Ядерное взаимодействие

Но электроны испускались атомами, при этом они вовсе не уносили с собой отрицательный заряд, оставляя в ядрах только положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны.

Являлось ли присутствие электронов именно тем фактором, что удерживал протоны вместе?

Оказывалось ли возможным, чтобы электрическое отталкивание 2 протонов замещало притяжение, если эти электроны были достаточно сильно притянуты друг к другу?

Имели ли место как притяжение, так и отталкивание, причем последнее оказывалось более значимым при очень небольшом расстоянии? Если это так, то гипотетически предполагаемое притяжение могло иметь два свойства.

Во-первых, сила этого притяжения оказывалась необычайно мощной. Такой, что могла преодолеть отталкивание двух положительных зарядов, расположенных очень близко. Во-вторых, ее действие проявлялось только на очень небольшом расстоянии, поскольку вне ядер, то есть между свободными протонами, не наблюдалось никакого притяжения.

Кроме того, эта сила должна была действовать и на нейтроны. Ядра водорода-1 состояли из одного протона, но все ядра, содержавшие более чем 1 протон, должны были также содержать, поддерживая собственную стабильность, более чем 1 протон и определенное количество нейтронов.

До открытия нейтронов физики знали только два вида такой силы или взаимодействий: силу гравитации и электромагнитную силу. Электромагнитная сила во много раз превышала силу гравитации, она была в триллионы и триллионы раз ее сильнее.

Однако электромагнитная сила включала как притяжение (между противоположными электрическими зарядами), так и отталкивание (подобных электрических зарядов или магнитных полюсов). Если речь шла об обычных телах, то притяжение и отталкивание уравновешивали друг друга.

Вместе с тем сила гравитации включала в себя только притяжение и изменялась вместе с массой. Если речь шла о гигантских массах, таких, как масса Земли или Солнца, сила гравитации между ними и другими телами оказывалась огромной.

Как гравитационные, так и электромагнитные взаимодействия являются даль- нодействующими. Интенсивность каждого взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния. Если удвоить расстояние между Землей и Солнцем, то сила гравитационного взаимодействия уменьшится вчетверо. Если расстояние увеличивается в 10 раз, то гравитационное взаимодействие уменьшится в 100 раз. Гравитационное и электромагнитное взаимодействие может ощущаться на протяжении миллионов миль космоса.

Но теперь, после принятия протоннонейтронной теории строения ядра, физики начали задумываться о существовании еще одного вида, так называемого «ядерного взаимодействия», гораздо более мощного, чем электромагнитное взаимодействие, возможно превосходящего его в 130 раз. Более того, ядерное взаимодействие должно было очень быстро угасать по мере удаления, гораздо быстрее, чем это проис ходило при электромагнитном взаимодействии.

В этом случае протоны, находившиеся в подвижном взаимодействии внутри ядер, должны были притягиваться друг к другу, но если расстояние между ними увеличивалось настолько, что они оказывались вне ядер, то интенсивность ядерного взаимодействия уменьшалась аналогично электромагнитному отталкиванию. Теперь протон отталкивался положительным зарядом ядер и мог улететь прочь. Вот почему атомное ядро оказывалось таким крошечным, что могло удерживаться только благодаря ядерному взаимодействию.

В 1932 году Гейзенберг попытался выяснить, как могут происходить подобные взаимодействия. Он предположил, что притяжение и отталкивание есть результат действия неких частиц, которыми постоянно и быстро обмениваются тела, испытывающие притяжение и отталкивание. При определенных условиях эти «обменивающиеся частицы», очень быстро двигающиеся назад и вперед между двумя телами, могут отталкивать эти тела в сторону, а при других условиях притягивать тела друг к другу.

Если речь шла об электромагнитном взаимодействии, похоже было, что обменивающиеся частицы были «фотонами», волновыми пакетами, из которых состоят гамма-лучи, рентгеновские лучи или даже обыкновенный свет (все вместе они являлись примерами «электромагнитного излучения»), Гравитационное взаимодействие могло быть результатом действия обменных частиц, называемых с гравитонами».

Как фотон, так и гравитон имели нулевую массу покоя, а о связи между ними свидетельствовала зависимость электромагнитного и гравитационного взаимодействия от расстояния. Для ядерного взаимодействия, которое очень быстро уменьшалось с ростом расстояния, обменные частицы (если и были таковые) должны были обладать массой.

В 1935 году японский физик Хидэки Юкава (1907 — 1981) разработал детальную теорию ядерных взаимодействий. Он хотел определить, какая часть (от одной частицы) участвует в ядерном взаимодействии. Юкава решил, что частица должна обладать массой, превышающей ту, что была у электрона, примерно в 250 раз, что составляло около '/7 массы протона. Поскольку эта масса располагалась между массой электрона и протона, частицы со временем получили название мезоны (от греческого слова, означающего «взаимодействовать»).

Как только Юкава опубликовал свою теорию, начались поиски предполагаемых мезонов. Коль скоро они существуют внут ри ядер, передвигаясь назад и вперед между протонами и электронами, следовало найти возможность выбить их из ядер и начать изучать по отдельности. К сожалению, все частицы, имевшиеся в распоряжении физиков в 1930-х годах, не обладали достаточной энергией, чтобы выбить мезоны из ядер, даже если допустить, что они находились на их поверхности.

Оставалось только одно решение. В 1911 году австралийский физик Виктор Френсис Гесс (1883—1964) обнаружил, что Земля подвергается постоянному воздействию космических лучей. Они состояли из двигающихся атомных ядер (космических частиц), обладавших огромной энергией, в миллиарды раз превосходившей энергию любой элементарной частицы. Если космическая частица, обладавшая достаточной энергией, сталкивалась в атмосфере с атомным ядром, то она вполне могла выбить из него мезоны.

В 1936 году американский физик Карл Андерсон и Сет Неддермейер, изучавшие результаты бомбардировок материи космическими лучами, выявили существование частиц, обладавших промежуточной массой. Частица оказалась легче, чем предполагал Юкава, она была только в 207 раз массивнее, чем электрон. Но частица не имела других характеристик, предсказанных Юкавой. Она не вступала ни в какое нзаимодействие с ядрами.

in

Однако в 1947 году английский физик Сесил Френк Пауэлл (1903—1969) и его помощники, также изучавшие бомбардировку вещества космическими частицами, открыли еще одну промежуточную частицу, масса и остальные свойства которой соответствовали теории Юкавы.

Открытую Андерсоном частицу назвали «мю-мезон», вскоре название сократили до «мюон». Частицу, открытую Пауэллом, назвали «пи-мезон», сократив затем до «пиона». Открытие пиона подтвердило теорию Юкавы, и любые затянувшиеся сомнения в обоснованности протонно-нейтронной теории исчезли.

Фактически оказалось, что существуют две силы. Одну, связанную с пионом как меняющейся частицей, назвали «сильным взаимодействием». Другая, проявлявшаяся в эмиссии бета-частиц, стала именоваться «слабым взаимодействием», гораздо более слабым, чем электромагнитное, но более сильным, чем гравитационное.

Детальная разработка теории сильных взаимодействий позволила в дальнейшем объяснить ту огромную энергию, которая получалась в ходе ядерной реакции. Обычные химические реакции, сопровождавшиеся электронными подвижками, были связаны только с электромагнитными взаимодействиями. Ядерная энергия, связанная с перемещением частиц внутри ядер, была обусловлена более сильным ядерным взаимодействием.

ІЇМУІ кристалла чсрс.і нпішміі микроскоп. Каждая крошечная 6с.тая точка представляет один атом, каждое кольцо милигїси І рані,к> іі.ти плоскостью крім іа.іла. Увеличено в І '>()()()()() раа

Энрико Ферми (слева) и Нильс Бор, обсуждающие фп.чические проблемы но нремя прогулки но алышмекмм тропинкам н окрестностях Рима н 1931 голу

Отто Фриш

. Ііиа Мсітіс|>

ГОлпіш Макмиллан Филипп Абсльсон

I u.ia Мейтнер и Отто Хан

І ЛИС І >C 1C Л MrMCjM >(!{(( мчім