Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
13. Радыеактыўныя выпраменьванні з’яўляюцца вельмі небяспечнымі для жывых арганізмаў. Пры рабоце з імі неабходна выкарыстоўваць спецыяльныя меры аховы.
254
Раздзел 11
ЭЛЕМЕНТАРНЫЯ ЧАСЦІЦЫ
§ 93. ТРЫ ЭТАПЫ Ў РАЗВІЦЦІ ФІЗІКІ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСЦІЦ
Этап першы. Ад электрона да пазітрона: 1897—1932 гг. (Элементарныя часціцы — «атамы Дэмакрыта» на болый глыбокім узроўні.) Вы ўжо больш ці менш знаёмы з электронам, фатонам, пратонам і нейтронам. Але што ж такое элементарная часціца?
Калі грэчаскі філосаф Дэмакрыт назваў найпрасцейшыя, нерасчлянімыя далей часціцы атамамі (слова атам, напомнім, азначае «непадзельны»), то яму, мабыць, усё ўяўлялася ў прынцыпе не вельмі складаным. Розныя прадметы, расліны, жывёлы пабудаваны з непадзельных, нязменных часціц. Ператварэнні, якія назіраюцца ў свеце,— гэта простая перастаноўка атамаў. Усё ў свеце цячэ, усё змяняецца, акрамя саміх атамаў, якія застаюцца нязменнымі.
Але ў канцы XIX ст. была адкрыта складаная будова атамаў і быў вылучаны электрон як састаўная частка атама. Затым, ужо ў XX ст., былі адкрыты пратон і нейтрон — часціцы, якія ўваходзяць у склад атамнага ядра. Спачатку на ўсе гэтыя часціцы глядзелі зусім гэтак жа, як Дэмакрыт глядзеў на атамы: іх лічылі непадзельнымі і нязменнымі першапачатковымі сутнасцямі, асноўнымі цаглінкамі светабудовьг
Этап другі. Ад пазітрона да кваркаў: 1932—1964 гг. (Усе элементарныя часціцы ператвараюцца адна ў адну.) Сітуацыя прывабнай яснасці цягнулася нядоўга. Усё аказалася больш складаным: як высветлілася, нязменных часціц няма зусім. У самім слове элементарная заключаецца дваякі сэнс. 3 аднаго боку, элементарны — гэта само сабой зразумелы, найпрасцейшы. 3 другога боку, пад элементарным разумеецца нешта фундаментальнае, што ляжыць у аснове рэчаў (менавіта у гэтым сэнсе цяпер і называюць субатамныя часціцы' элементарнымі).
Лічыць вядомыя цяпер элементарныя часціцы падобнымі да нязменных атамаў Дэмакрыта перашкаджае наступны просты факт. Hi адна з часціц не бессмяротная. Большасць часціц, якія называюцца цяпер элементарнымі, не могуць пражыць больш за дзве мільённыя долі секунды нават пры адсутнасці якоганебудзь уздзеяння звонку. Свабодны нейтрон (нейтрон, які знаходзіцца паза атамным ядром) жыве ў сярэднім 15 мін.
Толькі фатон, электрон, пратон і нейтрына захоўвалі б сваю нязменнасць, калі б кожная з іх была адна ў цэлым свеце.
Але ў электронаў і пратонаў ёсць вельмі небяспечныя сабраты _ пазітроны і антыпратоны, пры сутьікненні з якімі адбываецца ўзаемнае знішчэнне гэтых часціц і ўтварэнне новых.
Фатон, выпраменены настольнай лямпай, жыве не больш чым
1 Субатамныя часціцы — часціцы, з якіх складаюцца атамы.
255
10 8 с. Гэта той час, які яму патрэбны, каб дасягнуць старонкі кнігі і паглынуцца паперай.
Толькі нейтрына амаль бессмяротнае зза таго, што яно надзвычай слаба ўзаемадзейнічае з іншымі часціцамі. Але і нейтрына гінуць пры сутыкненнях з іншымі часціцамі, хоць такія сутыкненні здараюцца вельмі рэдка.
Такім чынам, у спрадвечным імкненні адшукаць нязменнае ў нашым зменлівым свеце вучоныя аказаліся не на «гранітнай аснове», а на «зыбкім пяску».
Усе элементарныя часціцы ператвараюцца адна ў адну, і гэтыя ўзаемныя ператварэнні — галоўны факт іх існавання.
Уяўленні аб нязменнасці элементарных часціц аказаліся негрунтоўнымі. Але ідэя аб іх нераскладальнасці захавалася.
Элементарныя часціцы ўжо далей непадзельныя, але яны невычарпальныя па сваіх уласцівасцях. На невычарпальнасць уласцівасцей электрона адразу ж пасля яго адкрыцця ўказваў У. I. Ленін.
Вось што прымушае так думаць. Няхай у нас узнікла натуральнае жаданне даследаваць, ці складаецца, напрыклад, электрон з якіхнебудзь іншых субэлементарных часціц'. Што трэба зрабіць для таго, каб паспрабаваць расчляніць электрон? Можна прыдумаць толькі адзін спосаб. Гэта той жа спосаб, да якога звяртаецца дзіця, калі яно хоча даведацца, што знаходзіцца ўнутры пластмасавай цацкі,— моцны ўдар.
Зразумела, па электрону нельга ўдарыць малатком. Для гэтага можна скарыстаць другі электрон, які ляціць з велізарнай скорасцю, або якуюнебудзь іншую элементарную часціцу, што рухаецца з вялікай скорасцю.
Сучасныя паскаральнікі надаюць зараджаным часціцам скорасці, вельмі блізкія да скорасці святла.
Што ж адбываецца пры сутыкненні часціц звышвысокай энергіі? Яны ні ў якім разе не дробяцца на нешта такое, што можна было б назваць іх састаўнымі часткамі. He, яны нараджаюць новыя часціцы з ліку тых, якія ўжо фігуруюць у спіску элементарных часціц. Чым большая энергія часціц, што сутыкаюцца, тым большая колькасць, і прытым больш цяжкіх, часціц нараджаецца. Гэта магчыма дзякуючы таму, што пры павелічэнні скорасці маса часціц расце. Усяго толькі з адной пары любых часціц з узросшай масай можна ў прынцыпе атрымаць усе вядомыя на сённяшні дзень часціцы.
На рысунку 189 вы бачыце вынік сутыкнення ядра вугляроду, які меў энергію 60 млрд эВ (тлустая верхняя лінія) з ядром серабра фотаэмульсіі. Ядро расколваецца на асколкі, якія разлятаюцца ў розныя бакі. Адначасова нараджаецца многа новых элементарных часціц — піёнаў. Падобныя рэакцыі пры сутыкненнях рэлятывісцкіх ядзер, атрыманых у паскаральніку, упершыню
1 Падразумяваюцца часціцы, з якіх бы складаліся вядомыя цяпер элементарныя часціцы.
256
Рыс. 189
ў свеце ажыццёўлены ў лабараторыі высокіх энергій Аб’яднанага інстытута ядзерных даследаванняў у г. Дубне пад кіраўніцтвам акадэміка A. М. Балдзіна. Пазбаўленыя электроннай абалонкі ядры былі атрыманы шляхам іанізацыі атамаў вугляроду лазерным праменем.
Магчыма, безумоўна, што пры сутыкненнях часціц з недаступнай пакуль што нам энергіяй будуць нараджацца і нейкія новыя, яшчэ невядомыя часціцы. Але сутнасці справы гэта не зменіць. Новыя часціцы, якія нараджаюцца ў сутыкненнях, ніяк нельга разглядаць як састаўныя часткі часціц — «бацькоў». «Даччыныя» ж часціцы, калі іх паскорыць, могуць, не змяніўшы сваёй прыроды, а толькі павялічыўшы масу, нарадзіць у сваю чаргу пры сутыкненнях адразу некалькі такіх жа часціц, якімі былі іх «бацькі», ды яшчэ і мноства іншых часціц.
Такім чынам, па сучасных уяўленнях элементарныя часціцы — гэта першасныя, нераскладальныя далей часціцы, з якіх пабудавана ўся матэрыя. Аднак недзялімасць элементарных часціц не азначае, што ў іх адсутнічае ўнутраная структура.
Этап трэці. Ад гіпотэзы аб кварках (1964 г.) да нашых дзён. (Болыйасць элементарных часціц мае складаную структуру.) У 60я гг. узніклі сумненні ў тым, што ўсе часціцы, якія называюцца цяпер элементарнымі, поўнасцю апраўдваюць гэту назву. Аснова для сумненняў простая: гэтых часціц вельмі многа.
Адкрыццё новай элементарнай часціцы заўсёды складала і зараз складае выдатны трыумф навукі. Але ўжо даволі даўно да кожнага наступнага трыумфу пачало прымешвацца хваляванне. Трыумфы сталі надыходзіць адзін за адным.
Была адкрыта група так званых «дзіўных» часціц: Кмезонаў і гіперонаў з масамі, вышэйшымі за масу нуклонаў. У 70я гг. да іх далучылася вялікая група часціц з яшчэ большымі масамі, названых «зачараванымі». Акрамя таго, былі адкрыты кароткажывучыя часціцы з часам жыцця парадку 10—22—10~23 с. Гэтыя часціцы былі названы рэзанансамі, і іх лік перавысіў дзвесце.
Вось тады (у 1964 г.) М. Г ел М а н о н а м і Дж. Ц в е й г а м была прапанавана мадэль, згодна з якой усе часціцы, якія ўдзельнічаюць у моцных (ядзерных) узаемадзеяннях,— адроны', пабудаваны з больш фундаментальных (або першасных) часціц — кваркаў.
1 Слова адрон утворана ад грэчаскага hadros, што азначае «вялікі», «моцны».
9 Фізіка, 11
257
Кваркі маюць дробны электрычны зарад + ув і — ув. Пратоны і нейтроны складаюцца з трох кваркаў.
У сучасны момант у рэальнасці кваркаў ніхто не сумняваецца, хоць у свабодным стане яны не выяўлены і, верагодна, не будуць выяўлены ніколі. Існаванне кваркаў даказваюць доследы па рассейванню электронаў вельмі высокай энергіі на пратонах і нейтронах. Лік розных кваркаў роўны шасці. Кваркі, наколькі цяпер вядома, пазбаўлены ўнутранай структуры і ў гэтым сэнсе могуць лічыцца сапраўды элементарнымі.
Лёгкія часціцы, якія не ўдзельнічаюць у моцных узаемадзеяннях, называюцца лептонамі. Іх таксама шэсць, як і кваркаў (электрон, тры сарты нейтрына і яшчэ дзве часціцы — мюён і таулептон з масамі, значна большымі за масу электрона). Кваркі і лептоны — сапраўды элементарныя часціцы.
§ 94. АДКРЫЦЦЁ ПАЗІТРОНА. АНТЫЧАСЦІЦЫ
Існаванне двайніка электрона — пазітрона — было прадказана тэарэтычна англійскім фізікам П. Дзіракам у 1931 г. Адначасова Дзірак прадказаў, што пры сустрэчы пазітрона з электронам абедзве часціцы павінны знікнуць, нарадзіўшы фатоны вялікай энергіі. Можа адбывацца і адваротны працэс — нараджэнне электроннапазітроннай пары, напрыклад, пры сутыкненні фатона дастаткова вялікай энергіі (яго маса павінна быць большай за суму мас спакою часціц, якія нараджаюцца) з ядром.
Праз два гады пазітрон быў выяўлены з дапамогай камеры Вільсана, змешчанай у магнітнае поле. Напрамак скрыўлення трэка часціцы паказваў знак яе зараду, а па радыусу крывізны і энергіі часціцы была вызначана адносіна яе зараду да масы. Яна аказалася па модулю такой жа, як і ў электрона. На рысунку 190 вы бачыце першую фатаграфію, якая даказала існаванне пазітрона. Часціца рухалася знізу ўверх і, прайшоўшы свінцовую пласцінку, згубіла частку сваёй энергіі. 3за гэтага крывізна траекторыі павялічылася.
Працэс нараджэння пары электрон — пазітрон уквантам у свінцовай пласцінцы бачны на фатаграфіі, прыведзенай на рысунку 191. У камеры Вільсана, якая знаходзіцца ў магнітным полі, пара пакідае характэрны след у выглядзе двухрогай вілкі.
Знікненне (анігіляцыя) адных часціц і з’яўленне другіх пры рэакцыях паміж элементарнымі часціцамі з’яўляецца іменна ператварэннем, а не проста ўзнікненнем новай камбінацыі састаўных частак старых часціц. Асабліва наглядна выяўляецца гэта пры анігіляцыі пары электрон — пазітрон. Абедзве часціцы валодаюць пэўнай масай у стане спакою і электрычнымі зарадамі. Фатоны ж, якія пры гэтым нараджаюцца, не маюць зарадаў і не валодаюць масай спакою, паколькі не могуць існаваць у стане спакою.
258
Рыс. 190
1
Рыс. 191
Свінйовая пласцінка
КНІГІ ОНЛАЙН
