Изучая строение вещества, физики узнали, из чего сделаны атомы, добрались до атомного ядра и расщепили его на протоны и нейтроны. Все эти шаги давались довольно легко - надо было лишь разогнать частицы до нужной энергии, столкнуть их друг с другом, и тогда они сами разваливались на составные части.
А вот с протонами и нейтронами такой трюк уже не прошел. Хотя они и являются составными частицами, их не удается «разломать на части» ни в каком даже самом сильном столкновении. Поэтому физикам потребовались десятилетия для того, чтобы придумать разные способы заглянуть внутрь протона, увидеть его устройство и форму. В наши дни изучение структуры протона - одна из самых активных областей физики элементарных частиц.
Природа дает намеки
История изучения структуры протонов и нейтронов берет свое начало с 1930-х годов. Когда в дополнение к протонам были открыты нейтроны (1932), то, измерив их массу, физики с удивлением обнаружили, что она очень близка к массе протона. Более того, оказалось, что протоны и нейтроны «чувствуют» ядерное взаимодействие совершенно одинаковым образом. Настолько одинаковым, что, с точки зрения ядерных сил, протон и нейтрон можно считать как бы двумя проявлениями одной и той же частицы - нуклона: протон - это электрически заряженный нуклон, а нейтрон - нейтральный нуклон. Поменяйте протоны на нейтроны - и ядерные силы (почти) ничего не заметят.
Физики это свойство природы выражают как симметрию - ядерное взаимодействие симметрично относительно замены протонов на нейтроны, подобно тому как бабочка симметрична относительно замены левого на правое. Эта симметрия, кроме того что она сыграла важную роль в ядерной физике, была на самом деле первым намеком на то, что у нуклонов имеется интересное внутреннее строение. Правда, тогда, в 30-е годы, физики этот намек не осознали.
Понимание пришло позже. Началось с того, что в 1940–50-е годы в реакциях столкновения протонов с ядрами различных элементов ученые с удивлением обнаруживали всё новые и новые частицы. Не протоны, не нейтроны, не открытые к тому времени пи-мезоны, которые удерживают нуклоны в ядрах, а какие-то совсем новые частицы. При всём своем разнообразии эти новые частицы обладали двумя общими свойствами. Во-первых, они, так же как и нуклоны, очень охотно участвовали в ядерных взаимодействиях - сейчас такие частицы называют адронами. А во-вторых, они были исключительно нестабильными. Самые неустойчивые из них распадались на другие частицы всего за триллионную долю наносекунды, не успев пролететь даже на размер атомного ядра!
Долгое время «зоопарк» адронов представлял из себя полную мешанину. В конце 1950-х годов физики узнали уже достаточно много разных видов адронов, начали сравнивать их друг с другом и вдруг увидели некую общую симметричность, даже периодичность их свойств. Была высказана догадка, что внутри всех адронов (в том числе и нуклонов) сидят некие простые объекты, которые получили название «кварки». Комбинируя кварки разными способами, можно получать разные адроны, причем именно такого типа и с такими свойствами, которые обнаруживались в эксперименте.
Что делает протон протоном?
После того как физики открыли кварковое устройство адронов и узнали, что кварки бывают нескольких разных сортов, стало понятно, что из кварков можно сконструировать много различных частиц. Так что уже никого не удивляло, когда последующие эксперименты продолжали один за другим находить новые адроны. Но среди всех адронов обнаружилось целое семейство частиц, состоящих, точно так же как и протон, только из двух u -кварков и одного d -кварка. Этакие «собратья» протона. И вот тут физиков подстерегал сюрприз.
Давайте сначала сделаем одно простое наблюдение. Если у нас есть несколько предметов, состоящих из одинаковых «кирпичиков», то более тяжелые предметы содержат больше «кирпичиков», а более легкие - меньше. Это очень естественный принцип, который можно называть принципом комбинирования или принципом надстройки, и он прекрасно выполняется как в повседневной жизни, так и в физике. Он проявляется даже в устройстве атомных ядер - ведь более тяжелые ядра просто состоят из большего числа протонов и нейтронов.
Однако на уровне кварков этот принцип совершенно не работает, и, надо признаться, физики еще не до конца разобрались, почему. Оказывается, тяжелые собратья протона тоже состоят из тех же самых кварков, что и протон, хотя они в полтора, а то и в два раза тяжелее протона. Они отличаются от протона (и различаются между собой) не составом, а взаимным расположением кварков, тем, в каком состоянии относительно друг друга эти кварки находятся. Достаточно изменить взаимное положение кварков - и мы из протона получим другую, заметно более тяжелую, частицу.
А что будет, если все-таки взять и собрать вместе больше трех кварков? Получится ли новая тяжелая частица? Удивительно, но не получится - кварки разобьются по трое и превратятся в несколько разрозненных частиц. Почему-то природа «не любит» объединять много кварков в одно целое! Лишь совсем недавно, буквально в последние годы, стали появляться намеки на то, что некоторые многокварковые частицы всё же существуют, но это лишь подчеркивает, насколько природа их не любит.
Из этой комбинаторики следует очень важный и глубокий вывод - масса адронов вовсе не складывается из массы кварков. Но если массу адрона можно увеличить или уменьшить простым перекомбинированием составляющих его кирпичиков, значит, вовсе не сами кварки ответственны за массу адронов. И действительно, в последующих экспериментах удалось узнать, что масса самих кварков составляет лишь около двух процентов от массы протона, а вся остальная тяжесть возникает за счет силового поля (ему отвечают специальные частицы - глюоны), связывающего кварки вместе. Изменяя взаимное расположение кварков, например отодвигая их подальше друг от друга, мы тем самым изменяем глюонное облако, делаем его более массивным, из-за чего и возрастает масса адрона (рис. 1).
Что творится внутри быстро летящего протона?
Всё описанное выше касается неподвижного протона, на языке физиков - это устройство протона в его системе покоя. Однако в эксперименте структура протона была впервые обнаружена в других условиях - внутри быстро летящего протона.
В конце 1960-х годов в экспериментах по столкновению частиц на ускорителях было замечено, что летящие с околосветовой скоростью протоны вели себя так, словно энергия внутри них не распределена равномерно, а сконцентрирована в отдельных компактных объектах. Эти сгустки вещества внутри протонов знаменитый физик Ричард Фейнман предложил называть партонами (от английского part - часть).
В последующих экспериментах были изучены многие свойства партонов - например, их электрический заряд, их количество и доля энергии протона, которую каждый из них несет. Оказывается, заряженные партоны - это кварки, а нейтральные партоны - это глюоны. Да-да, те самые глюоны, которые в системе покоя протона просто «прислуживали» кваркам, притягивая их друг к другу, теперь являются самостоятельными партонами и наряду с кварками несут «вещество» и энергию быстро летящего протона. Опыты показали, что примерно половина энергии запасена в кварках, а половина - в глюонах.
Партоны удобнее всего изучать в столкновении протонов с электронами. Дело в том, что, в отличие от протона, электрон не участвует в сильных ядерных взаимодействиях и его столкновение с протоном выглядит весьма просто: электрон на очень короткое время испускает виртуальный фотон, который врезается в заряженный партон и порождает в конце концов большое число частиц (рис. 2). Можно сказать, что электрон является отличным скальпелем для «вскрытия» протона и разделения его на отдельные части - правда, лишь на очень короткое время. Зная, как часто происходят такие процессы на ускорителе, можно измерить количество партонов внутри протона и их заряды.
Кто такие партоны на самом деле?
И здесь мы подходим к еще одному поразительному открытию, которое сделали физики, изучая столкновения элементарных частиц при высоких энергиях.
В обычных условиях вопрос о том, из чего состоит тот или иной предмет, имеет универсальный ответ для всех систем отсчета. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода - и не важно, смотрим ли мы на неподвижную или на движущуюся молекулу. Однако это правило - казалось бы, такое естественное! - нарушается, если речь идет об элементарных частицах, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. В одной системе отсчета сложная частица может состоять из одного набора субчастиц, а в другой системе отсчета - из другого. Получается, что состав - понятие относительное !
Как такое может быть? Ключевым здесь является одно важное свойство: количество частиц в нашем мире не фиксировано - частицы могут рождаться и исчезать. Например, если столкнуть вместе два электрона с достаточно большой энергией, то вдобавок к этим двум электронам может родиться либо фотон, либо электрон-позитронная пара, либо еще какие-нибудь частицы. Всё это разрешено квантовыми законами, именно так и происходит в реальных экспериментах.
Но этот «закон несохранения» частиц работает при столкновениях частиц. А как же получается, что один и тот же протон с разных точек зрения выглядит состоящим из разного набора частиц? Дело в том, что протон - это не просто три кварка, сложенные вместе. Между кварками существует силовое глюонное поле. Вообще, силовое поле (как, например, гравитационное или электрическое поле) - это некая материальная «сущность», которая пронизывает пространство и позволяет частицам оказывать силовое влияние друг на друга. В квантовой теории поле тоже состоит из частиц, правда из особенных - виртуальных. Количество этих частиц не фиксировано, они постоянно «отпочковываются» от кварков и поглощаются другими кварками.
Покоящийся протон действительно можно представить себе как три кварка, между которыми перескакивают глюоны. Но если взглянуть на тот же протон из другой системы отсчета, словно из окна проезжающего мимо «релятивистского поезда», то мы увидим совсем иную картину. Те виртуальные глюоны, которые склеивали кварки вместе, покажутся уже менее виртуальными, «более настоящими» частицами. Они, конечно, по-прежнему рождаются и поглощаются кварками, но при этом какое-то время живут сами по себе, летят рядом с кварками, словно настоящие частицы. То, что выглядит простым силовым полем в одной системе отсчета, превращается в другой системе в поток частиц! Заметьте, сам протон мы при этом не трогаем, а только смотрим на него из другой системы отсчета.
Дальше - больше. Чем ближе скорость нашего «релятивистского поезда» к скорости света, тем более удивительную картину внутри протона мы увидим. По мере приближения к скорости света мы заметим, что глюонов внутри протона становится всё больше и больше. Более того, они иногда расщепляются на кварк-антикварковые пары, которые тоже летят рядом и тоже считаются партонами. В результате ультрарелятивистский протон, т. е. протон, движущийся относительно нас со скоростью, очень близкой к скорости света, предстает в виде взаимопроникающих облачков кварков, антикварков и глюонов, которые летят вместе и как бы поддерживают друг друга (рис. 3).
Читатель, знакомый с теорией относительности, может забеспокоиться. Вся физика основана на том принципе, что любой процесс протекает одинаково во всех инерциальных системах отсчета. А тут получается, что состав протона зависит от системы отсчета, из которой мы его наблюдаем?!
Да, именно так, но это никак не нарушает принцип относительности. Результаты физических процессов - например, какие частицы и сколько рождаются в результате столкновения - действительно оказываются инвариантными, хотя состав протона зависит от системы отсчета.
Эта необычная на первый взгляд, но удовлетворяющая всем законам физики ситуация схематично проиллюстрирована на рисунке 4. Здесь показано, как столкновение двух протонов с большой энергией выглядит в разных системах отсчета: в системе покоя одного протона, в системе центра масс, в системе покоя другого протона. Взаимодействие между протонами осуществляется через каскад расщепляющихся глюонов, но только в одном случае этот каскад считается «внутренностью» одного протона, в другом случае - частью другого протона, а в третьем - это просто некий объект, которым обмениваются два протона. Этот каскад существует, он реален, но к какой части процесса его надо относить - зависит от системы отсчета.
Трехмерный портрет протона
Все результаты, про которые мы только что рассказали, базировались на экспериментах, выполненных довольно давно - в 60–70-х годах прошлого века. Казалось бы, с тех пор всё уже должно быть изучено и все вопросы должны найти свои ответы. Но нет - устройство протона по-прежнему остается одной из самых интересных тем в физике элементарных частиц. Более того, в последние годы интерес к ней снова возрос, потому что физики поняли, как получить «трехмерный» портрет быстро движущегося протона, который оказался гораздо сложнее портрета неподвижного протона.
Классические эксперименты по столкновению протонов рассказывают лишь о количестве партонов и их распределении по энергии. В таких экспериментах партоны участвуют как независимые объекты, а значит, из них нельзя узнать, как партоны расположены друг относительно друга, как именно они складываются в протон. Можно сказать, что долгое время физикам был доступен лишь «одномерный» портрет быстро летящего протона.
Для того чтобы построить настоящий, трехмерный, портрет протона и узнать распределение партонов в пространстве, требуются гораздо более тонкие эксперименты, чем те, которые были возможны 40 лет назад. Такие эксперименты физики научились ставить совсем недавно, буквально в последнее десятилетие. Они поняли, что среди огромного количества разных реакций, которые происходят при столкновении электрона с протоном, есть одна особенная реакция - глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние , - которая и сможет рассказать о трехмерной структуре протона.
Вообще, комптоновским рассеянием, или эффектом Комптона, называют упругое столкновение фотона с какой-нибудь частицей, например с протоном. Выглядит оно так: прилетает фотон, поглощается протоном, который на короткое время переходит в возбужденное состояние, а потом возвращается в исходное состояние, испуская фотон в каком-нибудь направлении.
Комптоновское рассеяние обычных световых фотонов не приводит ни к чему интересному - это простое отражение света от протона. Для того чтобы «вступила в игру» внутренняя структура протона и «почувствовались» распределения кварков, надо использовать фотоны очень большой энергии - в миллиарды раз больше, чем в обычном свете. А как раз такие фотоны - правда, виртуальные - легко порождает налетающий электрон. Если теперь объединить одно с другим, то и получится глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние (рис. 5).
Главная особенность этой реакции состоит в том, что она не разрушает протон. Налетающий фотон не просто бьет по протону, а как бы тщательно его ощупывает и затем улетает прочь. То, в какую сторону он улетает и какую часть энергии у него отбирает протон, зависит от устройства протона, от взаимного расположения партонов внутри него. Именно поэтому, изучая этот процесс, можно восстановить трехмерный облик протона, как бы «вылепить его скульптуру».
Правда, для физика-экспериментатора сделать это очень непросто. Нужный процесс происходит довольно редко, и зарегистрировать его трудно. Первые экспериментальные данные об этой реакции были получены лишь в 2001 году на ускорителе HERA в немецком ускорительном комплексе DESY в Гамбурге; новая серия данных сейчас обрабатывается экспериментаторами. Впрочем, уже сегодня, на основании первых данных, теоретики рисуют трехмерные распределения кварков и глюонов в протоне. Физическая величина, про которую физики раньше строили лишь предположения, наконец стала «проступать» из эксперимента.
Ждут ли нас какие-нибудь неожиданные открытия в этой области? Вполне вероятно, что да. В качестве иллюстрации скажем, что в ноябре 2008 года появилась интересная теоретическая статья, в которой утверждается, что быстро летящий протон должен иметь вид не плоского диска, а двояковогнутой линзы. Так получается потому, что партоны, сидящие в центральной области протона, сильнее сжимаются в продольном направлении, чем партоны, сидящие на краях. Было бы очень интересно проверить эти теоретические предсказания экспериментально!
Почему всё это интересно физикам?
Зачем вообще физикам надо знать, как именно распределено вещество внутри протонов и нейтронов?
Во-первых, этого требует сама логика развития физики. В мире есть много поразительно сложных систем, с которыми современная теоретическая физика пока не может полностью совладать. Адроны - одна из таких систем. Разбираясь с устройством адронов, мы оттачиваем способности теоретической физики, которые вполне могут оказаться универсальными и, возможно, помогут в чем-то совсем ином, например при изучении сверхпроводников или других материалов с необычными свойствами.
Во-вторых, тут есть непосредственная польза для ядерной физики. Несмотря на почти вековую историю изучения атомных ядер, теоретики до сих пор не знают точный закон взаимодействия протонов и нейтронов.
Им приходится этот закон отчасти угадывать, исходя из экспериментальных данных, отчасти конструировать на основе знаний о структуре нуклонов. Тут-то и помогут новые данные о трехмерном устройстве нуклонов.
В-третьих, несколько лет назад физики сумели получить ни много ни мало новое агрегатное состояние вещества - кварк-глюонную плазму. В таком состоянии кварки не сидят внутри отдельных протонов и нейтронов, а свободно гуляют по всему сгустку ядерного вещества. Достичь его можно, например, так: тяжелые ядра разгоняются в ускорителе до скорости, очень близкой к скорости света, и затем сталкиваются лоб в лоб. В этом столкновении на очень короткое время возникает температура в триллионы градусов, которая и расплавляет ядра в кварк-глюонную плазму. Так вот, оказывается, что теоретические расчеты этого ядерного плавления требуют хорошего знания трехмерного устройства нуклонов.
Наконец, эти данные очень нужны для астрофизики. Когда тяжелые звезды взрываются в конце своей жизни, от них часто остаются чрезвычайно компактные объекты - нейтронные и, возможно, кварковые звезды. Сердцевина этих звезд целиком состоит из нейтронов, а может быть даже и из холодной кварк-глюонной плазмы. Такие звезды уже давно обнаружены, но что происходит у них внутри - можно только догадываться. Так что хорошее понимание кварковых распределений может привести к прогрессу и в астрофизике.
Протоны и нейтроны
Все
окружающие нас предметы состоят из молекул, которые, в свою очередь,
образуются из атомов, то есть мельчайших частиц химических элементов.
Несмотря на исключительно малые размеры, атомы представляют собой
весьма сложные образования, включающие центральное тяжелое ядро и
легкую оболочку из электронов, число которых обычно равно порядковому
номеру элемента в менделеевской периодической системе. В ядре
сосредоточена почти вся масса атома. Оно также имеет очень сложное
строение. Основными «кирпичиками», из которых построены ядра, являются
протоны и нейтроны.
Протон - это ядро атома водорода, самого легкого химического
элемента, занимающего в таблице Д. И. Менделеева первое место и в
соответствии с этим имеющего в электронной оболочке всего лишь один
электрон. Если ионизовать атом водорода, то есть удалить его
единственный электрон, то останется ядро, которое из-за отсутствия
оболочки можно назвать «голым» ядром и которое как раз и будет протоном
(от греческого слова «протос» - первый).
Протон - положительно заряженная частица, причем заряд его по
величине в точности равен заряду электрона. Масса протона выражается
цифрой в 1,6-10 -24 грамма.
Это значит, что масса тысячи миллионов протонов в 10 тысяч раз меньше
одной стомиллионной доли миллиграмма. И все же эта «элементарная»
частица относится к разряду «тяжелых», ибо масса ее в 1836,6 раза
больше массы электрона.
Очень невелики и размеры протона: его диаметр в 100 тысяч раз меньше
диаметра атома, равного примерно одной стомиллионной сантиметра.
Вследствие этого плотность вещества протона, несмотря на его ничтожно
малую массу, огромна. Если бы кубик с ребром в 1 миллиметр удалось
наполнить этими частицами так, чтобы они целиком заняли весь объем,
касаясь друг друга, то такой кубик весил бы 120 тысяч тонн! Конечно, в
действительности осуществить подобный эксперимент нельзя. Протоны,
будучи одноименно заряженными частицами, отталкиваются друг от друга, и
нужны колоссальные силы, чтобы сблизить их. Однако есть звезды, на
которых существуют условия, благоприятные для сравнительно близкого
подхода протонов друг к другу. Эти звезды (например, звезда ванн -
Маанена в созвездии Рыб) отличаются чрезвычайно высокой плотностью
вещества, хотя она, разумеется, в миллионы раз меньше, чем в
рассмотренном нами случае кубика, состоящего из одних протонов.
Тот факт, что в состав атомных ядер входят протоны, был доказан в
результате опытов, проведенных в 1919 году английским физиком
Резерфордом. В этих опытах он использовал поток быстрых альфа - частиц
(то есть ядер атомов гелия), образующихся в процессе радиоактивного
распада радия С. При бомбардировке альфа - частицами ядер азота
обнаружилось, что последние испускали какие-то быстрые частицы с
одновременным вылетом в противоположном направлении медленных тяжелых
частиц. При изучении этого явления в камере Вильсона было установлено,
что быстрые частицы представляют собой протоны, а медленные - ядра
кислорода. Выяснилось, что ядро азота, захватывая одну альфа - частицу,
преобразуется в ядро кислорода с испусканием одного протона.
Бомбардировка альфа - частицами ядер атомов других элементов
подтвердила наличие протонов и в этих ядрах.
Однако ядра (за исключением ядра водорода) не могут состоять
только из одних протонов. Действительно, ядро атома гелия, занимающего
второе место в таблице Д. И. Менделеева, имеет заряд, равный заряду
двух протонов, а его масса больше массы протона в четыре раза. Точно
так же заряд ядра кислорода равен восьми зарядам протона, а масса этого
ядра в шестнадцать раз больше массы протона. Объяснение такого
расхождения было найдено после открытия новой «элементарной» частицы -
так называемого нейтрона.
В 1930 году ученые установили, что при бомбардировке
альфа-частицами некоторых элементов (бериллия, бора и других)
появляется излучение из незаряженных частиц, способное проникать через
слой свинца сравнительно большей толщины (до 5 сантиметров). В 1931
году французские физики Ирэн и Фредерик Жолио - Кюри обнаружили, что
если на пути этого излучения поместить вещество, молекулы которого
содержат большое число водородных атомов (например, парафин), то из
него начинают вылетать протоны.
Можно было бы предположить, что вновь открытое излучение состоит
из фотонов. Однако для того, чтобы иметь возможность выбивать из
парафина протоны, эти фотоны должны были бы обладать энергией около 50
миллионов электрон вольт. В последнем случае они проникали бы через
значительно большие толщи свинца, чем наблюдалось на опыте (для
прохождения фотона через 5 сантиметров свинца нужна энергия всего лишь
в 5 миллионов электрон - вольт). Возникшее противоречие было решено в
результате работ английского ученого Чадвика. Он показал, что
вылетающие из парафина протоны, а также ядра, испускаемые под
воздействием неизвестного излучения другими атомами, движутся так,
будто они выбиты не фотоном, а тяжелой частицей, масса которой
приблизительно равна массе протона.
Таким образом, усилиями ряда физиков было установлено существование
незаряженной тяжелой частицы - нейтрона.
Масса нейтрона в 1839 раз больше массы электрона, но в отличие от
протона (и электрона) его заряд равен нулю. Именно поэтому нейтроны
обладают способностью проникать через толстые слои свинца.
Незаряженная
частица может попасть внутрь атома, не испытывая ни отталкивания, ни
притяжения со стороны заряженных частиц (электронов и ядра) и не тратя
своей энергии на преодоление действия электрических сил, на ионизацию
атомов. Отсюда и путь нейтрона, в каком - либо веществе при прочих
равных условиях длиннее, чем, например, протона. Вследствие
неспособности нейтрона производить ионизацию его очень трудно заметить,
что явилось причиной сравнительно позднего обнаружения этой частицы.
Открытие нейтрона позволило понять, почему вес атомных ядер
превышает вес содержащихся в них протонов. Советские ученые Д. Д.
Иваненко и Е. Д. Гапон выдвинули идею о протоно - нейтронном строении
ядер, которая ныне является общепринятой. Согласно этой точке зрения, в
ядре гелия находятся, кроме двух протонов, еще два нейтрона, и поэтому
его заряд равен двум, а масса в четыре раза больше массы протона (или
почти равной ей массы нейтрона). Точно так же и в других ядрах, помимо
протонов, присутствуют нейтроны. При ядерных расщеплениях, вызываемых,
например, попаданием в ядро быстрой альфа-частицы, может происходить
испускание нейтронов. Этот процесс как раз и послужил первым указанием
на существование последних.
Не имеющий заряда нейтрон легко может проникать не только внутрь
атома, но даже и внутрь ядра. Попадание нейтрона в тяжелое ядро
приводит в ряде случаев к разрушению последнего, в результате чего
образуются более легкие ядра и выделяется весьма значительное
количество внутриядерной энергии. Свойство нейтронов производить
ядерные расщепления используется для получения атомной (правильнее было
бы сказать - ядерной) энергии.
Большая проникающая способность нейтронов, наряду со способностью
разрушать ядра, обусловливает их опасное действие на живые существа.
Достаточно мощный поток нейтронов, попав во внутренние части организма,
выбивает из ядер быстрые протоны и другие заряженные частицы, которые,
ионизуя встречающиеся на их пути атомы сложных органических молекул,
способствуют разложению последних и тем самым нарушению
жизнедеятельности растения или животного. Однако разрушительные
свойства нейтронов можно использовать для блага людей. Ведь именно с
помощью этих частиц ученые открыли прежде недоступные природные
кладовые внутриядерной энергии: Разбивая ядра, нейтроны высвобождают
эту энергию, которую у нас в Советском Союзе уже применяют в мирных
целях. Кроме того, некоторые химические элементы после бомбардировки
нейтронами превращаются в искусственные радиоактивные вещества,
находящие все более широкое распространение в медицине, при изучении
жизнедеятельности организмов методом меченых атомов, в технике и т. п.
В настоящее время существует много способов получения нейтронов,
необходимых для проведения различных исследований в области ядерной
физики и для ряда практических применений. Самым
старым из этих способов является изготовление так называемого радий -
бериллиевого источника. Стеклянный или металлический сосудик заполняют
порошком бериллия в смеси с какой-либо солью радия (например, бромистым
радием). При радиоактивном распаде из ядер радия вылетают
альфа-частицы, которые, взаимодействуя с ядрами бериллия, выбивают из
них нейтроны.
Последние благодаря большой проникающей способности свободно проходят
через стенки сосуда.
После изобретения специальных устройств - ускорителей
(циклотронов, фазотронов, синхрофазотронов и других), сообщающих
заряженным частицам большие энергии, появилась возможность получать
нейтроны искусственным путем. Для этого пучок ускоренных в циклотроне
или другой подобной машине заряженных тяжелых частиц, скажем, дейтронов
(ядер тяжелого водорода), направляют на мишень, сделанную из
определенного вещества (например, из лития). В результате из ядер
атомов мишени выбиваются нейтроны. Меняя энергию бомбардирующих мишень
«снарядов», можно получать нейтроны различной энергии.
Еще одним мощным источником тяжелых незаряженных частиц являются
ядерные реакторы (котлы), в которых осуществляются цепные реакции
деления тяжелых ядер. При этом образуется большое число нейтронов,
выходящих из котла наружу.
Нейтроны, как и другие «элементарные» частицы (электроны,
протоны), обладают волновыми свойствами. Пучок нейтронов, подобно свету
(потоку фотонов) 3, испытывает отражение, дифракцию, поляризуется и т.
п. Поэтому тяжелые незаряженные частицы можно использовать для изучения
строения кристаллов (путем их просвечивания нейтронным пучком) так же,
как используются рентгеновские лучи. Некоторую трудность представляет
регистрация нейтронов, ибо они не производят ионизации и потому нельзя
заметить их прохождения через камеру Вильсона, счетчик, ионизационную
камеру я другие приборы, применяющиеся обычно для обнаружения и счета
заряженных частиц. Не оставляют следов нейтроны и в фотоэмульсиях.
Однако свойство нейтронов разрушать ядра, вызывать ядерные реакции дает
нам в руки способ для регистрации этих частиц. В обычный счетчик или
ионизационную камеру добавляют газ, содержащий ядра бора. Нейтроны
расщепляют эти ядра, при этом вылетают альфа-частицы, создающие разряды
в счетчике или ионизационный ток в камере, что позволяет фиксировать
поток нейтронов. Можно воспользоваться для обнаружения нейтронов
фотоэмульсиями, к которым подмешаны соли лития или бара. При попадании
нейтрона в ядро атома какого - либо из этих элементов происходит
расщепление ядра с вылетом быстрой заряженной частицы, след которой
виден в фотоэмульсии.
Несмотря на то, что между протонами и нейтронами имеется
существенное различие, заключающееся в отсутствии заряда у последних, в
других отношениях они очень похожи друг на друга. Массы этих частиц
почти в точности равны, а их поведение внутри ядра (величина и характер
ядерных сил, действующих между протонами, между нейтронами и между теми
и другими) также примерно одинаково. Дело в том, что протоны, как
одноименно заряженные частицы, должны отталкиваться в ядре друг от
друга. Поскольку все же ядра существуют в виде устойчивых образований,
очевидно, что протоны удерживаются в них какими-то силами, превышающими
электростатические силы отталкивания. Оказалось, что эти специфические
ядерные силы действуют не только между протонами и между нейтронами, но
и связывают друг с другом частицы обоих этих видов. Это значит, что
протоны и нейтроны ядра определенным образом взаимодействуют друг с
другом (хотя физическая природа такого взаимодействия еще далеко не
выяснена).
Учеными было также обнаружено, что обе частицы могут превращаться друг
в друга. Так, в ядре происходит превращение нейтрона в протон с
испусканием отрицательно заряженного электрона и еще одной незаряженной
легкой частицы -нейтрино (масса нейтрино меньше 1:400 массы электрона).
Имеет место и другой процесс: протон в ядре переходит в нейтрон с
вылетом положительно заряженного электрона (позитрона) и нейтрино. Все
эти явления, наблюдаемые при распаде некоторых радиоактивных ядер,
получили одно общее название бета - распада.
С точки зрения теории бета - распада, нейтрон и протон ничем не
различаются: и тот и другой хорошо превращаются друг в друга. По этой
причине обе частицы нередко называют просто нуклонами. Следует, правда,
подчеркнуть, что если в ядре все нуклоны ведут себя по отношению к
бета- распаду одинаково, то в свободном состоянии, вне ядра, протоны и
нейтроны проявляют различные свойства. Протон сам по себе - устойчивая,
или, как говорят иначе, стабильная частица, в то время как свободный
нейтрон самопроизвольно распадается с периодом полураспада примерно в
20 минут. При этом он превращается в протон и испускает, как и при
распаде внутри ядра, электрон и нейтрино.
Различие между протоном и нейтроном в свободном состоянии
обусловлено рядом причин. Одной из них является то, что для превращения
протона в нейтрон нужно затратить значительную энергию (во всяком
случае большую, чем 1,9 миллиона электрон - вольт). Поскольку свободному
протону неоткуда позаимствовать эту энергию, он и представляет собой
стабильную частицу. Что же касается нейтрона, то он обладает большей
массой, чем протон, и, следовательно, большим запасом энергии. При
превращении нейтрона в протон выделяется приблизительно 800 тысяч
электронвольт энергии. Поэтому свободные нейтроны отличаются свойством
радиоактивности.
Протоны, нейтроны, нейтрино, так же как фотоны и электроны,
встречаются в космических лучах. В частности, протоны составляют так
называемую первичную компоненту космического излучения, то есть
приходят на Землю из межзвездного пространства. Разумеется, нейтроны,
которые в свободном состоянии превращаются в протоны, не могут
присутствовать в первичном излучении. Однако они образуются в атмосфере
при столкновении первичных протонов (и более тяжелых ядер) с ядрами
атомов азота, кислорода и других газов воздушной оболочки нашей
планеты. Протоны космических лучей обладают колоссальной энергией и
поэтому могут, несмотря на наличие положительного заряда, легко
проникать в ядра атомов. При столкновении нуклонов, обладающих такой
гигантской энергией, происходят процессы, которые не наблюдаются при
взаимодействии нуклонов меньшей энергии. Например, при таких
столкновениях происходит рождение новых частиц - мезонов различных
масс.
Описанные выше факты взаимодействия нуклонов в ядре совсем не
означают, будто нейтрон состоит из протона и электрона или, наоборот,
протон содержит в себе нейтрон и позитрон. Суть бета - распада
заключается именно в том, что нейтрон превращается в три другие частицы
(протон, электрон, нейтрино) или протон превращается в нейтрон,
позитрон и нейтрино. Эти процессы происходят при строгом соблюдении
законов сохранения энергии, массы, количества движения, заряда и т. п.
и убедительно свидетельствуют об изменчивости «элементарных» частиц и
наличии глубокой связи между ними.
Как уже отмечалось, атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклон, в ядре они могут превращаться друг в друга. Ядро простейшего атома - атома водорода - состоит из одной элементарной частицы - протона.
Диаметр ядра атома равен примерно 10-13 - 10-12 см и составляет 0,0001 диаметра атома. Однако, практически вся масса атома (99,95-99,98%) сосредоточена в ядре. Если бы удалось получить 1 см3 чистого ядерного вещества, масса его составила бы 100-200 млн.т. Масса ядра атома в несколько тысяч раз превосходит массу всех входящих в состав атома электронов.
Протон - элементарная частица, ядро атома водорода. Масса протона равна 1,6721 х 10-27 кг, она в 1836 раз больше массы электрона. Электрический заряд положителен и равен 1,66 х 10-19 Кл. Кулон - единица электрического заряда, равная количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника за время 1с при неизменной силе тока 1А (ампер).
Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов. Это число постоянное для данного элемента и определяет его физические и химические свойства. То есть от количества протонов зависит, с каким химическим элементом мы имеем дело. Например, если в ядре один протон - это водород, если 26 протонов - это железо. Число протонов в атомном ядре определяет заряд ядра (зарядовое число Z) и порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (атомный номер элемента).
Нейтрон - электрически нейтральная частица с массой 1,6749 х 10-27кг, в 1839 раз больше массы электрона. Нейрон в свободном состоянии - нестабильная частица, он самостоятельно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Период полураспада нейтронов (время, в течение которого распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Однако в связанном состоянии внутри стабильных атомных ядер он стабилен. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом (атомной массой - А). Число нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между массовым и зарядовым числами: N = A - Z.
Электрон - элементарная частица, носитель наименьшей массы - 0,91095х10-27г и наименьшего электрического заряда - 1,6021х10-19 Кл. Это отрицательно заряженная частица. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, т.е. атом электрически нейтрален.
Позитрон - элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Масса электрона и позитрона равны, а электрические заряды равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку.
Различные типы ядер называют нуклидами. Нуклид - вид атомов с данными числами протонов и нейтронов. В природе существуют атомы одного и того же элемента с разной атомной массой (массовым числом):
, Cl и т.д. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядер, но различное массовое число, называются изотопами
. Обладая одинаковым количеством протонов, но различаясь числом нейтронов, изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, т.е. очень близкие химические свойства и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.
Обозначают символом соответствующего химического элемента с расположенным сверху слева индексом А - массовым числом, иногда слева внизу приводится также число протонов (Z). Например, радиоактивные изотопы фосфора обозначают 32Р, 33Р или Р и Р соответственно. При обозначении изотопа без указания символа элемента массовое число приводится после обозначения элемента, например, фосфор - 32, фосфор - 33.
Большинство химических элементов имеет по несколько изотопов. Кроме изотопа водорода 1Н-протия, известен тяжелый водород 2Н-дей-терий и сверхтяжелый водород 3Н-тритий. У урана 11 изотопов, в природных соединениях их три (уран 238, уран 235, уран 233). У них по 92 протона и соответственно 146,143 и 141 нейтрон.
В настоящее время известно более 1900 изотопов 108 химических элементов. Из них к естественным относятся все стабильные (их примерно 280) и естественные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Остальные относятся к искусственным, они получены искусственным путем в результате различных ядерных реакций.
Термин «изотопы» следует применять только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента, например, углерода 12С и 14С. Если подразумеваются атомы разных химических элементов, рекомендуется использовать термин «нуклиды», например, радионуклиды 90Sr, 131J, 137Cs.
Протон -- стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода.
Трудно сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906--1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона, подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах?-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.
Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10-24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами -- глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ~ 10-13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия -- протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут служить бета-распад нейтрона или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (для свободного протона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу). Спин протона равен 1/2. Адроны с полуцелым спином называются барионами (от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, различные гипероны (?, ?, ?, ?) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число -- барионный заряд, равный 1 для барионов, - 1 -- для антибарионов и О -- для всех прочих частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля, он введен лишь для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в любых реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический характер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.
В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барионного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной (~ 2*1010 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физики. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 1030 протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всего лишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.
Нейтрон -- нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона qn равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в сильных электрических полях, показавшими, что |qn| <10-20e (здесь е -- элементарный электрический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2?10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом - 1/3, связанных между собой глюонным полем.
Нейтроны устойчивы лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон -- нестабильная частица, распадающаяся на протон (р), электрон (е-) и электронное антинейтрино. Время жизни нейтрона составляет (917 ?14) с, т. е. около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше вследствие сильного поглощения их ядрами. Поэтому они возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций.
По энергетическому балансу различных ядерных реакций определена величина разности масс нейтрона и протона: mn-mp(1,29344 ±0,00007) МэВ. Из сопоставления ее с массой протона получим массу нейтрона: mn = 939,5731 ± 0,0027 МэВ; это соответствует mn ~ 1,6-10-24.Нейтрон участвует во всех видах фундаментальных взаимодействий. Сильные взаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого взаимодействия -- бета-распад нейтрона.
Участвует ли эта нейтральная частица в электромагнитных взаимодействиях? Нейтрон обладает внутренней структурой, и в нем при общей нейтральности существуют электрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона магнитного момента. Иными словами, в магнитном поле нейтрон ведет себя подобно стрелке компаса. Это лишь один из примеров его электромагнитного взаимодействия. Большой интерес приобрели поиски дипольного электрического момента нейтрона, для которого была получена верхняя граница. Здесь самые эффективные опыты удалось поставить ученым Ленинградского института ядерной физики АН СССР; поиски дипольного момента нейтронов важны для понимания механизмов нарушения инвариантности относительно обращения времени в микропроцессах.
Гравитационные взаимодействия нейтронов наблюдались непосредственно по их падению в поле тяготения Земли.
Сейчас принята условная классификация нейтронов по их кинетической энергии:
медленные нейтроны (<105эВ, есть много их разновидностей),
быстрые нейтроны (105?108эВ), высокоэнергичные (> 108эВ).
Весьма интересными свойствами обладают очень медленные нейтроны(10-7эВ), которые получили название ультрахолодных. Оказалось, что ультрахолодные нейтроны можно накапливать в «магнитных ловушках» и даже ориентировать там их спины в определенном направлении. С помощью магнитных полей специальной конфигурации ультрахолодные нейтроны изолируются от поглощающих стенок и могут «жить» в ловушке, пока не распадутся. Это позволяет проводить многие тонкие эксперименты по изучению свойств нейтронов. Другой метод хранения ультрахолодных нейтронов основан на их волновых свойствах. Такие нейтроны можно просто хранить в замкнутой «банке». Эта идея была высказана советским физиком Я. Б. Зельдовичем в конце 1950-х гг., и первые результаты были получены в Дубне в институте ядерных исследований спустя почти десятилетие.
Недавно ученым удалось построить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живут до своего естественного распада.
Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. В результате взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно наблюдать резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. п. Благодаря этим своим особенностям нейтроны широко используются в ядерной физике и физике твердого тела. Они играют важную роль в ядерной энергетике, в производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов, находят практическое применение в химическом анализе и в геологической разведке.
Поговорим о том, как найти протоны, нейтроны и электроны. В атоме существует три вида элементарных частиц, причем у каждой есть свой элементарный заряд, масса.
Строение ядра
Для того чтобы понять, как найти протоны, нейтроны и электроны, представим Оно является основной частью атома. Внутри ядра располагаются протоны и нейтроны, именуемые нуклонами. Внутри ядра эти частицы могут переходить друг в друга.
Например, чтобы найти протоны, нейтроны и электроны в необходимо знать его порядковый номер. Если учесть, что именно этот элемент возглавляет периодическую систему, то в его ядре содержится один протон.
Диаметр атомного ядра составляет десятитысячную долю всего размера атома. В нем сосредоточена основная масса всего атома. По массе ядро превышает в тысячи раз сумму всех электронов, имеющихся в атоме.
Характеристика частиц
Рассмотрим, как найти протоны, нейтроны и электроны в атоме, и узнаем об их особенностях. Протон - это которая соответствует ядру атома водорода. Его масса превышает электрон в 1836 раз. Для определения единицы электричества, проходящего через проводник с заданным поперечным сечением, используют электрический заряд.
У каждого атома в ядре располагается определенное количество протонов. Оно является постоянной величиной, характеризует химические и физические свойства данного элемента.
Как найти протоны, нейтроны и электроны в атоме углерода? Порядковый номер данного химического элемента 6, следовательно, в ядре содержится шесть протонов. Согласно планетарной вокруг ядра по орбитам движется шесть электронов. Для определения количество нейтронов из значения углерода (12) вычитаем количество протонов (6), получаем шесть нейтронов.
Для атома железа число протонов соответствует 26, то есть этот элемент имеет 26-й порядковый номер в таблице Менделеева.
Нейтрон является электрически нейтральной частицей, нестабильной в свободном состоянии. Нейтрон способен самопроизвольно превращаться в положительно заряженный протон, испуская при этом антинейтрино и электрон. Средний период его полураспада составляет 12 минут. Массовое число - это суммарное значение количества протонов и нейтронов внутри ядра атома. Попробуем выяснить, как найти протоны, нейтроны и электроны в ионе? Если атом во время химического взаимодействия с другим элементом приобретает положительную степень окисления, то число протонов и нейтронов в нем не изменяется, меньше становится только электронов.
Заключение
Существовало несколько теорий, касающихся строения атома, но ни одна из них не была жизнеспособной. До версии, созданной Резерфордом, не было детального пояснения о расположении внутри ядра протонов и нейтронов, а также о вращении по круговым орбитам электронов. После появления теории планетарного строения атома у исследователей появилась возможность не только определять количество элементарных частиц в атоме, но и предсказывать физические и химические свойства конкретного химического элемента.
