Медленные нейтроны

В тридцатых годах XX-го века одному из физиков, а именно Энрико Ферми, пришла в голову простая мысль: поскольку нейтрон не имеет электрического заряда, то он может спокойно проникать за электронные оболочки и приближаться к ядру и проникать в него. Этим он и занялся вместе с группой других итальянских физиков, из которых самым молодым был двадцатилетний Бруно Понтекорво, хорошо известный советским физикам будущий лауреат Нобелевской премии – он, будучи обманут советской пропагандой, переехал в страну победившего социализма, где и работал в закрытом городе Дубне – фактически, в тюрьме.

Задача была поставлена простая – облучать разные вещества нейтронами и смотреть – что будет происходить. И дело пошло. Неизвестные ранее изотопы разных элементов создавались десятками.

Когда нейтрон, летящий в некое ядро, которое мы в общем виде обозначим как (^N_ZX), поглощается этим ядром, будучи захвачен сильным взаимодействием, возникает изотоп (^N+1_ZX), который как правило нестабильный, несуществующий в природе. Такой изотоп немедленно начинает возвращаться в стабильное состояние, избавившись от лишнего нейтрона, но как именно атом может от него избавиться? Оттолкнуть он его никак не может – нейтрон привязан к другим нуклонам сильным взаимодействием. Но нейтрон может распасться по схеме бета-распада, и именно это и происходит. При таком β-распаде ядра возникает ядро нового элемента Y с зарядом ядра Z+1 и массовым числом N+1, то есть происходит цепочка таких реакций (здесь значком «→ β →» обозначим β-распад):

n + ^N_ZX → ^N+1_ZX →β→ ^N+1_Z+1Y + e + ύ

Это понятно, почему при распаде нейтрона из атома ^N+1_ZX получается атом ^N+1_Z+1Y? Один нейтрон исчез и появился один протон, значит массовое число не изменилось и осталось N+1, а число протонов увеличилось на один и стало равным Z+1.

(Обрати внимание – ты сейчас совершенно спокойно изучаешь термоядерные реакции и легко понимаешь фразы типа «нейтрон может распасться по схеме бета-распада с образованием элемента с массовым числом N +1», которые еще пару дней назад показались бы тебе запредельно заумными. Возникает вопрос: ну зачем люди так пишут книги по физике, что начинает тошнить и интерес умирает, едва успев родиться? Большинство физиков в самом деле плохо понимают физику, это само собой, но ведь есть же среди них талантливые люди, кто в самом деле понимает, так почему не написать так, чтобы и другие поняли? Открой любой учебник атомной физики. Вот набери в интернете «атомная физика» и открой любой учебник. Ну и такое можно читать? Можно получать удовольствие? А может те самые люди, которые все же понимают физику, не получают от нее удовольствия? И относятся к ней как к нудной работе? И это верно. Но все-таки ну должны же быть хотя бы один-два физика, которые и понимают и любят? Наверняка, но их, видимо, мало, и у них тоже есть карьера, работа, семья, дети, внуки, дача, проблемы, лень, наступающая уже после тридцати старость, болезни… Вот в итоге физика и остается неприступным бастионом. А может быть, им это и нравится – чувствовать себя понимающим человеком среди непосвященных плебеев. К сожалению, умер Айзек Азимов – один из тех немногих, который старался писать понятно и кому это удавалось. Он, как и я, был профессиональным дилетантом, а именно такая позиция приносит максимальное наслаждение при изучении чего угодно, делает кругозор беспредельно широким и жизнь, до отказа наполненную интересом, чувством тайны, предвкушением исследования и возможности поделиться своим пониманием с другими.)

В 1934 году они обнаружили, что нейтроны в сотни раз более эффективно захватываются ядрами атомов, если между мишенью и источником нейтронов поместить кусок парафина или если опустить мишень под воду (очень кстати во дворе института в Риме был бассейн с золотыми рыбаками). Ферми быстро придумал простое объяснение этому явлению: быстрые нейтроны, сталкиваясь со значительным количеством нуклонов, замедляются, а медленный нейтрон, в отличие от слишком быстрого, может спокойно подойти к ядру и быть захваченным ядром с помощью сильного взаимодействия.

Это выглядело очень необычным – ядро привыкли считать чем-то невероятно прочным, и, согласно здравому смыслу, чтобы его изменить необходимо повлиять на него чем-то очень энергичным, очень быстрым – например быстрой альфа-частицей или быстрым протоном. И ускорители были изобретены для той же цели – получить как можно более быстрые частицы для как можно более мощного воздействия на атомы. А для нейтрона все оказалось ровным счетом наоборот – чем медленнее он двигался, тем с большей легкостью возникали реакции превращения элементов. Именно это открытие проложило дорогу к созданию ядерного реактора.

Отступление… из физики!

Почему бы не делать отступления от физики в физику? То есть немного забегать вперед и рассказывать какую-то очень простую информацию, подробное разъяснение которой будет намного позже? Конечно, в результате будет складываться какая-то очень уж общая картина, и все же иногда можно получать удовольствие от созерцания общих картин, не вдаваясь в детали. Кроме того, подпитывается предвкушение узнать поскорее побольше деталей.

Кроме протона, нейтрона и электрона, физики обнаружили больше сотни других элементарных частиц, точнее – частиц, которых в начале XX века считали элементарными, то есть неделимыми. Стало ясно, что скорее всего такое разнообразие объясняется тем, что элементарные частицы (это название за ними сохранилось) в свою очередь состоят из более мелких частиц – «кварков», разная компоновка которых и дает такое разнообразие. Считается, что есть шесть разных кварков.

Протон тоже состоит из кварков. Кварки имеют дробный электрический заряд. В реальном эксперименте кварки еще не обнаружены, но когда достроят Большой Адронный Коллайдер («БАК») – скорее всего обнаружат. Кварки связаны с собой «глюонным полем» - что-то вроде облака из частичек-глюонов, которыми обмениваются кварки и таким образом удерживаются вместе.

Считается, что природа сильного взаимодействия тоже глюонная, то есть протон притягивается к протону именно потому, что притягиваются составляющие их кварки.

Интересно то, что суммарная масса кварков, составляющих протон, равна лишь 2% всей массы протона! Остальной вклад в его массу дают глюонные облака.

Если устроить столкновение двух протонов по касательной (при этом отклонение протона будет всего лишь на 1 градус), то кварки не будут затронуты этим ударом, а вот глюонное облако, как бы окутывающее их – будет. При таком столкновении возможна ситуация, при которой часть глюонного облака вырывается из протона и некоторое время живет самостоятельно, проявляя себя как отдельная частица – «померон». При этом оторванный от протона кусок глюонного облака немедленно восстанавливается, используя при этом… ту энергию, которая была затрачена на отрыв куска глюонного облака, так что закон сохранения энергии соблюдается. Померон живет очень и очень недолго, и все же он может успеть провзаимодействовать с другими частицами. Возможно, БАК позволит и помероны экспериментально зафиксировать.

Поиск по сайту: