Карта незримого. Восемь путешествий по физике элементарных частиц

Баттерворт Джон

С помощью астрономических наблюдений было установлено, что в составе Солнца есть новый элемент, ранее на Земле не известный, выявленный благодаря особым частотам излучаемого света. Этот элемент был назван гелием в честь Гелиоса – греческого бога Солнца. Позже этот элемент был замечен в газах, испускаемых Везувием.

В 1895 году шведские химики Пер Теодор Клеве и Нильс Абрахам Ланглет отметили, что такой же газ выделяется в результате растворения некоторых минералов в кислоте, и смогли достаточно хорошо изолировать этот газ, чтобы измерить его атомную массу.

Джон Дальтон – химик, физик и метеоролог, который жил и работал в XIX веке в Манчестере, провел серию чрезвычайно точных экспериментов [14] . Эти эксперименты состояли в комбинировании, взаимодействии и взвешивании разных газов и других веществ. В результате было установлено, что некоторые материалы, вовлеченные в разные химические реакции, всегда сочетаются в некоторых фиксированных пропорциях. Предположение ученого состояло в том, что реакции взаимодействия

на самом деле происходят между крошечными составляющими каждого вещества. Эти крошечные «кирпичики» обладали, по его мнению, способностью объединяться и распадаться вполне определенным способом для образования новых устойчивых «кирпичиков» уже какого-то нового вещества.

14

Сложно удержаться от мысли о том, что таким образом он пытался отвлечься от изучения хмурой манчестерской погоды.

Так, двуокись углерода состоит из комбинации двух частей кислорода и одной части углерода. Вода может быть сделана из двух частей водорода и одной части кислорода. Если использовать правильное соотношение, то исходные вещества полностью превратятся в новое вещество. Если вы ошибетесь, то обнаружите какой-то остаток после процессов взаимодействия.

В 1869 году русский химик Дмитрий Иванович Менделеев упорядочил все известные элементы в соответствии с их химическими свойствами и поместил их в периодическую таблицу. Эта таблица представляла собой нечто гораздо большее, чем просто удобный способ перечислить элементы. Дело в том, что группировка элементов по их способности взаимодействовать с другими элементами и по их массам, как это сделал Менделеев, помогла выявить глубокую закономерность, отражающую внутреннюю структуру атомов. Более того, периодическая система Менделеева обладала предсказательной силой, т. е. могла предсказывать существование новых, еще не открытых элементов и заранее описывать их свойства: пробелы в первоначальной таблице указывали на «недостающие» элементы, которые были обнаружены позже. Эта таблица есть «стандартная модель» химии – в том смысле, что она служит истоком стандартной модели физики элементарных частиц.

Наше исследование земли Атома показало, что вещества, окружающие нас в обыденной жизни, на самом деле обладают сложной и красивой структурой, подчиняющейся определенным закономерностям. Они демонстрируют нам чрезвычайно занимательное поведение, которое хотелось бы понять лучше. Но в какую сторону бы мы ни пошли по земле Атома, кого бы мы там ни спросили – все подтвердят, что для глубокого понимания сути вещей (экономики, экологии, взаимоотношений между обитателями) мы обязательно должны вернуться морем в порт Электрон.

VI. В недрах атома. Электрон

Позже, совершив небольшое морское путешествие назад и повторив наш прежний путь, мы снова швартуемся в порту Электрон. Мы пренебрегли уроком, данным нам лоцманом, но наш краткий визит в землю Атома показал, что нужно искать ответы здесь, в этом порту, прежде, чем углубляться в дебри земли Атома. Мы высаживаемся, надеясь избежать встречи со знакомым нам лоцманом, и рассредотачиваемся для получения дополнительной информации.

И вот что мы узнаем. Электрон – первая обнаруженная субатомная частица. Эти крошечные объекты впервые наблюдались как пучки так называемых катодных лучей – странного излучения, испускаемого металлами при нагреве. Некоторые исследователи считали, что эти лучи состоят из частиц, другие же полагали, что речь идет о распространении волн в эфире. Спустя два десятилетия после открытия этих частиц Дж. Дж. Томсон, работавший в Кембридже, в 1897 году утвердил статус электронов именно как частиц. Дело в том, что частицы имеют определенные массу и электрический заряд, из чего, в частности, следует, что отношение массы и заряда тоже имеет определенное значение. Чтобы доказать, что катодные лучи состоят из частиц, Томсон должен был показать, что отношение массы к заряду всегда одинаково, независимо от того, какой материал был использован в качестве источника катодных лучей. Положительный ответ послужил бы критерием того, что электрон – действительно частица. Первым ключевым доказательством стал тот факт, что катодные лучи отклонялись в электрическом и магнитном полях именно таким образом, как это ожидалось для пучка заряженных частиц. Ни одна волна, известная в то время, не являлась переносчиком заряда, и поэтому это могло считаться хоть и косвенным, но сильным доказательством в пользу трактовки электрона как частицы. Вторую часть доказательства Томсон получил, изучив, как ведет себя в вакууме траектория пучка катодных лучей под действием электрического и магнитного полей. Томсон смог настроить поля таким образом, что они взаимно компенсировали друг друга. Путем такого регулирования можно было получить на выходе скорость пучка [15] .

15

Действующая на частицу магнитная сила зависит как от скорости этой частицы, так и от ее заряда, тогда как электрическая сила зависит только от заряда частицы. Следовательно, если добиться равенства магнитной и электрической сил, неизвестное значение заряда может быть удалено из соответствующих уравнений путем алгебраических преобразований – таким образом можно вычислить скорость частицы.

Наконец, поскольку скорость известна, магнитное поле можно отключить, и степень отклонения пучка в электрическом поле поможет определить отношение заряда к массе [16] . Как отметил Томсон, для электрона отношение заряда к массе примерно в две тысячи раз больше, чем соответствующее соотношение для иона водорода, который представляет собой одиночный протон – легчайшую частицу из известных на тот момент. Сказанное означает, что или заряд электрона сильно превышает заряд протона, или масса электрона гораздо меньше массы протона.

16

Знать скорость чрезвычайно важно, поскольку ее величина расскажет, как долго действовала на электроны электрическая сила при прохождении пучка между двумя пластинами. Степень отклонения пучков прямо пропорциональна величине заряда (больший заряд означает более продолжительное действие силы и, следовательно, большее отклонение пучка) и обратно пропорциональна массе (большая масса означает большую инертность и, следовательно, меньшее отклонение пучка). Таким образом, отклонение пучка определяется отношением заряда к массе.

Существует много способов выяснить, какое из двух предположений верно. Вероятно, наш старый друг лоцман, попадись мы ему снова, захотел бы нас подразнить и предложил бы подвешивать в электрическом поле маленькие заряженные сферы. Электростатическая сила, действующая на заряженную сферу, зависит как от напряженности электрического поля, так и от наведенного электрического заряда сферы. Если сфера неподвижна (не падает и не поднимается), то электростатическая сила должна в точности компенсировать гравитационную силу, зависящую от массы сферы. Таким образом, если напряженность поля и масса сферы известны, то заряд может быть вычислен. Производя такие измерения и расчеты много раз, можно увидеть, что заряд сферы всегда кратен небольшой величине, которую будем называть e. Сферы могут нести заряд e, или 2e, или 3e, или сотни e, но никогда не половину e или еще какую-то дробную часть этой величины, называемой «заряд электрона» [17] .

17

Это очень кропотливый эксперимент, тем более что для него берут капли масла, а не сферы, которые первоначально были в распоряжении американского физика Роберта Милликана в 1910 году. Эксперимент проводится до сих пор, в основном безуспешно, во многих лабораториях – силами щурящихся и нетерпеливых аспирантов.

Результатом всех этих доказательств стало утверждение о существовании крошечной частицы электрона, обладающей определенными массой и зарядом. Поскольку электроны намного меньше атомов, то разумно предположить, что прежде чем сформировать катодные лучи, они обитают где-то внутри атомов. Вот теперь мы действительно готовы вернуться на землю Атома и начать исследование ее внутренних областей.

VII. Ядерные свойства

Знания, добытые нами в порту Электрон, позволяют нам уверенно ступить на землю Атома с готовностью понять некоторые особенности, которые мы там обнаружим. Но внутри атома должно ведь быть и что-то еще, помимо электронов. Электроны очень легкие по сравнению с целым атомом, и что-то должно отвечать за оставшуюся большую часть массы. Кроме того, атомы электрически нейтральны и, следовательно, в атоме должно быть что-то, несущее положительный заряд, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов. Что же это может быть за дополнительная составляющая атома и как по отношению к ней распределены электроны?

Первые инструменты, необходимые для дальнейшего исследования атома, были получены при открытии явления радиоактивности. Земля Атома лежит восточнее, а значит, для похода туда нам нужны более высокие энергии, чем те, что могут обеспечить нежные катодные лучи. К счастью, по причинам, которые станут ясны позднее, некоторые элементы испускают естественное радиоактивное излучение, и его энергия может быть весьма высока. Это и будет нашим средством передвижения, который поможет проникнуть в земли Атома.

Одна из наиболее распространенных естественных форм радиоактивного излучения – это альфа-частицы [18] . «Ударный десантный отряд» в составе Ганса Гейгера, Вальтера Мюллера и Эрнеста Резерфорда (снова в Манчестере) в результате решительных действий добился значительных – для того времени – успехов при разведке земель Атома. Ученые использовали пучок альфа-частиц, полученных в результате радиоактивного распада недавно обнаруженного тогда химического элемента радона, для бомбардировки атомов золота. Относительно высокая энергия альфа-частиц означает, что они в принципе пригодны для исследования мельчайших особенностей внутри атома. Идея заключалась в том, что альфа-частицы должны были отклоняться этими «субатомными особенностями», которые находились внутри атомов золота. Анализируя углы рассеяния и отмечая, насколько часто происходят такие рассеяния, можно изучить детали внутренней структуры атома.

18

Другая форма – это бета-частицы, то есть электроны, и гамма-лучи, то есть фотоны.