Сергей Титов - Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

При исследовании бета-распада обнаружился ещё один интересный факт. Оказалось, что покидающий ядро электрон обладает меньшей энергией, чем следовало из проведённых расчётов. Это настолько смущало физиков, что под сомнение был поставлен даже закон сохранения энергии. Однако вскоре выяснилось, что недостающую энергию уносит ещё одна вылетающая вместе с электроном частица. Эта частица, получившая название нейтрино, обладает целым рядом интересных в теоретическом и важных в практическом отношении свойств. Поскольку она не имеет электрического заряда, на неё не действует электромагнитное поле. Кроме того, она не участвует в сильном взаимодействии. На неё действует только слабое воздействие и гравитация, которую ввиду ничтожной массы нейтрино (во много раз меньшей, чем масса электрона) можно практически не принимать в расчёт. Поэтому нейтрино обладает необычайной проницаемостью, оно способно пролетать огромные расстояния, почти не поглощаясь никаким веществом. Это свойство очень важно для развивающейся науки – нейтринной астрономии. Поскольку звёзды в числе других излучений испускают и потоки нейтрино, наблюдение за сверхдальними объектами с помощью нейтринных телескопов может позволить получить очень ценные сведения о строении Вселенной.

Электроны, протоны, нейтроны и нейтрино являются представителями большого класса объектов, которые называют элементарными частицами. Эти частицы либо входят в состав атома, либо могут возникать в нём при различных процессах из других элементарных частиц. Своё название они получили потому, что их считали окончательно неделимыми составляющими атома. В настоящее время известно более 300 элементарных частиц, и их число продолжает расти. Большинство таких частиц нестабильны, т. е. очень быстро распадаются, образуя другие элементарные частицы. Поэтому для их обнаружения и тем более для исследования их свойств требуются очень точные приборы. До середины XX в. элементарные частицы обнаруживали в основном в космических лучах, однако сейчас их исследование проводится с помощью специально созданных ускорителей. В них частицы можно разогнать до огромных скоростей, сопоставимых со скоростью света, а затем заставить их сталкиваться и наблюдать происходящие при этом превращения.

Исходя из того что при ядерном распаде происходит превращение одних частиц в другие, можно объяснить процесс гамма-распада. При таком распаде наблюдают электромагнитное излучение очень высокой частоты, которое, как вам известно, называют гамма– излучением. Возникает оно потому, что в результате альфа– и бета– распада может выделиться энергия, которой не хватит для того, чтобы образовать новые частицы. Для того чтобы освободиться от этой лишней энергии, атом испускает её в виде гамма-квантов.

В ходе развития теоретической физики выяснилось, что и элементарные частицы не являются на самом деле «элементарными», т. е. неделимыми. Некоторые из них, например протоны и нейтроны, состоят из ещё более мелких частиц, получивших название кварки. Размер кварка примерно в 20 тыс. раз меньше, чем размер протона. Главная особенность кварков заключается в том, что их, во всяком случае до сих пор, не удалось обнаружить вне элементарных частиц. Хотя кварки можно наблюдать только в группе, образующей какую-либо частицу, их удалось исследовать и вычислить физические свойства. Правда, для описания этих свойств не хватает физических терминов и не существует никаких аналогий с чем-либо известным, поэтому используются такие странные термины, как «цвет» и «аромат». (Кстати, само слово «странность» тоже используется в квантовой физике для характеристики элементарных частиц.) Однако, несмотря на неясность этих понятий, с ними можно производить расчёты, весьма точно описывающие свойства элементарных частиц.

В настоящее время известно, что каждая элементарная частица имеет свой аналог – античастицу, равную ей по массе, но противоположную по какой-либо другой характеристике, например по электрическому заряду. Первой из открытых античастиц был антиэлектрон, впоследствии названный позитроном. Он ничем не отличается от электрона, кроме того, что обладает не отрицательным, а положительным электрическим зарядом. Существование позитрона было теоретически предсказано в 1930 г. английским физиком Полем Дираком(1902–1984) и экспериментально доказано спустя два года. Впоследствии был открыт отрицательно заряженный антипротон и другие античастицы, в том числе и электрически нейтральные, как, например, антинейтрон. Можно представить себе мир, состоящий не из тех элементарных частиц, которые образуют окружающую нас природу, а из их антиподов, т. е. античастиц. Такой мир будет образован не веществом, а антивеществом. Ни по физическим, ни по химическим свойствам он не будет отличаться от нашего мира, все физические законы в этих двух мирах будут одинаковыми. Различие между ними может обнаружиться только в том случае, если они придут в соприкосновение: частицы и античастицы уничтожат друг друга. Это взаимоуничтожение называют аннигиляцией. После этого частицы перестанут быть веществом, и вся их суммарная масса превратится в энергию, а точнее, в кванты электромагнитного гамма-излучения и в поток нейтрино, об ладающего ничтожной массой, но колоссальной энергией. Выделяемая при аннигиляции энергия огромна. Если привести в соприкосновение 1 г вещества и 1 г антивещества, образуется столько энергии, сколько её выделяется при взрыве мощной водородной бомбы. Антивещество можно было бы использовать в качестве источника энергии, полезной или разрушительной, как это описано в романе Дэна Брауна «Ангелы и демоны», если бы не две принципиальные проблемы. Первая заключается в необычайной дороговизне его производства, а вторая – в том, где его хранить. Любой сосуд, содержащий антивещество, должен состоять из вещества, а значит, при их контакте произойдёт немедленная аннигиляция. Предотвратить соприкосновение антивещества с веществом можно, только удерживая его в мощном магнитном поле с помощью специальных «ловушек». Такие эксперименты уже проводятся, но до практического использования антивещества ещё очень далеко. Для технических целей сейчас широко используют другую энергию – ту, которая выделяется при распаде атомного ядра. О её природе и устройстве технических приспособлений, в работе которых она участвует, вы узнаете из последующих глав учебника.