Penemuan inti atom Mari kita perhatikan lebih detail salah satu penemuan mendasar Rutherford - penemuan inti atom dan model atom planet. Kita telah melihat bahwa atom disamakan dengan sistem planet pada awal abad ke-20. Namun model ini sulit

Model inti proton-neutron Pada tanggal 28 Mei 1932, fisikawan Soviet D. D. Ivanenko menerbitkan sebuah catatan di Nature di mana ia menyatakan bahwa neutron, bersama dengan proton, adalah elemen struktural inti. Dia menunjukkan bahwa hipotesis seperti itu memecahkan masalah bencana nitrogen. DI DALAM

Inside the Core Perjalanan yang belum pernah terjadi sebelumnya bagi para penumpang Jules Vernov Core tidak akan sedamai dan sejahtera seperti yang dijelaskan dalam novel. Namun jangan dikira bahaya mengancam mereka selama perjalanan dari Bumi ke Bulan. Sama sekali tidak! Jika mereka berhasil tetap hidup pada saat itu

Ke Bab VIII 6. Tekanan di dalam peluru meriam Bagi pembaca yang ingin memeriksa perhitungan yang disebutkan di halaman 65, di sini kami sajikan perhitungan sederhana berikut ini. Untuk perhitungannya kita hanya perlu menggunakan dua rumus gerak dipercepat, yaitu: 1) Kecepatan v pada akhirnya

4.2. Ciri-ciri fisik, struktur inti Dalam dekade terakhir, pengetahuan kita tentang komet dan proses yang terjadi di dalamnya telah berkembang secara signifikan. Peningkatan tajam minat terhadap komet difasilitasi oleh persiapan dan penyelenggaraan ruang internasional

RUTHERFORD DAN PENEMUAN INTI ATOM Apa yang terjadi pada mereka yang di masa mudanya adalah pemain bagus di rugby, dan kemudian mengetahui sebelum orang lain mengetahui bahwa atom dapat membusuk? Ernest Rutherford mengakhiri "pengasingannya" di Amerika pada Januari 1907, beberapa saat setelah kematiannya

Henri Becquerel

Para ilmuwan pernah percaya bahwa atom adalah partikel terkecil. Namun seratus tahun yang lalu mereka menemukan bahwa atom pun dapat terbagi menjadi partikel yang jauh lebih kecil. Berkat inilah penciptaan bom atom menjadi mungkin. Pada tahun 1896, seorang ilmuwan Perancis Henri Becquerel(1852-1908) secara tidak sengaja menemukan bahwa beberapa atom bersifat “radioaktif”, yaitu memancarkan sinar.

Tahun berikutnya ilmuwan Inggris JJ Thomson(1856-1940) memperhatikan bahwa sinar listrik bercahaya sebenarnya adalah partikel bermuatan listrik, yang ukurannya berkali-kali lebih kecil dari atom. Telah terbukti bahwa partikel-partikel ini - elektron - ditemukan dalam atom.

Ernest Rutherford

Beberapa saat kemudian, seorang ilmuwan Inggris Ernest Rutherford(1871-1937) menemukan bahwa radioaktivitas tidak lebih dari pembelahan atom untuk membentuk atom lain. Saat mereka membusuk, atom-atom ini juga memancarkan aliran partikel yang disebut partikel alfa dan beta. Pada tahun 1911, Rutherford mengarahkan aliran partikel alfa ke kertas emas.

Kebanyakan dari mereka langsung melewatinya. tapi ada pula yang bangkit kembali. Ia menyadari bahwa atom bukanlah potongan materi padat, seperti yang diperkirakan sebelumnya, namun pada dasarnya adalah ruang kosong, dan oleh karena itu partikel-partikel tersebut biasanya melewati lapisan kertas. Namun mereka memiliki bagian pusat yang kecil dan padat yang bermuatan positif - inti atom, dan beberapa partikel yang memantul kembali bertabrakan dengan mereka. Pada tahun 1912, seorang ilmuwan Denmark mulai bekerja dengan Rutherford Niels Bohr(1885-1962). Bohr menyarankan. bahwa setiap jenis atom mempunyai jumlah elektron berbeda, yang mengelilingi inti pada jarak berbeda, seperti planet dalam orbit matahari. Saat ini kita mengetahui bahwa elektron lebih mirip awan energi kabur dibandingkan planet, namun gagasan Bohr pada dasarnya benar.

Pemisahan atom Pada tahun 1919, Rutherford berhasil membelah atom untuk pertama kalinya. Dia menembakkan partikel alfa ke gas nitrogen, menyebabkan inti hidrogen terpisah dari inti nitrogen. Kemudian Rutherford sampai pada kesimpulan bahwa semua inti atom tersusun dari inti hidrogen, yang disebutnya proton. Pada tahun 1932, seorang Inggris James Chadwick(1891-1974) menemukan partikel lain di dalam nukleus - neutron. Neutron tidak memiliki muatan listrik, tidak seperti neutron yang memiliki muatan positif yang menyeimbangkan muatan negatif elektron.

Ilmuwan Italia Enrico Fermi(1901-1954) berupaya mencari tahu apa yang akan terjadi jika aliran neutron diarahkan ke atom terbesar yang diketahui - atom uranium. Dia percaya bahwa neutron akan bergabung dengan uranium dan membentuk atom yang lebih besar.

Faktanya, seperti yang ditunjukkan oleh fisikawan Austria Lisa Meitner(1878-1968), atom uranium terpecah menjadi dua bagian, membentuk atom yang lebih kecil seperti barium. Pada saat yang sama, neutron tambahan juga dilepaskan. Jika neutron-neutron ini kemudian membelah atom uranium lainnya, maka “reaksi berantai” berupa tumbukan dan pemisahan dapat dimulai. Para ilmuwan menyadari bahwa ketika inti atom terpecah dalam reaksi berantai, sejumlah besar energi dilepaskan.

Energi ini cukup untuk membuat bom yang sangat kuat. Memanfaatkan gagasan ini, sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh Robert Oppenheimer dari Amerika (1904-1967) menciptakan bom atom pertama. Pada bulan Agustus 1945, selama Perang Dunia II (1939-1945), bom uranium Amerika dijatuhkan di kota Hiroshima dan Nagasaki di Jepang. Hal ini menyebabkan konsekuensi yang mengerikan dan merusak.

Bagaimana proses ini ditemukan dan dijelaskan. Penggunaannya sebagai sumber energi dan senjata nuklir.

Atom yang "tidak dapat dibagi".

Abad kedua puluh satu penuh dengan ungkapan seperti “energi atom”, “teknologi nuklir”, “limbah radioaktif”. Sesekali, berita utama surat kabar memuat laporan tentang kemungkinan kontaminasi radioaktif di tanah, lautan, dan es di Antartika. Namun, orang awam seringkali tidak memiliki gagasan yang baik tentang apa itu bidang ilmu pengetahuan dan bagaimana hal itu membantu Kehidupan sehari-hari. Mungkin ada baiknya memulai dengan sejarah. Dari pertanyaan pertama yang ditanyakan oleh seorang pria yang cukup makan dan berpakaian, dia tertarik pada cara kerja dunia. Bagaimana mata melihat, mengapa telinga mendengar, bagaimana air berbeda dari batu - inilah yang membuat khawatir orang bijak sejak dahulu kala. Juga di india kuno dan Yunani, beberapa pemikir yang ingin tahu menyatakan bahwa ada partikel minimal (disebut juga “tak terpisahkan”) yang memiliki sifat-sifat suatu material. Ahli kimia abad pertengahan membenarkan dugaan orang bijak, dan definisi modern tentang atom adalah sebagai berikut: atom adalah partikel terkecil dari suatu zat yang merupakan pembawa sifat-sifatnya.

Bagian dari atom

Namun perkembangan teknologi (khususnya fotografi) telah menyebabkan fakta bahwa atom tidak lagi dianggap sebagai partikel materi terkecil. Meskipun sebuah atom bersifat netral secara listrik, para ilmuwan segera menyadari bahwa atom tersebut terdiri dari dua bagian dengan muatan berbeda. Jumlah bagian yang bermuatan positif mengkompensasi jumlah bagian yang negatif, sehingga atom tetap netral. Namun tidak ada model atom yang jelas. Karena fisika klasik masih dominan saat itu, berbagai asumsi pun dibuat.

Model atom

Pada awalnya, model “roti kismis” diusulkan. Muatan positif tampaknya memenuhi seluruh ruang atom, dan muatan negatif tersebar di dalamnya, seperti kismis dalam roti. Yang terkenal menentukan hal berikut: di pusat atom terdapat unsur yang sangat berat dengan muatan positif (inti), dan elektron yang jauh lebih ringan terletak di sekitarnya. Massa inti atom ratusan kali lebih berat daripada jumlah seluruh elektron (merupakan 99,9 persen massa seluruh atom). Maka lahirlah model atom planet Bohr. Namun, beberapa unsurnya bertentangan dengan fisika klasik yang diterima saat itu. Oleh karena itu, yang baru dikembangkan mekanika kuantum. Dengan kemunculannya, periode sains non-klasik dimulai.

Atom dan radioaktivitas

Dari uraian di atas, menjadi jelas bahwa inti atom adalah bagian atom yang berat dan bermuatan positif, yang menyusun sebagian besarnya. Ketika posisi elektron dalam orbit atom telah dipelajari dengan baik, inilah saatnya untuk memahami sifat inti atom. Radioaktivitas yang cerdik dan tidak terduga ditemukan datang untuk menyelamatkan. Ini membantu mengungkap esensi bagian tengah atom yang berat, karena sumber radioaktivitas adalah fisi nuklir. Pada pergantian abad kesembilan belas dan kedua puluh, penemuan-penemuan datang silih berganti. Solusi teoretis untuk satu masalah memerlukan perlunya melakukan eksperimen baru. Hasil percobaan memunculkan teori dan hipotesis yang perlu dikonfirmasi atau dibantah. Seringkali penemuan terbesar muncul hanya karena dengan cara inilah rumusnya menjadi mudah untuk dihitung (seperti, misalnya, kuantum Max Planck). Bahkan pada awal era fotografi, para ilmuwan mengetahui bahwa garam uranium menyinari film peka cahaya, namun mereka tidak menduga bahwa fenomena ini didasarkan pada fisi nuklir. Oleh karena itu, radioaktivitas dipelajari untuk memahami sifat peluruhan nuklir. Jelas bahwa radiasi tersebut dihasilkan oleh transisi kuantum, namun tidak sepenuhnya jelas yang mana sebenarnya. Keluarga Curie menambang radium dan polonium murni, memproses bijih uranium hampir dengan tangan untuk menjawab pertanyaan ini.

Muatan radioaktif

Rutherford melakukan banyak hal untuk mempelajari struktur atom dan berkontribusi pada studi tentang bagaimana pembelahan inti atom terjadi. Ilmuwan menempatkan radiasi yang dilepaskan oleh unsur radioaktif dalam medan magnet dan mendapatkan hasil yang luar biasa. Ternyata radiasi terdiri dari tiga komponen: satu netral, dan dua lainnya bermuatan positif dan negatif. Kajian fisi nuklir dimulai dengan identifikasi komponen-komponennya. Terbukti bahwa inti atom dapat membelah dan melepaskan sebagian muatan positifnya.

Struktur inti

Belakangan diketahui bahwa inti atom tidak hanya terdiri dari partikel proton yang bermuatan positif, tetapi juga partikel netral neutron. Bersama-sama mereka disebut nukleon (dari bahasa Inggris “nucleus”, nukleus). Namun, para ilmuwan kembali menghadapi masalah: massa inti (yaitu jumlah nukleon) tidak selalu sesuai dengan muatannya. Dalam hidrogen, inti mempunyai muatan +1, dan massanya bisa tiga, dua, atau satu. Helium berikutnya dalam tabel periodik memiliki muatan inti +2, sedangkan intinya mengandung 4 hingga 6 nukleon. Lagi elemen kompleks dapat memiliki lebih banyak massa berbeda dengan muatan yang sama. Variasi atom ini disebut isotop. Selain itu, beberapa isotop ternyata cukup stabil, sementara yang lain cepat meluruh karena dicirikan oleh fisi nuklir. Prinsip apa yang berhubungan dengan jumlah nukleon dengan kestabilan inti? Mengapa menambahkan hanya satu neutron ke inti yang berat dan stabil sepenuhnya menyebabkan pembelahan dan pelepasan radioaktivitas? Anehnya, jawabannya pertanyaan penting masih belum ditemukan. Ternyata secara eksperimental bahwa konfigurasi stabil inti atom berhubungan dengan jumlah proton dan neutron tertentu. Jika terdapat 2, 4, 8, 50 neutron dan/atau proton dalam inti, maka inti pasti stabil. Angka-angka ini bahkan disebut ajaib (dan inilah yang disebut oleh para ilmuwan dewasa dan fisikawan nuklir). Jadi, pembelahan inti bergantung pada massanya, yaitu jumlah nukleon yang termasuk di dalamnya.

Jatuhkan, cangkang, kristal

Saat ini, faktor yang bertanggung jawab atas kestabilan inti belum dapat ditentukan. Ada banyak teori model. Tiga teori yang paling terkenal dan berkembang seringkali saling bertentangan dalam berbagai masalah. Menurut yang pertama, inti adalah setetes cairan nuklir khusus. Seperti air, ia dicirikan oleh fluiditas, tegangan permukaan, penggabungan dan disintegrasi. Pada model cangkang juga terdapat tingkat energi tertentu di dalam inti yang diisi dengan nukleon. Klaim ketiga bahwa inti adalah media yang mampu membiaskan gelombang khusus (gelombang De Broglie), dan indeks biasnya adalah. Namun, belum ada model yang dapat menjelaskan sepenuhnya alasannya, pada massa kritis tertentu dari unsur kimia tertentu. , pembelahan inti dimulai.

Bagaimana pembusukan bisa terjadi?

Radioaktivitas, sebagaimana disebutkan di atas, ditemukan pada zat yang ditemukan di alam: uranium, polonium, radium. Misalnya, uranium murni yang baru ditambang bersifat radioaktif. Proses pemisahan dalam hal ini akan terjadi secara spontan. Tanpa pengaruh luar apa pun, sejumlah atom uranium akan memancarkan partikel alfa, secara spontan berubah menjadi torium. Ada indikator yang disebut waktu paruh. Ini menunjukkan selama jangka waktu berapa kira-kira setengah dari jumlah awal bagian tersebut akan tersisa. Setiap unsur radioaktif memiliki waktu paruhnya sendiri - mulai dari sepersekian detik untuk kalifornium hingga ratusan ribu tahun untuk uranium dan cesium. Namun ada juga radioaktivitas terinduksi. Jika inti atom dibombardir dengan proton atau partikel alfa (inti helium) dengan energi kinetik tinggi, maka mereka dapat “terbelah”. Mekanisme transformasinya tentu saja berbeda dengan pecahnya vas kesayangan ibumu. Namun, analogi tertentu dapat ditelusuri.

Energi Atom

Sejauh ini kita belum menjawab pertanyaan praktis: dari mana asal energi selama fisi nuklir? Pertama-tama, perlu dijelaskan bahwa selama pembentukan inti, ada yang khusus kekuatan nuklir, yang disebut interaksi kuat. Karena inti terdiri dari banyak proton positif, pertanyaannya tetap bagaimana mereka bersatu, karena gaya elektrostatis harus menolaknya dengan cukup kuat. Jawabannya sederhana dan tidak: inti terikat karena pertukaran partikel khusus yang sangat cepat antar nukleon - pi-meson. Hubungan ini sangat berumur pendek. Segera setelah pertukaran pi meson berhenti, nukleus hancur. Diketahui juga secara pasti bahwa massa inti lebih kecil dari jumlah seluruh nukleon penyusunnya. Fenomena ini disebut cacat massal. Faktanya, massa yang hilang adalah energi yang dikeluarkan untuk menjaga keutuhan inti. Segera setelah beberapa bagian dipisahkan dari inti atom, energi ini dilepaskan dan diubah menjadi panas di pembangkit listrik tenaga nuklir. Artinya, energi fisi nuklir merupakan demonstrasi nyata dari rumus Einstein yang terkenal. Mari kita ingat rumusnya: energi dan massa dapat diubah satu sama lain (E=mc 2).

Teori dan praktek

Sekarang kami akan memberi tahu Anda bagaimana penemuan teoretis ini digunakan dalam kehidupan nyata untuk menghasilkan gigawatt listrik. Pertama, perlu dicatat bahwa reaksi terkontrol menggunakan fisi nuklir paksa. Paling sering itu adalah uranium atau polonium, yang dibombardir oleh neutron cepat. Kedua, kita harus memahami bahwa fisi nuklir disertai dengan penciptaan neutron baru. Akibatnya, jumlah neutron di zona reaksi bisa meningkat dengan sangat cepat. Setiap neutron bertabrakan dengan inti baru yang masih utuh, membelahnya, menyebabkan peningkatan pelepasan panas. Ini adalah reaksi berantai fisi nuklir. Peningkatan jumlah neutron dalam reaktor yang tidak terkendali dapat menyebabkan ledakan. Inilah yang terjadi pada tahun 1986 di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl. Oleh karena itu, selalu ada zat di zona reaksi yang menyerap kelebihan neutron, sehingga mencegah terjadinya bencana. Ini adalah grafit yang berbentuk batang panjang. Laju fisi nuklir dapat diperlambat dengan merendam batang dalam zona reaksi. Persamaan tersebut disusun khusus untuk setiap zat radioaktif aktif dan partikel yang membombardirnya (elektron, proton, partikel alfa). Namun, keluaran energi akhir dihitung berdasarkan hukum kekekalan: E1+E2=E3+E4. Artinya, energi total inti dan partikel asal (E1 + E2) harus sama dengan energi inti yang dihasilkan dan energi yang dilepaskan dalam bentuk bebas (E3 + E4). Persamaan reaksi nuklir juga menunjukkan zat apa yang dihasilkan akibat peluruhan. Misalnya untuk uranium U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Isotop unsur kimia tidak diberikan di sini, tapi ini penting. Misalnya, ada tiga kemungkinan fisi uranium, yang menghasilkan isotop timbal dan neon berbeda. Dalam hampir seratus persen kasus, fisi nuklir menghasilkan isotop radioaktif. Artinya, peluruhan uranium menghasilkan thorium radioaktif. Thorium dapat meluruh menjadi protaktinium, menjadi aktinium, dan seterusnya. Bismut dan titanium dapat menjadi radioaktif dalam seri ini. Bahkan hidrogen, yang mengandung dua proton dalam intinya (normanya adalah satu proton), disebut berbeda - deuterium. Air yang terbentuk dengan hidrogen semacam itu disebut berat dan mengisi sirkuit utama reaktor nuklir.

Atom yang tidak damai

Ekspresi seperti "perlombaan senjata", "perang dingin", " ancaman nuklir» mungkin tampak bersejarah dan tidak relevan bagi manusia modern. Namun pada suatu ketika, setiap pemberitaan hampir di seluruh dunia selalu disertai dengan pemberitaan tentang berapa banyak jenis senjata nuklir yang telah ditemukan dan bagaimana cara mengatasinya. Masyarakat membangun bunker bawah tanah dan menimbun perbekalan jika terjadi musim dingin nuklir. Seluruh keluarga bekerja untuk membuat tempat penampungan. Bahkan penggunaan reaksi fisi nuklir untuk tujuan damai dapat menyebabkan bencana. Tampaknya Chernobyl mengajarkan umat manusia untuk berhati-hati di area ini, tetapi unsur-unsur planet ini ternyata lebih kuat: gempa bumi di Jepang merusak benteng pembangkit listrik tenaga nuklir Fukushima yang sangat andal. Energi reaksi nuklir jauh lebih mudah digunakan untuk pemusnahan. Para ahli teknologi hanya perlu membatasi kekuatan ledakan agar tidak menghancurkan seluruh planet secara tidak sengaja. Bom yang paling “manusiawi”, jika bisa disebut demikian, tidak mencemari lingkungan sekitar dengan radiasi. Secara umum, mereka paling sering menggunakan reaksi berantai yang tidak terkendali. Apa yang ingin mereka hindari di pembangkit listrik tenaga nuklir dengan cara apa pun dicapai melalui bom dengan cara yang sangat primitif. Untuk setiap unsur radioaktif alami, terdapat massa kritis tertentu dari zat murni di mana reaksi berantai dimulai secara spontan. Untuk uranium misalnya hanya lima puluh kilogram. Karena uranium sangat berat, ia hanya berupa bola logam kecil dengan diameter 12-15 sentimeter. Bom atom pertama yang dijatuhkan di Hiroshima dan Nagasaki dibuat berdasarkan prinsip berikut: dua bagian uranium murni yang tidak sama digabungkan dan menghasilkan ledakan yang mengerikan. Senjata modern mungkin lebih canggih. Namun, kita tidak boleh melupakan massa kritis: antara volume kecil zat radioaktif murni selama penyimpanan harus ada penghalang yang tidak memungkinkan bagian-bagian tersebut terhubung.

Sumber radiasi

Semua unsur dengan muatan inti atom lebih besar dari 82 bersifat radioaktif. Hampir semua unsur kimia yang lebih ringan memiliki isotop radioaktif. Semakin berat inti atom, semakin pendek umurnya. Beberapa unsur (seperti kalifornium) hanya dapat diperoleh secara artifisial - dengan menumbuk atom berat dengan partikel yang lebih ringan, paling sering dengan akselerator. Karena sangat tidak stabil, mereka tidak terdapat di kerak bumi: selama pembentukan planet, mereka dengan cepat terurai menjadi unsur-unsur lain. Zat dengan inti yang lebih ringan, seperti uranium, dapat ditambang. Proses ini memakan waktu lama; bahkan bijih yang sangat kaya mengandung kurang dari satu persen uranium yang cocok untuk ditambang. Jalur ketiga mungkin menunjukkan bahwa era geologi baru telah dimulai. Ini barang rampasan unsur radioaktif dari limbah radioaktif. Setelah bahan bakar diolah di pembangkit listrik, di kapal selam atau di kapal induk, diperoleh campuran uranium asli dan zat akhir hasil fisi. Saat ini, limbah tersebut termasuk limbah radioaktif padat dan pertanyaan mendesaknya adalah bagaimana cara membuangnya agar tidak mencemari lingkungan. Namun, ada kemungkinan bahwa dalam waktu dekat, zat radioaktif pekat siap pakai (misalnya polonium) akan diekstraksi dari limbah ini.

Pada tahun 1939Albert Einsteinmengajukan banding kepada Presiden Roosevelt dengan proposal untuk melakukan segala upaya untuk menguasai energi peluruhan atom sebelum Nazi. Pada saat itu, dia telah beremigrasi dari Italia yang fasisEnrico Fermisudah menangani masalah ini di Universitas Columbia.

(Di ruang akselerator Laboratorium Fisika Partikel Eropa (CERN), pusat terbesar di Eropa. Paradoksnya, struktur raksasa diperlukan untuk mempelajari partikel terkecil.)

Perkenalan

Pada tahun 1854 seorang Jerman Heinrich Geisler. (1814-79) menemukan tabung kaca vakum dengan elektroda, yang disebut tabung Heusler, dan pompa air raksa, yang memungkinkan diperolehnya ruang hampa yang tinggi. Dengan menghubungkan kumparan induksi tegangan tinggi ke elektroda tabung, ia menerima cahaya hijau pada kaca di seberang elektroda negatif. Pada tahun 1876, seorang fisikawan Jerman Evgeniy Goldstein(1850-1931) mengemukakan bahwa pancaran cahaya ini disebabkan oleh sinar yang dipancarkan oleh katoda, dan sinar tersebut disebut sinar katoda.

(Fisikawan Selandia Baru Ernest Rutherford (1871-1937) di Laboratorium Cavendish di Universitas Cambridge, yang dipimpinnya pada tahun 1919.)

elektron

Ilmuwan Inggris William Penjahat(1832-1919) memperbaiki tabung Heusler dan menunjukkan kemungkinan membelokkan sinar katoda Medan gaya. Pada tahun 1897, peneliti Inggris lainnya, Joseph Thomson, mengemukakan bahwa sinar adalah partikel bermuatan negatif dan menentukan massanya, yang ternyata sekitar 2000 kali lebih kecil dari massa atom hidrogen. Dia menyebut partikel-partikel ini elektron, mengambil nama yang disarankan beberapa tahun sebelumnya oleh seorang fisikawan Irlandia George Stoney(1826-1911), yang secara teoritis menghitung besarnya muatan mereka. Ini adalah bagaimana pembagian atom menjadi jelas. Thomson mengusulkan model di mana elektron tersebar di seluruh atom, seperti kismis di dalam cupcake. Dan tak lama kemudian partikel lain yang termasuk dalam atom ditemukan. Pada tahun 1895 ia mulai bekerja di Laboratorium Cavendish Ernest Rutherford(1871-1937), yang bersama Thomson mulai meneliti radioaktivitas uranium dan menemukan dua jenis partikel yang dipancarkan oleh atom unsur ini. Ia menyebut partikel bermuatan dan bermassa elektron sebagai partikel beta, dan partikel lain yang bermuatan positif, bermassa sama dengan massa 4 atom hidrogen, disebut partikel alfa. Selain itu, atom uranium merupakan sumber radiasi elektromagnetik frekuensi tinggi - sinar gamma.

(Otto Hahn dan Lise Meitner. Pada tahun 1945, Gandiinternir oleh Sekutu di Inggris dan hanya di sana dia mengetahui bahwa dia telah dianugerahi Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1944 “atas penemuan fisi inti berat.”)

proton

Pada tahun 1886, Goldstein menemukan radiasi lain yang merambat ke arah yang berlawanan dengan sinar katoda, yang disebutnya sinar katoda. Belakangan terbukti bahwa mereka terdiri dari ion atom. Rutherford mengusulkan untuk menyebut ion hidrogen positif pronada (dari bahasa Yunaniproton- pertama), karena ia mempertimbangkan inti hidrogen bagian yang tidak terpisahkan inti atom semua unsur lainnya. Jadi, pada awal abad ke-20. Keberadaan tiga partikel subatom telah ditetapkan: elektron, proton, dan partikel alfa. DI DALAM1907 Tuan Rutherford menjadi profesor di Universitas Manchester. Di sini, mencoba memahami struktur atom, ia melakukan eksperimennya yang terkenal tentang hamburan partikel alfa. Dengan mempelajari perjalanan partikel-partikel ini melalui lapisan logam tipis, ia sampai pada kesimpulan bahwa di pusat atom terdapat inti padat kecil yang mampu memantulkan partikel alfa. Asisten Rutherford pada saat itu adalah seorang fisikawan muda Denmark.Niels Bohr(1885-1962), yang di1913 g., sesuai dengan teori kuantum yang baru dibuat, mengusulkan model struktur atom yang dikenal sebagaiModel Rutherford-Bohr. Di dalamnya, elektron berputar mengelilingi inti seperti planet mengelilingi Matahari.

( Enrico Fermi (1901-54) menerima Hadiah Nobel pada tahun 1938 atas karyanya tentang iradiasi materi dengan neutron. Pada tahun 1942, ia pertama kali melakukan reaksi berantai peluruhan inti atom yang berkelanjutan.)

Model atom

Dalam model pertama ini, inti atom terdiri dari proton bermuatan positif dan sejumlah elektron yang menetralkan sebagian muatannya; selain itu, elektron tambahan bergerak mengelilingi inti, yang muatan totalnya sama dengan muatan positif inti.Partikel alfa, seperti inti atom helium, seharusnya terdiri dari4 proton dan2 elektron.Ini sudah berakhir10 tahun sebelum model ini direvisi. DI DALAM1930 Tuan Jerman Walter Bothe(1891-1957) mengumumkan penemuan jenis radiasi radioaktif baru yang dihasilkan ketika berilium disinari dengan partikel alfa. orang InggrisJames Chadwick(1891-1974) mengulangi percobaan ini dan sampai pada kesimpulan bahwa radiasi ini terdiri dari partikel yang massanya sama dengan proton, tetapi tanpa muatan listrik. Mereka disebut neutron. Lalu orang JermanWerner Heisenberg(1901-76) mengusulkan model atom yang intinya hanya terdiri dari proton dan neutron.Sekelompok peneliti dengan salah satu akselerator partikel subatom pertama -siklotron(1932). Perangkat ini dirancang untuk mempercepat partikel dan kemudian membombardir target khusus dengan partikel tersebut.

(Sekelompok peneliti dengan salah satu akselerator partikel subatom pertama - siklotron (1932). Perangkat ini dirancang untuk mempercepat partikel dan kemudian membombardir target khusus dengan partikel tersebut.)

Memisahkan atom

Fisikawan di seluruh dunia segera melihat neutron sebagai alat yang ideal untuk mempengaruhi atom - partikel berat dan tidak bermuatan ini dengan mudah menembus inti atom. DI DALAM1934-36 Italia Enrico Fermi(1901-54) menerima bantuan mereka37 isotop radioaktif dari berbagai unsur. Dengan menyerap neutron, inti atom menjadi tidak stabil dan mengeluarkan energi dalam bentuk sinar gamma. Fermi menyinari uranium dengan neutron, berharappramengubahnya menjadi elemen baru - "uranium". Dalam arah kerja yang sama di Berlin, Otto Hahn dari Jerman(1879-1 Sdan seorang AustriaLisa Meitner(1878 - 1968). DI DALAM1938 Nona Meitner, yang melarikan diri dari Nazi, pergi ke Stockholm dan terus bekerja samaFriedrich Strassmann(1902-80). Segera Hahn dan Meitner, melanjutkan percobaan dan membandingkan hasilnya melalui korespondensi, menemukan pembentukan barium radioaktif dalam uranium yang diiradiasi neutron. Meitner menyatakan bahwa saya adalah atom uranium (nomor atom92) balapanterpecah menjadi dua inti: barium (nomor atom suatu unsur dengan nomor43 kemudian dinamaiteknesium). Dengan demikian, kemungkinan pembelahan inti atom ditemukan. Ditemukan juga bahwa ketika inti atom uranium dihancurkan,2-3 neutron, yang masing-masing mampu memulai peluruhan atom uranium, menyebabkan reaksi berantai dengan pelepasan sejumlah besar energi...

Sering dikatakan bahwa ada dua jenis ilmu – ilmu besar dan ilmu kecil. Pemisahan atom - ilmu pengetahuan yang besar. Ia memiliki fasilitas eksperimental yang sangat besar, anggaran yang sangat besar, dan menerima sebagian besar Hadiah Nobel.

Mengapa fisikawan perlu membelah atom? Jawaban sederhananya - untuk memahami cara kerja atom - hanya mengandung sebagian kebenaran, tetapi ada alasan yang lebih umum. Tidak sepenuhnya benar jika berbicara secara harfiah tentang pembelahan atom. nyatanya yang sedang kita bicarakan tentang tumbukan partikel berenergi tinggi. Ketika partikel subatom yang bergerak dengan kecepatan tinggi bertabrakan, lahirlah dunia interaksi dan medan baru. Fragmen materi yang membawa energi yang sangat besar, berhamburan setelah tumbukan, menyembunyikan rahasia alam, yang sejak “penciptaan dunia” tetap terkubur di kedalaman atom.

Instalasi tempat partikel berenergi tinggi bertabrakan - akselerator partikel - sangat mencolok dalam ukuran dan biayanya. Lebarnya mencapai beberapa kilometer, bahkan membuat laboratorium yang mempelajari tumbukan partikel tampak kecil jika dibandingkan. Di daerah lain penelitian ilmiah peralatan tersebut terletak di laboratorium; dalam fisika energi tinggi, laboratorium dipasang pada akselerator. Baru-baru ini, Pusat Penelitian Nuklir Eropa (CERN), yang berlokasi di dekat Jenewa, mengalokasikan beberapa ratus juta dolar untuk membangun akselerator cincin. Lingkar terowongan yang dibangun untuk keperluan tersebut mencapai 27 km. Akselerator, yang disebut LEP (Large Electron-Positron ring), dirancang untuk mengakselerasi elektron dan antipartikelnya (positron) hingga kecepatan yang hanya berbeda “sehelai rambut” dari kecepatan cahaya. Untuk mendapatkan gambaran tentang skala energi, bayangkan bahwa alih-alih elektron, koin satu sen dipercepat hingga kecepatan tersebut. Pada akhir siklus akselerasi, energi yang dimiliki akan cukup untuk menghasilkan listrik senilai $1.000 juta! Tidak mengherankan jika eksperimen semacam itu biasanya diklasifikasikan sebagai fisika “energi tinggi”. Bergerak menuju satu sama lain di dalam cincin, berkas elektron dan positron mengalami tumbukan langsung, di mana elektron dan positron saling memusnahkan, melepaskan energi yang cukup untuk menghasilkan lusinan partikel lainnya.

Apa sajakah partikel-partikel ini? Beberapa di antaranya adalah “bahan penyusun” yang menjadi dasar terbentuknya kita: proton dan neutron yang membentuk inti atom, dan elektron yang mengorbit di sekitar inti atom. Partikel lain biasanya tidak ditemukan dalam materi di sekitar kita: umurnya sangat pendek, dan setelah habis masa berlakunya, partikel tersebut terurai menjadi partikel biasa. Jumlah jenis partikel berumur pendek yang tidak stabil tersebut sungguh menakjubkan: beberapa ratus di antaranya telah diketahui. Seperti halnya bintang, partikel tidak stabil terlalu banyak untuk dapat diidentifikasi namanya. Banyak di antaranya yang hanya ditandai dengan huruf Yunani, dan beberapa hanya ditandai dengan angka.

Penting untuk diingat bahwa semua partikel tidak stabil yang banyak dan beragam ini bukanlah partikel yang tidak stabil secara harfiah komponen proton, neutron atau elektron. Ketika bertabrakan, elektron dan positron berenergi tinggi tidak tersebar menjadi banyak fragmen subatom. Bahkan dalam tumbukan proton berenergi tinggi, yang jelas-jelas terdiri dari benda lain (quark), mereka, sebagai suatu peraturan, tidak terpecah menjadi bagian-bagian penyusunnya seperti biasanya. Apa yang terjadi dalam tumbukan seperti itu lebih baik dilihat sebagai penciptaan langsung partikel-partikel baru dari energi tumbukan.

Sekitar dua puluh tahun yang lalu, fisikawan dibuat bingung oleh jumlah dan variasi partikel subatom baru, yang tampaknya tidak ada habisnya. Tidak mungkin untuk memahaminya Untuk apa begitu banyak partikel. Mungkin partikel elementer seperti penghuni kebun binatang, dengan afiliasi keluarga yang tersirat, tetapi tanpa taksonomi yang jelas. Atau mungkin, seperti diyakini sebagian orang yang optimis, partikel elementer memegang kunci alam semesta? Partikel apa yang diamati oleh fisikawan: pecahan materi yang tidak penting dan acak atau garis besar tatanan yang terlihat samar-samar yang muncul di depan mata kita, yang menunjukkan adanya struktur dunia subnuklir yang kaya dan kompleks? Sekarang tidak ada keraguan mengenai keberadaan struktur seperti itu. Ada tatanan yang dalam dan rasional di dunia mikro, dan kita mulai memahami arti dari semua partikel ini.

Langkah pertama menuju pemahaman dunia mikro diambil sebagai hasil sistematisasi semua partikel yang diketahui, seperti pada abad ke-18. ahli biologi menyusun katalog rinci spesies tumbuhan dan hewan. Karakteristik terpenting partikel subatom meliputi massa, muatan listrik, dan putaran.

Karena massa dan berat saling berkaitan, partikel bermassa tinggi sering disebut “berat”. hubungan Einstein E =mc^ Gambar 2 menunjukkan bahwa massa suatu partikel bergantung pada energinya dan, oleh karena itu, pada kecepatannya. Partikel yang bergerak lebih berat daripada partikel yang diam. Ketika mereka berbicara tentang massa suatu partikel, mereka bersungguh-sungguh massa istirahat, karena massa ini tidak bergantung pada keadaan gerak. Sebuah partikel dengan massa diam nol bergerak dengan kecepatan cahaya. Paling contoh yang jelas partikel dengan massa diam nol - foton. Dipercayai bahwa elektron adalah partikel paling ringan dengan massa diam bukan nol. Proton dan neutron hampir 2.000 kali lebih berat, sedangkan partikel terberat yang dibuat di laboratorium (partikel Z) memiliki massa sekitar 200.000 kali massa elektron.

Muatan listrik suatu partikel bervariasi dalam kisaran yang agak sempit, tetapi, seperti yang telah kita catat, selalu merupakan kelipatan dari satuan dasar muatan. Beberapa partikel, seperti foton dan neutrino, tidak mempunyai muatan listrik. Jika muatan proton bermuatan positif diasumsikan +1, maka muatan elektronnya adalah -1.

Dalam bab. 2 kami memperkenalkan karakteristik partikel lainnya - putaran. Itu juga selalu mengambil nilai yang merupakan kelipatan dari beberapa unit fundamental, yang karena alasan historis dipilih menjadi 1 /2. Jadi, proton, neutron, dan elektron mempunyai spin 1/2, dan putaran foton adalah 1. Partikel dengan putaran 0, 3/2 dan 2 juga diketahui. Partikel fundamental dengan putaran lebih besar dari 2 belum ditemukan, dan para ahli teori percaya bahwa partikel dengan putaran seperti itu tidak ada.

Putaran suatu partikel merupakan karakteristik yang penting, dan bergantung pada nilainya, semua partikel dibagi menjadi dua kelas. Partikel dengan putaran 0, 1 dan 2 disebut “boson” - diambil dari nama fisikawan India Chatyendranath Bose, dan partikel dengan putaran setengah bilangan bulat (yaitu dengan putaran 1/2 atau 3/2 - “fermion” untuk menghormati Enrico Fermi. Milik salah satu dari dua kelas ini mungkin yang paling penting dalam daftar karakteristik sebuah partikel.

Karakteristik penting lainnya dari sebuah partikel adalah masa hidupnya. Sampai saat ini, diyakini bahwa elektron, proton, foton, dan neutrino benar-benar stabil, yaitu memiliki masa hidup yang sangat panjang. Sebuah neutron tetap stabil ketika “terkunci” di dalam inti, namun neutron bebas meluruh dalam waktu sekitar 15 menit. Semua partikel lain yang diketahui sangat tidak stabil, dengan masa hidup berkisar antara beberapa mikrodetik hingga 10-23 detik kecil, tetapi kita tidak boleh lupa bahwa sebuah partikel yang terbang dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya (dan sebagian besar partikel yang lahir dengan akselerator bergerak dengan kecepatan yang persis seperti itu) berhasil terbang sejauh 300 m dalam satu mikrodetik.

Partikel yang tidak stabil mengalami peluruhan, yang merupakan proses kuantum, dan oleh karena itu selalu ada unsur ketidakpastian dalam peluruhan tersebut. Umur suatu partikel tertentu tidak dapat diprediksi sebelumnya. Berdasarkan pertimbangan statistik, hanya rata-rata masa hidup yang dapat diprediksi. Biasanya mereka berbicara tentang waktu paruh sebuah partikel - waktu di mana populasi partikel identik berkurang setengahnya. Percobaan menunjukkan bahwa penurunan ukuran populasi terjadi secara eksponensial (lihat Gambar 6) dan waktu paruhnya adalah 0,693 dari waktu hidup rata-rata.

Fisikawan tidak cukup hanya mengetahui bahwa partikel ini atau itu ada - mereka berusaha memahami apa perannya. Jawaban atas pertanyaan ini bergantung pada sifat-sifat partikel yang tercantum di atas, serta sifat gaya-gaya yang bekerja pada partikel dari luar dan di dalamnya. Pertama-tama, sifat-sifat suatu partikel ditentukan oleh kemampuannya (atau ketidakmampuannya) untuk berpartisipasi dalam interaksi kuat. Partikel yang terlibat dalam interaksi kuat membentuk kelas khusus dan disebut andron. Partikel yang ikut dalam interaksi lemah dan tidak ikut dalam interaksi kuat disebut lepton, yang berarti “paru-paru”. Mari kita lihat sekilas masing-masing keluarga ini.

Lepton

Lepton yang paling terkenal adalah elektron. Seperti semua lepton, ia tampak sebagai objek dasar yang berbentuk titik. Sejauh yang diketahui, elektron tidak memiliki struktur internal, yaitu. tidak terdiri dari partikel lain. Meskipun lepton mungkin bermuatan listrik atau tidak, semuanya memiliki putaran yang sama 1/2, oleh karena itu, mereka diklasifikasikan sebagai fermion.

Lepton terkenal lainnya, namun tidak bermuatan, adalah neutrino. Seperti yang telah disebutkan dalam Bab. 2, neutrino sama sulitnya dengan hantu. Karena neutrino tidak berpartisipasi dalam interaksi kuat atau elektromagnetik, mereka hampir sepenuhnya mengabaikan materi, menembus materi seolah-olah materi tidak ada sama sekali. Daya tembus neutrino yang tinggi telah lama mempersulit konfirmasi keberadaannya secara eksperimental. Hampir tiga dekade setelah prediksi neutrino akhirnya ditemukan di laboratorium. Fisikawan harus menunggu penciptaan reaktor nuklir, di mana sejumlah besar neutrino dipancarkan, dan baru pada saat itulah tabrakan langsung antara satu partikel dengan inti dapat dicatat dan dengan demikian membuktikan bahwa partikel tersebut benar-benar ada. Saat ini dimungkinkan untuk melakukan lebih banyak eksperimen dengan berkas neutrino, yang muncul dari peluruhan partikel dalam akselerator dan memiliki karakteristik yang diperlukan. Sebagian besar neutrino “mengabaikan” target, tetapi dari waktu ke waktu neutrino masih berinteraksi dengan target, sehingga memungkinkan diperolehnya informasi berguna tentang struktur partikel lain dan sifat interaksi lemah. Tentu saja, melakukan eksperimen dengan neutrino, tidak seperti eksperimen dengan partikel subatom lainnya, tidak memerlukan penggunaan perlindungan khusus. Daya tembus neutrino begitu besar sehingga sama sekali tidak berbahaya dan melewati tubuh manusia tanpa menimbulkan bahaya sedikit pun.

Meskipun tidak berwujud, neutrino menempati posisi khusus di antara partikel-partikel lain yang diketahui karena mereka adalah partikel paling melimpah di seluruh alam semesta, melebihi jumlah elektron dan proton sebanyak satu miliar banding satu. Alam semesta pada dasarnya adalah lautan neutrino, dengan inklusi sesekali dalam bentuk atom. Bahkan mungkin saja massa total neutrino melebihi massa total bintang, dan oleh karena itu neutrinolah yang memberikan kontribusi utama terhadap gravitasi kosmik. Menurut sekelompok peneliti Soviet, neutrino memiliki massa diam yang kecil, namun bukan nol (kurang dari sepersepuluh ribu massa elektron); jika ini benar, maka neutrino gravitasi mendominasi alam semesta, yang mungkin menyebabkan keruntuhan alam semesta di masa depan. Jadi, neutrino, yang sekilas merupakan partikel paling “tidak berbahaya” dan tidak berwujud, mampu menyebabkan keruntuhan seluruh Alam Semesta.

Di antara lepton lainnya, muon harus disebutkan, ditemukan pada tahun 1936 dalam produk interaksi sinar kosmik; ternyata itu adalah salah satu partikel subatom tidak stabil pertama yang diketahui. Dalam segala hal kecuali stabilitas, muon menyerupai elektron: ia memiliki muatan dan putaran yang sama, berpartisipasi dalam interaksi yang sama, namun memiliki massa yang lebih besar. Dalam waktu sekitar dua persejuta detik, muon meluruh menjadi satu elektron dan dua neutrino. Muon tersebar luas di alam dan menyumbang sebagian besar radiasi kosmik latar belakang yang terdeteksi di permukaan bumi oleh penghitung Geiger.

Selama bertahun-tahun, elektron dan muon tetap menjadi satu-satunya lepton bermuatan yang diketahui. Kemudian, pada akhir tahun 1970-an, lepton bermuatan ketiga ditemukan, disebut tau lepton. Dengan massa sekitar 3500 massa elektron, tau lepton jelas merupakan “kelas berat” di antara trio lepton bermuatan, tetapi dalam semua hal lainnya ia berperilaku seperti elektron dan muon.

Daftar lepton yang diketahui ini belum habis. Pada tahun 60an ditemukan adanya beberapa jenis neutrino. Neutrino dari satu jenis lahir bersama dengan elektron selama peluruhan neutron, dan neutrino jenis lain lahir selama kelahiran muon. Setiap jenis neutrino ada berpasangan dengan lepton bermuatannya sendiri; oleh karena itu, ada “neutrino elektron” dan “neutrino muon”. Kemungkinan besar, juga harus ada jenis neutrino ketiga - yang menyertai lahirnya tau lepton. Dalam hal ini, jumlah varietas neutrino adalah tiga, dan jumlah lepton adalah enam (Tabel 1). Tentu saja, setiap lepton memiliki antipartikelnya sendiri; jadi jumlah total lepton yang berbeda adalah dua belas.

Tabel 1

Enam lepton berhubungan dengan modifikasi bermuatan dan netral (antipartikel tidak termasuk dalam tabel). Massa dan muatan masing-masing dinyatakan dalam satuan massa dan muatan elektron. Ada bukti bahwa neutrino mungkin memiliki massa yang rendah

Hadron

Berbeda dengan segelintir lepton yang diketahui, terdapat ratusan hadron. Hal ini menunjukkan bahwa hadron bukanlah partikel elementer, namun tersusun dari komponen-komponen yang lebih kecil. Semua hadron berpartisipasi dalam interaksi kuat, lemah, dan gravitasi, tetapi ditemukan dalam dua jenis - bermuatan listrik dan netral. Di antara hadron, yang paling terkenal dan tersebar luas adalah neutron dan proton. Hadron yang tersisa berumur pendek dan meluruh dalam waktu kurang dari sepersejuta detik karena interaksi yang lemah, atau lebih cepat (dalam waktu sekitar 10-23 detik) karena interaksi yang kuat.

Pada tahun 1950-an, fisikawan sangat dibingungkan oleh jumlah dan keragaman hadron. Namun sedikit demi sedikit, partikel diklasifikasikan menurut tiga karakteristik penting: massa, muatan, dan putaran. Lambat laun, tanda-tanda keteraturan mulai terlihat dan gambaran yang jelas mulai terlihat. Ada petunjuk bahwa ada kesimetrian yang tersembunyi di balik kekacauan data. Langkah menentukan dalam mengungkap misteri hadron terjadi pada tahun 1963, ketika Murray Gell-Mann dan George Zweig dari California Institute of Technology mengajukan teori quark.

Beras. 10 Hadron dibangun dari quark. Sebuah proton (atas) terdiri dari dua quark atas dan satu quark d. Pion yang lebih ringan (bawah) adalah meson, terdiri dari satu u quark dan satu d antiquark. Hadron lainnya adalah berbagai macam kombinasi quark.

Ide pokok teori ini sangat sederhana. Semua hadron terbuat dari partikel yang lebih kecil yang disebut quark. Quark dapat terhubung satu sama lain melalui salah satu dari dua cara yang mungkin: baik dalam kembar tiga atau berpasangan quark-antiquark. Partikel yang relatif berat terdiri dari tiga quark - baryon, yang berarti “partikel berat”. Baryon yang paling terkenal adalah neutron dan proton. Pasangan quark-antiquark yang lebih ringan membentuk partikel yang disebut meson -“partikel perantara”. Pemilihan nama ini dijelaskan oleh fakta bahwa meson yang pertama kali ditemukan menempati posisi massa antara elektron dan proton. Untuk memperhitungkan semua hadron yang dikenal pada saat itu, Gell-Mann dan Zweig memperkenalkan tiga jenis (“rasa”) quark yang berbeda, yang mendapat nama yang agak mewah: Dan(dari ke atas- atas), D(dari turun - lebih rendah) dan s (dari aneh- aneh). Dengan memungkinkan kemungkinan berbagai kombinasi rasa, keberadaan hadron dalam jumlah besar dapat dijelaskan. Misalnya, sebuah proton terdiri dari dua Dan- dan satu d-quark (Gbr. 10), dan neutron terdiri dari dua d-quark dan satu u-quark.

Agar teori yang dikemukakan oleh Gell-Mann dan Zweig efektif, perlu diasumsikan bahwa quark membawa muatan listrik pecahan. Dengan kata lain, mereka mempunyai muatan yang nilainya 1/3 atau 2/3 dari unit dasar – muatan elektron. Kombinasi dua dan tiga quark dapat mempunyai muatan total nol atau satu. Semua quark memiliki putaran 1/2. oleh karena itu mereka diklasifikasikan sebagai fermion. Massa quark tidak ditentukan seakurat massa partikel lain, karena energi ikatnya di hadron sebanding dengan massa quark itu sendiri. Namun, diketahui bahwa s-quark lebih berat Dan- dan d-quark.

Di dalam hadron, quark dapat berada dalam keadaan tereksitasi, seperti halnya atom, tetapi dengan energi yang jauh lebih tinggi. Kelebihan energi yang terkandung dalam hadron yang tereksitasi meningkatkan massanya sedemikian rupa sehingga sebelum terciptanya teori quark, fisikawan secara keliru salah mengira hadron yang tereksitasi sebagai partikel yang sama sekali berbeda. Kini telah diketahui bahwa banyak dari hadron yang tampaknya berbeda sebenarnya hanyalah keadaan tereksitasi dari kumpulan quark fundamental yang sama.

Seperti yang telah disebutkan dalam Bab. 5, quark disatukan melalui interaksi yang kuat. Namun mereka juga berpartisipasi dalam interaksi yang lemah. Interaksi yang lemah dapat mengubah rasa quark. Ini adalah bagaimana peluruhan neutron terjadi. Salah satu d-quark dalam neutron berubah menjadi u-quark, dan kelebihan muatan membawa elektron yang lahir pada saat yang bersamaan. Demikian pula, dengan mengubah rasa, interaksi yang lemah menyebabkan pembusukan hadron lainnya.

Keberadaan s-quark diperlukan untuk konstruksi yang disebut partikel "aneh" - hadron berat, yang ditemukan pada awal tahun 50an. Perilaku yang tidak biasa dari partikel-partikel ini, sesuai dengan namanya, adalah bahwa mereka tidak dapat meluruh karena interaksi yang kuat, meskipun partikel tersebut dan produk peluruhannya adalah hadron. Fisikawan bingung mengapa, jika partikel ibu dan anak tersebut termasuk dalam keluarga hadron, gaya yang kuat tidak menyebabkan mereka membusuk. Untuk beberapa alasan, hadron-hadron ini “lebih menyukai” interaksi lemah yang tidak terlalu intens. Mengapa? Teori Quark secara alami memecahkan misteri ini. Interaksi kuat tidak dapat mengubah rasa quark - hanya interaksi lemah yang dapat mengubah rasa quark. Dan tanpa perubahan rasa, disertai transformasi s-quark menjadi Dan- atau d-quark, peluruhan tidak mungkin terjadi.

Di meja Gambar 2 menunjukkan berbagai kemungkinan kombinasi quark dengan tiga rasa dan namanya (biasanya hanya surat Yunani). Banyak keadaan tereksitasi tidak ditampilkan. Fakta bahwa semua hadron yang diketahui dapat diperoleh dari berbagai kombinasi tiga partikel fundamental melambangkan kemenangan utama teori quark. Namun terlepas dari keberhasilan ini, hanya beberapa tahun kemudian bukti fisik langsung keberadaan quark dapat diperoleh.

Bukti ini diperoleh pada tahun 1969 dalam serangkaian eksperimen sejarah yang dilakukan pada akselerator linier besar di Stanford (California, AS) - SLAC. Para peneliti Stanford beralasan sederhana. Jika memang ada quark di dalam proton, maka tumbukan dengan partikel-partikel di dalam proton dapat diamati. Yang diperlukan hanyalah “proyektil” subnuklir yang dapat diarahkan langsung ke kedalaman proton. Tidak ada gunanya menggunakan hadron lain untuk tujuan ini, karena ia memiliki dimensi yang sama dengan proton. Proyektil yang ideal adalah lepton, seperti elektron. Karena elektron tidak ikut serta dalam interaksi kuat, ia tidak akan “terjebak” dalam medium yang dibentuk oleh quark. Pada saat yang sama, elektron dapat merasakan keberadaan quark karena adanya muatan listrik.

Meja 2

Tiga rasa quark, u, d dan s, berhubungan dengan muatan +2/3, -1/3 dan -1/3; mereka bergabung bertiga untuk membentuk delapan baryon yang ditunjukkan pada tabel. Pasangan quark-antiquark membentuk meson. (Beberapa kombinasi, seperti sss, dihilangkan.)

Dalam percobaan Stanford, akselerator sepanjang tiga kilometer pada dasarnya bertindak sebagai “mikroskop” elektron raksasa yang memungkinkan untuk menggambarkan bagian dalam proton. Mikroskop elektron konvensional dapat membedakan detail yang lebih kecil dari sepersejuta sentimeter. Sebaliknya, sebuah proton berukuran beberapa puluh juta kali lebih kecil, dan hanya dapat “diselidiki” oleh elektron yang dipercepat hingga energi 2,1010 eV. Pada saat eksperimen Stanford dilakukan, hanya sedikit fisikawan yang menganut teori quark yang disederhanakan. Kebanyakan ilmuwan memperkirakan elektron akan dibelokkan oleh muatan listrik proton, namun muatan tersebut diasumsikan terdistribusi secara merata di dalam proton. Jika memang demikian, maka sebagian besar hamburan elektron lemah akan terjadi, yaitu. Ketika melewati proton, elektron tidak akan mengalami defleksi yang kuat. Percobaan menunjukkan bahwa pola hamburan sangat berbeda dari yang diharapkan. Semuanya terjadi seolah-olah beberapa elektron terbang ke dalam benda padat kecil dan memantulkannya pada sudut yang paling luar biasa. Sekarang kita tahu bahwa inklusi padat di dalam proton adalah quark.

Pada tahun 1974, versi sederhana dari teori quark, yang pada saat itu telah mendapat pengakuan di kalangan para ahli teori, mendapat pukulan telak. Dalam beberapa hari satu sama lain, dua kelompok fisikawan Amerika - satu di Stanford dipimpin oleh Barton Richter, yang lain di Laboratorium Nasional Brookhaven dipimpin oleh Samuel Ting - secara independen mengumumkan penemuan hadron baru, yang disebut partikel psi. Penemuan hadron baru itu sendiri tidak akan menjadi hal yang penting jika bukan karena satu keadaan: faktanya adalah bahwa dalam skema yang diusulkan oleh teori quark tidak ada ruang untuk satu partikel baru pun. Semua kemungkinan kombinasi quark up, d, dan s serta antiquarknya telah “habis”. Partikel psi terdiri dari apa?

Masalahnya diselesaikan dengan beralih ke ide yang telah beredar selama beberapa waktu: seharusnya ada aroma keempat yang belum pernah diamati oleh siapa pun sebelumnya. Wewangian baru sudah memiliki namanya - pesona (pesona), atau s. Telah dikemukakan bahwa partikel psi adalah meson yang terdiri dari c-quark dan c-antiquark (c), yaitu. cc. Karena antiquark adalah pembawa anti-rasa, pesona partikel psi dinetralkan, dan oleh karena itu konfirmasi eksperimental keberadaan rasa baru (pesona) harus menunggu sampai meson ditemukan, di mana quark pesona dipasangkan dengan anti-quarkamp rasa lainnya. Serangkaian partikel terpesona sekarang telah diketahui. Semuanya sangat berat, sehingga charm quark ternyata lebih berat daripada quark aneh.

Situasi yang dijelaskan di atas terulang pada tahun 1977, ketika apa yang disebut upsilon meson (UPSILON) muncul di tempat kejadian. Kali ini, tanpa ragu-ragu, rasa kelima diperkenalkan, yang disebut b-quark (dari bawah - bawah, dan lebih sering keindahan - keindahan, atau pesona). Upsilon meson adalah pasangan quark-antiquark yang terdiri dari b quark dan karenanya memiliki keindahan tersembunyi; namun, seperti dalam kasus sebelumnya, kombinasi quark yang berbeda pada akhirnya memungkinkan untuk menemukan “keindahan”.

Massa relatif quark dapat dinilai setidaknya dari fakta bahwa meson yang paling ringan, pion, terdiri dari pasangan Dan- dan d-quark dengan barang antik. Meson psi berukuran sekitar 27 kali, dan meson upsilon setidaknya 75 kali lebih berat daripada pion.

Perluasan bertahap dari daftar rasa yang diketahui terjadi bersamaan dengan peningkatan jumlah lepton; jadi pertanyaan yang jelas adalah apakah akan ada akhir. Quark diperkenalkan untuk menyederhanakan deskripsi seluruh variasi hadron, tetapi bahkan sekarang ada perasaan bahwa daftar partikel kembali bertambah terlalu cepat.

Sejak zaman Democritus, gagasan dasar atomisme adalah pengakuan bahwa, dalam skala yang cukup kecil, pasti ada partikel yang benar-benar elementer, yang kombinasinya membentuk materi di sekitar kita. Atomisme menarik karena partikel fundamental yang tidak dapat dibagi (menurut definisinya) harus ada dalam jumlah yang sangat terbatas. Keanekaragaman alam bukan disebabkan oleh banyaknya bagian penyusunnya, melainkan kombinasinya. Ketika ditemukan bahwa terdapat banyak inti atom yang berbeda, hilanglah harapan bahwa apa yang sekarang kita sebut atom berhubungan dengan gagasan Yunani kuno tentang partikel elementer materi. Dan meskipun, menurut tradisi, kita terus berbicara tentang berbagai “elemen” kimia, diketahui bahwa atom sama sekali bukan unsur dasar, tetapi terdiri dari proton, neutron, dan elektron. Dan karena jumlah quark ternyata terlalu besar, timbul godaan untuk berasumsi bahwa mereka juga demikian sistem yang kompleks terdiri dari partikel-partikel yang lebih kecil.

Meskipun ada beberapa ketidakpuasan terhadap skema quark karena alasan ini, sebagian besar fisikawan menganggap quark benar adanya partikel elementer- titik, tidak dapat dibagi dan tidak memiliki struktur internal. Dalam hal ini mereka menyerupai pepton, dan telah lama diasumsikan bahwa pasti ada hubungan mendalam antara dua keluarga yang berbeda namun serupa secara struktural. Dasar pandangan ini muncul dari perbandingan sifat lepton dan quark (Tabel 3). Lepton dapat dikelompokkan berpasangan dengan mengasosiasikan setiap lepton bermuatan dengan neutrino yang sesuai. Quark juga dapat dikelompokkan berpasangan. Meja 3 disusun sedemikian rupa sehingga struktur setiap sel mengulangi struktur yang terletak tepat di depannya. Misalnya, pada sel kedua, muon direpresentasikan sebagai “elektron berat”, sedangkan charm dan quark aneh direpresentasikan sebagai varian berat. Dan- dan d-quark. Dari kotak berikutnya Anda dapat melihat bahwa tau lepton adalah “elektron” yang lebih berat, dan b quark adalah versi berat dari d quark. Untuk analogi yang lengkap, kita memerlukan satu lagi neutrino (tau-leptonium) dan quark rasa keenam, yang telah diberi nama true (kebenaran, t). Pada saat buku ini ditulis, bukti eksperimental keberadaan top quark belum cukup meyakinkan, dan beberapa fisikawan meragukan keberadaan top quark.

Tabel 3

Lepton dan quark secara alami berpasangan. seperti yang ditunjukkan pada tabel. Dunia di sekitar kita terdiri dari empat partikel pertama. Tetapi kelompok berikut, tampaknya, mengulangi kelompok di atas dan, di puncak neutrino, terdiri dari partikel yang sangat tidak stabil.

Bisakah ada yang keempat, kelima, dst. uap yang mengandung partikel yang lebih berat? Jika demikian, akselerator generasi berikutnya kemungkinan besar akan memberikan kesempatan kepada fisikawan untuk mendeteksi partikel tersebut. Namun ada pertimbangan menarik yang diungkapkan, yang berarti tidak ada pasangan lain kecuali ketiga nama tersebut. Pertimbangan ini didasarkan pada jumlah jenis neutrino. Kami akan segera mengetahuinya saat ini dentuman Besar, yang menandai kemunculan Alam Semesta, terjadilah kelahiran neutrino yang intens. Demokrasi semacam ini menjamin setiap jenis partikel mendapat bagian energi yang sama dengan partikel lainnya; oleh karena itu, semakin banyak jenis neutrino, semakin banyak energi yang terkandung dalam lautan pengisian neutrino ruang angkasa. Perhitungan menunjukkan bahwa jika terdapat lebih dari tiga jenis neutrino, maka gravitasi yang diciptakan oleh semuanya akan menimbulkan efek mengganggu yang kuat pada proses nuklir yang terjadi dalam beberapa menit pertama kehidupan Alam Semesta. Akibatnya, dari pertimbangan tidak langsung ini, kesimpulan yang sangat masuk akal adalah bahwa ketiga pasangan ditunjukkan pada tabel. 3, semua quark dan lepton yang ada di alam telah habis.

Menarik untuk dicatat bahwa semua materi biasa di Alam Semesta hanya terdiri dari dua lepton paling ringan (elektron dan elektron neutrino) dan dua kuark paling ringan ( Dan Dan D). Jika semua lepton dan quark lainnya tiba-tiba lenyap, kemungkinan besar hanya sedikit perubahan yang terjadi di dunia sekitar kita.

Mungkin quark dan lepton yang lebih berat berperan sebagai semacam cadangan bagi quark dan lepton yang paling ringan. Semuanya tidak stabil dan cepat terurai menjadi partikel-partikel yang terletak di sel atas. Misalnya, tau lepton dan muon meluruh menjadi elektron, sedangkan partikel aneh, menawan, dan indah meluruh dengan cepat menjadi neutron atau proton (dalam kasus baryon) atau lepton (dalam kasus meson). Timbul pertanyaan: Untuk apa Apakah ada semua partikel generasi kedua dan ketiga ini? Mengapa alam membutuhkannya?