Можно ли разделить атом: Как разделить неделимое? Элементарная частица — Научпоп на DTF

Содержание

Как разделить неделимое? Элементарная частица — Научпоп на DTF

Планетарная модель атома по Резерфорду

2727 просмотров

Довольно долго физики считали атом фундаментальной частицей. Но выдвинутая в 1911 г. Резерфордом гипотеза о планетарном строении атома подтолкнула науку к развитию ядерной физики. И вот неделимый атом уже состоит из ядра и электронов. Сегодня физике известно о десятках элементарных частиц, но посмотрев в школьные или университетские учебники вы узнаете только о четырёх: протоне, нейтроне, электроне и фотоне.

Атомная матрёшка

Краткое видео о видах элементарных частиц

Атом намного сложнее, чем предполагали ранее. Ядро атома, если это не водород, состоит из набора протонов и нейтронов. Однако они отличаются лишь зарядом и небольшим различием массы, что позволило отнести их к одному классу нуклонов. В 1970 г. на ускорителе построенном в Стенфорде установили, что нуклоны это сложные (вот это поворот) составные частицы.

Нуклоны состоят из трёх кварков, кварк-антикварка и глюонов. Три кварка – это основа ядра, у каждого кварка свои характеристики заряда, отсюда и следует заряд протона. В протоне один d-кварк (с зарядом -1/3) и два u-кварка (с зарядом +2/3). В сумме заряд протона получается равным единице. Нейтрон имеет два d и один u-кварк (в сумме 0). Фокус в том, что протон с нейтроном могут обмениваются друг с другом характеристиками. Для этого они испускают пи-мезоном (кварк-антикварк). Нейтрон становится протоном, а протон – нейтроном. Магия.

Что нам могут дать элементарные частицы?

Туннель Большого адронного коллайдера
Brice, Maximilien: CERN

Вы явно слышали про ЦЕРН и Большой адронный коллайдер – один из самых дорогих экспериментов в истории. Главной целью для вкладывания денег в столь масштабную идею – это экспериментально рассмотреть стандартную модель, а в последствии найти её отклонения. Стандартная модель описывает три из четырёх фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнетизм. Сильное взаимодействие наблюдается в ядрах атомов. Слабое определяет механизм бета-распада. Электромагнетизм определяет взаимодействие заряженных объектов. Завершение стандартной модели связано с открытием бозона Хиггса, ведь без него все частицы не имели бы массы. Без бозона Хиггса не было понятно и отсутствие массы у фотона и глюона, но присутствие её у переносчиков слабого взаимодействия.

Теперь же дело за объединением стандартной модели и гравитации, описанной в общей теории относительности Эйнштейном, введении в физику антиматерии, а в последствии и переходу к “новой физике”. БАК с этой задачей не справился, поэтому для этого понадобятся коллайдер побольше.

Схема будущего ускорителя
CERN

100 киллометровый ускоритель стоимостью 9 миллиардов евро, ухх. Ротенберг при виде таких цифр уже тёр бы ладошки. Однако задачи, поставленные перед будущим коллайдером, являются приоритетными для всего научного сообщества.

Знание об устройстве вещества это не единственное, что может дать нам изучение элементарных частиц. Все процессы во Вселенной протекают под их диктовку.

Супер-Камиоканде – нейтринный детектор на глубине в 1км

Наиболее стабильные частицы, называемые нейтрино, испускаются звёздами в результате термоядерного синтеза. Нейтрино сложно зафиксировать, но информация заложенная в этих частицах может дать представление о термоядерных реакциях на Солнце, что приближает людей к доступной энергии. Реликтовые нейтрино объяснят о ходе эволюции Вселенной и её формировании. Поскольку нейтрино чрезвычайно сложно поймать, то и эксперименты связанные с ним дело также весьма затратное.

Наука не всегда предсказуема, поэтому о результатах будущих исследований можно лишь гадать.

можно ли разобрать Вселенную как конструктор «Лего» — T&P

Космолог, профессор MIT Макс Тегмарк сравнивает устройство Вселенной с «Лего». Все на свете — от кроликов до звезд — по сути, построено из небольшого конструктора, в котором 80 деталей (стабильных атомов периодической таблицы).

Вся разница сводится к тому, сколько взяли деталей каждого типа и как их расположили. В ноябре издательство Corpus выпустило его книгу «Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности». T&P публикуют отрывок, в котором Тегмарк объясняет, почему атомы могут находиться в нескольких местах одновременно, а человек, который из них состоит, — не может.

Все, что мы называем реальным, состоит из вещей, которые не могут рассматриваться как реальные.

Нильс Бор

«Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности». Перевод с английского Александр Сергеев

«Нет, это какая-то ерунда! Здесь где-то ошибка», — я один в комнате подруги в стокгольмском общежитии готовлюсь к первому экзамену по квантовой механике. В учебнике говорится: малые объекты, вроде атомов, могут находиться в нескольких местах одновременно, а крупные объекты, вроде людей, — не могут. «Как бы не так! — говорю я себе. — Люди состоят из атомов, и если те могут быть в нескольких местах сразу, то и мы, конечно, тоже!» Там также сказано, что всякий раз, когда некто наблюдает, где находится атом, тот случайным образом прыгает в одно из тех мест, где он ранее пребывал.

Но я не нашел ни одного уравнения, описывающего, что именно полагается считать наблюдением. «Может ли робот считаться наблюдателем? А отдельный атом?» В книге говорилось лишь, что любая квантовая система изменяется детерминистическим образом согласно уравнению Шредингера. Но разве это логически совместимо с подобными случайными прыжками?

Я набрался смелости и постучался в дверь нашего крупнейшего эксперта, профессора физики из Нобелевского комитета. Двадцать минут спустя я вышел из кабинета в полном недоумении, убежденный, что я умудрился вообще ничего не понять. Так началось мое долгое и до сих пор не подошедшее к концу путешествие к квантовым параллельным вселенным. Лишь пару лет спустя, перебравшись для работы над диссертацией в Беркли, я понял, что это было вовсе не мое непонимание. Выяснилось, что многие знаменитые физики горячо спорят о проблемах квантовой механики, и я получил немало удовольствия от сочинения собственных статей на эту тему. […]

Атомное «лего»

* Существует 80 типов стабильных атомов, содержащих все числа протонов от 1 (водород) до 82 (свинец), за исключением 43 (технеций) и 61 (прометий) — они радиоактивны и нестабильны. Многие из этих атомов имеют несколько стабильных разновидностей (изотопов) с разным числом нейтронов. Общее число стабильных изотопов составляет 257. В природе встречается около 338 изотопов, включая около 30 с периодом полураспада более 80 лет и около 50 менее долгоживущих.

Когда в прошлый раз я спросил Александра, своего сына, какой подарок он желает получить ко дню рождения, он ответил: «Удиви меня! Подойдет все, что угодно, если это будет «Лего»». Я тоже люблю «Лего», и, мне кажется, наша Вселенная — тоже: все в ней состоит из одинаковых «строительных блоков» (рис. 7.1). По-моему, замечательно, что один набор космического конструктора (80 стабильных атомов периодической таблицы*) может служить для создания вообще всего на свете — от камней до кроликов, от звезд до стереосистем, — и вся разница сводится к тому, сколько нужно деталей каждого типа и как они расположены.

Рис. 7.1. Карандашный грифель сделан из графита, который состоит из слоев ато- мов углерода (здесь дано изображение, полученное сканирующим туннельным микроскопом), которые состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны состоят из кварков, которые могут, в свою очередь, оказаться колеб- лющимися струнами. Сменный грифель, который я покупаю для работы, содер- жит около 2 × 1021 атомов, так что вы могли бы разрезать его пополам 71 раз.

Идея конструктора «Лего» — использование неделимых строительных блоков — имеет, конечно, долгую историю, причем самим термином «атом» мы обязаны древним грекам: это слово означает «неделимый». Платон в диалоге «Тимей» доказывал, что четыре основных элемента, признаваемых в то время (земля, вода, воздух и огонь), состоят из атомов четырех типов. Атомы представляют собой крошечные невидимые математические объекты — соответственно кубы, икосаэдры, октаэдры и тетраэдры, — четыре из пяти правильных многогранников, называемых в честь древнегреческого философа платоновыми телами (рис. 7.2). Платон писал, что острые углы тетраэдра обуславливают боль, причиняемую огнем, округлая форма икосаэдра обеспечивает текучесть воды, а уникальной способностью кубов к плотной укладке объясняется твердость Земли.

Рис. 7.2. Платоновы тела: тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр. Лишь до- декаэдр не вошел в платоновскую атомистическую теорию.

Хотя эта очаровательная теория в итоге была опровергнута наблюдением, некоторые ее аспекты устояли, и среди них предположение о том, что каждый химический элемент состоит из определенного типа атомов, а свойства вещества определяются свойствами его атомов.[…]

Для становления современной атомной теории понадобилось два тысячелетия, а знаменитый австрийский физик Эрнст Мах еще в начале XX века отказывался верить в реальность атомов. Его, безусловно, впечатлили бы наши возможности получения изображений отдельных атомов (рис. 7.1) и даже манипулирования ими.

Ядерное «лего»

Огромный успех атомной гипотезы привел к вопросу, не ошибочно ли атом назван атомом, неделимым: если все макроскопические объекты состоят из «кубиков», которые мы называем атомами, те, возможно, тоже делятся на еще меньшие «кубики», которые могут переупорядочиваться?

Мне кажется невероятно элегантным то, что атомы сложены всего из трех типов меньших «кубиков» — их даже меньше, чем в платоновской теории. На рис. 7.1 видно, как «кубики» этих трех типов (протоны, нейтроны и электроны) компонуются наподобие миниатюрной планетной системы, где электроны обращаются вокруг компактного сгустка протонов и нейтронов — атомного ядра. В то время как Земля удерживается на орбите вокруг Солнца силой гравитации, электроны удерживаются в атомах электрическим взаимодействием, которое притягивает их к протонам (электроны имеют отрицательный заряд, протоны заряжены положительно, а противоположные заряды притягиваются). Поскольку электроны также чувствуют притяжение протонов других атомов, они помогают атомам соединяться друг с другом в более крупные структуры, называемые молекулами. Если атомные ядра и электроны перетасовываются без изменения их числа и типа, мы называем это химической реакцией, независимо от того, происходит ли это быстро, как лесной пожар (при котором в основном атомы углерода и водорода, входящие в состав древесины и листьев, соединяются с кислородом воздуха, образуя молекулы углекислого газа и воды), или медленно, как рост дерева (который в основном представляет собой обратную реакцию, протекающую под воздействием энергии солнечного света).

Столетиями алхимики пытались превратить атомы одного типа в другие: как правило, дешевые, например свинец, в более дорогие, такие как золото. Почему эти попытки терпели неудачу? Типы и названия атомов связаны с числом входящих в них протонов (1 = водород, 79 = золото и т. д.), так что алхимики просто не смогли поиграть в «лего» с протонами, перемещая их из одного атома в другой. Почему им это не удалось? Мы теперь знаем, что неудача постигла алхимиков не потому, что они брались за невозможное, а в основном потому, что у них было недостаточно энергии! Поскольку электрические силы заставляют одинаковые заряды отталкиваться, протоны в ядрах разлетелись бы, если бы их не удерживала вместе еще более могучая сила. Она вполне обоснованно получила название сильного ядерного взаимодействия и работает как своего рода застежка-липучка, удерживающая вместе и протоны, и нейтроны, если они сойдутся достаточно близко. Лишь чудовищное усилие способно преодолеть это взаимодействие: если столкновение двух молекул водорода (каждая из двух атомов) на скорости 50 км/с разрушит их так, что атомы разделятся, то два ядра гелия (каждое из двух протонов и двух нейтронов) понадобится столкнуть с головокружительной скоростью 36 тыс. км/с, чтобы иметь шанс разделить нейтроны и протоны. Указанная скорость составляет около 12% скорости света (за десятую долю секунды можно добраться от Нью-Йорка до Сан-Франциско).

В природе такие зубодробительные столкновения происходят при очень высоких температурах — миллионах градусов. Когда Вселенная была молода, в ней не было иных атомов, кроме водорода (одиночных протонов), но, поскольку она была чрезвычайно горячей, протоны и нейтроны слипались, а более тяжелые атомы разбивались на части. В процессе расширения и охлаждения Вселенной был период длительностью несколько минут, когда столкновения еще были достаточно сильны, чтобы преодолевать электрическое отталкивание между протонами, но их силы уже не хватало на то, чтобы разъединять «липучки» сильного взаимодействия, которые соединяли протоны и нейтроны в ядра гелия. То был период гамовского первичного нуклеосинтеза. В ядре Солнца температура близка к магическому диапазону, в котором атомы водорода могут сливаться, образуя атомы гелия.

Законы экономики говорят нам, что атомы дороги, когда они редки, а законы физики говорят, что они редки, когда для их синтеза требуются необычайно высокие температуры. Распространенные атомы, вроде углерода, азота и кислорода (на них вкупе с водородом приходится до 96% веса человеческого тела), очень дешевы. Обычные звезды, например Солнце, выбрасывают их во время смертельной агонии, после чего из них формируются новые планетные системы в ходе своего рода космической переработки отходов. Золото, напротив, образуется, когда жизнь звезды оканчивается взрывом сверхновой, событием редким и столь мощным, что на доли секунды ее энерговыделение становится таким же, как у всех звезд в наблюдаемой Вселенной вместе. Неудивительно, что получение золота оказалось алхимикам не по плечу.

«Лего» элементарных частиц

*Английские названия кварков таковы: up, down, strange, charm, bottom/beauty и top/true. Два последних названия еще не устоялись. В русской традиции предпочтение отдается beauty (прелестный) и true (истинный), поскольку, во-первых, от них легко образуются существительные, во-вторых, для bottom (самый нижний) и top (самый верхний) нет удобного перевода, отличающего их от верхнего и нижнего кварков. — Прим. пер.

Если вещи вокруг нас сложены из атомов, а атомы из еще меньших частиц (нейтронов, протонов и электронов), то не состоят ли эти последние, в свою очередь, из еще меньших деталей? История научила нас, как отвечать на такие вопросы экспериментально: столкните мельчайшие из известных «строительных блоков» по-настоящему сильно и проверьте, распадутся ли они. Эта процедура производилась на всех крупных коллайдерах, и все-таки не похоже, что электроны состоят из меньших частиц, хотя в ЦЕРНе их сталкивали на скорости, составляющей 99,999999999% скорости света. С другой стороны, столкновения протонов показали, что и они, и нейтроны состоят из меньших частиц, называемых верхними и нижними кварками. Два верхних и один нижний кварк составляют протон (рис. 7.1), а два нижних и один верхний дают нейтрон. Более того, в этих столкновениях было получено множество прежде неизвестных частиц (рис. 7.3).

Все эти новые частицы с экзотическими названиями — пионы, каоны, сигма- и омега-гипероны, мюоны, таоны, W- и Z-бозоны — нестабильны и за доли секунды распадаются на более знакомые объекты. Тщательная детективная работа позволила выяснить, что все они, за исключением последних четырех, состоят из кварков — не только из верхнего и нижнего, но еще из четырех новых нестабильных типов, называемых странными, очарованными, прелестными и истинными*.

Рис. 7.3. Стандартная модель физики элементарных частиц.

Оказалось, что W- и Z-бозоны отвечают за передачу слабого взаимодействия, обусловливающего радиоактивность, и являются братьями фотона, частицы света, которая переносит электромагнитное взаимодействие. Дополнительные члены семейства бозонов называются глюонами. Они как клей, связывающий кварки в более крупные частицы. А недавно обнаруженный бозон Хиггса наделяет другие частицы массой. Кроме того, открыты стабильные призрачные частицы — электронные нейтрино, мюонные нейтрино и таунейтрино. Они почти не взаимодействуют с иными частицами: если нейтрино врезается в Землю, то обычно пролетает ее насквозь, не меняя свою траекторию, и улетает в космос. Наконец, почти все эти частицы имеют «злых близнецов» — античастицы. При столкновении пара «близнецов» может аннигилировать друг друга с выбросом чистой энергии.

До сих пор нет признаков того, чтобы какая-либо частица из всех этих бозонов, кварков, лептонов (общее название для электрона, мюона, таона и соответствующих нейтрино) или их античастиц состояла из меньших или более фундаментальных частиц. Однако с учетом кварков как «строительных блоков» в иерархии нашего «лего» (рис. 7.1) получается три полных уровня. И не надо быть Шерлоком Холмсом, чтобы задаться вопросом, нет ли еще уровней, которые мы не можем открыть просто потому, что наши ускорители частиц не дают достаточной энергии. В самом деле, теория струн предполагает, что так и есть. Если бы мы могли сталкивать частицы с гораздо (возможно, в 10 трлн раз) большей энергией, чем сегодня, то открыли бы, что все состоит из крошечных колеблющихся струн и что различные типы колебаний одинаковых фундаментальных струн могут соответствовать различным типам частиц (подобно тому, как колебания гитарной струны соответствуют разным нотам). Конкурирующая теория, известная как петлевая теория гравитации, предполагает, что все состоит не из струн, а из спиновой сети квантованных петель возбужденных гравитационных полей. Это труднопроизносимо, и если вы не вполне понимаете, что это значит, не беспокойтесь: и среди самых активных разработчиков теории струн и петлевой квантовой гравитации найдутся те, кто не скрывают, что не до конца понимают собственные теории… Так из чего же все состоит? Основываясь на современных экспериментальных данных, ответим: мы этого еще не знаем, но есть серьезные основания предполагать, что все, с чем мы были знакомы — включая саму ткань пространства-времени, — в конечном счете состоит из более фундаментальных «строительных блоков».

Математическое «лего»

* Импульс объекта характеризует глубину воронки, которую тот может образовать, врезавшись в препятствие. Более строго — это время, которое потребуется, чтобы остановить объект, умноженное на среднюю силу, которую для этого придется прикладывать. Импульс p объекта с массой m, движущегося со скоростью v, — вычисляется как p = mv (в случае, если v много меньше скорости света).

Несмотря на то, что мы пока не знаем окончательного ответа на вопрос, из чего все состоит, мы получили очень интригующий намек. Лично мне кажется безумием, что, сталкивая два протона на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, мы можем получить Z-бозон, который весит в 97 раз больше протона. Я привык думать, что масса сохраняется. Ну не очевидно ли, что столкнув два «Феррари», вы не получите круизный лайнер — ведь он весит больше, чем два автомобиля? Однако если вам кажется, что образование подобных новых частиц — это мошенничество наподобие финансовой пирамиды, то вспомните, что, как учил нас Эйнштейн, энергия E может превращаться в массу m по формуле E = mc2, где c — скорость света. Так что если при столкновении частиц у вас в распоряжении есть огромный запас энергии движения, то доли этой энергии действительно позволено пойти на образование новых частиц. Иными словами, полная энергия сохраняется, но столкновение частиц «переупаковывает» эту доступную энергию по-новому, что может приводить к превращению ее доли в новые частицы, которых в исходный момент не существовало. То же самое происходит с импульсом*: полная его величина сохраняется, но он перераспределяется в ходе столкновения так же, как в бильярде, когда биток, отправляя прежде неподвижный шар в лузу, замедляется.[…]

Я помню шутку времен холодной войны: на Западе все, что не запрещено, то разрешено, а на Востоке все, что не разрешено, то запрещено. Физика частиц, по-видимому, предпочитает первую формулу, и любая реакция, которая не запрещена (из-за нарушения одного из законов сохранения), похоже, в природе действительно происходит. Это значит, что о фундаментальном «лего» физики частиц можно думать не как о собственно частицах, а как о сохраняющихся величинах. Тогда физика частиц — это просто перераспределение новым способом энергии, импульса, заряда и других сохраняющихся величин. […]

Так из чего состоят квантовые числа вроде энергии и заряда? Ни из чего — это просто числа! У кота тоже есть энергия и заряд, но у него, помимо этих чисел, есть много других свойств, например кличка, запах и характер, так что нельзя сказать, будто кот — чисто математический объект, полностью описываемый двумя числами. А вот наши друзья из мира элементарных частиц полностью описываются своими квантовыми числами и, по-видимому, помимо этих чисел свойств не имеют. В этом смысле мы завершили полный круг и возвратились к Платону: наимельчайшие «кубики», из которых состоит все остальное, кажутся чисто математическими, не имеющими никаких свойств, кроме математических.[…]

Подводя итог, скажем, что природа сродни конструктору с иерархическим устройством. Если мой сын играет со своим «лего», полученным ко дню рождения, то все, что он может перестраивать, — фабричные «кубики». Если бы он играл в атомное «лего» — поджигал, погружал в кислоту или иным способом перестраивал их атомы, — он занимался бы химией. Если бы он играл с нуклонным «лего», перегруппируя нейтроны и протоны в другие типы атомов, это была бы ядерная физика. Если бы он сталкивал детали друг с другом на околосветовой скорости, реорганизуя энергию, импульс, заряд и т. д. составляющих их нейтронов, протонов и электронов в новые частицы, он бы занимался физикой элементарных частиц. Детали «лего» самого глубокого уровня, по-видимому, являются чисто математическими объектами.

Фотонное «лего»

Но не только «грубая материя» состоит из «строительных блоков», подобных деталям «Лего». Свет также состоит из частиц, фотонов, что было показано Эйнштейном в 1905 году.

Четырьмя десятилетиями ранее Джеймс Клерк Максвелл открыл, что свет — это электромагнитные волны, разновидность электрического возмущения. Если вы научитесь точно измерять напряжение между двумя точками в световом луче, то обнаружите, что оно колеблется во времени. Частота f этих колебаний (сколько раз они повторяются за секунду) определяет цвет света, а сила колебаний (максимальные значения в вольтах) — интенсивность света. Мы, люди, даем электромагнитным волнам названия в зависимости от их частоты (в порядке увеличения частоты мы называем их радиоволнами; микроволнами; инфракрасным излучением; красным, оранжевым, желтым, зеленым, голубым, синим и фиолетовым светом; ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-излучением), но все они представляют собой формы света и состоят из фотонов. Чем больше фотонов испускает объект каждую секунду, тем ярче он кажется.

Эйнштейн понял, что количество энергии E в фотоне определяется его частотой f по формуле E = hf, где h — постоянная Планка. Постоянная h очень мала, поэтому типичный фотон содержит очень мало энергии. Если я одну секунду лежу на пляже, меня согревают около секстиллиона (10 в 21-й степени) фотонов. Вот почему это воспринимается как непрерывный поток света. Однако если у моих друзей есть солнечные очки, поглощающие 90% света, я смогу надеть 21 пару сразу и только один из всех исходных фотонов будет доходить до меня каждую секунду. Это можно подтвердить с помощью высокочувствительного детектора.

Эйнштейн удостоился Нобелевской премии за то, что он использовал эту идею для объяснения фотоэлектрического эффекта: как выяснилось, способность света выбивать электроны из металла зависит лишь от частоты (энергии фотонов), но не от интенсивности (числа фотонов). Низкочастотные фотоны не обладают достаточной энергией для выполнения этой задачи. Фотоэлектрический эффект связан с процессами, используемыми в современных солнечных батареях и светочувствительных матрицах цифровых камер.

Макс Планк получил в 1918 году Нобелевскую премию за демонстрацию того, что идея фотона позволила разрешить другую знаменитую загадку: почему расчеты теплового излучения горячего тела прежде не давали правильного результата. Радуга демонстрирует спектр солнечного света, то есть количество содержащегося в нем света разных частот. Физики знали, что температура T тела является некоей мерой того, насколько быстро движутся его частицы, и что обычная энергия E движения частиц описывается формулой E = kT, где k — число, называемое постоянной Больцмана. Когда частицы на Солнце сталкиваются, энергия их движения в количестве примерно kT превращается в энергию света. К сожалению, точное предсказание вида радуги наталкивалось на так называемую ультрафиолетовую катастрофу: интенсивность излучения бесконечно возрастала на правом краю (в направлении высоких частот), как будто при взгляде на любое теплое тело вы должны были ослепнуть от его гамма-излучения. Вас спасает то, что свет состоит из частиц: Солнце может испускать световую энергию только по одному фотону за раз, а характерная энергия kT, доступная для образования фотонов, не дотягивает до энергии hf, необходимой для испускания даже одного гамма-кванта.

Выше закона?

Если все состоит из частиц, каким физическим законам они подчиняются? Если мы знаем, что делают в данный момент все частицы во Вселенной, то по каким уравнениям можно рассчитать, как они будут себя вести в будущем? Если такие уравнения существуют, то мы можем надеяться, что они позволят — по крайней мере, в принципе — предсказывать будущее исходя из знания настоящего: от траектории только что поданного бейсбольного мяча до победителей Олимпийских игр 2048 года — только выясните, что будут делать все эти частицы, и получите ответ.

Хорошая новость состоит в том, что, похоже, действительно существует почти то самое уравнение, которое нам нужно. Это уравнение Шредингера (рис. 7.4). Однако оно не предсказывает точно, как поведут себя частицы. Даже почти сто лет спустя после того, как Эрвин Шредингер его записал, физики продолжают спорить об его смысле.

Рис. 7.4. Эрвин Шредингер умер, но его уравнение живет. С 1996 г., когда я сделал этот снимок, шрифт надписи загадочно изменился. Может, и вправду квантовые причуды никогда не заканчиваются?

* Электрон, прежде чем он столкнется с протоном, совершает около 1/8πα3 ~ ~ 105 витков, где α ≈ 1/137,03599968 — безразмерная сила электромагнитного взаимодействия, называемая также постоянной тонкой структуры. Замечательный расчет смертельной спирали см. здесь: http://www.physics.princeton.edu/ ~mcdonald/examples/orbitdecay.pdf.

Все согласны с тем, что микроскопические частицы не подчиняются классическим законам физики, которые мы изучаем в школе. Поскольку атом напоминает планетную систему (рис.  7.1), естественно предположить, что электроны обращаются вокруг ядра по законам Ньютона, как и планеты вокруг Солнца. В самом деле, если выполнить расчеты, идея сначала выглядит многообещающей. Игрушку йо-йо можно раскрутить над головой за шнурок. Если он оборвется, йо-йо начнет двигаться по прямой с постоянной скоростью, так что сила, с которой вы ее тянете, требуется для отклонения ее от прямолинейного движения и вывода на круговое. В Солнечной системе эту силу обеспечивает тяготение Солнца, а в атоме — сила электрического притяжения со стороны атомного ядра. Если сделать расчет для орбиты размером с атом водорода, получится, что электрон вращается практически с той же скоростью, которая измерена в лаборатории — настоящий теоретический триумф! Однако для большей точности в расчеты надо включить еще один эффект: электрон, который испытывает ускорение (изменение скорости или направления движения), будет излучать энергию — в вашем мобильном телефоне колебания электронов внутри антенны используются, чтобы испускать радиоволны. Поскольку энергия сохраняется, излучаемая энергия должна откуда-то браться. В телефоне она поступает из аккумулятора, а в атоме водорода — из движения электрона. Она заставляет его опускаться все ближе к атомному ядру, подобно тому, как сопротивление воздуха в верхних слоях атмосферы заставляет спутники на низких околоземных орбитах терять энергию движения и, в конце концов, падать. Это означает, что электрон крутится не по орбите, а по смертельной спирали: примерно после 100 тыс. оборотов он врежется в протон, то есть произойдет коллапс атома водорода, долгая и счастливая жизнь которого длится около 0,02 нс*.

Это плохо. Очень плохо. Здесь речь не о небольшом, скажем на 1%, расхождении теории с экспериментом, а о предсказании того, что все атомы водорода (а также все прочие атомы) в нашей Вселенной коллапсируют за миллиардную долю того времени, которое вы тратите на то, чтобы прочесть последнее слово в этом предложении. С учетом того, что в действительности большинство атомов водорода существует около 14 млрд лет, они уже прожили на 28 порядков величины дольше, чем предсказывает классическая физика. Данный расчет был худшим количественным предсказанием в физике, пока сомнительный рекорд не был превзойден расхождением на 123 порядка величины между предсказанной и измеренной плотностью темной энергии.

Физики, считавшие, что элементарные частицы подчиняются законам классической физики, сталкивались и с иными проблемами. Например, количество энергии, требуемой для нагревания очень холодных предметов, оказалось меньше, чем предсказывалось. Проблемы можно перечислять и дальше, но послание Природы и так ясно: микроскопические частицы нарушают законы классической физики.

Что же, микрочастицы ставят себя выше закона? Нет, они подчиняются другому закону — шредингеровскому. […]

Лиза Мейтнер, ученый, изменивший медицину путем расщепления атомов · Границы для молодых умов

Abstract

Расщепление атомов, также известное как деление ядер, приводит к излучению и радиоактивности. Доктор Лиза Мейтнер в 1939 году открыла, как может образовываться радиоактивность. Она обнаружила, что запуск небольшой частицы, называемой нейтроном, в другой атом может вызвать выброс радиации. Созданные таким образом радиоактивные атомы могут быть полезны для обнаружения рака или проверки правильности работы органов тела. Когда радиоактивные атомы вводятся в кровь пациента, они проходят через тело и выделяют излучение, которое можно обнаружить с помощью специальных камер, создавая изображения или видео тканей тела. Таким образом, радиация помогает врачам лучше диагностировать и лечить пациентов. К сожалению, д-р Мейтнер столкнулась со многими препятствиями, и ей никогда официально не приписывали ключевое открытие ядерного деления.

Атомы и ядерные реакции

Все и все, что мы видим в окружающем нас мире, состоит из крошечных атомов. В центре каждого атома находится ядро, содержащее еще более мелкие частицы, называемые нейтронами и протонами (рис. 1). Отрицательно заряженные электроны постоянно движутся вокруг ядра. Электроны притягиваются к протонам в ядре, которые заряжены положительно, подобно тому, как магниты притягиваются друг к другу. Электроны также позволяют образовывать связи между отдельными атомами, создавая молекулы [1] 1 . Ядерные реакции относятся к реакциям, происходящим в ядре атома. Ядерные реакции могут производить определенные виды энергии или новые радиоактивные атомы, которые находят широкое применение в медицине. Эти энергии известны как излучение, потому что энергия «излучается» из атома точно так же, как тепло излучается на вас солнцем или радиатором.

  • Рисунок 1 – Строение атома.
  • Атомы состоят из ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами. Протоны (положительно заряженные) и нейтроны (бесзарядные) находятся внутри ядра (рисунок создан с помощью BioRender.com).

Ядерное деление и радиоактивность

Радиоактивные атомы излучают энергию в виде излучения. Эта энергия высвобождается из-за дисбаланса числа протонов и нейтронов в ядре, что делает атом нестабильным. Высвобождение энергии делает атом более устойчивым. Итак, излучение — это энергия, высвобождаемая из нестабильных атомов в виде высокоэнергетических частиц или энергетических волн.

Более 100 лет назад Мария Кюри открыла естественную радиоактивность. Однако теперь мы знаем, как получить радиоактивность с помощью машин, которые запускают нейтроны в другой атом. Эти машины, называемые ядерными реакторами, вызывают реакции ядерного деления, которые расщепляют атомы и выделяют радиоактивную энергию и большее количество нейтронов (рис. 2). Мейтнер была физиком-ядерщиком, чьи исследования объясняли, как нестабильные атомы производят излучение. Ее открытие ядерного деления в 1939 привели к разработкам в медицине, которые используются до сих пор [2]

2 .

  • Рисунок 2 – Реакция ядерного деления.
  • Когда быстро движущийся нейтрон попадает в ядро ​​атома, ядро ​​становится нестабильным и распадается на более мелкие части, при этом также высвобождаются нейтроны и энергия в виде излучения. Продукты деления — это атомы, которые также могут становиться нестабильными и, таким образом, продолжать испускать радиацию в результате цепной реакции (рисунок создан с помощью BioRender. com).

Научный вклад Лизы Мейтнер

В 1913 году ученые уже знали, что баланс количества протонов, нейтронов и электронов в атоме влияет на его стабильность и что радиоактивность исходит от ядра. Доктор Мейтнер и ее коллега, немецкий химик Отто Ган, занимались поиском новых радиоактивных элементов. В 1918 году они идентифицировали протактиний-231, который представляет собой радиоактивный атом, называемый радиоизотопом [3].

Живя в Швеции, доктор Мейтнер и ее племянник Отто Фриш вместе работали над созданием теории, объясняющей расщепление ядра атома на более мелкие части. Они назвали более мелкие части осколками деления. Они рассчитали выделяющуюся энергию и назвали эту реакцию ядерным делением. Несмотря на всю эту работу, Нобелевская премия по расщеплению ядер была присуждена старому коллеге доктора Мейтнер, Гану. Он полагался на знания доктора Мейтнера в области ядерной физики, чтобы понять свои собственные открытия в области химии. К сожалению, поскольку Ган был первым, кто опубликовал эти идеи, д-р Мейтнер и ее племянник не получили большого признания за открытие [4].

Радиоизотопы для визуализации болезней

Открытие ядерного деления привело ко многим достижениям в области медицины (рис. 3). Радиоизотопы позволяют врачам получать медицинские изображения тела, что помогает им диагностировать и лечить заболевания. Радиоизотопы вводят пациенту либо путем инъекции, либо с едой или питьем, предоставляемыми в больнице. Когда радиоизотоп перемещается внутри тела, специальные камеры снаружи тела могут обнаружить излучение. Это создает изображение или видео костей и мягких тканей тела. Например, эти изображения могут сказать нам, если почка не работает должным образом, но более того, они могут сказать даже врачам

какая почка, а также какая часть почки неисправна. Медицинские изображения также могут помочь определить точные размеры и расположение раковых опухолей.

  • Рисунок 3. Реакции ядерного деления высвобождают различные виды излучения, включая радиоизотопы, радиационные волны и высокоэнергетические частицы, каждый из которых имеет множество медицинских применений.
  • Радиоизотопы
  • могут использоваться в медицинских исследованиях, лечении рака и для медицинской визуализации, что полезно для планирования и мониторинга терапии. Гамма-лучи можно использовать для стерилизации медицинских инструментов для хирургии или для обеззараживания продуктов питания и косметических средств, чтобы обеспечить их гигиеничность. Частицы высокой энергии, такие как протоны и электроны, можно использовать в качестве внешних лучей, направленных на нацеливание и уничтожение опухолевых клеток (рисунок создан с помощью BioRender.com).

Лучевая терапия

Лучевая терапия также может быть использована для лечения заболеваний. Это называется лучевой терапией. Целью лучевой терапии рака является повреждение ДНК раковых клеток. ДНК — это код для всех строительных блоков, клеток, из которых состоит тело. Повредив ДНК в раковой клетке, эта клетка больше не знает, как поддерживать свою жизнь, поэтому она умирает. Результатом является снижение роста рака или даже полное устранение рака. Врачи решают, какой тип лучевой терапии использовать, в зависимости от размера, типа и локализации рака в организме. График лечения тщательно планируется путем расчета целевой области рака, количества необходимого облучения, а также продолжительности и количества сеансов лечения.

В большинстве случаев лучевая терапия проводится вне тела с использованием более сложной и мощной версии рентгеновского излучения. Это называется внешней лучевой терапией. Однако некоторые радиоактивные источники могут использоваться внутри организма. Это известно как внутренняя лучевая терапия. Так же, как и для целей визуализации, радиоизотопы, используемые во внутренней лучевой терапии, вводятся пациенту и распространяются по всему телу. Однако тип используемого излучения отличается, потому что врачам необходимо убедиться, что излучение проходит внутри тела только на короткое расстояние, чтобы не повредить здоровые клетки. По этой причине для внутренней лучевой терапии используются частицы, называемые альфа- и бета-частицами, а не рентгеновские лучи. Также радиоактивность может быть связана с некоторыми соединениями, переносящими излучение туда, где находится опухоль. Внутренняя лучевая терапия с использованием радиоизотопов очень хорошо облучает и уничтожает опухоли, расположенные в разных частях тела. Это снижает вероятность рецидива рака. Эти виды опухолей нельзя лечить с помощью внешней лучевой терапии.

Другие виды использования радиации

Радиация также используется для стерилизации медицинских инструментов (игл, скальпелей и шприцев), необходимых для хирургии (рис. 3). Это важно для предотвращения попадания микробов в организм пациента. В производстве продуктов питания радиация используется для уничтожения инфекционных микробов, таких как сальмонелла. Это помогает продуктам храниться дольше, не загрязняя и не изменяя их, как это делают химикаты. Радиация иногда используется для борьбы с большим количеством вредителей, таких как комары, что делает их неспособными к размножению.

Препятствия, с которыми столкнулась Лиза Мейтнер

Лиза Мейтнер родилась в 1878 году в еврейской семье из 8 детей в Вене, Австрия. В то время быть женщиной в науке было сложно, но доктору Мейтнер удалось доказать свою ценность в области, где доминируют мужчины. Она построила успешную карьеру и сделала несколько прорывов среди женщин. Когда она поступила в Венский университет в 1901 году, она была одной из четырех женщин, допущенных к нему. Она была лишь второй женщиной, получившей докторскую степень в университете в 1919 году.05[4]. В Берлине, когда она тесно сотрудничала с Отто Ганом в Химическом институте, Ган нашел для нее место в подвале, хотя женщинам вход в здание был запрещен. После 14 лет участия в исследованиях радиоактивности д-р Мейтнер стала первой женщиной-профессором физики в Германии в 1926 году [4]. Большую часть своей жизни она проработала в Берлине, но в 1938 году ей пришлось бежать из нацистской Германии и переехать в Швецию [4].

Альберт Эйнштейн назвал доктора Мейтнер «немецкой мадам Кюри» из-за ее новаторской работы. Однако в то время она не получила заслуженной похвалы. Ее экспериментальная работа стала ключом к модели строения атома Нильса Бора, за которую он получил всеобщее признание и Нобелевскую премию в 1919 году. 22. Сегодня во многих немецких музеях достижения доктора Мейтнер почти не признаются, и она почти незаметна во всех работах и ​​автобиографиях Гана. Вполне вероятно, что политическая ситуация того времени и бегство доктора Мейтнер из нацистской Германии в качестве еврея затруднили для Гана признание их совместной работы [4].

Несмотря на препятствия, с которыми Лиза Мейтнер столкнулась в своей карьере, она полностью посвятила свою жизнь ядерной физике. Она так и не вышла замуж и продолжала свою работу до 81 года [3]. К сожалению, научные открытия могут привести к нежелательным последствиям, таким как разработка ядерного оружия. Это глубоко расстроило доктора Мейтнер, который отказался от работы над атомной бомбой в составе британской научной делегации [4]. Будучи миролюбивым человеком, доктор Мейтнер был бы очень рад великим достижениям медицины, основанным на расщеплении ядер. Доктор Мейтнер вышла на пенсию в Кембридже (Англия) со своим племянником и умерла в 1968 лет, в возрасте 90 лет [4]. В 1992 году в ее честь был назван элемент мейтнерий, чтобы, наконец, отметить ее вклад в ядерную науку [5].

Глоссарий

Атом : Это маленькие частицы, содержащие ядро ​​и электроны, из которых состоит все во Вселенной, включая людей, пищу, деревья и здания.

Излучение : Высвобождение энергии из (радиоактивного) источника в виде волн, лучей или частиц.

Деление ядра : Разделение ядра атома на два более легких ядра с одновременным выделением энергии в виде излучения.

Радиоизотоп : Радиоактивный атом с нестабильным ядром и слишком большой энергией, которую он выделяет в виде излучения в виде частиц или волн.

Визуализация : Это когда радиация используется в больницах для фотографирования костей, органов или зубов пациентов, чтобы лучше понять, что происходит внутри тела.

Лучевая терапия : Использование радиационных волн или пучков частиц для уничтожения нездоровых клеток, таких как раковые, у пациента.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

RD и SL поддерживаются Отделом радиационных исследований Центра исследований рака Великобритании в Лондоне [C7893/А28990]. ST был поддержан грантом программы EPSRC «MITHRAS» [EP/S032789/1]. Авторы хотели бы поблагодарить Z.Butt за ее отличные отзывы во время подготовки рукописи, несмотря на то, что ей всего 9 лет.


Каталожные номера

[1] Сэтчлер, Г. Р. 1990. «Введение в ядерные реакции», в Введение в ядерные реакции , изд. Г. Р. Сэтчлер (Лондон: Palgrave Macmillan). п. 21–88. дои: 10.1007/978-1-349-20531-8_2

[2] Мейтнер, Л. , и Фриш, О.Р. 1939. Продукты деления ядра урана. Природа. 143:471–2. дои: 10.1038/143471a0

[3] Martinez, NE 2017. Вклад женщин в радиационные науки: краткая история. Здоровье Физ. 112: 376–83. дои: 10.1097/HP.0000000000000646

[4] Сайм, Р. 2002. Лиза Мейтнер: жизнь в физике в 20 веке. Стремление. 26:27–31. дои: 10.1016/S0160-9327(00)01397-1

[5] Дингл, А. 2017. Мейтнериум в честь. Нац. Химия . 9:830. doi: 10.1038/nchem.2833


Сноски

[1] Для получения дополнительной информации о ядерной физике см. http://nupex.eu/

[2] Для получения дополнительной информации о Лизе Мейтнер см.: https://www.sciencesmuseum.org.uk/objects-and-stories/women-physics

Что будет, если сломать атом?

Расщепление атомов, также известное как ядерное деление, производит радиацию и радиоактивность . Доктор Лиза Мейтнер в 1939 году открыла, как может образовываться радиоактивность. Она обнаружила, что запуск небольшой частицы, называемой нейтроном, в другой атом может вызвать выброс радиации.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на frontiersin.org

Можно ли разбить атом?

Согласно атомной теории Дальтона, атомы не могут ни образовываться, ни разрушаться в ходе химической реакции.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на byjus.com

Что произойдет, если разрушить атом?

По закону сохранения энергии материя не может быть ни создана, ни уничтожена. Следовательно, атом не может быть разрушен и не может быть разбит на более мелкие частицы.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на vedantu.com

Кто-нибудь когда-нибудь расщепил атом?

Британский и ирландский физик Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон соответственно первыми расщепили атом, чтобы подтвердить теорию Эйнштейна. Кокрофт родился в 189 г.7 и служил на Западном фронте во время Первой мировой войны.

Запрос на удаление

| Полный ответ см. на сайте aps.org

Взрываются ли атомы при разрушении?

Они не делают. Когда атом делится, он высвобождает крошечное количество энергии. Но атомы, как вы говорите, очень малы. Атом не производит большого взрыва, когда он расщепляется.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на quora.com

Что на самом деле произошло, когда мы впервые разделили тяжелый атом пополам

Черные дыры разрывают атомы?

Оказавшись внутри горизонта событий черной дыры, материя будет разорвана на мельчайшие субатомные компоненты и, в конце концов, будет сжата в сингулярность.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на uu.edu

Почему расщепление атома такое мощное?

Расщепление атомов, также известное как ядерное деление, приводит к излучению и радиоактивности. Доктор Лизе Мейтнер открыла, как радиоактивность может быть получена в 1939. Она обнаружила, что попадание небольшой частицы, называемой нейтроном, в другой атом может вызвать выброс радиации.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на frontiersin.org

Создает ли расщепление атома ядерную бомбу?

Ядерное деление производит атомную бомбу, оружие массового уничтожения, использующее энергию, высвобождаемую при расщеплении атомных ядер. Когда один свободный нейтрон попадает в ядро ​​атома радиоактивного материала, такого как уран или плутоний, он выбивает еще два или три нейтрона.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на cnduk. org

Соприкасаются ли атомы да или нет?

Если «соприкасаться» означает, что два атома находятся в одном и том же месте, то два атома никогда не соприкасаются при комнатной температуре из-за принципа запрета Паули. Принцип исключения Паули — это то, что удерживает все атомы в нашем теле от коллапса в одну точку.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на wtamu.edu

Что меньше атома?

Есть много частиц материи меньше атома. Есть электроны, протоны и нейтроны. Даже эти частицы состоят из более мелких частиц, называемых кварками, и еще более мелких бозонов. В большинстве ваших работ по химии атомы будут рассматриваться как основная единица материи.

Запрос на удаление

| Полный ответ на byjus.com

Может ли нож разрезать атом?

Поскольку ножи состоят из атомов, они не могут разрезать атомы.

Расщепление атомов в атомных бомбах происходит в результате другого процесса. Только некоторые определенные элементы атомов (и даже тогда только определенные изотопы) могут сделать это, и это происходит, когда они сталкиваются с нейтронами, которые являются частицами меньшего размера, чем атом.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на scienceline.ucsb.edu

Почему мы не можем расщеплять атомы?

Что происходит, когда вы расщепляете атом? Существует определенное количество энергии, необходимой для удержания всех нуклонов в ядре вместе. Это называется энергией связи. Если мы приложим к ядру правильную нагрузку, энергия связи будет недостаточно велика, чтобы удержать все вместе, и ядро ​​расколется.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на irishexaminer.com

Кто убивает атом?

Он дебютировал в ваншоте «О дивный новый мир», превью проектов, а затем появился в сериале «Совершенно новый атом» по сценарию Гейл Симон. Позже он убит Детстроуком и его Титанами.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на en.wikipedia.org

Люди теряют атомы?

Несмотря на то, что наши атомы заменяются каждый год, клетки, которые несут атомы, в конечном итоге повреждаются и перестают работать так же эффективно. Если наши атомы заменяются каждый день, почему мы стареем?

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на npr.org

Атомы гниют?

Атомы не стареют. Атомы радиоактивно распадаются, когда существует ядерная конфигурация с более низкой энергией, в которую они могут перейти. Фактический распад отдельного атома происходит случайным образом и не является результатом старения или изменения атома во времени.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на wtamu.edu

Атомы живы или мертвы?

Нет, атомы не живые существа. Является ли что-то живым, зависит от его способности делать такие вещи, как рост, дыхание и размножение. Очевидно, что это только то, что могут делать сложные структуры, а не атомы.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на Meritnation.com

Могут ли ваши атомы не попасть в стену?

Для того, чтобы пройти через другой атом, электроны первого атома должны были бы существовать — пусть и недолго — в том же атомном пространстве, что и электроны второго атома. А проще говоря, это невозможно.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на sciencealert.com

У атомов есть цвет?

атомы (в отличие от молекул) не имеют цвета — они прозрачны, за исключением особых условий. Вы не могли видеть цвет одного атома или молекулы — не потому, что они слишком малы, а потому, что цвет одного атома был бы слишком слабый.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на fnal.gov

Можно ли увидеть атомы глазами?

Нет, вы не можете увидеть атом так, как мы привыкли «видеть» вещи, то есть используя способность наших глаз воспринимать свет. По словам Онсела, атом просто слишком мал, чтобы отражать видимые световые волны, а это значит, что он не будет виден даже под самыми мощными фокусирующими свет микроскопами.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на blogs.und.edu

Сколько атомов в человеческом теле?

Трудно понять, насколько малы атомы, из которых состоит ваше тело, пока вы не взглянете на их огромное количество. Взрослый человек состоит примерно из 7 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (7 октиллионов) атомов.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на theguardian. com

Когда был расщеплен первый атом?

В апреле 1932 года Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон впервые разделили атом в Кавендишской лаборатории в Кембридже, Великобритания. Всего за несколько недель до этого Джеймс Чедвик, тоже из Кембриджа, открыл нейтрон.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на cerncourier.com

Насколько сильным будет взрыв, если расщепить атом?

Это правда. Если бы вы могли использовать его силу, то есть превратить каждый из его атомов в чистую энергию, скрепка произвела бы около 18 килотонн в тротиловом эквиваленте. Это примерно размер бомбы, уничтожившей Хиросиму в 1945 году. При взрыве в Хиросиме бесчисленное количество атомов урана разделилось на части в результате цепной ядерной реакции.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на pbs.org

Как выглядит расщепление атома?

Физики разгадывают давнюю загадку ядерного деления.

Оставить комментарий