Kvant. Частицы, ядра

А так ли хорошо знакомы вам частицы и ядро? // Квант. — 2012. — № 5-6. — С. 48-49.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

...урановые лучи... могут проникать через тонкие металлические экраны, и они разряжают наэлектризованные тела.
Мария Склодовская-Кюри
...вероятность того, что альфа-частица может претерпеть рассеяние в обратном направлении, ничтожно мала.
Эрнест Резерфорд
...эти странные эффекты обязаны своим происхождением нейтральной частице; мне удалось также измерить ее массу.
Джеймс Чедвик
После фотонов частицами, лучше всего известными из эксперимента и лучше других описываемыми теорией, являются электроны и позитроны.
Энрико Ферми
Поиски происхождения ядерных сил приводят нас к новым частицам; но все эти открытия вызывают только замешательство. У нас нет полного понимания их взаимных отношений, хотя в некоторых поразительных связях между ними мы уже убедились.
Ричард Фейнман

Нынешний выпуск «Калейдоскопа» недаром посвящен этим физическим персонажам.

Во-первых, один за другим прошли столетние юбилеи выдающихся открытий, кардинально изменивших облик сложившейся к началу XX века науки. Обнаружение рентгеновских лучей, электрона, радиоактивности, атомного ядра, создание теории относительности буквально на глазах изумленных ученых переворачивали устоявшиеся представления об устройстве как микромира, так и Вселенной в целом, требовали изобретения нового «языка» для изменившейся реальности. Ядерная физика и физика элементарных частиц оказались на острие этой эпохальной перестройки. Все авторы приведенных в эпиграфе высказываний — участники исторических событий, творцы новой картины Мира, удостоенные Нобелевской премии. А скольких еще блестящих ученых, кто, пройдя через сомнения и разочарования, продолжали и продолжают «дорисовывать» это поразительное полотно, мы не в силах упомянуть!

Во-вторых, похоже, что надежды ученых на достоверность этой согласованной картины устройства нашего мироздания — так называемой Стандартной модели, описывающей с общих позиций взаимодействие между элементарными частицами, могут сбыться буквально в наши дни. Из ЦЕРНа (Европейский центр по ядерным исследованиям), где действует самый мощный современный ускоритель — Большой адронный коллайдер, пришло сообщение о возможном открытии давно предсказанной, но до сих пор неуловимой, недостающей для полноты Стандартной модели частицы — бозона Хиггса. Такое экспериментальное подтверждение создаваемой поколениями физиков теории стало бы первостепенным событием в уже более чем столетней истории новой науки.

И в-третьих, «Физический «Калейдоскоп» тоже скромно справляет свой юбилей — это его сотый выпуск! Мы будем рады, если на этот раз сможем дополнить ваши знания о частицах и ядрах.

Вопросы и задачи

1. У какого химического элемента радиус атомного ядра примерно вдвое больше, чем у углерода?

2. Произошел самопроизвольный распад ядра. Выделилась или поглотилась энергия во время этого процесса?

3. Какая доля от большого количества радиоактивных атомов остается нераспавшейся через интервал времени, равный двум периодам полураспада?

4. Радий, период полураспада которого 1620 лет, казалось бы, уже должен был полностью распасться. Каким образом он «дожил» до наших дней?

5. После скольких альфа-распадов и скольких бета-распадов изотоп радия ₈₈²²⁶Ra превращается в изотоп свинца ₈₂²⁰⁶Pb?

6. От чего зависит период полураспада ядер, испускающих альфа-частицы?

7. После ядерного взрыва в атмосферу попали в равных количествах радиоактивные изотопы с разными периодами полураспада. Какие из них таят в себе наибольшую биологическую опасность?

8. Одинаковы ли ядерные силы, действующие между двумя протонами, двумя нейтронами, протоном и нейтроном?

9. Открытие мощных ядерных сил позволило объяснить, почему атомные ядра не «взрываются» под действием кулоновских сил отталкивания. Но почему же тогда ядра не сжимаются беспредельно?

10. Отчего медленные нейтроны сильно поглощаются ядрами атомов, например бора, кадмия, лития, а быстрые нейтроны — поглощаются слабо?

11. Как объяснить, что в камере Вильсона бета- частицы от одного и того же радиоактивного изотопа не обладают одной и той же длиной пробега?

12. Что было бомбардирующей частицей в исторически первой ядерной реакции

\( ? \; +{}_{7}^{14} N\to {}_{8}^{17} O+{}_{1}^{1} p. \)

осуществленной Резерфордом?

13. Может ли нейтральная частица распадаться на нечетное число заряженных элементарных частиц?

14. Свободные нейтроны превращаются в протоны. Почему обратный процесс возможен только внутри атомных ядер?

15. Чем отличается трек протона от трека позитрона в камере Вильсона?

16. Отчего ядерные реакции с нейтронами в космических условиях происходят очень редко, хотя нейтрон, в отличие от протона, может подойти к ядру на любое расстояние?

17. Почему во Вселенной преобладают ядерные реакции синтеза, а не реакции деления?

18. Может ли один гамма-квант превратиться в пару электрон-позитрон?

Микроопыт

Зарядите электроскоп любым наэлектризованным телом, хотя бы расческой, проведенной по сухим волосам, и понаблюдайте за поведением его лепестков. В чем, по-вашему, причина относительно быстрой разрядки электроскопа?

Любопытно, что...

...объем, приходящийся на каждую внутриядерную частицу, во всех ядрах практически один и тот же. Радиус ядра меняется от 0,5∙10^-15 м у водорода до 8∙10^-5 м у урана. В ядерной физике в качестве единицы длины введена специальная величина 1 ферми: 1 фм = 10^-15 м, названная так в честь великого итальянского физика Энрико Ферми.

…в 1897 году после сорока лет экспериментальных усилий получила «права гражданства» первая элементарная частица — электрон. Как и атом, признали ее не сразу. Так, английский физик Оливер Лодж, известный своим доказательством несостоятельности теории эфира, считал электрон чисто гипотетическим зарядом, изолированным от атома. А знаменитый Вильгельм Рентген (более правильно — Рентген) — первый Нобелевский лауреат среди физиков — почти до конца жизни сомневался в его существовании.

…в двадцатые годы прошлого века, еще до открытия нейтрона, возникла протонно-электронная модель атомного ядра, предполагавшая наличие внутри ядра электронов. Так, ядро гелия должно было состоять из четырех протонов и двух электронов.

…на вероятностный, случайный характер радиоактивности обратил внимание еще в 1905 году австрийский физик Эгон Швейдлер. Это было первым свидетельством квантовых особенностей внутриядерных процессов. А к концу двадцатых годов основные представления квантовой механики стали надежной основой науки о всех явлениях атомной и ядерной физики.

…Солнце не взрывается, как водородная бомба, хотя в обоих случаях энергия выделяется за счет термоядерных реакций превращения водорода в гелий. Отличие связано с тем, что в этих реакциях участвуют разные изотопы водорода. В бомбе используются специально накапливаемые дейтерий и тритий. А в звездах дейтерий успел давным-давно «сгореть» в недрах светила, тритий же радиоактивен с периодом полураспада 12,5 лет, и в природе его нет.

…процесс, обратный аннигиляции — превращению электрона и позитрона в два гамма-кванта, впервые удалось наблюдать в 1971 году в ускорителях на встречных пучках, где высокоэнергетические фотоны, провзаимодействовав, порождали пару частица- античастица. В конце прошлого века экспериментаторам удалось на миллиардные доли секунды создать из антипротонов и позитронов атомы антиводорода, а совсем недавно с помощью Большого адронного коллайдера эту антиматерию не только произвели, но и сумели удержать более чем на тысячу секунд.

…физики из подмосковной Дубны совместно с американскими коллегами впервые смогли синтезировать 117-й элемент таблицы Менделеева. Полученные искусственно ранее элементы с атомными номерами 114 и 116 этой весной заняли в таблице места на законных основаниях, когда были утверждены их названия — флеровий и ливерморий. А в последние годы российские ученые, исследуя метеориты, обнаружили в тех следы этих сверхтяжелых элементов, что свидетельствует об их наличии в космических лучах.

…один из многочисленных примеров практического использования достижений фундаментальной науки — нейтронные исследования. Нейтроны применяются в разработке методов борьбы с раком, в изучении процесса старения клеток, в создании новых материалов с необычными свойствами и даже. для г поиска воды на Марсе. Истинно инновационным ' решением стало создание детектора взрывчатых и наркотических веществ на основе метода меченых нейтронов.

…заменив «маятник» в атомных часах с электрона, обращающегося вокруг ядра, на нейтрон, располагающийся в ядре, удалось на два порядка превзойти по точности лучшие современные атомные «хронометры». Теперь неточность составляет порядка одной десятой секунды за 14 миллиардов лет (это сравнимо с возрастом Вселенной).

Что читать в «Кванте» о частицах и ядрах

(публикации последних лет)

1. «Премия за нарушения» — 2009, №1, с.19;

2. «Калейдоскоп «Кванта» — 2009, №1, с.32;

3. «Устроители столкновений» — 2009, №2, с.19;

4. «Многоликий протон» — 2009, №5, с.7;

5. «Что такое ЯМР-томография?» — 2010, №1, с.8;

6. «Квантовые и волновые явления в наномире» — 2010, №3, с.17;

7. «Ядерные взрывы» — 2010, Приложение №3, с.83;

8. «Атомные ядра», «Элементарные частицы и силы между ними» — 2011, Приложение №4, с.51, 55.

Ответы

Вопросы и задачи

1. У молибдена. В первом приближении ядро может считаться шаром, радиус которого пропорционален кубическому корню из атомной массы.

2. Выделилась, так как ядро перешло в состояние с меньшей энергией.

3. 25%.

4. Радиоактивный изотоп радия ₈₈²²⁶Ra возникает как промежуточный продукт распада изотопа урана ₉₂²³⁸U, , причем скорость образования его ядер равна скорости их распада. В результате относительное содержание радия в уране со временем не меняется.

5. После пяти альфа-распадов и четырех бета-распадов.

6. Чем больше энергия альфа-частиц внутри ядра, тем больше вероятность преодоления ими потенциального барьера и тем меньше время жизни радиоактивного ядра.

7. Для современников опаснее ядра с меньшим периодом полураспада, а для их потомков — с большим.

8. Ядерные силы никак не связаны с электрическими зарядами частиц, и поэтому для всех указанных пар частиц силы одинаковы.

9. Ядерные силы это не всегда силы притяжения. На расстояниях меньше 0,7∙10^-15 м между ядерными частицами возникают короткодействующие силы отталкивания.

10. Чем медленнее движется нейтрон, тем большее время он находится под действием сил притяжения со стороны ядра и тем легче захватывается им. Быстрый нейтрон пролетает мимо ядра за такой короткий промежуток времени, что силы притяжения не успевают отклонить его и втянуть в ядро.

11. Одновременно с бета-частицей из ядра вылетает нейтрино, и энергия между ними может распределяться различными способами.

12. Это была альфа-частица ₂⁴He.

13. Нет, не может. Это запрещает закон сохранения электрического заряда.

14. Для превращения в нейтрон протон должен получить дополнительную энергию. В ядре он ее может получить от соседних частиц.

15. У протона трек толще и короче.

16. Свободных нейтронов в космическом пространстве мало, так как нейтрон нестабилен и в среднем за 900 секунд распадается на протон, электрон и антинейтрино.

17. Вселенная состоит преимущественно из легких элементов — водорода и гелия. Элементов с большим массовым числом, с которыми могут происходить реакции деления, во Вселенной очень мало.

18. В вакууме — нет, так как нарушались бы законы сохранения импульса и энергии; в процессе взаимодействия с веществом — да, благодаря передаче импульса веществу (при этом энергия каждого кванта должна превышать энергию покоя пары электрон-позитрон).

Микроопыт

Разрядка электроскопа во многом происходит из-за наличия радиоактивного фона, создаваемого источниками радиации как внутри Земли, так и в космосе. Под действием радиоактивных излучений — в том числе космических лучей, в состав которых входят протоны, электроны, альфа-частицы, нейтроны и даже ядра легких элементов, — расщепляются молекулы воздуха, что приводит к нейтрализации заряда электроскопа образовавшимися ионами.

Материал подготовил А.Леонович