Путешествие IV
Длинные поездки по железной дороге
Внутрь ядра.
•
Элементы и их изотопы.
•
Изобилие адронов и понятие восьмеричного пути.
•
Важный переход в другие земли.
•
Разные ароматы.
•
Вслед за глюоном
XIV. Протоны, нейтроны и ядро
Мы снова держим путь на восток. Туда, где энергии все более высоки, а частицы все мельче и массивнее. Последним нашим открытием был тау-лептон, до которого мы добрались по дороге, двигаясь к восточной оконечности острова Лептонов. Масса тау-лептона составляет около 1,8 ГэВ, примерно в два раза больше, чем у атома водорода. Бросив взгляд на север от того места, где расположился тау-лептон, мы видим новую береговую линию, простирающуюся сквозь туман, – там таится неизведанная масса суши. Береговая линия этой неизвестной земли была нам видна и раньше, с восточного побережья земли Атома, в которой мы обнаружили атомное ядро и немного поиграли с альфа-частицами.
Мы всходим на борт нашей посудины и снова отплываем из порта Электрон, однако на этот раз держа путь на восток. Наше следующее путешествие заведет нас внутрь атомного ядра, и мы попытаемся проникнуть в него как можно глубже.
Когда мы исследовали землю Атома, мы говорили, что атомное ядро было обнаружено с помощью пучка альфа-частиц. В эксперименте эти частицы образовывались при распаде радиоактивного элемента радона. Чтобы заглянуть внутрь самого ядра, требуются искусственно созданные пучки частиц, ускоренных в электрических и магнитных полях. Из наших исследований квантовых полей мы знаем, что высокоэнергетическим частицам свойственны короткие волны: как раз это нам и нужно, чтобы разглядеть внутреннюю структуру ядра.
Применяемые методы показывают, что альфа-частицы сами по себе тоже имеют внутреннюю структуру. Альфа-частица представляет собой два протона и два нейтрона, соединенные вместе – это особенно тесно связанная, устойчивая конфигурация.
Оказывается, все ядра состоят из некоторого числа протонов и нейтронов, за единственным исключением – водорода, самого легкого элемента, ядром которого является одинокий протон без нейтронов.
Альфа-частица – два протона и два нейтрона – это ядро атома гелия. Гелий – настолько легкий элемент, что он легко покидает атмосферу Земли и улетает в космическое пространство. Единственная причина того, почему мы встречаем гелий в значительных количествах на Земле, так это потому, что он постоянно образуется при радиоактивном распаде тяжелых элементов, например при распаде радона, который использовали в своих экспериментах Резерфорд и его коллеги. Улетающие в небо детские воздушные шарики набиты альфа-частицами (с налипшими на них электронами).
Ядра разных элементов отличаются друг от друга разным количеством протонов. Мы бродили вокруг кремния, исследуя землю Атома, и видели, что атом под названием «кремний» – это самая маленькая частичка кремния. То же самое верно для всех элементов. Атом любого элемента может быть разрушен на более мелкие части – электроны, протоны и нейтроны. Но тогда он уже потеряет признаки атома того или иного вещества.
Ядро кремния состоит из 14 протонов и нескольких нейтронов. Ничто с другим количеством протонов не может являться кремнием. 13 протонов соответствуют алюминию, а 15 – фосфору. Свойства обоих очень сильно отличаются друг от друга.
История изучения ядра подчеркивает важность полученных сведений о фундаментальной структуре вещества, которую мы наносим на нашу карту на протяжении всего путешествия. Как уже упоминалось, подобно большинству научных теорий, стандартная модель физики частиц является в некотором роде предварительной. Те частицы, которые мы сейчас считаем фундаментальными, мельчайшими частями вещества, могут казаться таковыми только из-за того, что их более мелкие составные части не поддаются измерениям с помощью существующих сегодня инструментов. Могут существовать и более глубинные слои вещества. Этот факт не означает, что теория не является истинной, просто это, может быть, еще не вся правда. Слова Макса Планка, великого немецкого физика, одного из основателей квантовой механики, подтверждают такое восприятие ядра. Так, в своей книге «Вселенная в свете современной физики» (Das Weltbild der Neuen Physik, 1929) он уверенно объясняет строение урана, используя самую передовую модель того времени:
«Уран содержит 238 протонов и 238 электронов; но только 92 электрона вращаются вокруг ядра, в то время как другие закреплены на нем… Химические свойства элемента зависят не от общего числа его протонов или электронов, но от количества вращающихся электронов, которые дают атомный номер элемента».
В приведенной цитате наблюдается интересная смесь правильного и неправильного. Планк не знал о нейтроне (который был обнаружен Джеймсом Чедвиком спустя год после перевода статьи Планка), и поэтому его описание ядра урана неверно. Уран-238 имеет только 92 протона, которые соответствуют 92 «вращающимся» электронам, но кроме того содержит 146 нейтронов, расположенных в ядре вместе с протонами. Мы знаем, что в ядре нет электронов, о которых говорил Планк. Мы также знаем, что электроны не вращаются вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца. Но такова была ранняя модель атома, созданная Нильсом Бором.
Как мы уже видели в нашем исследовании, электроны – это фундаментальные квантовые объекты, не такие частицы, как их понимал Планк в свое время. Однако он был совершенно прав, считая, что в атоме урана есть ядро, вне которого находятся 92 электрона. Он также правильно рассудил, что эти 92 электрона определяют химические свойства элемента. Его модель полезна, и несмотря на неточности будет работать даже сегодня, поскольку соответствует химическим свойствам элементов.
Однако новые данные, полученные в результате высокоэнергетических экспериментов, помогут нам исследовать еще более восточные области на нашей карте, продвинуться дальше того предела, где была физика во времена Планка. И тогда мы поймем, что некоторые представления той физики были ошибочны и нуждаются в корректировке. Это еще одно напоминание о том, что стандартная модель, возможно, потребует изменений с появлением новых данных. Например, наше убеждение в том, что электроны – это точечные объекты, определяется возможностями современной технологии и изобретательностью ее применения. Новый эксперимент сможет однажды показать, что электрон не бесконечно мал, а состоит из еще более мелких частей. И тогда надо будет изменить стандартную модель. С точки зрения нашей карты, любые изменения будут распространяться на восток и откроют нам новые возможности, хотя бо́льшая часть того, что мы исследуем сейчас, останется нетронутой.
Изменение количества протонов в ядре изменяет количество электронов, которые атом будет притягивать, и таким образом, изменятся химические свойства этого атома. Однако изменение количества нейтронов оказывает не такое сильное воздействие.
Ядро кремния обычно содержит 14 нейтронов, но иногда их бывает 15 или 16. Все три варианта имеют одинаковые химические свойства. Все они – кремний. Различные варианты одного и того же элемента, отличающиеся только количеством нейтронов внутри ядра, называются изотопами. У некоторых элементов существует множество изотопов, и иногда они неустойчивы – в этом случае они являются радиоактивными и распадаются на другие элементы.
Хотя нейтроны не так сильно, как протоны, характеризуют поведение атома, они совершенно необходимы для удержания его как единого целого. Все протоны обладают положительным электрическим зарядом, и следовательно, подобно отталкивающим друг друга одноименным зарядам, любая пара протонов в крошечных границах атомного ядра должна с необходимостью испытывать огромные отталкивающие силы. Мы должны были бы ожидать, что содержимое ядра разлетится во все стороны – да и, вообще говоря, что его составные части никогда и не смогут объединиться в единое ядро. Причина, по которой этого не происходит, заключается в том, что они притягиваются друг к другу с силой, достаточной, чтобы преодолеть электромагнитное отталкивание.
Но что это за сила? Она характеризует связь между особенностями на местности, с которыми мы при построении нашей карты еще не сталкивались. Мы бросаем якорь в порту Протон, на берегу неизведанного восточного острова, цели нашей текущей экспедиции. Благодаря пучкам высокоэнергетических частиц нам предоставлен доступ сюда и дальше на восток. Швартуемся в чужой гавани и ищем дорогу, чтобы следовать в глубь неизвестной земли, но тут из какого-то большого здания слышим свисток. Мы подходим ближе и замечаем дым, поднимающийся из-за здания. Рельсы и шпалы выходят прямо из этого здания, которое оказывается железнодорожной станцией. На вывеске надпись: «Железные дороги острова Адрон: Протон Центральный». Лучшего транспорта для исследования острова Адрон нам не найти.
