Учебник для 10 класса

Естествознание

§ 25. Фундаментальные взаимодеиствия в микромире

Отыщи всему начало,
и ты многое поймешь.
Козьма Прутков

Что такое сильное взаимодействие и каковы его свойства? Что такое слабое взаимодействие и каковы его свойства? Какую роль играют фундаментальные взаимодействия в существовании жизни?

Урок-лекция

Поиск новых миров — предмет не только научного, но и художественного способа познания. Мы не можем увидеть микромир, но возможно ли его так представить?

Мориц Эшер. Другой мир II

АТОМНОЕ ЯДРО И СИЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. Как вы знаете, начало исследованию атомного ядра положило открытие Антуаном Беккерелем в 1896 г. радиоактивности урановой руды.

Как выяснилось позднее, β-излучение представляет собой поток электронов, γ-излучение — поток фотонов очень короткой длины волны, а α-излучение — поток ядер атома гелия. Именно а-излучение дало в руки экспериментаторов мощное орудие исследования атомных ядер. Разгоняя α-частицы электрическим полем до высоких энергий и бомбардируя ими атомные ядра, физики стимулировали ядерные реакции, дававшие ключ к изучению процессов, происходящих в ядре.

При помощи этого метода были открыты новые нейтральные частицы с массой, примерно равной массе протона. После этого Дмитрий Дмитриевич Иваненко и Вернер Гейзенберг предложили протон-нейтронную модель ядра. В соответствии с этой моделью ядро состоит из двух типов частиц: протонов и нейтронов. Массы этих частиц приблизительно равны, но, в отличие от положительно заряженного протона, нейтрон — частица, не имеющая заряда. Позднее обе эти частицы стали называть нуклонами.

Что же удерживает нуклоны в ядре и не дает им разлететься? При таких малых расстояниях между протонами электрические силы, расталкивающие их, оказываются огромными. Что касается гравитационных сил, то простейшие оценки показывают, что для микрочастиц они настолько малы, что их можно не учитывать. В результате возникла гипотеза о существовании нового фундаментального взаимодействия, которое назвали сильным взаимодействием. Поскольку это взаимодействие проявляется только внутри ядра, оно должно быть короткодействующим, т. е., будучи значительным при расстояниях порядка размера ядра, быстро убывать при увеличении этого расстояния. Именно сильное взаимодействие определяет течение всех ядерных реакций.

Важной характеристикой сильного взаимодействия является то, что оно действует не между любыми частицами. Например, на электрон это взаимодействие не оказывает влияния. Частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии, впоследствии стали называть адронами, а частицы, не участвующие в сильном взаимодействии, — лептонами.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в атомном ядре. Это короткодействующее взаимодействие проявляется лишь на малых расстояниях, порядка 10^-13 см. Энергия этих взаимодействий выделяется, в частности, при протекании ядерных реакций.

НЕЙТРОН, НЕЙТРИНО И СЛАБЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. Дальнейшие исследования показали, что нейтроны, живущие в ядре сколь угодно долго, без ядра могут жить очень непродолжительное время, приблизительно 1000 с. Затем нейтрон распадается, и в качестве продуктов распада наблюдают протон и электрон. Именно это превращение и ответственно за β-распад ядер: вначале нейтрон в ядре превращается в протон и электрон, а затем электрон вылетает из ядра.

Распад нейтрона оказался очень полезным для развития науки о микромире. Расчеты показали, что при распаде нейтрона на протон и электрон не выполняется закон сохранения энергии, энергия после реакции оказывалась меньше энергии до реакции. Этот вывод можно сделать, определяя массу нейтрона и продуктов распада и применяя выведенное соотношение. связывающее массу частиц и энергию: Е = mс².

Ученые настолько доверяли закону сохранения энергии, что физик Вольфганг Паули в 1931 г. высказал гипотезу о том, что в процессе распада нейтрона возникает еще одна, не регистрируемая приборами частица, которая и уносит часть энергии. Эту частицу назвали нейтрино Прямое опытное подтверждение существования нейтрино было получено лишь в 1957 г.

Но с каким взаимодействием связана внутренняя энергия, выделяющаяся при распаде нейтрона? Ядерные реакции, подобно химическим реакциям, обладают свойством обратимости. В обратной реакции протон, электрон и нейтрино должны взаимодействовать между собой. Но, как уже говорилось, электрон не участвует в сильном взаимодействии. Нейтрино же не участвует в электромагнитном взаимодействии. Из этих соображений возникла гипотеза о существовании еще одного фундаментального взаимодействия. Поскольку энергия, высвобождающаяся при распаде нейтрона, существенно меньше, чем энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях с участием сильного взаимодействия, новое взаимодействие назвали слабым взаимодействием. Слабое взаимодействие настолько же универсально, как и гравитационное, в нем участвуют все частицы. Как и сильное взаимодействие, оно короткодействующее, т. е. практически исчезающее на расстояниях, больших 10^-16 см. При тех расстояниях, на которых выполняет свою работу сильное взаимодействие внутри ядра, слабое взаимодействие очень мало. Однако при уменьшении расстояния между частицами слабое и сильное взаимодействия сближаются по величине.

Слабое взаимодействие — универсальное взаимодействие между любыми частицами Это короткодействующее взаимодействие, проявляющееся на расстояниях, меньших 10^-16 см. Оно ответственно за превращение одних микрочастиц в другие.

ЗАЧЕМ НАМ ЭТО НУЖНО. Может показаться, что микромир — это что-то абстрактное и не связанное с нами. Ну что изменится в нашей жизни, если какое-либо из взаимодействий исчезнет? Попытаемся разобраться, зачем нам нужно каждое из четырех фундаментальных взаимодействий.

О роли гравитационного взаимодействия вы, без сомнения, можете рассказать сами. Именно это взаимодействие удерживает нас на поверхности Земли, а саму Землю — на орбите вокруг Солнца. Если бы оно исчезло, мы улетели бы в безжизненные просторы космоса.

Электромагнитное взаимодействие — это не только электричество и электроника, без чего невозможна жизнь современной цивилизации. Это взаимодействие было так же необходимо пещерному человеку, как и нам с вами. Именно электромагнитное взаимодействие связывает электроны и ядра в атомах, молекулах и кристаллах. Именно оно ответственно за все химические реакции, в том числе и за реакции, протекающие в живых организмах. Исчезнет оно — исчезнет жизнь.

О роли сильного взаимодействия вы должны знать из курса физики. Именно оно является источником энергии Солнца и других звезд. Однако это еще не все. Не будь сильного взаимодействия, из всех ядер атомов остались бы только самые простейшие — ядра атома водорода, т. е. протоны. Жизнь на основе только атомов и молекул водорода, конечно, невозможна. Исчезни сильное взаимодействие, и мы превратимся в молекулярный водород.

Роль слабого взаимодействия объяснить несколько сложнее. Как уже говорилось, жизнь всем земным организмам дает энергия Солнца, которая выделяется при ядерных реакциях в недрах Солнца. В этих реакциях при слиянии легких ядер образуются тяжелые ядра. Самая первая из цепочки таких реакций — это реакция превращения протона в нейтрон, позитрон (античастицу электрона) и нейтрино, происходящая при столкновении двух протонов. За эту реакцию как раз и отвечает слабое взаимодействие. Не будь этой реакции, горение звезд просто прекратилось бы.

Сведения об этих взаимодействиях мы представим в виде таблицы.

Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий необходимо для существования жизни.

• Какие опытные данные привели к гипотезе о существовании сильных взаимодействий?
• Какие опытные данные привели к гипотезе о существовании слабых взаимодействий?
• Почему сильные и слабые взаимодействия не проявляются в макромире и мегамире?