Atom bombasının büyük dedesi. Uranyum nükleer fisyonu

6. Atom altı parçacıkların dünyası

Atomun bölünmesi

Genellikle iki tür bilimin olduğu söylenir: büyük bilimler ve küçük bilimler. Atomu parçalamak büyük bir bilimdir. Devasa deney tesislerine, muazzam bütçelere sahip ve Nobel Ödüllerinden aslan payını alıyor.

Fizikçiler neden atomu bölme ihtiyacı duydular? Basit cevap -atomun nasıl çalıştığını anlamak- gerçeğin yalnızca bir kısmını içeriyor, ancak daha genel bir neden var. Atomun parçalanmasından tam anlamıyla bahsetmek tamamen doğru değil. Gerçekte yüksek enerjili parçacıkların çarpışmasından bahsediyoruz. Yüksek hızlarda hareket eden atom altı parçacıklar çarpıştığında yeni bir etkileşimler ve alanlar dünyası doğar. Çarpışmalardan sonra dağılan, muazzam bir enerji taşıyan madde parçacıkları, “dünyanın yaratılışından” beri atomun derinliklerinde gömülü kalan doğanın sırlarını gizliyor.

Yüksek enerjili parçacıkların çarpıştığı tesisler (parçacık hızlandırıcıları) boyutları ve maliyetleri açısından dikkat çekicidir. Genişlikleri birkaç kilometreye ulaşıyor ve parçacık çarpışmalarını inceleyen laboratuvarlar bile kıyaslandığında küçük kalıyor. Diğer alanlarda bilimsel araştırma ekipman laboratuvarda bulunur; yüksek enerji fiziğinde laboratuvarlar hızlandırıcıya bağlanır. Son zamanlarda, Cenevre yakınlarında bulunan Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN), bir halka hızlandırıcı inşa etmek için birkaç yüz milyon dolar ayırdı. Bu amaçla inşa edilen tünelin çevresi 27 kilometreye ulaşıyor. LEP (Büyük Elektron-Pozitron halkası) olarak adlandırılan hızlandırıcı, elektronları ve onların antipartiküllerini (pozitronları) ışık hızından yalnızca bir kıl uzaklığındaki hızlara hızlandırmak için tasarlanmıştır. Enerjinin ölçeği hakkında bir fikir edinmek için, elektronlar yerine bir kuruşluk madalyonun bu hızlara hızlandırıldığını hayal edin. Hızlanma döngüsünün sonunda 1.000 milyon dolar değerinde elektrik üretmeye yetecek enerjiye sahip olacak! Bu tür deneylerin genellikle "yüksek enerji" fiziği olarak sınıflandırılması şaşırtıcı değildir. Halkanın içinde birbirlerine doğru hareket eden elektron ve pozitron ışınları, kafa kafaya çarpışmalara maruz kalır; bu çarpışmalarda elektronlar ve pozitronlar yok olur ve düzinelerce başka parçacık oluşturmaya yetecek kadar enerji açığa çıkar.

Bu parçacıklar nelerdir? Bunlardan bazıları, inşa edildiğimiz “yapı taşlarıdır”: atom çekirdeğini oluşturan protonlar ve nötronlar ve çekirdeklerin etrafında dönen elektronlar. Diğer parçacıklar genellikle etrafımızdaki maddede bulunmaz: Ömürleri son derece kısadır ve süreleri dolduktan sonra sıradan parçacıklara ayrılırlar. Bu tür kararsız, kısa ömürlü parçacıkların çeşitlerinin sayısı şaşırtıcıdır: bunlardan birkaç yüz tanesi zaten bilinmektedir. Yıldızlar gibi kararsız parçacıklar da adlarıyla tanımlanamayacak kadar çoktur. Birçoğu yalnızca Yunanca harflerle, bazıları ise yalnızca sayılarla gösterilir.

Tüm bu çok sayıda ve çeşitli kararsız parçacıkların hiçbir şekilde gerçek anlamda parçacıklar olmadığını akılda tutmak önemlidir. bileşenler protonlar, nötronlar veya elektronlar. Çarpışma sırasında yüksek enerjili elektronlar ve pozitronlar birçok atom altı parçaya dağılmaz. Açıkça başka nesnelerden (kuarklardan) oluşan yüksek enerjili protonların çarpışmalarında bile, kural olarak, alışılmış anlamda bileşen parçalarına bölünmezler. Bu tür çarpışmalarda meydana gelen şeyin, çarpışmanın enerjisinden doğrudan yeni parçacıkların yaratılması olarak görülmesi daha doğru olur.

Yaklaşık yirmi yıl önce fizikçiler, sonu yokmuş gibi görünen yeni atom altı parçacıkların sayısı ve çeşitliliği karşısında tamamen şaşkına dönmüşlerdi. Anlamak imkansızdı Ne içinçok fazla parçacık. Belki, temel parçacıklarörtülü aile bağları açısından hayvanat bahçesi sakinlerine benzerler, ancak net bir sınıflandırma yoktur. Ya da belki de bazı iyimserlerin inandığı gibi temel parçacıklar evrenin anahtarını elinde tutuyordur? Fizikçiler tarafından gözlemlenen parçacıklar nelerdir: önemsiz ve rastgele madde parçaları mı yoksa gözlerimizin önünde ortaya çıkan, nükleer altı dünyanın zengin ve karmaşık bir yapısının varlığına işaret eden belli belirsiz algılanan bir düzenin ana hatları mı? Artık böyle bir yapının varlığından şüphe yok. Mikrodünyanın derin ve rasyonel bir düzeni vardır ve tüm bu parçacıkların anlamını anlamaya başlarız.

Mikro dünyayı anlama yolunda ilk adım, tıpkı 18. yüzyılda olduğu gibi, bilinen tüm parçacıkların sistemleştirilmesi sonucu atıldı. biyologlar bitki ve hayvan türlerinin ayrıntılı kataloglarını derlediler. Atom altı parçacıkların en önemli özellikleri kütle, elektrik yükü ve spindir.

Kütle ve ağırlık ilişkili olduğundan, yüksek kütleli parçacıklara genellikle "ağır" adı verilir. Einstein'ın ilişkisi E =mc^ 2, bir parçacığın kütlesinin enerjisine ve dolayısıyla hızına bağlı olduğunu gösterir. Hareketli bir parçacık, sabit olandan daha ağırdır. Bir parçacığın kütlesinden bahsettiklerinde bunu kastediyorlar dinlenme kütlesi,çünkü bu kütle hareket durumuna bağlı değildir. Durağan kütlesi sıfır olan bir parçacık ışık hızında hareket eder. Sıfır dinlenme kütlesine sahip bir parçacığın en belirgin örneği fotondur. Elektronun sıfır olmayan dinlenme kütlesine sahip en hafif parçacık olduğuna inanılmaktadır. Proton ve nötron yaklaşık 2.000 kat daha ağırdır; laboratuvarda oluşturulan en ağır parçacık (Z parçacığı) ise elektronun kütlesinin yaklaşık 200.000 katıdır.

Parçacıkların elektrik yükü oldukça dar bir aralıkta değişir, ancak belirttiğimiz gibi her zaman temel yük biriminin katıdır. Fotonlar ve nötrinolar gibi bazı parçacıkların elektrik yükü yoktur. Pozitif yüklü bir protonun yükü +1 alınırsa elektronun yükü -1 olur.

Ch'de. 2'de parçacıkların başka bir özelliğini tanıttık: spin. Ayrıca her zaman bazı temel birimlerin katları olan değerleri de alır ve tarihsel nedenlerden dolayı bu değer 1 olarak seçilmiştir. /2. Böylece proton, nötron ve elektronun bir spini vardır. 1/2, ve fotonun spini 1'dir. Spini 0, 3/2 ve 2 olan parçacıklar da bilinmektedir. Temel parçacıklar spini 2'den büyük olan parçacıklar bulunamamıştır ve teorisyenler bu tür spinlere sahip parçacıkların var olmadığına inanmaktadırlar.

Parçacık dönüşü - önemli karakteristik ve boyutlarına bağlı olarak tüm parçacıklar iki sınıfa ayrılır. Spinleri 0, 1 ve 2 olan parçacıklar, Hintli fizikçi Chatyendranath Bose'un anısına "bozonlar" olarak adlandırılır ve yarım tamsayı spinli parçacıklar (yani spini 1/2 veya 3/2 olan) - Enrico Fermi'nin onuruna "fermiyonlar". Bu iki sınıftan birine ait olmak, bir parçacığın özellikleri listesinde muhtemelen en önemlisidir.

Bir parçacığın bir diğer önemli özelliği ömrüdür. Yakın zamana kadar elektronların, protonların, fotonların ve nötrinoların kesinlikle kararlı olduğuna inanılıyordu. sonsuz uzun bir ömre sahiptir. Nötron çekirdekte "kilitli" olduğu sürece sabit kalır, ancak serbest bir nötron yaklaşık 15 dakika içinde bozunur. Bilinen tüm diğer parçacıklar son derece kararsızdır; ömürleri birkaç mikrosaniyeden 10-23 saniyeye kadar değişir. Bu tür zaman aralıkları akıl almaz derecede küçük görünüyor, ancak ışık hızına yakın bir hızla uçan bir parçacığın (ve hızlandırıcılarda doğan parçacıkların çoğu tam olarak bu hızlarda hareket eder) bir mikrosaniyede 300 m'lik bir mesafeyi uçmayı başardığını unutmamalıyız.

Kararsız parçacıklar bir kuantum süreci olan bozunuma uğrarlar ve bu nedenle bozunmada her zaman bir öngörülemezlik unsuru bulunur. Belirli bir parçacığın ömrü önceden tahmin edilemez. İstatistiksel değerlendirmelere dayanarak yalnızca ortalama ömür tahmin edilebilir. Genellikle bir parçacığın yarı ömründen, yani aynı parçacıkların popülasyonunun yarı yarıya azaldığı süreden bahsederler. Deney, popülasyon büyüklüğündeki azalmanın üstel olarak gerçekleştiğini (bkz. Şekil 6) ve yarı ömrün ortalama yaşam süresinin 0,693'ü olduğunu göstermektedir.

Fizikçilerin şu veya bu parçacığın var olduğunu bilmesi yeterli değildir; onun rolünün ne olduğunu anlamaya çalışırlar. Bu sorunun cevabı yukarıda sıralanan parçacıkların özelliklerine ve ayrıca parçacığa dışarıdan ve içeriden etki eden kuvvetlerin doğasına bağlıdır. Her şeyden önce, bir parçacığın özellikleri onun güçlü etkileşimlere katılma yeteneği (veya yetersizliği) ile belirlenir. Güçlü etkileşimlere katılan parçacıklar özel bir sınıf oluşturur ve bunlara denir. andronlar. Zayıf etkileşimlere katılan ve güçlü etkileşimlere katılmayan parçacıklara denir. leptonlar,"akciğerler" anlamına gelir. Bu ailelerin her birine kısaca göz atalım.

Leptonlar

Leptonların en iyi bilineni elektrondur. Tüm leptonlar gibi, temel, noktaya benzer bir nesne gibi görünüyor. Bilindiği kadarıyla elektronun herhangi bir iç yapısı yoktur. başka parçacıklardan oluşmaz. Leptonların elektrik yükü olsun ya da olmasın, hepsi aynı dönüşe sahiptir. 1/2, bu nedenle fermiyonlar olarak sınıflandırılırlar.

Bir diğer iyi bilinen lepton ise nötrinodur. Daha önce Bölüm'de bahsedildiği gibi. 2, nötrinolar hayaletler kadar yakalanması zor. Nötrinolar ne güçlü ne de elektromanyetik etkileşimlere katılmadıkları için maddeyi neredeyse tamamen görmezden gelirler ve sanki madde orada yokmuş gibi onun içine nüfuz ederler. Nötrinoların uzun süredir yüksek nüfuz etme kabiliyeti, onların varlığının deneysel olarak doğrulanmasını çok zorlaştırdı. Nötrinoların nihayet laboratuvarda keşfedileceği tahmin edilmesinin üzerinden neredeyse otuz yıl geçti. Fizikçiler, çok sayıda nötrinonun yayıldığı nükleer reaktörlerin yaratılmasını beklemek zorunda kaldılar ve ancak o zaman bir parçacığın çekirdekle kafa kafaya çarpışmasını kaydedebildiler ve böylece onun gerçekten var olduğunu kanıtlayabildiler. Hızlandırıcıdaki parçacıkların bozunması sonucu ortaya çıkan ve gerekli özelliklere sahip olan nötrino ışınlarıyla günümüzde çok daha fazla deney yapmak mümkün. Nötrinoların büyük çoğunluğu hedefi "görmezden gelir", ancak zaman zaman nötrinolar hala hedefle etkileşime girer ve bu da hedefin elde edilmesini mümkün kılar. kullanışlı bilgi diğer parçacıkların yapısı ve zayıf etkileşimin doğası hakkında. Elbette nötrinolarla deney yapmak, diğer atom altı parçacıklarla yapılan deneylerden farklı olarak özel bir koruma kullanılmasını gerektirmiyor. Nötrinoların nüfuz etme gücü o kadar büyüktür ki, tamamen zararsızdırlar ve insan vücuduna en ufak bir zarar vermeden geçebilirler.

Nötrinolar, soyut olmalarına rağmen bilinen diğer parçacıklar arasında özel bir konuma sahiptirler çünkü evrende en bol bulunan parçacıklardır ve elektron ve proton sayılarından bir milyarda bir oranında fazladırlar. Evren esasen, ara sıra atom şeklinde kapanımlar içeren bir nötrino denizidir. Nötrinoların toplam kütlesinin yıldızların toplam kütlesini aşması bile mümkündür ve bu nedenle kozmik yerçekimine asıl katkıyı sağlayanlar nötrinolardır. Bir grup Sovyet araştırmacıya göre, nötrinoların çok küçük ama sıfır olmayan bir dinlenme kütlesi var (bir elektronun kütlesinin on binde birinden daha az); eğer bu doğruysa, o zaman kütleçekimsel nötrinolar Evren'e hakim oluyor ve bu da gelecekte onun çökmesine neden olabilir. Böylece, ilk bakışta en “zararsız” ve cisimsiz parçacıklar olarak görülen nötrinolar, tüm Evrenin çökmesine neden olabilecek kapasitededir.

Diğer leptonların yanı sıra, 1936'da kozmik ışınların etkileşimi sonucu keşfedilen müondan da bahsetmek gerekir; bilinen ilk kararsız atom altı parçacıklardan biri olduğu ortaya çıktı. Kararlılık dışında her bakımdan müon bir elektrona benzer: aynı yüke ve dönüşe sahiptir, aynı etkileşimlere katılır ancak daha büyük bir kütleye sahiptir. Saniyenin yaklaşık iki milyonda biri kadar bir sürede müon bir elektrona ve iki nötrinoya bozunur. Müonlar doğada yaygındır ve Dünya yüzeyinde bir Geiger sayacı tarafından tespit edilen arka plan kozmik radyasyonunun önemli bir kısmını oluşturur.

Uzun yıllar boyunca elektron ve müon bilinen tek yüklü leptonlar olarak kaldı. Daha sonra 1970'lerin sonlarında tau lepton adı verilen üçüncü bir yüklü lepton keşfedildi. Yaklaşık 3500 elektron kütlesindeki kütlesiyle tau leptonu, yüklü lepton üçlüsünün "ağır siklet"idir, ancak diğer tüm açılardan bir elektron ve bir müon gibi davranır.

Bilinen leptonların bu listesi hiçbir şekilde tükenmez. 60'lı yıllarda nötrinoların çeşitli türlerinin olduğu keşfedildi. Bir nötronun bozunması sırasında bir tür nötrino bir elektronla birlikte doğar ve bir müonun doğuşu sırasında başka bir tür nötrino doğar. Her nötrino türü, kendi yüklü leptonuyla çiftler halinde bulunur; bu nedenle bir "elektron nötrinosu" ve bir "müon nötrinosu" vardır. Büyük olasılıkla, tau leptonun doğuşuna eşlik eden üçüncü tip bir nötrino da olmalı. Bu durumda toplam sayısı Nötrinoların üç çeşidi vardır ve toplam lepton sayısı altıdır (Tablo 1). Elbette her leptonun kendi antiparçacığı vardır; dolayısıyla farklı leptonların toplam sayısı on ikidir.

tablo 1

Altı lepton, yüklü ve nötr modifikasyonlara karşılık gelir (antipartiküller tabloya dahil edilmemiştir). Kütle ve yük sırasıyla elektron kütlesi ve yükü birimleriyle ifade edilir. Nötrinoların düşük kütleye sahip olabileceğine dair kanıtlar var

Hadronlar

Bilinen bir avuç leptonun aksine, kelimenin tam anlamıyla yüzlerce hadron vardır. Tek başına bu bile hadronların temel parçacıklar olmadığını, daha küçük bileşenlerden oluştuğunu gösteriyor. Tüm hadronlar güçlü, zayıf ve yerçekimsel etkileşimlere katılırlar, ancak iki türde bulunurlar: elektrik yüklü ve nötr. Hadronlar arasında en ünlüsü ve en yaygın olanı nötron ve protondur. Geri kalan hadronlar kısa ömürlüdür ve zayıf etkileşim nedeniyle saniyenin milyonda birinden daha az bir sürede veya güçlü etkileşim nedeniyle çok daha hızlı (10-23 saniyelik bir sürede) bozunurlar.

1950'lerde fizikçiler hadronların sayısı ve çeşitliliği karşısında son derece şaşkına dönmüşlerdi. Ancak yavaş yavaş parçacıklar üç önemli özelliğe göre sınıflandırıldı: kütle, yük ve dönüş. Yavaş yavaş düzenin işaretleri ortaya çıkmaya ve net bir tablo ortaya çıkmaya başladı. Verilerdeki görünürdeki kaosun arkasında simetrilerin gizlendiğine dair ipuçları var. Hadronların gizemini çözmede belirleyici bir adım, 1963 yılında Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nden Murray Gell-Mann ve George Zweig'in kuark teorisini önermesiyle atıldı.

Şekil 10 Hadronlar kuarklardan oluşur. Bir proton (üstte) iki yukarı kuarktan ve bir d kuarktan oluşur. Daha hafif pion (altta), bir u-kuark ve bir d-antikuarktan oluşan bir mezondur. Diğer hadronlar kuarkların çeşitli kombinasyonlarından oluşur.

Bu teorinin ana fikri çok basittir. Tüm hadronlar daha fazla maddeden yapılmıştır ince parçacıklar kuarklar denir. Kuarklar birbirlerine iki olası yoldan biriyle bağlanabilirler: ya üçlü olarak ya da kuark-antikuark çiftleri halinde. Nispeten ağır parçacıklar üç kuarktan oluşur: baryonlar,"ağır parçacıklar" anlamına gelir. En iyi bilinen baryonlar nötron ve protondur. Daha hafif kuark-antikuark çiftleri, adı verilen parçacıkları oluşturur. mezonlar -"ara parçacıklar". Bu ismin seçimi, ilk keşfedilen mezonların kütle bakımından elektronlar ve protonlar arasında bir ara pozisyonda bulunmasıyla açıklanmaktadır. O zamanlar bilinen tüm hadronları hesaba katmak için Gell-Mann ve Zweig, oldukça gösterişli isimler alan üç farklı kuark tipini (“tat”) tanıttılar: Ve(itibaren yukarı-üst), D(itibaren aşağı - daha düşük) ve s (dan garip- garip). Çeşitli tat kombinasyonlarının olasılığını hesaba katarak çok sayıda hadronun varlığı açıklanabilir. Örneğin bir proton iki parçadan oluşur Ve- ve bir d-kuark (Şekil 10) ve nötron iki d-kuark ve bir u-kuarktan oluşur.

Gell-Mann ve Zweig'in öne sürdüğü teorinin etkili olabilmesi için kuarkların kesirli bir elektrik yükü taşıdığını varsaymak gerekiyor. Başka bir deyişle, değeri temel birimin (elektron yükünün) 1/3'ü veya 2/3'ü kadar olan bir yüke sahiptirler. İki ve üç kuarkın birleşiminin toplam yükü sıfır veya bir olabilir. Tüm kuarkların spini 1/2'dir. bu nedenle fermiyonlar olarak sınıflandırılırlar. Bir hadrondaki bağlanma enerjileri kuarkların kütleleriyle karşılaştırılabilir olduğundan kuarkların kütleleri diğer parçacıkların kütleleri kadar kesin olarak belirlenemez. Ancak s-kuarkın daha ağır olduğu biliniyor Ve- ve d-kuarklar.

Hadronların içinde kuarklar, bir atomun uyarılmış durumlarına çok benzer şekilde, ancak çok daha yüksek enerjilere sahip, uyarılmış durumda olabilirler. Uyarılmış bir hadronun içerdiği aşırı enerji, kütlesini o kadar artırır ki, kuark teorisinin yaratılmasından önce fizikçiler, yanlışlıkla uyarılmış hadronları tamamen farklı parçacıklar olarak kabul ediyorlardı. Görünüşte farklı hadronların çoğunun aslında aynı temel kuark kümesinin yalnızca uyarılmış durumları olduğu artık tespit edilmiştir.

Daha önce Bölüm'de bahsedildiği gibi. Şekil 5'te kuarklar güçlü etkileşimle bir arada tutulur. Ama aynı zamanda zayıf etkileşimlere de katılıyorlar. Zayıf etkileşim kuarkın tadını değiştirebilir. Nötron bozunması bu şekilde gerçekleşir. Nötrondaki d-kuarklardan biri u-kuark'a dönüşür ve fazla yük, aynı anda doğan elektronu da alıp götürür. Benzer şekilde zayıf etkileşim, tadı değiştirerek diğer hadronların bozunmasına yol açar.

S-kuarkların varlığı, 50'li yılların başında keşfedilen "garip" parçacıkların (ağır hadronlar) yapımı için gereklidir. Adını da akla getiren bu parçacıkların alışılmadık davranışı, hem kendileri hem de bozunma ürünleri hadron olmasına rağmen güçlü etkileşimler nedeniyle bozunamamasıydı. Fizikçiler, eğer hem anne hem de kız parçacıkları hadron ailesine aitse, güçlü kuvvetin neden onların bozunmasına neden olmadığı konusunda kafalarını karıştırdılar. Bazı nedenlerden dolayı bu hadronlar çok daha az yoğun olan zayıf etkileşimi "tercih etti". Neden? Kuark teorisi doğal olarak bu gizemi çözdü. Güçlü etkileşim kuarkların tadını değiştiremez; bunu yalnızca zayıf etkileşim yapabilir. Ve tatta hiçbir değişiklik olmadan, s-kuarkın dönüşümüyle birlikte Ve- veya d-kuark, bozunma imkansızdır.

Masada Şekil 2, üç çeşnili kuarkların çeşitli olası kombinasyonlarını ve adlarını (genellikle sadece bir Yunan harfi) göstermektedir. Çok sayıda uyarılmış durum gösterilmemiştir. Bilinen tüm hadronların üç temel parçacığın çeşitli kombinasyonlarından elde edilebilmesi, kuark teorisinin ana zaferini simgeliyordu. Ancak bu başarıya rağmen yalnızca birkaç yıl sonra kuarkların varlığına dair doğrudan fiziksel kanıtlar elde etmek mümkün oldu.

Bu kanıt, 1969'da Stanford'daki (Kaliforniya, ABD) - SLAC'daki büyük doğrusal hızlandırıcıda yürütülen bir dizi tarihi deneyle elde edildi. Stanford deneycileri basitçe mantık yürüttüler. Protonda gerçekten kuarklar varsa, protonun içindeki bu parçacıklarla çarpışmalar gözlemlenebilir. İhtiyaç duyulan tek şey doğrudan protonun derinliklerine yönlendirilebilecek nükleer altı bir “mermi”. Protonla aynı boyutlara sahip olduğundan bu amaçla başka bir hadron kullanmak faydasız. İdeal bir mermi, elektron gibi bir lepton olacaktır. Elektron güçlü etkileşime katılmadığı için kuarkların oluşturduğu ortamda “sıkışmayacak”. Aynı zamanda elektron kuarkların varlığını da hissedebilmektedir. elektrik şarjı.

Tablo 2

Kuarkların üç türü, u, d ve s, +2/3, -1/3 ve -1/3 yüklerine karşılık gelir; tabloda gösterilen sekiz baryonu oluşturmak için üçlü olarak birleşirler. Kuark-antikuark çiftleri mezonları oluşturur. (Sss gibi bazı kombinasyonlar atlanmıştır.)

Stanford deneyinde, üç kilometrelik hızlandırıcı esasen bir protonun içinin görüntülerini üreten dev bir elektron "mikroskopu" görevi gördü. Geleneksel bir elektron mikroskobu santimetrenin milyonda birinden daha küçük ayrıntıları ayırt edebilir. Öte yandan bir proton, birkaç on milyonlarca kat daha küçüktür ve yalnızca 2,1010 eV enerjiye kadar hızlandırılan elektronlar tarafından "incelenebilir". Stanford deneyleri sırasında, kuarkların basitleştirilmiş teorisine bağlı kalan çok az fizikçi vardı. Çoğu bilim adamı, elektronların protonların elektrik yükleri tarafından saptırılacağını bekliyordu, ancak yükün proton içinde eşit olarak dağıldığı varsayıldı. Eğer gerçekten böyle olsaydı, o zaman esas olarak zayıf elektron saçılması meydana gelirdi; Elektronlar protonlardan geçerken güçlü sapmalara maruz kalmazlar. Deney, saçılma modelinin beklenenden keskin bir şekilde farklı olduğunu gösterdi. Her şey, sanki bazı elektronlar küçük katı kalıntılara uçuyor ve onlardan en inanılmaz açılardan sekiyormuş gibi oldu. Artık protonların içindeki bu tür katı kalıntıların kuark olduğunu biliyoruz.

1974 yılında, o zamana kadar teorisyenler arasında kabul görmüş olan kuark teorisinin basitleştirilmiş versiyonu hassas bir darbe aldı. Birkaç gün arayla, iki grup Amerikalı fizikçi - biri Stanford'da Barton Richter liderliğinde, diğeri ise Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda Samuel Ting liderliğinde - bağımsız olarak psi parçacığı adı verilen yeni bir hadronun keşfini duyurdu. Kendi başına, yeni bir hadronun keşfi, tek bir durum olmasa bile pek kayda değer olmazdı: Gerçek şu ki, kuark teorisinin önerdiği şemada tek bir yeni parçacığa yer yoktu. Yukarı, d ve s kuarkların ve bunların antikuarklarının olası tüm kombinasyonları zaten "tükenmiştir." Bir psi parçacığı nelerden oluşur?

Bir süredir havada olan bir fikre başvurarak sorun çözüldü: Daha önce kimsenin fark etmediği dördüncü bir koku olmalı. Yeni kokunun zaten bir adı vardı - çekicilik (çekicilik) veya s. Bir psi parçacığının bir c-kuark ve bir c-antikuarktan (c) oluşan bir mezon olduğu ileri sürülmüştür; cc. Antikuarklar anti-lezzet taşıyıcıları olduğundan, psi parçacığının cazibesi nötralize edilir ve bu nedenle yeni bir lezzetin (tılsım) varlığının deneysel olarak doğrulanması, tılsım kuarklarının anti-kuark kamplarıyla eşleştirildiği mezonlar keşfedilene kadar beklemek zorunda kaldı. diğer tatlardan. Artık bir dizi büyülü parçacık biliniyor. Hepsi çok ağırdır, dolayısıyla tılsım kuarkının garip kuarktan daha ağır olduğu ortaya çıkar.

Yukarıda açıklanan durum, 1977'de upsilon mezonunun (UPSILON) sahneye çıkmasıyla tekrarlandı. Bu sefer, çok fazla tereddüt etmeden, b-kuark (aşağıdan aşağıya ve daha sıklıkla güzellik - güzellik veya çekicilik) adı verilen beşinci bir lezzet tanıtıldı. Upsilon mesonu, b kuarklardan oluşan bir kuark-antikuark çiftidir ve bu nedenle gizli bir güzelliğe sahiptir; ancak önceki durumda olduğu gibi, kuarkların farklı bir birleşimi sonuçta "güzelliğin" keşfedilmesini mümkün kıldı.

Kuarkların göreceli kütleleri, en azından mezonların en hafifi olan pion'un çiftlerden oluşması gerçeğiyle değerlendirilebilir. Ve- ve antikuarklı d-kuarklar. Psi mesonu yaklaşık 27 kat daha ağırdır ve upsilon mesonu piondan en az 75 kat daha ağırdır.

Bilinen tatlar listesinin giderek genişlemesi, lepton sayısındaki artışa paralel olarak gerçekleşti; yani bariz soru, bir sonun olup olmayacağıydı. Tüm hadron çeşitlerinin tanımını basitleştirmek için kuarklar tanıtıldı, ancak şimdi bile parçacık listesinin yine çok hızlı büyüdüğüne dair bir his var.

Demokritos'un zamanından bu yana atomizmin temel fikri, yeterince küçük bir ölçekte, kombinasyonları çevremizdeki maddeyi oluşturan gerçekten temel parçacıkların var olması gerektiğinin kabulü olmuştur. Atomizm çekicidir çünkü (tanım gereği) bölünemeyen temel parçacıkların çok sınırlı sayıda var olması gerekir. Doğanın çeşitliliği onu oluşturan parçaların çokluğundan değil, bunların kombinasyonlarından kaynaklanmaktadır. Pek çok farklı atom çekirdeğinin olduğu keşfedildiğinde, bugün atom dediğimiz şeyin eski Yunanlıların maddenin temel parçacıkları hakkındaki fikrine karşılık geldiğine dair umut ortadan kalktı. Ve geleneğe göre çeşitli kimyasal "elementler" hakkında konuşmaya devam etsek de, atomların hiç de temel olmadığı, protonlardan, nötronlardan ve elektronlardan oluştuğu bilinmektedir. Kuarkların sayısı çok fazla olduğu için onların da daha küçük parçacıklardan oluşan karmaşık sistemler olduğunu varsaymak cazip gelebilir.

Her ne kadar bu nedenle kuark şemasıyla ilgili bir miktar tatminsizlik olsa da çoğu fizikçi kuarkları gerçekten nokta benzeri, bölünemez ve iç yapıya sahip olmayan temel parçacıklar olarak görüyor. Bu bakımdan peptonlara benzerler ve uzun zamandır bu iki farklı fakat yapısal olarak benzer aile arasında derin bir ilişki olması gerektiği varsayılmıştır. Bu bakış açısının temeli leptonlarla kuarkların özelliklerinin karşılaştırılmasından kaynaklanmaktadır (Tablo 3). Leptonlar, her yüklü leptonun karşılık gelen bir nötrino ile ilişkilendirilmesiyle çiftler halinde gruplandırılabilir. Kuarklar çiftler halinde de gruplandırılabilir. Masa Şekil 3, her hücrenin yapısının doğrudan önünde bulunan yapıyı tekrarlayacağı şekilde oluşturulmuştur. Örneğin, ikinci hücrede müon "ağır elektron" olarak, tılsım ve garip kuarklar ise ağır varyantlar olarak temsil ediliyor. Ve- ve d-kuarklar. Bir sonraki kutuda tau leptonun daha da ağır bir "elektron" olduğunu ve b kuarkın d kuarkın daha ağır bir versiyonu olduğunu görebilirsiniz. Tam bir benzetme için, bir tane daha (tau-leptonyum) nötrinoya ve zaten doğru adını almış olan altıncı bir kuark çeşidine ihtiyacımız var. (gerçek, t). Bu kitabın yazıldığı dönemde, üst kuarkların varlığına ilişkin deneysel kanıtlar henüz yeterince ikna edici değildi ve bazı fizikçiler, üst kuarkların varlığından bile şüphe duyuyorlardı.

Tablo 3

Leptonlar ve kuarklar doğal olarak eşleşir. tabloda gösterildiği gibi. Çevremizdeki dünya ilk dört parçacıktan oluşur. Ancak aşağıdaki gruplar, görünüşe göre, üsttekini tekrarlıyor ve nötrinoların tepesinde son derece kararsız parçacıklardan oluşuyor.

Dördüncü, beşinci vb. olabilir mi? daha ağır parçacıklar içeren buharlar mı? Eğer öyleyse, yeni nesil hızlandırıcılar muhtemelen fizikçilere bu tür parçacıkları tespit etme fırsatı verecek. Bununla birlikte, adı geçen üç çiftin dışında başka çiftin olmadığı sonucuna varılan ilginç bir düşünce ifade ediliyor. Bu değerlendirme nötrino türlerinin sayısına dayanmaktadır. Evrenin ortaya çıkışına işaret eden Büyük Patlama anında yoğun bir nötrino yaratımının yaşandığını yakında öğreneceğiz. Bir tür demokrasi, her parçacık türünün diğerleriyle aynı enerji payını garanti etmesini sağlar; dolayısıyla nötrino türleri ne kadar farklı olursa, dış uzayı dolduran nötrino denizinde o kadar fazla enerji bulunur. Hesaplamalar, nötrinoların üçten fazla çeşidi olsaydı, hepsinin yarattığı kütle çekiminin, nötrinolar üzerinde güçlü bir rahatsız edici etkiye sahip olacağını gösteriyordu. nükleer süreçler Evrenin yaşamının ilk birkaç dakikasında meydana gelir. Sonuç olarak, bu dolaylı değerlendirmelerden, tabloda gösterilen üç çiftin oldukça makul bir sonucu çıkar. 3. Doğada var olan tüm kuarklar ve leptonlar tükenmiştir.

Evrendeki tüm sıradan maddenin yalnızca en hafif iki leptondan (elektron ve elektron nötrino) ve en hafif iki kuarktan oluştuğunu belirtmek ilginçtir ( Ve Ve D). Eğer diğer tüm leptonlar ve kuarklar birdenbire yok olsaydı, etrafımızdaki dünyada muhtemelen çok az şey değişirdi.

Belki de daha ağır kuarklar ve leptonlar, en hafif kuarklar ve leptonlar için bir nevi yedek rol oynuyor. Hepsi kararsızdır ve üst hücrede bulunan parçacıklara hızla parçalanır. Örneğin, tau leptonu ve müon elektronlara bozunurken, garip, büyülü ve güzel parçacıklar oldukça hızlı bir şekilde nötronlara veya protonlara (baryon durumunda) veya leptonlara (mezon durumunda) bozunur. Bir soru ortaya çıktı: Ne için Bütün bu ikinci ve üçüncü nesil parçacıklar var mı? Doğanın neden onlara ihtiyacı vardı?

Parçacıklar etkileşimlerin taşıyıcılarıdır

Bilinen parçacıkların listesi, maddenin yapı malzemesini oluşturan altı çift lepton ve kuarktan ibaret değildir. Foton gibi bazıları kuark devresine dahil değildir. "Denizde bırakılan" parçacıklar "evrenin yapı taşları" değil, dünyanın parçalanmasına izin vermeyen bir tür "yapıştırıcı" oluştururlar; dört temel etkileşimle ilişkilidirler.

Çocukken, günlük gelgitler sırasında ayın okyanusların yükselip alçalmasına neden olduğunun söylendiğini hatırlıyorum. Okyanusun Ay'ın nerede olduğunu nasıl bildiği ve gökyüzündeki hareketini nasıl takip ettiği benim için her zaman bir gizem olmuştur. Okulda yerçekimini öğrendiğimde şaşkınlığım daha da arttı. Çeyrek milyon kilometrelik boş alanı aşan Ay, okyanusa "ulaşmayı" nasıl başarıyor? Standart cevap - Ay'ın bu boş alanda bir çekim alanı yaratması, bunun okyanusa ulaşması ve onu harekete geçirmesi - elbette biraz mantıklıydı ama yine de beni tamamen tatmin etmedi. Sonuçta Ay'ın çekim alanını göremiyoruz. Belki sadece söyledikleri budur? Bu gerçekten bir şeyi açıklıyor mu? Bana her zaman ayın bir şekilde okyanusa nerede olduğunu söylemesi gerektiği gibi geldi. Suyun nereye hareket edeceğini bilmesi için ay ile okyanus arasında bir tür sinyal alışverişi olması gerekir.

Zamanla, uzayda sinyal şeklinde iletilen kuvvet fikrinin bu soruna modern yaklaşımdan çok da uzak olmadığı ortaya çıktı. Bu fikrin nasıl ortaya çıktığını anlamak için kuvvet alanının doğasını daha ayrıntılı olarak ele almalıyız. Örnek olarak okyanus gelgitlerini değil, daha basit bir olguyu seçelim: iki elektron birbirine yaklaşır ve ardından elektrostatik itmenin etkisi altında farklı yönlere uçar. Fizikçiler bu sürece saçılma problemi diyorlar. Elbette elektronlar kelimenin tam anlamıyla birbirlerini itmiyorlar. Her elektronun ürettiği elektromanyetik alan aracılığıyla belli bir mesafede etkileşime girerler.

Şekil 11. İki yüklü parçacığın saçılması. Parçacıkların yörüngeleri, elektriksel itme etkisi nedeniyle birbirlerine yaklaştıkça bükülür.

Elektron-elektron saçılımının resmini hayal etmek zor değil. Başlangıçta elektronlar büyük bir mesafeyle birbirlerinden ayrılırlar ve birbirleri üzerinde çok az etkileri vardır. Her elektron neredeyse düz bir çizgide hareket eder (Şekil 11). Daha sonra, itici güçler devreye girdiğinde elektron yörüngeleri, parçacıklar mümkün olduğu kadar birbirine yaklaşana kadar bükülmeye başlar; Bundan sonra, yörüngeler birbirinden uzaklaşır ve elektronlar uçup giderler, yine doğrusal olarak hareket etmeye başlarlar, ancak zaten farklılaşan yörüngeler boyunca hareket etmeye başlarlar. Bu tür bir model, elektronlar yerine elektrik yüklü toplar kullanılarak laboratuvarda kolaylıkla gösterilebilir. Ve yine şu soru ortaya çıkıyor: Bir parçacık başka bir parçacığın nerede olduğunu nasıl "biliyor" ve buna göre hareketini değiştiriyor.

Kavisli elektron yörüngelerinin resmi oldukça görsel olmasına rağmen, birçok açıdan tamamen uygun değildir. Gerçek şu ki, elektronlar kuantum parçacıklarıdır ve davranışları kuantum fiziğinin özel yasalarına uymaktadır. Her şeyden önce elektronlar uzayda iyi tanımlanmış yörüngeler boyunca hareket etmezler. Yolun başlangıç ve bitiş noktalarını - saçılmadan önce ve sonra - şu ya da bu şekilde belirleyebiliriz, ancak hareketin başlangıcı ve sonu arasındaki aralıktaki yolun kendisi bilinmiyor ve belirsiz kalıyor. Ek olarak, elektron ile alan arasında sanki elektronu hızlandırıyormuş gibi sürekli bir enerji ve momentum alışverişi olduğu yönündeki sezgisel fikir, fotonların varlığıyla çelişmektedir. Enerji ve momentum aktarılabilir alan yalnızca porsiyonlar halinde veya kuanta halinde. Alandan bir foton soğuran elektronun ani bir itme yaşıyor gibi göründüğünü varsayarak, alanın elektronun hareketine getirdiği bozulmanın daha doğru bir resmini elde edeceğiz. Bu nedenle kuantum seviyesi Elektron-elektron saçılması eylemi, Şekil 2'de gösterildiği gibi gösterilebilir. 12. İki elektronun yörüngelerini birleştiren dalgalı çizgi, bir elektronun yaydığı ve diğeri tarafından emilen bir fotona karşılık gelir. Artık saçılma eylemi her elektronun hareket yönünde ani bir değişiklik olarak ortaya çıkıyor

Şekil 12. Yüklü parçacıkların saçılımının kuantum açıklaması. Parçacıkların etkileşimi, bir etkileşim taşıyıcısının veya sanal fotonun (dalgalı çizgi) değişiminden kaynaklanmaktadır.

Bu tür diyagramlar ilk olarak Richard Feynman tarafından bir denklemin çeşitli terimlerini görsel olarak temsil etmek için kullanıldı ve başlangıçta tamamen sembolik bir anlam taşıyorlardı. Ancak daha sonra parçacık etkileşimlerini diyagramatik olarak tasvir etmek için Feynman diyagramları kullanılmaya başlandı. Bu tür resimler fizikçinin sezgilerini tamamlıyor gibi görünüyor, ancak belirli bir dikkatle yorumlanmaları gerekiyor. Örneğin elektronun yörüngesinde hiçbir zaman keskin bir kırılma olmaz. Elektronların yalnızca başlangıç ve son konumlarını bildiğimiz için, fotonun ne zaman değiş tokuş edildiğini, hangi parçacığın yayılıp hangisinin fotonu soğurduğunu tam olarak bilmiyoruz. Tüm bu ayrıntılar bir kuantum belirsizlik perdesiyle gizleniyor.

Bu uyarıya rağmen Feynman diyagramlarının kuantum etkileşimlerini açıklamanın etkili bir yolu olduğu kanıtlanmıştır. Elektronlar arasında değiş tokuş edilen foton, elektronlardan birinin diğerine "Ben buradayım, o halde harekete geçin!" diyen bir tür haberci olarak düşünülebilir. Elbette tüm kuantum süreçleri doğası gereği olasılıksaldır, dolayısıyla böyle bir değişim yalnızca belirli bir olasılıkla gerçekleşir. Elektronların iki veya daha fazla foton alışverişi yapması da mümkündür (Şekil 13), ancak bu daha az olasıdır.

Gerçekte fotonların bir elektrondan diğerine koştuğunu görmediğimizi anlamak önemlidir. Etkileşim taşıyıcıları iki elektronun “iç maddesidir”. Yalnızca elektronlara nasıl hareket edeceklerini söylemek için vardırlar ve enerji ve momentum taşımalarına rağmen klasik fiziğin ilgili korunum yasaları onlar için geçerli değildir. Bu durumda fotonlar, tenis oyuncularının sahada değiştirdiği bir topa benzetilebilir. Tıpkı bir tenis topunun tenis oyuncularının oyun alanındaki davranışlarını belirlemesi gibi, bir foton da elektronların davranışını etkiler.

Bir taşıyıcı parçacık kullanılarak yapılan etkileşimin başarılı tanımına, foton kavramının genişletilmesi eşlik etti: bir fotonun yalnızca bizim için görülebilen bir ışık parçacığı değil, aynı zamanda yalnızca yüklü kişiler tarafından "görülen" hayaletimsi bir parçacık olduğu ortaya çıktı. saçılma geçiren parçacıklar. Bazen gözlemlediğimiz fotonlara denir gerçek, ve etkileşimi taşıyan fotonlar sanal, bu da bize onların geçici, neredeyse hayaletimsi varoluşunu hatırlatıyor. Gerçek ve sanal fotonlar arasındaki ayrım biraz keyfidir ancak yine de bu kavramlar yaygınlaşmıştır.

Elektromanyetik etkileşimin sanal fotonlar (onun taşıyıcıları) kavramını kullanarak tanımlanması, önemi bakımından kuantum doğasına ilişkin açıklamaların ötesine geçer. Gerçekte en ince ayrıntısına kadar düşünülmüş, mükemmel bir matematik aparatıyla donatılmış bir teoriden bahsediyoruz. kuantum elektrodinamiği, QED olarak kısaltılır. QED ilk kez formüle edildiğinde (bu, İkinci Dünya Savaşı'ndan kısa bir süre sonra gerçekleşti), fizikçilerin elinde her ikisinin de temel ilkelerini karşılayan bir teori vardı. kuantum teorisi ve görelilik teorisi. Bu, yeni fizik ve bilimin iki önemli yönünün birleşik tezahürlerini görmek için harika bir fırsat. bunları deneysel olarak kontrol edin.

Teorik olarak QED'in yaratılması olağanüstü bir başarıydı. Fotonlar ve elektronların etkileşimi üzerine yapılan daha önceki çalışmalar, matematiksel zorluklar nedeniyle çok sınırlı bir başarıya sahipti. Ancak teorisyenler hesaplamaları doğru yapmayı öğrenir öğrenmez geri kalan her şey yerine oturdu. QED, foton ve elektronları içeren her türlü sürecin sonucunun elde edilmesi için bir prosedür önerdi.

Şekil 13. Elektron saçılması iki sanal fotonun değişiminden kaynaklanır. Bu tür işlemler, Şekil 1'de gösterilen ana işlemde küçük bir değişiklik teşkil etmektedir. on bir

Teorinin gerçeklikle ne kadar iyi eşleştiğini test etmek için fizikçiler özellikle ilgi çekici olan iki etkiye odaklandılar. Bunlardan ilki, en basit atom olan hidrojen atomunun enerji düzeyleriyle ilgiliydi. QED, sanal fotonlar olmasaydı seviyelerin işgal edecekleri konumdan biraz kaydırılması gerektiğini öngördü. Teori bu değişimin büyüklüğünü çok doğru bir şekilde tahmin etti. Yer değiştirmeyi son derece hassas bir şekilde tespit etmek ve ölçmek için yapılan deney, State Üniversitesi'nden Willis Lamb tarafından gerçekleştirildi. Arizona'da. Hesaplama sonuçlarının deneysel verilerle mükemmel bir şekilde örtüşmesi herkesi sevindirdi.

QED'in ikinci belirleyici testi, elektronun kendi manyetik momentindeki son derece küçük düzeltmeyle ilgiliydi. Ve yine teorik hesaplamaların ve deneyin sonuçları tamamen çakıştı. Teorisyenler hesaplamalarını geliştirmeye, deneyciler de araçlarını geliştirmeye başladı. Ancak hem teorik tahminlerin hem de deneysel sonuçların doğruluğu sürekli olarak artmasına rağmen, QED ile deney arasındaki uyum kusursuz kaldı. Günümüzde teorik ve deneysel sonuçlar hala ulaşılan doğruluk sınırları dahilinde uyuşmaktadır, bu da dokuzdan fazla ondalık basamağın çakışması anlamına gelmektedir. Böylesine çarpıcı bir yazışma, QED'i mevcut doğa bilimi teorilerinin en gelişmişi olarak görme hakkını veriyor.

Böyle bir zaferin ardından QED'nin diğer üç temel etkileşimin kuantum tanımı için bir model olarak benimsendiğini söylemeye gerek yok. Elbette diğer etkileşimlerle ilişkili alanların diğer taşıyıcı parçacıklara karşılık gelmesi gerekir. Yer çekimini tanımlamak için tanıtıldı graviton, fotonla aynı rolü oynuyor. İki parçacığın yerçekimsel etkileşimi sırasında aralarında graviton alışverişi olur. Bu etkileşim, Şekil 2'de gösterilenlere benzer diyagramlar kullanılarak görselleştirilebilir. 12 ve 13. Ay'dan okyanuslara sinyal taşıyanlar gravitonlardır; bu sinyaller yüksek gelgit sırasında yükselir ve alçak gelgit sırasında düşer. Dünya ile Güneş arasında hızla ilerleyen gravitonlar gezegenimizi yörüngede tutuyor. Gravitonlar bizi Dünya'ya sıkı bir şekilde zincirliyor.

Fotonlar gibi gravitonlar da ışık hızında hareket eder, dolayısıyla gravitonlar "sıfır durgun kütleye" sahip parçacıklardır. Ancak gravitonlar ve fotonlar arasındaki benzerliklerin sona erdiği yer burasıdır. Bir fotonun spini 1 iken, gravitonun spini 2'dir.

Tablo 4

Dört temel etkileşimi taşıyan parçacıklar. Kütle proton kütle birimleriyle ifade edilir.

Bu önemli bir farktır çünkü kuvvetin yönünü belirler: Elektromanyetik etkileşimde elektronlar gibi benzer yüklü parçacıklar birbirini iter, yerçekimsel etkileşimde ise tüm parçacıklar birbirini çeker.

Gravitonlar gerçek veya sanal olabilir. Gerçek bir graviton kuantumdan başka bir şey değildir yerçekimi dalgası Tıpkı gerçek bir fotonun bir elektromanyetik dalganın kuantumu olması gibi. Prensip olarak gerçek gravitonlar “gözlemlenebilir”. Ancak yerçekimi etkileşimi inanılmaz derecede zayıf olduğundan gravitonlar doğrudan tespit edilemez. Gravitonların diğer kuantum parçacıklarıyla etkileşimi o kadar zayıftır ki, bir gravitonun örneğin bir proton tarafından saçılması veya soğurulması olasılığı sonsuz derecede küçüktür.

Taşıyıcı parçacıkların değişimine ilişkin temel fikir, zayıf ve güçlü diğer etkileşimler için de geçerlidir (Tablo 4). Ancak detaylarda önemli farklılıklar bulunmaktadır. Güçlü etkileşimin kuarklar arasındaki bağlantıyı sağladığını hatırlayalım. Böyle bir bağlantı, elektromanyetik olana benzer ancak daha karmaşık bir kuvvet alanı tarafından oluşturulabilir. Elektrik kuvvetleri, zıt işaretli yüklere sahip iki parçacığın bağlı durumunun oluşmasına yol açar. Kuarklar söz konusu olduğunda, üç parçacığın bağlı durumları ortaya çıkar; bu, üç tür "yükün" karşılık geldiği kuvvet alanının daha karmaşık bir doğasını gösterir. Parçacıklar - kuarklar arasındaki etkileşimin taşıyıcılarına, onları çiftler veya üçlüler halinde bağlayan denir gluonlar.

Zayıf etkileşim durumunda durum biraz farklıdır. Bu etkileşimin yarıçapı son derece küçüktür. Bu nedenle zayıf etkileşimin taşıyıcıları büyük dinlenme kütlelerine sahip parçacıklar olmalıdır. Böyle bir kütlenin içerdiği enerji, daha önce s. 2'de tartışılan Heisenberg'in belirsizlik ilkesine uygun olarak "ödünç alınmalıdır". 50. Ancak "ödünç alınan" kütle (ve dolayısıyla enerji) çok büyük olduğundan, belirsizlik ilkesi böyle bir kredinin geri ödeme süresinin son derece kısa olmasını gerektirir - yalnızca 10^-28 saniye kadar. Bu tür kısa ömürlü parçacıkların çok uzağa gitmek için zamanları yoktur ve taşıdıkları etkileşimin yarıçapı çok küçüktür.

Aslında iki tür zayıf kuvvet taşıyıcısı vardır. Bunlardan biri, dinlenme kütlesi dışındaki her şeyde fotona benzer. Bu parçacıklara Z parçacıkları denir. Z parçacıkları aslında yeni bir tür ışıktır. Diğer bir zayıf kuvvet taşıyıcı türü olan W parçacıkları, Z parçacıklarından bir elektrik yükünün varlığıyla farklılık gösterir. Ch'de. 7'de yalnızca 1983'te keşfedilen Z ve W parçacıklarının özelliklerini daha ayrıntılı olarak tartışacağız.

Parçacıkların kuarklar, leptonlar ve etkileşim taşıyıcıları şeklinde sınıflandırılması, bilinen atom altı parçacıkların listesini tamamlar. Bu parçacıkların her biri, Evrenin oluşumunda kendine ait ama belirleyici bir rol oynar. Taşıyıcı parçacıklar olmasaydı etkileşim olmazdı ve her parçacık, partnerlerinin etrafında karanlıkta kalırdı. Karmaşık sistemler ortaya çıkamaz, herhangi bir faaliyet mümkün olmaz. Kuarklar olmasaydı atom çekirdeği ya da güneş ışığı olmazdı. Leptonlar olmasaydı atomlar var olamazdı, kimyasal yapılar ve yaşamın kendisi oluşamazdı.

Parçacık fiziğinin amaçları nelerdir?

Etkili İngiliz gazetesi The Guardian bir zamanlar, yalnızca ulusal bilim bütçesinin önemli bir payını değil, aynı zamanda aslan payını da tüketen pahalı bir girişim olan parçacık fiziği geliştirmenin bilgeliğini sorgulayan bir başyazı yayınladı. en iyi beyinler. Guardian, "Fizikçiler ne yaptıklarını biliyorlar mı?" diye sordu. "Bilseler bile bunun ne yararı var? Tüm bu parçacıklara fizikçiler dışında kimin ihtiyacı var?"

Bu yayından birkaç ay sonra Baltimore'da ABD Başkanı'nın bilim danışmanı George Keyworth'un verdiği bir konferansa katılma fırsatı buldum. Keyworth ayrıca parçacık fiziğine de değindi, ancak dersi tamamen farklı bir tondaydı. Amerikalı fizikçiler, Avrupa'nın önde gelen parçacık fiziği laboratuvarı CERN'in, sonunda büyük bir proton-antiproton çarpışan ışın çarpıştırıcısında elde edilen temel W ve Z parçacıklarının keşfi hakkındaki yakın tarihli bir raporundan etkilendiler. Amerikalılar, tüm sansasyonel keşiflerin yüksek enerjili fizik laboratuvarlarında yapıldığı gerçeğine alışkındır. Avucunu kaybetmeleri bilimsel ve hatta ulusal bir gerilemenin işareti değil mi?

Keyworth'ün genel olarak Amerika Birleşik Devletleri'nin ve özel olarak Amerikan ekonomisinin gelişmesi için ülkenin bilimsel araştırmalarda ön sıralarda yer alması gerektiğinden hiç şüphesi yoktu. Ana projeler basit Araştırma Keyworth, ilerlemenin ön saflarında yer aldıklarını söyledi. Amerika Birleşik Devletleri parçacık fiziğindeki üstünlüğünü yeniden kazanmalı.

Aynı hafta, haber kanalları, parçacık fiziğinde yeni nesil deneyler yürütmek üzere tasarlanmış dev bir hızlandırıcıya yönelik bir Amerikan projesine ilişkin haberler yayınladı. Ana maliyetin 2 milyar dolar olduğu tahmin ediliyordu ve bu da bu hızlandırıcıyı şimdiye kadar insanoğlunun yaptığı en pahalı makine haline getiriyordu. CERN'in yeni LEP hızlandırıcısını bile gölgede bırakacak olan bu Sam Amca devi o kadar büyük ki, tüm Lüksemburg eyaleti kendi yüzüğüne sığabilir! Devasa süper iletken mıknatıslar, bir parçacık ışınını kıvıracak ve onu halka şeklindeki bir oda boyunca yönlendirecek yoğun manyetik alanlar oluşturmak üzere tasarlanmıştır; o kadar büyük bir yapı ki, yeni hızlandırıcının çölde yer alması gerekiyor. Guardian gazetesinin editörünün bu konuda ne düşündüğünü bilmek isterim.

Süperiletken Süper Çarpıştırıcı (SSC) olarak bilinir, ancak daha çok "de-zertron" (İngilizce'den) olarak anılır. çöl -çöl. - Ed.), bu canavar makine, protonları geri kalan enerjiden (kütleden) yaklaşık 20 bin kat daha yüksek enerjilere hızlandırabilecektir. Bu sayılar farklı şekillerde yorumlanabilir. Maksimum ivmelenmede parçacıklar, Evrendeki maksimum hız olan ışık hızından yalnızca 1 km/saat daha düşük bir hızla hareket edeceklerdir. Görelilik etkileri o kadar büyüktür ki, her bir parçacığın kütlesi, dinlenme halindeki kütleden 20 bin kat daha fazladır. Böyle bir parçacıkla ilişkilendirilen sistemde zaman o kadar esnetiliyor ki bizim referans çerçevemizde 1 s 5,5 saate karşılık geliyor. Parçacığın içinden geçtiği odanın her kilometresi yalnızca 5,0 cm'ye kadar sıkıştırılmış gibi "görünecektir".

Hangi aşırı ihtiyaç, devletleri, atomun gittikçe daha da yıkıcı hale gelen bölünmesine bu kadar büyük kaynaklar harcamaya zorluyor? Bu tür araştırmaların pratik bir faydası var mı?

Elbette ki hiçbir büyük bilim, ulusal öncelik uğruna mücadele ruhuna yabancı değildir. Burada tıpkı sanatta veya sporda olduğu gibi ödüller kazanmak ve dünya çapında tanınmak güzel. Parçacık fiziği bir tür devlet gücünün sembolü haline geldi. Başarılı bir şekilde gelişirse ve somut sonuçlar üretirse, bu, bilimin, teknolojinin ve bir bütün olarak ülke ekonomisinin temelde uygun düzeyde olduğunu gösterir. Bu, diğer daha genel teknoloji dallarındaki ürünlerin yüksek kalitesine duyulan güveni desteklemektedir. Bir hızlandırıcı ve ilgili tüm ekipmanı oluşturmak için çok yüksek seviye profesyonellik. Yeni teknolojilerin geliştirilmesinden elde edilen değerli deneyimlerin, bilimsel araştırmanın diğer alanları üzerinde beklenmedik ve faydalı etkileri olabilir. Örneğin “desertron” için ihtiyaç duyulan süperiletken mıknatıslarla ilgili araştırma ve geliştirme yirmi yıldır ABD'de yapılıyor. Ancak doğrudan fayda sağlamazlar ve bu nedenle değerlemeleri zordur. Daha somut sonuçlar var mı?

Bazen temel araştırmayı destekleyen başka bir argüman duyulur. Fizik teknolojiden yaklaşık elli yıl ileride olma eğilimindedir. Birinin veya diğerinin pratik uygulaması Bilimsel keşifİlk başta bariz olmasa da, temel fiziğin önemli başarılarından çok azı zaman içinde pratik uygulamalar bulamadı. Maxwell'in elektromanyetizma teorisini hatırlayalım: Yaratıcısı modern telekomünikasyon ve elektroniğin yaratılışını ve başarısını öngörebilir miydi? Ve Rutherford'un nükleer enerjinin asla bulunamayacağına dair sözleri pratik kullanım? Temel parçacık fiziğinin gelişiminin neye yol açabileceğini, çevremizdeki dünyaya dair anlayışımızı genişletecek ve bize daha geniş bir insan yelpazesi üzerinde güç verecek hangi yeni güçlerin ve yeni ilkelerin keşfedileceğini tahmin etmek mümkün mü? fiziksel olaylar. Bu da doğası gereği radyo veya nükleer enerjiden daha az devrim niteliğinde olmayan teknolojilerin geliştirilmesine yol açabilir.

Bilimin çoğu dalı sonunda bazı askeri uygulamalar buldu. Bu bakımdan parçacık fiziği (nükleer fiziğin aksine) bugüne kadar dokunulmaz kalmıştır. Tesadüf eseri, Keyworth'ün dersi, Başkan Reagan'ın sözde ışın silahı olarak adlandırılan füze karşıtı bir silah yaratmaya yönelik tartışmalı projesi hakkındaki tanıtım heyecanıyla aynı zamana denk geldi (bu proje, Stratejik Savunma Girişimi (SDI) adı verilen bir programın parçasıdır). Bu projenin özü, yüksek enerjili parçacık ışınlarını düşman füzelerine karşı kullanmaktır. Parçacık fiziğinin bu uygulaması gerçekten kötü niyetlidir.

Hakim görüş, bu tür cihazların yaratılmasının mümkün olmadığı yönündedir. Temel parçacık fiziği alanında çalışan bilim adamlarının çoğu, bu fikirlerin saçma ve doğal olmadığını düşünüyor ve başkanın önerisine sert bir şekilde karşı çıkıyor. Bilim adamlarını kınayan Keyworth, onları ışın silahı projesinde "hangi rolü oynayabileceklerini düşünmeye" çağırdı. Keyworth'un fizikçilere yaptığı çağrı (elbette tamamen tesadüf eseri), yüksek enerji fiziğinin finansmanına ilişkin sözlerini takip etti.

Yüksek enerji fizikçilerinin, uygulamalara (özellikle askeri uygulamalara), tarihsel benzerlere veya olası teknik mucizelere dair belirsiz vaatlere atıfta bulunarak temel araştırma ihtiyacını haklı çıkarmaya ihtiyaç duymadıklarına olan inancım tamdır. Fizikçiler bu çalışmaları öncelikle dünyamızın nasıl çalıştığını keşfetme konusundaki vazgeçilmez arzuları, doğayı daha detaylı anlama arzusu adına yürütüyorlar. Parçacık fiziğinin diğer disiplinler arasında eşi benzeri yoktur insan aktivitesi. İki buçuk bin yıldır insanlık evrenin orijinal “yapı taşlarını” bulmaya çalıştı ve artık buna çok yakınız. Nihai amaç. Devasa tesisler, maddenin tam kalbine nüfuz etmemize ve doğanın en derin sırlarını çekip çıkarmamıza yardımcı olacak. İnsanlık, yeni keşiflerin, daha önce bilinmeyen teknolojilerin beklenmedik uygulamalarını bekleyebilir, ancak yüksek enerji fiziğinin pratik için hiçbir şey vermeyeceği ortaya çıkabilir. Ancak görkemli bir katedralin veya konser salonunun bile pratik kullanımı çok azdır. Bu bağlamda Faraday'ın bir zamanlar şu sözlerini hatırlamadan edemiyoruz: "Yeni doğmuş bir bebek ne işe yarar?" Temel parçacıkların fiziğini de içeren, pratikten uzak insan faaliyeti türleri, insan ruhunun tezahürünün kanıtı olarak hizmet eder; bu olmadan aşırı maddi ve pragmatik dünyamızda mahkum oluruz.

Yüksek enerjili parçacıkların çarpıştığı tesisler (parçacık hızlandırıcıları) boyutları ve maliyetleri açısından dikkat çekicidir. Genişlikleri birkaç kilometreye ulaşıyor ve parçacık çarpışmalarını inceleyen laboratuvarlar bile kıyaslandığında küçük kalıyor. Bilimsel araştırmanın diğer alanlarında ekipman bir laboratuvarda bulunur; yüksek enerji fiziğinde ise laboratuvarlar bir hızlandırıcıya bağlanır. Son zamanlarda, Cenevre yakınlarında bulunan Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN), bir halka hızlandırıcı inşa etmek için birkaç yüz milyon dolar ayırdı. Bu amaçla inşa edilen tünelin çevresi 27 kilometreye ulaşıyor. LEP (Büyük Elektron-Pozitron halkası) adı verilen hızlandırıcı, elektronları ve onların antipartiküllerini (pozitronları) ışık hızından yalnızca “bir kıl payı” farklı hızlara hızlandırmak için tasarlandı. Enerjinin ölçeği hakkında bir fikir edinmek için, elektronlar yerine bir kuruşluk madalyonun bu hızlara hızlandırıldığını hayal edin. Hızlanma döngüsünün sonunda 1.000 milyon dolar değerinde elektrik üretmeye yetecek enerjiye sahip olacak! Bu tür deneylerin genellikle "yüksek enerji" fiziği olarak sınıflandırılması şaşırtıcı değildir. Halkanın içinde birbirlerine doğru hareket eden elektron ve pozitron ışınları, kafa kafaya çarpışmalara maruz kalır; bu çarpışmalarda elektronlar ve pozitronlar yok olur ve düzinelerce başka parçacık oluşturmaya yetecek kadar enerji açığa çıkar.

Yaklaşık yirmi yıl önce fizikçiler, sonu yokmuş gibi görünen yeni atom altı parçacıkların sayısı ve çeşitliliği karşısında tamamen şaşkına dönmüşlerdi. Anlamak imkansızdı Ne içinçok fazla parçacık. Belki de temel parçacıklar, örtük aile bağlarıyla, ancak net bir sınıflandırma olmaksızın, bir hayvanat bahçesinin sakinleri gibidir. Ya da belki de bazı iyimserlerin inandığı gibi temel parçacıklar evrenin anahtarını elinde tutuyordur? Fizikçiler tarafından gözlemlenen parçacıklar nelerdir: önemsiz ve rastgele madde parçaları mı yoksa gözlerimizin önünde ortaya çıkan, nükleer altı dünyanın zengin ve karmaşık bir yapısının varlığına işaret eden belli belirsiz algılanan bir düzenin ana hatları mı? Artık böyle bir yapının varlığından şüphe yok. Mikrodünyanın derin ve rasyonel bir düzeni vardır ve tüm bu parçacıkların anlamını anlamaya başlarız.

Ch'de. 2'de parçacıkların başka bir özelliğini tanıttık: spin. Ayrıca her zaman bazı temel birimlerin katları olan değerleri de alır ve tarihsel nedenlerden dolayı bu değer 1 olarak seçilmiştir. /2. Böylece proton, nötron ve elektronun bir spini vardır. 1/2, ve fotonun spini 1'dir. Spini 0, 3/2 ve 2 olan parçacıklar da bilinmektedir. Spini 2'den büyük olan temel parçacıklar henüz keşfedilmemiştir ve teorisyenler bu tür spinlere sahip parçacıkların var olmadığına inanmaktadırlar.

Bir parçacığın spini önemli bir özelliktir ve değerine bağlı olarak tüm parçacıklar iki sınıfa ayrılır. Spinleri 0, 1 ve 2 olan parçacıklar, Hintli fizikçi Chatyendranath Bose'un anısına "bozonlar" olarak adlandırılır ve yarım tamsayı spinli parçacıklar (yani spini 1/2 veya 3/2 olan) - Enrico Fermi onuruna “fermiyonlar”. Bu iki sınıftan birine ait olmak, bir parçacığın özellikleri listesinde muhtemelen en önemlisidir.

Bir parçacığın bir diğer önemli özelliği ömrüdür. Yakın zamana kadar elektronların, protonların, fotonların ve nötrinoların kesinlikle kararlı olduğuna inanılıyordu. sonsuz uzun bir ömre sahiptir. Bir nötron çekirdekte "kilitli" olduğu sürece sabit kalır, ancak serbest bir nötron yaklaşık 15 dakika içinde bozunur. Bilinen diğer tüm parçacıklar oldukça kararsızdır ve ömürleri birkaç mikrosaniyeden 10-23 saniyeye kadar değişmektedir. Bu tür zaman aralıkları anlaşılmaz görünmektedir. küçüktür, ancak ışık hızına yakın bir hızda uçan bir parçacığın (ve hızlandırıcılarda doğan parçacıkların çoğu tam da bu hızlarda hareket eder) bir mikrosaniyede 300 m mesafeye uçmayı başardığını unutmamalıyız.

Fizikçilerin şu ya da bu parçacığın var olduğunu bilmesi yeterli değildir; onun rolünün ne olduğunu anlamaya çalışırlar. Bu sorunun cevabı yukarıda sıralanan parçacıkların özelliklerine ve ayrıca parçacığa dışarıdan ve içeriden etki eden kuvvetlerin doğasına bağlıdır. Her şeyden önce, bir parçacığın özellikleri onun güçlü etkileşimlere katılma yeteneği (veya yetersizliği) ile belirlenir. Güçlü etkileşimlere katılan parçacıklar özel bir sınıf oluşturur ve bunlara denir. andronlar. Zayıf etkileşimlere katılan ve güçlü etkileşimlere katılmayan parçacıklara denir. leptonlar,"akciğerler" anlamına gelir. Bu ailelerin her birine kısaca göz atalım.

Çeşitli elementlerin atomlarının çekirdeklerinin bölünmesi şu anda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Nükleer santrallerin tamamı fisyon reaksiyonu ile çalışır, her şeyin çalışma prensibi bu reaksiyona dayanmaktadır. nükleer silahlar. Kontrollü veya zincirleme reaksiyon durumunda, parçalara ayrılan atom artık tekrar birleşip orijinal durumuna dönemez. Ancak bilim adamları, kuantum mekaniğinin ilkelerini ve yasalarını kullanarak atomu iki yarıya ayırmayı ve atomun bütünlüğünü ihlal etmeden bunları tekrar bağlamayı başardılar.

Bonn Üniversitesi'nden bilim insanları, nesnelerin aynı anda birden fazla durumda var olmasına izin veren kuantum belirsizliği ilkesini kullandı. Deneyde, bilim adamları bazı fiziksel hilelerin yardımıyla tek bir atomun aynı anda iki yerde var olmasını sağladılar, aralarındaki mesafe milimetrenin yüzde birinden biraz daha fazlaydı ki bu atom ölçeğinde çok büyük bir mesafedir .

Bu tür kuantum etkileri yalnızca aşırı düşük sıcaklıklarda ortaya çıkabilir. Bir sezyum atomu, lazer ışığı kullanılarak bir derecenin milyonda birinin onda biri kadar bir sıcaklığa kadar soğutuldu tamamen sıfır. Soğutulan atom daha sonra başka bir lazerden gelen bir ışık huzmesi tarafından optik olarak hapsedildi.

Atom çekirdeğinin iki yönden birinde dönebildiği bilinmektedir; dönme yönüne bağlı olarak lazer ışığı çekirdeği sağa veya sola iter. "Fakat belirli bir kuantum halindeki bir atom "bölünmüş bir kişiliğe" sahip olabilir, yarısı bir yönde, diğeri ters yönde dönebilir. Ancak aynı zamanda atom hâlâ bütün bir nesnedir, ”diyor fizikçi Andreas Steffen. Böylece parçaları dönen bir atomun çekirdeği zıt yönler, bir lazer ışınıyla iki parçaya bölünebilir ve atomun bu parçaları, bilim adamlarının deneyleri sırasında başarmayı başardıkları gibi, önemli bir mesafe boyunca ayrılabilir.

Bilim insanları, benzer bir yöntemle kuantum bilgisini ileten "kuantum köprüleri" oluşturmanın mümkün olduğunu iddia ediyor. Bir maddenin atomu, komşu atomlarla temas edene kadar birbirinden ayrılan yarılara bölünür. Bir yol yüzeyi gibi bir şey oluşur; bir köprünün iki sütununu birbirine bağlayan ve üzerinden bilgi iletilebilen bir açıklık. Bu, bu şekilde bölünen bir atomun, atomun parçalarının kuantum düzeyinde dolaşık olması nedeniyle, kuantum düzeyinde tek bir bütün olarak kalmaya devam etmesi nedeniyle mümkündür.

Bonn Üniversitesi'ndeki bilim adamları, karmaşık kuantum sistemlerini simüle etmek ve oluşturmak için bu teknolojiyi kullanmayı planlıyor. Ekip lideri Dr Andrea Alberti, "Bizim için atom, iyi yağlanmış bir dişli gibidir" diyor. "Bu dişlilerin çoğunu kullanarak, en gelişmiş bilgisayarların özelliklerini çok aşan özelliklere sahip bir kuantum hesaplama cihazı oluşturabilirsiniz. Tek yapmanız gereken, bu dişlileri doğru şekilde konumlandırıp bağlayabilmenizdir."

1939'daAlbert EinsteinNazilerden önce atomik bozunma enerjisine hakim olmak için her türlü çabayı gösterme önerisiyle Başkan Roosevelt'e başvurdu. O zamana kadar faşist İtalya'dan göç etmişti.Enrico FermiColumbia Üniversitesi'nde zaten bu sorun üzerinde çalışıyordu.

(Avrupa Parçacık Fiziği Laboratuvarının hızlandırıcı odasında (CERN'in), Avrupa'da türünün en büyük merkezi. Paradoksal olarak en küçük parçacıkları incelemek için dev yapılara ihtiyaç vardır.)

giriiş

1854 yılında bir Alman Heinrich Geisler. (1814-79), Heusler tüpü adı verilen elektrotlu bir vakumlu cam tüp ve yüksek vakum elde etmeyi mümkün kılan bir cıva pompası icat etti. Borunun elektrotlarına yüksek voltajlı bir endüksiyon bobini bağlayarak, negatif elektrotun karşısındaki camda yeşil bir parıltı elde etti. 1876'da Alman fizikçi Evgeniy Goldstein(1850-1931) bu parlamanın katodun yaydığı ışınlardan kaynaklandığını öne sürmüş ve bu ışınlara katot ışınları adını vermiştir.

(Yeni Zelandalı fizikçi Ernest Rutherford (1871-1937), 1919'da başkanlığını yaptığı Cambridge Üniversitesi Cavendish Laboratuvarı'nda.)

Elektronlar

İngiliz bilim adamı William Crooks(1832-1919) Heusler tüpünü geliştirdi ve katot ışınlarını manyetik alanla saptırma olasılığını gösterdi. 1897'de başka bir İngiliz araştırmacı Joseph Thomson, ışınların negatif yüklü parçacıklar olduğunu öne sürdü ve kütlelerini belirledi; bu, bir hidrojen atomunun kütlesinden yaklaşık 2000 kat daha az olduğu ortaya çıktı. Birkaç yıl önce İrlandalı bir fizikçinin önerdiği ismi alarak bu parçacıklara elektron adını verdi. George Stoney(1826-1911), yüklerinin büyüklüğünü teorik olarak hesapladı. Atomun bölünebilirliği bu şekilde ortaya çıktı. Thomson, kekteki kuru üzümler gibi elektronların atomun her tarafına dağıldığı bir model önerdi. Ve çok geçmeden atomun içerdiği diğer parçacıklar keşfedildi. 1895'te Cavendish Laboratuvarı'nda çalışmaya başladı. Ernest Rutherford(1871-1937), Thomson ile birlikte uranyumun radyoaktivitesini araştırmaya başladı ve bu elementin atomları tarafından yayılan iki tür parçacığı keşfetti. Elektron yüküne ve kütlesine sahip parçacıklara beta parçacıkları ve kütlesi 4 hidrojen atomunun kütlesine eşit olan pozitif yüklü diğer parçacıklara alfa parçacıkları adını verdi. Ek olarak, uranyum atomları yüksek frekanslı elektromanyetik radyasyonun (gama ışınları) kaynağıydı.

(Otto Hahn ve Lise Meitner. 1945 yılında GanMüttefikler tarafından İngiltere'de tutuklandı ve "ağır çekirdeklerin fisyonunun keşfi nedeniyle" 1944 Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldüğünü ancak orada öğrendi.)

Protonlar

1886'da Goldstein, katot ışınları adını verdiği, katot ışınlarının tersi yönde yayılan başka bir radyasyon keşfetti. Daha sonra bunların atomik iyonlardan oluştuğu kanıtlandı. Rutherford pozitif hidrojen iyonunu pro olarak adlandırmayı önerdi.ton (Yunanca'danproton- Birincisi), çünkü hidrojen çekirdeğini diğer tüm elementlerin atom çekirdeklerinin ayrılmaz bir parçası olarak görüyordu. Böylece, 20. yüzyılın başında. Üç atom altı parçacığın varlığı tespit edildi: elektron, proton ve alfa parçacığı. İÇİNDE1907 Bay Rutherford, Manchester Üniversitesi'nde profesör oldu. Burada atomun yapısını çözmeye çalışarak alfa parçacığı saçılımı üzerine ünlü deneylerini gerçekleştirdi. Bu parçacıkların ince bir metal folyodan geçişini inceleyerek, atomun merkezinde alfa parçacıklarını yansıtabilen küçük, yoğun bir çekirdeğin bulunduğu sonucuna vardı. O zamanlar Rutherford'un asistanı genç bir Danimarkalı fizikçiydi.Niels Bohr(1885-1962), hangisinde1913 Örneğin, yakın zamanda oluşturulan kuantum teorisine uygun olarak, atomun yapısının şu şekilde bilinen bir modelini önerdi:Rutherford-Bohr modeli. İçinde elektronlar, Güneş'in etrafındaki gezegenler gibi çekirdeğin etrafında dönüyordu.

( Enrico Fermi (1901-54), maddenin nötron ışınlaması üzerine yaptığı çalışma nedeniyle 1938'de Nobel Ödülü'nü aldı. 1942'de ilk kez atom çekirdeğinin bozunumunun kendi kendini sürdüren zincirleme reaksiyonunu gerçekleştirdi.)

Atom modelleri

Bu ilk modelde çekirdek, pozitif yüklü protonlardan ve bunların yükünü kısmen nötrleştiren bir dizi elektrondan oluşuyordu; ek olarak, toplam yükü çekirdeğin pozitif yüküne eşit olan ek elektronlar çekirdeğin etrafında hareket ediyordu.Alfa parçacıklarıHelyum atomlarının çekirdekleri gibi şunlardan oluşmalıydı:4 protonlar ve2 elektronlar.Bitti10 Bu modelin revize edilmesinden yıllar önce. İÇİNDE1930 Bay Alman Walter Bothe(1891-1957) berilyumun alfa parçacıklarıyla ışınlanmasıyla üretilen yeni bir tür radyoaktif radyasyonun keşfedildiğini duyurdu. İngilizJames Chadwick(1891-1974) bu deneyleri tekrarladı ve bu radyasyonun kütle olarak protonlara eşit fakat elektrik yükü olmayan parçacıklardan oluştuğu sonucuna vardı. Onlara nötron deniyordu. Daha sonra AlmanWerner Heisenberg(1901-76) Çekirdeği yalnızca proton ve nötronlardan oluşan bir atom modeli önerdi.İlk atom altı parçacık hızlandırıcılardan birine sahip bir grup araştırmacı -siklotron(1932). Bu cihaz, parçacıkları hızlandırmak ve ardından onlarla özel hedefleri bombalamak için tasarlanmıştır.

(İlk atom altı parçacık hızlandırıcılardan biri olan siklotronu (1932) kullanan bir grup araştırmacı. Bu cihaz, parçacıkları hızlandırmak ve ardından özel hedefleri bunlarla bombalamak için tasarlanmıştır.)

Atomun bölünmesi

Dünyanın dört bir yanındaki fizikçiler, nötronları hemen atomları etkilemek için ideal bir araç olarak gördüler - bu ağır, yüksüz parçacıklar atom çekirdeğine kolayca nüfuz etti. İÇİNDE1934-36 İtalya Enrico Fermi(1901-54) yardımlarını aldılar37 çeşitli elementlerin radyoaktif izotopları. Bir nötronun emilmesiyle atom çekirdeği kararsız hale geldi ve gama ışınları şeklinde enerji yaydı. Fermi uranyumu nötronlarla ışınladı.önonu yeni bir elemente dönüştürün - “uranyum”. Berlin'de aynı yönde çalışan Alman Otto Hahn(1879-1 Sve bir AvusturyalıLise Meitner(1878 - 1968). İÇİNDE1938 Nazilerden kaçan Bayan Meitner, Stockholm'e giderek oradakilerle birlikte çalışmaya devam etti.Friedrich Strasmann(1902-80). Kısa süre sonra deneye devam eden ve sonuçları yazışmalarla karşılaştıran Hahn ve Meitner, nötron ışınlanmış uranyumda radyoaktif baryum oluşumunu keşfettiler. Meitner benim bir uranyum atomu olduğumu öne sürdü (atom numarası92) yarışiki çekirdeğe ayrılır: baryum (numarası olan elementin atom numarası43 daha sonra adlandırıldıteknesyum). Böylece atom çekirdeğinin parçalanma ihtimali keşfedildi. Ayrıca bir uranyum atomunun çekirdeği yok edildiğinde,2-3 Nötronların her biri, uranyum atomlarının bozunmasını başlatarak büyük miktarda enerjinin açığa çıkmasıyla zincirleme bir reaksiyona neden olabilir...

Yüksek enerjili parçacıkların çarpıştığı tesisler (parçacık hızlandırıcıları) boyutları ve maliyetleri açısından dikkat çekicidir. Genişlikleri birkaç kilometreye ulaşıyor ve parçacık çarpışmalarını inceleyen laboratuvarlar bile kıyaslandığında küçük kalıyor. Bilimsel araştırmanın diğer alanlarında ekipman bir laboratuvarda bulunur; yüksek enerji fiziğinde ise laboratuvarlar bir hızlandırıcıya bağlanır. Son zamanlarda, Cenevre yakınlarında bulunan Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN), bir halka hızlandırıcı inşa etmek için birkaç yüz milyon dolar ayırdı. Bu amaçla inşa edilen tünelin çevresi 27 kilometreye ulaşıyor. LEP (Büyük Elektron-Pozitron halkası) adı verilen hızlandırıcı, elektronları ve onların antipartiküllerini (pozitronları) ışık hızından yalnızca “bir kıl payı” farklı hızlara hızlandırmak için tasarlandı. Enerjinin ölçeği hakkında bir fikir edinmek için, elektronlar yerine bir kuruşluk madalyonun bu hızlara hızlandırıldığını hayal edin. Hızlanma döngüsünün sonunda 1.000 milyon dolar değerinde elektrik üretmeye yetecek enerjiye sahip olacak! Bu tür deneylerin genellikle "yüksek enerji" fiziği olarak sınıflandırılması şaşırtıcı değildir. Halkanın içinde birbirlerine doğru hareket eden elektron ve pozitron ışınları, kafa kafaya çarpışmalara maruz kalır; bu çarpışmalarda elektronlar ve pozitronlar yok olur ve düzinelerce başka parçacık oluşturmaya yetecek kadar enerji açığa çıkar.

Tüm bu çok sayıda ve çeşitli kararsız parçacıkların tam anlamıyla protonların, nötronların veya elektronların bileşenleri olmadığını akılda tutmak önemlidir. Çarpışma sırasında yüksek enerjili elektronlar ve pozitronlar birçok atom altı parçaya dağılmaz. Açıkça başka nesnelerden (kuarklardan) oluşan yüksek enerjili protonların çarpışmalarında bile, kural olarak, alışılmış anlamda bileşen parçalarına bölünmezler. Bu tür çarpışmalarda meydana gelen şeyin, çarpışmanın enerjisinden doğrudan yeni parçacıkların yaratılması olarak görülmesi daha doğru olur.

Yaklaşık yirmi yıl önce fizikçiler, sonu yokmuş gibi görünen yeni atom altı parçacıkların sayısı ve çeşitliliği karşısında tamamen şaşkına dönmüşlerdi. Neden bu kadar çok parçacığın olduğunu anlamak imkansızdı. Belki de temel parçacıklar, örtük aile bağlarıyla, ancak net bir sınıflandırma olmaksızın, bir hayvanat bahçesinin sakinleri gibidir. Ya da belki de bazı iyimserlerin inandığı gibi temel parçacıklar evrenin anahtarını elinde tutuyordur? Fizikçiler tarafından gözlemlenen parçacıklar nelerdir: önemsiz ve rastgele madde parçaları mı yoksa gözlerimizin önünde ortaya çıkan, nükleer altı dünyanın zengin ve karmaşık bir yapısının varlığına işaret eden belli belirsiz algılanan bir düzenin ana hatları mı? Artık böyle bir yapının varlığından şüphe yok. Mikrodünyanın derin ve rasyonel bir düzeni vardır ve tüm bu parçacıkların anlamını anlamaya başlarız.