181
Г лава 6. Нуклоны и атомные ядра
Изыскать модель и детерминистскую механику индивидуальных микрообъектов, допускающую в качестве объективной статистической механики обычную квантовую механику
Жан Поль Вижъе [1]
6.1. Краткая история исследований атомного ядра
Существование атомного ядра было открыто английским исследователем Э.Резерфордом в 1911 г. [2]. Проводя опыты по пропусканию альфа-частиц, излучаемых естественным радиоактивным источником, через тонкую фольгу различных веществ, он обнаружил, что альфа-частицы чаще, чем это предполагалось, рассеиваются на большие углы. Резерфорд правильно истолковал этот факт как наличие в атоме положительно заряженного ядра, имеющего существенно меньшие размеры, чем сам атом. До Резерфорда в атомистике господствовали представления Дж.Томсона, согласно которым положительный заряд атома считался равномерно распределенным по всему объему атома, а электроны были вкраплены более или менее равномерно в этот объем, как изюминки в тесто. В 1919 г. Резерфорд обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны - частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превосходящей массу электрона.
Ко времени открытия атомного ядра были известны только две элементарные частицы - электрон и протон. В соответствии с этим считалось вероятным, что атомное ядро состоит из них. Представление о протоне возникло в начале XX века в виде гипотезы о том, что все ядра состоят из ядер атомов водорода. В 1919-1920 гг. Резерфорд экспериментально наблюдал ядра водорода, выбитые из других элементов альфа-частицами, он же в начале 20-х годов ввел термин «протон» [2]. Однако в конце 20-х годов протонно-электронная гипотеза столкнулась с серьезной трудностью, получившей название «азотной катастрофы»: спин ядра азота, имеющий в своем составе, как
предполагалось, 21 частицу - 14 протонов и 7 электронов, каждая из которых имела спин Vi, в совокупности должен был иметь спин Vi, а согласно данным по измерению оптических молекулярных спектров спин оказался равным 1.
Состав атомного ядра был выяснен после открытия учеником Резерфорда Дж.Чедвиком (1932) нейтрона [3], масса которого оказалась близкой к массе протона, электрический заряд отсутствовал, а спин
182
оказался равным Vi. Чедвик установил, что обнаруженное немецкими физиками Боте и Бекером проникающее излучение, возникающее при бомбардировке атомных ядер, в частности бериллия, а-частицами, состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона.
Идея о том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, была впервые высказана в печати Д. Д.Иваненко (1932) [4] и непосредственно вслед за этим развита В.Гейзенбергом [5]. Протоны и нейтроны были объединены общим названием нуклоны. Теории протона и нейтрона, а также атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, посвящено большое количество работ [6-26].
В дальнейшем теория атомного ядра стала усложняться. Были открыты новые частицы, более тяжелые, чем нуклоны, которые предположительно тоже должны входить в состав атомных ядер. Эти частицы были обнаружены в ядерных реакциях при бомбардировке ядер частицами высоких энергий.
В соответствии с теорией относительности и квантовой механикой было решено, что для изучения атомного ядра необходимо бомбардировать их частицами высоких энергий, для чего были построены ускорители высоких энергий. В 70-х годах энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни миллиардов электрон-вольт (ГэВ). Считается и сейчас, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темпы получения все новых «элементарных частиц». Были получены тяжелые античастицы - антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 г. был открыт самый тяжелый гиперон с массой около двух масс протона. В 60-х годах на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых частиц, получивших название «резонансов», массы большинства из них превышают массу протона. В 70-х годах число вновь открытых частиц с самыми неожиданными свойствами резко увеличилось. Для описания этих новых свойств оказалось необходимым ввести ряд новых понятий, таких как «странность», «очарование» и т.п.
В настоящее время стала модной теория кварков [23], согласно которой тяжелые частицы построены из различных комбинаций «истинно элементарных» частиц - трех кварков и трех антикварков, каждый из которых имеет массу порядка пяти протонных масс. Соединение кварков между собой приводит к преобразованию масс кварков в энергию связи, в результате, соединившись, например в протон, три кварка, имеющий каждый по 5 протонных, а в сумме 15 протонных масс, сохраняют в виде массы только одну протонную