Техническое применение ядерных реакций

Управляемый термоядерный синтез использует следующие реакции, идущие при температурах 10⁷ – 10⁸К:

, ; .

Последняя из обозначенных реакций идет с выделением энергии 17,6 МэВ. Синтез гелия из водорода происходит на Солнце, обеспечивая энергией наше светило. Подобные реакции используются и в водородной бомбе, в которой требуемая высокая температура создается за счет взрыва «запала» - атомной бомбы.

УРАН (лат. Uranium), U (читается «уран»), радиоактивный химический элемент с атомным номером 92, атомная масса 238,0289. Актиноид. Природный уран состоит из смеси трех изотопов: 238 U, 99,2739%, с периодом полураспада Т _1/2 = 4,51·109 лет, 235 U, 0,7024%, с периодом полураспада Т _1/2 = 7,13·108 лет, 234 U, 0,0057%, с периодом полураспада  Т _1/2 = 2,45·105 лет. 238 U (уран-I, UI) и 235 U (актиноуран, АсU) являются родоначальниками радиоактивных рядов. Из 11 искусственно полученных радионуклидов с массовыми числами 227-240 долгоживущий 233 U (Т 1/2 = 1,62·105лет), он получается при нейтронном облучении тория.

В урановой группе имеется три делящихся изотопа:  и .

 получается разделением изотопов,  - в реакторах, в которых исходным сырьем является :

 

                    

 

 

                    .

 

Кроме реакций с участием урана, существует еще группа ядерных реакций с участием тория:

           

   

    

                    

                 

                                 1,6 10⁵ лет

Сокращенная схема выглядит так:

 или

.

Тепловыделение за счет распада урана-235 осуществляется на атомных электростанциях, одна из которых схематически представлена на рисунке.

Рис. 8.7. Атомная электростанция в разрезе

 

9. Элементарные частицы [38]

По-видимому, еще недавно можно было подумать, что состав материи невероятно прост. Вся видимая материя во Вселенной – на Земле и в космосе – состоит из фундаментальных частиц трех разных видов: электронов и двух типов кварков.

Эти три частицы (как и другие описываемые ниже) взаимно притягиваются и отталкиваются соответственно своим зарядам, которых всего четыре вида по числу фундаментальных сил природы. Заряды можно расположить в порядке уменьшения соответствующих сил следующим образом: цветовой заряд (силы взаимодействия между кварками); электрический заряд (электрические и магнитные силы); слабый заряд (силы в некоторых радиоактивных процессах); наконец, масса (силы тяготения, или гравитационного взаимодействия). Слово «цвет» здесь не имеет ничего общего с цветом видимого света; это просто характеристика сильного заряда и самых больших сил.

Заряды сохраняются, т.е. заряд, входящий в систему, равен заряду, из нее выходящему. Если суммарный электрический заряд некоторого числа частиц до их взаимодействия равен, скажем, 342 единицам, то он и после взаимодействия независимо от его результата будет равен 342 единицам. Это относится и к другим зарядам: цветовому (заряду сильного взаимодействия), слабому и массовому (массе). Частицы различаются своими зарядами: в сущности, они и «есть» эти заряды. Заряды – это как бы «справка» о праве отвечать на соответствующую силу. Так, только на цветные частицы действуют цветовые силы, только на электрически заряженные частицы действуют электрические силы и т.д. Свойства частицы определяются наибольшей силой, действующей на нее. Только кварки являются носителями всех зарядов и, следовательно, подвержены действию всех сил, среди которых доминирующей является цветовая. Электроны имеют все заряды, кроме цветового, а доминирующей для них является электромагнитная сила.

Наиболее устойчивыми в природе оказываются, как правило, нейтральные комбинации частиц, в которых заряд частиц одного знака компенсируется суммарным зарядом частиц другого знака. Это отвечает минимуму энергии всей системы. (Точно так же два стержневых магнита располагаются в линию, причем северный полюс одного из них обращен к южному полюсу другого, что соответствует минимуму энергии магнитного поля.) Гравитация же является исключением из этого правила: отрицательной массы не существует. Нет тел, которые падали бы вверх.

История и краткий обзор

Элементарные частицы – в точном значении этого слова – первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Это «первообразные сущности», определяющие все наблюдаемые свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах развития естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие элементарной частицы сформировалось в тесной связи с установлением дискретности характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества – молекул и атомов – и установление того факта, что молекулы состоят из атомов, позволило впервые описать все наблюдаемые свойства вещества. Открытие составных частей самих атомов и ядер позволило уменьшить число «первочастиц» до 3: электрон, протон и нейтрон. Затем к ним добавился и фотон.

Впоследствии убедились в ограниченной применимости к микромиру выражения «состоит из …».

В современной физике смысл термина «элементарные частицы» менее строгий: это большая группа мельчайших наблюдаемых частиц материи, не являющихся атомами или атомными ядрами, кроме протона, который является ядром атома водорода. Эта группа частиц оказалась весьма обширной. Помимо 4-х указанных, к ней относятся пи -мезоны (π), мюоны (μ), тау -лептоны (τ), нейтрино трех видов (ν_e, ν_μ, ν_τ), т.н. странные частицы (K-мезоны и гипероны), очарованные частицы и красивые (прелестные) частицы (D- и B-мезоны и соответствующие барионы), разнообразные резонансы, в т.ч. мезоны со скрытым очарованием и прелестью (пси -частицы и ипсилон -частицы) и, наконец, открытые в начале 80-х гг. промежуточные векторные бозоны (W, Z) – всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число элементарных частиц непрерывно растет.

Электрон был открыт Д. Томсоном (1897), затем Резерфорд в 1911 г. показал, что заряд сосредоточен в компактных областях – ядрах, а в 1919 г. он обнаружил среди частиц, вылетавших из ядра, протон. Нейтрон был открыт Чедвиком в 1932 г. История открытия квантов: Планк, Эйнштейн, Милликен в 1912-15 гг., Комптон при рассеянии γ-квантов на электронах в 1922.

Нейтрино предположил в 1930 г. В. Паули для устранения трудности с β-радиоактивным распадом и законом сохранения энергии. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено (установлено) в 1956 г. Райнесом и Коуэном.

С 1930 до начала 1950-х гг. изучение элементарных частиц было связано с исследованием космических лучей. К. Андерсоном был обнаружен позитрон (первая античастица). Его существование вытекает из теории Дирака (1928-31 гг.). В 1936 г. К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании космических лучей мюоны обоих знаков. В 1947 г. группой Пауэлла (S. Powell) были открыты π⁺ и π^- -мезоны в 274 раз тяжелее электрона, играющие важную роль во взаимодействии нейтронов с протонами в ядрах. В 1935 г. их существование предположил Хидэки Юкава.

Конец 40-х – начало 50-х гг. ознаменовались открытием странных частиц. Первые частицы этой группы K⁺ и K^- -мезоны, Λ-гипероны были открыты в космических лучах, последующие – на ускорителях заряженных частиц. С начала 50-х ускорители становятся основным инструментом исследования элементарных частиц. Ускоренные протоны и электроны вызывают потоки других частиц, которые регистрируются с помощью сложных детекторов. В 90-х гг. энергии составляли сотни ГэВ (и тысячи к 2000 г.).

С ростом энергии регистрируются все более тяжелые частицы. В том числе неустойчивые – резонансы, которые составляют основную часть элементарных частиц.

В 1974 г. были обнаружены массивные (3-4 протонные массы), в то же время относительно устойчивые частицы пси -частицы, время жизни которых в 10³ раз больше времени жизни резонансов. Они оказываются тесно связанными с новым семейством элементарных частиц – очарованных, первые представители которого были открыты в 1976 г. (D-мезоны и Λ_e-барионы).

В 1977 г. были открыты еще более тяжелые частицы (около 10 масс протона) – ипсилон (Υ) – частицы аномально устойчивые для частиц столь больших масс. Они явились провозвестниками прелестных (красивых) частиц, первые представители которых открыты в 1981-83 гг. (B-мезоны) и Λ_b-барионы – в 1992 г.

В 1962 г. было выяснено, что в природе существует не одно, а, по крайней мере, два нейтрино: ν_e и ν_μ, а в 1975 г. был открыт τ-лептон (почти 2 массы протона), но в остальном повторяющий свойства электрона и мюона. Вскоре стало ясно, что существует тау-нейтрино ν_τ.

Наконец, в 1983 г. на протон-антипротонном коллайдере открыты самые тяжелые элементарные частицы: заряженные промежуточные бозоны W^± (m_W ≈ 80 ГэВ) и нейтральный промежуточный бозон Z⁰ (m_W = 91 ГэВ).

Таким образом, за 100 с лишним лет, прошедших после открытия электрона, выявлено большое число разнообразных микрочастиц. Для их описания кроме электрического заряда, массы, момента количества движения потребовалось много новых характеристик: странность, очарование, красота. Для их описания понадобилась квантовая механика, теория относительности. Затем понадобилась квантовая теория поля, квантовая электродинамика, квантовая мезодинамика (Юкава). В квантовой электродинамике появилась теория перенормировки.

Следующий шаг – калибровочные поля Янга-Миллса, которые включают в себя симметрию взаимодействия.

Виды материи в микромире

Обычная материя образуется из электронов и кварков, группирующихся в объекты, нейтральные по цветовому, а затем и по электрическому заряду. Цветовая сила нейтрализуется, о чем подробнее будет сказано ниже, когда частицы объединяются в триплеты. (Отсюда и сам термин «цвет», взятый из оптики: три основных цвета при смешении дают белый.) Таким образом, кварки, для которых цветовая сила является главной, образуют триплеты. Но кварки, а они подразделяются на u -кварки (от англ. up – верхний) и d -кварки (от англ. down – нижний), имеют еще и электрический заряд, равный u -кварка и d -кварка. Два u -кварка и один d -кварк дают электрический заряд +1 и образуют протон, а один u -кварк и два d -кварка дают нулевой электрический заряд и образуют нейтрон.

Стабильные протоны и нейтроны, притягиваемые друг к другу остаточными цветовыми силами взаимодействия между составляющими их кварками, образуют нейтральное по цвету ядро атома. Но ядра несут положительный электрический заряд и, притягивая отрицательные электроны, вращающиеся вокруг ядра наподобие планет, обращающихся вокруг Солнца, стремятся образовать нейтральный атом. Электроны на своих орбитах удалены от ядра на расстояния, в десятки тысяч раз превышающие радиус ядра, – свидетельство того, что удерживающие их электрические силы гораздо слабее ядерных. Благодаря силе цветового взаимодействия 99,945% массы атома заключено в его ядре. Масса u - и d -кварков примерно в 600 раз больше массы электрона. Поэтому электроны намного легче и подвижнее ядер. Их движением в веществе обусловлены электрические явления.

Существует несколько сот природных разновидностей атомов (включая изотопы), различающихся числом нейтронов и протонов в ядре и соответственно числом электронов на орбитах. Самый простой – атом водорода, состоящий из ядра в виде протона и обращающегося вокруг него единственного электрона. Вся «видимая» материя в природе состоит из атомов и частично «разобранных» атомов, которые называются ионами. Ионы – это атомы, которые, потеряв (или приобретя) несколько электронов, стали заряженными частицами. Материя, состоящая почти из одних ионов, называется плазмой. Звезды, горящие за счет идущих в центрах термоядерных реакций, состоят в основном из плазмы, а поскольку звезды – самая распространенная форма материи во Вселенной, можно сказать, что и вся Вселенная состоит в основном из плазмы. Точнее, звезды – это преимущественно полностью ионизованный газообразный водород, т.е. смесь отдельных протонов и электронов, а стало быть, из нее и состоит почти вся видимая Вселенная.

Это – видимая материя. Но во Вселенной есть еще невидимая материя. И есть частицы, выступающие в роли носителей сил. Существуют античастицы и возбужденные состояния некоторых частиц. Все это приводит к явно чрезмерному изобилию «элементарных» частиц. В этом изобилии можно найти указание на действительную, истинную природу элементарных частиц и сил, действующих между ними. Согласно самым последним теориям, частицы в своей основе могут представлять собой протяженные геометрические объекты – «струны» в десятимерном пространстве.

Невидимый мир. Во Вселенной имеется не только видимая материя (а также черные дыры и «темная материя», например холодные планеты, которые станут видимыми, если их осветить). Существует и подлинно невидимая материя, пронизывающая всех нас и всю Вселенную ежесекундно. Она представляет собой быстро движущийся газ из частиц одного сорта – электронных нейтрино.

Электронное нейтрино является партнером электрона, но не имеет электрического заряда. Нейтрино несут лишь так называемый слабый заряд. Их масса покоя чрезвычайно мала (она меньше 0, 000015 массы электрона). Но с гравитационным полем они взаимодействуют, поскольку обладают кинетической энергией E, которой соответствует эффективная масса m, согласно формуле Эйнштейна E = mc ², где c – скорость света.

 

 

Таблица 9.1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Частица	Масса покоя, МэВ/ с ^2	Электрический заряд	Цветовой заряд	Слабый заряд
КВАРКИ
u -кварк	350	+2/3	Красный, зеленый, синий	+1/2
d -кварк	350	–1/3	Красный, зеленый, синий	–1/2
ЛЕПТОНЫ
Электронное нейтрино	<0,000015	0	0	+1/2
Электрон	0,511	–1	0	–1/2

 

Ключевая роль нейтрино заключается в том, что оно способствует превращению и -кварков в d -кварки, в результате чего протон превращается в нейтрон. Нейтрино играет роль «иглы карбюратора» для звездных термоядерных реакций, в которых четыре протона (ядра водорода) объединяются, образуя ядро гелия. Но поскольку ядро гелия состоит не из четырех протонов, а из двух протонов и двух нейтронов, для такого ядерного синтеза нужно, чтобы два и -кварка превратились в два d -кварка. От интенсивности превращения зависит, насколько быстро будут гореть звезды. А процесс превращения определяется слабыми зарядами и силами слабого взаимодействия между частицами. При этом и -кварк (электрический заряд +2/3, слабый заряд +1/2), взаимодействуя с электроном (электрический заряд -1, слабый заряд –1/2), образует d -кварк (электрический заряд –1/3, слабый заряд –1/2) и электронное нейтрино (электрический заряд 0, слабый заряд +1/2). Цветовые заряды (или просто цвета) двух кварков в этом процессе компенсируются без нейтрино. Роль нейтрино состоит в том, чтобы уносить нескомпенсированный слабый заряд. Поэтому скорость превращения зависит от того, насколько слабы слабые силы. Если бы они были слабее, чем они есть, то звезды вообще не горели бы. Если же они были бы более сильными, то звезды давно бы выгорели.

А что же нейтрино? Поскольку эти частицы крайне слабо взаимодействуют с другим веществом, они почти сразу уходят из звезд, в которых родились. Все звезды сияют, испуская нейтрино, а нейтрино днем и ночью просвечивают наши тела и всю Землю. Так они странствуют по Вселенной, пока не вступят, может быть, в новое взаимодействие.

Переносчики взаимодействий. За счет чего возникают силы, действующие между частицами на расстоянии? Современная физика отвечает: за счет обмена другими частицами. Представьте себе двух конькобежцев, перебрасывающихся мячом. Сообщая мячу импульс при броске и получая импульс с принятым мячом, оба получают толчок в направлении друг от друга. Так можно объяснить возникновение сил отталкивания. Но в квантовой механике, рассматривающей явления в области микромира, допускаются необычные растяжение и делокализация событий, что приводит, казалось бы, к невозможному: один из конькобежцев бросает мяч в направлении от другого, но тот тем не менее может этот мяч поймать. Нетрудно сообразить, что, будь такое возможно (а в мире элементарных частиц это возможно), между конькобежцами возникло бы притяжение.

Частицы, благодаря обмену которыми возникают силы взаимодействия между четырьмя рассмотренными выше «частицами материи», называются калибровочными частицами. Каждому из четырех взаимодействий – сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному – соответствует свой набор калибровочных частиц. Частицами-переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны (их всего восемь). Фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия (он один, а фотоны мы воспринимаем как свет). Частицами-переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны (в 1983 и 1984 были открыты W ⁺-, W ^--бозоны и нейтральный Z -бозон). Частицей-переносчиком гравитационного взаимодействия является пока еще гипотетический гравитон (он должен быть один). Все эти частицы, кроме фотона и гравитона, которые могут пробегать бесконечно большие расстояния, существуют лишь в процессе обмена между материальными частицами. Фотоны заполняют Вселенную светом, а гравитоны – гравитационными волнами.

 Ввиду крайней слабости предсказанных эффектов долгие годы подтвердить (или опровергнуть) их существование не представлялось возможным. Первое косвенное свидетельство существования гравитационных волн было получено в 1974 году благодаря наблюдению за тесной системой двух нейтронных звёзд PSR B1913+16, за это открытие Рассел Халс и Джозеф Тейлор получили в 1993 году Нобелевскую премию по физике. При обращении двойных звёзд друг вокруг друга они излучают гравитационные волны, теряя энергию, размеры орбит сокращаются и период обращения уменьшается. Уменьшение периода обращения со временем в точном согласии с расчётами по общей теории относительности и было зафиксировано[39].

О частице, способной испускать калибровочные частицы, говорят, что она окружена соответствующим полем сил. Так, электроны, способные испускать фотоны, окружены электрическими и магнитными полями, а также слабыми и гравитационными полями. Кварки тоже окружены всеми этими полями, но еще и полем сильного взаимодействия. На частицы с цветовым зарядом в поле цветовых сил действует цветовая сила. То же самое относится к другим силам природы. Поэтому можно сказать, что мир состоит из вещества (материальных частиц) и поля (калибровочных частиц). Об этом подробнее ниже.

Антивещество. Каждой частице отвечает античастица, с которой частица может взаимно уничтожиться, т.е. «аннигилировать», в результате чего высвобождается энергия. «Чистой» энергии самой по себе, однако, не существует; в результате аннигиляции возникают новые частицы (например, фотоны), уносящие эту энергию.

Античастица в большинстве случаев обладает противоположными по отношению к соответствующей частице свойствами: если частица под действием сильного, слабого или электромагнитного полей движется влево, то ее античастица будет двигаться вправо. Короче говоря, античастица имеет противоположные знаки всех зарядов (кроме массового заряда). Если частица составная, как, например, нейтрон, то ее античастица состоит из компонент с противоположными знаками зарядов. Так, антиэлектрон имеет электрический заряд +1, слабый заряд +1/2 и называется позитроном. Антинейтрон состоит из и -антикварков с электрическим зарядом –2/3 и d -антикварков с электрическим зарядом +1/3. Истинно нейтральные частицы являются своими собственными античастицами: античастица фотона – фотон.

Согласно современным теоретическим представлениям, своя античастица должна быть для каждой существующей в природе частицы. И многие античастицы, в том числе позитроны и антинейтроны, действительно были получены в лаборатории. Следствия этого исключительно важны и лежат в основе всей экспериментальной физики элементарных частиц. Согласно теории относительности, масса и энергия эквивалентны, и в определенных условиях энергия может быть превращена в массу. Поскольку заряд сохраняется, а заряд вакуума (пустого пространства) равен нулю, из вакуума, как кролики из шляпы фокусника, могут возникать любые пары частиц и античастиц (с нулевым суммарным зарядом), лишь бы энергия была достаточной для создания их массы.

Так, в экспериментах одного из обычных сегодня типов электроны заставляют сталкиваться с позитронами, создавая энергию с нулевым полным зарядом, которая может реализовываться в виде любой пары частица – античастица, лишь бы ее хватало для создания их массы. Точно так же в любом другом эксперименте со столкновениями частиц энергия может возникать в виде новых частиц любых типов, если они образуют пары с нулевым суммарным зарядом. Таким образом, ускорители частиц не просто зондируют структуру материи, а создают новые виды материи, в том числе и такие, которых, возможно, уже не было со времени Большого взрыва, давшего начало нашей Вселенной.

Поколения частиц. Эксперименты на ускорителях показали, что четверка (квартет) материальных частиц по крайней мере дважды повторяется при более высоких значениях массы. Во втором поколении место электрона занимает мюон (с массой, примерно в 200 раз большей массы электрона, но с прежними значениями всех остальных зарядов), место электронного нейтрино – мюонное (которое сопутствует в слабых взаимодействиях мюону так же, как электрону сопутствует электронное нейтрино), место и -кварка занимает с -кварк (очарованный), а d -кварка – s -кварк (странный). В третьем поколении квартет состоит из тау-лептона, тау-нейтрино, t -кварка и b -кварка.

Масса t -кварка примерно в 500 раз больше массы самого легкого – d -кварка. Экспериментально установлено, что существуют только три типа легких нейтрино. Таким образом, четвертое поколение частиц или не существует вовсе, или соответствующие нейтрино являются очень тяжелыми. Это согласуется с космологическими данными, в соответствии с которыми могут существовать не более четырех типов легких нейтрино.

В экспериментах с частицами высоких энергий электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино выступают как обособленные частицы. Они не несут цветового заряда и вступают только в слабые и электромагнитные взаимодействия. В совокупности они называются лептонами.

Кварки же под действием цветовых сил объединяются в сильно взаимодействующие частицы, преобладающие в большинстве экспериментов физики высоких энергий. Такие частицы называются адронами. В них входят два подкласса: барионы (например, протон и нейтрон), которые состоят из трех кварков, и мезоны, состоящие из кварка и антикварка. В 1947 в космических лучах был открыт первый мезон, названный пионом (или пи-мезоном), и некоторое время считалось, что обмен этими частицами – главная причина ядерных сил. Особой известностью в физике элементарных частиц пользовались также адроны омега-минус, открытые в 1964 в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), и джей-пси-частица ( -мезон), открытая одновременно в Брукхейвене и в Стэнфордском центре линейных ускорителей (тоже в США) в 1974. Существование омега-минус-частицы было предсказано М. Гелл-Манном в его так называемой «SU ₃-теории» (другое название – «восьмеричный путь»), в которой впервые было высказано предположение о возможности существования кварков (и было дано им это название). Десятилетие спустя открытие частицы  подтвердило существование с -кварка и заставило, наконец, всех поверить и в кварковую модель, и в теорию, объединившую электромагнитные и слабые силы (см. ниже).

Частицы второго и третьего поколения не менее реальны, чем первого. Правда, возникнув, они за миллионные или миллиардные доли секунды распадаются на обычные частицы первого поколения: электрон, электронное нейтрино, а также и - и d -кварки. Вопрос о том, почему в природе существуют несколько поколений частиц, до сих пор остается загадкой.

О разных поколениях кварков и лептонов часто говорят (что, конечно, несколько эксцентрично) как о разных «ароматах» частиц. Необходимость их объяснения называется проблемой «аромата».

Поле и вещество

Одним из принципиальных различий между частицами является различие между бозонами и фермионами. Все частицы делятся на эти два основных класса. Одинаковые бозоны могут налагаться друг на друга или перекрываться, а одинаковые фермионы – нет. Наложение происходит (или не происходит) в дискретных энергетических состояниях, на которые квантовая механика делит природу. Эти состояния представляют собой как бы отдельные ячейки, в которые можно помещать частицы. Так вот, в одну ячейку можно поместить сколько угодно одинаковых бозонов, но только один фермион.

В качестве примера рассмотрим такие ячейки, или «состояния», для электрона, вращающегося вокруг ядра атома. В отличие от планет Солнечной системы, электрон по законам квантовой механики не может обращаться по любой эллиптической орбите, для него существует только дискретный ряд разрешенных «состояний движения». Наборы таких состояний, группируемые в соответствии с расстоянием от электрона до ядра, называются орбиталями. В первой орбитали имеются два состояния с разными моментами импульса и, следовательно, две разрешенные ячейки, а в более высоких орбиталях – восемь и более ячеек.

Поскольку электрон относится к фермионам, в каждой ячейке может находиться только один электрон. Отсюда вытекают очень важные следствия – вся химия, поскольку химические свойства веществ определяются взаимодействиями между соответствующими атомами. Если идти по периодической системе элементов от одного атома к другому в порядке увеличения на единицу числа протонов в ядре (число электронов тоже будет соответственно увеличиваться), то первые два электрона займут первую орбиталь, следующие восемь расположатся на второй и т.д. Этим последовательным изменением электронной структуры атомов от элемента к элементу и обусловлены закономерности в их химических свойствах.

Если бы электроны были бозонами, то все электроны атома могли бы занимать одну и ту же орбиталь, соответствующую минимальной энергии. При этом свойства всего вещества во Вселенной были бы совершенно другими, и в том виде, в котором мы ее знаем, Вселенная была бы невозможна.

Все лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино – являются фермионами. То же можно сказать о кварках. Таким образом, все частицы, которые образуют «вещество», основной наполнитель Вселенной, а также невидимые нейтрино, являются фермионами. Это весьма существенно: фермионы не могут совмещаться.

В то же время все «калибровочные частицы», которыми обмениваются взаимодействующие материальные частицы и которые создают поле сил (см. выше), являются бозонами, что тоже очень важно. Так, например, много фотонов могут находиться в одном состоянии, образуя магнитное поле вокруг магнита или электрическое поле вокруг электрического заряда. Благодаря этому же возможен лазер.

Спин. Различие между бозонами и фермионами связано с еще одной характеристикой элементарных частиц – спином. Как это ни удивительно, но все фундаментальные частицы имеют собственный момент импульса или, проще говоря, вращаются вокруг своей оси. Момент импульса – характеристика вращательного движения, так же как суммарный импульс – поступательного. В любых взаимодействиях момент импульса и импульс сохраняются.

В микромире момент импульса квантуется, т.е. принимает дискретные значения. В подходящих единицах измерения лептоны и кварки имеют спин, равный 1/2, а калибровочные частицы – спин, равный 1 (кроме гравитона, который экспериментально пока не наблюдался, а теоретически должен иметь спин, равный 2). Поскольку лептоны и кварки – фермионы, а калибровочные частицы – бозоны, можно предположить, что «фермионность» связана со спином 1/2, а «бозонность» – со спином 1 (или 2). Действительно, и эксперимент, и теория подтверждают, что если у частицы полуцелый спин, то она – фермион, а если целый – то бозон.

Калибровочные теории

Во всех случаях силы возникают вследствие обмена бозонами между фермионами. Так, цветовая сила взаимодействия между двумя кварками (кварки – фермионы) возникает за счет обмена глюонами. Подобный обмен постоянно происходит в протонах, нейтронах и атомных ядрах. Точно так же фотоны, которыми обмениваются электроны и кварки, создают электрические силы притяжения, удерживающие электроны в атоме, а промежуточные векторные бозоны, которыми обмениваются лептоны и кварки, создают силы слабого взаимодействия, ответственные за превращение протонов в нейтроны при термоядерных реакциях в звездах.

Теория такого обмена изящна, проста и, вероятно, правильна. Она называется калибровочной теорией. Но в настоящее время существуют лишь независимые калибровочные теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий и сходная с ними, хотя кое в чем и отличающаяся, калибровочная теория гравитации. Одной из важнейших физических проблем является сведение этих отдельных теорий в единую и вместе с тем простую теорию, в которой все они стали бы разными аспектами единой реальности – как грани кристалла.

Простейшей и самой старой из калибровочных теорий является калибровочная теория электромагнитного взаимодействия. В ней заряд электрона сравнивается (калибруется) с зарядом другого электрона, удаленного от него. Как можно сравнивать заряды? Можно, например, приблизить второй электрон к первому и сравнивать их силы взаимодействия. Но не меняется ли заряд электрона при его перемещении в другую точку пространства? Единственный способ проверки – послать от ближнего электрона к дальнему сигнал и посмотреть, как он среагирует. Сигналом является калибровочная частица – фотон. Чтобы можно было проверить заряд на удаленных частицах, необходим фотон.

В математическом отношении эта теория отличается чрезвычайной точностью и красотой. Из описанного выше «калибровочного принципа» вытекает вся квантовая электродинамика (квантовая теория электромагнетизма), а также теория электромагнитного поля Максвелла – одно из величайших научных достижений 19 в.

Почему же столь простой принцип оказывается столь плодотворным? Видимо, он выражает некую соотнесенность разных частей Вселенной, позволяя проводить измерения во Вселенной. В математическом плане поле интерпретируется геометрически как кривизна некоторого мыслимого «внутреннего» пространства. Измерение же заряда – это измерение полной «внутренней кривизны» вокруг частицы. Калибровочные теории сильного и слабого взаимодействий отличаются от электромагнитной калибровочной теории только внутренней геометрической «структурой» соответствующего заряда. На вопрос о том, где именно находится это внутреннее пространство, пытаются ответить многомерные единые теории поля, которые здесь не рассматриваются.

Физика элементарных частиц пока не завершена. Еще далеко не ясно, достаточно ли имеющихся данных для полного понимания природы частиц и сил, а также истинной природы и размерности пространства и времени. Нужны ли нам для этого эксперименты с энергиями 10¹⁵ ГэВ или же будет достаточно усилий мысли? Ответа пока нет. Но можно сказать с уверенностью, что окончательная картина будет проста, изящна и красива. Возможно, что принципиальных идей окажется не так много: калибровочный принцип, пространства высших размерностей, коллапс и расширение, а прежде всего – геометрия.

 

 

Таблица 9.2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Взаимо-действие	Относительная интенсивность на расстоянии 10^–13 см	Радиус действия	Переносчик взаимодействия	Масса покоя переносчика, МэВ/ с ^2	Спин переносчика
Сильное	1	< 10^–13 см	Глюон	0	1
Электро-магнитное	0,01		Фотон	0	1
Слабое	10^–13	< 10^–16 см	W ^+	80400	1
			W ^–	80400	1
			Z ^0	91190	1
Гравита- ционное	10^–38		Гравитон	0	2

 

 

Бозон Хиггса

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов

Бозон Хи́ггса, Хи́ггсовский бозо́н, хиггсо́н — элементарная частица, элементарный бозон, квант поля Хиггса, с необходимостью возникающий в Стандартной модели вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. По построению, хиггсовский бозон является скалярной частицей, то есть обладает нулевым спином. Постулирован Питером Хиггсом в его фундаментальных статьях, вышедших в 1964 году. В рамках Стандартной модели отвечает за массу элементарных частиц.

Бозон Хиггса первоначально был предсказан в теории, и после нескольких десятков лет поиска 4 июля 2012 года представители ЦЕРНа сообщили, что на обоих основных детекторах БАК наблюдалась новая частица с массой около 125—126 ГэВ. Имелись веские основания считать, что эта частица является бозоном Хиггса. 14.03.2013 физики ЦЕРНа подтвердили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

 

Что такое бозон Хиггса? [40]

Долгие годы эта частица существовала только в умах физиков-теоретиков. Существует устоявшаяся гипотеза о том, как устроена большая часть Вселенной: известны все частицы, формирующие атомы, молекулы и материю, которая нас окружает; также изучены силы, приводящие все это в движение. Эта гипотеза получила название Стандартная модель.