Моделирование в физике элементарных частиц
следование этого явления было проведено Чедвиком в азоте,
аргоне и парафине. Он наблюдал появление очень быстрых частиц – ядер
отдачи. Неужели их могли выбивать из атомов гамма-лучи? Определив скорость
ядер для азота, он высчитал, что сообщить ее могли гамма-лучи с энергией
90Мэв, а для аргона – с энергией уже 150Мэв. Невозможно было предполагать,
что при реакции ([pic]) из ядер бериллия освобождается такое огромное
количество энергии. У Чедвика возникло сомнение в правильности
предположения, что излучение бериллия имеет электромагнитный характер. Для
выяснения таинственного излучения им были поставлены опыты, ставшие теперь
классическими. В своей опытной установке Чедвик применил полониевый
источник ?-частиц, которыми облучал бериллий. Излучение, получающееся при
этом, регистрировалось при помощи ионизационной камеры. Чедвик тщательно
анализировал ход превращений ядер бериллия под действием ?-частиц. Ядро
бериллия с массой 9 единиц и зарядом 4 единицы под влияние удара ?-частицы
превращается в неустойчивое ядро массой 9+4=13 единиц и зарядом 2+4=6
единиц. Из этого ядра моментально выбрасывается неизвестная частица,
обладающая большой проникающей способностью. Чедвик рассчитал массу
неизвестных частиц, измерив скорость протонов которые эти частицы выбивали
из парафина. На пути «бериллиевых» частиц он поместил тонкую пластинку –
мишень, содержащую ядра азота массой 14 единиц, и, измерив скорость
выбиваемых ядер азота, определил, что она почти в 7 раз меньше скорости
протонов. Зная, что протон имеет массу, равную 1 единице, можно составить
уравнение и решив его, определить массу неизвестной частицы:
[pic], откуда Мх=1,16.
Путем многочисленных опытов с разными мишенями Чедвик установил, что это
таинственное излучение – поток тяжелых частиц, по массе близких массе
протона, но лишенных электрического заряда и поэтому обладающих большой
проникающей способностью. Частица с нулевым зарядом получила название
нейтрон и символ n, или 01n, где верхний индекс указывает ее массу, а
нижний – заряд. Многократными опытами и расчетами ученный блестяще доказал
правильность своего предположения. В современном обозначении процесс
рождения нейтронов из бериллия записывают так:
Be((,n)C
или в развернутой форме:
49Be+24He ( 612C +01n
Теперь мы можем расшифровать ход опыта Чедвика так: источник ?-частиц –
полоний, распадаясь, выбрасывал положительно заряженные ядра гелия.
Врываясь в атомы бериллия, они выбивали из их ядер нейтральные частицы, а
сами, сливаясь с ядрами бериллия, создавали ядра углерода. Свободные
нейтральные частицы могли пронизывать толстейшие листы свинца,
странствовали в воздухе. В парафине, в воде, соударяясь с протоном, они
отдавали ему половину своей энергии. Протоны отдачи, вылетавшие из
парафина, под влиянием соударения с нейтроном обладали очень большими
скоростями. Открытие нейтрона позволило построить протонную теорию ядра.
При образовании ядра из нейтронов и протонов оказывается, что масса ядра
всегда меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, связывающихся в
ядро. Разность этих масс называют дефектом массы:
(М=((Мp+(Мn)-Mя
Явление уменьшения массы еще называют «упаковочным эффектом».
Действительно, чем прочнее «упаковано» ядро, чем оно устойчивее, тем больше
дефект массы. В таких ядрах нейтроны и протоны сильнее связаны между собой
и для разрушения такого ядра приходится затрачивать больше энергии.
Энергия, выделяющаяся при образовании ядра, получила название энергии
связи. Величина энергии связи согласно теории А. Эйнштейна эквивалентна
дефекту массы:
(E=(Mc2
Эта формула Эйнштейна вытекает из принципа относительности. Оказывается,
что при любой химической реакции, идущей с выделением энергии, происходит
уменьшение массы веществ, участвующих в реакции, однако эта величина столь
ничтожна, что заметить это уменьшение массы практически невозможно. Так,
например, при сгорании 1 кг бензина выделится около 10500 ккал энергии
(1кал = 4,18(107 эрг). Отсюда по формуле Эйнштейна дефект массы составит:
[pic]
Нет таких чувствительных весов, чтобы заметить столь ничтожное изменение
массы, составляющее около пяти стомиллионных процента веса вещества.
Иначе обстоит дело при ядерных реакциях. В этом случае реагирующие частицы
обладают чрезвычайно малой массой, а количество выделяющейся энергии
огромно. Так, при распаде ядер урана дефект массы составляет около 0,05%,
т.е. при освобождении ядерной энергии в цепной реакции масса уменьшается на
1/2000 долю первоначальной. При реакции синтеза – слияния ядер водорода в
ядро гелия – дефект массы вырастает почти вдвое, он становится равным
0,09%.
Обычно в качестве меры прочности ядра пользуются величиной энергии связи,
приходящейся на 1 нуклон[1]. Для тяжелых ядер E/M=7,5Мэв, а у промежуточных
ядер несколько больше – 8,6Мэв. В этом разгадка большой устойчивости ядер
промежуточных элементов.
Полная энергия связи для ядра дейтрона равна примерно 2,2Мэв, а для ядра
урана 1780Мэв. Энергия должна выделятся и при делении тяжелых ядер, и при
слиянии легких ядер – например, при синтезе двух ядер дейтерия в ядра гелия
выделяется энергия порядка 24Мэв.
Из опытов установлено, что ядерные силы являются короткодействующими, т.е.
действуют на очень малых расстояниях, их радиус действия порядка 10-15-10-
14м. Таким образом, радиус действия ядерных сил в 10 тыс. раз меньше
радиуса атома (10-10м). Ядерные силы, действующие между нуклонами в ядре,
проявляют зарядовую независимость. Другими словами, ядерное взаимодействие
не зависит от заряда ядерных частиц, т.е. ядерное взаимодействие одинаково
как для пары одноименно заряженных протонов, так и для пары нейтронов или
пары протон-нейтрон.
Экспериментально установлено также на очень малых расстояниях сильное
отталкивание между нуклонами. Чем же можно объяснить ту необычайно крепкую
связь, которая существует внутри ядра? В тридцатых годах XX века, когда
складывалась теория ядра, физики знали только два сорта сил: силы тяготения
и силы электромагнитные. Ни одной из этих сил нельзя было объяснить связь
частиц в ядре порядка 7(106эв, а энергия связи электрона в оболочке атома
около 10эв, отсюда сразу видно, как велики ядерные силы по сравнению с
силами, например, удерживающими электроны в атоме. Вокруг любого
электрического заряда существует электрическое поле. Оно существует
независимо от того, есть ли вокруг него другие заряды или нет. О наличии
этого поля можно судить по тому действию, какое оно оказывает на внесенный
в него другой заряд.
В масштабах микромира электромагнитное излучение не непрерывно. Излучение
происходит определенными порциями энергии – квантами. «Выражение заряд
создает поле» здесь наполняется иным содержание: заряд испускает кванты
поля. Взаимодействие между зарядами состоит в поглощении одним зарядом
квантов излучения испускаемых другим зарядом, заряды как бы обмениваются
квантами поля. Итак, взаимодействие происходит путем обмена квантами поля.
Советский ученый, лауреат Нобелевской премии И.Е. Тамм в 1934г попытался
объяснить ядерные силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре при помощи
обмена частицами. Однако им же было показано, что ни одна из известных
тогда частиц – электрон, позитрон, нейтрино – не могут объяснить
количественно ядерные взаимодействия, так как дают силы порядка 1010 раз
меньше, чем наблюдаемые в действительности.
Вслед за Таммом в 1935г японский физик Хидеки Юкава предложил новую
гипотезу, объясняющую, как происходят ядерные взаимодействия. Юкава
попытался определить, какими должны быть гипотетические частицы, чтобы с их
помощью осуществлялось ядерное взаимодействие. Оказалось, что требование
малого радиуса действия ядерных сил приводит к обменным частицам с массой,
превышающей массу электрона примерно в 200-300 раз. Эти частицы были
названы мезонами.
Усилия многих ученых были направлены на то, чтобы обнаружить частицы,
предсказанные Хидеки Юкава. В тридцатых годах, когда физики еще не имели в
своем распоряжении мощных ускорителей, единственным источником частиц
высокой энергии служили космические лучи.
В 1937г мезоны были обнаружены экспериментально К. Андерсоном и Недермеером
в космических лучах. Но и эти частицы в 207 э.м. (электронных масс),
назвали мю-мезонами ((-мезоны), или мюонами, не могли рассматриваться как
кванты ядерного поля.
Недостающее звено связи частиц в ядре было обнаружено лишь в 1947г С.
Поуэллом. В верхних слоях атмосферы, где космические лучи встречаются с
ядрами ионизированных газов, от соударений рождаются короткоживущие частицы
с массой, превышающей электронную в 273 раза. Эти частицы, названные пи-
мезонами ((-мезоны), или пионами, существуют около двух стомиллионных долей
секунды, а затем распадаются на (-мезоны и нейтрино:
Рис 2
(+ ( (+ + (
(- ( (- + (
(0 ( ( + (
Земли достигают лишь продукты их распада (-мезоны, которые и были
обнаружены ранее. Время жизни (0-мезонов еще меньше, около 1,9(10-16с.
Как же (--мезоны осуществляют связь нуклонов в ядре
| |  скачать работу |
Моделирование в физике элементарных частиц |
