны) и тяжёлые (адроны). Тяжёлые частицы способны к сильному взаимодействию (т.е. их притягивает сильное "ядерное" поле), а легкие частицы - нет. Впоследствии оказалось, что лептоны - истинные элементарные частицы, которые не имеют внутренней структуры, в то время как адроны состоят из более мелких частиц - кварков.Тяжёлые лептоны способны распадаться с образованием стабильных лептонов - электрона и нейтрино. Также стабильными являются протоны и нейтроны (последние являются "вечными частицами", пока они заточены в ядрах атомов; свободные нейтроны подвержены самопроизвольному распаду). Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (от латинского нуклеус - ядро). Со времен Ньютона и Лейбница под понятием "элементарная частица" подразумевался бесструктурный точечный объект. По мере накопления знаний о природе материи на протяжении только последних ста лет элементарными частицами считали сначала атомы, потом ядра, адроны. К 60-м годам нашего века число элементарных частиц достигло сотни. Возникли сомнения в их "элементарности". Казалось, что природа не может быть столь расточительной. Все разнообразие этих частиц попытались объяснить наличием меньшего количества унифицированных элементарных объектов. На современном уровне знаний элементарными считают 12 частиц и 12 античастиц или, как говорят, ароматов, а также 12 переносчиков взаимодействий. Все элементарные частицы - фермионы (их спин s=1/2h), а все переносчики взаимодействия - бозоны (s=1h). В свободном состоянии наблюдается только 6 (из 12) элементарных частиц. Это - лептоны: электрон e- , мюон м- , таон ф- , нейтрино электронное нe, нейтрино мюонное нм, и нейтрино таонное нф. Антинейтрино и положительно заряженные лептоны считаются античастицами. Лептоны - слабо взаимодействующие частицы. Остальные 6 элементарных частиц - кварки - существуют только в связанном состоянии. Это относится и к 6 антикваркам. Кварки и антикварки - частицы, обладающие сильным взаимодействием.

Кварковая теория

Решительно упростить систему элементарных частиц удалось М. Гелл-Ману. В середине 60-х годов он выдвинул гипотезу, согласно которой адроны являются комбинацией более лёгких частиц - кварков, причём мезоны образованы парой кварк-антикварк, а барионы - тремя кварками. Кварки обладают дробным электрическим зарядом: +2/3 или -1/3 заряда протона (соответственно, антикварки - -2/3 и +1/3) и спином 1/2. К 80 годам "просвечивание" барионов потоками электронов или нейтрино подтвердило структурную неоднородность протонов и нейтронов - они рассеивали падающие частицы так, как будто состояли из трёх отдельных мишеней. Хотя получить отдельные кварки не удалось и к настоящему времени, никто уже не сомневается в их существовании и справедливости Стандартной модели - так называется кварковая теория вещества. Наш мир состоит из двух кварков - "верхнего" и "нижнего" - и двух лептонов - электрона и электронного нейтрино. В столкновениях ускоренных частиц высоких энергий рождаются два новых кварка - "странный" и "очарованный" и два лептона - имеющий электрический заряд мюон и мюонное нейтрино. При самых высоких энергиях сталкивающихся частиц, которые можно получить на современных ускорителях, появляются "истинный" и "красивый" (другой вариант названия t- и b-кварков - "вершинный" - top и "придонный" - bottom) кварки, заряженный тау-лептон и таонное нейтрино. Шесть разных состояний кварков называют ароматами. Кварки участвуют в особом типе сильного взаимодействия, которое создаётся не двумя, а тремя разными зарядами, или, как обычно говорят, кварки могут иметь один из трёх цветов. Цвет кварка никак не связан с ароматом - любой из кварков может иметь любой цвет.

Три разных цвета порождают поле, которое связывает кварки так тесно, что отделить один кварк от двух других невозможно. Тройка кварков разных цветов и есть адрон. Теперь понятен метафорический смысл слова "цвет" - человеческий глаз имеет три типа колбочек, различающих три цвета. Три одинаковых по интенсивности цвета создают белый цвет. Часто говорят, что адроны существуют только в белых комбинациях. Но два цвета не могут создать белую комбинацию. Как же образуются мезоны? Антикварки обладают антицветом. Мезон сформирован парой кварк-антикварк, он бесцветен. Стабильных мезонов не бывает, их жизнь не превышает миллионных долей секунды. Перемешивая шесть кварков и антикварков в комбинациях по три и по два и учитывая лептоны, получаем почти весь набор известных элементарных частиц.

Почти - потому что в этой теории появляются глюоны - особые кванты сильного взаимодействия, определяемого тремя зарядами (цветами), связывающего кварки в адроны. Глюоны существуют в девяти модификациях. Возникает вопрос - а что же дальше? Если мы создадим более мощные ускорители, то получим следующую пару кварков и пару лептонов - и так далее, как в сказке Андерсена "Горшок каши"? Не исключён, хотя и маловероятен, ещё один энергетический уровень, "населённый" своими кварками и лептонами, но больше их быть не может.



Слабое взаимодействие и несохранение чётности при слабых взаимодействиях

Слабое взаимодействие Физика признаёт существование четырёх фундаментальных взаимодействий - тяготения (гравитации), электромагнитных сил, сильного и слабого взаимодействий. Что есть слабое взаимодействие? Это сила, которая ничего не притягивает и ничего не отталкивает. Она превращает одну частицу в другую. Если при этом выделяется энергия, то она должна выразиться в каком-то действии на другие частицы. В данном случае она тратится на порождение новых частиц, которые разлетаются с большой скоростью. История слабого взаимодействия начинается в 30-е годы, когда Э. Ферми разрабатывал теорию в-распада. Одиночный нейтрон, "вылущенный" из ядра, в среднем за 13,5 минут распадается на протон, электрон и антинейтрино. Нейтрон, заключённый в ядре, не распадается. Для того, чтобы объяснить это явление, приходится вводить особую силу - гравитация, электричество и сильное взаимодействие тут не при чём. Есть процессы распада частиц, определяемых сильным взаимодействием, но они протекают за 10-23 сек; распады, обусловленные электромагнитным действием, протекают в тысячу раз медленнее. Чудовищная длительность квантовых процессов - от миллионных долей секунды и более - подразумевает наличие очень слабых сил, отсюда и название. Слабое поле действует на расстояниях гораздо меньших, чем сильное. Характерной особенностью слабых процессов будем считать распад частицы на три компонента, а не на два. Сейчас мы знаем, что сначала частица распадается на две, одна из которых является квантом слабого поля, а потом этот квант распадается ещё на две. Некоторые частицы способны участвовать в сильном взаимодействии, некоторые - в электромагнитном; слабое взаимодействие, возможно, характерно для всех известных на сей момент фермионов. Оно может менять ароматы кварков, превращая, например, u-кварк в d-кварк и наоборот, или аналоги ароматов у лептонов, делая из электрона нейтрино и наоборот. Несохранение чётности в слабых взаимодействиях Интуитивно понятно, что физические законы справа от наблюдателя должны выполнятся в точности так же, как и слева. В физическом мире царит симметрия. Так же очевидно, что все физические процессы, связанные с положительными электрическими зарядами, должны быть аналогичны процессам, связанным с зарядами отрицательными, т. е., если всюду поменять плюс на минус и наоборот, наш мир не должен измениться. Для любой частицы известна античастица (для нейтральных, например, нейтрона и нейтрино - тоже). Самое загадочное и интригующее свойство слабых взаимодействий - то, что для частиц связанные с ним процессы протекают чуть-чуть иначе, чем для античастиц. Например, нейтральная частица К0L может распадаться с образованием либо электрона, либо позитрона по схемам К0L > е+ + р- + не и К0L > е- + р+ + не, однако первый процесс протекает почти в одну и семь тысячных раз чаще, чем второй. Симметрия нарушена совсем незначительно, но вполне достоверно. Следует подчеркнуть, что симметрия (назовём чётностью некоторые типы симетрий), нарушается только в процессах слабого взаимодействия - может быть, всех. Считается, что подобного лёгкого нарушения оказалось достаточно. В начале мира, в первые секунды после Большого взрыва, превращения, связанные со слабой силой привели к тому, что частиц стало на несколько миллионных больше, чем античастиц.

Электрослабое поле и перспективы Великого Объединения

До середины XIX в. физики знали две самостоятельных силы - электричество и магнетизм. Позже оказалось, что это два проявления единой сущности - электромагнитного поля. Изменение электрической силы порождает силу магнитную, и наоборот.

Пока два заряда покоятся, между ними возникает электрическая сила притяжения-отталкивания, а когда они начинают двигаться, появляется магнитная сила. Абдус Салам в конце 50-х годов пришёл к мысли, что электромагнитное и слабое взаимодействия также есть проявление некоторой общей силы, которая получила название электрослабой. "Общая" электрослабая сила, точнее кванты электрослабого поля, существует при очень высоких энергиях и в нашем мире распадаются на кванты электромагнитного поля и слабого взаимодействия.

Теория объединения двух сил была создана в 60-е годы, а экспериментальные доказательства существования всего набора предсказанных квантов слабого поля - тяжёлых векторных бозонов - были получены на самых мощных ускорителях в 80-е годы. Кванты поля, разрушающего единство электрических и слабых сил - бозоны Хиггса - не обнаружены и по настоящее время, но мало кто сомневается в их существовании. Следующий шаг - объединение сильного и электрослабого взаимодействий. Соответствующая тория получила название Великого объединения. Она разрабатывается силами многих теоретиков начиная с 70-х годов.

Эта теория не может быть проверена экспериментально - человеческие руки не в силах создать ускорители той мощности, при которой возможно получить искомые частицы - участники объединённого взаимодействия. Однако возможна косвенная проверка Великого объединения.

Теория предсказывает наличие сил, способных превращать кварки в лептоны. В таком случае возможен самопроизвольный распад протона на позитрон и пион. За год должен распадаться в среднем один из 1032 протонов. Современная техника в принципе позволяет пронаблюдать такое явление. Очевидно, в скором времени физикам удастся таким образом подтвердить или опровергнуть теорию Великого объединения.



Открытие Ганом и Штрассманом распада урана с образованием лёгких осколков. Получение нептуния и плутония. Германский ядерный проект

Получение нептуния и плутония. В 30-х годах появились ускорители, увеличившие мощность бомбардировок ядра заряженными частицами в сотни раз. В 1940 - 1942 гг. Г. Сиборг, Э. М. Макмилан, Дж. Кеннеди и А. Валь получили новые, трансурановые элементы - нептуний и плутоний, которых в природе практически не существует. Разогнанные на ускорителе ядра дейтерия, направленные на мишень из урана, пробивали броню электростатического отталкивания и поглощались ядром, заряд которого увеличивался на единицу - так возникал нептуний, новый элемент с периодом полураспада чуть более двух суток. В процессе в-распада нейтрон нептуния превращался в протон, заряд ядра увеличивался ещё на единицу, и возникал сравнительно стабильный изотоп плутония с периодом полураспада 88 лет. Открытие Ганом и Штрассманом распада урана с образованием лёгких осколков. Во всех этих процессах ядро захватывало или теряло частицу и меняло заряд на одну-две единицы. И физики добаловались - вдруг, совершенно неожиданно, ядро урана развалилось на две половинки. Никто из теоретиков этого не ожидал. В опытах О. Гана и Ф. Штрасмана вместо соседей урана по таблице Менделеева был синтезирован барий - крупный черепок разбитого вдребезги ядра урана. Это привело к самому драматическому событию в двухтысячелетней истории физики - созданию атомной бомбы. Теоретические модели ядра (не знаю надо это или нет) В 30-годы Гамов, Бор, Уиллер (США) и Френкель (СССР) делают первые наброски теории строения ядра, получившие название «капельная теория». Мелкие капли круглые. Шар - геометрическая фигура, обладающая минимальной поверхностью при заданном объёме. Молекулы жидкости, находящейся на поверхности раздела двух сред, притягиваются внутрь. Это приводит к тому, что количество молекул на поверхности становится минимальным. Физики говорят о силе поверхностного натяжения, выравнивающей неровности на поверхности жидкости. Вода обладает большой силой поверхностного натяжения, спирт - меньшей, медицинский эфир (этиловый эфир) - ещё меньшей.Ядерные силы неизмеримо мощнее сил молекулярного притяжения и должны были бы образовать идеально шаровидное ядро, но количество частиц в нём слишком ограничено. Кроме того, нуклоны не одинаковы - между протонами действует отталкивающая сила. Всё это приводит к тому, что ядро может быть не сферическим, а вытянутым вроде дыни или сплющенным, как тыква. Почему ядро не может быть очень большим? Сильная сила действует на сверхмалых расстояниях, притягивает только ближайшие нуклоны (протоны и нейтроны). Вместе с силами притяжения на протоны ядра действует сила отталкивания одноименных зарядов, которая сравнительно мало убывает с расстоянием. Следовательно, при увеличении количества протонов в ядре силы отталкивания увеличиваются, а силы притяжения не растут. Ядро становится нестабильным, испускает б-частицу и, избавившись от избыточного положительного заряда, делается более устойчивым и компактным. Очевидно, что ядро, поверхность которого является более близкой к сферической, должно быть и более устойчивым. Почему ядро не может состоять из одних нейтронов и увеличиваться не разрушаясь? Капельная модель - классическая модель, не использующая квантово-волновые свойства ядерных частиц. Ей на смену приходит оболочечная модель, предложенная впервые Бартлетом и развитая М. Гёпперт-Майер и Х. Йенсеном. Согласно ей протоны и нейтроны образуют ансамбль стоячих волн, организованных подобно электронным оболочкам боровского атома. Пара нейтрон-нейтрон в силу запрета Паули может существовать только при противоположно ориентированных спинах, что уменьшает энергию связи. Поэтому один из нейтронов превратится в протон путём в-распада и образуется более прочная конструкция. Протоны и нейтроны заполняют оболочки, располагаясь на них в определённом количестве в разрешённых комбинациях. В 50-е годы Оге Бор (сын Нильса Бора) и Б. Моттельсон разрабатывают коллективную модель ядра, согласно которой на поверхности ядра (наружной оболочке) и образуются волны и квантовые переходы, сопровождающиеся излучением или поглощением гамма-излучения и радиоактивным распадом.Германский ядерный проект.Нацистская Германия обладала реальной возможностью создать бомбу - она обладала огромными людскими, материальными и интеллектуальными ресурсами. Над атомным проектом Германии (руководитель К. фон Вайцзеккер) работали Гейзенберг и Ган. Среди причин, по которым Германия не успела стать обладательницей ядерного оружия, можно назвать как политические (недооценка его значения Гитлером и, как следствие, недостаток финансирования), так и научно-технические. Немецкие физики пришли к ошибочному заключению, что использование графита в качестве замедлителя нейтронов бесперспективно и попытались использовать для этой цели тяжёлую воду. Единственный в мире завод по производству тяжелой воды (в Норвегии) был уничтожен налётами авиации союзников и диверсиями бойцов Сопротивления. Большой запас тяжёлой воды, находившийся в научно-исследовательских институтах Франции, уже во время оккупации Ф. Жолио-Кюри тайно переправил в Англию. В результате немецким физикам так и не удалось запустить ядерный реактор.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8