Upptäckt av atomkärnan Låt oss titta lite mer i detalj på en av Rutherfords grundläggande upptäckter - upptäckten av atomkärnan och atomens planetmodell. Vi har sett att likningen av en atom till ett planetsystem gjordes i början av 1900-talet. Men den här modellen var svår

Proton-neutronmodell av kärnan Den 28 maj 1932 publicerade den sovjetiske fysikern D. D. Ivanenko en anteckning i Nature där han föreslog att neutronen, tillsammans med protonen, är ett strukturellt element i kärnan. Han påpekade att en sådan hypotes löser problemet med kvävekatastrofen. I

Inside the Core Denna oöverträffade resa för passagerarna på Jules Vernov Core kommer inte att bli så fridfull och välmående som beskrivs i romanen. Tro dock inte att fara hotar dem under resan från jorden till månen. Inte alls! Om de lyckades överleva vid tiden

Till kapitel VIII 6. Tryck inuti en kanonkula För läsare som vill kontrollera beräkningarna som nämns på sidan 65, presenterar vi här dessa enkla beräkningar. För beräkningar kommer vi att behöva använda endast två formler för accelererad rörelse, nämligen: 1) Hastighet v. till slut

4.2. Fysikaliska egenskaper, kärnstruktur Under det senaste decenniet har vår kunskap om kometer och de processer som sker på dem utökats avsevärt. Ett kraftigt ökat intresse för kometer underlättades av förberedelserna och hållandet av det internationella rymden

RUTHERFORD OCH UPPTÄCKTEN AV ATOMKÄRNAN Vad hände med dem som i sin ungdom var bra spelare i rugby, och sedan kom på innan någon annan att atomen kunde sönderfalla? Ernest Rutherford avslutade sin amerikanska "exil" i januari 1907, en tid efter sin död

Henri Becquerel

Forskare trodde en gång att atomer var de minsta partiklarna. Men för hundra år sedan upptäckte de att även atomer kan delas upp i mycket mindre partiklar. Det var tack vare detta som skapandet av atombomben blev möjligt. 1896, en fransk vetenskapsman Henri Becquerel(1852-1908) upptäckte av misstag att vissa atomer är "radioaktiva", det vill säga de sänder ut strålar.

Året därpå den engelska vetenskapsmannen J. J. Thomson(1856-1940) märkte att lysande elektriska strålar faktiskt är elektriskt laddade partiklar, vars storlek är många gånger mindre än en atom. Det har bevisats att dessa partiklar - elektroner - finns i atomer.

Ernest Rutherford

Lite senare, en engelsk vetenskapsman Ernest Rutherford(1871-1937) upptäckte att radioaktivitet inte är något annat än splittring av atomer för att bilda andra atomer. När de sönderfaller avger dessa atomer också strömmar av partiklar som han kallade alfa- och beta-partiklar. 1911 riktade Rutherford strömmar av alfapartiklar mot guldfolie.

De flesta av dem gick rakt igenom det. men några studsade tillbaka. Han insåg att atomer inte var fasta bitar av materia, som man tidigare trott, utan i grunden var ett tomt utrymme, och därför passerade partiklarna vanligtvis genom folien. Men de har små, täta centrala, positivt laddade delar - kärnorna, och det var mot dem som de få partiklarna som studsade tillbaka träffade. 1912 började en dansk vetenskapsman arbeta med Rutherford Niels Bohr(1885-1962). Bohr föreslog. att varje typ av atom har olika antal elektroner, som cirklar på olika avstånd runt kärnan, som planeter i solens omloppsbana. Idag vet vi att elektroner är mer som luddiga energimoln än planeter, men Bohrs idé var i huvudsak korrekt.

Dela atomen 1919 lyckades Rutherford för första gången dela atomer. Han sköt alfapartiklar mot kvävgasen, vilket fick vätekärnorna att separera från kvävekärnorna. Sedan Rutherford kom fram till att alla atomkärnor är byggda av vätekärnor, som han kallade protoner. 1932, en engelsman James Chadwick(1891-1974) upptäckte en annan partikel i kärnan - neutronen. Neutroner har ingen elektrisk laddning, till skillnad från neutroner, som har en positiv laddning som balanserar elektronernas negativa laddning.

italiensk vetenskapsman Enrico Fermi(1901-1954) gav sig i kast med att ta reda på vad som skulle hända om en ström av neutroner riktades mot den största kända atomen - uranatomen. Han trodde att neutroner skulle kombineras med uran och bilda en ännu större atom.

Faktiskt, som den österrikiske fysikern visade Lise Meitner(1878-1968) delas uranatomen i två delar och bildar mindre atomer som barium. Samtidigt frigjordes också ytterligare neutroner. Om dessa neutroner sedan i sin tur delar andra uranatomer kan en "kedjereaktion" av kollisioner och sprickor börja. Forskare insåg att när atomkärnor splittrades i en sådan kedjereaktion frigjordes en enorm mängd energi.

Denna energi räcker för att skapa en otroligt kraftfull bomb. Genom att dra nytta av denna idé skapade en grupp forskare ledda av amerikanen Robert Oppenheimer (1904-1967) den första atombomben. I augusti 1945, under andra världskriget (1939-1945), släpptes amerikanska uranbomber över de japanska städerna Hiroshima och Nagasaki. Detta ledde till fruktansvärda och destruktiva konsekvenser.

Hur denna process upptäcktes och beskrevs. Dess användning som energikälla och kärnvapen.

"Odelbar" atom

Det tjugoförsta århundradet är fullt av uttryck som "atomenergi", "kärnteknik", "radioaktivt avfall". Då och då kommer tidningsrubriker att rapportera om risken för radioaktiv kontaminering av jorden, haven och isen på Antarktis. Men en vanlig människa har ofta inte en bra uppfattning om vad detta vetenskapsområde är och hur det hjälper till Vardagsliv. Det är värt att börja, kanske, med historia. Redan från första frågan som en välmatad och påklädd man ställde var han intresserad av hur världen fungerar. Hur ögat ser, varför örat hör, hur vatten skiljer sig från sten - det är detta som har oroat de vise sedan urminnes tider. Också i forntida Indien och Grekland, föreslog några nyfikna hjärnor att det fanns en minimal partikel (den kallades också "odelbar") som hade egenskaperna hos ett material. Medeltida kemister bekräftade de vises gissning, och den moderna definitionen av en atom är följande: en atom är den minsta partikeln av ett ämne som är bäraren av dess egenskaper.

Delar av en atom

Teknikens utveckling (i synnerhet fotografi) har dock lett till att atomen inte längre anses vara den minsta möjliga partikeln av materia. Och även om en enda atom är elektriskt neutral, insåg forskarna snabbt att den består av två delar med olika laddningar. Antalet positivt laddade delar kompenserar för antalet negativa, så atomen förblir neutral. Men det fanns ingen entydig modell av atomen. Eftersom den klassiska fysiken fortfarande var dominerande vid den tiden gjordes olika antaganden.

Atom modeller

Först föreslogs modellen "russinbulle". Den positiva laddningen verkade fylla hela atomens utrymme, och negativa laddningar var fördelade i den, som russin i en bulle. Den berömda bestämde följande: i mitten av atomen finns ett mycket tungt element med en positiv laddning (kärna), och mycket lättare elektroner finns runt det. Massan av kärnan är hundratals gånger tyngre än summan av alla elektroner (den utgör 99,9 procent av hela atomens massa). Därmed föddes Bohrs planetmodell av atomen. Men några av dess beståndsdelar motsäger klassisk fysik accepterad vid den tiden. Därför togs en ny fram kvantmekanik. Med dess tillkomst började den icke-klassiska vetenskapens period.

Atom och radioaktivitet

Av allt som har sagts ovan blir det tydligt att kärnan är den tunga, positivt laddade delen av atomen, som utgör dess huvuddel. När elektronernas positioner i en atoms omloppsbana studerades väl, var det dags att förstå atomkärnans natur. Den geniala och oväntat upptäckta radioaktiviteten kom till undsättning. Det hjälpte till att avslöja essensen av den tunga centrala delen av atomen, eftersom källan till radioaktivitet är kärnklyvning. Vid sekelskiftet 1800 och 1900-talet kom upptäckterna en efter en. Den teoretiska lösningen av ett problem krävde behovet av att genomföra nya experiment. Resultaten av experimenten gav upphov till teorier och hypoteser som behövde bekräftas eller vederläggas. Ofta uppstod de största upptäckterna helt enkelt för att det var på detta sätt som formeln blev bekväm för beräkningar (som t.ex. Max Plancks kvantum). Redan i början av fotografiets era visste forskarna att uransalter lyser upp ljuskänslig film, men de misstänkte inte att detta fenomen var baserat på kärnklyvning. Därför studerades radioaktivitet för att förstå karaktären av kärnkraftsförfall. Det är uppenbart att strålningen genererades av kvantövergångar, men det var inte helt klart vilka exakt. Curies bröt rent radium och polonium och bearbetade uranmalm nästan för hand för att svara på denna fråga.

Radioaktiv laddning

Rutherford gjorde mycket för att studera atomens struktur och bidrog till studiet av hur klyvningen av atomkärnan sker. Forskaren placerade strålningen från ett radioaktivt element i ett magnetfält och fick ett fantastiskt resultat. Det visade sig att strålning består av tre komponenter: en var neutral och de andra två var positivt och negativt laddade. Studiet av kärnklyvning började med identifieringen av dess komponenter. Det bevisades att kärnan kan dela sig och ge upp en del av sin positiva laddning.

Kärnstruktur

Senare visade det sig att atomkärnan inte bara består av positivt laddade partiklar av protoner, utan också av neutrala partiklar av neutroner. Tillsammans kallas de nukleoner (från engelskan "nucleus", nucleus). Men forskare stötte på ett problem igen: kärnans massa (det vill säga antalet nukleoner) motsvarade inte alltid dess laddning. I väte har kärnan en laddning på +1, och massan kan vara tre, två eller en. Nästa helium i det periodiska systemet har en kärnladdning på +2, medan dess kärna innehåller från 4 till 6 nukleoner. Mer komplexa element kan ha ett mycket större antal olika massor med samma laddning. Dessa variationer av atomer kallas isotoper. Dessutom visade sig vissa isotoper vara ganska stabila, medan andra snabbt sönderföll, eftersom de kännetecknades av kärnklyvning. Till vilken princip motsvarade antalet nukleoner kärnornas stabilitet? Varför ledde tillsättning av bara en neutron till en tung och helt stabil kärna till att den splittrades och radioaktivitet frigjordes? Konstigt nog, svaret på detta viktig fråga fortfarande inte hittat. Det visade sig experimentellt att stabila konfigurationer av atomkärnor motsvarar ett visst antal protoner och neutroner. Om det finns 2, 4, 8, 50 neutroner och/eller protoner i kärnan, kommer kärnan definitivt att vara stabil. Dessa siffror kallas till och med magi (och detta är vad vuxna forskare och kärnfysiker kallade dem). Sålunda beror klyvningen av kärnor på deras massa, det vill säga på antalet nukleoner som ingår i dem.

Droppe, skal, kristall

För närvarande har det inte varit möjligt att fastställa vilken faktor som är ansvarig för kärnans stabilitet. Det finns många teorier om modellen De tre mest kända och utvecklade motsäger ofta varandra i olika frågor. Enligt den första är kärnan en droppe av en speciell kärnvätska. Liksom vatten kännetecknas det av fluiditet, ytspänning, koalescens och sönderfall. I skalmodellen finns det även vissa energinivåer i kärnan som är fyllda med nukleoner. Den tredje hävdar att kärnan är ett medium som är kapabelt att bryta speciella vågor (De Broglie-vågor), och brytningsindexet är dock ingen modell har ännu kunnat beskriva varför, vid en viss kritisk massa av just detta kemiska grundämne. , börjar klyvningen av kärnan.

Hur sker förfall?

Radioaktivitet, som nämnts ovan, upptäcktes i ämnen som kan finnas i naturen: uran, polonium, radium. Till exempel är nybrytet, rent uran radioaktivt. Splittringsprocessen i detta fall kommer att vara spontan. Utan någon yttre påverkan kommer ett visst antal uranatomer att avge alfapartiklar som spontant omvandlas till torium. Det finns en indikator som kallas halveringstid. Den visar under vilken tidsperiod ungefär hälften av delens initiala nummer kommer att finnas kvar. Varje radioaktivt grundämne har sin egen halveringstid - från bråkdelar av en sekund för kalifornium till hundratusentals år för uran och cesium. Men det finns också inducerad radioaktivitet. Om kärnorna i atomer bombarderas med protoner eller alfapartiklar (heliumkärnor) med hög kinetisk energi kan de "delas". Förvandlingsmekanismen skiljer sig naturligtvis från hur din mammas favoritvas går sönder. En viss analogi kan dock spåras.

Kärnenergi

Hittills har vi inte svarat på den praktiska frågan: var kommer energin ifrån vid kärnklyvning? Till att börja med är det nödvändigt att förklara att under bildandet av en kärna finns det speciella kärnkrafter, som kallas den starka interaktionen. Eftersom kärnan består av många positiva protoner kvarstår frågan hur de håller ihop, eftersom elektrostatiska krafter måste stöta bort dem från varandra ganska kraftigt. Svaret är både enkelt och inte: kärnan hålls samman på grund av det mycket snabba utbytet av speciella partiklar mellan nukleoner - pi-mesoner. Denna koppling är otroligt kortlivad. Så snart utbytet av pi-mesoner upphör, sönderfaller kärnan. Det är också säkert känt att kärnans massa är mindre än summan av alla dess ingående nukleoner. Detta fenomen kallas massdefekt. Faktum är att den saknade massan är den energi som förbrukas för att upprätthålla kärnans integritet. Så snart någon del separeras från kärnan i en atom frigörs denna energi och omvandlas till värme i kärnkraftverk. Det vill säga, kärnklyvningens energi är en tydlig demonstration av Einsteins berömda formel. Låt oss komma ihåg att formeln säger: energi och massa kan omvandlas till varandra (E=mc 2).

Teori och praktik

Nu ska vi berätta hur denna rent teoretiska upptäckt används i verkligheten för att generera gigawatt elektricitet. Först bör det noteras att kontrollerade reaktioner använder forcerad kärnklyvning. Oftast är detta uran eller polonium, som bombarderas av snabba neutroner. För det andra kan man inte undgå att förstå att kärnklyvning åtföljs av skapandet av nya neutroner. Som ett resultat kan antalet neutroner i reaktionszonen öka mycket snabbt. Varje neutron kolliderar med nya, fortfarande intakta kärnor och splittrar dem, vilket leder till en ökning av värmeavgivningen. Detta är en kedjereaktion av kärnklyvning. En okontrollerad ökning av antalet neutroner i en reaktor kan leda till en explosion. Det är precis vad som hände 1986 vid kärnkraftverket i Tjernobyl. Därför finns det alltid ett ämne i reaktionszonen som absorberar överskott av neutroner, vilket förhindrar en katastrof. Detta är grafit i form av långa stavar. Kärnklyvningshastigheten kan bromsas ned genom att sänka ner stavarna i reaktionszonen. Ekvationen sammanställs specifikt för varje aktivt radioaktivt ämne och de partiklar som bombarderar det (elektroner, protoner, alfapartiklar). Den slutliga energieffekten beräknas dock enligt bevarandelagen: E1+E2=E3+E4. Det vill säga den totala energin för den ursprungliga kärnan och partikeln (E1 + E2) måste vara lika med energin för den resulterande kärnan och den energi som frigörs i fri form (E3 + E4). Ekvationen för en kärnreaktion visar också vilket ämne som bildas till följd av sönderfallet. Till exempel, för uran U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Isotoper av kemiska grundämnen anges inte här, men detta är viktigt. Till exempel finns det så många som tre möjligheter för klyvning av uran, som producerar olika isotoper av bly och neon. I nästan hundra procent av fallen producerar kärnklyvning radioaktiva isotoper. Det vill säga att sönderfallet av uran producerar radioaktivt torium. Torium kan sönderfalla till protactinium, vilket till actinium, och så vidare. Både vismut och titan kan vara radioaktiva i denna serie. Även väte, som innehåller två protoner i kärnan (normen är en proton), kallas annorlunda - deuterium. Vatten som bildas med sådant väte kallas tungt och fyller primärkretsen i kärnreaktorer.

Ofredlig atom

Uttryck som "kapprustning", "kalla kriget", " kärnvapenhot» kan verka historiskt och irrelevant för en modern person. Men en gång i tiden åtföljdes varje pressmeddelande nästan över hela världen av rapporter om hur många typer av kärnvapen som hade uppfunnits och hur man handskas med dem. Människor byggde underjordiska bunkrar och lagrade förnödenheter i händelse av en kärnvapenvinter. Hela familjer arbetade för att skapa härbärget. Även den fredliga användningen av kärnklyvningsreaktioner kan leda till katastrof. Det verkar som att Tjernobyl lärde mänskligheten att vara försiktig i detta område, men planetens element visade sig vara starkare: jordbävningen i Japan skadade de mycket pålitliga befästningarna av kärnkraftverket i Fukushima. Energin i en kärnreaktion är mycket lättare att använda för destruktion. Teknologer behöver bara begränsa explosionens kraft för att inte oavsiktligt förstöra hela planeten. De mest "humana" bomberna, om man kan kalla dem så, förorenar inte det omgivande området med strålning. I allmänhet använder de oftast en okontrollerad kedjereaktion. Det de strävar efter att till varje pris undvika i kärnkraftverk uppnås i bomber på ett mycket primitivt sätt. För alla naturligt radioaktiva grundämnen finns det en viss kritisk massa av rent ämne där en kedjereaktion börjar spontant. För uran är det till exempel bara femtio kilo. Eftersom uran är väldigt tungt är det bara en liten metallkula 12-15 centimeter i diameter. De första atombomberna, som släpptes över Hiroshima och Nagasaki, gjordes enligt exakt denna princip: två ojämlika delar av rent uran kombinerades helt enkelt och genererade en skrämmande explosion. Moderna vapen är förmodligen mer sofistikerade. Vi bör dock inte glömma den kritiska massan: mellan små volymer av rent radioaktivt ämne under lagring måste det finnas barriärer som inte tillåter delarna att ansluta.

Strålningskällor

Alla grundämnen med en atomär kärnladdning större än 82 är radioaktiva. Nästan alla lättare kemiska grundämnen har radioaktiva isotoper. Ju tyngre kärnan är, desto kortare livslängd. Vissa grundämnen (som californium) kan endast erhållas på konstgjord väg - genom att kollidera tunga atomer med lättare partiklar, oftast i acceleratorer. Eftersom de är mycket instabila finns de inte i jordskorpan: under bildningen av planeten bröts de mycket snabbt ner i andra element. Ämnen med lättare kärnor, som uran, kan brytas. Denna process är lång; även mycket rika malmer innehåller mindre än en procent uran som är lämpligt för gruvdrift. Den tredje vägen indikerar kanske att en ny geologisk era redan har börjat. Det här är byte radioaktiva grundämnen från radioaktivt avfall. Efter att bränslet bearbetats i ett kraftverk, på en ubåt eller på ett hangarfartyg erhålls en blandning av det ursprungliga uranet och det slutliga ämnet, resultatet av fission. För närvarande anses detta vara fast radioaktivt avfall och den angelägna frågan är hur man ska göra sig av med det så att det inte förorenar miljön. Det finns dock en möjlighet att det inom en snar framtid kommer att utvinnas färdiga koncentrerade radioaktiva ämnen (till exempel polonium) från detta avfall.

År 1939Albert Einsteinvädjade till president Roosevelt med ett förslag att göra allt för att bemästra energin av atomärt förfall inför nazisterna. Vid den tiden hade han emigrerat från det fascistiska ItalienEnrico Fermiarbetade redan med detta problem vid Columbia University.

(I acceleratorkammaren i European Particle Physics Laboratory (CERN), det största centret i sitt slag i Europa. Paradoxalt nog behövs gigantiska strukturer för att studera de minsta partiklarna.)

Introduktion

1854 en tysk Heinrich Geisler. (1814-79) uppfann ett vakuumglasrör med elektroder, kallat Heusler-rör, och en kvicksilverpump, som gjorde det möjligt att få ett högt vakuum. Genom att ansluta en högspänningsinduktionsspole till elektroderna på röret fick han ett grönt sken på glaset mitt emot den negativa elektroden. 1876, en tysk fysiker Evgenij Goldstein(1850-1931) föreslog att denna glöd orsakades av strålar som sänds ut av katoden, och kallade dessa strålar för katodstrålar.

(Nya Zeelands fysiker Ernest Rutherford (1871-1937) vid Cavendish Laboratory vid University of Cambridge, som han ledde 1919.)

Elektroner

engelsk vetenskapsman William Crooks(1832-1919) förbättrade Heusler-röret och visade möjligheten att avleda katodstrålar magnetiskt fält. 1897 föreslog en annan engelsk forskare, Joseph Thomson, att strålarna var negativt laddade partiklar och bestämde deras massa, som visade sig vara cirka 2000 gånger mindre än massan av en väteatom. Han kallade dessa partiklar för elektroner och tog ett namn som föreslagits flera år tidigare av en irländsk fysiker George Stoney(1826-1911), som teoretiskt beräknade storleken på deras laddning. Så här blev atomens delbarhet uppenbar. Thomson föreslog en modell där elektroner var inblandade i hela atomen, som russin i en muffin. Och snart upptäcktes andra partiklar som ingår i atomen. 1895 började han arbeta på Cavendish Laboratory Ernest Rutherford(1871-1937), som tillsammans med Thomson började forska om uranets radioaktivitet och upptäckte två typer av partiklar som sänds ut av detta grundämnes atomer. Han kallade partiklar med laddningen och massan av en elektron beta-partiklar, och andra, positivt laddade, med en massa lika med massan av 4 väteatomer, alfapartiklar. Dessutom var uranatomer en källa till högfrekvent elektromagnetisk strålning - gammastrålar.

(Otto Hahn och Lise Meitner. 1945 var Ganinternerades av de allierade i England och först där fick han veta att han hade tilldelats Nobelpriset i kemi för 1944 "för upptäckten av klyvningen av tunga kärnor.")

Protoner

År 1886 upptäckte Goldstein en annan strålning som fortplantade sig i motsatt riktning mot katodstrålarna, som han kallade katodstrålar. Senare bevisades att de består av atomjoner. Rutherford föreslog att den positiva vätejonen skulle kallas proton (från grekiskaproton- först), eftersom han betraktade vätekärnan integrerad del atomkärnor av alla andra grundämnen. Alltså i början av 1900-talet. Existensen av tre subatomära partiklar fastställdes: elektronen, protonen och alfapartikeln. I1907 Rutherford blev professor vid University of Manchester. Här, för att försöka ta reda på atomens struktur, genomförde han sina berömda experiment på spridning av alfapartiklar. Genom att studera dessa partiklars passage genom en tunn metallfolie kom han till slutsatsen att i atomens centrum finns en liten tät kärna som kan reflektera alfapartiklar. Rutherfords assistent vid den tiden var en ung dansk fysiker.Niels Bohr(1885-1962), i vilken1913 t.ex., i enlighet med den nyligen skapade kvantteorin, föreslog en modell av atomens struktur känd somRutherford-Bohr modell. I den kretsade elektroner runt kärnan som planeter runt solen.

( Enrico Fermi (1901-54) fick Nobelpriset 1938 för sitt arbete med neutronbestrålning av materia. 1942 utförde han först en självuppehållande kedjereaktion av atomkärnors förfall.)

Atom modeller

I denna första modell bestod kärnan av positivt laddade protoner och ett antal elektroner som delvis neutraliserade deras laddning; dessutom rörde sig ytterligare elektroner runt kärnan, vars totala laddning var lika med den positiva laddningen av kärnan.Alfa partiklar, liksom heliumatomernas kärnor, borde ha bestått av4 protoner och2 elektroner.Mer än10 år innan denna modell reviderades. I1930 Herr tysken Walter Bothe(1891-1957) meddelade upptäckten av en ny typ av radioaktiv strålning som produceras när beryllium bestrålas med alfapartiklar. engelsmanJames Chadwick(1891-1974) upprepade dessa experiment och kom fram till att denna strålning består av partiklar lika i massa som protoner, men utan elektrisk laddning. De kallades neutroner. Sedan tyskenWerner Heisenberg(1901-76) föreslog en modell av en atom vars kärna endast bestod av protoner och neutroner.En grupp forskare med en av de första subatomära partikelacceleratorerna -cyklotron(1932). Den här enheten är designad för att accelerera partiklar och sedan bombardera speciella mål med dem.

(En grupp forskare med en av de första subatomära partikelacceleratorerna - cyklotronen (1932). Den här enheten är designad för att accelerera partiklar och sedan bombardera speciella mål med dem.)

Dela atomen

Fysiker runt om i världen såg omedelbart i neutroner ett idealiskt verktyg för att påverka atomer - dessa tunga, laddningsfria partiklar penetrerade lätt atomkärnor. I1934-36 Italien Enrico Fermi(1901-54) fått deras hjälp37 radioaktiva isotoper av olika grundämnen. Genom att absorbera en neutron blev atomkärnan instabil och avgav energi i form av gammastrålar. Fermi bestrålade uran med neutroner, hoppaspreförvandla det till ett nytt grundämne - "uran" I samma arbetsriktning i Berlin, tysken Otto Hahn(1879-1 Soch en österrikareLise Meitner(1878 - 1968). I1938 Ms Meitner, på flykt från nazisterna, åkte till Stockholm och fortsatte att arbeta tillsammans medFriedrich Strassmann(1902-80). Snart upptäckte Hahn och Meitner, som fortsatte experimentet och jämförde resultaten genom korrespondens, bildandet av radioaktivt barium i neutronbestrålat uran. Meitner föreslog att jag är en uranatom (atomnummer92) rasdelas i två kärnor: barium (atomnummer för grundämnet med nummer43 senare namngiventeknetium). Därmed upptäcktes möjligheten att splittra atomkärnan. Man fann också att när kärnan i en uranatom förstörs,2-3 neutroner, som var och en i sin tur kan initiera sönderfallet av uranatomer, vilket orsakar en kedjereaktion med frigörande av en enorm mängd energi...

Det sägs ofta att det finns två typer av vetenskaper - stora vetenskaper och små. Atomsplittring - stor vetenskap. Den har gigantiska experimentanläggningar, kolossala budgetar och får lejonparten av Nobelpriset.

Varför behövde fysiker dela atomen? Det enkla svaret – att förstå hur atomen fungerar – innehåller bara en del av sanningen, men det finns ett mer allmänt skäl. Det är inte helt korrekt att tala bokstavligt om atomens splittring. Faktiskt vi pratar om om kollisionen av högenergipartiklar. När subatomära partiklar som rör sig i höga hastigheter kolliderar föds en ny värld av interaktioner och fält. De fragment av materia som bär på enorm anergi, som sprids efter kollisioner, döljer naturens hemligheter, som från "världens skapelse" förblev begravda i atomens djup.

Installationerna där högenergipartiklar kolliderar - partikelacceleratorer - är slående i sin storlek och kostnad. De når flera kilometer tvärs över, vilket gör att även laboratorier som studerar partikelkollisioner verkar små i jämförelse. På andra områden vetenskaplig forskning utrustningen är placerad i laboratoriet i högenergifysik, laboratorier är kopplade till acceleratorn. Nyligen tilldelade European Centre for Nuclear Research (CERN), som ligger nära Genève, flera hundra miljoner dollar för att bygga en ringaccelerator. Omkretsen av den tunnel som byggs för detta ändamål når 27 km. Acceleratorn, som kallas LEP (Large Electron-Positron-ring), är utformad för att accelerera elektroner och deras antipartiklar (positroner) till hastigheter som bara är "en hårsmån" som skiljer sig från ljusets hastighet. För att få en uppfattning om energiskalan, föreställ dig att istället för elektroner accelereras ett öremynt till sådana hastigheter. I slutet av accelerationscykeln skulle den ha tillräckligt med energi för att producera elektricitet till ett värde av 1 000 miljoner dollar! Det är inte förvånande att sådana experiment vanligtvis klassificeras som "högenergi"-fysik. När de rör sig mot varandra inuti ringen upplever strålar av elektroner och positroner frontalkollisioner, där elektronerna och positronerna förintas och frigör energi som är tillräcklig för att producera dussintals andra partiklar.

Vad är dessa partiklar? Några av dem är själva "byggstenarna" som vi är byggda från: protoner och neutroner som utgör atomkärnor och elektroner som kretsar runt kärnorna. Andra partiklar finns vanligtvis inte i materien omkring oss: deras livslängd är extremt kort, och efter att den har gått ut sönderdelas de till vanliga partiklar. Antalet sorter av sådana instabila kortlivade partiklar är fantastiskt: flera hundra av dem är redan kända. Liksom stjärnor är instabila partiklar för många för att kunna identifieras med namn. Många av dem indikeras endast med grekiska bokstäver, och några med bara siffror.

Det är viktigt att komma ihåg att alla dessa många och olika instabila partiklar inte på något sätt är bokstavligen komponenter protoner, neutroner eller elektroner. Vid kollidering sprids inte högenergielektroner och positroner i många subatomära fragment. Även under kollisioner av högenergiprotoner, som uppenbarligen består av andra objekt (kvarkar), är de som regel inte uppdelade i sina beståndsdelar i vanlig mening. Vad som händer i sådana kollisioner ses bättre som den direkta skapandet av nya partiklar från kollisionens energi.

För ungefär tjugo år sedan var fysiker helt förbryllade över antalet och variationen av nya subatomära partiklar, som inte verkade ha något slut. Det var omöjligt att förstå För vad så många partiklar. Kanske är elementarpartiklar som invånarna i en djurpark, med sin implicita familjetillhörighet, men utan någon tydlig taxonomi. Eller kanske, som vissa optimister har trott, elementarpartiklar innehar nyckeln till universum? Vilka är partiklarna som observeras av fysiker: obetydliga och slumpmässiga fragment av materia eller konturerna av en vagt uppfattad ordning som dyker upp framför våra ögon, vilket indikerar existensen av en rik och komplex struktur i den subnukleära världen? Nu råder det ingen tvekan om existensen av en sådan struktur. Det finns en djup och rationell ordning i mikrovärlden, och vi börjar förstå innebörden av alla dessa partiklar.

Det första steget mot att förstå mikrovärlden togs som ett resultat av systematiseringen av alla kända partiklar, precis som på 1700-talet. biologer sammanställde detaljerade kataloger över växt- och djurarter. De viktigaste egenskaperna hos subatomära partiklar inkluderar massa, elektrisk laddning och spinn.

Eftersom massa och vikt är relaterade, kallas partiklar med hög massa ofta "tunga". Einsteins förhållande E =mc^ 2 indikerar att massan av en partikel beror på dess energi och därför på dess hastighet. En rörlig partikel är tyngre än en stationär. När de talar om massan av en partikel menar de det vilomassa, eftersom denna massa inte beror på rörelsetillståndet. En partikel med noll vilomassa rör sig med ljusets hastighet. Mest uppenbart exempel partiklar med noll vilomassa - foton. Man tror att elektronen är den lättaste partikeln med en vilomassa som inte är noll. Protonen och neutronen är nästan 2 000 gånger tyngre, medan den tyngsta partikeln som skapas i laboratoriet (Z-partikeln) är cirka 200 000 gånger elektronens massa.

Den elektriska laddningen av partiklar varierar inom ett ganska snävt område, men, som vi noterade, är det alltid en multipel av den grundläggande laddningsenheten. Vissa partiklar, som fotoner och neutriner, har ingen elektrisk laddning. Om laddningen av en positivt laddad proton anses vara +1, är laddningen för elektronen -1.

I 2 kap. 2 introducerade vi en annan egenskap hos partiklar - spinn. Det tar också alltid värden som är multiplar av någon grundläggande enhet, som av historiska skäl är vald till 1 /2. Således har en proton, neutron och elektron ett spinn 1/2, och fotonens spinn är 1. Partiklar med spinn 0, 3/2 och 2 är också kända. Grundläggande partiklar med spinn större än 2 har inte upptäckts, och teoretiker tror att partiklar med sådana spins inte existerar.

En partikels spinn är en viktig egenskap, och beroende på dess värde delas alla partiklar in i två klasser. Partiklar med spinn 0, 1 och 2 kallas "bosoner" - efter den indiska fysikern Chatyendranath Bose, och partiklar med halvheltalsspinn (dvs med spin 1/2 eller 3/2) - "fermioner" för att hedra Enrico Fermi. Att tillhöra en av dessa två klasser är förmodligen den viktigaste i listan över egenskaper hos en partikel.

En annan viktig egenskap hos en partikel är dess livslängd. Fram till nyligen trodde man att elektroner, protoner, fotoner och neutriner var absolut stabila, d.v.s. har en oändligt lång livslängd. En neutron förblir stabil medan den är "låst" i kärnan, men en fri neutron sönderfaller på cirka 15 minuter. Alla andra kända partiklar är mycket instabila, med livstider som sträcker sig från några mikrosekunder till 10-23 sekunder liten, men vi bör inte glömma att en partikel som flyger med en hastighet nära ljusets hastighet (och de flesta partiklar som föds med acceleratorer rör sig med just sådana hastigheter) lyckas flyga en sträcka på 300 m på en mikrosekund.

Instabila partiklar genomgår sönderfall, vilket är en kvantprocess, och därför finns det alltid ett element av oförutsägbarhet i sönderfallet. Livslängden för en viss partikel kan inte förutsägas i förväg. Baserat på statistiska överväganden kan endast den genomsnittliga livslängden förutsägas. Vanligtvis talar de om halveringstiden för en partikel - den tid under vilken populationen av identiska partiklar reduceras till hälften. Experimentet visar att minskningen i populationsstorlek sker exponentiellt (se fig. 6) och halveringstiden är 0,693 av den genomsnittliga livstiden.

Det räcker inte för fysiker att veta att den eller den partikeln existerar – de strävar efter att förstå vad dess roll är. Svaret på denna fråga beror på egenskaperna hos partiklar som anges ovan, såväl som på karaktären av krafterna som verkar på partikeln från utsidan och inuti den. Först och främst bestäms egenskaperna hos en partikel av dess förmåga (eller oförmåga) att delta i starka interaktioner. Partiklar som deltar i starka interaktioner bildar en speciell klass och kallas androns. Partiklar som deltar i svaga interaktioner och inte deltar i starka interaktioner kallas leptoner, vilket betyder "lungor". Låt oss ta en kort titt på var och en av dessa familjer.

leptoner

Den mest kända av leptonerna är elektronen. Som alla leptoner verkar det vara ett elementärt, punktliknande föremål. Så vitt bekant har elektronen ingen inre struktur, d.v.s. består inte av några andra partiklar. Även om leptoner kan ha en elektrisk laddning eller inte, har de alla samma spinn 1/2, därför klassificeras de som fermioner.

En annan välkänd lepton, men utan laddning, är neutrinon. Som redan nämnts i kap. 2, neutriner är lika svårfångade som spöken. Eftersom neutriner inte deltar i vare sig de starka eller elektromagnetiska interaktionerna, ignorerar de nästan helt materia, tränger igenom den som om den inte fanns där alls. Den höga penetrerande kraften hos neutrinos har länge gjort det mycket svårt att experimentellt bekräfta deras existens. Det var bara nästan tre decennier efter att neutrinerna förutspåddes som de äntligen upptäcktes i laboratoriet. Fysiker fick vänta på skapelsen kärnreaktorer, under vilken ett stort antal neutriner släpps ut, och först då var det möjligt att registrera en frontalkollision av en partikel med en kärna och därigenom bevisa att den verkligen existerar. Idag är det möjligt att utföra mycket fler experiment med neutrinostrålar, som uppstår från sönderfallet av partiklar i en accelerator och har de nödvändiga egenskaperna. De allra flesta neutriner "ignorerar" målet, men då och då interagerar neutriner fortfarande med målet, vilket gör det möjligt att få användbar information om strukturen hos andra partiklar och karaktären av svag interaktion. Att utföra experiment med neutriner, till skillnad från experiment med andra subatomära partiklar, kräver naturligtvis inte användning av särskilt skydd. Den genomträngande kraften hos neutriner är så stor att de är helt ofarliga och passerar genom människokroppen utan att orsaka den minsta skada.

Trots sin immateriella förmåga intar neutriner en särställning bland andra kända partiklar eftersom de är de mest förekommande partiklarna i hela universum, och antalet är fler än elektroner och protoner med en miljard till en. Universum är i huvudsak ett hav av neutriner, med enstaka inneslutningar i form av atomer. Det är till och med möjligt att den totala massan av neutriner överstiger den totala massan av stjärnor, och därför är det neutriner som gör det huvudsakliga bidraget till den kosmiska gravitationen. Enligt en grupp sovjetiska forskare har neutriner en liten, men inte noll, vilomassa (mindre än en tiotusendel av en elektrons massa); om detta är sant, så dominerar gravitationsneutriner universum, vilket i framtiden kan orsaka dess kollaps. Således kan neutriner, vid första anblicken de mest "ofarliga" och okroppsliga partiklarna, orsaka kollaps av hela universum.

Bland andra leptoner bör man nämna myonen, upptäckt 1936 i produkterna av samverkan mellan kosmiska strålar; det visade sig vara en av de första kända instabila subatomära partiklarna. I alla avseenden utom stabilitet, liknar myonen en elektron: den har samma laddning och spinn, deltar i samma interaktioner, men har en större massa. På ungefär två miljondelar av en sekund sönderfaller myonen till en elektron och två neutriner. Myoner är utbredda i naturen och står för en betydande del av den kosmiska bakgrundsstrålningen som detekteras på jordens yta av en geigerräknare.

I många år förblev elektronen och myonen de enda kända laddade leptonerna. Sedan, i slutet av 1970-talet, upptäcktes en tredje laddad lepton, kallad tau lepton. Med en massa på cirka 3500 elektronmassor är tau-leptonen uppenbarligen "tungvikten" i trion av laddade leptoner, men i alla andra avseenden beter den sig som en elektron och en myon.

Denna lista över kända leptoner är inte på något sätt uttömd. På 60-talet upptäcktes att det finns flera typer av neutriner. Neutrinos av en typ föds tillsammans med en elektron under sönderfallet av en neutron, och neutrinos av en annan typ föds under födelsen av en myon. Varje typ av neutrino existerar i par med sin egen laddade lepton; därför finns det en "elektron neutrino" och en "myon neutrino". Med all sannolikhet borde det också finnas en tredje typ av neutrino - som åtföljer tau leptonens födelse. I det här fallet är det totala antalet neutrinosorter tre, och det totala antalet leptoner är sex (tabell 1). Naturligtvis har varje lepton sin egen antipartikel; sålunda är det totala antalet olika leptoner tolv.

bord 1

Sex leptoner motsvarar laddade och neutrala modifikationer (antipartiklar ingår inte i tabellen). Massa och laddning uttrycks i enheter av elektronmassa respektive laddning. Det finns bevis för att neutriner kan ha låg massa

Hadroner

I motsats till den handfull kända leptoner finns det bokstavligen hundratals hadroner. Bara detta tyder på att hadroner inte är elementära partiklar, utan är byggda av mindre komponenter. Alla hadroner deltar i starka, svaga och gravitationella interaktioner, men finns i två varianter - elektriskt laddade och neutrala. Bland hadroner är neutronen och protonen de mest kända och mest spridda. De återstående hadronerna är kortlivade och sönderfaller antingen på mindre än en miljondels sekund på grund av den svaga interaktionen, eller mycket snabbare (i en tid av storleksordningen 10-23 s) - på grund av den starka interaktionen.

På 1950-talet var fysiker extremt förbryllade över antalet och mångfalden av hadroner. Men lite i taget klassificerades partiklar enligt tre viktiga egenskaper: massa, laddning och spinn. Efter hand började tecken på ordning att visa sig och en tydlig bild började växa fram. Det finns antydningar om att det finns symmetrier gömda bakom det uppenbara kaoset i data. Ett avgörande steg i att reda ut mysteriet med hadroner kom 1963, när Murray Gell-Mann och George Zweig från California Institute of Technology föreslog teorin om kvarkar.

Ris. 10 Hadroner är byggda av kvarkar. En proton (överst) består av två upp-kvarkar och en d-kvark. Den lättare pionen (botten) är en meson, bestående av en u-kvark och en d-antikvark. Andra hadroner är alla möjliga kombinationer av kvarkar.

Huvudidén med denna teori är mycket enkel. Alla hadroner är gjorda av mindre partiklar som kallas kvarkar. Kvarkar kan ansluta till varandra på ett av två möjliga sätt: antingen i trillingar eller i kvark-antikvarkpar. Relativt tunga partiklar består av tre kvarkar - baryoner, vilket betyder "tunga partiklar". De mest kända baryonerna är neutronen och protonen. Lättare kvark-antikvarkpar bildar partiklar som kallas mesoner -"mellanliggande partiklar". Valet av detta namn förklaras av det faktum att de första upptäckta mesonerna ockuperade en mellanposition i massa mellan elektroner och protoner. För att ta hänsyn till alla då kända hadroner introducerade Gell-Mann och Zweig tre olika typer ("smaker") av kvarkar, som fick ganska tjusiga namn: Och(från upp-övre), d(från ner - lägre) och s (från konstig- konstigt). Genom att tillåta möjligheten till olika kombinationer av smaker kan förekomsten av ett stort antal hadroner förklaras. Till exempel består en proton av två Och- och en d-kvark (fig. 10), och neutronen består av två d-kvarkar och en u-kvark.

För att teorin som föreslagits av Gell-Mann och Zweig ska vara effektiv är det nödvändigt att anta att kvarkar bär en bråkdel av elektrisk laddning. De har med andra ord en laddning vars värde är antingen 1/3 eller 2/3 av grundenheten - elektronens laddning. En kombination av två och tre kvarkar kan ha en total laddning på noll eller en. Alla kvarkar har spin 1/2. därför klassificeras de som fermioner. Massorna av kvarkar bestäms inte lika noggrant som massorna av andra partiklar, eftersom deras bindningsenergi i en hadron är jämförbar med massorna av kvarkarna själva. Det är dock känt att s-kvarken är tyngre Och- och d-quarks.

Inuti hadroner kan kvarkar vara i exciterade tillstånd, ungefär som en atoms exciterade tillstånd, men med mycket högre energier. Den överskottsenergi som finns i en exciterad hadron ökar dess massa så mycket att före skapandet av kvarkteorin tog fysiker av misstag exciterade hadroner för helt andra partiklar. Det har nu konstaterats att många av de till synes olika hadronerna i själva verket bara är exciterade tillstånd av samma grundläggande uppsättning kvarkar.

Som redan nämnts i kap. 5, kvarkar hålls samman av stark interaktion. Men de deltar också i svaga interaktioner. Den svaga interaktionen kan ändra smaken på en kvarg. Det är så neutronsönderfall uppstår. En av d-kvarkarna i neutronen förvandlas till en u-kvark, och överskottsladdningen bär bort elektronen som föds samtidigt. På samma sätt, genom att ändra smaken, leder den svaga interaktionen till att andra hadroner förfaller.

Förekomsten av s-kvarkar är nödvändig för att bygga så kallade "konstiga" partiklar - tunga hadroner, upptäckta i början av 50-talet. Det ovanliga beteendet hos dessa partiklar, som antydde deras namn, var att de inte kunde sönderfalla på grund av starka interaktioner, även om både de själva och deras sönderfallsprodukter var hadroner. Fysiker har undrat varför, om både moder- och dotterpartiklarna tillhör hadronfamiljen, den starka kraften inte får dem att förfalla. Av någon anledning "föredrar" dessa hadroner den mycket mindre intensiva svaga interaktionen. Varför? Quarkteorin löste naturligtvis detta mysterium. Den starka interaktionen kan inte ändra smaken av kvarkar - bara den svaga interaktionen kan göra detta. Och utan en förändring i smak, åtföljd av omvandlingen av s-quark till Och- eller d-quark, förfall är omöjligt.

I tabell 2 visar de olika möjliga kombinationerna av kvarkar med tre smaker och deras namn (vanligtvis bara grekisk bokstav). Många exciterade tillstånd visas inte. Det faktum att alla kända hadroner kunde erhållas från olika kombinationer av de tre fundamentala partiklarna symboliserade kvarkteorins huvudsakliga triumf. Men trots denna framgång var det bara några år senare möjligt att få direkta fysiska bevis på förekomsten av kvarkar.

Detta bevis erhölls 1969 i en serie historiska experiment som utfördes vid den stora linjäracceleratorn vid Stanford (Kalifornien, USA) - SLAC. Stanford-experimentörerna resonerade enkelt. Om det verkligen finns kvarkar i protonen kan kollisioner med dessa partiklar inuti protonen observeras. Allt som behövs är en subnukleär "projektil" som skulle kunna riktas direkt in i protonens djup. Det är värdelöst att använda en annan hadron för detta ändamål, eftersom den har samma dimensioner som en proton. En idealisk projektil skulle vara en lepton, såsom en elektron. Eftersom elektronen inte deltar i den starka interaktionen kommer den inte att "fastna" i mediet som bildas av kvarkar. Samtidigt kan en elektron känna närvaron av kvarkar på grund av närvaron av en elektrisk laddning.

Tabell 2

De tre smakerna av kvarkar, u, d och s, motsvarar laddningar +2/3, -1/3 och -1/3; de kombineras i tre för att bilda de åtta baryonerna som visas i tabellen. Quark-antikvarkpar bildar mesoner. (Vissa kombinationer, som sss, är utelämnade.)

I Stanford-experimentet fungerade den tre kilometer långa acceleratorn i huvudsak som ett gigantiskt elektronmikroskop som gjorde det möjligt att avbilda insidan av en proton. Ett konventionellt elektronmikroskop kan urskilja detaljer mindre än en miljondels centimeter. En proton, å andra sidan, är flera tiotals miljoner gånger mindre och kan bara "sonderas" av elektroner som accelereras till en energi på 2,1010 eV. Vid tiden för Stanford-experimenten var det få fysiker som höll sig till den förenklade teorin om kvarkar. De flesta forskare förväntade sig att elektronerna skulle avledas av protonernas elektriska laddningar, men laddningen antogs vara jämnt fördelad inom protonen. Om det verkligen vore så skulle främst svag elektronspridning inträffa, d.v.s. När de passerar genom protoner skulle elektroner inte genomgå kraftiga avböjningar. Experimentet visade att spridningsmönstret skiljer sig kraftigt från det förväntade. Allt hände som om några elektroner flög in i små fasta inneslutningar och studsade av dem i de mest otroliga vinklar. Nu vet vi att sådana fasta inneslutningar inuti protoner är kvarkar.

1974 fick den förenklade versionen av teorin om kvarkar, som vid den tiden vunnit erkännande bland teoretiker, ett känsligt slag. Inom några dagar efter varandra tillkännagav två grupper amerikanska fysiker – en vid Stanford ledd av Barton Richter, den andra vid Brookhaven National Laboratory ledd av Samuel Ting – oberoende upptäckten av en ny hadron, som kallades psi-partikeln. I sig självt skulle upptäckten av en ny hadron knappast vara särskilt anmärkningsvärd om inte för en omständighet: faktum är att i det schema som föreslagits av teorin om kvarkar fanns det inget utrymme för en enda ny partikel. Alla möjliga kombinationer av upp-, d- och s-kvarkar och deras antikvarkar har redan "förbrukats". Vad består en psi-partikel av?

Problemet löstes genom att vända sig till en idé som legat i luften ett tag: det borde finnas en fjärde doft som ingen någonsin hade observerat tidigare. Den nya doften hade redan sitt namn - charm (charm), eller s. Det har föreslagits att en psi-partikel är en meson som består av en c-kvark och en c-antikvark (c), d.v.s. cc. Eftersom antikvarkar är bärare av antismak neutraliseras charmen hos psi-partikeln, och därför fick experimentell bekräftelse av existensen av en ny smak (charm) vänta tills mesoner upptäcktes, där charmkvarkar parades med anti-quarkamps. av andra smaker. En hel rad förtrollade partiklar är nu kända. De är alla väldigt tunga, så charmkvarken visar sig vara tyngre än den märkliga kvarken.

Den ovan beskrivna situationen upprepades 1977, då den så kallade upsilonmesonen (UPSILON) dök upp på scenen. Den här gången, utan större tvekan, introducerades en femte smak, kallad b-kvark (nedifrån - botten, och oftare skönhet - skönhet eller charm). Upsilonmesonen är ett kvark-antikvarkpar som består av b-kvarkar och har därför en dold skönhet; men som i det föregående fallet gjorde en annan kombination av kvarkar det möjligt att till slut upptäcka "skönhet".

De relativa massorna av kvarkar kan åtminstone bedömas utifrån det faktum att den lättaste av mesonerna, pionen, består av par Och- och d-kvarkar med antikvarkar. psi meson är cirka 27 gånger, och upsilon meson är minst 75 gånger tyngre än pion.

Den gradvisa expansionen av listan över kända smaker skedde parallellt med ökningen av antalet leptoner; så den uppenbara frågan var om det någonsin skulle bli ett slut. Quarks introducerades för att förenkla beskrivningen av hela sorten hadroner, men redan nu finns det en känsla av att listan över partiklar återigen växer för snabbt.

Sedan Demokrits tid har den grundläggande idén om atomism varit insikten om att det i tillräckligt liten skala måste finnas verkligt elementära partiklar, vars kombinationer utgör materien omkring oss. Atomism är attraktivt eftersom odelbara (per definition) fundamentala partiklar måste existera i ett mycket begränsat antal. Naturens mångfald beror inte på det stora antalet av dess beståndsdelar, utan på deras kombinationer. När man upptäckte att det fanns många olika atomkärnor försvann hoppet om att det vi idag kallar atomer motsvarade de gamla grekernas idé om materiens elementarpartiklar. Och även om vi enligt traditionen fortsätter att prata om olika kemiska "element", är det känt att atomer inte alls är elementära, utan består av protoner, neutroner och elektroner. Och eftersom antalet kvarkar visar sig vara för stort, uppstår frestelsen att anta att de också är komplexa system som består av mindre partiklar.

Även om det finns ett visst missnöje med kvarkschemat av denna anledning, anser de flesta fysiker att kvarkar verkligen är elementarpartiklar- punkt, odelbar och inte besittande inre struktur. I detta avseende liknar de peptoner, och det har länge antagits att det måste finnas ett djupt samband mellan dessa två distinkta men strukturellt lika familjer. Grunden för denna synpunkt härrör från en jämförelse av egenskaperna hos leptoner och kvarkar (tabell 3). Leptoner kan grupperas i par genom att associera varje laddad lepton med en motsvarande neutrino. Quarks kan också grupperas i par. Tabell 3 är sammansatt på ett sådant sätt att strukturen för varje cell upprepar den som är placerad direkt framför den. Till exempel, i den andra cellen representeras myonen som en "tung elektron", och charmen och konstiga kvarkar representeras som tunga varianter Och- och d-quarks. Från nästa ruta kan du se att tauleptonen är en ännu tyngre "elektron", och b-kvarken är en tung version av d-kvarken. För en fullständig analogi behöver vi ytterligare en (tau-leptonium) neutrino och en sjätte smak av kvarkar, som redan har fått namnet sant (sanning, t). När den här boken skrevs var de experimentella bevisen för existensen av toppkvarkar ännu inte tillräckligt övertygande, och vissa fysiker tvivlade på att toppkvarkar överhuvudtaget existerade.

Tabell 3

Leptoner och kvarkar parar sig naturligt. som visas i tabellen. Världen omkring oss består av de fyra första partiklarna. Men följande grupper upprepar tydligen den övre och består, i kronan av neutriner, av extremt instabila partiklar.

Kan det finnas en fjärde, femma osv. ångor som innehåller ännu tyngre partiklar? Om så är fallet kommer nästa generation av acceleratorer sannolikt att ge fysiker möjligheten att upptäcka sådana partiklar. Däremot uttrycks en intressant övervägande, av vilken det följer att det inte finns några andra par förutom de tre namngivna. Detta övervägande är baserat på antalet neutrinotyper. Det får vi snart reda på i nuläget big bang, som markerade uppkomsten av universum, var det en intensiv födelse av neutriner. En sorts demokrati garanterar varje typ av partikel samma andel energi som de andra; därför, ju fler olika typer av neutrinos, desto mer energi finns i havet av neutrinos fyllning Plats. Beräkningar visar att om det fanns fler än tre varianter av neutrinos, skulle gravitationen som skapas av dem alla ha en starkt störande effekt på de kärnprocesser som inträffade under de första minuterna av universums liv. Av dessa indirekta överväganden följer följaktligen en mycket rimlig slutsats att de tre paren som visas i tabellen. 3, alla kvarkar och leptoner som finns i naturen är uttömda.

Det är intressant att notera att all vanlig materia i universum endast består av två lättaste leptoner (elektron och elektronneutrino) och två lättaste kvarkar ( Och Och d). Om alla andra leptoner och kvarkar plötsligt upphörde att existera, så skulle förmodligen väldigt lite förändras i världen omkring oss.

Kanske spelar tyngre kvarkar och leptoner rollen som ett slags backup för de lättaste kvarkarna och leptonerna. Alla är instabila och sönderfaller snabbt till partiklar som finns i den övre cellen. Till exempel sönderfaller tau-leptonen och myonen till elektroner, medan de märkliga, charmade och vackra partiklarna sönderfaller ganska snabbt till antingen neutroner eller protoner (när det gäller baryoner) eller leptoner (när det gäller mesoner). Frågan uppstår: För vad Finns det alla dessa andra och tredje generationens partiklar? Varför behövde naturen dem?