О частицах, излучении и Вселенной: Страница 2

Оглавление статей
О частицах, излучении и Вселенной
Страница 2
Страница 3
Страница 4

Страница 2 из 4

 

 

 

Все элементы имеют ядра, состоящие из протонов и нейтронов и Окруженные электронными оболочками. Элементы отличаются друг от друга числом протонов в ядрах. Так, водород состоит только из одного протона. Соответственно каждый атом, содержащий один-единственный протон, является атомом водорода. Если ядро содержит « себе два протона, элемент должен быть гелием. Если имеются четыре протона, элемент должен быть бериллием. А если в ядре оказываются восемь протонов, элемент’ является кислородом. При данном числе протонов количество нейтронов может быть различным. Так, единственный протон в ядре означает атом водорода. Если наряду с протоном присутствует нейтрон, атом еще остается атомом водорода, однако это уже тяжелый водород, или дейтерий, так как его масса возросла на 100%. Если ядро содержит один протон и два нейтрона, то на лицо опять все свойства водорода, но это уже  сверхтяжелый водород,  или тритий.  Эти разные формы водорода называются его изотопами.

Нейтрон — нейтральная частица, частица без электрического заряда. Каковы его физические свойства? Оказывается, протон и электрон, объединяясь, приводят к рождению нейтрона.

Итак, уже в 1932 г. мы могли говорить, о трех фундаментальных частицах,  из которых состоит вещество.  Однако это было только, начало, так как в том же году была открыта еще одна частица —

положительный электрон, или позитрон,— которая была предсказана ранее. Позитрон обладал той же массой, что и электрон, но имел противоположный но знаку электрический заряд: он был заряжен положительно. Теперь уже стали известны четыре фундаментальные частицы.

Существует, однако, еще одна частица, о которой мы должны сказать,— это фотон, или квант света. Свет, обладая свойствами частицы с нулевой массой покоя, распространяется со скоростью почти 300 000 км/с. Он проявляет и волновые свойства. Артур С. Эддингтон предпочитал рассматривать свет как «волну-частицу», для описания которой пригодна и волновая, и корпускулярная теории. Единственно, что хотелось бы сейчас подчеркнуть, это то, что фотоны обладают непрерывным энергетическим спектром. Если фотоны имеют экстремально высокую энергию, мы называем их гамма-лучами. По мере уменьшения их энергии мы переходим последовательно к рентгеновским лучам, ультрафиолетовому излучению, видимому свету и наконец к инфракрасной части электромагнитного спектра. Все это фотоны, и они распространяются со скоростью света.

Изучая радиоактивный распад, ученые открыли, что ядро атома испускает электроны, или бета-частицы. Это говорило о том, что ядро может рождать и испускать электроны. Ученые также обнаружили, что после излучения ядром бета-частицы его свойства меняются. Нейтрон, испуская электрон, превращается в протон, и элемент изменяет свои свойства, так как число протонов в ядре увеличивается на единицу. Атомы могут участвовать и в реакциях другого типа, в которых к ядрам присоединяются нейтроны. С добавлением нейтронов элемент остается тем же (ибо число протонов сохраняется), но благодаря добавочным нейтронам атом становится более массивным. В таких реакциях рождается новый изотоп данного элемента.

Рассмотрим превращение нейтрона в протон в ядре за счет испускания электрона. Длительное время эта реакция не вызывала никаких сомнений; казалось, что физические законы здесь выполняются. Но только казалось. В действительности баланс энергии нарушался. Когда в дальнейшем были проведены более точные эксперименты и их результаты тщательно проанализированы, обнаружилось, что скорости испускаемых электронов в ряде случаев слишком малы. Этот факт указывал на то, что часть энергии где-то теряется. В 1930 г. Вольфганг Паули предположил, что, возможно, одновременно с испусканием электрона излучается совершенно новая, необычного типа частица. Энрико Ферми развил эту идею и назвал частицу «нейтрино», что по-итальянски означает «нейтрон-чик». На самом деле испускание электрона сопровождается излучением антинейтрино; понятие «анти» мы обсудим более детально позднее. Доли энергии, которые приходятся на нейтрино и электрон, могут быть распределены в самых различных пропорциях, и, следовательно, закон сохранения энергии выполняется. Было также обнаружено, что на электрон как бы приходится вся имеющаяся масса, а нейтрино  не  получает ничего. Это  означало, что масса нейтрино равняется нулю, но, двигаясь всегда со скоростью света, нейтрино обладает энергией. Нейтрино, таким образом, является частицей с нулевой массой покоя, но имеет значительную энергию, двигаясь со скоростью около 300 000 км/с. По существу, нейтрино можно было бы назвать частицами-призраками, таинственными духами. Мы не можем их увидеть, они с трудом обнаруживаются в экспериментах, но мы знаем, что они существуют.

Естественно возникает вопрос: чем же нейтрино отличаются от фотонов, которые также имеют нулевую массу покоя и распространяются со скоростью света ? Оказывается, они различаются спинами  — фотон  имеет  в  два  раза  больший  спин,   чем  нейтрино.

Дальше, когда мы углубимся в изучение парадоксов Вселенной, мы обнаружим, что нейтрино играет там огромную роль. Испуская нейтрино, звезды могут терять значительную часть энергии из глубины своих недр. По этой причине не лишне обсудить свойства нейтрино подробнее. Взаимодействие нейтрино с веществом — событие крайне редкое. Чтобы оценить его вероятность, заметим, что очень энергичный фотон проникает в кусок свинца лишь на несколько сантиметров; не пройдет и одной десятимиллиардной доли секунды, как фотон уже провзаимодействует со свинцом. Нейтрино такой же энергии будет путешествовать около 50 лет, прежде чем вступит во взаимодействие. Для того чтобы остановить нейтрино, потребуется свинцовый экран толщиной больше, чем расстояние от Земли до звезды Арктур. Благодаря редкому взаимодействию нейтрино весьма многочисленны. Они рождаются в глубоких недрах звезд. На Земле мы подвергаемся бомбардировке нейтрино от Солнца, и, возможно, сотня тысяч нейтрино пройдет сквозь наше тело, пока мы читаем эту фразу. Они проходят сквозь Землю, Солнце и даже более массивные звезды, не останавливаясь. Согласно оценкам, наша планета поглощает лишь одно нейтрино из каждого триллиона этих частиц, проходящих сквозь ее толщу.

При испускании атомным ядром позитрона излучается также и нейтрино, благодаря чему выполняется закон сохранения момента количества движения. Антинейтрино — это нейтрино с противоположными электрическими характеристиками. Оно является античастицей. Помимо антинейтрино и позитрона существуют также антипротоны и антинейтроны. По-видимому, имеется симметрия в частицах, известных современной физике, и с некоторой определенностью можно говорить, что наличие одной частицы указывает на то, что ее противоположность, античастица, также существует, а следовательно, существует и антивещество. В редких случаях частицы и античастицы сталкиваются друг с другом, при этом они аннигилируют, превращаясь в фотоны различных энергий. Таким образом, электрон и позитрон могут столкнуться, порождая при этом два гамма-кванта, которые есть не что иное, как очень высокоэнергичные фотоны. Обратный процесс, называемый «материализацией света», также возможен, тогда два гамма-кванта создают электрон и позитрон.

Однако мы еще не исчерпали всех частиц, открытых к настоящему времени учеными. Предполагается, что число различных частиц, из которых состоит вещество Вселенной, превышает тысячу. Но наша цель заключается не в изучении частиц. Для того чтобы понять, какие реакции происходят в звездных недрах, мы сосредоточим внимание только на тех частицах, которые играют там главную роль. По этой причине мы обратимся еще только к двум классам частиц. Во-первых, это мезоны различных видов, возникающие при аннигиляции протона и антипротона; во-вторых, тяжелые барионы, или гипероны, масса которых больше, чем масса протона или нейтрона.

« ПредыдущаяСлед. »

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: