|
|
|
Учебник для 11 класса Естествознание
§ 29. Элементарны ли элементарные частицы?
Физика высоких энергий. Вам хорошо известно, что атомы состоят из положительно заряженного ядра и электронной оболочки. Ядро атома — тоже сложное образование. Оно состоит из протонов, несущих положительный заряд, и нейтронов, не имеющих заряда. А можно ли разложить протон на более мелкие частицы? Если да, то являются ли эти мелкие частицы, в свою очередь, неделимыми? И вновь, как во времена Демокрита, научная мысль, отвечая положительно на этот вопрос, опережала экспериментальные доказательства гипотез и математических расчётов. Эксперимент блестяще подтверждал одни предположения, опровергал другие, давая пищу для новых поисков ответа на вопрос: как устроены известные в настоящее время человеку самые мельчайшие частицы материи? Как связаны между собой вопросы тончайшего устройства наномира с проблемами мегамира — рождения Вселенной? Для чего была построена самая большая в мире и самая дорогая экспериментальная установка — Большой адронный коллайдер? Выслушай то, что скажу я, и ты, несомненно, признаешь,
/Лукреций Кар/ Если вещество нагреть до температуры в несколько миллионов градусов, то от его атомов оторвутся электроны и вещество, как вы уже знаете, перейдёт в новое, четвёртое агрегатное состояние — плазму — ионизованный газ. Однако ядра атомов при этом не разрушатся, так как даже при такой большой энергии преодолеть силы ядерного притяжения не получится. Плазма, полученная таким путём, называется высокотемпературной в отличие от низкотемпературной плазмы, получить которую можно действием электрического поля на вещество. На свойствах низкотемпературной плазмы основана работа плазменных панелей телевизоров, мониторов и некоторых других приборов (рис. 130).
Рис. 130. Шаровидная плазменная лампа, принцип действия которой основанна ионизации заполняющего её газа Деление атомного ядра. протоны, нейтроны. Для того чтобы разделить ядро атома на ещё более мелкие частицы, необходима очень большая энергия, гораздо больше энергии, полученной при нагревании. Учёные предположили: если столкнуть ядро атома с частицей, несущейся с огромной скоростью и, следовательно, обладающей очень высокой энергией, ядро может распасться на составляющие его части. По осколкам можно будет воссоздать первоначальное строение ядра, установить, из каких более мелких частиц оно состоит. В качестве частиц-«снарядов» для бомбардировки атомных ядер решили использовать ионы или заряженные элементарные частицы. Почему заряженные? Потому что в электромагнитном поле им можно придать направленное движение с огромной скоростью. Электрическая составляющая электромагнитного поля разгоняет частицу, придавая ей всё большую скорость и кинетическую энергию, а магнитная направляет частицу по заданной траектории. Установка для проведения подобных экспериментов называется линейным ускорителем элементарных частиц. Первые линейные ускорители были сконструированы в 20-х гг. XX в. (рис. 131).
Рис. 131. Один из разработчиков линейного ускорителя Р. Видероэ у модели прибора в лаборатории-музее В. К. Рентгена (Вюрцбург, Германия) В 1932 г. английский физик Дж. Чедвик (1891—1974), бомбардируя ядра атома бериллия а-частицами (ядрами атома гелия), выбил из них элементарную частицу нейтрон, наличие которого в составе ядра предсказывали за несколько лет до экспериментального доказательства его существования. Таким образом, было доказано, что в состав атомных ядер входят два типа элементарных частиц — протоны и нейтроны. Именно потому, что эти частицы составляют ядро атома, их называют общим термином нуклоны (от лат. nucleus — ядро). Деление протонов и нейтронов. Кварки. Установив, что ядро атома состоит из нуклонов, учёные задались вопросом: быть может, протон и нейтрон тоже представляют собой комбинацию более мелких частиц? Для экспериментального подтверждения этой гипотезы нужно было ещё больше увеличить энергию сталкивающихся элементарных частиц. Как это сделать? Один из вариантов — увеличить длину пробега в линейном ускорителе частицы-«снаряда», чтобы в момент столкновения она обладала достаточным запасом энергии. Любые макроскопические аналогии процессов, происходящих в мире элементарных частиц, не вполне корректны, но позволяют лучше представить себе суть происходящего. Чтобы её понять, вспомним некоторые основные законы механики. Представьте, что яблоко с яблони упало вам на голову. Ничего страшного не произойдёт, а в случае с Ньютоном, если верить историкам, такое падение принесло даже пользу — был открыт закон всемирного тяготения. Но тогда яблоко под действием гравитационных сил двигалось с ускорением свободного падения (9,8 м/с) всего несколько метров, поэтому не успело приобрести значительную кинетическую энергию. А теперь поднимем яблоко массой 200 г на высоту 100 м. Его потенциальная энергия составит:
где m — масса яблока, g — ускорение свободного падения, h — высота. Отпустим яблоко. Оно устремится вниз, набирая всё большую скорость. В момент встречи с землёй, по закону сохранения энергии, потенциальная энергия яблока полностью перейдёт в кинетическую:
Из курса физики основной школы вы знаете, что:
Приравняем выражения для кинетической и потенциальной энергии и найдём скорость движения яблока в момент падения на землю:
Представляете, это практически максимальная скорость движения легкового автомобиля — 160 км/ч. Энергия нашего «снаряда» будет составлять:
Это уже довольно большое значение энергии, достаточное, чтобы проломить крышу того самого автомобиля. Вернёмся к линейному ускорителю. Расчёты показали, что для достижения желаемого результата увеличивать длину разгона элементарных частиц технически невозможно: ускоритель в этом случае должен иметь размеры, равные расстоянию от Москвы до Новосибирска. Решение проблемы оказалось, как всегда, простым и гениальным. Надо обеспечить движение заряженных частиц не по прямой, а по окружности! Тогда разгонять частицы до момента столкновения можно сколь угодно долго. Циклический ускоритель заряженных частиц получил название циклотрон. Эксперименты, проведённые на циклических ускорителях, подтвердили расчёты учёных-физиков: протоны и нейтроны представляют собой сложные частицы, в состав которых входят кварки. Элементарные частицы, состоящие из кварков, называют адронами. Интересный факт: до сих пор остаётся неясным происхождение слова «кварк» и его связь с физикой больших энергий. По одной из версий слово было заимствовано М. Гелл-Манном (1929—1969), предсказавшим в 1964 г. существование кварков, из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где оно обозначает звукоподражание крику чаек (quark). Согласно современным представлениям, любое вещество Вселенной состоит из 12 фундаментальных частиц: 6 лептонов, к которым среди прочих относится знакомый вам электрон, и 6 типов кварков. Все эти частицы обладают массой. Фотоны, бозоны, античастицы. Однако кроме этих «массовых» частиц есть и некие виртуальные, обеспечивающие все известные типы взаимодействия — гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное. Виртуальные частицы — это в большей степени математическое явление, чем физическая реальность, поскольку их до сих пор никто никогда не видел. Однако в разных экспериментах физики могут заметить следы их существования, поскольку оно, увы, весьма недолговечно. Они рождаются только в момент какого-либо взаимодействия, после чего или распадаются, или поглощаются какой-нибудь из фундаментальных частиц. Считается, что они как бы переносят взаимодействие, т. е., контактируя с фундаментальными частицами, изменяют их характеристики, благодаря чему взаимодействие, собственно говоря, и происходит. Так, например, при электромагнитных взаимодействиях, которые изучены лучше всего, электроны постоянно поглощают и испускают виртуальные «безмассовые» частицы — фотоны, в результате чего свойства самих электронов несколько изменяются и они становятся способными на такие «подвиги», как направленное движение (т. е. электрический ток) или «перескок» с одного энергетического уровня на другой (при поглощении или испускании света). Другие частицы, отвечающие за взаимодействие, называют бозонами. За счёт обмена бозонами кварки, например, удерживаются в составе протона. Кроме того, для каждой фундаментальной частицы учёным удалось доказать существование их противоположностей — античастиц. Так, электрон имеет античастицу — позитрон. Масса позитрона близка к нулю, а заряд равен +1. Дальнейшие пути исследования материи. Исследовательский азарт заставлял учёных всё дальше и дальше «разбирать матрёшку» мироздания: вещество — молекула — атом — ядро — нуклон — кварк... (рис. 132).
Рис. 132. Субмолекулярные уровни строения вещества А что дальше? Как спуститься на следующий, более глубинный уровень организации материи? Как вы догадываетесь, для этого необходимо достичь ещё более высоких значений энергии сталкивающихся частиц. Каким образом? Заряженная частица, движущаяся по окружности, обладает импульсом, значение которого прямо пропорционально радиусу окружности и модулю вектора магнитной индукции поля. Чем больше импульс частицы, тем больше её энергия. Скорость света — величина постоянная, заряд для данной частицы тоже. Увеличить импульс можно только за счёт двух переменных величин — индукции магнитного поля и радиуса окружности, по которой движется частица. Увеличение индукции магнитного поля ограничено проводимостью материалов ускорителей, они должны обладать сверхпроводимостью. Уменьшения электрического сопротивления можно достичь путём охлаждения. Итак, первый путь решения задачи — создание сверхпроводящих материалов, желательно работающих при температурах много выше нуля. Второй путь — увеличение радиуса траектории движения частиц. Осуществить это можно только за счёт увеличения размеров ускорителя. Кроме того, учёные предложили ещё один простой и гениальный способ увеличения энергии столкновения: бомбардировать не покоящуюся частицу движущейся, а сталкивать два встречных потока частиц, летящих навстречу друг другу. При такой «лобовой атаке» энергия столкновения удваивается! В 2001 г. в подземном тоннеле на границе Франции и Швейцарии, вблизи Европейского центра ядерных исследований, началось строительство самой грандиозной и дорогостоящей за всю историю человечества экспериментальной установки — Большого адронного коллайдера. Именно о Большом адронном коллайдере пойдёт речь в следующем параграфе. Теперь вы знаете
Теперь вы можете
Выполните задания
Темы для рефератов
|
|
|