6.5. Радиоактивные превращения и искусственные радиоактивные элементы

Самопроизвольный распад и образование новых эле­ментов изучались с начала XX в. Так, при обработке драго­ценных камней на Цейлоне был открыт новый минерал — торианит, который в Англии исследовали У.Рамзай и О.Ган. Они получили вещество, соответствующее торию, но с большей радиоактивностью, и назвали его радиоторием. Среднее время его жизни оказалось 2 года. Значит, им можно было бы заменить дорогостоящий радий в лабо­раторных опытах, но они не смогли выделить радиоторий никакими химическими методами. В 1907-1910 гг. подоб­ные проблемы возникали при выделении некоторых других радиоактивных элементов. После открытия нейтрона опыты по бомбардировке альфа-частицами продолжались, меняя представления об элементах и показывая возмож­ность превращения одних элементов в другие.

Фотографии протона, вылетающего при столкно­вении альфа-частицы с атомом азота, получил в камере Вильсона ученик Резерфорда П.Блэккет (1925 г.). Но это явление, т.е. расщепление ядра, происходило очень редко: на 23000 фотографий с 460000 траекторий частиц только в восьми случаях наблюдался вылет протона. Значит, альфа-частицы слишком неэффективны для расщепления. Теория Гамова позволяла, придав частице большую энергию, преодолеть потенциальный барьер, и, так как для маленьких частиц вероятность проникновения больше, разогнав до большой скорости протоны, можно добиться большей эффективности, чем у альфа-частиц.

В атомной физике 1 эВ соответствует энергии, приоб­ретаемой частицей с зарядом е при прохождении разности потенциалов 1 В. Энергия наиболее быстрых альфа-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, равна 8 МэВ. В 1925 г. для получения рентгеновских лучей использо­вались мощные индукционные катушки с разностью потен­циалов порядка 100 кВ. Значит, ускоренный в таком поле электрон (или протон) мог приобрести энергию в 0,1 МэВ. Но теория Гамова предсказывала, что протоны с энергией 1 МэВ будут по эффективности равны альфа-частицам с энергией 32 МэВ. Идея была привлекательной, и начали строить все более мощные установки со все более огром­ными напряжениями. Возникла современная алхимия, как выразился Резерфорд.

Космические лучи, открытые еще в 1904 г., привлекали внимание и астрономов, и геофизиков. Они вызывали первичную ионизацию воздуха, возрастающую с высотой. После Первой мировой войны их изучение возобновилось не только на высотах, но и в глубинах водоемов. Косми­ческое излучение, не без влияния исследований радио­активности, считалось состоящим из гамма-квантов, вызы­вавших в атмосфере бета-излучение. Д.В.Скобельцын, основатель советской школы по физике атомного ядра и космических лучей, впервые исследовал эти лучи с по­мощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, и установил, что ионизация воздуха создается не гамма-квантами, а быстрыми р-лучами при энергиях 200 МэВ.

Дальнейшие исследования показали, что первичные косми­ческие лучи, состоящие в основном из протонов, дейст­вительно рождают быстрые р-лучи. Американский физик КАндерсон осенью 1932 г. продолжил исследования лучей по методу Скобельцына и обнаружил на фотоснимках треков (следов) в камере Вильсона положительные элект­роны, которые назвал позитронами (одновременно с ним их открыли в Англии Блэккет и Оккиалини). Велись актив­ные поиски позитрона в самых разных процессах. При облучении ядер тяжелых элементов жесткими гамма-квантами зафиксировали рождение пар электрон-позит­рон — так материя гамма-кванта переходила в материю электрона и позитрона. Затем было открыто превращение пары электрон-позитрон в два гамма-кванта — этот про­цесс назвали аннигиляцией. Образование позитрона было: обнаружено и при взаимодействии с ядрами альфа-частиц и нейтронов. Так в очень короткий срок стало известно о существованииантичастиц.

Открытие искусственных радиоактивных элемен­тов осуществили И.Кюри, дочь П. и М.Кюри, и ее муж, ФЖолио (1934 г.). За год до этого они установили, что при бомбардировке альфа-частицами некоторых легких эле­ментов возникают позитроны, испускающиеся и после реакции. Энергетические соображения привели их к вы­воду, что сначала альфа-частица захватывается ядром алюминия с мгновенным испусканием нейтрона и образо­ванием радиоактивного атома (изотопа фосфора с атомным весом 30), затем этот нестабильный атом — названный радиофосфором — распадается с испусканием позитрона и превращается в уже устойчивый изотоп кремния. За открытие искусственной радиоактивности супруги Жолио-Кюри стали лауреатами Нобелевской премии по химии (1935 г.). Открытие искусственных радиоактивных эле­ментов имело большое значение для науки и создало огромное поле приложений в биологии и практической медицине.

Опыты по бомбардировке нейтронами ядер тяже­лых элементов в Италии проводил Ферми. Выяснилось, что при захвате ядрами медленных нейтронов могут обра­зовываться радиоактивные изотопы тех же или после­дующих элементов. Так, при облучении урана найдены изотопы нескольких веществ с периодами полураспада 10 с, 40 с, 13 мин и 100 мин. Изучая последние два, Ферми отметил, что они не являются изотопами элементов между номерами 82 и 92. Так были открыты трансурановые элементы. Кроме того, Ферми отметил, что эффективнее действуют «замедленные» нейтроны, т.е. предварительно прошедшие через воду или парафин. Эту кажущуюся пара­доксальной ситуацию он объяснил с позиций волновой механики.

В результате возникла идея, что при бомбардировке нейтронами (в отличие от альфа-частиц) могут обра­зоваться и элементы, расположенные примерно в середине таблицы Менделеева, т.е. нейтроны могут расколоть ядро

71

на большие осколки. В 1938 г. О.Ган и Ф.Штрасман обна­ружили, что после бомбардировки нейтронами урана из раствора вместе с барием осаждаются четыре альфа-радиоактивных вещества. Сначала их посчитали изотопами актиния и радия, но позднее заметили, что они не отделимы от бария, а отделяются от радиотория. В то же время реакциями деления урана занимались Майтнер (работавшая до прихода нацизма вместе с Ганом и Штрасманом и вынужденная бежать в Копенгаген), О.Фриш (также эмиг­рировавший в Данию к Бору) и Ф.Жолио-Кюри.

Исследования конца 30-х годов стимулировали развитие представлений о структуре ядра, которое тогда рассмат­ривали как твердое тело, склеенное из альфа-частиц и нуклонов. Бор указывал, что взаимодействие частицы с ядром следует рассмотреть более внимательно. Модель жидкой капли, предложенная Гамовым в 1931 г., тоже осталась вне внимания. Но сразу после сообщений о делении ядра урана ленинградский физиктеоретик Я.И.Френкель объяснил явление по капельной модели ядра: ядро, как и жидкая капля, должно обладать огромным поверхностным натяжением (порядка 10¹⁶ Н/м). Попадание нейтрона в ядро приводит к электрокапиллярным колебаниям капли, что и вызывает ее деление почти пополам. Впоследствии эту теорию разрабатывали Н.Бор и Дж.Уилер.

Вскоре было обнаружено, что деление урана сопровож дается появлением свободных нейтронов, которые, попадая в ядро урана, могут вызвать новый процесс деления. Появи лись и теоретические работы, в которых формулировали!! конкретные условия для получения ядерной взрыв™ реакции. Наиболее значительных результатов в это» направлении достигли физики-теоретики Я.Б.Зельдович i Ю.Б.Харитон, впервые осуществившие расчет цепно! реакции деления урана: «Для осуществления условий цепного взрыва урана необходимо для замедления нейт­ронов применять тяжелый водород или, может быть тяжелую воду, или какое-нибудь другое вещество, обеда чивающее достаточно малое сечение захвата. Значительное по сравнению с водородом сечение рассеяния и несколько меньшая эффективность обмена энергией могут компен­сироваться ничтожно малым сечением захвата нейтронов и связанной с этим возможностью чрезвычайного разбав­ления урана... Другая возможность заключается в обога­щении урана изотопом 235».

Открытие деления урана ознаменовало начало ф ядерной физики. После того, как удалось расщепить яда урана и плутония, сумели добиться быстрого и интен­сивного высвобождения энергии, необходимой для взрыв] атомной бомбы.

6.6. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПРОБЛЕМА ПОИСКА «ПЕРВИЧНЫХ ОБЪЕКТОВ»

Элементарными называют частицы, входящие всостав прежде «неделимого» атома. Первыми были обна­ружены электрон, протон, нейтрон и фотон — квант электромагнитного поля. Из первых трех строили ве­щество, а фотон осуществлял взаимодействие между ними. Тогда считали, что они ни на что далее не могут быть разложены и потому являются «первичными кирпичиками» мироздания. Позднее узнали, прежние элементарныечастички имеют внутреннюю структуру и могут превра­щаться друг в друга. После Второй мировой войны благо­даря мощной технике было открыто еще много частиц, претендующих на «элементарность». У каждой частицы, кроме фотона, оказалась еще и античастица. Сейчас элемен­тарных частиц уже более трехсот. К ним относят и те частицы, которые получают при помощи мощных цикло­тронов, синхротронов и других ускорителей частиц. Есть элементарные частицы, возникающие при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют несколько миллионных долей секунды, потом распадаются, видоизменяются, превращаясь в другие элементарные частицы, или испускают энергию в форме излучения. Хотя проблема элементарных частиц связана с самими основами науки, их изучение ведется в некотором отрыве от других областей физики.

Основные характеристики элементарных частиц — масса, электрический заряд, спин, среднее время жизни, магнитный момент, пространственная четность, барионный заряд и квантовые числа.

Масса элементарных частиц — это масса покоя, пос­кольку она не зависит от состояния движения. Ее опре­деляют по отношению к массе покоя электрона т_е, самой маленькой из масс покоя. Нейтрон и протон тяжелее электрона почти в 2000 раз. Но есть и очень тяжелые

частицы, например, Z-частицы, получаемые наускорителщ с массой покоя в 2000000 т_е. Фотоны вообще не имеют массы покоя. По массе частицы делят на .пептоны (электрон и нейтрино); мезоны (с массой от 1 до 1000 т)\ барионы (с массой более 1000 т). В состав барионов входят про­тоны, нейтроны, гипероны и др.

Электрический заряд меняется от нуля до «+» или«-», Каждой частице, кроме фотона, нейтрино и двух мезонов, соответствует частица с противоположным зарядом или античастица. В 1963 г. была высказана гипотеза о сущест­вовании частиц с дробным зарядом — кварков.

Спин — одна из важнейших характеристик элемен­тарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1, это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360 градусов. Частицы со спином У₂ примет прежний видпрн обороте, в 2 раза большем, т.е. в 720 градусов. Спин протона, нейтрона и электрона — У₂. Существуют частицы со спином в ³/₂,⁵/₂ и т.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зави­симости от значения спина все частицы делят на две группы:

- фертионы (название дано в честь Энрико Ферми), к ним относят частицы с полуцелыми (У₂,³/₃---) спинами, Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса — лептоны (греч. leptos «легкий») и кварки (название заимствовано американским физиком Марри Гелл-Маном из романа Дж.Джойса «Поминки по Фин-негану», где это слово означало нечто неопределенное, мистическое). Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адронами (греч. adros «сильный»). Заряженные лептоны могут так же, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и

72

нейтрино, проходить хоть сквозь всю Землю, ни с чем не взаимодействуя. У каждой частицы есть и античастица, отличающаяся только зарядом;

-бозоны, названные в честь индийского ученого Шать-ендраната Бозе (1894-1974), одного из создателей кван­товой статистики. Это частицы с целыми спинами (0,1,2), бозоны переносят взаимодействие.

Между частицами существуют четыре типа взаимо­действий, каждое из которых переносится своим типом бозонов. Фотон, квант света, переносит электромагнитные взаимодействия, гравитон—силы тяготения, действующие мещу любыми телами, имеющими массу. Восемь глюонов осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за неко­торые распады частиц. Считается, что к этим четырем взаимодействиям сводятся все силы в природе. Одним из самых ярких достижений нашего века стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно.

При энергии 100 ГэВ (10⁹ эВ) объединяются электро­магнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соот­ветствует температуре Вселенной через Ю^-10 с после Большого Взрыва и в 4 триллиона раз выше комнатной. Это открытие, сделанное в ЦЕРНе, позволило предположить, что при энергии порядка 10¹⁵ ГэВ можно достичь объеди­нения с ними сильных взаимодействий, как это утверж­дается в Теориях Великого Объединения (ТВО), а при энергии 10¹⁹ ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединится и гравитационное взаимодействие, «образуя» ТВС (Теорию Всего Сущего).

Ускорителей, на которых можно получить такие энер­гии и проверить эти теории, пока нет и не предвидится, поэтому обращаются ко Вселенной, чтобы найти в ней возможные ограничения для огромного числа элемен­тарных частиц. В последние тридцать лет между физикой элементарных частиц и космологией существует тесная связь. Совокупность астрофизических данных можно рассматривать как «экспериментальный материал», накоп­ленный в результате работы Вселенной как гигантского ускорителя частиц. Мы можем иметь дело только с кос­венными следствиями происходивших и происходящих процессов, с усредненным по всей Вселенной результатом их влияния на эволюцию материи.

Среди пептонов наиболее известен электрон, вероятно, он не состоит из других частиц, т.е. элементарен. Другой лептон — нейтрино. Это самый распространенный лептон во Вселенной, и в то же время самый неуловимый. Нейт­рино не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. После предсказания нейтрино было обнаружено только через 30 лет на ускорителях. Нейтрино бывает трех видов — электронное, мюонное и тау-нейт-рино. Каждый из них рождается вместе с тем или иным лептоном (в соответствии с названием) — вместе с элект­роном при распаде нейтрона или вместе с мюоном, или вместе с тау-лептоном. Мюон — это тоже широко распро­страненный в природе лептон. Он был обнаружен в кос­мических лучах в 1936 г.; это очень нестабильная частица, а в остальном он очень похож на электрон. За две милли-

онные доли секунды он распадается на электрон и два нейтрино. Фоновое космическое излучение в большой части состоит из мюонов. В конце 70-х был обнаружен третий заряженный лептон (кроме электрона и мюона) — тау-лептон. Он ведет себя очень похоже на своих собратьев, но тяжелее электрона в 3500 раз. У каждого лептона есть и античастица, т.е. всего их 12.

Адронов существует очень много, их сотни. Поэтому часто считают их не элементарными частицами, а состав­ленными из других. Они бывают электрически заряженные и нейтральные. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Среди них самые извест­ные — протон и нейтрон. Остальные живут очень мало, распадаясь за Ю^-6 с за счет слабого взаимодействия или за 10~²³ с за счет сильного. Адроны рассортировали по массе, заряду и спину. В этом помогла гипотеза кварков, или частиц, составляющих адроны.

Кварки могут соединяться для этого тройками, сос­тавляя барионы, либо парами кварк—антикварк, составляя мезоны (промежуточные частицы). Кварки имеют заряд V₃ или ²/₃ заряда электрона. Тогда в комбинации они дадут 0 или 1. Все кварки имеют спин, равный У₂, т.е. они относятся к фермионам. Считают, что они сцепляются сильным взаимодействием, но участвуют и в слабом. Особенности сильного взаимодействия характеризуют типами («арома­тами») — «верхний», «нижний», «странный». Но слабое взаимодействие может поменять «аромат» кварка. Напри­мер, при распаде нейтрона один из «нижних» кварков становится «верхним», а избыток заряда уносит рожда­ющийся электрон. Так что сильное взаимодействие не может менять «аромат», а без изменения «аромата» кварка невозможен распад адрона.

Новый адрон, названный «пси-частицей», былобнаружен на ускорителях (1974 г.). Поэтому нужно в соответствии с теорией кварков ввести еще одну характе­ристику, четвертый «аромат», так появился «очарованный» кварк. Так что пси-частица—это предположительно мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка. Сейчас обнаружено уже много очарованных частиц, и все они тяжелые. А в 1977 г. появился ипсилон-мезон, и вся история повторилась, пятый аромат получил название «прелесть». Так разви­вается ныне атомистика. Сейчас считают, что существуют 12 кварков — фундаментальных частиц и столько жеантичастиц. Шесть частиц — это кварки с экзотическими именами «верхний», «нижний», «очарованный», «стран­ный», «истинный», «прелестный». Они являются порож­дением теории, стремящейся к упорядоченности и красоте, и открыты все, за исключением «истинного». Остальные шесть — лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соот­ветствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).

Эти 12 частиц, или два по шесть, группируют в три поколения, каждое из четырех членов. В первом поколе­нии — «верхний» и «нижний» кварки, электрон и элект­ронное нейтрино, во втором — «очарованный» и «стран­ный» кварки, мюон и мюонное нейтрино, в третьем — «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частица со своим нейтрино. Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Протон, например, состоит из двух «верхних»

73