Занимательная физика

 ЭЛЕКТРОНЫ, ПРОТОНЫ, НЕЙТРОНЫ

ОТСТУПЛЕНИЕ О ГРАВИТАЦИИ

ВОЛНА ИЛИ ЧАСТИЦА? И ВОЛНА И ЧАСТИЦА!

САМЫЙ ПРОСТОЙ АТОМ

 ЯДРА И ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

Ни атомы, ни более сложные конструкции из микроскопических частиц без тяжелых ядер, состоящих из нуклонов, существовать не могут. И все же в нашем рассказе речь пойдет в основном не о нуклонах, а об электронах, так как именно они ответственны за конструирование из атомов более сложных структур - молекул и твердых тел. Этот раздел - исключение: в нем мы расскажем о том, какие силы действуют между протонами и нейтронами, позволяя им создавать ядра атомов.

При всей простоте атома водорода у него есть изотопы. Всего их три. Обычный атом водорода, у которого ядро - протон, иногда называют протием (слова "протон" и "протий" происходят от греческого слова протос - первый). Следующий по массе изотоп - дейтерий (по-гречески деутерос - второй). В его ядре один протон и один нейтрон. Самый тяжелый изотоп водорода - тритий (тритос - по-гречески третий). Его ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Дейтерий устойчив, тритий живет достаточно долго. Период его полураспада (время, за которое распадается половина ядер) 12,26 года. У всех остальных атомов и их изотопов ядра также состоят из протонов и нейтронов.

Нуклоны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые совершенно не похожи на те, с которыми мы встречались до сих пор - ни на гравитационные, ни на электростатические. Электростатические силы действуют и на микроскопических и на макроскопических расстояни ях. Ядерные силы не проявляют себя на макроскопических расстояниях: они очень быстро спадают с расстоянием. Радиус их действия порядка 10^-15 метра. Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение: 10^-15 м = 1 Фм (ферми, в честь итальянского физика Энрико Ферми, 1901-1954). Все ядра имеют размеры нескольких ферми.

Радиус ядерных сил по порядку величины равен размеру нуклона, поэтому ядра - сгустки очень плотной материи. Возможно, самой плотной в земных условиях. Наиболее тесно нуклоны упакованы в ядре атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов. Атом гелия, лишенный своих электронов, называется альфа-частицей (a-частицей). Во многих случаях удобно считать, что и более тяжелые ядра состоят из альфа-частиц. Не вошедшие в альфа-частицы нуклоны слабее связаны с ядром, чем те, которые находятся в их составе.

Ядерные силы - пример сильных взаимодействий. Они многократно превосходят кулоновскую силу (но, конечно, на одинаковом расстоянии). Электростатическое взаимодействие характеризуется энергией порядка нескольких электронвольт, а характерные ядерные энергии в миллион раз больше - мегаэлектронвольты (Мэвы).

Короткодействие ограничивает действие ядерных сил ближайшим окружением нуклона, в то время как медленно спадающее с расстоянием электростатическое отталкивание протонов действует во всем объеме ядра. С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому большинство тяжелых ядер радиоактивны, а совсем тяжелые вообще не могут существовать. Конечное число элементов в природе - следствие короткодействия ядерных сил.

Однако в конце 60-х годов XX века теория ядра предсказала существование стабильных элементов с порядковыми номерами Z = =110 -114, а возможно, и 126 - так называемого "острова стабильности". Эту теорию косвенно подтверждает эксперимент, недавно проведенный в Дубне. Там был получен 114-й элемент с атомной массой А = 289, который "жил" 30 секунд - невероятно долго для атома с ядром такого размера. Сегодня теоретики уже обсуждают свойства сверхтяжелых ядер массой 300 и даже 500, хотя в самой возможности их существования имеются определенные сомнения (см. "Наука и жизнь" № 9, 2002 г.).

Когда говорят о ядерных силах, часто не различают протон и нейтрон. Ядерные силы очень слабо зависят от того, взаимодействует протон с протоном, нейтрон с нейтроном или протон с нейтроном.

Удивительный вывод квантовой физики: два нуклона притягиваются друг к другу, потому что обмениваются между собой частицей. Частицу назвали пи-мезоном, или пионом. Один нуклон испускает пи-мезон (p-мезон), другой его поглощает, а в результате нуклоны притягиваются друг к другу. В слове "мезон" он - окончание, как у всех названий частиц, а корень мезо взят из греческого, мезос - промежуточный: масса p-мезона больше массы электрона и меньше массы протона. Масса p-мезона стала известна еще до открытия этой частицы. По теории (она была создана в 1935 году японским физиком Хидэки Юкава, 1907-1981) между радиусом действия ядерных сил и массой p-мезона m_p существует простая связь: m_p >= ћ/cr_n. Есть три сорта p-мезонов - положительный, отрицательный и нейтральный. Их массы несколько отличаются, но все они примерно в 200 раз больше массы электрона.

Итак, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. На первый взгляд у нейтрона, как у одного из основных (первичных) элементов, из которых все построено, есть крупный недостаток. Нейтрон недолговечен. В свободном состоянии время его жизни приблизительно 15 минут. Он распадается на протон, электрон и антинейтрино (этот процесс называется b-распадом, по скольку поток электронов когда-то назывался бета-лучами). Однако в стабильных ядрах, по современным оценкам, время его жизни превышает 10³² лет. Скорее всего, столько же живет протон, распад которого старательно искали, но так пока и не обнаружили. Нестабильность протона предсказал А. Д. Сахаров.

В ядре атома сосредоточена атомная энергия. Ее освоение - задача ядерной физики.
 

Далее...

Fatal error: Uncaught Error: Call to undefined function set_magic_quotes_runtime() in /www/htdocs/1dbcf2b3552b065fc49d8747114db86c/sape.php:262 Stack trace: #0 /www/htdocs/1dbcf2b3552b065fc49d8747114db86c/sape.php(343): SAPE_base->_read('/www/htdocs/1db...') #1 /www/htdocs/1dbcf2b3552b065fc49d8747114db86c/sape.php(418): SAPE_base->load_data() #2 /www/htdocs/links.html(7): SAPE_client->SAPE_client() #3 /www/htdocs/happy_physics/kaganov8.html(143): include('/www/htdocs/lin...') #4 {main} thrown in /www/htdocs/1dbcf2b3552b065fc49d8747114db86c/sape.php on line 262