4.5. Ядерные процессы

Строение атомного ядра. Примерно через 20 лет после того как Ре-

зерфорд «разглядел» в недрах атома ядро, был открыт нейтрон — части-

ца, похожая на ядро атома водорода — протон, но без электрического за-

ряда. С открытием нейтронов появилась возможность экспериментально

исследовать структуру и свойства ядра — нейтронами удобно бомбарди-

ровать ядро: электрическое поле ядра не отталкивает их, и даже медлен-

ные нейтроны могут беспрепятственно приближаться к нему на такое

расстояние, при котором проявляется сильное взаимодействие, т.е. воз-

никают ядерные силы притяжения.

Из опытов Резерфорда следовало, что размер ядра атома 10-14—10-15 м

(размер атома — около 10-10м). Атомное ядро состоит из протонов и ней-

тронов. Протонно-нейтронная модель ядра предложена известным

российским физиком Д.Д. Иваненко (1904—1994), профессором

МГУ им. М.В. Ломоносова, и затем развита В. Гейзенбергом.

156

Протон имеет положительный заряд, по модулю равный заряду элек-

трона, и массу покоя, превосходящую массу электрона примерно в 1836

раз. Нейтрон — нейтральная частица с массой покоя, приблизительно

равной массе покоя протона (нейтрон немного тяжелее протона). Он ста-

билен только в составе ядер. Свободный нейтрон распадается на элек-

трон, протон и электронное антинейтрино. Его период полураспада около

12 мин.

Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus — ядро),

а общее их число — массовым числом А. Атомное ядро характеризуется

зарядом Ze, где е — заряд протона, Z — зарядовое число ядра, равное чис-

лу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического

элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Заряд ядра

определяет специфику химического элемента, т.е. число электронов в

атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер

внутриатомного электрического поля.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: где

X — символ химического элемента. Ядра с одинаковыми значениями Z,

но разными А (т.е. с разными числами нейтронов N = А — Z) называются

изотопами, а ядра с одинаковыми значениями А, но разными Z — изоба-

рами. Например, водород (Z = 1) имеет три изотопа: — протай (Z= 1,

N=0), — дейтерий (Z= 1,N= 1), — тритий (Z= l,N= 2). В подав-

ляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического

элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми

физическими свойствами (исключение составляют лишь некоторые изо-

топы, например изотопы водорода).

Связь нуклонов в ядре обеспечивают ядерные силы, намного превы-

шающие силы других фундаментальных взаимодействий. Основные

свойства ядерных сил: короткодействие, зарядовая независимость, ядер-

ные силы — силы только притяжения, насыщение, зависимость от взаим-

ной ориентации спинов нуклонов и др.

Весьма сложный характер ядерных сил и трудность точного решения

уравнений движения всех нуклонов ядра не позволили пока разработать

единую последовательную теорию атомного ядра.

Дефект массы и энергия связи ядра. Масс-спектроскопические из-

мерения показывают, что масса ядра меньше суммы масс составляющих

его нуклонов. Разность суммы масс нуклонов и массы ядра называется

дефектом массы m. Поскольку всякому изменению массы соответству-

ет изменение энергии, при образовании ядра выделяется энергия. Из за-

кона сохранения энергии следует и обратное: для разделения ядра на со-

ставные части необходимо затратить такое же количество энергии, кото-

рое выделяется при его образовании. Энергия, которую необходимо за-

157

тратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется

энергией связи ядра Есв. Она определяется формулой

Eсв= тс2,

где с — скорость света.

Обычно рассматривают удельную энергию связи — среднюю энергию

связи, приходящуюся на один нуклон. Она характеризует устойчивость

(прочность) атомных ядер (чем больше удельная энергия связи, тем ус-

тойчивее ядро) и зависит от массового числа А. Для легких ядер (А 12) с

увеличением А удельная энергия связи круто возрастает до 6 — 7 МэВ

(1 МэВ = 106 эВ), претерпевая ряд скачков, затем сравнительно плавно

увеличивается до максимального значения 8,7 МэВ для элементов с

А = 50 — 60, а потом постепенно уменьшается; например, для изотопа тя-

желого элемента урана-238 она составляет 7,6 МэВ (для сравнения отме-

тим, что энергия связи валентных электронов в атомах около 10 эВ (при-

близительно в 106 раз меньше!). Уменьшение удельной энергии связи при

переходе к тяжелым элементам объясняется тем, что с возрастанием чис-

ла протонов в ядре увеличивается энергия их кулоновского отталкивания.

Поэтому связь между нуклонами ослабевает, и сами ядра становятся ме-

нее прочными.

Наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения оказываются

ядра элементов средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие

ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны два

ядерных процесса:

1) деление тяжелых ядер на более легкие (цепная реакция);

2) слияние легких ядер и образование более тяжелых (синтез ядер).

Оба процесса практически реализованы в виде соответственно цеп-

ной реакции деления и термоядерного синтеза. Они сопровождаются вы-

делением огромного количества энергии.

Радиоактивность. В 1896 г. французский физик А.А. Беккерель

(1852—1908) при исследовании люминесценции солей урана обнаружил

самопроизвольное излучение неизвестной природы, которое действовало

на фотопленку, ионизировало воздух, проникало через тонкие металли-

ческие пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Немного

позднее французские ученые, супруги Кюри — Мария (1867—1934) и

Пьер (1859—1906) — наблюдали подобное излучение и для других ве-

ществ — тория и актиния. Обнаруженное излучение было названо радио-

активным, а сама способность его самопроизвольного испускания — ра-

диоактивностью. За открытие радиоактивности Пьер Кюри, Мария

158

Склодовская-Кюри и А. Беккерель удостоены Нобелевской премии по

физике 1903 г.

Дальнейшее исследование показало, что радиоактивное излучение не

зависит от состава химического соединения, его агрегатного состояния,

давления, температуры, т.е. от тех факторов, которые связаны с измене-

нием состояния электронной оболочки атома. Поэтому был сделан вы-

вод: радиоактивные свойства элементов обусловливаются структурой

атомного ядра.

В современном представлении радиоактивность — способность не-

которых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с

испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементар-

ных частиц. Различают радиоактивность естественную, наблюдаемую

для существующих в природе неустойчивых изотопов, и искусствен-

ную — для изотопов, полученных посредством ядерных реакций. Прин-

ципиального физического различия между ними нет: для них характерны

одни и те же закономерности радиоактивного превращения.

Известны три основных вида радиоактивного излучения: альфа-, бе-

та- и гамма-излучение. Альфа-излучение отклоняется электрическим и

магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и

слабой проникающей способностью (поглощается, например, слоем алю-

миния толщиной примерно 0,05 мм). Оно представляет собой поток ядер

гелия. Заряд альфа-частиц положителен и по модулю равен двойному за-

ряду электрона.

Бета-излучение также отклоняется электрическим и магнитным по-

лями. Оно характеризуется сравнительно слабой ионизирующей способ-

ностью и относительно высокой проникающей способностью (поглоща-

ется слоем алюминия толщиной около 2 мм). Одна из разновидностей бе-

та-излучения — поток быстрых электронов.

Гамма-излучение не отклоняется ни электрическим, ни магнитным

полем, обладает сравнительно слабой ионизирующей способностью и

очень высокой проникающей способностью (проходит через слой свинца

толщиной 5 см). Гамма-излучение — это коротковолновое электромаг-

нитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны (не более 10-10 м),

что и обусловливает его чрезвычайно высокую проникающую способ-

ность.

159

Естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее само-

произвольно, называется радиоактивным распадом. Скорость радиоак-

тивного распада определяется законом радиоактивного распада:

число нераспавшихся ядер N убывает со временем по экспоненте:

где N0 — начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t = 0);

N — число нераспавшихся ядер в момент времени t; л — постоянная ра-

диоактивного распада.

Постоянная радиоактивного распада характеризует вероятность рас-

пада отдельного ядра в единицу времени, а обратная ей величина — сред-

нее время его жизни. Время, в течение которого исходное число радиоак-

тивных ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полу-

распада.

Цепная реакция деления. Наблюдению цепной реакции деления

ядер предшествовало открытие нейтрона — нейтральной частицы, не

испытывающей кулоновского отталкивания и поэтому легко проникаю-

щей в ядро. Интересна история открытия нейтрона. В 1930 г. немецкие

физики В. Боте и Г. Беккер, облучая бериллий альфа-частицами, обнару-

жили излучение высокой проникающей способности. Поскольку сильно

проникающими могут быть только нейтральные частицы, было предпо-

ложено, что обнаруженное излучение — жесткие гамма-лучи. Дальней-

шие эксперименты показали, что наблюдаемое излучение, взаимодейст-

вуя с водородосодержащими соединениями, выбивает протоны, а из рас-

четов следовало, что предполагаемые гамма-кванты должны обладать не-

обычно большой энергией, что вызывало сомнение. При объяснении

полученных результатов эксперимента английский физик Д. Чедвик

(1891—1974) в 1932 г. сделал вывод: новое проникающее излучение

представляет собой не гамма-кванты, а поток тяжелых нейтральных час-

тиц, названных им нейтронами.

Характер ядерных реакций под действием нейтронов зависит от их

скорости (энергии). В зависимости от энергии нейтроны условно делят на

две группы: медленные и быстрые. Нейтроны с энергией до 104 эВ —

медленные, а с энергией, большей 104 эВ, — быстрые. Медленные ней-

троны эффективны для возбуждения ядерных реакций: они могут нахо-

диться относительно долго вблизи атомного ядра. Однако их энергия

сравнительно мала, поэтому они не могут вызвать неупругое рассеяние. В

то же время быстрые нейтроны способны превратить один радиоактив-

ный изотоп в другой.

160

К началу 40-х годов XX в. работами многих ученых: Э. Ферми

(1901—1954) (Италия), О. Гана (1879—1968), Ф. Штрассмана (1902—

1980) (ФРГ), О. Фриша (1904—1979) (Великобритания), Л. Майтнер

(1878—1978) (Австрия), Г.Н. Флерова (1913—1990), К.А. Петржака

(р. 1910) (СССР) и др., — было доказано, что при облучении урана ней-

тронами образуются ядра атомов химических элементов из середины Пе-

риодической таблицы Менделеева — лантана и бария. Этот результат по-

ложил начало новому виду реакций — реакциям деления ядер, при кото-

рых тяжелое ядро под действием нейтронов и других частиц делится на

несколько легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по

массе. Деление ядер сопровождается испусканием двух-трех вторичных

нейтронов, называемых нейтронами деления. Расчет цепной реакции де-

ления урана произвели наши соотечественники физики Ю.Б. Харитон

(1904—1996) и Я.Б. Зельдович (1914—1987) и др.

Деление ядер сопровождается выделением чрезвычайно большого

количества энергии. На самом деле, удельная энергия связи ядер средней

массы составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых

ядер — около 7,6 МэВ. Следовательно, при делении тяжелого ядра на два

осколка должна высвобождаться энергия 1,1 МэВ на один нуклон. Экспе-

рименты подтверждают, что при каждом акте деления ядер действитель-

но выделяется огромная энергия, которая распределяется между осколка-

ми (основная доля), нейтронами деления и продуктами последующего

распада осколков деления.

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать

последующие новые акты деления — возникает цепная реакция деления

(рис. 4.4). Она характеризуется коэффициентом размножения к нейтро-

нов, равным отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу

в предыдущем поколении. В процессе ядерной реакции не все образую-

щиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что

11-3290 161

приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за

конечных размеров активной зоны (пространства, где происходит реак-

ция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них поки-

дает активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром.

Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся приме-

сей. Кроме того, наряду с делением протекают конкурирующие процессы

радиоактивного захвата и неупругого рассеивания.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещест-

ва, его количества, размеров и формы активной зоны. Минимальные раз-

меры активной зоны, при которых возможна цепная реакция, называются

критическими размерами, а минимальная масса делящегося вещества в

активной зоне с критическими размерами — критической массой. При

k > 1 цепная реакция ускоряется: число делений быстро возрастает и

ядерный процесс становится взрывным. Условие k = 1 соответствует са-

моподдерживающейся реакции, при которой число нейтронов со време-

нем не изменяется. При k < 1 цепная реакция деления ядер замедляется.

Различают управляемые и неуправляемые цепные реакции деления

ядер. При взрыве атомной бомбы происходит неуправляемая реакция.

При хранении атомной бомбы, чтобы она не взорвалась, находящееся в

ней радиоактивное вещество делится на две части с некритическими мас-

сами. Для взрыва атомной бомбы обе части сближаются, общая масса де-

лящегося вещества становится критической и при этом возникает не-

управляемая цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделени-

ем огромного количества энергии. Управляемые цепные реакции осуще-

ствляются в ядерных реакторах атомных электростанций.

В природе существуют изотопы, которые могут служить ядерным то-

пливом (уран-235: в естественном уране его содержится примерно 0,7%)

или сырьем для его получения (торий-232 и уран-238, содержание кото-

рого в естественном уране составляет около 99,3%). В процессе цепной

реакции деления возможно воспроизводство ядерного топлива.

Термоядерный синтез. Колоссальным источником энергии облада-

ет реакция синтеза атомных ядер — образование из легких ядер более

тяжелых. Удельная энергия связи резко увеличивается при переходе от

ядер тяжелого водорода (дейтерия и трития) к ядрам лития и особенно ге-

лия, т.е. реакция синтеза легких ядер в более тяжелые, сопровождаю-

щаяся выделением огромного количества энергии. Энергии, приходя-

щейся на один нуклон, в реакции синтеза значительно больше, чем в ре-

акции деления тяжелых ядер. Синтез легких ядер возможен только при

сравнительно большой их кинетической энергии, достаточной для пре-

одоления электростатического отталкивания и сближения их на рас-

стояния, при которых проявляются ядерные силы притяжения. Очевидно,

162

энергетически выгоден синтез легких ядер с небольшим электрическим

зарядом. Такими ядрами являются изотопы водорода. Однако для осуще-

ствления реакции синтеза даже для изотопов водорода необходима чрез-

вычайно высокая температура — не менее 107 К, поэтому процесс слия-

ния ядер называется реакцией термоядерного синтеза. На рис. 4.5 схема-

тически изображена реакция термоядерного синтеза изотопов трития и

дейтерия с образованием ядер гелия.

Искусственная реакция термоядерного синтеза осуществлена впер-

вые в СССР — в 1953 г., а затем (через полгода) в США при взрыве водо-

родной (термоядерной) бомбы. Это была неуправляемая реакция синтеза.

Взрывчатое вещество водородной бомбы представляет собой смесь дей-

терия и трития, а детонатором в ней служит обычная атомная бомба, при

взрыве которой возникает высокая температура, необходимая для термо-

ядерного синтеза.

Трудность практической реализации управляемого термоядерного

синтеза заключается в том, что он возможен при очень высокой темпера-

туре, при которой любое синтезируемое вещество находится в плазмен-

ном состоянии, и возникает техническая проблема его удержания в огра-

ниченном объеме. Над решением проблемы управляемого термоядерного

синтеза усердно работают ученые многих стран в течение нескольких по-

следних десятилетий. Один из способов ее решения — удержание горя-

чей плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями. Этот

способ предложили наши соотечественники физики-теоретики А.Д. Са-

харов (1921—1989), И.Е. Тамм (1895—1971) и др. Для удержания плазмы

создаются сложнейшие в техническом исполнении термоядерные реакто-

ры. Один из них — Токамак-10, впервые созданный в 1975 г. в Институте

атомной энергии им. И.В. Курчатова. В последнее время сооружаются

163

новые модификации термоядерных реакторов. Управляемый термоядер-

ный синтез — это важнейшая проблема современного естествознания, с

решением которой, как предполагается, откроется новый перспективный

путь развития энергетики.

4.6. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Элементарные частицы — мельчайшие известные частицы материи.

Представление об элементарных частицах отражает тот уровень позна-

ния строения материи, который достигнут современной наукой. Харак-

терная особенность элементарных частиц — способность к взаимным

превращениям, что не позволяет рассматривать их как простейшие, неиз-

менные «кирпичики мироздания», подобные атомам Демокрита. К на-

стоящему времени обнаружено несколько сотен элементарных частиц,

включающих и античастицы. Из них стабильны фотон, электронное, мю-

онное и таонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Осталь-

ные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от

103 с для свободного нейтрона до 1022—10-14 с для резонансов. Однако

нельзя считать, что нестабильные частицы состоят из стабильных хотя

бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими спо-

собами на различные элементарные частицы.

Некоторые элементарные частицы обладают необычными, а в ряде

случаев и загадочными свойствами. Например, долгое время считалось,

что своеобразная частица нейтрино не имеет массы. Эта частица была от-

крыта теоретически. Еще в тридцатые годы XX в. при изучении бета-рас-

пада было обнаружено, что распределение по энергиям электронов, ис-

пускаемых радиоактивными ядрами, не дискретно, а непрерывно. Из это-

го следовало, что либо не выполняется закон сохранения энергии, либо

при бета-распаде, помимо электронов, испускаются еще и какие-то труд-

норегистрируемые частицы, подобные фотонам с нулевой массой покоя и

уносящие часть энергии. Предполагалось, что это нейтрино. Однако экс-

периментально зарегистрировать нейтрино удалось лишь в 1956 г. на ог-

ромных подземных установках. Сложность их регистрации заключается

в том, что захват частиц нейтрино происходит чрезвычайно редко из-за

их чрезвычайно высокой проникающей способности. В дальнейшем кро-

ме электронного нейтрино зарегистрированы антинейтрино, мюонное и

таонное нейтрино. Совсем недавно в ходе экспериментов по изучению

двойного бета-распада, проводимых в итальянской подземной лаборато-

164

рии, удалось установить, что масса покоя нейтрино все же не равна нулю,

хотя относительно мала — не превышает 0,2 эВ.

Не менее интересны и загадочны античастицы, которые имеют ту же

массу, спин, время жизни и некоторые другие характеристики, что и их

частицы-двойники, но отличаются от них знаками электрического заря-

да, магнитного момента, барионного заряда и др. Гипотезу об античасти-

цах предложил в 1928 г. П. Дирак: в результате решения релятивистского

волнового уравнения он предсказал существование античастицы элек-

трона — позитрона, обнаруженного спустя четыре года К. Андерсоном в

составе космических лучей. Электрон и позитрон — не единственная

пара частица — античастица. Все элементарные частицы, кроме ней-

тральных, имеют свои античастицы. При столкновении частицы и анти-

частицы происходит их аннигиляция, при которой образуются другие эле-

ментарные частицы или фотоны. Например, в результате аннигиляции

пары электрон — позитрон рождаются фотоны.

Специфическая характеристика элементарных частиц — четность —

это квантовое число, определяющее симметрию волновой функции отно-

сительно зеркального отражения. Если при зеркальном отражении волно-

вая функция частицы не меняет знака, то ее четность положительна, если

меняет знак — отрицательна. Это квантова-механическая характеристи-

ка подчиняется закону сохранения четности:

при всех превращениях системы частиц четность состояния не изменя-

ется.

Сохранение четности связано со свойством зеркальной симметрии

пространства и указывает на инвариантность законов природы при заме-

не правого левым, и наоборот.

Проведенное в 1956 г. исследование К-мезонов привело американ-

ских физиков Т. Ли и Ч. Янга, лауреатов Нобелевской премии по физике

1957 г., к выводу: в слабых взаимодействиях закон сохранения четности

может нарушаться, — что подтвердилось в дальнейшем эксперименталь-

но. В то же время закон сохранения четности выполняется для сильного и

электромагнитного взаимодействий.

Число обнаруженных элементарных частиц со временем увеличива-

ется. В частности, сравнительно недавно сообщалось о том, что зарегист-

рирована еще одна частица. Вместе с обнаружением новых элементарных

частиц продолжается поиск фундаментальных частиц, которые могли бы

служить составными «кирпичиками» для построения известных частиц.

Гипотеза о существовании подобного рода частиц, названных кварками,

была высказана в 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном, удо-

165

стоенным Нобелевской премии 1969 г. Название «кварк» заимствовано из

фантастического романа ирландского писателя Дж. Джойса «Поминки по

Финнегану» (герою снится сон, в котором чайки кричат: «Три кварка для

мастера Марка»). Одна из отличительных особенностей кварков заклю-

чается в том, что они имеют дробные электрические заряды. Эта особен-

ность необычна и удивительна, поскольку до сих пор никто не обнару-

жил частиц с такими зарядами. В свободном состоянии кварки не на-

блюдались. Однако кварковая модель оказалась весьма плодотвор-

ной — она позволила определить квантовые числа многих элементар-

ных частиц.

4.7. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ МИКРОМИРА

Современные ускорители. Одним из основных технических средств

экспериментального исследования свойств объектов микромира являют-

ся ускорители заряженных частиц. Полученные в ускорителе управляе-

мые пучки частиц — подходящий инструмент для проведения операций

внутри атомов и атомных ядер, для исследования свойств и структуры

элементарных частиц. Для подобных исследований нужна энергия уско-

ренных частиц в десятки, сотни и даже тысячи гигаэлектронвольт

(1 ГэВ = 109 эВ). В этой связи область фундаментальных исследований

строения материи неслучайно называется физикой высоких энергий.

Если ускорители заряженных частиц высокой энергии создавались

бы по принципу телевизионной трубки, т.е. линейными, то, как показыва-

ют расчеты, их размеры достигали бы многих сотен километров. Поэтому

рабочую камеру ускорителя изготавливают в форме огромного тора, для

многократного прохождения частицами участков, на которых периодиче-

ски включается ускоряющее электрическое поле. Чем выше энергия час-

тиц, тем труднее направить их по круговой траектории, тем сильнее

должно быть магнитное поле, искривляющее траекторию движения заря-

женных частиц. Кроме того, одноименно заряженные частицы в пучке

взаимно отталкиваются и рассеиваются на микрообъектах остаточной ат-

мосферы в вакуумной камере ускорителя. Поэтому наряду с магнитами,

поле которых обеспечивает круговое движение частиц, нужны магниты,

фокусирующие и сжимающие их в узкий пучок. Максимальная энергия

современных ускорителей определяется в значительной степени размера-

ми и, следовательно, стоимостью довольно громоздкой магнитной систе-

мы.

166

Сформированный ускорителем пучок заряженных частиц (обычно

электронов или гораздо более тяжелых протонов) направляют на специ-

ально подобранную, исходя из задач эксперимента, мишень, при соударе-

нии с которой рождается множество разнообразных вторичных частиц. С

помощью сложнейших систем — детекторов — такие частицы регистри-

руются, определяются их масса, электрический заряд, скорость и многие

другие характеристики. Затем в результате математической обработки

исходных экспериментальных данных с помощью ЭВМ определяются

траектория движения и картина взаимодействия ускоренных частиц с ве-

ществом мишени. И наконец, при сопоставлении полученных экспери-

ментальных результатов с предварительно рассчитанными воспроизво-

дится картина взаимодействия частиц. Именно таким сложным путем и

добываются новые знания о свойствах исследуемых элементарных час-

тиц.

В современных ускорителях вместо неподвижной мишени часто ис-

пользуется встречный ускоренный пучок частиц. Подобные ускорители

на встречных пучках называются коллайдерами. К настоящему времени

построено несколько коллайдеров: в США, Японии, Германии и в Евро-

пейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Швейцарии.

В разработке и строительстве ускорителей заряженных частиц наша

страна многие годы лидировала. Были построены в 1956 г. синхрофазо-

трон в Дубне (энергия 10 ГэВ, длина орбиты частиц около 200 м) и затем в

1967 г. синхротрон (ускоритель У-70) в городе Протвино близ Серпухова

(энергия 70 ГэВ, длина орбиты 1,5 км). Отечественный ускоритель У-70 и

поныне остается крупнейшим в России. На нем проводят исследования

физики из многих лабораторий нашей страны и стран СНГ и выполняют-

ся совместно с западными учеными физические программы. В ходе его

реконструкции для начальной стадии ускорения был установлен первый

в мире линейный ускоритель с высокочастотной фокусировкой (без маг-

нитов) и введен в действие «промежуточный» синхротрон диаметром 30 м,

рассчитанный на энергию 1,5 ГэВ.

В 1983 г. в Протвино начались работы по сооружению ускоритель-

но-накопительного комплекса (УНК), рассчитанного на энергию 3000 ГэВ,

втрое превышающую энергию наиболее мощного в мире ускорителя, ус-

тановленного в лаборатории им. Э. Ферми (ФНАЛ) в США. Для УНК по-

строили кольцевой тоннель длиной 21 км и диаметром около 5 м (по раз-

мерам он сопоставим с кольцевой линией московского метро). В нем пла-

нировали установить сверхпроводящие магниты. Однако с распадом

СССР хозяйственные связи прервались, и завод в Усть-Каменогорске, где

производили сверхпроводящий материал, оказался за рубежом. Было ре-

167

шено пустить первую очередь новой установки, используя обычные маг-

ниты, что обеспечило бы энергию только 600 ГэВ (ее назвали У-600). Для

этого необходимо установить по кольцу более двух тысяч магнитов мас-

сой около 10 т каждый, что оценивается примерно в 150 млн. долл. и со-

ставляет лишь малую часть от уже вложенных средств.

В конце 80-х годов XX в. в США начато сооружение самого крупного

в мире ускорителя — сверхпроводящего суперколлайдера (с 80-кило-

метровой длиной орбиты частиц), рассчитанного на энергию протонов

20 ТэВ (20 • 1012 эВ). Однако в 1993 г. Конгресс США принял решение о

прекращении его строительства, хотя уже потрачено около двух милли-

ардов долларов и прорыт в Техасе тоннель длиной 24 км.

Планируется завершить примерно лет через десять сооружение в Же-

неве самого крупного в мире ускорителя заряженных частиц — большо-

го адронного коллайдера — в 27-километровом подземном тоннеле. Фи-

зики надеются, что при немыслимых сегодня энергиях сталкивающихся

частиц (порядка 10 ТэВ) удастся получить важные сведения о глубинных

процессах. На таком гигантском ускорителе и размеры детекторов пора-

жают воображение. Один из них, самый крупный, представляет собой

сложнейшее в техническом исполнении устройство цилиндрической

формы длиной 26 и диаметром 20 м, массой около 7 тыс. т. Его разработ-

кой занималась международная группа ученых (примерно 1,5 тыс. чело-

век) из трех десятков стран: США, России, Японии, Франции, Англии и

др. Детектор в рабочем режиме будет выдавать поток информации, по

объему сравнимый с циркулирующей сегодня во всех европейских ком-

пьютерных сетях.

Структурная нейтронография. Стремясь проникнуть в глубину ма-

терии и изучить ее структуру, исследователи создавали все более совер-

шенные приборы и методы. На смену оптическому микроскопу пришел

электронный с несравненно более высоким разрешением. Рентгенострук-

турный анализ позволил «увидеть» форму атомной решетки кристалла и

даже проследить за ее деформацией при внешнем воздействии, напри-

мер, при изменении температуры и давления. Сравнительно недавно соз-

даны, развиты и усовершенствованы новые методы изучения свойств ве-

щества, основанные на рассеянии нейтронов.

Нейтрон, как и любая другая частица, обладает свойством волны. По-

этому поток нейтронов можно рассматривать как коротковолновое излу-

чение (характерная длина волны — порядка 0,03 нм). Проходя через ве-

щество, нейтроны испытывают дифракцию в результате рассеяния их на

отдельных атомах. Направление и интенсивность отраженных лучей за-

висят от строения рассеивающего объекта. Измеряя углы рассеяния ней-

тронов, можно воспроизвести атомную структуру вещества.

168

Структурная нейтронография позволяет проследить за поведением

каждого атома. На рис. 4.6 показана проекция упругого рассеяния ней-

тронов в кристалле КН2РО4 вблизи водородной связи. Видны два атома

кислорода (сплошные линии) и два атома водорода (пунктирные линии).

Расстояние между ними при комнатной температуре (293 К) (рис. 4.6, а)

заметно больше, чем при низкой температуре (77 К) (рис 4.6, б). Струк-

турная нейтронография — одно из крупнейших достижений современ-

ного естествознания. Она открывает широкие возможности микроскопи-

ческих исследований свойств многообразных не только физических, но и

химических, и биологических объектов.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте кратко историю развития представлений о строении атома.

2. Чем отличается модель атома Томсона от планетарной модели?

3. Сформулируйте постулаты Бора.

4. Можно ли с помощью теории Бора объяснить структуру атомов всех элементов

таблицы Менделеева?

5. В чем заключаются корпускулярно-волновые свойства частиц?

6. В чем сущность принципа неопределенности?

7. Сформулируйте принцип дополнительности.

8. Поясните физический смысл волновой функции?

9. Кто и когда сформулировал основное уравнение нерелятивистской квантовой меха-

ники?

10. В чем заключается принцип причинности для микропроцессов?

11. На какие два класса делятся частицы в зависимости от характера симметрии волно-

вых функций?

169

12. Сформулируйте принцип Паули.

13. Охарактеризуйте современные основные атомные системы.

14. Что такое фуллерены?

15. Какими свойствами обладают углеродные нанотрубки?

16. Какова структура атомного ядра?

17. Что такое дефект масс?

18. Как зависит удельная энергия связи ядер от массового числа?

19. Что такое радиоактивность?

20. Назовите основные виды радиоактивного распада.

21. Сформулируйте закон радиоактивного распада.

22. Как возникает цепная реакция деления ядер?

23. Что такое критическая масса?

24. Что характеризует коэффициент размножения нейтронов?

25. При каких условиях возникает термоядерный синтез?

26. В чем заключается трудность управляемого термоядерного синтеза?

27. Какие частицы называются элементарными?

28. Какова особенность свойств нейтрино?

29. Чем отличаются античастицы от частиц?

30. Что такое аннигиляция?

31. Приведите характеристики современных ускорителей.

32. На чем основана структурная нейтронография?

Объясню, как смогу: но не буду говорить

ничего окончательного и определенного,

подобно оракулу Аполлона, а, будучи

всего лишь слабым смертным, укажу

только правдоподобные предположения.

Цицерон

*

Концепция развития

и эволюция Вселенной

*

Естественно-научные

знания о веществе

*

Биосферный уровень

организации материи

*

5. КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ

ВСЕЛЕННОЙ