Явление уменьшения массы еще называют «упаковочным эффектом». Действительно, чем прочнее «упаковано» ядро, чем оно устойчивее, тем больше дефект массы. В таких ядрах нейтроны и протоны сильнее связаны между собой и для разрушения такого ядра приходится затрачивать больше энергии. Энергия, выделяющаяся при образовании ядра, получила название энергии связи. Величина энергии связи согласно теории А. Эйнштейна эквивалентна дефекту массы:
DE=DMc2
Эта формула Эйнштейна вытекает из принципа относительности. Оказывается, что при любой химической реакции, идущей с выделением энергии, происходит уменьшение массы веществ, участвующих в реакции, однако эта величина столь ничтожна, что заметить это уменьшение массы практически невозможно. Так, например, при сгорании 1 кг бензина выделится около 10500 ккал энергии (1кал = 4,18×107 эрг). Отсюда по формуле Эйнштейна дефект массы составит:
Нет таких чувствительных весов, чтобы заметить столь ничтожное изменение массы, составляющее около пяти стомиллионных процента веса вещества.
Иначе обстоит дело при ядерных реакциях. В этом случае реагирующие частицы обладают чрезвычайно малой массой, а количество выделяющейся энергии огромно. Так, при распаде ядер урана дефект массы составляет около 0,05%, т.е. при освобождении ядерной энергии в цепной реакции масса уменьшается на 1/2000 долю первоначальной. При реакции синтеза – слияния ядер водорода в ядро гелия – дефект массы вырастает почти вдвое, он становится равным 0,09%.
Обычно в качестве меры прочности ядра пользуются величиной энергии связи, приходящейся на 1 нуклон[1]. Для тяжелых ядер E/M=7,5Мэв, а у промежуточных ядер несколько больше – 8,6Мэв. В этом разгадка большой устойчивости ядер промежуточных элементов.
Полная энергия связи для ядра дейтрона равна примерно 2,2Мэв, а для ядра урана 1780Мэв. Энергия должна выделятся и при делении тяжелых ядер, и при слиянии легких ядер – например, при синтезе двух ядер дейтерия в ядра гелия выделяется энергия порядка 24Мэв.
Из опытов установлено, что ядерные силы являются короткодействующими, т.е. действуют на очень малых расстояниях, их радиус действия порядка 10-15-10-14м. Таким образом, радиус действия ядерных сил в 10 тыс. раз меньше радиуса атома (10-10м). Ядерные силы, действующие между нуклонами в ядре, проявляют зарядовую независимость. Другими словами, ядерное взаимодействие не зависит от заряда ядерных частиц, т.е. ядерное взаимодействие одинаково как для пары одноименно заряженных протонов, так и для пары нейтронов или пары протон-нейтрон.
Экспериментально установлено также на очень малых расстояниях сильное отталкивание между нуклонами. Чем же можно объяснить ту необычайно крепкую связь, которая существует внутри ядра? В тридцатых годах XX века, когда складывалась теория ядра, физики знали только два сорта сил: силы тяготения и силы электромагнитные. Ни одной из этих сил нельзя было объяснить связь частиц в ядре порядка 7×106эв, а энергия связи электрона в оболочке атома около 10эв, отсюда сразу видно, как велики ядерные силы по сравнению с силами, например, удерживающими электроны в атоме. Вокруг любого электрического заряда существует электрическое поле. Оно существует независимо от того, есть ли вокруг него другие заряды или нет. О наличии этого поля можно судить по тому действию, какое оно оказывает на внесенный в него другой заряд.
В масштабах микромира электромагнитное излучение не непрерывно. Излучение происходит определенными порциями энергии – квантами. «Выражение заряд создает поле» здесь наполняется иным содержание: заряд испускает кванты поля. Взаимодействие между зарядами состоит в поглощении одним зарядом квантов излучения испускаемых другим зарядом, заряды как бы обмениваются квантами поля. Итак, взаимодействие происходит путем обмена квантами поля.
Советский ученый, лауреат Нобелевской премии И.Е. Тамм в 1934г попытался объяснить ядерные силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре при помощи обмена частицами. Однако им же было показано, что ни одна из известных тогда частиц – электрон, позитрон, нейтрино – не могут объяснить количественно ядерные взаимодействия, так как дают силы порядка 1010 раз меньше, чем наблюдаемые в действительности.
Вслед за Таммом в 1935г японский физик Хидеки Юкава предложил новую гипотезу, объясняющую, как происходят ядерные взаимодействия. Юкава попытался определить, какими должны быть гипотетические частицы, чтобы с их помощью осуществлялось ядерное взаимодействие. Оказалось, что требование малого радиуса действия ядерных сил приводит к обменным частицам с массой, превышающей массу электрона примерно в 200-300 раз. Эти частицы были названы мезонами.
Усилия многих ученых были направлены на то, чтобы обнаружить частицы, предсказанные Хидеки Юкава. В тридцатых годах, когда физики еще не имели в своем распоряжении мощных ускорителей, единственным источником частиц высокой энергии служили космические лучи.
В 1937г мезоны были обнаружены экспериментально К. Андерсоном и Недермеером в космических лучах. Но и эти частицы в 207 э.м. (электронных масс), назвали мю-мезонами (m-мезоны), или мюонами, не могли рассматриваться как кванты ядерного поля.
Недостающее звено связи частиц в ядре было обнаружено лишь в 1947г С. Поуэллом. В верхних слоях атмосферы, где космические лучи встречаются с ядрами ионизированных газов, от соударений рождаются короткоживущие частицы с массой, превышающей электронную в 273 раза. Эти частицы, названные пи-мезонами (p-мезоны), или пионами, существуют около двух стомиллионных долей секунды, а затем распадаются на m-мезоны и нейтрино:
Рис 2
p+ ® m+ + n
p- ® m- + n
p0 ® g + g
Земли достигают лишь продукты их распада m-мезоны, которые и были обнаружены ранее. Время жизни p0-мезонов еще меньше, около 1,9×10-16с.
Как же p--мезоны осуществляют связь нуклонов в ядре? Нейтрон, испуская отрицательный p--мезон, превращается в протон, а соседний протон, поглощая этот p--мезон, превращается в нейтрон. Через мгновение нуклон, «обернувшийся» протоном, испускает p+-мезон и вновь становится нейтроном.
В первоначальном варианте теории Юкава предполагалось, что существуют мезоны с положительным и отрицательным зарядами, которые и определяют взаимодействие между нуклонами. Но оказалось, что между одинаковыми нуклонами (т.е. протон-протон и нейтрон-нейтрон) обменные процессы не могут осуществляться заряженными пионами. Допустим, нейтрон испускает p--мезон, тогда соседний нейтрон, поглощая его, должен был бы превратиться в антипротон точно так же, как нейтрон, испустивший p+-мезон, превратился бы в антипротон. Однако этого не происходит. Точно так же невозможен обмен заряженными p-мезонами между протонами, так как при поглощении протоном p+-мезона возникал бы протон с зарядом 2.
Оказалось, что процессы обмена у одинаковых нуклонов осуществляются при помощи нейтральных p0-мезонов. Действительно, p0-мезон очень сильно взаимодействует с ядрами. Он имеет массу 264 э.м., т.е. на 7 э.м. легче заряженного p-мезона.
Как же представить картину взаимосвязи, если при этом учитывать изменение массы нуклона? Неужели нейтрон, например, испуская p0-мезон, становится легче (1838-264=1574 э.м.), а его сосед до испускания p0-мезона был тяжелее (1838+264=2102 э.м.)? Ведь нейтрон имеет определенную массу, уменьшиться она не может. Откуда же тогда берется энергия и масса p-мезона, излучаемого нейтроном?
Дело в том, что численные значения для масс и энергий нуклонов являются средними значениями масс и энергий за сравнительно большой, по сравнению со временем обмена, промежуток времени.
Таким образом, среднее значение, массы нейтрона равно 1838,6 электронных массы. Произведение массы нейтрона на квадрат скорости света определит его энергию в 939,5Мэв. Так как промежуток времени между актами взаимодействия очень мал, то, следовательно, на некоторые мгновения масса, соответственно энергия, нуклонов может превышать свое среднее значение.
Промежуток времени между испусканием и поглощением p-мезона равен 4,7×10-24с. На это короткое время энергия как бы заимствуется из собственных ресурсов нуклонов.
На какое же расстояние может удалится p-мезон за время 4,7×10-24с, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света. Это будет расстояние, равное радиусу действия ядерных сил – 1,4×10-15м, или 1,4 ферми[2]. Суммируя все сказанное, можно записать процессы, происходящие в ядре в виде следующих реакций:
Протон распадается на нейтрон и p+-мезон:
p « n + p+
Нейтрон распадается на протон и p--мезон:
n « p + p-
Кроме того, оба они могут испускать p0-мезоны:
p « p + p0
n « n + p0
Эти первичные взаимодействия частиц с мезонным полем могут стать причиной взаимодействия между частицами. Так, взаимодействие нейтрона с протоном в этой схеме изобразится следующим образом:
p + n « n + p+ + n « n + p
и для двух нейтронов:
n + n « n + p0 + n « n + n.
2.3 Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия
В настоящее время известно сотни субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон, нейтрино.
Группа
Название частицы
Символ
Масса (в массах электрона)
Эл. заряд
Спин
Время жизни
Частица
Анитичастица
Фотоны
Фотон
Г
0
0
1
Стабилен
Лептоны
Нейтрино электронное
0
0
½
Стабильно
Нейтрино мюонное
0
0
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
