книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

ются приторможении нуклонов,например при соударениях нуклонов друг с другом.Все реакции соударения нуклонов удовлетворяют зако- ну сохранения электрического заряда.

Излучение π-мезона требует затрат энергии, не меньшей его энергии покоя, равной 140 МэВ = m0 c 2, поэтому процессы рождения π-мезонов возможно только при столкновениях частиц, обладающих очень большой энергией.

Пи-мезоны,аналогично световым квантам,способны поглощаться нуклонами, отдавая им свою кинетическую энергию, энергию покоя и электрический заряд.

Пи-мезоны не стабильны. Нейтральный π 0 распадается на два γ-кванта. Положительный π+ превращается соответственно в положи- тельный мюон (μ+) и нейтрино, а отрицательный π- — на отрицатель- ный мюон (μ-) и нейтрино.

Мюоны —это частицы с массой покоя,равной 207 масс покоя элек- трона, и средним временем жизни 2 . 10–6 сек, они крайне слабо взаи- модействуют с нуклонами. Мюоны превращаются в электрон или по- зитрон и два нейтрино.

Процессы взаимных превращений частиц выходят на передний план по мере углубления в познании ядерных сил.

Открыто ещё несколько видов более тяжелых и менее стабильных мезонов, сильно взаимодействующих с ядрами, их считают также квантами поля ядерных сил, поэтому ядерное поле считается очень сложным полем.

Позитрон это античастица электрона. Частица (электрон) и анти- частица (позитрон) различаются только знаком электрического за- ряда. Все остальные их свойства — масса покоя, абсолютная величина заряда, спин в точности совпадают.

Логичный вывод — каждая частица должна иметь противополож- но заряженный двойник — то есть античастицу (исключение у фото- на и π 0).

В парах двойников π+ и π-, μ+ и μ- массы и периоды полураспада равны.

Для нуклонов существуют антипротон и антинейтрон (антину- клон).Унейтронаестьантичастицанепо электрическомузаряду,пол- ный заряд его равен нулю, а в отношении к направлению его спина. Сложное внутреннее распределение заряда в нейтроне проявляется в том, что у него есть магнитный момент. Магнитные моменты ней- трона и антинейтрона направленны противоположно по отношению к направлению их спинов.

Помимо электрического заряда и магнитного момента, у нукло- нов есть ещё одна важная внутренняя характеристика (квантовое число), отличающая их от антинуклонов. Существование такой ха-

330

рактеристики следует из стабильности нуклонов, которую условно называют некоторым «зарядом»,точнее барионным («тяжёлым») за- рядом.

Нуклонам приписывается значение барионного заряда +1, тогда как у антинуклонов барионный заряд будет отрицательный –1.

Антипротон характеризуется отрицательным электрическим за- рядом –1 (в единицах элементарного заряда) и барионным зарядом также –1.

У антинейтрона электрический заряд равен нулю,а барионный за- ряд отрицательный –1.

Антипротон, как и протон, должен быть стабильным и должен об- ладать такой же массой. Антинейтрон должен иметь массу нейтрона

ианалогично ему быть неустойчивым, то есть превращаться путём β-перехода в антипротон.

Вземных условиях антинуклоны длительно не существуют, так как подобно позитронам, аннигилируют, объединяясь с нуклонами,

ипревращаются в кванты ядерного поля: π-мезоны. При любых пре- вращениях частиц суммарный барионный заряд сохраняется подоб- но электрическому заряду. Поэтому в ядерных реакциях, учитывая сохранение обоих зарядов, антинуклон может образоваться только в паре с нуклоном. Такие реакции вызываются частицами с энергией в миллиарды электрон-вольт,превосходящей энергию покоя пары ну- клон — антинуклон.

Среди продуктов ядерных реакций (частиц высокой энергии) об- наружены антидейтроны (атомные ядра, состоящие из антипротона

иантинейтрона).

Теоретически из антипротонов и антинейтронов можно строить всевозможные ядра,представляющие по сути антиядра,отличающие- ся от обычных протонно-нейтронных ядер лишь отрицательным зна- ком электрического (и барионного) заряда. Присоединяя позитроны, такие антиядра должны образовывать атомы, столь же устойчивые, как и обычные земные атомы. Это означает, что может существовать антивещество, построенное из антинуклонов и антиэлектронов (по- зитронов).

Однако, обнаружить в видимой части Вселенной сколько-нибудь заметного присутствия антивещества не удаётся. Вселенная построе- на только из известного нам вещества, хотя антивещество, казалось бы,ни сколько не худший строительный материал,и вопрос «почему» является мощной мотивацией раскрыть эту загадку Природы.

Существует несколько разновидностей нейтрино. Частицу, ис- пускаемую вместе с электроном, условились называть электронным антинейтрино (-νe),а частицу,испускаемую вместе с позитроном,сле- дует называть электронным нейтрино (νe).

331

Эти частицы отличаются друг от друга, но не являются истинно (абсолютно) нейтральными частицами. Нейтрино, образующиеся при распаде π-мезонов вместе с мюонами, отличаются от нейтрино, об- разующихся при β-распаде вместе с электронами. Более того, мюон- ные нейтрино (νμ) и антинейтрино (-νμ) отличаются друг от друга.

Всё разнообразие явлений, происходящих во Вселенной на всех её уровнях — микромир, жизнь, макромир (звезды, галактики), опреде- ляется игрой всего лишь четырех взаимодействий.

Два из них известны — это гравитация (всемирное тяготение)

иэлектромагнитное взаимодействие. Два других взаимодействия — ядерное или сильное, и слабое — являются короткодействующими

ипоэтому непосредственно не сказываются не только на движениях макроскопических тел, но и на свойствах атомов и молекул.

Они проявляются лишь в ядерных явлениях и в превращениях эле- ментарных частиц.

Сильное взаимодействие обусловлено полем ядерных сил, дей- ствует между частицами, образующие атомные ядра — нейтронами

ипротонами.Слабое взаимодействие это особое взаимодействие,вы-

ступающее во всех процессах, в которых участвуют нейтрино, напри- мер в захвате нейтрино ядрами,в β-распаде атомного ядра,в распаде π+ и π- -мезонов и мюонов.

Силу взаимодействия двух частиц можно охарактеризовать потен- циальной энергией при их сближении за некоторое расстояние.Энер- гия слабого взаимодействия между протонами составляет величину порядка 10–6 эВ. Потенциальная энергия гравитационного взаимо- действия между протонами порядка 10–30 эВ, она крайне мала и суще- ственных проявлений гравитации в явлениях микромира пока не за- фиксировано.

Аэнергии фундаментальных взаимодействий «сильное (ядерное) взаимодействие—электромагнитное—слабое—гравитационное» со- относятся примерно как «10 2–1 –10–12–10–36».

Временной масштаб для процессов, обусловленных сильным взаи- модействием, составляет очень малую величину времени жизни ча- стиц (это короткоживущие частицы).

Если частица распадается под действием электромагнитных сил, то время её жизни будет лежать в пределах 10–16 ÷ 10–20 сек.

Для распадов под действием слабого взаимодействия времена имеют масштаб 10–8 ÷ 10–13 сек, поэтому такие частицы в микромире считаются долгожителями.

Из четырех известных взаимодействий (гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное) универсальным является только грави- тационное взаимодействие, так как всемирному тяготению подвер- жены все частицы без исключений.

332

Частицы разделяются на классы по характеру взаимодействий,

вкоторых они участвуют.

Впервыйклассотнесенатолькоодначастица —фотон.Фотонвзаи- модействует (испускается, поглощается) с электрическими зарядами, то естьобладаетэлектромагнитным взаимодействием.Сильное и сла- бое взаимодействия фотону не свойственны.

Ко второму классу отнесены так называемые лептоны (с греч.«лёг- кие») — это электрон, мюон, нейтрино и их античастицы. Объединяет лептоны то, что все они обладают слабым, но не обладают сильным взаимодействием. Заряженные лептоны (электрон, мюон) подверже- ны ещё и электромагнитному взаимодействию.

Третий, самый обширный класс образуют так называемые адроны (с греч. «крупные») — сильно взаимодействующие частицы. Адронам свойственны все четыре известных взаимодействия. Первую под- группу адронов образуют мезоны — это сильно взаимодействующие частицы, не обладающие барионным зарядом, это кванты ядерного поля: поля сильного взаимодействия. Вторую подгруппу составляют барионы — это частицы, обладающие барионным зарядом. Самые легкие барионы — это нуклоны (нейтрон и протон), они устойчивы (нейтрон устойчив в ядрах) и вместе с электроном служат кирпичи- ками вещества.

Всё это обусловлено законом сохранения барионного заряда,кото- рый позволяет бариону исчезнутьтолько в паре с антибарионом.

Сохранение барионного заряда делает невозможным, например,

разрушение атомов путем аннигиляции протона с электроном (и пре- вращениявγ-квантыилимезоны).Внашеммиреантибарионовпрак- тически нет, нуклоны исчезать не могут. В этом отношении они силь- ноотличаютсяотфотоновимезонов,которыеисчезают(поглощаются или распадаются), передавая свою энергию (а заряженные мезоны ещё и электрический заряд) лептонам или нуклонам.

Нет ответа на фундаментальный вопрос — почему существуют именно такие элементарные частицы (электрон, протон, нейтрон, фотон, нейтрино) и с такими свойствами.

Исследования на больших ускорителях расширили все мыслимые представления об элементарных частицах. Прежде всего, адронов (мезоны, нейтрон и протон), то есть частиц, участвующих в силь- ных взаимодействиях. Известно несколько сотен адронов (барио- нов, антибарионов и мезонов), у которых барионный заряд равен нулю. Большинство этих частиц распадается за очень короткое вре- мя жизни на другие адроны из-за сильных взаимодействий. Распады долгоживущих адронов (по ядерным масштабам) обусловлены слабы- ми взаимодействиями. Короткоживущие адроны принципиально ни- чем не отличаются от долгоживущих частиц.

333

Ныне число элементарных частиц превышает число химических элементов и само понятие «элементарная частица» («кирпичик» ми- роздания) для адронов явно утратило свое первоначальное значе- ние.

Установление закономерностей внутреннего строения элементар- ных частиц имеет большое значение для создания четкой системати- ки частиц по образу и подобию периодической таблицы Д. И. Менде- леева.

Адроныгруппируютсявоченьблизкиепосвоимсвойствамнеболь- шие семейства частиц, отдельные члены которых различаются между собой в основном своими электромагнитными свойствами (зарядами, магнитными моментами). Примерами таких семейств являются из- вестные нуклоны (протоны,нейтроны) или π —мезоны.Однако число изотопических (типичных изотопов) семейств также очень велико — превышаетсотню,и эти семейства в свою очередь объединяются в бо- лее обширные и сложные группы.

Квантовыми числами адронов, прежде всего, являются их массы, электрические заряды, спины, магнитные моменты, времена жизни, значения барионного заряда. Однако это далеко не всё. Барионные

иэлектрические заряды — это не единственные «заряды», характери- зующие сильновзаимодействующие частицы.

Унекоторых адронов существуют специфические квантовые чис- ла — «заряды», которые до известной степени напоминают бари- онный заряд, но могут иметь дискретные положительные, нулевые

иотрицательные значения. Эти «заряды» получили общее название «ароматов». Отдельные «ароматы» получили наименования «стран- ность», «очарование», «прелесть» и т. д.

Объяснения многих свойств материи адронов были получены

вкварковой модели строения адронов.

Основные положения этой модели.

Адроны нельзя рассматривать как элементарные частицы в под- линном смысле этого слова. Они имеют сложную внутреннюю струк- туру, подобную атомным ядрам, и являются связанными системами из истинно элементарных или фундаментальных частиц. Фундамен- тальныеструктурныеэлементы,входящиевсоставадронов,получили название кварков (гипотетической частицы).

Все известные барионы состоят из трех кварков, антибарионы — из трех антикварков, а все мезоны — из кварка и антикварка. Бари- онный и электрический заряд кварков дробный. Этими положениями объясняются квантовые числа и свойства всех адронов.

Существуют не менее 6 типов кварков, каждый из которых явля- ется носителем определенного нового квантового числа — адронного аромата (странный, очарованный, прелестный, истинный).

334

Каждый кварк несёт только один аромат, все остальные ароматы у него отсутствуют. Антикварки отличаются от кварков противопо- ложнымизначениямивсехзарядов.Кварки(ненаблюдаемыевсвобод- ном состоянии) связываются между собой особыми силами, которые обусловлены обменом частицами — т. н. глюонами, ненаблюдаемыми

всвободном состоянии.Эти силы «склеивают» кварки в адронах и но- сят тот удивительный характер, что ни при каких соударениях не по- зволяют кваркам вылететь из адронов.

Сильные и электромагнитные взаимодействия не могут изменить индивидуальностькварков.Вэтихвзаимодействияхимеютместозако- ны сохранения ароматов (аналогичные закону сохранения барионного заряда). В процессах, обусловленных сильными и электромагнитными взаимодействиями, может происходить либо просто перегруппировка кварков, либо образование (уничтожение) кварк-антикварковых пар с определенными ароматами,либо ито и другое вместе.

Слабые взаимодействия играют в Природе уникальную роль — они меняют индивидуальность кварков и могут переводить кварк с одним ароматом в кварк с другим ароматом. Кварковые ароматы не являются строго сохраняющимися квантовыми числами,и они мо- гут меняться в слабых взаимодействиях, поэтому распады адронов

втаких взаимодействиях обусловлены переходами кварков с одними

ароматами в кварки с другими ароматами. Слабые взаимодействия вызываютвреакцииβ-распаданейтроновпереходd-кваркавu-кварк с образованием лептонов e- и электронного нейтрино (νe).

Барионный заряд сохраняется во всех известных процессах,

в то время как ароматы обладают гораздо меньшей «устойчивостью» и сохраняются только в сильных и электромагнитных взаимодей- ствиях.

Адроны могут «развалиться» с образованием многих других адро- нов, которые связываются затем в составные частицы, но свободные кварки из начального адрона никогда не вылетают. Это подобно опы- там с постоянными магнитами: разрезая магнит или раздвигая маг- ниты, всегда образуются новые магнитные диполи, а не одиночные магнитные полюса.

Невозможность вылета кварков и глюонов из адронов получила специальное название конфайнмент («тюремное заключение»).

Протоны, в которые входят только u- и d-кварки, отличаются от нейтронов своими электрическими зарядами и значениями изото- пических ароматов.Протоны и нейтроны образуютизотопическое се- мейство нуклонов —частиц с очень близкими свойствами.Кварковые системы,которые отличаются друг отдругатолько заменой u-кварков на d-кварки,очень сходны по своим основным характеристикам и об- разуют изотопическое семейство частиц.Аналогичные свойства у ме-

335

зонов, состоящих из u -кварков с заменой на d -кварки и соответству- ющих антикварков.

Как в атомах могут существовать основные и возбуждённые состо- яния,так и в кварковых системах помимо основных состояний с наи- меньшими массами возможны и «возбуждённые состояния», харак- теризующиеся большими значениями масс. Если эти «возбуждённые состояния» лежатдостаточно высоко,то могут, излучая π-мезоны, пе- реходить на более низкие состояния.Такие переходы осуществляются благодаря сильным взаимодействиям.

Кварковая модель предсказывает очень большое разнообразие новых частиц, представляющих собой все возможные комбинации из трех кварков (барионы) или из кварка и антикварка (мезоны). Странныечастицы,какправило,обладаютнесколькобольшимимасса- ми,чем,например легкие барионы —протон и нейтрон,очарованные частицы значительно более массивные, чем странные, а прелестные частицы характеризуются ещё большими массами. Такие различия в массах этих частиц связывают с различием масс составляющих их кварков.

Кварковая модель позволяет хорошо объяснить основные черты систематики адронов.

Изменено отношение и к лептонам — частицам, подверженным только электромагнитным (для заряженных лептонов) и слабым вза- имодействиям. Помимо двух пар лептонов (электроны и электрон- ные нейтрино, мюоны и мюонные нейтрино), открыт ещё один тяже- лый заряженный лептон, получивший название тау-лептона. Вместе

сним, по-видимому, должно существовать ещё одно нейтрино, так называемое тау-нейтрино (не наблюдается). Тау-нейтрино могут по- являться, например, при распаде тау-лептонов или вылетать вместе

стау-лептонами в распадах более тяжелых частиц.

Укаждого лептона существует соответствующая ему антицасти- ца — антилептон. Лептоны и антилептоны ведут себя как элементар- ные «точечные» объекты.

Все процессы образования и распада лептонов могут быть объяс- нены, если считать, что у лептонов также есть определённые сохра- няющиеся квантовые числа, называемые «лептонными зарядами», напоминающие барионный заряд. Во всех исследованных процессах все три лептонных заряда сохраняются.

Механизм действия слабых сил обусловлен обменом особыми квантами поля слабых взаимодействий, которые получили название промежуточных бозонов (квазичастиц).В отличие от глюонов,проме- жуточные бозоны, как и фотоны, существуют в свободном состоянии. Массыпромежуточныхбозоновоказалисьоченьбольшими —онипоч- ти в 100 раз превышают массы нуклонов. Открытие промежуточ-

336

ных бозонов позволило установить, что слабые и электромагнитные силы,несмотря на свое кажущееся различие,тесно связаны между со- бой и по существу оказываются проявлениями одного и того же взаи- модействия, получившего название «электрослабого».

В настоящее время предпринимаются попытки установить связь между«электрослабым»взаимодействиемисильным,авдальнейшем попытаться понять единую природу всех четырех типов сил, которые существуют в Природе: сильных, электромагнитных, слабых и грави- тационных.

Представлению о единстве сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий препятствует разделение фундаментальных частиц на кварки, обладающие сильными взаимодействиями, и лептоны, ко- торые такими взаимодействиями не обладают.

Можно говорить о трех таких группах или поколениях фундамен- тальных частиц:легкие u-и d-кварки илегкиелептоны (электронные) образуютпервоетакое поколение; болеетяжелые кварки вместе с мю- онами и мюонными нейтрино составляют второе поколение; и самые тяжелые кварки и тау-лептоны входят в состав третьего поколения.

Видимо,должны существоватькакие-то процессы,в которых квар- ки переходятвлептоны,а различныетипылептоновтакже испытыва- ют взаимные превращения.

Интенсивно ведутся поиски распадов протонов на болеелегкие ча- стицы, при которых должна выделяться значительная энергия (масса протона велика). Протон, если даже он и не является абсолютно ста- бильным, имеет огромное время жизни 10 31 ÷ 10 33 лет. Это означает, например, что в человеке за всю его жизнь с большой вероятностью не распадается ни один протон. Масштаб жизни протона оказывается огромным даже в сравнении со временем жизни Вселенной, оценён- ного примерно в 10 10 лет.

Детектор элементарных частиц — это устройство для обнаружения

иизмерения параметров элементарных частиц высокой энергии (кос- мических лучей или частиц,рождающихся при ядерных распадах или при столкновениях встречных пучков в ускорителях).

Предназначение детекторов заключается в том, чтобы превра- тить невидимое, бестелесное и ничтожное в видимое, телесное

ибольшое. Быстрые частицы тормозят веществом, а медленным обеспечивают поглощение или распад. Создано множество типов детекторов.

Ктрековым детекторам относят диффузионную камеру (каме- ру Вильсона), искровую камеру, пузырьковую камеру (Д. Глейзера, 1952 г.), камеру фотографического метода.

Все они помещены между полюсами очень сильного электромаг- нита. Магнитное поле искривляет траектории частиц, что позволя-

337

ет по длине следа, радиусу кривизны и плотности следа определить характеристики регистрируемой частицы. Трековые системы также выполняются на основе полупроводниковых кремниевых детек­ торов.

К оптическим детекторам относят сцинтилляционный счётчик (построенных на основе люминесцентных веществ, излучающих свет при поглощении ионизирующего излучения) и детектор, регистриру- ющий излучение П. А. Черенкова (1934 г.).

Излучение Черенкова (эффект Вавилова–Черенкова) это свечение, которое вызывает в прозрачной среде заряженная частица,движуща- яся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. Свечение наблюдается у всех прозрачных жидко- стей (то естьпреломляющих сред),причём яркостьмало зависитотих химического состава и химической природы. Излучение поляризова- но вдоль направления распространения частиц, при этом в отличие отлюминесценции в нём не наблюдается ни температурного,ни при- месного тушения.

Фазовая скоростьсвета в среде (cm) равна скорости света в вакууме, делённой на показатель преломления среды (cm = с/n). Фазовая ско- рость света в воде,в оптических стёклах составляет 50 ÷ 75 % от скоро- сти света в вакууме.

Релятивистские частицы, скорость которых близка к скорости све- та в вакууме, движутся в таких средах со скоростью, превосходящей фазовую скорость света.

ВозникновениеизлученияЧеренковааналогичновозникновению ударной волны в виде конуса Маха оттела,движущегося со сверхзву- ковой скоростью в газе или жидкости (оно подобно ударной конусоо- бразной волне в воздухе от сверхзвукового самолёта или пули).

На образование излучения, испускаемого частицей, затрачивается её кинетическая энергия, поэтому в процессе излучения скорость ча- стицы уменьшается.

Черенковский детектор — это детектор элементарных частиц, основанный на детектировании излучения Черенкова. Используется для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей и направлений движения (если известна масса порождающих излу- чение частиц, то по величине скорости прямо определяется их кине- тическая энергия). По излучению косвенным образом определяются массы частиц, или отделяются более лёгкие частицы (возбуждающие излучение Черенкова) от более тяжёлых (не излучающих).

Принцип идентификации заключается в измерении скорости про- лета частицы по углу излучения ею света в специальном радиаторе с прозрачным диэлектриком, охлаждающей жидкостью или газом (а также по самому факту наличия или отсутствия излучения)

338

Излучение Черенкова преобразуется в электрический сигнал с помощью фотоэлектронных умножителей, так как оно чрезвычай- но слабое.

Например,считается,что на больших глубинах в океане царитпол- ный мрак,так как свет с поверхности туда не проникает.

Однако, даже на больших глубинах вода слабо светится благодаря эффекту Вавилова–Черенкова (которое зрение человека не фиксиру- ет). Распад радиоактивных изотопов в океанской воде, в частности калия — 40, приводит к этому эффекту. Предполагается, что большие глаза нужны глубоководным животным, чтобы видеть при столь сла- бом освещении. Подтверждением этого может быть назначение «но- чезрительной трубы» М. В. Ломоносова, у которой объектив изготав- ливается значительных размеров.

В изобретении а. с. 186574 на «Черенковский счётчик», содержа- щий радиатор, оптическую систему для сбора света и фотоэлектрон- ный умножитель, предложено радиатор выполнить в виде цилиндра переменной толщины, увеличивающейся от центра фотоэлектронно- го умножителя к периферии, при этом фотокатод умножителя имеет выпуклую форму и всей своей поверхностью плотно совмещён с ра- диатором. Это создало техническое преимущество — то есть повы- сило эффективность регистрации заряженных частиц космического излучения и обеспечило постоянство амплитуды импульса при про- хождении частицы в различных местах счётчика. Иное выполнение радиатора, например, в виде куба, параллелепипеда, цилиндра или полушара, при совмещении с выпуклым фотокатодом умножителя ограничивало эффективность регистрации счётчиком заряженных частиц.

Радиатор 1 (рисунок ниже) выполнен в виде цилиндра из любого прозрачного легкообрабатываемого вещества.

Толщина цилиндра переменная и увеличивается от центра фотоэ- лектронного умножителя 2 к периферии. В оптическом контакте с ра- диатором 1 находится выпуклый фотокатод умножителя 2, плотно совмещённый всей своей поверхностью с радиатором 1. Устройство оптической системы для сбора света имеет покрытие издиффузноотражающего вещества 3 на периферии радиа- тора 1 и отполирован- ную центральную зону поверхности радиатора 1, заключенную между зеркалами 4, причём

339