Микромир. 
Атомы и элементарные частицы

Идея о существовании атомов берет свое начало со времен греческих философов, которые еще две с половиной тысячи лет назад заложили основы нашего понимания природы материи, попытавшись упростить картину окружающего нас мира и свести его к ограниченному количеству первичных, мельчайших и неделимых элементов. Анаксагором (500−428 гг до н.э.) было введено понятие бесконечной Вселенной, заполненной множеством частиц — «атомов». Более того, Анаксагор предположил, что небесные тела состоят из таких же веществ, что и Земля.

Свои вклады в развитие атомистического учения внесли Левкипп и Демокрит. Атомистическая теория отвергалась Аристотелем, Платоном и Сократом. Более поздние идеи атомизма развивались Эпикуром (341−270 гг. до н.э.).

Основа учения атомистов заключалась в следующей идее: мир состоит только из двух вещей — неуничтожимых атомов и пустоты. Атомы способны соединяться друг с другом, образуя разные комбинации на причинно-следственной основе.

С развитием современной химии атомистическое учение перестало быть лишь уделом философии, умозрительных заключений и получило научную основу. Так, британский химик Джон Дальтон (1766−1844) экспериментально обнаружил, что атомы имеют различную массу; они могут образовывать друг с другом различные комбинации и соединения. Однако, вплоть до конца XIX в. прямые доказательства существования атомов отсутствовали.

В настоящее время уже ни кто не подвергает сомнению вопрос о существовании атомов. В учебниках дается такое определение атома: «Атом — это частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств». Каждому элементу в таблице Менделеева соответствует свой атом. Атомы могут объединяться в молекулы. Молекула — это наименьшая устойчивая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Если число различных типов атомов в природе ограничено, то разновидностей молекул неограниченно много. Кроме того, некоторые молекулы могут содержать тысячи атомов и, соответственно, во столько же раз большие размеры. Однако даже в этом случаи они настолько малы, что непосредственное их наблюдение очень затруднено. В качестве косвенных доказательств атомного строения вещества можно привести такие явления как диффузия, состоящее во взаимном проникновении через границу раздела атомов одного вещества в пространство между атомами другого вещества; Броуновское движение, состоящее в непрерывном хаотическом движении микроскопических частиц (например, пыльцы растений) под воздействием ударов молекул жидкости. Современное развитие технических средств науки позволяет непосредственно наблюдать некоторые молекулы с помощью электронного микроскопа.

Молекулы, наблюдаемые с помощью электронного микроскопа На первом снимке фотография молекулы гексаметилбензола, полученная с помощью электронного микроскопа. На втором снимке — химическая формула гексаметилбензола.

Если первые исследования в области молекулярной физики позволили получить очень важные результаты, рассматривая молекулы и атомы как упругие шарики, не имеющие внутреннего строения, то исследования в области электричества и оптики однозначно указывали на сложное внутренне строение самих атомов.

К первым доказательствам сложности внутреннего строения атомов можно причислить открытие электрона. Опыты однозначно указывали на то, что в каждом атоме находятся электроны. Каждый тип атома содержит строго определенное количество электронов.

Однако известно было и то, что в целом атом электрически нейтрален, то есть в нем должно содержаться некоторое вещество, имеющее положительный заряд равный суммарному заряду всех электронов атома. Кроме этого, масса электрона ничтожно мала. Поэтому вся масса атома должна содержаться в этом положительном веществе.

На сложность внутреннего строения атомов указывает сложность оптических спектров, излучаемых атомами. Свет в природе могут излучать только атомы, и каждый тип атома излучает строго определенный набор световых волн (как отпечаток пальцев). Чем сложнее атом — тем сложнее его спектр. Следовательно, оптические исследования также указывают на сложное внутреннее строение атомов.

Объяснить внутреннее строение атомов можно только в том случае, если выяснить, как распределено в нем положительное вещество, определяющее массу атома. Ответить на этот вопрос можно получить только экспериментально. К таким экспериментам относятся известные исследования Эрнеста Резерфорда (1909). Для решения поставленной задачи Резерфорд исследовал движение тяжелых положительно заряженных частиц через тонкий стой атомов. В результате электрического отталкивания между положительным веществом атома положительно заряженной частицы, траектория последней должна искривиться. В этом случае говорят, что происходит ее рассеяние. В качестве такой положительно заряженной частицы Резерфорд использовал альфа-частицы, выделяемые радиоактивными элементами. Исследуя закон рассеяния альфа-частиц можно было выяснить, как расположено положительное вещество в атомах.

Проведенные тщательные измерения дали совершенно неожиданный результат. Облучая тонкий лист фольги альфа-частицами, он обнаружил, что большая их часть свободно «прошивает» лист, практически не меняя направления движения. Но в то же время, некоторые частицы могли резко поменять траекторию и даже направляться в обратную сторону. По словам Резерфорда, это было не менее удивительно, чем, если бы Вы выстрелили пушечным ядром в лист бумаги, и оно при этом отскочило бы назад!

Проанализировав вероятность попадания альфа-частицы (которая тоже заряжена положительно) в ядро, Резерфорд рассчитал размер области атома, которой должно быть сосредоточено положительно заряженное вещество. Оказалось, что этот размер в 100 000 раз меньше самого атома, но в нем сосредоточена вся его масса! В силу малости размера положительно заряженное вещество было названо ядром. Остальной объем атома должен быть занят электронами. По аналогии со строением Солнечной системы, Резерфорд предложил модель атома, в которой электроны, подобно планетам вращаются вокруг ядра. Поэтому модель Резерфорда называют также планетарной. В дальнейшем оказалось, что она скорее очень красива, чем правильна. Электроны в атоме не являются частицами, ведут себя как волны… Но это будет потом. Мир устроен чрезвычайно сложно и сложность эта привлекательна в высшей степени!

Если захотеть представить себе степень такого различия размеров атом и ядра, то можно предложить следующий аналог. Известно, что у металла атомы плотно прилегают друг к другу (плотнейшая упаковка), но вся масса атома сосредоточена в ядре. Если условно заменить ядро некоторым шариком радиусом 1 см, то при моделировании металла шарики надо расположить на расстоянии 2 километра (!) один от другого.

Получается, что даже металл мало отличается от вакуума!

Такая, неимоверно малая, частица вещества как ядро сама имеет очень сложное внутреннее строение. На это указывало открытие на рубеже XIX XX веков явления радиоактивности.

Строение ядра оставалось неясным вплоть до 30-х годов XX в. Впоследствии оказалось, что оно состоит из положительно заряженных частиц — протонов, и нейтральных частиц — нейтронов. Принадлежность атома к тому или иному химическому элементу определяется числом протонов в ядре. Разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся количеством нейтронов в ядре, называются изотопами. Изотопы бывают стабильными и радиоактивными. Последние могут распадаться с образованием других изотопов, излучая при этом различные частицы и гамма-кванты.

Разнообразие элементарных частиц не ограничивается только протоном, нейтроном и электроном. В экспериментах с использованием специальных ускорителей элементарных частиц удается получить сотни различных частиц. Большинство из них нестабильно и распадается с образованием протонов, нейтронов и электронов, а также соответствующих античастиц.

Существование античастиц представляет собой свидетельство удивительных качеств симметрии, присущей Вселенной. Античастицы являются своего рода зеркальным отражением частиц; они обладают противоположными зарядом и спином (вращательным моментом). В физических лабораториях удалось получить несколько атомов антивещества — это атомы антигелия, ядро которого состоит из двух антипротонов, двух антинейтронов, а на внешней оболочке вместо электронов находится пара позитронов (антиэлектронов). Атом антигелия практически ничем не отличается от атома обычного гелия. Однако антивещество мгновенно взаимодействует с обычным веществом и выделяет при этом огромное количество энергии в виде тепла и квантов электромагнитного излучения. Можно сказать, что энергия здесь выделяется в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна — E = mc2, где m — масса вещества, а с — скорость света в вакууме. Такой процесс взаимодействия вещества и антивещества получил название аннигиляции; частица реагирует с античастицей, вещество — с антивеществом. Аннигиляция нескольких десятков граммов антивещества потенциально может привести к уничтожению целого города. Способность антивещества к аннигиляции делает невозможным его сколько-нибудь значительное накопление в нашем мире, состоящем из обычного вещества.

До настоящего времени остается загадкой, существуют ли во Вселенной объекты (звезды, галактики), целиком состоящие из антивещества? В самом деле, если мы считаем, что Вселенная симметрична, то Большой взрыв должен был привести к образованию равных количеств вещества и антивещества. Сейчас предпринимаются интенсивные попытки решить этот вопрос, однако достоверных результатов по данной проблеме еще не получено.

Результаты научных исследований последних 20−30 лет свидетельствуют о том, что элементарные частицы, в свою очередь, не столь элементарны, как это казалось вначале, а представляют собой составные объекты, образованные еще более мелкими частицами, получившими название кварков. Кварки должны иметь не встречающийся ни у одной частицы дробный электрический заряд, т. е. меньший заряда электрона — кратный одной его трети. Предполагается, что существует шесть типов кварков, каждый из которых может находиться в трех состояниях, итого — 18. Некоторые физики считают это число слишком большим и хотели бы разложить кварки на еще более элементарные части.

По-видимому, внутри элементарных частиц, между кварками действуют огромные силы — до нескольких тонн-силы 1 тонна-силы соответствует весу тела массой 1 тонна на поверхности Земли. на пару кварков! Эти силы не убывают с расстоянием и возникают благодаря существованию других частиц — глюонов, которыми обмениваются кварки друг с другом по очень сложной пространственно-временной схеме.

Взаимодействие между кварками может быть разорвано только в процессах с чрезвычайно высокой энергией. Отдельные эксперименты по столкновению ускоренных электронов и позитронов (ускоритель PETRA в Гамбурге) показали образование пар кварк-антикварк. Еще одно подтверждение существования кварков основано на наблюдаемом распределении заряда внутри протонов, которые, судя по всему, состоят из «кусков» с электрическими зарядами, равными дробному заряду — заряду кварка.

При создании физических теорий, описывающих поведение и внутреннюю структуру элементарных частиц, исключительное значение имеет масса частиц. Существует так называемая масса покоя, которая не зависит от скорости движения частицы. Однако, если мы будем разгонять частицу, то ее масса будет увеличиваться в соответствии с формулой E = mc2; т. е., чем большую энергию приобретает частица, тем большую массу она будет иметь. Частицу, имеющую массу покоя, невозможно разогнать до скорости света — на это потребовалось бы бесконечно большая энергия, а масса такой частицы должна была бы также стать бесконечно большой. Скорость частиц, имеющих массу покоя, может лишь приближаться к скорости света. Следовательно, если существуют частицы, двигающиеся строго со скоростью света, то они не должны иметь массу покоя.

К числу таких частиц относится фотон и нейтрино. Свойства фотона мы рассмотрим чуть позже. Сейчас лишь заметим, что фотон — это квант электромагнитного излучения. В соответствии с квантовой теорией электромагнитные волны обладают свойствами частиц, и когда физики хотят подчеркнуть это обстоятельство, они применяют термин «фотон» .

Нейтрино рождается вместе с электроном и протоном в процессе распада нейтрона — свободного или в составе атомного ядра радиоактивного изотопа. Это явление (бета-распад) было непонятно вплоть до начала 30-х годов и обладало странной особенностью. Казалось, что здесь нарушается закон сохранения энергии. Суммарная энергия протона и электрона оказывалась меньше, чем энергия исходного нейтрона. Для «спасения» закона сохранения энергии Вольфганг Паули предположил, что вместе с электроном при бета-распаде вылетает еще одна частица — нейтральная и обладающая чрезвычайно высокой проникающей способностью, из-за чего ее не удается наблюдать. Она получила название «нейтрино» .

Только в 70-е годы, с созданием мощных ускорителей, удалось, наконец, обнаружить и изучить свойства этой частицы. Не имея массы покоя и электрического заряда, нейтрино движется со скоростью света, легко преодолевая такие препятствия, как наша планета. И все же, несмотря на очень малую вероятность взаимодействия с веществом, нейтрино можно обнаружить благодаря тому, что количество нейтрино, пролетающих даже через небольшие тела, может быть колоссальным — миллиарды миллиардов частиц в секунду. Для регистрации нейтрино используют особые баки, содержащие несколько тонн специальной жидкости. В течение суток происходит всего несколько событий взаимодействия нейтрино с жидкостью — образуются считанные атомы характерных изотопов, но этого вполне достаточно для ее обнаружения.

Особый интерес представляет регистрация потоков нейтрино от Солнца. Измеряя параметры этого потока, астрофизики пытаются изучать особенности протекания солнечных термоядерных реакций, в ходе которых излучается не только тепловая энергия и электромагнитные волны различных диапазонов, но также и интенсивный поток нейтрино.

Нейтринный детектор Этот поток можно рассчитать теоретически, исходя из того, что нам известно, какое количество тепла выделяется в результате синтеза одного атомного ядра, интенсивность выделения тепла Солнцем; следовательно, можно рассчитать количество единичных актов синтеза, происходящих на Солнце за единицу времени, а отсюда и соответствующее количество образующихся нейтрино. Полученные результаты должны соответствовать их наблюдаемому потоку. атом химический резерфорд И все же, в экспериментах по солнечной нейтринной астрономии, проведенных в различных лабораториях России, США и Японии в 80-х — 90-х гг XX в. удалось зарегистрировать только около одной трети потока нейтрино от ожидаемого. Неясно, с чем это связано. Отдельные ученые допускают, что наши представления о характере солнечных термоядерных реакций, как источника энергии Солнца, неточны. Однако большинство физиков считают возможным превращение испускаемых Солнцем нейтрино за время полета к Земле в другие их виды, которые обнаружить гораздо труднее.