С развитием концепции атомизма и переходом к исследованию элементарных частиц физики приступили к изучению самого ядра атома. В первой модели атома Резерфорда—Бора предполагалось, что ядро состоит из положительно заряженных массивных протонов. Только после открытия в 1932 г. английским ученым Д. Чедвиком электрически нейтральной частицы, названной нейтроном, в изучении строения ядра наметился явный прогресс. Сразу же после этого открытия русский физик Д. Иваненко первым выступил в печати с гипотезой, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и лишенных заряда нейтронов. В том же году немецкий физик В. Гейзенберг развил эту гипотезу дальше. Тот факт, что нейтроны электрически нейтральны, сыграл ключевую роль в дальнейших ядерных исследованиях. Во-первых, электрически нейтральные нейтроны не отталкиваются ядром и поэтому их можно применить для бомбардировки ядра и более тщательного изучения его строения и свойств. Во-вторых, нейтроны служат незаменимым средством в практическом использовании ядерной энергетики, получении трансурановых элементов, радиоактивных изотопов, геологической разведке и т.д.
Протоны и нейтроны, образующие ядро и называемые нуклонами, по своей массе в 4 тыс. раз превосходят массу составляющих атом электронов. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом, число протонов определяет заряд атома, а число нейтронов находится по формуле: N=A — Z, где N— число нейтронов, А — массовое число, Z— число протонов. Размеры ядра зависят от числа содержащихся в нем нуклонов. Плотность ядерного вещества чрезвычайно велика и, по расчетам, составляет приблизительно 1014 г/см3, т.е. 100 млн т/см3.
Исследование структуры ядра сопряжено со многими теоретическими и экспериментальными трудностями. Поэтому при построении моделей ядра используются различные аналогии и полуэмпирические схемы. Так, еще в 1936 г. известный датский ученый Н. Бор и советский физик Я. Френкель выдвинули капельную модель атомного ядра. В ней ядро рассматривается по аналогии с каплей жидкости, которая, однако, состоит из интенсивно взаимодействующих между собой протонов и нейтронов. Поверхность такой капли может колебаться и при определенных условиях привести к разделению капли на части, т.е. к разрушению ядра.
Другая модель была предложена американским ученым М. Гепперт-Майер и немецким физиком X. Йенсеном в 50-х гг. XX в. Она была названа оболочечной моделью ядра, согласно которой нуклоны, как и электроны в атоме, заполняют соответствующие оболочки в ядре, которые характеризуются разными значениями энергий. В противовес этой модели датские ученые О. Бор (сын Н. Бора) и Б. Моттельсон выдвинули обобщенную модель ядра, которая состоит из устойчивой внутренней части, вокруг которой движутся внешние нуклоны. Под воздействием этих нуклонов внутренняя часть ядра может изменять свою структуру, принимая форму вытянутого эллипсоида, напоминающую своего рода каплю. Поскольку указанная модель в определенной мере объединяет представления капельной и оболочечной моделей, ее и назвали обобщенной.
Процесс взаимодействия нуклонов осуществляется путем многократного испускания одним из них я-мезона и поглощения его другим нуклоном. В результате этого протон превращается в нейтрон, а нейтрон преобразуется в протон. Протоны и нейтроны, образующие атомное ядро, удерживаются вместе мощными силами ядерного взаимодействия, которые принадлежат, как мы уже знаем, к фундаментальному типу сильного взаимодействия. Под энергией связи ядра подразумевают энергию, которую необходимо затратить, чтобы разделить его на отдельные нуклоны. Она равна разности между суммой масс нуклонов, входящих в ядро, и массой образованного из них ядра, умноженной на квадрат скорости света:
Е = (Рm +Nm- M)-c2.
Из этой разницы как раз образуется тот дефект массы, за счет которого возникает огромная термоядерная энергия в результате расщепления ядра:
Есвязи=Δmс2.
Отсюда становится ясным, что масса ядра атома меньше массы составляющих его нуклонов, так как в процессе синтеза часть их массы превращается в энергию и выделяется в окружающую среду. Зная общую энергию связи нуклонов, можно найти удельную энергию, приходящуюся на отдельный нуклон. Для большинства ядер эта энергия в среднем оказывается одинаковой, но для легких и тяжелых ядер наблюдается отклонение от среднего значения. Следует также обратить внимание на то, что с увеличением числа протонов в тяжелых ядрах тех атомов, которые занимают места в последних клетках периодической системы элементов Менделеева, заметное воздействие оказывают силы отталкивания между положительно заряженными протонами. Они стремятся разрушить ядро, и поэтому ядра таких атомов становятся нестабильными, а атомы химических элементов, начиная с № 83 (висмут), оказываются неустойчивыми. Именно этим объясняется естественная радиоактивность элементов, наблюдаемая в природе.
Впервые такую радиоактивность обнаружил французский ученый А. Беккерель в 1896 г. Изучая соли урана, а затем и чистый уран, он заметил, что они непрерывно излучают энергию, которую Беккерель назвал радиоактивной. Дальнейшее исследование явления радиоактивности другими учеными, и в особенности супругами М. Склодовской-Кюри и П. Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий, позволило выявить ряд свойств и закономерностей радиоактивного излучения. Было установлено, что все радиоактивные вещества испускают три рода лучей, которые были названы α-, β- и γ-лучами. При анализе α-лучи оказались ядрами гелия, β-лучи сначала связывали с испусканием электрона, но теперь мы знаем, что они характерны для слабого взаимодействия вообще, γ-лучи обладают большой проникающей способностью и во многом аналогичны жестким рентгеновским лучам.
Первое объяснение естественной радиоактивности было достигнуто с помощью представления о превращении одних химических элементов в другие, которое, как мы знаем, привело к революции в естествознании и отказу от прежних взглядов на атомы как мельчайшие, неизменные и неделимые частицы вещества. Впоследствии с помощью квантовой механики удалось дать более адекватное объяснение механизму радиоактивных процессов.
В 1940 г. русские ученые Г.Н. Флеров и К.А. Петржак открыли новый вид радиоактивного превращения, связанный со спонтанным, или самопроизвольным, делением атомных ядер. Но явление радиоактивности, наблюдаемое в естественных условиях, вряд ли по своему значению и роли в физико-химических исследованиях можно сравнить с искусственной радиоактивностью, которая вызывается и контролируется самим ученым. Преимущества такого исследования очевидны: во-первых, ученый получает при этом возможность экспериментировать с явлениями, во-вторых, — и это главное — он создает искусственные элементы, которые не встречаются в природе.
Первыми такую искусственную радиоактивность наблюдали французские физики супруги И. и Ф. Жолио-Кюри, получившие изотоп фосфора. В настоящее время наиболее эффективным средством, способным вызвать искусственную радиоактивность или получить изотопы, служат, как мы уже знаем, нейтроны. В принципе искусственная радиоактивность не отличается от радиоактивности естественной, поскольку обе они основываются на разрушении ядра атома и превращении одних атомов в другие.
Особого внимания заслуживает процесс деления тяжелых ядер, который может происходить как естественно, так и искусственно. В последнем случае для этого следует бомбардировать ядро нейтронами. В 1939 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман, бомбардируя уран нейтронами, обнаружили, что при этом образуются ядра щелочноземельных элементов. В том же году австрийские физики Л. Майтнер и О. Фриш установили, что при бомбардировке ядра урана-235 нейтронами оно делится на два осколка и при этом испускается 2—3 свободных нейтрона. Эти нейтроны, попадая на другие ядра, могут вызвать их деление и таким способом вызвать цепную реакцию. В результате этого выделяется огромное количество энергии вследствие принципа дефекта массы, рассмотренного выше. Для сравнения можно отметить, что энергия, получаемая в результате цепной реакции деления 1 кг урана, в несколько миллионов раз больше, чем, например, при сжигании того же количества угля.
Однако осуществить такую цепную реакцию весьма трудно, поскольку для этого требуется уран-235, которого в природном уране содержится всего 0,7%. Поэтому необходимо из урановой руды выделить достаточное количество урана-235, чтобы могла начаться цепная реакция. Эта критическая масса составляет несколько десятков килограммов. Такая реакция будет, однако, неуправляемой и может привести к большому взрыву, как и в водородной бомбе. Но реакция, которая происходит в водородной бомбе, имеет принципиально иной характер. Она основана на термоядерном синтезе, т.е. на соединении легких ядер водорода при очень высокой температуре, в сотни миллионов градусов, которая получается путем взрыва атомной бомбы, сконструированной вместе с водородной бомбой. Огромная температура, выделяемая при атомном взрыве, создает условия для термоядерного синтеза ядер водорода и выброса получаемой при этом гигантской энергии.
Ядерные реакции записываются подобно химическим. Например, в результате реакции деления ядра урана при столкновении с нейтронами образуются ядра цезия и рубидия и два нейтрона:
Облучение ядра нейтронами наиболее часто используется для осуществления ядерных реакций. Дело в том, что электрически нейтральный нейтрон не испытывает кулоновского отталкивания протонов ядра и легко в него проникает. Выделяющиеся в реакциях распада нейтроны могут вызвать деление других ядер, благодаря чему возникает цепная реакция - лавинообразный процесс. Этот процесс может завершиться взрывом.
Взрыв можно предотвратить, если часть нейтронов удалить из делящегося вещества, тогда реакцией деления можно управлять. Описанный процесс называется цепной реакцией деления. Схема цепной реакции показана на рис.2.
Аналогичные термоядерные процессы, т.е. реакции синтеза легких ядер и превращения их в более тяжелые ядра, постоянно происходят в недрах звезд, в частности нашего Солнца. Использование термоядерной энергии в земных условиях связано с поисками управляемого термоядерного синтеза, что навсегда решило бы энергетические проблемы человечества.
На пути создания непротиворечивой теории элементарных частиц возникает, конечно, немало трудностей, связанных, например, с появлением бесконечностей в качестве значений для некоторых физических величин, неясностью механизма определения массы «истинных» элементарных частиц и рядом других проблем. В последние годы наметилась тенденция преодоления этих трудностей путем отказа от представления об элементарных частицах как о точечных образованиях и признания их конечной протяженности, а также принятия новой геометрии на весьма малых расстояниях. По-видимому, перспективным является также учет влияния гравитации на таких расстояниях. Новые пути исследования открываются также путем включения гравитационного взаимодействия в общую структуру взаимодействия элементарных частиц.
Атомистическая концепция, как уже говорилось выше, опирается на представление о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического тела можно в конечном итоге свести к свойствам составляющих его мельчайших частиц. Трудности, которые возникают при таком подходе, с общей, мировоззренческой точки зрения связаны, во-первых, с абсолютизацией аспекта дискретности, неограниченной делимости материи, во-вторых, с полной редукцией сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними. Поэтому с философской точки зрения особенно интересными представляются новые подходы к изучению строения материи, которые основываются не на поиске последних неделимых и фундаментальных ее частиц, а скорее выявлении их внутренних связей для объяснения целостных свойств материальных образований. Такая точка зрения высказывалась еще В. Гейзенбергом, но пока не получила дальнейшего развития. По-видимому, на объединении концепций атомизма и дискретности, с одной стороны, и непрерывности, целостности и системного подхода — с другой, следует ждать дальнейшего прогресса в познании фундаментальных физических свойств материи. Во всяком случае, редукционистская тенденция, связанная с попытками сведения свойств и закономерностей разнообразных сложных объектов и явлений к простым свойствам составляющих их элементов, в настоящее время наталкивается на серьезные трудности, преодоление которых возможно путем поиска альтернативных путей исследования.
Непрекращающаяся жажда познания, желание постичь тайны мироздания, стремление найти окончательную истину сопровождают развитие науки со времени ее возникновения. На примере эволюции концепции атомизма, начиная от Античности и кончая нашими днями, мы видим, какой огромный прогресс совершила наука за более чем две с половиной тысячи лет своего развития. При этом самые значительные успехи были достигнуты за четыре последних столетия, а практическое применение концепция атомизма получила лишь с техническим воплощением ее идей в атомной энергетике.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему