Áèáëèîòåêà
Òåîëîãèÿ
Êîíôåññèè
Èíîñòðàííûå ÿçûêè
Äðóãèå ïðîåêòû
|
Âàø êîììåíòàðèé î êíèãå
Äóáíèùåâà Ò. Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. Ó÷åáíîå ïîñîáèå
Ãëàâà 6 ÊÎÍÖÅÏÖÈÈ ÂÇÀÈÌÎÄÅÉÑÒÂÈÉ È ÑÒÐÓÊÒÓÐ Â ÌÈÊÐÎÌÈÐÅ
6.1. Îïèñàíèå äâèæåíèÿ ìèêðî÷àñòèö. Ïðèíöèïû äîïîëíèòåëüíîñòè è ïðè÷èííîñòè
Ìèêðîìèð — íåâèäèìûé ìèð ìèêðîîáúåêòîâ: àòîìîâ, ýëåêòðîíîâ, íåéòðîíîâ, ïðîòîíîâ è ïð. Îí íå ìîæåò áûòü îïèñàí ïîíÿòèÿìè è ïðèíöèïàìè êëàññè÷åñêîé ôèçèêè, êîòîðûå â íåêîòîðîé ìåðå ñîîòâåòñòâóþò íàãëÿäíûì ïðåäñòàâëåíèÿì (êàê â ãë. 5). Êëàññè÷åñêàÿ ôèçèêà ïðèçíàåò íàëè÷èå ìàòåðèè êàê â âèäå âåùåñòâà, òàê è ïîëÿ. Íî îíà íå äîïóñêàåò îáúåêòîâ, îáëàäàþùèõ ñâîéñòâàìè è ïîëÿ, è âåùåñòâà. Ïîä÷åðêèâàÿ êàæóùóþñÿ ïðîòèâîðå÷èâîñòü ñâîéñòâ ìèêðîîáúåêòîâ, ó êîòîðûõ ýòè ñâîéñòâà äîïîëíÿþò äðóã äðóãà, Í.Áîð âûäâèíóë ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè (1927).
Ïðè îäíîì îïèñàíèè èëè íàáëþäåíèè çà ïîâåäåíèåì ìèêðî÷àñòèöû óäîáíåå ïðåäñòàâëÿòü åå âîëíîé, à ïðè äðóãîì — ÷àñòèöåé. Åäèíàÿ êàðòèíà ñèíòåçèðóåò ýòè îïèñàíèÿ. Ïîñëå äîêàçàòåëüñòâà âîëíîâûõ ñâîéñòâ ýëåêòðîíà è «ïîëíîãî óñïåõà» êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâîãî äóàëèçìà âåùåñòâà íåîáõîäèìî áûëî ïîäâåñòè òåîðèþ ê îáúÿñíåíèþ ÿâëåíèé. Èäåÿ î âîëíîâûõ ñâîéñòâàõ ýëåêòðîíîâ îêàçàëàñü î÷åíü ïëîäîòâîðíîé. Äëÿ ñîçäàíèÿ ìåõàíèêè ìèêðî÷àñòèö íóæíî áûëî ñôîðìóëèðîâàòü åå îñíîâíîé çàêîí (â êëàññè÷åñêîé íàóêå òàêîâ çàêîí äèíàìèêè Íüþòîíà). Äëÿ ìàêðîîáúåêòîâ äëèíà âîëíû äå Áðîéëÿ, ðàâíàÿ ìàëà, è èõ äâèæåíèÿ ìîæíî îïèñàòü çàêîíàìè êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè êàê âîëíîâûå ïðîöåññû, õàðàêòåðèçóþùèåñÿ âîëíîâîé ôóíêöèåé . Íî êîãäà äëèíîé âîëíû äå Áðîéëÿ íåëüçÿ ïðåíåáðå÷ü, çàêîí äâèæåíèÿ ìèêðîîáúåêòîâ äîëæåí áûòü àíàëîãè÷åí âîëíîâîìó óðàâíåíèþ â îïòèêå: . Àâñòðèéñêèé ôèçèê Ý. Øðåäèíãåð, îïèðàÿñü íà àíàëîãèþ îïòèêî-ëó÷åâîãî è îïòèêî-âîëíîâîãî îïèñàíèé, îáîáùèë ãèïîòåçó äå Áðîéëÿ äëÿ ñëó÷àÿ, êîãäà ýëåêòðîí äâèæåòñÿ íå â ñâîáîäíîì ïðîñòðàíñòâå, à âî âíåøíåì ïîëå. Àíãëèéñêèé ìàòåìàòèê Ó. Ãàìèëüòîí, ðàíåå âûðàçèâøèé èäåþ îá îïòèêî-ìåõàíè÷åñêîé àíàëîãèè, ïîêàçàë, ÷òî çàäà÷ó êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè ìîæíî ôîðìàëüíî çàïèñàòü êàê çàäà÷ó ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè. Òîãäà â ïðèâåäåííîì âûøå óðàâíåíèè äëÿ ôàçû âìåñòî íàäî ïîñòàâèòü öèêëè÷åñêóþ ÷àñòîòó âîëí äå Áðîéëÿ , à âìåñòî ñêîðîñòè v— ñêîðîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïîâåðõíîñòè ðàâíîãî äåéñòâèÿ Òîãäà óðàâíåíèå äëÿ ÷àñòèöû ïðèìåò âèä:
208
Çäåñü ââåäåí — îïåðàòîð Ëàï-
ëàñà; (Å - U) — ôóíêöèÿ êîîðäèíàò è âðåìåíè, êîòîðàÿ õàðàêòåðèçóåò ñèëîâîå ïîëå, â êîòîðîì äâèæåòñÿ ìèêðî÷àñòèöà.
Âîëíîâàÿ ìåõàíèêà — âàðèàíò ìåõàíèêè ìèêðîìèðà, ðàçðàáîòàííûé Øðåäèíãåðîì. Óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà â ìèêðîìèðå èãðàåò òàêóþ æå ðîëü, êàê óðàâíåíèÿ Íüþòîíà â êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêå. Åãî ðåøåíèå â îòñóòñòâèå âíåøíåãî ïîëÿ äàåò âîëíû äå Áðîé-ëÿ. Óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà äëÿ âîëíîâîé ôóíêöèè íå ìîæåò áûòü âûâåäåíî èç äðóãèõ ñîîòíîøåíèé, ò.å. ýòî — èñõîäíîå ïðåäïîëîæåíèå, ñïðàâåäëèâîñòü êîòîðîãî äîêàçûâàåòñÿ òåì, ÷òî âûòåêàþùèå èç íåãî ñëåäñòâèÿ ñîãëàñóþòñÿ ñ ýêñïåðèìåíòàëüíûìè äàííûìè.
Äèôôåðåíöèàëüíûå óðàâíåíèÿ ñ ÷àñòíûìè ïðîèçâîäíûìè âòîðîãî ïîðÿäêà èìåþò áåñêîíå÷íîå ìíîæåñòâî ðåøåíèé. Íåîáõîäèìîå ÷àñòíîå ðåøåíèå íàõîäÿò ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ, ñîîòâåòñòâóþùèõ äàííîé êîíêðåòíîé çàäà÷å. Øðåäèíãåð ðåøèë óðàâíåíèå äëÿ ïðîñòåéøèõ êâàíòîâûõ ñèñòåì — îñöèëëÿòîðà, ðîòàòîðà è ò. ï. Ïðè äâèæåíèè ñâîáîäíîãî ýëåêòðîíà óðàâíåíèå íå íàêëàäûâàëî íèêàêèõ îãðàíè÷åíèé íà åãî ýíåðãèþ — îíà ìîæåò ïðèíèìàòü ëþáûå çíà÷åíèÿ, íå êâàíòóåòñÿ. Øðåäèíãåð òðàêòîâàë -ôóíêöèþ êàê âåëè÷èíó, îïèñûâàþùóþ ïëîòíîñòü ÷àñòèö â ðåàëüíîì ïðîñòðàíñòâå, è ñ÷èòàë, ÷òî îíà îòðàæàåò òîëüêî âîëíîâûå ñâîéñòâà ÷àñòèö.
Äëÿ àòîìà âîäîðîäà Øðåäèíãåð ïîëó÷èë ðÿä äèñêðåòíûõ çíà÷åíèé ýíåðãèè, ÷òî è ñîîòâåòñòâîâàëî òåîðèè Áîðà. Îí îïðåäåëèë âèä âîëíîâûõ ôóíêöèé è âîçìîæíûå çíà÷åíèÿ ýíåðãèè, ñóìåâ óéòè îò ïîñòóëàòîâ Áîðà â ñòðîåíèè àòîìà âîäîðîäà. Öåëî÷èñëåííîñòü çíà÷åíèé ýíåðãèè ïîëó÷èëàñü ñàìà ñîáîé, êàê ïîëó÷àåòñÿ öåëîå ÷èñëî óçëîâ ïðè ðàññìîòðåíèè êîëåáàíèé ñòðóíû. Èç óñëîâèÿ ñòðåìëåíèÿ ê íóëþ -ôóíêöèè íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ (áûñòðîå îñëàáëåíèå óäåðæèâàþùåãî ïîëÿ) ìîæíî íàéòè ðåøåíèÿ óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà äëÿ ñâÿçàííûõ ñîñòîÿíèé. Äëÿ êóëîíîâ-ñêîãî ïîòåíöèàëà àòîìà âîäîðîäà ðåøåíèå ïîëó÷àåòñÿ íå äëÿ âñåõ ýíåðãèé, à äëÿ îïðåäåëåííûõ äèñêðåòíûõ çíà÷åíèé, ñîâïàäàþùèõ ñ òåìè, ÷òî äàâàëà òåîðèÿ Áîðà. Òåì ñàìûì ïðîÿñíÿëñÿ ñìûñë ïðàâèë êâàíòîâàíèÿ Áîðà— Çîììåðôåëüäà: äîïóñòèìûå çíà÷åíèÿ ýíåðãèè ñîîòâåòñòâóþò òðåáîâàíèþ, ÷òîáû â îáëàñòè äâèæåíèÿ ÷àñòèöû óëîæèëîñü öåëîå ÷èñëî âîëí äå Áðîéëÿ.
Õîòÿ ñìûñë -ôóíêöèè áûë åùå íå ïîíÿòåí, âîëíîâîé ôîðìàëèçì òåîðèè Øðåäèíãåðà ïðèíÿëè, ïîñêîëüêó îí ïîçâîëÿë ðåøàòü ñëîæíûå çàäà÷è ðàçðàáîòàííûìè ìåòîäàìè ìàòåìàòè÷åñêîé ôèçèêè, îñíîâàííûìè íà íåïðåðûâíûõ ôóíêöèÿõ. Èíòåðåñíî âûñêàçûâàíèå Ïëàíêà ïî ïîâîäó óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà è ââåäåíèÿ -ôóíêöèè: «óðàâíåíèþ ïðèäàåò îñíîâîïîëàãàþùåå çíà÷åíèå... íîâàÿ ìåòîäèêà, ïîçâîëÿþùàÿ ñ ïîìîùüþ ìàòåìàòèêè ïðåîäîëåòü òðóäíóþ êâàíòîâî-òåîðåòè÷åñêóþ ïðîáëåìó. Ýòî ïåðâûé ñëó÷àé, êîãäà êâàíò äåéñòâèÿ, êîòîðûé äî ñèõ ïîð íå ïîääàâàëñÿ
209 íèêàêèì ïîïûòêàì ïîäîéòè ê íåìó ñ òî÷êè çðåíèÿ ôèçèêè íåïðåðûâíîãî, óäàëîñü âêëþ÷èòü â äèôôåðåíöèàëüíûå óðàâíåíèÿ». Ñìûñë -ôóíêöèè áûë îñîçíàí ëèøü â 1926 ã. Ì. Áîðíîì, è «âîëíû ìàòåðèè» ïîëó÷èëè âåðîÿòíîñòíóþ èíòåðïðåòàöèþ. Îá ýòîì ÷óòü íèæå.
Íî ñâîéñòâà -ôóíêöèè íå ñâîäèëèñü òîëüêî ê «âîëíîâûì ïàêåòàì», ÷òî ýêñïåðèìåíòàëüíî äîêàçàëè ñîâåòñêèå ó÷åíûå Ë. Ì. Áèáåðìàí, Í. Ã. Ñóøêîâ è Â. À. Ôàáðèêàíò (1948). Ïðîïóñêàÿ ïó÷îê ýëåêòðîíîâ ÷ðåçâû÷àéíî ìàëîé èíòåíñèâíîñòè ÷åðåç êðèñòàëë (ôàêòè÷åñêè ïî îäíîìó), îíè ïîëó÷èëè íà ôîòîïëàñòèíêå çà êðèñòàëëîì îòäåëüíûå ïÿòíûøêè, ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ êîòîðûõ ñîîòâåòñòâîâàëà ðàñïðåäåëåíèþ èíòåíñèâíîñòåé â äèôðàêöèîííîé êàðòèíå, êîòîðàÿ áûëà áû ïðè áîëüøîé ïëîòíîñòè ïó÷êà ýëåêòðîíîâ. Ýòè «ïÿòíûøêè» äåìîíñòðèðîâàëè äèñêðåòíîñòü ýëåêòðîíîâ, à èõ ðàñïðåäåëåíèå ñâèäåòåëüñòâîâàëî î ïîä÷èíåííîñòè èõ ñòàòèñòè÷åñêèì çàêîíàì.
Ì. Áîðí ñ 1922 ã. íà÷àë ðàáîòàòü íàä òåîðèåé ñòðîåíèÿ àòîìà Áîðà, ñîáðàâ â Ãåòòèíãåíå îäàðåííûõ ìîëîäûõ ôèçèêîâ-òåîðåòèêîâ èç ðàçíûõ ñòðàí è âîîäóøåâèâ èõ íà ðàçðàáîòêó íîâîé, êâàíòîâîé ôèçèêè. Ïî âîñïîìèíàíèÿì Ãåéçåíáåðãà, áëàãîäàðÿ Áîðíó Ãåòòèíãåí, ñëàâèâøèéñÿ ñâîåé ìàòåìàòè÷åñêîé øêîëîé (òðàäèöèè Ãàóññà, Ðèìàíà, Âåáåðà ïðîäîëæàëè Êëåéí è Ãèëüáåðò), ñòàë öåíòðîì àòîìíîé ôèçèêè. Áîðí â êíèãå «Ôèçèêà â æèçíè ìîåãî ïîêîëåíèÿ» ïèñàë: «Ðàçâèòèå êâàíòîâîé ìåõàíèêè ïîêàçûâàåò, ÷òî ñîâîêóïíîñòü íàáëþäåíèé è èçìåðåíèé ìåäëåííî ñîçäàåò àáñòðàêòíûå ôîðìóëû äëÿ èõ ñæàòîãî îïèñàíèÿ è ÷òî ïîíèìàíèå èõ çíà÷åíèÿ ïðèõîäèò âïîñëåäñòâèè».
Ìàòðè÷íàÿ ìåõàíèêà — äðóãîé âàðèàíò ìåõàíèêè ìèêðîìèðà, ñîçäàííûé Â.Ãåéçåíáåðãîì, Ì.Áîðíîì, Ï.Äèðàêîì è Ï.Èîðäàíîì.  ñâîåé ïåðâîé ðàáîòå Ãåéçåíáåðã ïûòàëñÿ âûðàáîòàòü îñíîâû àòîìíîé ìåõàíèêè, ïîñòðîåííîé íà ñâÿçÿõ ìåæäó ïðèíöèïèàëüíî íàáëþäàåìûìè âåëè÷èíàìè áåç ïðèâëå÷åíèÿ ìîäåëåé. Îí ñ÷èòàë, ÷òî òåîðèÿ ÿâëåíèé ìèêðîìèðà äîëæíà óñòàíàâëèâàòü ñîîòíîøåíèÿ ìåæäó âåëè÷èíàìè, êîòîðûå íåïîñðåäñòâåííî íàáëþäàþòñÿ â ýêñïåðèìåíòå (÷àñòîòà ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, ïîëÿðèçàöèÿ è äð.), à «íåíàáëþäàåìûå» (ñêîðîñòü, ìàññà, óñêîðåíèå, ïîëîæåíèå ÷àñòèöû) íå äîëæíû áûòü â íåé. Ãåéçåíáåðã îòêàçàëñÿ îò «ïðåäñòàâëåíèé îá ýëåêòðîííûõ îðáèòàõ ñ îïðåäåëåííûìè ðàäèóñàìè è ïåðèîäàìè îáðàùåíèÿ, ïîòîìó ÷òî ýòè âåëè÷èíû íå ìîãëè áûòü íàáëþäàåìû».
Ýòî äîñòèæåíèå Ãåéçåíáåðãà è ñòàëî îñíîâîé ìàòðè÷íîãî âàðèàíòà êâàíòîâîé ìåõàíèêè, äëÿ êîòîðîé Áîðí ðàçðàáîòàë ìàòåìàòè÷åñêèé àïïàðàò. Ãåéçåíáåðã ïðåäñòàâèë ôèçè÷åñêèå âåëè÷èíû êàê ñîâîêóïíîñòü âñåõ âîçìîæíûõ àìïëèòóä ïåðåõîäà èç îäíîãî êâàíòîâîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãèå, òàê êàê ïðè èçó÷åíèè ñïåêòðàëüíûõ çàêîíîìåðíîñòåé àòîì ïðåäñòàâëÿëñÿ ñîâîêóïíîñòüþ âèð-
210 òóàëüíûõ ãàðìîíè÷åñêèõ îñöèëëÿòîðîâ. Ñàìà âåðîÿòíîñòü ïåðåõîäà ïðîïîðöèîíàëüíà êâàäðàòó ìîäóëÿ àìïëèòóäû, íàáëþäàåìîìó â ýêñïåðèìåíòàõ. Òîãäà êàæäàÿ âåëè÷èíà äîëæíà èìåòü äâà èíäåêñà, ñîîòâåòñòâóþùèõ âåðõíåìó è íèæíåìó ñîñòîÿíèÿì. Ýòè âåëè÷èíû íàçûâàþòñÿ ìàòðèöàìè. Ãåéçåíáåðã ïîëó÷èë è óðàâíåíèÿ äëÿ íàáëþäàåìûõ âåëè÷èí, íî â ïåðâîíà÷àëüíîì âèäå îíè áûëè ñëîæíûìè.  1926 ã. îí ñóìåë îáúÿñíèòü îòëè÷èå äâóõ ñèñòåì òåðìîâ äëÿ ïàðà- è îðòîãåëèÿ êàê ñîîòâåòñòâóþùèõ ñèììåòðè÷íûì è àíòèñèììåòðè÷íûì ðåøåíèÿì åãî óðàâíåíèÿ.
Êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà — òåîðèÿ äâèæåíèé â ìèêðîìèðå, îñíîâàííàÿ íà åäèíñòâå ìàòðè÷íîé è âîëíîâîé ìåõàíèêè. Øðåäèíãåð âñêîðå äîêàçàë èõ ìàòåìàòè÷åñêóþ ýêâèâàëåíòíîñòü.  êâàíòîâîé ìåõàíèêå íåò ðàçíèöû ìåæäó îïèñàíèÿìè ÷àñòèöû ñ ïîìîùüþ âîëíîâûõ è êîðïóñêóëÿðíûõ ïðåäñòàâëåíèé. Âðàùàþùèéñÿ âîêðóã ÿäðà ýëåêòðîí ìîæíî ïðåäñòàâëÿòü â âèäå âîëíû, äëèíà êîòîðîé îïðåäåëÿåòñÿ åãî ñêîðîñòüþ. È òàì, ãäå óêëàäûâàåòñÿ öåëîå ÷èñëî äëèí âîëí ýëåêòðîíà, îíè ñêëàäûâàþòñÿ, îáðàçóÿ ðàçðåøåííóþ îðáèòó â ïëàíåòàðíîé ìîäåëè ñòðîåíèÿ àòîìà Áîðà. Åñëè æå â îðáèòó íå óêëàäûâàåòñÿ öåëîå ÷èñëî âîëí, ãðåáíè èõ ñòàíóò êîìïåíñèðîâàòü âïàäèíû, òàêàÿ îðáèòà íå áóäåò ðàçðåøåíà. Óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà ïîçâîëÿåò îäíîçíà÷íî îïðåäåëèòü âîëíîâóþ ôóíêöèþ â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè, åñëè èçâåñòíî åå çíà÷åíèå â äàííûé ìîìåíò. Ïîýòîìó ñàìî óðàâíåíèå âïîëíå äèíàìè÷íî. Íî îíî áûëî íàïèñàíî åùå äî òîãî, êàê ñòàë ïîíÿòåí ñìûñë ýòîé ôóíêöèè.
Âåðíóþ òðàêòîâêó ñìûñëà âîëíîâîé ôóíêöèè äàë Ì.Áîðí â 1926 ã. Îáðàòèâøèñü ê ðàáîòàì Ýéíøòåéíà ïî òåîðèè ôîòîíîâ è ïðîàíàëèçèðîâàâ çàäà÷ó î ðàññåÿíèè ÷àñòèö, îí ïîäîøåë ê ñîçäàíèþ ôîðìàëèçìà êâàíòîâîé ìåõàíèêè ñ ïîçèöèè ñòàòèñòè÷åñêèõ ìåòîäîâ. Îí ïîêàçàë, ÷òî èíòåíñèâíîñòü -âîëí åñòü ìåðà âåðîÿòíîñòè ïîëîæåíèÿ ÷àñòèöû â îïðåäåëåííîì ìåñòå.
Êâàäðàò ìîäóëÿ -ôóíêöèè îïðåäåëÿåò âåðîÿòíîñòü dWòîãî, ÷òî ÷àñòèöà áóäåò îáíàðóæåíà â îáúåìå
ïðè ýòîì ïîëíàÿ âåðîÿòíîñòü îáíàðóæåíèÿ ÷àñòèöû âî âñåì îáúåìå, îïðåäåëÿåìàÿ èíòåãðàëîì ïî îáúåìó, äîëæíà ðàâíÿòüñÿ (êàê äîñòîâåðíîãî ñîáûòèÿ) åäèíèöå:. Çíà÷èò, êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà íîñèò ñòàòèñòè÷åñêèé õàðàêòåð. Îíà ïîçâîëÿåò íàéòè ëèøü âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî êîîðäèíàòû ëåæàò âíóòðè îïðåäåëåííîãî èíòåðâàëà, -ôóíêöèÿ ïîçâîëÿåò òîëüêî ïðåäñêàçàòü âåðîÿòíîñòü îáíàðóæåíèÿ ÷àñòèöû  ðàçëè÷íûõ òî÷êàõ ïðîñòðàíñòâà. Êàê âûðàçèëñÿ Ð.Ôåéíìàí, «ïðèõîäèòñÿ ïðèçíàòü, ÷òî ìû èçìåíèëè íàøèì ïðåæíèì èäåàëàì ïîíèìàíèÿ ïðèðîäû. Ìîæåò áûòü, ýòî øàã íàçàä, íî íèêòî íå íàó÷èë íàñ, êàê èçáåæàòü åãî».
Èòàê, ìèêðîïðîöåññàì ñâîéñòâåííû íå äèíàìè÷åñêèå, à ñòàòèñòè÷åñêèå çàêîíîìåðíîñòè, òåì ñàìûì â îáëàñòè ìèêðîìèðà
211 ïðè÷èííîñòü ðåàëèçóåòñÿ ÷åðåç ìíîãîîáðàçèå ñëó÷àéíîñòåé è õàðàêòåð ïðè÷èííîé ñâÿçè â ìèêðîìèðå îòëè÷àåòñÿ îò äåòåðìèíèçìà êëàññè÷åñêîé íàóêè. Êëàññè÷åñêàÿ íàóêà, ñòðåìÿñü ê îáúåêòèâíîñòè çàêîíîâ, ôàêòè÷åñêè èãíîðèðîâàëà ñëó÷àéíîñòü.  íåé ôèãóðèðîâàëè òîëüêî ñðåäíèå äàííûå, íî â ðåàëüíûõ ïðîöåññàõ âñåãäà ïðîèñõîäÿò ñëó÷àéíûå ôëóêòóàöèè (îòêëîíåíèÿ îò ñðåäíèõ), êîòîðûìè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü ëèøü â íåêîòîðûõ ñèòóàöèÿõ. Äèíàìè÷åñêèå òåîðèè íå ìîãóò îïèñûâàòü ÿâëåíèÿ ñ áîëüøèìè ôëóêòóà-öèÿìè, ñâÿçü ñî ñëó÷àéíîñòüþ ñãëàæåíà, îãðóáëåíà. Ïîýòîìó ñòàòèñòè÷åñêèå çàêîíû ãëóáæå, ÷åì äèíàìè÷åñêèå, à âåðîÿòíîñòíàÿ ïðè÷èííîñòü îêàçûâàåòñÿ ãëóáæå, ÷åì äèíàìè÷åñêàÿ.
Ïîëîæåíèå î ïåðâè÷íîñòè ñòàòèñòè÷åñêèõ çàêîíîâ âûäâèíóëè ñîçäàòåëè êâàíòîâîé ìåõàíèêè. Ñíà÷àëà ìíîãèå ñâÿçûâàëè åãî ñ èíäåòåðìèíèçìîì, ïîñêîëüêó äåòåðìèíèçì â ïðèâû÷íîì ïîíèìàíèè â ìèêðîìèðå îêàçàëñÿ íåäîñòèæèì. Áîëüøàÿ ÷àñòü ó÷åíûõ âîñïðèíèìàëà ñòàòèñòè÷åñêèå çàêîíû êàê íåäîñòàòî÷íîñòü íàøèõ çíàíèé î ìèêðîîáúåêòàõ, ò. å. êàê ïðîìåæóòî÷íûé ýòàï ðàçâèòèÿ çíàíèé. Íî êîãäà îêàçàëîñü, ÷òî âåðîÿòíîñòíàÿ òåîðèÿ ïîäòâåðæäàåòñÿ ìíîãèìè ýêñïåðèìåíòàìè, ñòàëè ãîâîðèòü, ÷òî ýòè çàêîíû äîïîëíÿþò äðóã äðóãà è â òî æå âðåìÿ íå ìîãóò áûòü ñâåäåíû äðóã ê äðóãó. Ñòàòèñòè÷åñêèå çàêîíîìåðíîñòè — îáúåêòèâíûå çàêîíû ïðèðîäû, îòðàæàþùèå ðåàëüíûå ñâÿçè â ìèêðîìèðå.  ìàêðîìèðå ïîâåäåíèå èíäèâèäóàëüíûõ îáúåêòîâ ïîä÷èíåíî äèíàìè÷åñêèì çàêîíàì, à ñîâîêóïíîñòè îáúåêòîâ — ñòàòèñòè÷åñêèì.  ìèêðîìèðå è îáúåêòû, è èõ ñîâîêóïíîñòè îïèñûâàþòñÿ êàê äèíàìè÷åñêèìè, òàê è ñòàòèñòè÷åñêèìè çàêîíàìè. Èñòîðèÿ íàóêè ïîêàçûâàåò, ÷òî äèíàìè÷åñêèå çàêîíû ïîñòåïåííî ñìåíÿþòñÿ çàêîíàìè ñòàòèñòè÷åñêèìè, ïðåäñòàâëÿþùèìè áîëåå ãëóáîêèé óðîâåíü ïîíèìàíèÿ ñóùíîñòè è áîëåå øèðîêèé îõâàò ÿâëåíèé ïðèðîäû. Ñòàòèñòè÷åñêèå çàêîíîìåðíîñòè ïðèâîäÿò ê áîëåå õîðîøåìó ñîãëàñèþ ñ ýêñïåðèìåíòîì. Åå ðåçóëüòàòû ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ ñîãëàñóþòñÿ ñ ðåçóëüòàòàìè äèíàìè÷åñêèõ òåîðèé, ÷òî è ïðåäïîëàãàåò ïðèíöèï ñîîòâåòñòâèÿ Áîðà.
Äî ñîçäàíèÿ êâàíòîâîé ìåõàíèêè Áîðí âìåñòå ñ ó÷åíèêàìè ïîëó÷èë âûäàþùèåñÿ ðåçóëüòàòû ïî îáúÿñíåíèþ ÿâëåíèé â òâåðäûõ òåëàõ è êðèñòàëëàõ, èñïîëüçóÿ ïîíÿòèå êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè è ïðèìåíÿÿ òåîðèþ ãðóïï. Ïîýòîìó îí ñðàçó æå ïðèìåíèë ýòîò ïîäõîä ê ðàçëè÷íûì ïðîáëåìàì ñòðîåíèÿ àòîìà, ôèçèêè òâåðäîãî òåëà è ìîëåêóëÿðíîé ôèçèêè.  1926 ã. Áîðí ïðåäëîæèë ñïîñîá ðàñ÷åòà ýëåêòðîííûõ îáîëî÷åê àòîìà è ìåòîäû ðåøåíèé äëÿ çàäà÷ ñòîëêíîâåíèÿ ÷àñòèö ïî òåîðèè âîçìóùåíèé, êîòîðûå èçâåñòíû êàê áîðíîâñêîå ïðèáëèæåíèå, è âìåñòå ñ Í. Âèíåðîì ââåë â êâàíòîâóþ ìåõàíèêó ïîíÿòèå îïåðàòîðà.  îòëè÷èå îò ñèòóàöèè â êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêå íåêîòîðûå âåëè÷èíû (ìîìåíò èìïóëüñà, ýíåðãèÿ ïðè äâèæåíèè â çàìêíóòîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà è äð.) ìîãóò ïðèíèìàòü ëèøü äèñêðåòíûé ðÿä çíà÷åíèé. Âîçìîæíûå çíà÷åíèÿ
212 ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí ÿâëÿþòñÿ ñîáñòâåííûìè çíà÷åíèÿìè îïåðàòîðîâ, ñîïîñòàâëÿåìûõ â êâàíòîâîé ìåõàíèêå ñ êàæäîé ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíîé. Ýòà âåëè÷èíà ìîæåò ïðèíèìàòü îïðåäåëåííûå çíà÷åíèÿ ñ âåðîÿòíîñòüþ, ðàâíîé åäèíèöå, òîëüêî â ñëó÷àå, åñëè ñèñòåìà íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè, èçîáðàæàåìîì ñîáñòâåííîé ôóíêöèåé ýòîãî îïåðàòîðà. Òîãäà âåðîÿòíîñòü ïðåâðàùàåòñÿ â äîñòîâåðíîñòü.
Çíàÿ -ôóíêöèþ, ìîæíî âû÷èñëèòü ñðåäíåå çíà÷åíèå ëþáîé ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíû è åå îòêëîíåíèå îò ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ — äèñïåðñèþ.  îòëè÷èå îò êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè ïîâåäåíèå îòäåëüíîé ÷àñòèöû èìååò ñòàòèñòè÷åñêèé õàðàêòåð, ò. å. ýòî óæå íå ñâÿçàíî ñ íàëè÷èåì î÷åíü áîëüøîãî ÷èñëà ÷àñòèö. Íî ïðè ôîðìóëèðîâêå êâàíòîâîé ìåõàíèêè ïðèøëîñü ââåñòè åùå îäèí ïðèíöèï — ôóíäàìåíòàëüíûé ïðèíöèï íåîòëè÷èìîñòè èëè òîæäåñòâåííîñòè ÷àñòèö.  êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêå ÷àñòèöû ìîæíî îòëè÷èòü ïî èõ ñîñòîÿíèÿì, â ýòîì ñìûñëå îíè íå òåðÿþò èíäèâèäóàëüíîñòè.  êâàíòîâîé ìåõàíèêå ýòî íåâîçìîæíî, òàê êàê ìèêðî÷àñòèöà íå èìååò òðàåêòîðèè. Åñëè âîëíîâûå ôóíêöèè äâóõ ÷àñòèö ïåðåêðûâàþòñÿ, òî â îáëàñòè ïåðåêðûòèÿ íåò âîçìîæíîñòè îòëè÷èòü îäíó ÷àñòèöó îò äðóãîé. Ïîýòîìó ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî òîæäåñòâåííûìè îêàçûâàþòñÿ è ñâîéñòâà ÷àñòèö, è èõ ñîñòîÿíèÿ.  ïðèðîäå ðåàëèçóþòñÿ ëèøü òå ñîñòîÿíèÿ ñîâîêóïíîñòè îäèíàêîâûõ ÷àñòèö, êîòîðûå íå ìåíÿþòñÿ ïðè îáìåíå ìåñòàìè îäèíàêîâûõ ÷àñòèö. Ïîýòîìó è ñîñòîÿíèÿ îïèñûâàþòñÿ ëèøü ñèììåòðè÷íûìè èëè àíòèñèììåòðè÷íûìè âîëíîâûìè ôóíêöèÿìè, à õàðàêòåð ñèììåòðèè îïðåäåëÿåòñÿ ñîáñòâåííûì ìîìåíòîì èìïóëüñà ÷àñòèöû (åå ñïèíîì). Ñôîðìóëèðîâàííûé íà ýòîé îñíîâå ïðèíöèï Ïàóëè ïîçâîëèë ñôîðìèðîâàòü ñòàòèñòè÷åñêèå ïðàâèëà äëÿ ÷àñòèö ñ öåëûì è ïîëóöåëûì ñïèíîì è ïîíÿòü ïîñòðîåíèå Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ.
 1927 ã. Áîðí ðàçðàáîòàë, ïðè ó÷àñòèè àìåðèêàíñêîãî ôèçèêà Ð. Îïïåíãåéìåðà, òåîðèþ ñòðîåíèÿ äâóõàòîìíûõ ìîëåêóë. Êâàíòîâàÿ ìåõàíèêà ÿâèëàñü òåîðåòè÷åñêîé îñíîâîé õèìèè. Ñ åå ïîìîùüþ óäàëîñü ïîñòðîèòü òåîðèþ òâåðäîãî òåëà, ìíîãèõ åãî ñâîéñòâ â ðàçëè÷íûõ ïîëÿõ. Íà íåé áàçèðóþòñÿ êâàíòîâûå ñòàòèñòèêà, ýëåêòðîäèíàìèêà, òåîðèÿ èçëó÷åíèÿ è äð. Îíà ëåãëà â îñíîâó òåîðèè ðàäèîàêòèâíîãî ðàñïàäà è ñòàëà áàçîé àòîìíîé è ÿäåðíîé ôèçèêè.
6.2. Ïðèíöèïû ñîîòâåòñòâèÿ è íåîïðåäåëåííîñòè. Ðîëü ïðèáîðà è ïðîöåññà èçìåðåíèÿ â êâàíòîâîé ìåõàíèêå
Ãðàíèöû ïðèìåíèìîñòè ñóùåñòâóþò ó êàæäîé òåîðèè. Òàê, êëàññè÷åñêàÿ ìåõàíèêà îïèñûâàåò äâèæåíèå ìàêðîñêîïè÷åñêèõ òåë ïðè ñêîðîñòÿõ, ñóùåñòâåííî ìåíüøèõ ñêîðîñòè ñâåòà. Ýòè ãðàíèöû âûÿñíèëèñü òîëüêî ïîñëå ñîçäàíèÿ ÑÒÎ — ðåëÿòèâèñòñêàÿ ìåõà-
213
íèêà ðàñøèðèëà êëàññè÷åñêóþ íà ñëó÷àé áîëüøèõ ñêîðîñòåé. Öåííîñòü ìåõàíèêè Íüþòîíà ïðè ýòîì íå óìåíüøèëàñü — äëÿ ìàëûõ ñêîðîñòåé òåë (ïî ñðàâíåíèþ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà) ïîïðàâêè ìàëû. Ïðè ñîçäàíèè êâàíòîâîé ìåõàíèêè áûëî âàæíî ñòðîèòü íîâóþ òåîðèþ òàê, ÷òîáû ñîîòíîøåíèÿ ìåæäó âåëè÷èíàìè áûëè àíàëîãè÷íû êëàññè÷åñêèì, ò. å. êàæäîé êëàññè÷åñêîé âåëè÷èíå íóæíî áûëî ïîñòàâèòü â ñîîòâåòñòâèå êâàíòîâóþ, à ïîòîì íàéòè ñîîòíîøåíèå ìåæäó êâàíòîâûìè âåëè÷èíàìè, ïîëüçóÿñü êëàññè÷åñêèìè çàêîíàìè. Òàêèå ñîîòâåòñòâèÿ ìîæíî áûëî íàéòè òîëüêî èç îïåðàöèé èçìåðåíèÿ.
Ïðèíöèï ñîîòâåòñòâèÿ — íîâàÿ òåîðèÿ íå ìîæåò áûòü ñïðàâåäëèâîé, åñëè íå áóäåò ñîäåðæàòü â êà÷åñòâå ïðåäåëüíîãî ñëó÷àÿ ñòàðóþ òåîðèþ, îòíîñÿùóþñÿ ê òåì æå ÿâëåíèÿì, åñëè îíà óæå ïîäòâåðæäåíà îïûòîì â ýòîé îáëàñòè. Ýòîò ïðèíöèï ïîñòðîåíèÿ íîâûõ òåîðèé â äðóãèõ îáëàñòÿõ, ñôîðìóëèðîâàííûé Í. Áîðîì (1923), îòðàæàåò äèàëåêòèêó ñîîòíîøåíèÿ àáñîëþòíîé è îòíîñèòåëüíîé èñòèí. Ñìåíà òåîðèé (îòíîñèòåëüíûõ èñòèí) åñòü øàã íà ïóòè ïðèáëèæåíèÿ ê àáñîëþòíîé èñòèíå, òåì ñàìûì ïðèíöèï ñîîòâåòñòâèÿ îòðàæàåò îáúåêòèâíóþ öåííîñòü ôèçè÷åñêèõ òåîðèé — íîâûå òåîðèè íå îòðèöàþò ñòàðûõ èìåííî ïîòîìó, ÷òî ñòàðûå òåîðèè ñ îïðåäåëåííîé ñòåïåíüþ ïðèáëèæåíèÿ îòðàæàþò îáúåêòèâíûå çàêîíîìåðíîñòè ïðèðîäû.
 1927 ã. Â. Ãåéçåíáåðã ïðè ïîääåðæêå Áîðà è åãî øêîëû ïðåäëîæèë óñòðàíèòü ïðîòèâîðå÷èå «âîëíà — ÷àñòèöà», êîòîðîå îí ïîíèìàë êàê àíàëîãèþ. Îí øåë îò íàãëÿäíûõ ôåíîìåíîëîãè÷åñêèõ ìîäåëåé. Ñ÷èòàÿ, ÷òî «ñîâîêóïíîñòü àòîìíûõ ÿâëåíèé íåâîçìîæíî íåïîñðåäñòâåííî âûðàçèòü íàøèì ÿçûêîì», îí ïðåäëîæèë îòêàçàòüñÿ îò ïðåäñòàâëåíèÿ î ìàòåðèàëüíîé òî÷êå, òî÷íî ëîêàëèçîâàííîé âî âðåìåíè è ïðîñòðàíñòâå. Ëèáî òî÷íîå ïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå ïðè ïîëíîé íåîïðåäåëåííîñòè âî âðåìåíè, ëèáî íàîáîðîò — òàêîâî òðåáîâàíèå êâàíòîâûõ ñêà÷êîâ.
Ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè Ãåéçåíáåðãà — ýòî ôóíäàìåíòàëüíîå ïîëîæåíèå êâàíòîâîé òåîðèè, îòðàæàþùåå îãðàíè÷åíèå èíôîðìàöèè î ìèêðîîáúåêòàõ ñàìèìè ñðåäñòâàìè íàáëþäåíèÿ.
Ïóñòü â êàêîé-òî ìîìåíò íàì íóæíî óçíàòü ïîëîæåíèå è ñêîðîñòü ýëåêòðîíà. Ñàìûé òî÷íûé ìåòîä — îñâåòèòü ýëåêòðîí ïó÷êîì ôîòîíîâ. Ýëåêòðîí ñòîëêíåòñÿ ñ ôîòîíîì, è åãî ïîëîæåíèå áóäåò îïðåäåëåíî ñ òî÷íîñòüþ äî äëèíû âîëíû ôîòîíà. Äëÿ áîëüøåé òî÷íîñòè íóæíî èñïîëüçîâàòü ôîòîíû íàèìåíüøåé äëèíû (èëè áîëüøåé ÷àñòîòû, èëè îáëàäàþùèå áîëüøèìè ýíåðãèåé Å è èìïóëüñîì hv/c). Íî ÷åì áîëüøå èìïóëüñ ôîòîíà, òåì ñèëüíåå îí èñêàçèò èìïóëüñ ýëåêòðîíà. Äëÿ òî÷íîãî çíàíèÿ ïîëîæåíèÿ ýëåêòðîíà íóæíî èñïîëüçîâàòü ôîòîíû áåñêîíå÷íîé ÷àñòîòû, íî òîãäà è èìïóëüñ åãî áóäåò áåñêîíå÷íûì, ñîâåðøåííî íåîïðåäåëåííûì. È, íàîáîðîò, æåëàÿ îïðåäåëèòü òî÷íî èìïóëüñ ýëåêòðîíà,
214 èç àíàëîãè÷íûõ ðàññóæäåíèè ïðèäåì ê íåîïðåäåëåííîñòè ïîëîæåíèÿ. Âûðàçèâ åå êàê , à íåîïðåäåëåííîñòü èìïóëüñà êàê , ïîëó÷èì . Äëÿ äðóãèõ ñîïðÿæåííûõ âåëè÷èí — ýíåðãèè Å
è âðåìåíè t— êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêîå ñîîòíîøåíèå íåîïðåäåëåííîñòè áóäåò
Çíà÷èò, ÷åì òî÷íåå ôèêñèðîâàí èìïóëüñ, òåì áîëüøàÿ íåîïðåäåëåííîñòü â çíà÷åíèè êîîðäèíàòû. Àíàëîãè÷íî ñâÿçàíû ýíåðãèÿ è âðåìÿ — òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ ýíåðãèè ïðîïîðöèîíàëüíà äëèòåëüíîñòè ïðîöåññà èçìåðåíèÿ. È ýòî íå íåòî÷íîñòü îïðåäåëåíèÿ âåëè÷èí, êîòîðàÿ ìîæåò áûòü óëó÷øåíà áîëåå òî÷íûì ïðèáîðîì, ýòî ïðèíöèïèàëüíàÿ íåòî÷íîñòü îïðåäåëåíèÿ ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí â àòîìíîé ôèçèêå. Ïðè÷èíà ýòîãî — âçàèìîäåéñòâèå ñ ìàêðîñêîïè÷åñêèì ïðèáîðîì. Ïðèíöèï äàåò îãðàíè÷åíèÿ, êîòîðûå íåëüçÿ óñòðàíèòü íèêàêèìè óñîâåðøåíñòâîâàíèÿìè ïðèáîðà.  êëàññè÷åñêîé íàóêå ïðèáîðû è íàáëþäåíèÿ òîæå èñêàæàëè èçìåðåíèÿ, íî ýòè èñêàæåíèÿ ìîæíî áûëî óìåíüøàòü. Ðàçíèöà â òîì, ÷òî ñîïðèêàñàþòñÿ è âçàèìîäåéñòâóþò îáúåêòû ðàçíûõ ìèðîâ: äëÿ èçó÷åíèÿ ìèêðîìèðà èñïîëüçóþòñÿ ïðèáîðû è íàáëþäàòåëè èç ìàêðîìèðà. Îíè-òî è âíîñÿò èñêàæåíèÿ â ñîñòîÿíèÿ ìèêðîîáúåêòîâ, êîòîðûå íå óñòðàíèìû. Ïîýòîìó áóäóùåå ñîñòîÿíèå ìèêðî÷àñòèöû íå ìîæåò áûòü äîñòîâåðíî è òî÷íî ïðåäñêàçàíî. Ïîâûøåíèå òî÷íîñòè çíàíèÿ îäíîãî ïàðàìåòðà óâåëè÷èâàåò íåòî÷íîñòü â çíàíèè ñîïðÿæåííîãî åìó ïàðàìåòðà. Îòñþäà — äèñêóññèè î íåïðåäñêàçóåìîñòè ÿâëåíèé ìèêðîìèðà, î «ñâîáîäå âîëè» ýëåêòðîíà, î ïîáåäå ñëó÷àéíîñòè íàä äåòåðìèíèçìîì, íàðóøåíèè ïðèíöèïà ïðè÷èííîñòè â ìèêðîìèðå è äð. Ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè èíîãäà íàçûâàþò ñëåäñòâèåì ïðèíöèïà äîïîëíèòåëüíîñòè, ÷òî äî ñèõ ïîð âûçûâàåò äèñêóññèè.
Îñíîâà èíòåðïðåòàöèè êâàíòîâîé ìåõàíèêè — ïðèíöèï Ãåéçåíáåðãà — óñòàíàâëèâàåò ãðàíèöû ïðèìåíèìîñòè êëàññè÷åñêîé ôèçèêè è ñ÷èòàåòñÿ îáùåïðèçíàííûì.
Ïðèìåíèì ñîîòíîøåíèÿ Ãåéçåíáåðãà, íàïðèìåð, ê ýëåêòðîíó â àòîìå. Òàê êàê ñêîðîñòü ýëåêòðîíîâ ïðè äâèæåíèè âîêðóã ÿäðà ïîðÿäêà 106 ì/ñ, òî ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìàÿ íåîïðåäåëåííîñòü ñêîðîñòè íå äîëæíà ïðåâûøàòü ñàìîé ñêîðîñòè. Ïóñòü îíè ðàâíû, òîãäà èç ñîîòíîøåíèÿ íåîïðåäåëåííîñòåé äëÿ êîîðäèíàò è èìïóëüñîâ . Èëèâ÷èñëàõ: = 6,62 10-34Äæ ñ/(9,1 10-31 êã 106 ì/ñ) = 7 • 10-10 ì, ò. å. íåîïðåäåëåííîñòü â êîîðäèíàòå ïîðÿäêà ðàçìåðîâ ñàìîãî àòîìà. Îòñþäà âûâîä: ýëåêòðîí ðàçìàçàí ïî âñåìó îáúåìó àòîìà â âèäå ïóëüñèðóþùåãî îáëà÷êà, è åãî áîðîâ-ñêàÿ îðáèòà — ãåîìåòðè÷åñêîå ìåñòî òî÷åê, â êîòîðûõ êîðïóñêóëÿðíûå ñâîéñòâà ýëåêòðîíà íàèáîëåå âûðàæåíû.
Ïîíÿòèå âåðîÿòíîñòè ñòàíîâèòñÿ ïåðâè÷íûì, è âîêðóã íåãî ñòðîèòñÿ íàóêà XX â., ôîðìèðóÿ íîâóþ, íåêëàññè÷åñêóþ ñòðàòåãèþ ïîçíàíèÿ. Îïûòû äàþò íàáîð âîçìîæíûõ çíà÷åíèé âåëè÷èí ñ ðàñïðåäåëåíèåì èõ âåðîÿòíîñòè, è ýòî ìîæåò áûòü ïðåäâû÷èñëå-
215 íî! Èññëåäóÿ ñïåöèôèêó âçàèìîäåéñòâèÿ ìèêðîîáúåêòà ñ êëàññè÷åñêèì ñðåäñòâîì íàáëþäåíèÿ, Ãåéçåíáåðã â ðàáîòå «Î íàãëÿäíîì ñîäåðæàíèè êâàíòîâîé êèíåìàòèêè è ìåõàíèêè» (1927) ðàññìîòðåë îñíîâíûå ïîëîæåíèÿ êâàíòîâîé ìåõàíèêè, îðèåíòèðóÿñü íà âîçìîæíîñòè èçìåðåíèÿ âåëè÷èí, õàðàêòåðèçóþùèõ ñîñòîÿíèå ìèêðîîáúåêòà. Îí çàêëþ÷èë, ÷òî â ìèêðîìèðå «÷åì òî÷íåå îïðåäåëÿåòñÿ ìåñòîïîëîæåíèå, òåì ìåíåå òî÷íûìè ñòàíîâÿòñÿ ñâåäåíèÿ îá èìïóëüñå». Èëè, â îòëè÷èå îò «ëàïëàñîâñêîãî äåòåðìèíèçìà», ïîñêîëüêó ìû íå ìîæåì çíàòü íàñòîÿùåãî âî âñåõ äåòàëÿõ, òî íå ìîæåì äîñòîâåðíî ïðåäñêàçàòü áóäóùåå. Ïðèðîäà íàêëàäûâàåò íà ïîíÿòèÿ êîîðäèíàòû è èìïóëüñà ïðèíöèïèàëüíûå îãðàíè÷åíèÿ, êîòîðûõ íå áûëî â êëàññè÷åñêîé íàóêå, âîçìîæíî, èç-çà ìàëîé âåëè÷èíû h.
«Áîã íå èãðàåò â êîñòè» — ñ÷èòàë Ýéíøòåéí. Ñâÿçü ïðèíöèïà íåîïðåäåëåííîñòè ñ ïðèíöèïîì äîïîëíèòåëüíîñòè Áîðà — îñíîâà òàê íàçûâàåìûé «êîïåíãàãåíñêîé» òðàêòîâêè êâàíòîâîé ìåõàíèêè. Ýéíøòåéí äîëãîå âðåìÿ îïïîíèðîâàë Áîðó. Îí ïèñàë: «Ñóùåñòâóåò íå÷òî âðîäå «ðåàëüíîãî» ñîñòîÿíèÿ ôèçè÷åñêîé ñèñòåìû, ñóùåñòâóþùåãî îáúåêòèâíî, íåçàâèñèìî îò êàêîãî-òî íè áûëî íàáëþäåíèÿ èëè èçìåðåíèÿ». Ñïîðû Áîðà ñ Ýéíøòåéíîì ïðîÿñíÿþò ìíîãîå â èñòîëêîâàíèè ñìûñëà êâàíòîâîé ìåõàíèêè, ôàêòè÷åñêè îíè îòðàæàþò ïðîäîëæàâøóþñÿ áîëåå äâóõ äåñÿòèëåòèé áîðüáó äâóõ ìèðîâîççðåíèé, äâóõ òåîðèé ïîçíàíèÿ. Âåðîÿòíîñòíîå òîëêîâàíèå âîëíîâîé ôóíêöèè áûëî ïîäãîòîâëåíî ðàáîòàìè Áîðà, êîòîðûé ïðèìåíÿë èäåþ âåðîÿòíîñòè ê ïåðåõîäàì ýëåêòðîíîâ, íî åùå ðàíüøå Ýéíøòåéí ââåë ïîíÿòèå âåðîÿòíîñòåé äëÿ ñïîíòàííîãî è èíäóöèðîâàííîãî èçëó÷åíèé. Îò íèõ âåðîÿòíîñòíûå ïðåäñòàâëåíèÿ âîøëè â íàóêó XX â.
Äèðàê îòìå÷àë: «Áîð ñ÷èòàë, ÷òî âûñøàÿ ìóäðîñòü äîëæíà áûòü âûðàæåíà îáÿçàòåëüíî òàêèìè ñëîâàìè, ñìûñë êîòîðûõ íå ìîæåò áûòü îïðåäåëåí îäíîçíà÷íî. Ñëåäîâàòåëüíî, èñòèííîñòü âûñøåé ìóäðîñòè ÿâëÿåòñÿ íå àáñîëþòíîé, à òîëüêî îòíîñèòåëüíîé â ñîîòâåòñòâèè ñ îäíèì èç çíà÷åíèé äâóõçíà÷íûõ ñëîâ: ïîýòîìó ïðîòèâîïîëîæíîå âûñêàçûâàíèå òàêæå ïðàâîìåðíî è ìóäðî». Ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè êàê âåðøèíó äèàëåêòèêè Áîðà îòíîñÿò ê êîïåíãàãåíñêîé øêîëå.
Ê Áîðó ïîñòåïåííî ïðèìêíóëè Ãåéçåíáåðã, Áîðí, Èîðäàí, Ïàóëè, à â íåêîòîðûõ âîïðîñàõ è Äèðàê. Ïàóëè äàæå ïðåäëîæèë (1932) íàçâàòü êâàíòîâóþ ìåõàíèêó «òåîðèåé äîïîëíèòåëüíîñòè». Èîðäàí â êíèãå «Íàãëÿäíàÿ êâàíòîâàÿ òåîðèÿ» (1937) òîæå ñâåë âñå ñóùåñòâî êâàíòîâîé ìåõàíèêè ê èäåå äîïîëíèòåëüíîñòè è óòâåðæäàë, ÷òî «ïðåäñòàâëåíèå îá îáúåêòèâíîé êàðòèíå ïðîöåññîâ òåðÿåò ñâîþ ñïðàâåäëèâîñòü». Ïðåäñòàâèòåëè êîïåíãàãåíñêîé øêîëû íå ïðèçíàâàëè ðåàëüíîñòè ìèêðîîáúåêòîâ è ìèêðîïðîöåññîâ, îòðèöàÿ ïðè÷èííîñòü â ýëåìåíòàðíûõ ïðîöåññàõ. Ýòè âîïðîñû îáñóæäàëèñü íà Ñîëüâååâñêèõ êîíãðåññàõ, ãäå «êîïåíãàãåíöàì» ðåç-
216 êî âîçðàæàëè Ëîðåíö, Ýéíøòåéí, Ëàíæåâåí, Ïëàíê, Ëàóý è äð. Ëàíæåâåí, íàïðèìåð, ïèñàë: «ß óâåðåí, ÷òî, îòêàçûâàÿñü îò äåòåðìèíèçìà, ìû ëèøèì íàóêó åå îñíîâíîãî äâèæóùåãî íà÷àëà — òîãî, ÷òî äî ñèõ ïîð ñîñòàâëÿëî åå ñèëó è çàëîã åå óñïåõà: âåðû â êîíå÷íóþ ïîçíàâàåìîñòü Âñåëåííîé. Íè÷òî â ïåðåæèâàåìûõ íàìè òðóäíîñòÿõ íå îïðàâäûâàåò è íå òðåáóåò èçìåíåíèÿ íàøèõ óñòàíîâîê, ÷òî, ïî ìîåìó ãëóáîêîìó óáåæäåíèþ, áûëî áû ðàâíîñèëüíî îòðå÷åíèþ». Îíè áûëè «äåòåðìèíèñòàìè», à íîâûé, íåêëàññè÷åñêèé îáðàç ïðèðîäû çàâîåâûâàë ìîëîäûå óìû.
Ìûñëåííûé ýêñïåðèìåíò À.Ýéíøòåéíà, Á.Ïîäîëüñêîãî è Í. Ðîçåíà áûë çàäóìàí äëÿ äîêàçàòåëüñòâà îøèáî÷íîñòè òîëêîâàíèÿ êâàíòîâîé ìåõàíèêè. Îíè çàäàëèñü âîïðîñîì, ÷òî ñëó÷èòñÿ, åñëè ñîñòîÿùàÿ èç äâóõ ïðîòîíîâ ÷àñòèöà ðàñïàäåòñÿ òàê, ÷òî ïðîòîíû ðàçëåòÿòñÿ â ïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ. Ïî êâàíòîâîé ìåõàíèêå ïðè îòñóòñòâèè íàáëþäàòåëÿ ñâîéñòâà ïðîòîíîâ îñòàþòñÿ íåîïðåäåëåííûìè è ìîãóò áûòü ïðåäñòàâëåíû êàê ñóïåðïîçèöèÿ âñåõ âîçìîæíûõ ñîñòîÿíèé. Îçíà÷àåò ëè ýòî, ÷òî êàæäûé ïðîòîí äâèæåòñÿ âî âñåõ âîçìîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ? Èç-çà îáùíîñòè ïðîèñõîæäåíèÿ èõ ñâîéñòâà ñâÿçàíû (êîððåëèðóþò) äðóã ñ äðóãîì. Òàê, ïî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà, åñëè îäèí ïðîòîí ïîëåòèò ââåðõ, òî âòîðîé — îáÿçàòåëüíî âíèç. Ïîýòîìó, èçìåðèâ èìïóëüñ îäíîãî, ìû óçíàåì èìïóëüñ è âòîðîãî äàæå â òîì ñëó÷àå, åñëè îí óæå óëåòåë íà äðóãîé êîíåö Âñåëåííîé. Ýéíøòåéí íàçâàë ýòî «äåéñòâèåì ïðèçðàêîâ íà ðàññòîÿíèè», êîòîðîå íåëüçÿ ñîïîñòàâèòü íè ñ êàêîé ðåàëèñòè÷åñêîé ìîäåëüþ èç îáûäåííîãî îïûòà: âñå ñâîéñòâà êàæäîãî èç ïðîòîíîâ äîëæíû áûòü çàôèêñèðîâàíû ñ òîãî ìîìåíòà, êîãäà îíè òîëüêî íà÷àëè ñâîé ðàçëåò.
Äîïóñòèì, íåîïðåäåëåííîñòü â ïîâåäåíèè ýëåêòðîíà çàâèñèò íå òîëüêî îò èìïóëüñà, êîîðäèíàòû è ñïèíà, íî è îò êàêèõ-òî äðóãèõ ñêðûòûõ ïàðàìåòðîâ, êîòîðûå íàì óäàëîñü ïîçíàòü. Ìîæíî ëè â ýòîì ñëó÷àå äîñòè÷ü ïîëíîãî îïèñàíèÿ, êàê â êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêå? Ýòî ìîæíî îñóùåñòâèòü äëÿ åäèíè÷íîãî èçìåðåíèÿ, íî îíî òàê îãðàíè÷èò îáëàñòü çíà÷åíèé ñêðûòûõ ïàðàìåòðîâ, ÷òî óæå êî âòîðîìó èçìåðåíèþ èõ áóäåò íåäîñòàòî÷íî äëÿ ñîãëàñèÿ ñ êâàíòîâîé ìåõàíèêîé. Ãåéçåíáåðã è Áîð ïðîàíàëèçèðîâàëè âîçìîæíîñòè îäíîâðåìåííîãî èçìåðåíèÿ äâóõ ñîïðÿæåííûõ âåëè÷èí (Å, tè ä, ð) è ïðîâåëè ìûñëåííûå ýêñïåðèìåíòû, ïîäòâåðæäàþùèå ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè. Ïîëó÷àëîñü, ÷òî ìèêðîîáúåêò ïðè èñïîëüçîâàíèè îäíèõ ïðèáîðîâ ïðåäñòàâëÿåòñÿ ëîêàëèçîâàííîé âî âðåìåíè (t) è â ïðîñòðàíñòâå (õ) ìàòåðèàëüíîé òî÷êîé, íå îáëàäàþùåé îïðåäåëåííûìè èìïóëüñîì (ð) è ýíåðãèåé (Å), à ïðè èñïîëüçîâàíèè äðóãèõ ïðèáîðîâ — êàê íå÷òî, îáëàäàþùåå Å è ð, íî íå ëîêàëèçîâàííîå ïî õ è t. Áîð è åãî «êîïåíãàãåíñêàÿ øêîëà» îáîáùèëè ïðèíöèï Ãåéçåíáåðãà, óòâåðæäàÿ, ÷òî â åñòåñòâåííûõ íàóêàõ ìîæíî ïîëüçîâàòüñÿ òîëüêî òåìè âåëè÷èíàìè, äëÿ èçìåðåíèÿ êîòîðûõ ñóùåñòâóåò îïðå-
217 äåëåííàÿ èçìåðèòåëüíàÿ ïðîöåäóðà è ñîçäàíû ñîîòâåòñòâóþùèå ïðèáîðû. Íî ðåçóëüòàò èçìåðåíèÿ ïîëó÷àåòñÿ âñåãäà â êëàññè÷åñêèõ âåëè÷èíàõ è ïîíÿòèÿõ, ïîýòîìó âñå îáúåêòû óæå íå ñóùåñòâóþò ñàìè ïî ñåáå, êàê â êëàññè÷åñêîé íàóêå, à ñâÿçàíû ñ ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêîé âìåñòå ñ íàáëþäàòåëåì è êàê áû òåðÿþò ñâîþ ñàìîñòîÿòåëüíóþ ðåàëüíîñòü. Âïîñëåäñòâèè èçâåñòíûé ñîâåòñêèé ôèçèê-òåîðåòèê Â.À.Ôîê íàçâàë ýòî ñâîéñòâî «îòíîñèòåëüíîñòüþ ê ñðåäñòâàì íàáëþäåíèÿ».
Ã.Ãåéçåíáåðã àêòèâíî ó÷àñòâîâàë â îáñóæäåíèè ôèëîñîôñêèõ ïðîáëåì, ñâÿçàííûõ ñ êâàíòîâîé ôèçèêîé è òåîðèåé ïîçíàíèÿ. Âìåñòå ñ Ï.Äèðàêîì îí âûäâèíóë èäåþ îáìåííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, ïîçâîëèâøóþ (íåçàâèñèìî îò ß. È. Ôðåíêåëÿ) ðàçðàáîòàòü ïåðâóþ êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêóþ òåîðèþ ôåððîìàãíåòèçìà, îñíîâàííóþ íà îáìåííîì âçàèìîäåéñòâèè.  íà÷àëå 30-õ ãã. îíè ñîçäàëè òåîðèþ äûðîê Äèðàêà è ïîñòóëèðîâàëè ýôôåêò ïîëÿðèçàöèè âàêóóìà.
 50-å ãã. Õüþ Ýâåðåòò ïðåäëîæèë ãèïîòåçó «ìíîæåñòâåííîñòè ìèðîâ», â êîòîðîé ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî êàæäîå ïðîâåäåíèå èçìåðåíèÿ çàñòàâëÿåò ÷àñòèöó ñäåëàòü âûáîð, íàïðèìåð ïîéòè â ïðàâóþ èëè ëåâóþ ùåëü. Ïðè êàæäîì òàêîì âûáîðå âñÿ Âñåëåííàÿ êàê áû ðàñùåïëÿåòñÿ íà äâå. Íî åñòü è èíîå ìíåíèå. Âîçìîæíî, êâàíòîâàÿ òåîðèÿ òðåáóåò áîëüøåé ïåðåñòðîéêè íàøåãî ìûøëåíèÿ, íàøåé ëîãèêè. Áóëåâà ëîãèêà, îñíîâàííàÿ íà áèíàðíîñòè ìûøëåíèÿ, íà óòâåðæäåíèÿõ òèïà «èëè—èëè» íå äàåò íàì âîçìîæíîñòè ïîíÿòü ñâîéñòâ ÷àñòèöû, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç äâå ùåëè, è êâàíòîâàÿ òåîðèÿ ìîæåò èçìåíèòü íàøè ïðåäñòàâëåíèÿ î ìèðå â áîëüøåé ñòåïåíè, ÷åì èçìåíèëèñü íàøè ïîíÿòèÿ ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè ñ ïîÿâëåíèåì òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè.
6.3. Ñòðîåíèå õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ è ïîíèìàíèå Ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöû Ìåíäåëååâà
 ñâîåé Íîáåëåâñêîé ðå÷è Áîð îòìåòèë, ÷òî åãî òåîðèÿ îáúÿñíÿåò ìîëåêóëÿðíûå ñïåêòðû, íåïëîõî ñîãëàñóÿñü ñ îïûòîì. Ïðè ïåðåõîäå ê îáúÿñíåíèþ ñòðîåíèÿ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ îí ïðåäïîëîæèë, ÷òî çàìêíóòûå êîíôèãóðàöèè ýíåðãåòè÷åñêè áîëåå âûãîäíû è ïîñëå çàïîëíåíèÿ îäíîé îáîëî÷êè íà÷èíàþò çàïîëíÿòüñÿ ñëåäóþùèå. Ýòî ïðåäïîëîæåíèå ïîìîãëî Ïàóëè ïðèéòè (1925—1926) ê ñâîåìó ïðèíöèïó çàïðåòà, ñîãëàñíî êîòîðîìó â êàæäîì êâàíòîâîì ñîñòîÿíèè ìîæåò íàõîäèòüñÿ òîëüêî îäèí ýëåêòðîí. Ïîñëå ñîçäàíèÿ Áîðîì êâàíòîâîé òåîðèè àòîìà âîäîðîäà è óñïåõîâ êâàíòîâûõ ïðåäñòàâëåíèé â äðóãèõ îáëàñòÿõ íàóêè àêòèâíî ðàçâèâàëàñü ñïåêòðîñêîïèÿ, êîòîðàÿ ÿâèëàñü êëþ÷îì â ìèð âíóòðèàòîìíûõ ÿâëåíèé.
Åùå â 1896 ã. Ï.Çååìàí îñóùåñòâèë îïûò, êîòîðûé íå óñïåë ïðîâåñòè Ôàðàäåé. Ïëàìÿ ãîðåëêè îí ïîìåñòèë ìåæäó ïîëþñàìè ýëåêòðîìàãíèòà è íàáëþäàë ñïåêòð. Ïðè íàáëþäåíèè ïîïåðåê ïîëÿ êðîìå îñíîâíîé ëè-
218
íèè ñ ÷àñòîòîé êîëåáàíèé, êîòîðàÿ áûëà áû áåç ïîëÿ, áûëè äâå ëèíèè, ñìåùåííûå â ðàçíûå ñòîðîíû îò îñíîâíîé. Âñå òðè ëèíèè ëèíåéíî ïîëÿðèçîâàíû. Ïðè íàáëþäåíèè âäîëü ïîëÿ íåñìåùåííîé êîìïîíåíòû íåò, à ñìåùåííûå — ïîëÿðèçîâàíû ïî êðóãó â ïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ. Õ.Ëîðåíö îáúÿñíèë ýôôåêò Çååìàíà âðàùåíèåì ýëåêòðîíîâ ïî êðóãîâîé îðáèòå ñ öèêëè÷åñêîé ÷àñòîòîé, îïðåäåëÿåìîé ñèëîé Ëîðåíöà. Äæ.Ëàðìîð ó÷åë ïðåöåññèþ ýëåêòðîíîâ âîêðóã ñèëîâûõ ëèíèé ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ ýòîé ÷àñòîòîé. Òåîðèÿ Ëàðìîðà—Ëîðåíöà — âûäàþùååñÿ äîñòèæåíèå ýëåêòðîííîé òåîðèè, è åå àâòîðû áûëè óäîñòîåíû Íîáåëåâñêîé ïðåìèè çà îòêðûòèå è îáúÿñíåíèå ýôôåêòà Çååìàíà (1902). Íî êâàíòîâàÿ òåîðèÿ, ðàçâèâàåìàÿ À. Çîììåðôåëüäîì, íå ìîãëà íè÷åãî ñêàçàòü î ïîëÿðèçàöèè è èíòåíñèâíîñòè ëèíèé, èõ îïðåäåëèëè â íîðìàëüíîì ýôôåêòå Çååìàíà ñ ïîìîùüþ ïðèíöèïà ñîîòâåòñòâèÿ Áîðà. Íà ïðàêòèêå ÷àùå íàáëþäàåòñÿ ðàñ÷ëåíåíèå íà íåñêîëüêî êîìïîíåíòîâ (ëèíèé). Êàê óêàçûâàë â 1919 ã. Ä.Ñ.Ðîæäåñòâåíñêèé, ýòà ïðîáëåìà òåñíî ñâÿçàíà ñ ìàãíèòíûìè ñâîéñòâàìè àòîìà.
Íî íå áûë èíòåðïðåòèðîâàí àíîìàëüíûé ýôôåêò Çååìàíà, êîãäà âîçíèêàëî îòëè÷íîå îò òðèïëåòà ðàñùåïëåíèå ëèíèè â ìàãíèòíîì ïîëå. Ïàóëè, ðàáîòàÿ ó Áîðà äâà ãîäà íàä ýòîé ïðîáëåìîé, âûäâèíóë ãèïîòåçó ÿäåðíîãî ñïèíà äëÿ îáúÿñíåíèÿ ñâåðõòîíêîé ñòðóêòóðû ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé. Îí ñ÷èòàë, ÷òî íåîáúÿñíåííûå ÿâëåíèÿ «âîçíèêàþò âñëåäñòâèå äâóçíà÷íîñòè ñâîéñòâ ýëåêòðîíà, êîòîðóþ íåëüçÿ îïèñàòü êëàññè÷åñêè» (1924). Ôàêòè÷åñêè ýòî è áûëà ãèïîòåçà ñóùåñòâîâàíèÿ ñïèíà ýëåêòðîíà, êîòîðóþ ðîáêî âûñêàçûâàë åùå Êîìïòîí (1921).  1925 ã. àìåðèêàíñêèå ôèçèêè Äæ. Ãàóä-ñìèò è Ñ.Óëåíáåê ïî ïðåäñòàâëåíèþ ôèçèêà-òåîðåòèêà Ï.Ýðåíôåñòà îïóáëèêîâàëè ñòàòüþ ñ ïðåäëîæåíèåì ãèïîòåçû ñïèíà ýëåêòðîíà, ññûëàÿñü íà ðàáîòó Ïàóëè, à ïîñëå îáñóæäåíèÿ ñ Áîðîì, Ýéíøòåéíîì è Ýðåíôåñòîì — áîëüøóþ ñòàòüþ â «Nature», ãäå ïîíÿòèå ñïèíà îáúÿñíÿëî ìíîãèå ÿâëåíèÿ â ñïåêòðå.
Èäåÿ îïûòà ñîñòîÿëà â èñïîëüçîâàíèè èçâåñòíîãî ôàêòà ïðèòÿæåíèÿ áîëüøèì ìàãíèòîì ìàëåíüêèõ, ó êîòîðûõ íà ñåâåðíûé è þæíûé ïîëþñû äåéñòâóþò ðàçíûå ñèëû èç-çà íåîäíîðîäíîñòè áîëüøîãî ìàãíèòà.  îäíîðîäíîì ïîëå îíè ïðîñòî ïîâåðíóëèñü áû â íàïðàâëåíèè ïîëÿ. Ïî êëàññè÷åñêîé òåîðèè íà ýêðàíå ïó÷îê äîëæåí äàòü ðàçìûòîå èçîáðàæåíèå — ìàãíèòíûé ìîìåíò àòîìà ìîæåò ïðèíèìàòü ëþáûå çíà÷åíèÿ. Ïî êâàíòîâîé òåîðèè ñëåäîâàëî îæèäàòü, ÷òî ïó÷îê èëè íå ðàñùåïèòñÿ (êàê äîëæíî áûòü ó âîäîðîäà), èëè ðàñùåïèòñÿ íå ìåíåå ÷åì íà òðè ïó÷êà (ïðè íàëè÷èè ìàãíèòíîãî ìîìåíòà). Íî ïîëó÷àëîñü, ÷òî ïó÷îê àòîìîâ âîäîðîäà, ñåðåáðà, íàòðèÿ, êàëèÿ è äðóãèõ îäíîâàëåíòíûõ àòîìîâ ðàñùåïëÿåòñÿ íà äâà ïó÷êà. Ïîýòîìó è âîçíèêëà ãèïîòåçà î ñîáñòâåííîì ìåõàíè÷åñêîì è ìàãíèòíîì ìîìåíòå ýëåêòðîíà.
Ñ ïîçèöèè êëàññè÷åñêîé òåîðèè íàëè÷èå òàêèõ ìîìåíòîâ ìîæåò áûòü îáóñëîâëåíî âðàùåíèåì ýëåêòðîíà âîêðóã ñîáñòâåííîé îñè. Òîãäà îí êàê âðàùàþùàÿñÿ ìàññà áóäåò îáëàäàòü ìîìåíòîì èìïóëüñà. À âðàùàþùèéñÿ çàðÿä åñòü ñîâîêóïíîñòü êðóãîâûõ òîêîâ, ò.å. ïîÿâëÿåòñÿ è ìàãíèòíûé ìîìåíò.
219
Ñïèí ýëåêòðîíà èìååò ðàçìåðíîñòü âðàùàòåëüíîãî ìîìåíòà-èìïóëüñà, óìíîæåííîãî íà ðàññòîÿíèå, ò.å. ïîñòîÿííîé Ïëàíêà Âðàùàòåëüíûé ìîìåíò Lêðàòåí , ÿâëÿåòñÿ öåëûì, è åìó îòâå÷àþò (2L + 1) ðàçëè÷íûõ ñîñòîÿíèé ñ ðàçëè÷íûìè çíà÷åíèÿìè ïðîåêöèé íà äàííóþ îñü. Ñïèí ýëåêòðîíà â åäèíèöàõ hìîæåò èìåòü äâà çíà÷åíèÿ: +(1/2) è -(1/2), ñîîòâåòñòâóþùèå äâóì çíà÷åíèÿì ïðîåêöèè íà ýòó îñü (ðèñ. 6.1). Ãîâîðÿò, ÷òî åãî ñîñòîÿíèÿ — «ââåðõ» è «âíèç».  ìàãíèòíîì ïîëå îí íàïðàâëåí ïî ïîëþ èëè ïðîòèâ íåãî.  òîì æå 1924 ã. Ïàóëè ñôîðìóëèðîâàë ïðèíöèï: íà îäíîé îðáèòå íå ìîãóò îäíîâðåìåííî íàõîäèòüñÿ áîëåå äâóõ òîæäåñòâåííûõ ÷àñòèö ñ ïîëóöåëûìè ñïèíàìè. Ñïèí ýëåêòðîíà îïèñûâàåò àñèììåòðèþ ýëåêòðîíà, íåèçîòðîïíîñòü åãî ñâîéñòâ.
Ïàóëè ðóêîâîäñòâîâàëñÿ ïðè íàïèñàíèÿ ðàáîòû àíàëîãèåé ñïèíà ýëåêòðîíà è ïîëÿðèçàöèè ôîòîíà, òàê êàê äëÿ ââåäåíèÿ ñïèíà â âîëíîâóþ ìåõàíèêó ïðåäëîæèë ïðèïèñàòü -ôóíêöèè äâå êîìïîíåíòû, èìåþùèå ñìûñë äâóõ âçàèìíî ïåðïåíäèêóëÿðíûõ êîìïîíåíò âåêòîðà, êàê äëÿ ñâåòà. Ôîðìàëèçì, ââåäåííûé Ïàóëè, âñêîðå óñîâåðøåíñòâîâàë Äèðàê, íî èíòåðåñíû ñîîáðàæåíèÿ Ïàóëè î ââåäåíèè ñïèíà â âîëíîâóþ ìåõàíèêó.
Ïðèíöèï Ïàóëè îòðàæàåò àíòèñèììåòðèþ âîëíîâûõ ôóíêöèé ýëåêòðîíîâ, íàëè÷èå ó íèõ ïîëóöåëîãî ñïèíà. Ñîãëàñíî ïðèíöèïó, â ñèëó íåîòëè÷èìîñòè ìèêðî÷àñòèö èñêëþ÷àåòñÿ âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî âíóòðè îäíîãî àòîìà îäèíàêîâûå îðáèòû ìîãóò áûòü çàíÿòû îäèíàêîâûìè ýëåêòðîíàìè. Èëè: â îäíîì àòîìå íå ìîæåò áûòü äâóõ ýëåêòðîíîâ, íàõîäÿùèõñÿ â îäèíàêîâîì ñîñòîÿíèè ïî âñåì ÷åòûðåì êâàíòîâûì ÷èñëàì, õàðàêòåðèçóþùèì ñîñòîÿíèå (íàïðèìåð, ýëåêòðîíîâ òîëüêî ñ ïðîòèâîïîëîæíûìè ñïèíàìè). Ýòîò ïðèíöèï ïîçâîëèë îáúÿñíèòü õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà ýëåìåíòîâ, îïðåäåëÿåìûå ýëåêòðîíàìè âíåøíèõ íåçàïîëíåííûõ îáîëî÷åê, ÷òî, â ñâîþ î÷åðåäü, äàëî ôóíäàìåíòàëüíîå ôèçè÷åñêîå îáîñíîâàíèå Ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöå ýëåìåíòîâ.
Çàïðåò Ïàóëè ïðèâåë ê íîâûì îòêðûòèÿì, ê ïîíèìàíèþ òåïëî- è ýëåêòðîïðîâîäíîñòè ìåòàëëîâ è ïîëóïðîâîäíèêîâ. Ê 1927 ã. Ïàóëè ñóìåë îáúÿñíèòü ïàðàìàãíåòèçì ýëåêòðîííîãî ãàçà â ìåòàëëå è ñòðóêòóðó ýëåêòðîííûõ îáîëî÷åê â àòîìå.
Ýëåêòðîííûå îáîëî÷êè àòîìîâ ñòðîèëèñü ñ ïîìîùüþ ïðèíöèïà Ïàóëè. Òàê áûëà ïîíÿòà Ïåðèîäè÷åñêàÿ ñèñòåìà õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ Ä. È. Ìåíäåëååâà. Êàæäûé ñëîé ïðåäñòàâëÿëñÿ ñîâîêóïíîñòüþ ñòàöèîíàðíûõ îðáèò. Ïî Áîðó, ýëåêòðîíû òîëüêî ïîñëå çàïîëíåíèÿ îáîëî÷êè íà÷èíàþò çàíèìàòü áîëåå âûñîêèå îðáèòû. Ìåòîäû íàõîæäåíèÿ äîïóñòèìûõ îðáèò îïðåäåëÿëèñü ïðàâèëàìè êâàíòîâàíèÿ Áîðà—Çîììåðôåëüäà, ïîçâîëèâøèìè ïðîäâèíóòü ìîäåëü Áîðà îò âîäîðîäà ê äðóãèì àòîìàì. Îêàçàëîñü, ÷òî ýëåêòðîíû
220 äâèæóòñÿ íå ïî îêðóæíîñòÿì, à ïî ýëëèïñàì, çíà÷èò, íàõîäÿùèåñÿ íà îäíîì ýëëèïñå ýëåêòðîíû äîëæíû îòëè÷àòüñÿ îðèåíòàöèåé, à ýëëèïñû îäíîãî ñëîÿ — ýêñöåíòðèñèòåòîì. Òîãäà ýëåêòðîíû, íàõîäÿùèåñÿ â îäíîì ñëîå, îòëè÷àþòñÿ ýíåðãåòè÷åñêèì ñîñòîÿíèåì. Íà îñíîâàíèè êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêîãî ðàññìîòðåíèÿ ìèêðîîáúåêòîâ ñòàëî ÿñíî, ÷òî èõ ñîñòîÿíèå îïèñûâàåòñÿ ñ ïîìîùüþ êâàíòîâûõ ÷èñåë — öåëûõ èëè ïîëóöåëûõ ÷èñåë, êîòîðûå îïðåäåëÿþò âîçìîæíûå äèñêðåòíûå çíà÷åíèÿ ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí èëè ïàðàìåòðîâ, îïèñûâàþùèõ ñîñòîÿíèå ìèêðîîáúåêòà. Íàïðèìåð, ñîñòîÿíèå ýëåêòðîíîâ îïèñûâàåòñÿ ÷åòûðüìÿ êâàíòîâûìè ÷èñëàìè.
Çíà÷åíèÿ ýíåðãèè, êîòîðûå ìîæåò ïðèíèìàòü äâèæóùàÿñÿ ÷àñòèöà, îïðåäåëÿþòñÿ ãëàâíûì êâàíòîâûì ÷èñëîì (è): ï = 1, 2, 3,... Ýëåêòðîííûå ñëîè îáîçíà÷àþò áîëüøèìè áóêâàìè ëàòèíñêîãî àëôàâèòà Ê, L, Ì, N, Î è ò.ä. Íàèáîëüøåå êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ â ñëîå ðàâíî 2n2, ïîýòîìó â ñàìîì áëèçêîì ê ÿäðó ñëîå Ê (ï = 1) ìîæåò íàõîäèòüñÿ íå áîëåå äâóõ ýëåêòðîíîâ, â ñëîå L(ï = 2) — íå áîëåå âîñüìè è ò.ä. ×åì áîëüøå çàðÿä ÿäðà èëè ïîðÿäêîâûé íîìåð â òàáëèöå, òåì ñèëüíåå ïðèòÿãèâàþòñÿ ýëåêòðîíû, îñîáåííî âíóòðåííèõ ñëîåâ, ïîýòîìó äèàìåòðû ñëîåâ ñ ðîñòîì íîìåðà ýëåìåíòà óìåíüøàþòñÿ, è âñå àòîìû èìåþò ïî÷òè îäèíàêîâûå ðàçìåðû ïîðÿäêà 10-10 ì. Àòîìû, îòíîñÿùèåñÿ ê îäíîé ãðóïïå ýëåìåíòîâ òàáëèöû Ìåíäåëååâà, èìåþò îäèíàêîâóþ âàëåíòíîñòü, îáóñëîâëèâàþùóþ èõ ñõîäíûå õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà. Íà âíåøíèõ îáîëî÷êàõ îíè èìåþò îäèíàêîâîå ÷èñëî ýëåêòðîíîâ, êîòîðûå íàçûâàþòñÿ âàëåíòíûìè.
Âîçìîæíûå çíà÷åíèÿ îðáèòàëüíîãî ìîìåíòà èìïóëüñà â ñèëîâîì ïîëå îïðåäåëÿþòñÿ àçèìóòàëüíûì (îðáèòàëüíûì) êâàíòîâûì ÷èñëîì (l): l = = 0, 1, 2,..., ï - 1. Ýòèì ÷èñëîì õàðàêòåðèçóþò äâèæåíèå ýëåêòðîíîâ â àòîìàõ è ìîëåêóëàõ, à òàêæå íóêëîíîâ â ÿäðàõ àòîìîâ. Ñîñòîÿíèÿ ñ ðàçëè÷íûìè çíà÷åíèÿìè / îòëè÷àþòñÿ âåëè÷èíîé ìîìåíòà èìïóëüñà, èì ïðèñâîèëè ñïåöèàëüíûå îáîçíà÷åíèÿ: äëÿ ýëåêòðîíà â ñîñòîÿíèè l = 0 — s-ñîñòîÿíèå, l = 1 — p-ñîñòîÿíèå èëè íàçûâàþò åãî ð-ýëåêòðîíîì; äàëåå ñ ðîñòîì êâàíòîâîãî ÷èñëà — d-ýëåêòðîí èëè, -ýëåêòðîí. Ïîñêîëüêó îðáèòàëüíîå ÷èñëî âñåãäà ìåíüøå ãëàâíîãî, òî ñóùåñòâóþò ñîñòîÿíèÿ ýëåêòðîíà 1s; 2s, 2ð; 3s, 3ð, 3d; ... Ñîñòîÿíèå 1s ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì ñîñòîÿíèåì âîäîðîäà. Åìó ñîîòâåòñòâóåò ìèíèìóì ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè, îíî ñàìîå óñòîé÷èâîå. Âîçáóæäåíèþ ñîîòâåòñòâóåò ïåðåõîä íà áîëåå âûñîêîå ñîñòîÿíèå, îáëàäàþùåå áîëüøåé ýíåðãèåé. Ïîýòîìó äëÿ âîçáóæäåíèÿ íåîáõîäèìî çàòðàòèòü ýíåðãèþ. Åñëè ýòî ýíåðãèÿ òåïëîâîãî äâèæåíèÿ, ïåðåäàííàÿ ïðè ñîóäàðåíèè, òî èìååì òåïëîâîå èçëó÷åíèå — îáðàòíûé ïåðåõîä èç âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ â îñíîâíîå.
Âåëè÷èíà ïðîåêöèè ìîìåíòà èìïóëüñà íà âûäåëåííîå íàïðàâëåíèå îïðåäåëÿåòñÿ ìàãíèòíûì êâàíòîâûì ÷èñëîì (ò) ïî ôîðìóëàì êâàíòîâàíèÿ: ò = -1, ..., -1, 0, +1, ..., +1. Âûäåëåííîå íàïðàâëåíèå îáû÷íî âûáèðàþò ïî íàïðàâëåíèþ âíåøíåãî ïîëÿ. ×àùå âñåãî ýòî ïîëå ìàãíèòíîå, îòñþäà è íàçâàíèå êâàíòîâîãî ÷èñëà.
Ñ ñîáñòâåííûì ìîìåíòîì èìïóëüñà ýëåêòðîíà, íå çàâèñÿùèì îò äâèæåíèÿ ýëåêòðîíà â ïðîñòðàíñòâå, ñâÿçàíî ñïèíîâîå êâàíòîâîå
221 ÷èñëî . Ñïèíîì îáëàäàþò âñå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû
(êðîìå ìåçîíîâ), ýòî âíóòðåííåå ñâîéñòâî ìèêðî÷àñòèöû. Çíà÷åíèÿ ñïèíîâîãî êâàíòîâîãî ÷èñëà îïðåäåëÿþòñÿ ïðèíöèïîì Ïàóëè.
Òàê ïðèíöèï Ïàóëè ïîçâîëèë îáúÿñíèòü íàñûùåíèå óðîâíåé.  ñîîòâåòñòâèè ñî ñâîéñòâàìè ñèììåòðèè -ôóíêöèè ïðè ïåðåñòàíîâêå äâóõ ÷àñòèö äëÿ ýëåêòðîíîâ âîçìîæíû òîëüêî àíòèñèììåòðè÷íûå ñîñòîÿíèÿ.  äàëüíåéøåì ïðèíöèï Ïàóëè ñûãðàë ðåøàþùóþ ðîëü ïðè ïîñòðîåíèè ñòàòèñòèêè Ôåðìè—Äèðàêà äëÿ ÷àñòèö ñ ïîëóöåëûì ñïèíîì — ôåðìèîíîâ. Äëÿ ÷àñòèö ñ öåëûì ñïèíîì (â åäèíèöàõ ) — áîçîíîâ — áûëà ïîñòðîåíà ñòàòèñòèêà Áîçå — Ýéíøòåéíà. Ïðèíöèï Ïàóëè íå èìååò àíàëîãà â êëàññè÷åñêîé ôèçèêå, è ôèçè÷åñêèå ïðè÷èíû ñóùåñòâîâàíèÿ ýòîãî çàïðåòà íå ïîëíîñòüþ åùå ïîíÿòíû. Ïàóëè ïðåäëîæèë ñíà÷àëà ïðîñòîå ïðàâèëî, àâòîìàòè÷åñêè îáúÿñíÿþùåå íàëè÷èå ãðóïï èç 2, 8, 18 è 32 ýëåìåíòîâ. Îí ïîñòóëèðîâàë, ÷òî îäíó ýëåêòðîííóþ îðáèòàëü (èëè ñòîÿ÷óþ âîëíó) ìîãóò çàíèìàòü íå áîëåå äâóõ ýëåêòðîíîâ. Âñêîðå áûëî îáíàðóæåíî íàëè÷èå ñïèíà ó ýëåêòðîíà, è ïîëó÷èëîñü, ÷òî ïðèíöèï Ïàóëè èìååò îñíîâàíèå.
Åñëè èäòè ïî ñèñòåìå õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ â íàïðàâëåíèè óâåëè÷åíèÿ èõ íîìåðà, òî îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ýëåêòðîíàìè ñíà÷àëà çàïîëíÿþòñÿ íàèíèçøèå óðîâíè ýíåðãèè. Òàê, àòîì âèñìóòà âûãëÿäèò òàê æå, êàê è àòîì ñâèíöà, íî ñ îäíèì îòëè÷èåì — ó âèñìóòà íà 6p-îáîëî÷êå íà îäèí ýëåêòðîí áîëüøå. Ñóùåñòâóåò åùå îäíî ïðàâèëî çàïîëíåíèÿ îáîëî÷åê — ïðàâèëî Õóíäà, ñîãëàñíî êîòîðîìó, ïðè çàïîëíåíèè s, p, dè ò. ä. óðîâíåé èõ ñíà÷àëà çàíèìàþò ýëåêòðîíû ñ îäèíàêîâîé îðèåíòàöèåé ñïèíà è òîëüêî ïîòîì — ñ ïðîòèâîïîëîæíîé. Òàê ìîæíî ïîñòðîèòü ìîäåëè 92 ñòàáèëüíûõ àòîìîâ Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ.
Òàê, àòîì àçîòà èìååò 7 ýëåêòðîíîâ; èç íèõ ïî äâà (ñ «ïðàâûì» è «ëåâûì» ñïèíîì) ðàñïîëàãàþòñÿ íà óðîâíÿõ \sè 2s, à îñòàëüíûå òðè — íà óðîâíå 2ð, êîòîðûé ìîæåò âìåñòèòü òîëüêî 6 ýëåêòðîíîâ. Ïî ïðàâèëó Õóíäà ïîñëåäíèå òðè ýëåêòðîíà àçîòà èìåþò îäèíàêîâóþ îðèåíòàöèþ ñïèíà.  âîëíîâîé ìîäåëè êàæäîìó èç ð-ýëåêòðîíîâ ñîîòâåòñòâóåò âîëíîâàÿ ôóíêöèÿ èç äâóõ ñèììåòðè÷íûõ «ÿéöåâèäíûõ» ïîëîâèíîê; òðè èç íèõ ìîãóò áûòü îðèåíòèðîâàíû âäîëü ëþáîé èç òðåõ îñåé ïðÿìîóãîëüíîé ñèñòåìû êîîðäèíàò, â ðåçóëüòàòå àòîì âûãëÿäèò ñôåðè÷åñêè ñèììåòðè÷íûì. Ñëåäóþùèé àòîì — êèñëîðîä — äîëæåí ñîäåðæàòü â îäíîì èç ýòèõ «p-ïðîñòðàíñòâ» åùå îäèí ýëåêòðîí ñ ïðîòèâîïîëîæíî íàïðàâëåííûì ñïèíîì. Ýòî ìîæíî ïðåäñòàâèòü òàê: äâå ïîëíîñòüþ êîíãðóýíòíûå p-îðáèòàëè ïðîíèêàþò äðóã â äðóãà, ñîâåðøåííî íå âëèÿÿ îäíà íà äðóãóþ. Ïåðèîäè÷åñêàÿ ñèñòåìà ýëåìåíòîâ òåðÿëà ñâîþ çàãàäî÷íîñòü.
Ñàìî ïîíÿòèå ñïèíà íå âûòåêàëî èç òåîðèè òîãî âðåìåíè. Êàçàëîñü, ÷òî ïðè âðàùåíèè ýëåêòðîí èìåë ñêîðîñòü, ïðåâûøàþùóþ ñêîðîñòü ñâåòà ñ, ÷òî ïðîòèâîðå÷èëî ÑÒÎ. Òàê, â òÿæåëûõ àòîìàõ ñêîðîñòè ýëåêòðîíîâ ïîëó÷àëèñü ïîðÿäêà 0,6 ñ. Íåïðîòèâî-
222 ðå÷èâóþ òåîðèþ ñ ó÷åòîì òðåáîâàíèé ÑÒÎ ïîñòðîèë Ï.Äèðàê (1928). Èç åãî ðåëÿòèâèñòñêîãî âîëíîâîãî óðàâíåíèÿ àâòîìàòè÷åñêè ñëåäîâàëî íàëè÷èå ñîáñòâåííîãî ìàãíèòíîãî ìîìåíòà ýëåêòðîíà. Êðîìå òîãî, îíî îêàçàëîñü ñèììåòðè÷íûì îòíîñèòåëüíî çíàêà ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà. Òåì ñàìûì Äèðàê ïðåäñêàçàë ñóùåñòâîâàíèå àíòèýëåêòðîíà — ïîçèòðîíà. Ïîçèòðîí áûë îáíàðóæåí äåéñòâèòåëüíî â êîñìè÷åñêèõ ëó÷àõ Ê.Àíäåðñîíîì â 1932 ã. Êâàíòîâóþ ìåõàíèêó, êîòîðàÿ ñîãëàñóåòñÿ ñ òåîðèåé îòíîñèòåëüíîñòè, íàçûâàþò ðåëÿòèâèñòñêîé. Òàê íà÷àëîñü ïðîíèêíîâåíèå â äèñêðåòíûé ìèð ìèêðî÷àñòèö.
Êàê èçâåñòíî, ïðèðîäíûå õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû çàíèìàþò â Ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöå ìåñòà äî ¹ 92, ò. å. äî óðàíà. Áîëåå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ íåò íè íà Çåìëå, íè â ìåòåîðèòàõ, ïðèõîäÿùèõ èç Êîñìîñà. Ýòî è ïîíÿòíî — â ÿäðàõ àòîìîâ ýòèõ ýëåìåíòîâ áîëüøå ïðîòîíîâ, çíà÷èò, ÿäðà òàêèõ ýëåìåíòîâ íåóñòîé÷èâû, à àòîìû — ðàäèîàêòèâíû. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ òðàíñóðàíîâûõ ýëåìåíòîâ áûëè ñîçäàíû ñïåöèàëüíûå óñòàíîâêè, íàçâàííûå öèêëîòðîíàìè, â êîòîðûõ ñîçäàþòñÿ ìîùíûå ïó÷êè à-÷àñòèö è áîëåå òÿæåëûõ ÷àñòèö äëÿ áîìáàðäèðîâêè èìè óðàíà. Ïåðâûå öèêëîòðîíû áûëè ñîçäàíû â ÑØÀ, ãäå áûëè ïîëó÷åíû ñíà÷àëà ïëóòîíèé è íåïòóíèé, à çàòåì — âïëîòü äî ýëåìåíòà ¹ 101, êîòîðûé áûë íàçâàí ìåíäåëåå-âèåì.  1958 ã. Â. À. Êàðíàóõîâ (ÑÑÑÐ) îöåíèë ãðàíèöû ñòàáèëüíîñòè ÿäåð (äî Z = 70) ïî îòíîøåíèþ ê ïðîòîííîé ðàäèîàêòèâíîñòè è ïðåäñêàçàë âîçìîæíûå ïðîòîííî-àêòèâíûå ÿäðà (Sc-39, Fs-63, Sb-106), â 1959 ã. Â. È. Ãîëüäàíñêèé ïðåäñêàçàë âîçìîæíîñòü äâóõïðîòîííîé ðàäèîàêòèâíîñòè — îäíîâðåìåííîãî èñïóñêàíèÿ ÿäðîì äâóõ ïðîòîíîâ, à Ï. Å. Ñïèâàê ñ ñîòðóäíèêàìè îïðåäåëèë ïåðèîä ïîëóðàñïàäà ñâîáîäíîãî íåéòðîíà.
 íàøåé ñòðàíå ïîëó÷åíèåì òðàíñóðàíîâûõ ýëåìåíòîâ çàíÿëàñü ãðóïïà ó÷åíûõ âî ãëàâå ñ Ã.Í.Ôëåðîâûì.  ïîäìîñêîâíîì ãîðîäå Äóáíà áûë ââåäåí â ñòðîé áîëåå ñîâåðøåííûé öèêëîòðîí, â êîòîðîì ðàçãîíÿëèñü ÿäðà àòîìîâ ëåãêèõ ýëåìåíòîâ.  íà÷àëå 60-õ ãã. øâåäû, à çàòåì àìåðèêàíöû ñîîáùèëè î ïîëó÷åíèè ýëåìåíòà ¹ 102 ñ àòîìíîé ìàññîé 254, íàçâàííîãî íîáåëèåì. Íî â 1963 ã. ãðóïïà Ôëåðîâà ïîëó÷èëà ýëåìåíò ¹ 102 ñ àòîìíîé ìàññîé 256, à ìíîãî÷èñëåííûå òðåõëåòíèå èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî èçîòîïà ñ ìàññîé 254 ó ýòîãî ýëåìåíòà íåò, ò.å. ñîîáùåíèå øâåäîâ è àìåðèêàíöåâ — ôàëüñèôèêàöèÿ, è ýëåìåíò ¹ 102 ñòàë ïåðâûì ýëåìåíòîì, ïîëó÷åííûì â ÑÑÑÐ. Èññëåäîâàòü åãî ñâîéñòâà áûëî î÷åíü òðóäíî, òàê êàê åãî àòîìû ðàñïàäàþòñÿ çà íåñêîëüêî ñåêóíä, è èçó÷èòü ñâîéñòâà íóæíî âñåãî ïî íåñêîëüêèì àòîìàì. Íî ñ ïîìîùüþ ñâåðõ÷óâñòâèòåëüíîãî ìåòîäà ãàçîâîé ðàäèîõèìèè, ðàçðàáîòàííîãî â Äóáíå, ýòà çàäà÷à áûëà áëåñòÿùå ðåøåíà. Íîâûé ýëåìåíò îáëàäàë õèìè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè, ñîîòâåòñòâóþùèìè àêòèíèäàì (3-ÿ ãðóïïà Ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöû), è ñîâåòñêèå ó÷åíûå ïðåäëîæèëè íàçâàòü åãî â ÷åñòü Ôðåäåðèêà Æîëèî-Êþðè. Çàòåì ïîÿâèëîñü ñîîáùåíèå îá îòêðûòèè ýëåìåíòà ¹ 103 â ÑØÀ, êîòîðûé áûë íàçâàí â ÷åñòü ñîçäàòåëÿ öèêëîòðîíà àìåðèêàíñêîãî ôèçèêà Ëîóðåíñà.
223  ýòî âðåìÿ â Äóáíå áûë ïîëó÷åí è èññëåäîâàí ýëåìåíò ¹ 104, íàçâàííûé â ÷åñòü àêàäåìèêà È. Â. Êóð÷àòîâà — êóð÷àòîâèé. Î òðóäíîñòè ýòèõ ðàáîò ãîâîðèò òîò ôàêò, ÷òî àòîì ýòîãî ýëåìåíòà ñóùåñòâóåò âñåãî ëèøü 0,3 ñ, à ýòîò îäèí àòîì ïîëó÷àåòñÿ â òå÷åíèå ÷àñà ðàáîòû öèêëîòðîíà.  1967 ã. Ã.Í.Ôëåðîâ âûñêàçàë èäåþ, ÷òî ïåðñïåêòèâíûì ìåòîäîì ñèíòåçà íîâûõ ýëåìåíòîâ ìîæåò ÿâèòüñÿ äåëåíèå ñâåðõòÿæåëûõ ñîñòàâíûõ ÿäåð.  1974—1975 ãã. ãðóïïà ñîâåòñêèõ ó÷åíûõ âî ãëàâå ñ Þ. Ö. Îãàíåñÿíîì îñóùåñòâèëè ñèíòåç ýëåìåíòîâ ¹ 106 è 107.
Íîâûå ÷àñòèöû îáðàçîâûâàëèñü è â ñïåöèàëüíûõ óñòðîéñòâàõ — óñêîðèòåëÿõ. Åñëè äî ñåðåäèíû âåêà êàçàëîñü, ÷òî ñóùåñòâóþò æåñòêèå îãðàíè÷åíèÿ íà ïåðåäàâàåìóþ àòîìàì ýíåðãèþ, ñâÿçàííûå ñ óâåëè÷åíèåì ìàññû ðàçãîíÿåìîé ÷àñòèöû ïðè ñêîðîñòÿõ, ñðàâíèìûõ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà (êàê â öèêëîòðîíàõ), òî áëàãîäàðÿ ðàáîòàì ñîâåòñêèõ ôèçèêîâ ïîÿâèëèñü íîâûå òèïû óñêîðèòåëåé. Àêàäåìèê Â.È.Âåêñëåð ïðåäëîæèë â 1944 ã. ïðèíöèï «àâòî-ôàçèðîâêè» óñêîðÿåìûõ ÷àñòèö, ÷òî îòêðûëî íîâûå âîçìîæíîñòè ïåðåä ÿäåðíîé ôèçèêîé è ôèçèêîé ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Íà ýòîì ïðèíöèïå â Îáúåäèíåííîì èíñòèòóòå ÿäåðíûõ èññëåäîâàíèé â Äóáíå áûëè ñîçäàíû ôàçîòðîíû (ñ èçìåíåíèåì ÷àñòîòû ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ), ñèíõðîòðîíû (ñ èçìåíåíèåì íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ) è ñèíõðîôàçîòðîíû (êîìáèíàöèÿ îáîèõ ìåòîäîâ).  ýòèõ íîâûõ òèïàõ óñêîðèòåëåé ïîòîê çàðÿæåííûõ ÷àñòèö íàïðàâëÿåòñÿ íà íåïîäâèæíóþ ìèøåíü, è ÷àñòü ýíåðãèè ðàñõîäóåòñÿ íà óñêîðåíèå ÷àñòèö ìèøåíè, ÷òî óäîðîæàåò ýêñïåðèìåíòû. Àêàäåìèê Ã. È.Áóäêåð ïðåäëîæèë ñîçäàòü óñêîðèòåëü íà âñòðå÷íûõ ïó÷êàõ, ò.å. âñòðå÷íûé ïó÷îê è èãðàåò ðîëü ìèøåíè. Òàêîé óñêîðèòåëü áûë ñîçäàí â Èíñòèòóòå ÿäåðíîé ôèçèêè â Íîâîñèáèðñêå.
6.4. Ðàäèîàêòèâíûå ýëåìåíòû è âîçìîæíîñòè ïðåâðàùåíèÿ ýëåìåíòîâ
Çàêîí ñïîíòàííîãî ðàñïàäà ðàäèîàêòèâíûõ àòîìîâ ñâÿçûâàåò ðàäèîàêòèâíûå ïðåâðàùåíèÿ ñ óæå èçâåñòíûìè âèäàìè åñòåñòâåííîé ðàäèîàêòèâíîñòè — -ëó÷àìè. Âîçíèêàþùèå
ïðè ðàäèîàêòèâíîì ðàñïàäå íîâûå ýëåìåíòû èññëåäîâàëè Ô. Ñîä-äè ñ Ý. Ðåçåðôîðäîì (1902). Îíè ïðèøëè ê âûâîäó, ÷òî «ðàäèîàêòèâíîñòü — àòîìíîå ÿâëåíèå, ñîïðîâîæäàþùååñÿ õèìè÷åñêèìè èçìåíåíèÿìè, â êîòîðîì ïîðîæäàþòñÿ íîâûå âåùåñòâà. Ýòè èçìåíåíèÿ äîëæíû ïðîèñõîäèòü âíóòðè àòîìà, à ðàäèîàêòèâíûå ýëåìåíòû ÿâëÿþòñÿ, äîëæíî áûòü, ñïîíòàííûìè ïðåâðàùåíèÿìè àòîìîâ».  1903 ã. Ñîääè äîêàçàë, ÷òî â ðàäèè ÷åðåç íåñêîëüêî ìåñÿöåâ ïîÿâëÿåòñÿ ãåëèé. Ðåçåðôîðä äîãàäàëñÿ, ÷òî ãåëèé îáðàçóåòñÿ à-÷àñòèöàìè, èñïóñêàåìûìè ðàäèåì. Íî òîëüêî ñ èñïîëüçîâàíèåì ñ÷åò÷èêà à-÷àñòèö (ñ÷åò÷èê Ãåéãåðà) ñòàëî ïîíÿòíî, ÷òî à-÷àñòè-
224
öû — ýòî èîíû ãåëèÿ (1908). Ñîääè ñòðîèë «ãåíåàëîãè÷åñêèå» ñõåìû ðàäèîàêòèâíûõ âåùåñòâ. Îñíîâíîé çàêîí ðàäèîàêòèâíîãî ðàñïàäà— çàêîí óáûâàíèÿ àêòèâíîñòè ýìàíàöèè ñî âðåìåíåì ïî ýêñïîíåíòå, ïðè÷åì êàæäîìó âåùåñòâó ñîîòâåòñòâîâàë ñâîé ïåðèîä ïîëóðàñïàäà — óñòàíîâèëè Ñîääè è Ðåçåðôîðä. È ïî ñîäåðæàíèþ óðàíà, ñâèíöà è ãåëèÿ, ïðèñóòñòâóþùèõ â óðàíîâîé ðóäå, ñòàëî âîçìîæíî îïðåäåëèòü âîçðàñò Çåìëè. Èòàê, ñðåäíåå âðåìÿ æèçíè ýëåìåíòà — ýòî òî÷íî îïðåäåëåííàÿ êîíñòàíòà äëÿ êàæäîãî ýëåìåíòà (ñì. ðèñ. 2.5).
Îñîáåííîñòü ýòîãî çàêîíà â òîì, ÷òî îí — ñòàòèñòè÷åñêèé: ïðîÿâëÿåòñÿ ÿñíåå, åñëè ÷èñëî ðàñïàäàþùèõñÿ àòîìîâ áîëüøå. Íî îí îòëè÷àëñÿ îò ñòàòèñòè÷åñêèõ çàêîíîâ êëàññè÷åñêîé ôèçèêè, êîòîðûå ìîãóò ðàññìàòðèâàòüñÿ ñóììîé ÷àñòíûõ äèíàìè÷åñêèõ çàêîíîâ, âûçûâàåìûõ âíåøíèìè ïðè÷èíàìè. Ïðè÷èíû ïðåâðàùåíèé íóæíî èñêàòü â ñàìîì àòîìå, è ëþáàÿ òåîðèÿ ñòðîåíèÿ àòîìà äîëæíà óäîâëåòâîðÿòü òðåáîâàíèÿì íåäîïóùåíèÿ «ñòàðåíèÿ» âåùåñòâà, êàê âûðàçèëàñü Ì.Êþðè. Âîçíèêëà íîâàÿ êîíöåïöèÿ çàêîíà, äàííîãî áåçîòíîñèòåëüíî ê ïîâåäåíèþ èíäèâèäóàëüíûõ îáúåêòîâ, ñîñòàâëÿþùèõ ñîâîêóïíîñòü. Ìåíÿëàñü îáùàÿ íàïðàâëåííîñòü âîïðîñîâ: âìåñòî òîãî, ÷òîáû èíòåðåñîâàòüñÿ, ïî÷åìó îäèí àòîì ðàñïàäàåòñÿ ÷åðåç ñóòêè, à äðóãîé — ÷åðåç 1000 ëåò, ñòàëè îïðåäåëÿòü êîëè÷åñòâî àòîìîâ äëÿ äàííîãî ýëåìåíòà, ðàñïàäàþùèõñÿ çà 1 ñ.
Ýéíøòåéí èñïîëüçîâàë èäåþ ýòîãî çàêîíà ïðè ïîëó÷åíèè îäíîãî èç îñíîâíûõ êâàíòîâûõ ñòàòèñòè÷åñêèõ çàêîíîâ èçëó÷åíèÿ (1916). È êàê êàæäûé ðàäèîàêòèâíûé àòîì âçðûâàåòñÿ â ðåçóëüòàòå ñëó÷àéíîãî ïðîöåññà â íåêèé íåïðåäâèäåííûé ìîìåíò áåç âèäèìîé íà òî ïðè÷èíû, òàê è ïåðåõîä â àòîìå äîëæåí ïðîèñõîäèòü ïî ñòàòèñòè÷åñêèì çàêîíàì. Çàòåì îí ïåðåñìîòðåë íà ýòîé îñíîâå òåîðèþ áðîóíîâñêîãî äâèæåíèÿ, ïîëó÷èë ôîðìóëó Ïëàíêà äëÿ èçëó÷åíèÿ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà è ïîêàçàë, ÷òî ïðè êàæäîì ýëåìåíòàðíîì àêòå èçëó÷åíèÿ äîëæåí èñïóñêàòüñÿ ôîòîí ñ èìïóëüñîì â ñîâåðøåííî ñëó÷àéíîì íàïðàâëåíèè. Õîòÿ äàííûå ðàáîòû ïî êâàíòîâîé òåîðèè èçëó÷åíèÿ ñòàòèñòè÷íû, Ýéíøòåéí îñòàâàëñÿ äåòåðìèíèñòîì — îí ñ÷èòàë òî÷íûé ìîìåíò ïåðåõîäà ýëåêòðîíà, îïðåäåëÿåìûì ïî çàêîíàì ïðè÷èííîñòè, êîòîðûå çàâèñÿò îò ñòðóêòóðû âîçáóæäåííîãî àòîìà. È ñòàòèñòè÷åñêèé ìåòîä îí èñïîëüçîâàë êàê áû îò íåçíàíèÿ ýòèõ çàêîíîâ.
Âåñíîé 1913 ã. Ñîääè ñôîðìóëèðîâàë ïðàâèëî: èñïóñêàíèå à-÷àñòèö óìåíüøàåò àòîìíóþ ìàññó ýëåìåíòà íà 4 è ñìåùàåò åãî íà äâà ìåñòà âëåâî ïî Ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöå, à èñïóñêàíèå -÷àñòèöû ñìåùàåò ýëåìåíò âïðàâî íà îäíî ìåñòî, ïî÷òè íå ìåíÿÿ àòîìíîé ìàññû (ðèñ. 6.2). Çíà÷èò, õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà ýëåìåíòîâ (ïî êðàéíåé ìåðå, ðàäèîàêòèâíûõ) ñâÿçàíû íå ñ àòîìíîé ìàññîé, êàê ýòî óòâåðæäàëà êëàññè÷åñêàÿ õèìèÿ, à ñ âíóòðèàòîìíûì ýëåêòðè÷åñêèì çàðÿäîì.
225 Ñàìîïðîèçâîëüíûé ðàñïàä è îáðàçîâàíèå íîâûõ ýëåìåíòîâ èçó÷àëè ñ íà÷àëà XX â. Òàê, ïðè îáðàáîòêå äðàãîöåííûõ êàìíåé íà Öåéëîíå áûë îòêðûò íîâûé ìèíåðàë — òîðèàíèò, êîòîðûé â Àíãëèè èññëåäîâàëè Ó. Ðàìçàé è Î. Ãàí. Îíè ïîëó÷èëè âåùåñòâî, ñîîòâåòñòâóþùåå òîðèþ, íî ñ áîëüøåé ðàäèîàêòèâíîñòüþ, è íàçâàëè åãî ðàäèîòîðèåì. Ñðåäíåå âðåìÿ åãî æèçíè îêàçàëîñü 2 ãîäà. Çíà÷èò, èì ìîæíî áûëî áû çàìåíèòü äîðîãîñòîÿùèé ðàäèé â ëàáîðàòîðíûõ îïûòàõ, íî îíè íå ñìîãëè âûäåëèòü ðàäèîòîðèé íèêàêèìè õèìè÷åñêèìè ìåòîäàìè.  1907—1910 ãã. ïîäîáíûå ïðîáëåìû âîçíèêàëè ïðè âûäåëåíèè íåêîòîðûõ äðóãèõ ðàäèîàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ. Ïîñëå îòêðûòèÿ íåéòðîíà îïûòû ïî áîìáàðäèðîâêå -÷àñòèöàìè ïðîäîëæàëèñü, ìåíÿÿ ïðåäñòàâëåíèÿ îá ýëåìåíòàõ è ïîêàçûâàÿ âîçìîæíîñòü ïðåâðàùåíèÿ îäíèõ ýëåìåíòîâ â äðóãèå.
Ñîääè, êàê è äðóãèå, íå ìîã îòäåëèòü èîíèé îò òîðèÿ íèêàêèìè õèìè÷åñêèìè ñïîñîáàìè. Ýòî áûëî ñòðàííî, ïîñêîëüêó áîëüøèíñòâî ðàäèîàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ ðàñïîëîæåíî â Ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöå âáëèçè èíåðòíûõ ãàçîâ, à ñâîéñòâà ýëåìåíòîâ â ýòîé ÷àñòè òàáëèöû ëåãêî ïðåäñêàçûâàþòñÿ, ïîýòîìó îíè è äîëæíû ëåãêî îòäåëÿòüñÿ. Êðîìå òîãî, â ýòîé ÷àñòè òàáëèöû íåò ñâîáîäíûõ êëåòîê. Ðàñ÷åòû ïî ìîäåëè àòîìà Òîìñîíà ïîêàçûâàëè, ÷òî ÷èñëî ýëåêòðîíîâ â àòîìå ïðîïîðöèîíàëüíî àòîìíîìó âåñó. Òàê Ñîääè ïðèøåë ê âûâîäó è ïîêàçàë (1913), ÷òî â îäíîé êëåòêå
226 òàáëèöû ìîãóò áûòü ýëåìåíòû ñ ðàçíîé àòîìíîé ìàññîé, íî îáëàäàþùèå îäíèì çàðÿäîì ÿäðà è îäèíàêîâûìè ñâîéñòâàìè. Ñîääè íàçâàë èõ èçîòîïàìè (îò ãðå÷. iso— îäèíàêîâûé + tope— ìåñòî). Âïîñëåäñòâèè óñòàíîâèëè, ÷òî â ñîñòàâ ÿäðà ïîìèìî ïðîòîíîâ âõîäÿò íåéòðîíû, êîòîðûå è èçìåíÿþò àòîìíûå ìàññû.
Àíãëèéñêèé ôèçèê Ô.Àñòîí åùå â 1913 ã. ðàçäåëÿë èçîòîïû ìåòîäîì ãàçîâîé äèôôóçèè. Îí ïðåäëîæèë ýëåêòðîìàãíèòíûé ìåòîä: èîíèçîâàííûå àòîìû îòêëîíÿþòñÿ ýëåêòðè÷åñêèì èëè ìàãíèòíûì ïîëåì, à âåëè÷èíà îòêëîíåíèÿ çàâèñèò îò ìàññû.  1919 ã. Àñòîí ñêîíñòðóèðîâàë ïåðâûé ìàññ-ñïåêòðîãðàô, êîòîðûé ñâåë ïðîáëåìó ê ïðîñòîé ëàáîðàòîðíîé îïåðàöèè, è ïðîèçâåë ðåâîëþöèþ â èññëåäîâàíèè èçîòîïîâ. Àñòîí âûÿñíèë ïî÷òè âñå îá èçîòîïàõ. Îí îòêðûë è èçó÷àë áîëüøîå ÷èñëî ñòàáèëüíûõ èçîòîïîâ. Âñå îïûòíûå ôàêòû, ïîëó÷åííûå â ëàáîðàòîðèè Ðåçåðôîðäà, îòíîñèëèñü ê ðàäèîàêòèâíûì ýëåìåíòàì, ïîýòîìó íåîáõîäèìî áûëî ïîëó÷èòü ïîäòâåðæäåíèå, ÷òî è íîðìàëüíûå àòîìû óñòðîåíû àíàëîãè÷íî.
Ïåðâîå èñêóññòâåííîå ðàñùåïëåíèå ÿäðà àòîìà áûëî îñóùåñòâëåíî â ëàáîðàòîðèè Ðåçåðôîðäà â Êåìáðèäæå. Îí èçó÷àë ñòîëêíîâåíèå -÷àñòèö ñ ëåãêèìè àòîìàìè. Îò òàêèõ óäàðîâ ÷àñòèöû óñêîðÿëèñü: ÿäðî âîäîðîäà, íàïðèìåð, óâåëè÷èâàëî ñâîþ ñêîðîñòü â 1,6 ðàçà, íà ÷òî îíî îòáèðàëî ó ÷àñòèöû 64 % åå ýíåðãèè. Òàêèå óñêîðåííûå ÿäðà íàáëþäàë â 1914 ã. Ìàðñäåí. Ïåðâàÿ ìèðîâàÿ âîéíà çàòîðìîçèëà ýòè èññëåäîâàíèÿ, è ëèøü â 1919 ã. Ðåçåðôîðä ñòàë îáëó÷àòü àçîò à-÷àñòèöàìè, íàáëþäàÿ ïîÿâëåíèå îäíîçàðÿäíûõ èîíîâ âîäîðîäà, íàçâàííûõ Ìàðñäåíîì ïðîòîíàìè. Èõ ïîëó÷àëîñü î÷åíü ìàëî: íà ìèëëèîí à-÷àñòèö — 20 ïðîòîíîâ. Êðîìå ïðîòîíîâ Ðåçåðôîðä ïîëó÷èë è èçîòîï êèñëîðîäà ñ ìàññîé 17.
Ïåðâóþ ÿäåðíóþ ðåàêöèþñ èñêóññòâåííûì ïðåâðàùåíèåì ýëåìåíòîâ îñóùåñòâèëè â 1921 ã. Ðåçåðôîðä è Äæ.×åäâèê èç ÿäåð àçîòà ïîëó÷èëè ÿäðà èçîòîïà êèñëîðîäà ïðè áîìáàðäèðîâêå à-÷àñòèöàìè.  1932 ã. È. è Ô.Æîëèî-Êþðè ñôîòîãðàôèðîâàëè ñëåäû ïðîòîíîâ â êàìåðå Âèëüñîíà, âûáèâàåìûõ èç ïàðàôèíà áåðèëëèåâûì èçëó÷åíèåì. Âíîâü âîçíèêëà ïðîáëåìà èñòî÷íèêà ýíåðãèè — ïîÿâëåíèå ïðîòîíîâ òðåáîâàëî ðîæäåíèÿ â áåðèëëèè ôîòîíîâ ñ ýíåðãèåé 50 ÌýÂ. ×åäâèê ïîêàçàë, ÷òî ýòè òðóäíîñòè ñíèìàþòñÿ, åñëè ïðåäïîëîæèòü, ÷òî èçëó÷åíèå áåðèëëèÿ ñîñòîèò èç ÷àñòèö ñ ìàññîé, ïðèìåðíî ðàâíîé ìàññå ïðîòîíîâ, è íóëåâûì çàðÿäîì. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé ýòèõ ðåàêöèé ×åäâèê îïóáëèêîâàë â 1932 ã., íàçâàâ ýòè ÷àñòèöû íåéòðîíàìè (îò ëàò. neutrum— íè òî, íè äðóãîå). Ñóùåñòâîâàíèå íåéòðîíîâ âñêîðå áûëî ïîäòâåðæäåíî: îíè èñïóñêàëèñü ÿäðàìè àðãîíà, íàòðèÿ è àëþìèíèÿ ïðè îáëó÷åíèè èõ à-÷àñòèöàìè. Ñâîáîäíûé íåéòðîí íåñòàáèëåí, îí ðàñïàäàåòñÿ íà ïðîòîí, ýëåêòðîí è íåéòðèíî ñ ïåðèîäîì ïîëóðàñïàäà 11,7 ìèí.
Ðàñùåïëåíèÿ àòîìîâ êèñëîðîäà ïîä äåéñòâèåì íåéòðîíîâ äîáèëèñü â òîì æå 1932 ã. Ë.Ìàéòíåð è Ê.Ôèëèïï. Âïîñëåäñòâèè áûëè ïîëó÷åíû ðàñùåïëåíèÿ è äðóãèõ àòîìîâ. «Áîëüøàÿ ýôôåêòèâíîñòü íåéòðîíîâ â ïîëó÷åíèè ÿäåðíûõ ðåàêöèé, —
227 ãîâîðèë ×åäâèê, — ëåãêî îáúÿñíÿåòñÿ. Ïðè ñòîëêíîâåíèè çàðÿæåííîé ÷àñòèöû ñ ÿäðîì âåðîÿòíîñòü åå ïðîíèêíîâåíèÿ â ÿäðî îãðàíè÷åíà êóëîíîâñêîé ñèëîé. È ýòî îïðåäåëÿåò òî ìèíèìàëüíîå ðàññòîÿíèå, íà êîòîðîå ìîæåò ïðèáëèçèòüñÿ ÷àñòèöà è êîòîðîå âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì àòîìíîãî íîìåðà ÿäðà è ñòàíîâèòñÿ ñòîëü áîëüøèì, ÷òî âåðîÿòíîñòü ïðîíèêíîâåíèÿ â ÿäðî ñòàíîâèòñÿ ìàëîé.  ñëó÷àå ñîóäàðåíèÿ ñ ÿäðîì íåéòðîíà îãðàíè÷åíèÿ òàêîãî òèïà íå âîçíèêàåò. Ñèëà âçàèìîäåéñòâèÿ íåéòðîíà ñ ÿäðîì î÷åíü ìàëà, òîëüêî íà ìàëûõ ðàññòîÿíèÿõ îíà íà÷èíàåò áûñòðî ðàñòè è íîñèò õàðàêòåð ïðèòÿæåíèÿ. Âìåñòî ïîòåíöèàëüíîãî áàðüåðà, êàê â ñëó÷àå çàðÿæåííûõ ÷àñòèö, íåéòðîí âñòðå÷àåò «ïîòåíöèàëüíóþ ÿìó». Ïîýòîìó äàæå íåéòðîíû ñëàáûõ ýíåðãèé ìîãóò ïðîíèêàòü â ÿäðî».
 1928 ã. ìîëîäîé ñîâåòñêèé ôèçèê Ã. À. Ãàìîâ è íåçàâèñèìî îò íåãî Ð.Ãàðíè è Ý.Êîíäîí ñîçäàëè êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêóþ òåîðèþ à-ð à ñ ï à ä à. Áûëî íåïîíÿòíî, êàê à-÷àñòèöà ìîãëà ïðåîäîëåòü ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð è âûéòè èç ÿäðà. Ãàìîâ èñïîëüçîâàë àíàëîãèþ ñ ÷àñòè÷íûì ïðîíèêíîâåíèåì ñâåòà âî âòîðóþ ñðåäó ïðè ïàäåíèè íà ãðàíèöó ðàçäåëà äâóõ ñðåä ïîä óãëîì, áîëüøèì óãëà ïîëíîãî âíóòðåííåãî îòðàæåíèÿ, è îáúÿñíèë ÿâëåíèå ñ ïîìîùüþ âîëíîâîé ìåõàíèêè.
Ïîñëå îòêðûòèÿ íåéòðîíîâ ñòàëà àêòóàëüíîé ïðîáëåìà ñîñòàâà ÿäðà.  1930 ã. Â.À.Àìáàðöóìÿí è Ä.Ä.Èâàíåíêî è íåçàâèñèìî îò íèõ Ï.Äèðàê âûñêàçàëè èäåþ, ÷òî ýëåêòðîíîâ â ÿäðå âîîáùå íåò. Íî íàó÷íîå ñîîáùåñòâî îòíåñëîñü ê ýòîé èäåå âåñüìà ñêåïòè÷åñêè. Ïîñëå îòêðûòèÿ íåéòðîíîâ Èâàíåíêî ïðåäïîëîæèë, ÷òî ÿäðà ñîñòîÿò òîëüêî èç ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ (1932). Ãèïîòåçà Èâàíåíêî, ïðèâëåêàòåëüíàÿ ñâîåé ïðîñòîòîé, áûëà ïîäòâåðæäåíà ïîñëåäóþùèìè èññëåäîâàíèÿìè ÿäåðíûõ ïðåâðàùåíèé, áûñòðî ðàñïðîñòðàíèëàñü è ñòàëà èñïîëüçîâàòüñÿ. Ïðîòîíû è íåéòðîíû êàê îñíîâó ñòðîåíèÿ ÿäðà ñòàëè íàçûâàòü íóêëîíàìè. Ïðîáëåìà ÿäåðíûõ ñèë äî ñèõ ïîð íå ðåøåíà, õîòÿ ýòà ãèïîòåçà ëåæèò â îñíîâå ñîâðåìåííîé òåîðèè ñòðîåíèÿ ÿäðà.
Òåîðèþ ð-ðàñïàäà â 1936 ã. âûäâèíóëè Ïàóëè è èòàëüÿíñêèé ôèçèê Ýíðèêî Ôåðìè. Îíè ïðåäïîëîæèëè, ÷òî â ÿäðå ïðîèñõîäèò ïðåâðàùåíèå íåéòðîíà â ïðîòîí ñ îäíîâðåìåííûì èñïóñêàíèåì ýëåêòðîíà è íåéòðèíî (íåéòðàëüíîé ÷àñòè÷êè, îáëàäàþùåé íè÷òîæíîé ìàññîé è ñîáñòâåííûì ìîìåíòîì âðàùåíèÿ, èëè ñïèíîì, ðàâíûì 1/2). Èñïóñêàíèå ýëåêòðîíà ïðîèñõîäèò ïðèìåðíî òàê æå, êàê ôîòîí èñïóñêàåòñÿ àòîìîì. Âïîñëåäñòâèè, îïèðàÿñü íà òåîðèþ ð-ðàñïàäà, Ôåðìè ïîñòðîèë öèêë òåðìîÿäåðíûõ ðåàêöèé (ïðîòîí-ïðîòîííûé), êîòîðûé ëåæèò â îñíîâå ïðîèñõîæäåíèÿ ýíåðãèè Ñîëíöà è çâåçä. Äîêàçàòü ñïðàâåäëèâîñòü òåîðèè ìîæíî ëèøü îáíàðóæåíèåì êîíå÷íûõ ïðîäóêòîâ ýòèõ ðåàêöèé — íåéòðèíî.
Ôîòîãðàôèè ïðîòîíà, âûëåòàþùåãî ïðè ñòîëêíîâåíèè à-÷àñòèöû ñ àòîìîì àçîòà, ïîëó÷èë â êàìåðå Âèëüñîíà ó÷åíèê
228 Ðåçåðôîðäà Ï. Áëýêêåò (1925). Íî ýòî ÿâëåíèå, ò. å. ðàñùåïëåíèå ÿäðà, ïðîèñõîäèëî î÷åíü ðåäêî: íà 23 000 ôîòîãðàôèé ñ 460 000 òðàåêòîðèé ÷àñòèö òîëüêî â âîñüìè ñëó÷àÿõ íàáëþäàëñÿ âûëåò ïðîòîíà. Çíà÷èò, à-÷àñòèöû íåýôôåêòèâíû äëÿ ïîëó÷åíèÿ ðàñùåïëåíèÿ. Òåîðèÿ Ãàìîâà ïîêàçûâàëà ïóòü åå ïîâûøåíèÿ — íóæíî ïðèäàòü ÷àñòèöå ýíåðãèþ, äîñòàòî÷íóþ äëÿ ïðåîäîëåíèÿ ïîòåíöèàëüíîãî áàðüåðà. Äëÿ ìàëåíüêèõ ÷àñòèö âåðîÿòíîñòü ïðîíèêíîâåíèÿ áîëüøå, ïîýòîìó, ðàçîãíàâ ïðîòîíû äî áîëüøîé ñêîðîñòè, ìîæíî äîáèòüñÿ ñ íèìè áîëüøåé ýôôåêòèâíîñòè, ÷åì ó à-÷àñòèö.
Äëÿ ñðàâíåíèÿ ïðîèçâåäåì îöåíêó âîçìîæíîñòè òåîðèè Ãàìîâà.  àòîìíîé ôèçèêå 1,6-10-19 Äæ (1 ýÂ) ñîîòâåòñòâóåò ýíåðãèè, ïðèîáðåòàåìîé ÷àñòèöåé ñ çàðÿäîì å ïðè ïðîõîæäåíèè ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ 1 Â. Ýíåðãèÿ íàèáîëåå áûñòðûõ à-÷àñòèö, èñïóñêàåìûõ ðàäèîàêòèâíûìè âåùåñòâàìè, ðàâíà 12,8-10-13 Äæ (8 ÌýÂ).  1925 ã. äëÿ ïîëó÷åíèÿ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé èñïîëüçîâàëèñü ìîùíûå èíäóêöèîííûå êàòóøêè ñ ðàçíîñòüþ ïîòåíöèàëîâ ïîðÿäêà 100 êÂ. Çíà÷èò, óñêîðåííûé â òàêîì ïîëå ýëåêòðîí (èëè ïðîòîí) ìîã ïðèîáðåñòè ýíåðãèþ 0,16 • 10-13 Äæ (0,1 ÌýÂ). Íî òåîðèÿ Ãàìîâà ïðåäñêàçûâàëà, ÷òî ïðîòîíû ñ ýíåðãèåé 1,6 • 10-13 Äæ (1 ÌýÂ) áóäóò ïî ýôôåêòèâíîñòè ðàâíû à-÷àñòèöàì ñ ýíåðãèåé 51,2-10-13 Äæ (32 ÌýÂ). Èäåÿ áûëà ïðèâëåêàòåëüíîé, è íà÷àëè ñòðîèòü âñå áîëåå ìîùíûå óñòàíîâêè ñ îãðîìíûìè íàïðÿæåíèÿìè. Âîçíèêëà ñîâðåìåííàÿ àëõèìèÿ, êàê âûðàçèëñÿ Ðåçåðôîðä.
Êîñìè÷åñêèå ëó÷è, îòêðûòûå åùå â 1904 ã., ïðèâëåêàëè è àñòðîíîìîâ, è ãåîôèçèêîâ. Ëó÷è âûçûâàëè ïåðâè÷íóþ èîíèçàöèþ âîçäóõà, âîçðàñòàþùóþ ñ âûñîòîé. Ïîñëå ïåðâîé ìèðîâîé âîéíû èõ èçó÷åíèå âîçîáíîâèëîñü íå òîëüêî íà âûñîòàõ, íî è â ãëóáèíàõ âîäîåìîâ. Êîñìè÷åñêîå èçëó÷åíèå ñ÷èòàëîñü ñîñòîÿùèì èç ó-êâàíòîâ, âûçûâàâøèõ â àòìîñôåðå ð-èçëó÷åíèå. Ä. Â. Ñêîáåëüöûí, îñíîâàòåëü ñîâåòñêîé øêîëû ôèçèêè àòîìíîãî ÿäðà è êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé, âïåðâûå èññëåäîâàë ýòè ëó÷è ñ ïîìîùüþ êàìåðû Âèëüñîíà, ïîìåùåííîé â ìàãíèòíîå ïîëå, è óñòàíîâèë, ÷òî èîíèçàöèÿ âîçäóõà ñîçäàåòñÿ íå ó-êâàíòàìè, à áûñòðûìè ð-ëó÷à-ìè ïðè ýíåðãèè 3,2 10-11 Äæ (200 ÌýÂ). Äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ïåðâè÷íûå êîñìè÷åñêèå ëó÷è, ñîñòîÿùèå â îñíîâíîì èç ïðîòîíîâ, äåéñòâèòåëüíî ðîæäàþò áûñòðûå ð-ëó÷è.
Àìåðèêàíñêèé ôèçèê Ê. Àíäåðñîí ïðîäîëæèë èññëåäîâàíèÿ ëó÷åé ïî ìåòîäó Ñêîáåëüöûíà è îáíàðóæèë (1932) íà ôîòîñíèìêàõ òðåêîâ (ñëåäîâ) â êàìåðå ïîëîæèòåëüíûå ýëåêòðîíû, êîòîðûå íàçâàë ïîçèòðîíàìè (îäíîâðåìåííî èõ îòêðûëè â Àíãëèè Áëýêêåò è Îêêèàëèíè). Òóò è âñïîìíèëè î ðåëÿòèâèñòñêîì óðàâíåíèè äëÿ ýëåêòðîíà, ïîëó÷åííîì Äèðàêîì åùå â 1928 ã., ãäå ïðåäñêàçûâàëîñü ñóùåñòâîâàíèå ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííûõ ýëåêòðîíîâ. Âåëèñü àêòèâíûå ïîèñêè ïîçèòðîíà â ñàìûõ ðàçíûõ ïðîöåññàõ. Ïðè îáëó÷åíèè ÿäåð òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ æåñòêèìè ó-êâàíòàìè çàôèêñèðîâàëè ðîæäåíèå ïàð ýëåêòðîí—ïîçèòðîí — òàê ìàòåðèÿ ó-êâàíòà ïåðåõî-
229 äèëà â ìàòåðèþ ýëåêòðîíà è ïîçèòðîíà.  1933 ã. Ô.Æîëèî ïðîäåìîíñòðèðîâàë ôîòîãðàôèþ â êàìåðå Âèëüñîíà, ãäå áûëî çàðåãèñòðèðîâàíî ðîæäåíèå ïàðû ýëåêòðîí—ïîçèòðîí. Çàòåì áûëî îòêðûòî ïðåâðàùåíèå ïàðû ýëåêòðîí—ïîçèòðîí â äâà -êâàíòà — ýòîò ïðîöåññ íàçâàëè àííèãèëÿöèåé. Îáðàçîâàíèå ïîçèòðîíà áûëî îáíàðóæåíî è ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ ÿäðàìè à-÷àñòèö è íåéòðîíîâ. Òàê â î÷åíü êîðîòêèé ñðîê ñòàëî èçâåñòíî î ñóùåñòâîâàíèè àíòè÷àñòèö.
Èñêóññòâåííûå ðàäèîàêòèâíûå ýëåìåíòûîòêðû-ëè È.Êþðè, äî÷ü Ï. è Ì.Êþðè, è åå ìóæ, Ô.Æîëèî (1934). Ãîäîì ðàíüøå îíè óñòàíîâèëè, ÷òî ïðè áîìáàðäèðîâêå à-÷àñòèöàìè íåêîòîðûõ ëåãêèõ ýëåìåíòîâ âîçíèêàþò ïîçèòðîíû, èñïóñêàþùèåñÿ è ïîñëå ðåàêöèè. Èç ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîîáðàæåíèé ñíà÷àëà à-÷àñ-òèöà çàõâàòûâàåòñÿ ÿäðîì àëþìèíèÿ ñ ìãíîâåííûì èñïóñêàíèåì íåéòðîíà è îáðàçîâàíèåì ðàäèîàêòèâíîãî àòîìà (èçîòîïà ôîñôîðà ñ àòîìíîé ìàññîé 30), çàòåì ýòîò íåñòàáèëüíûé àòîì (íàçâàííûé ðàäèîôîñôîðîì) ðàñïàäàåòñÿ ñ èñïóñêàíèåì ïîçèòðîíà è ïðåâðàùàåòñÿ â óæå óñòîé÷èâûé èçîòîï êðåìíèÿ. Ýòîò íîâûé âèä ðàäèîàêòèâíîñòè, ïîìèìî -ëó÷åé, ñîïðîâîæäàëñÿ èñïóñ-
êàíèåì àíòè÷àñòèö — ïîçèòðîíîâ. Òàê èì «óäàëîñü âïåðâûå ñ ïîìîùüþ âíåøíåãî âîçäåéñòâèÿ âûçâàòü ó íåêîòîðûõ ÿäåð ðàäèîàêòèâíîñòü, êîòîðàÿ ñîõðàíÿåòñÿ â òå÷åíèå èçìåðèìîãî âðåìåíè â îòñóòñòâèå âûíóæäàþùåé ïðè÷èíû». Ïîÿâèëèñü íîâûå èçîòîïû, êîòîðûå äî ýòîãî â ïðèðîäå íå íàáëþäàëèñü. Îòêðûòèå èñêóññòâåííîé ðàäèîàêòèâíîñòè èìåëî áîëüøîå çíà÷åíèå äëÿ íàóêè è íàøëî îãðîìíîå ïðèìåíåíèå â áèîëîãèè è ïðàêòè÷åñêîé ìåäèöèíå. Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè èç 2000 ðàäèîàêòèâíûõ èçîòîïîâ òîëüêî 300 èìåþò åñòåñòâåííîå ïðîèñõîæäåíèå.
Îïûòû ïî áîìáàðäèðîâêå íåéòðîíàìè ÿäåð òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ ïðîâîäèë Ôåðìè. Çà îäíî ëåòî 1934 ã. îí îáëó÷èë 60 ýëåìåíòîâ è ïîëó÷èë 40 ðàäèîàêòèâíûõ ïðîäóêòîâ. Âûÿñíèëîñü, ÷òî ïðè çàõâàòå ÿäðàìè ìåäëåííûõ íåéòðîíîâ ìîãóò îáðàçîâûâàòüñÿ ðàäèîàêòèâíûå èçîòîïû òåõ æå èëè ïîñëåäóþùèõ ýëåìåíòîâ. Òàê, ïðè îáëó÷åíèè óðàíà íàéäåíû èçîòîïû íåñêîëüêèõ âåùåñòâ ñ ïåðèîäàìè ïîëóðàñïàäà 10 ñ, 40 ñ, 13 ìèí è 100 ìèí. Ôåðìè îòìåòèë, ÷òî ïîñëåäíèå äâà íå ÿâëÿþòñÿ èçîòîïàìè ýëåìåíòîâ ìåæäó íîìåðàìè 82 è 92. Òàê áûëè îòêðûòû òðàíñóðàíîâûå ýëåìåíòû. Ê 1939 ã. áûëî ïîëó÷åíî îêîëî 400 íîâûõ ðàäèîàêòèâíûõ âåùåñòâ. Êðîìå òîãî, Ôåðìè îòìåòèë, ÷òî ýôôåêòèâíåå äåéñòâóþò «çàìåäëåííûå» (èëè òåïëîâûå) íåéòðîíû, ïðåäâàðèòåëüíî ïðîøåäøèå ÷åðåç âîäó èëè ïàðàôèí. Ýòó êàæóùóþñÿ ïàðàäîêñàëüíîé ñèòóàöèþ Ôåðìè îáúÿñíèë ñ ïîçèöèé âîëíîâîé ìåõàíèêè. Ôåðìè ñîáðàë ãðóïïó ñâîèõ ó÷åíèêîâ, è îíè îáëó÷èëè íåéòðîíàìè 63 ýëåìåíòà, èç êîòîðûõ äëÿ 37 áûëî óñòàíîâëåíî ÿâëåíèå èñêóññòâåííîé ðàäèîàêòèâíîñòè.
Âîçíèêëà èäåÿ, ÷òî íåéòðîíû (â îòëè÷èå îò à-÷àñòèö) ìîãóò ðàñêîëîòü ÿäðî íà áîëüøèå îñêîëêè.  1938 ã. Î. Ãàí è Ô. Øòðàñ-
230
ñìàí îáíàðóæèëè áàðèé ïîñëå áîìáàðäèðîâêè íåéòðîíàìè óðàíà. Ïðè ýòîì âûäåëÿëàñü ýíåðãèÿ ïîðÿäêà 200 ÌýÂ, ÷òî ñîîòâåòñòâîâàëî ýíåðãèè, ñâÿçàííîé ñ äåôåêòîì ìàññû ïðè îáðàçîâàíèè áàðèÿ è êðèïòîíà. Ðàáîòàâøàÿ ñ íèìè äî ïðèõîäà íàöèçìà Ë. Ìàé-òíåð, åå ïëåìÿííèê Î.Ôðèø, âûíóæäåííûå áåæàòü â Êîïåíãàãåí ê Áîðó, è Ô.Æîëèî ïîíÿëè ðåàêöèþ è óïîòðåáèëè ïåðâûìè òåðìèí «äåëåíèå». 26 ÿíâàðÿ 1939 ã. Áîð ñîîáùèë îá îòêðûòèè äåëåíèÿ óðàíà íà êîíôåðåíöèè â Âàøèíãòîíå, 30 ÿíâàðÿ â Ïàðèæñêîé Àêàäåìèè íàóê îá ýòîì æå ñîîáùèë Ô. Æîëèî, à 20 ôåâðàëÿ îí ïðîäåìîíñòðèðîâàë ýôôåêò «âçðûâà», çàñíÿòîãî â êàìåðå Âèëüñîíà (ðèñ. 6.3).
Èññëåäîâàíèÿ êîíöà 30-õ ãã. ñòèìóëèðîâàëè ðàçâèòèå ïðåäñòàâëåíèé î ñòðóêòóðå ÿäðà, êîòîðîå òîãäà ðàññìàòðèâàëè êàê òâåðäîå òåëî, ñêëååííîå èç à-÷àñòèö è íóêëîíîâ. Ïîýòîìó ñòîëêíîâåíèå ìîãëî óïðóãî âûáèòü ëèøü èõ. Áîð îáúÿñíèë äåëåíèå ðåçîíàíñíûìè ÿâëåíèÿìè ïðè çàõâàòå íåéòðîíà ÿäðîì «ðåäêîãî èçîòîïà óðàíà 235» (â ïðèðîäíîì óðàíå åãî òîëüêî 0,711 %).  1939 ã. ëåíèíãðàäñêèé ôèçèê-òåîðåòèê ß.È.Ôðåíêåëü äàë îáúÿñíåíèå ýòîìó íà îñíîâå ìîäåëè ÿäðà â âèäå æèäêîé êàïëè: ÿäðî äîëæíî îáëàäàòü îãðîìíûì ïîâåðõíîñòíûì íàòÿæåíèåì (ïîðÿäêà 1016 Í/ì). Êàïåëüíàÿ ìîäåëü ïîçâîëèëà îïðåäåëèòü ãðàíèöû óñòîé÷èâîñòè ÿäåð, ïîïàäàíèå íåéòðîíà ïðèâîäèò ê ýëåêòðîêàïèëëÿðíûì êîëåáàíèÿì êàïëè, ÷òî è âûçûâàåò åå äåëåíèå ïî÷òè ïîïîëàì. Âïîñëåäñòâèè ýòó òåîðèþ ðàçðàáàòûâàëè Í. Áîð è Äæ. Óèëåð (1940).  òîì æå ãîäó áûëè ïðîâåäåíû îïûòû ïî ñàìîïðîèçâîëüíîìó äåëåíèþ ÿäåð óðàíà (Ã. Í. Ôëåðîâ, Ê.À.Ïåòðæàê), êîòîðûå äîêàçàëè íàëè÷èå ýòîãî ìåõàíèçìà äåëåíèÿ.
Âñêîðå áûëî îáíàðóæåíî, ÷òî ïðè äåëåíèè óðàíà ïîÿâëÿþòñÿ ñâîáîäíûå íåéòðîíû, êîòîðûå, ïîïàäàÿ â ÿäðî óðàíà, ìîãóò âûçâàòü íîâûé ïðîöåññ äåëåíèÿ. Ïîÿâèëèñü è òåîðåòè÷åñêèå ðàáîòû, â êîòîðûõ ôîðìóëèðîâàëèñü êîíêðåòíûå óñëîâèÿ äëÿ ïîëó÷åíèÿ ÿäåðíîé âçðûâíîé ðåàêöèè äåëåíèÿ. Íàèáîëåå çíà÷èòåëüíûõ ðåçóëüòàòîâ â ýòîì íàïðàâëåíèè äîñòèãëè ôèçèêè-òåîðåòèêè 231 ß. Á. Çåëüäîâè÷ è Þ. Á. Õàðèòîí (ó÷åíèêè Í. Í. Ñåìåíîâà), âïåðâûå îñóùåñòâèâøèå ðàñ÷åò öåïíîé ðåàêöèè äåëåíèÿ óðàíà.
Îíè âûäåëèëè óñëîâèÿ, íåîáõîäèìûå äëÿ çàìåäëåíèÿ ïðîöåññà âûñâîáîæäåíèÿ ÿäåðíîé ýíåðãèè, è ïèñàëè: «Äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ óñëîâèé öåïíîãî âçðûâà óðàíà íåîáõîäèìî äëÿ çàìåäëåíèÿ íåéòðîíîâ ïðèìåíÿòü òÿæåëûé âîäîðîä èëè, ìîæåò áûòü, òÿæåëóþ âîäó, èëè êàêîå-íèáóäü äðóãîå âåùåñòâî, îáåñïå÷èâàþùåå äîñòàòî÷íî ìàëîå ñå÷åíèå çàõâàòà. Çíà÷èòåëüíîå ïî ñðàâíåíèþ ñ âîäîðîäîì ñå÷åíèå ðàññåÿíèÿ è íåñêîëüêî ìåíüøàÿ ýôôåêòèâíîñòü îáìåíà ýíåðãèåé ìîãóò êîìïåíñèðîâàòüñÿ íè÷òîæíî ìàëûì ñå÷åíèåì çàõâàòà íåéòðîíîâ è ñâÿçàííîé ñ ýòèì âîçìîæíîñòüþ ÷ðåçâû÷àéíîãî ðàçáàâëåíèÿ óðàíà... Äðóãàÿ âîçìîæíîñòü çàêëþ÷àåòñÿ â îáîãàùåíèè óðàíà èçîòîïîì 235». Òàê îíè ïîêàçàëè, ÷òî ïðè íåáîëüøîì óâåëè÷åíèè äîëè áîëåå ëåãêîãî èçîòîïà óðàíà è âîäû, çàìåäëÿþùåé íåéòðîíû, ìîæíî â ìàññå óðàíà, áîëüøåé, ÷åì «êðèòè÷åñêàÿ», ïîëó÷èòü ïîñòåïåííîå âûñâîáîæäåíèå îãðîìíîãî êîëè÷åñòâà ýíåðãèè. Ðåàêöèþ äåëàþò óïðàâëÿåìîé, çàìåäëÿÿ íåéòðîíû ñ ïîìîùüþ ãðàôèòîâûõ ñòåðæíåé.
Îòêðûòèå äåëåíèÿ óðàíà îçíàìåíîâàëî íà÷àëî ýðû ÿäåðíîé ôèçèêè. Ïîñëå òîãî êàê óäàëîñü ðàñùåïèòü ÿäðà óðàíà è ïëóòîíèÿ, ñóìåëè äîáèòüñÿ áûñòðîãî è èíòåíñèâíîãî âûñâîáîæäåíèÿ ýíåðãèè, íåîáõîäèìîé äëÿ âçðûâà àòîìíîé áîìáû.
 1942 ã. ïîä ðóêîâîäñòâîì èòàëüÿíñêîãî ôèçèêà Ý.Ôåðìè áûë çàïóùåí ïåðâûé àòîìíûé ðåàêòîð â ÑØÀ è óæå ÷åðåç 4 ãîäà â ÑÑÑÐ ïîä ðóêîâîäñòâîì È.Â.Êóð÷àòîâà. Ñîâåòñêèé àòîìíûé ðåàêòîð ñòàë ïåðâûì â Åâðîïå (1946), îí ïðîèçâîäèë èñêóññòâåííîå ÿäåðíîå ãîðþ÷åå — ïëóòîíèé. Ïîòîì ïîÿâèëèñü è çàâîäû ïî îáîãàùåíèþ óðàíà ëåãêèì èçîòîïîì . Âî âðåìÿ âòîðîé ìèðîâîé âîéíû â Ãåðìàíèè è ñòðàíàõ àíòèãèòëåðîâñêîé êîàëèöèè âåëèñü èíòåíñèâíûå ðàáîòû ïî ñîçäàíèþ àòîìíîãî îðóæèÿ. Êàçàëîñü, îâëàäåíèå òàêèì îðóæèåì ñìîæåò ñðàçó ïðåêðàòèòü âîéíó. Ïåðâûå àòîìíûå áîìáû áûëè ñáðîøåíû àìåðèêàíñêèìè ëåò÷èêàìè íà ÿïîíñêèå ãîðîäà Õèðîñèìó è Íàãàñàêè â àâãóñòå 1945 ã., ïðîäåìîíñòðèðîâàâ âñåìó ìèðó ìîùü ÑØÀ.  èþíå 1946 ã. â êîìèññèè ÎÎÍ ïî àòîìíîé ýíåðãèè ñîâåòñêàÿ äåëåãàöèÿ âíåñëà ïðîåêò Ìåæäóíàðîäíîé êîíâåíöèè «Î çàïðåùåíèè ïðîèçâîäñòâà è ïðèìåíåíèÿ îðóæèÿ, îñíîâàííîãî íà èñïîëüçîâàíèè àòîìíîé ýíåðãèè, â öåëÿõ ìàññîâîãî óíè÷òîæåíèÿ».
 äåêàáðå 1946 ã. â ÑÑÑÐ áûëà âïåðâûå â Åâðîïå îñóùåñòâëåíà ñàìîïîääåðæèâàþùàÿñÿ öåïíàÿ ðåàêöèÿ â ýêñïåðèìåíòàëüíîì ðåàêòîðå íà òåïëîâûõ íåéòðîíàõ, à ÷åðåç ïîëòîðà ãîäà — ïóùåí ïåðâûé ïðîìûøëåííûé ðåàêòîð äëÿ íàðàáîòêè îðóæåéíîãî ïëóòîíèÿ. Òåïëîâûìè (ìåäëåííûìè) íàçûâàþò íåéòðîíû, îáëàäàþùèå ìàëûìè çíà÷åíèÿìè ýíåðãèè (äî 45 ÌýÂ). Ìåäëåííûå íåéòðîíû ïîãëîùàþòñÿ , íå âûäàâàÿ äåëåíèÿ, è ïðåâðàùàþò åãî â ÿäðî ðàäèîàêòèâíîãî èçîòîïà ñ ïåðèîäîì ïîëó-
ðàñïàäà 23 ìèí; ïîñëå ýòîãî ïîëó÷àåòñÿ ÿäðî òðàíñóðàíîâîãî ýëåìåíòà íåïòóíèÿ , êîòîðûé èìååò ïåðèîä ïîëóðàñïàäà 2,3 ñóò. Çàòåì ïîëó÷à-
åòñÿ ñ ïåðèîäîì ïîëóðàñïàäà 24 100 ëåò, ïîýòîìó åãî ìîæíî íàêàï-
ëèâàòü â áîëüøèõ êîëè÷åñòâàõ. È íåñìîòðÿ íà òÿæåëûå ïîñëåâîåííûå ãîäû â ÑÑÑÐ â àïðåëå 1949 ã. áûë çàïóùåí îïûòíûé ðåàêòîð íà òÿæåëîé âîäå ìîùíîñòüþ 500 êÂò è íà÷àëîñü ïîëó÷åíèå îáîãàùåííîãî .  àâãóñòå òîãî æå ãîäà íà Ñåìèïàëàòèíñêîì ïîëèãîíå áûëè ïðîâåäåíû
232 óñïåøíûå èñïûòàíèÿ àòîìíîé (ïëóòîíèåâîé) áîìáû â íàøåé ñòðàíå, è ìîíîïîëèÿ ÑØÀ áûëà ðàçðóøåíà. Ñáîðêà ñàìîé áîìáû îñóùåñòâëÿëàñü â 60 êì þæíåå ãîðîäà Àðçàìàñ, â ëàáîðàòîðèè Àðçàìàñ-16 (àíàëîã àìåðèêàíñêîé â Ëîñ-Àëàìîñå), êîòîðóþ âîçãëàâëÿë Þ.Á. Õàðèòîí.  1951 ã. áûëà âçîðâàíà ñîâåòñêàÿ àòîìíàÿ áîìáà, èçãîòîâëåííàÿ èç óðàíà-235, è âñòóïèë â ñòðîé ðåàêòîð äëÿ ïîëó÷åíèÿ òðèòèÿ — îñíîâíîãî èçîòîïà, ïðèìåíÿåìîãî ïðè òåðìîÿäåðíûõ ðåàêöèÿõ. Ãîäîì ðàíåå ñîâåòñêèå ôèçèêè ïðåäëîæèëè èçîëèðîâàòü ãîðÿ÷óþ ïëàçìó îò ñòåíîê óñòàíîâêè ñ ïîìîùüþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ è ñäåëàëè íåîáõîäèìûå ðàñ÷åòû. Íî â ÑÑÑÐ íå òîëüêî äîáèëèñü ñîçäàíèÿ àòîìíîãî îðóæèÿ — â òîì æå 1951 ã. â ñòðàíå íà÷àëñÿ ñåðèéíûé âûïóñê ðàäèîèçîòîïíîé àïïàðàòóðû íà èçîòîïå êîáàëüò-60 äëÿ íóæä ïðîìûøëåííîñòè, ñòðîèòåëüñòâà è ìåäèöèíû.
Äëÿ ðåøåíèÿ íàó÷íûõ çàäà÷, ñâÿçàííûõ ñ ñîçäàíèåì âîäîðîäíîé áîìáû, èíèöèàòèâà ñîçäàíèÿ êîòîðîé ïðèíàäëåæàëà Ý. Òåë-ëåðó, â íàøåé ñòðàíå áûëà ñîçäàíà ãðóïïà âî ãëàâå ñ àêàäåìèêîì È. Å.Òàììîì, ãäå íàèáîëåå àêòèâíûì è ðåçóëüòàòèâíûì ñîòðóäíèêîì îêàçàëñÿ À.Ä.Ñàõàðîâ, òîëüêî ÷òî çàùèòèâøèé êàíäèäàòñêóþ äèññåðòàöèþ ïî òåîðèè àòîìíîãî ÿäðà. Õîòÿ îáùåå ðóêîâîäñòâî ïðîåêòîì îñóùåñòâëÿëîñü È.Â.Êóð÷àòîâûì, à ðóêîâîäèòåëåì ðàáîò è ãëàâíûì êîíñòðóêòîðîì áûë Þ. Á. Õàðèòîí, â êîíñòðóêöèè áîìáû ðåàëèçîâàíû îñíîâîïîëàãàþùèå èäåè À.Ä.Ñàõàðîâà, è åãî ïî ïðàâó íàçûâàþò «îòöîì âîäîðîäíîé áîìáû».  1953 ã. â Ñåìèïàëàòèíñêå ïðîøëè ïåðâûå â ìèðå èñïûòàíèÿ âîäîðîäíîé áîìáû, à çàòåì çàðàáîòàëà è ïåðâàÿ â ìèðå àòîìíàÿ ñòàíöèÿ â ãîðîäå Îáíèíñêå ìîùíîñòüþ 500 êÂò (1954). Õîòÿ ïðè ðàáîòå ðåàêòîðà èñïîëüçóåòñÿ ýíåðãèÿ äåëåíèÿ ÿäåð, à íå àòîìîâ, â ïîïóëÿðíîé ëèòåðàòóðå ñëîæèëàñü òåðìèíîëîãèÿ «àòîìíàÿ ýíåðãåòèêà», ÀÝÑ âìåñòî «ÿäåðíàÿ ýíåðãåòèêà».
 ÿäåðíîì òîïëèâå çàêëþ÷åíà îãðîìíàÿ êîíöåíòðàöèÿ ýíåðãèè; äëÿ ñðàâíåíèÿ — äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ðàáîòû ÒÝÖ ìîùíîñòüþ 1 ìëí êÂò íåîáõîäèìî ðàñõîäîâàòü îêîëî 4 — 5 ìëí ò óãëÿ â ãîä, à äëÿ çàïóñêà ÀÝÑ ñ ðåàêòîðîì ÂÂÝÐ-1000 ïðè òîé æå ìîùíîñòè íóæíî çàãðóçèòü â ðåàêòîð ïðèìåðíî 70 ã ÿäåðíîãî òîïëèâà, ìåíÿÿ â ãîä îêîëî 23 ã. Õîòÿ ìîùíîñòü ýòîé ïåðâîé â ìèðå àòîìíîé ñòàíöèè áûëà íåâåëèêà, îíà ÿâèëàñü õîðîøåé øêîëîé äëÿ ïîäãîòîâêè ñïåöèàëèñòîâ ïî àòîìíîé ýíåðãåòèêå, à îïûò åå áåçàâàðèéíîé ðàáîòû ïîçâîëèë ðàçâåðíóòü øèðîêîå ñòðîèòåëüñòâî ìîùíûõ àòîìíûõ ñòàíöèé ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè ðåàêòîðîâ. Òàê òåîðåòè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ áûëè âîïëîùåíû â òåõíîëîãèè, óêðåïèëè ïîëèòè÷åñêîå ïîëîæåíèå ñòðàíû, îáåñïå÷èëè ýíåðãåòèêó. Ñ èñïîëüçîâàíèåì àòîìíîé ýíåðãèè ñòàëè ðàáîòàòü è ðàçíîîáðàçíûå òðàíñïîðòíûå ñðåäñòâà.
 1956 ã. íà ñóäîâåðôè àäìèðàëòåéñêîãî çàâîäà â Ëåíèíãðàäå áûë çàëîæåí àòîìíûé ëåäîêîë «Ëåíèí» ñ ÿäåðíîé ýíåðãåòè÷åñêîé óñòàíîâêîé, êîòîðûé íà÷àë íàâèãàöèþ âåñíîé 1960 ã. Âïîñëåäñòâèè àòîìíûå ýíåðãåòè÷åñêèå óñòàíîâêè áûëè ñ óñïåõîì èñïîëüçîâàíû íà ëåäîêîëàõ «Àðêòèêà»,
233 «Ñèáèðü», êîíòåéíåðîâîçå «Ñåâìîðïóòü» è äðóãèõ, à çàòåì è íà àòîìíûõ ïîäâîäíûõ ëîäêàõ, ñîñòàâëÿâøèõ ãîðäîñòü ñîâåòñêèõ ÂÌÑ.  1958 ã. áûë îáúÿâëåí ïåðâûé ñîâåòñêèé îäíîñòîðîííèé ìîðàòîðèé íà èñïûòàíèå àòîìíîãî îðóæèÿ, íà÷àëà ðàáîòó ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ òåðìîÿäåðíàÿ óñòàíîâêà «Îãðà».  70-å ãîäû áûë çàïóùåí ïåðâûé â ìèðå òåðìîýìèññèîííûé ðåàêòîð-ïðåîáðàçîâàòåëü «Òîïàç-1». À ðàçðàáîòàííûå èçîòîïíûå ãåíåðàòîðû è ïëàçìåííûå äâèãàòåëè óñïåøíî ðàáîòàëè íà êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòàõ «Êîñ-ìîñ-34», «Êîñìîñ-90», «Çîíä-2», «Ëóíîõîä-1», «Ëóíîõîä-2» è äð.  1975 ã. áûëà ïðîâåäåíà ïåðâàÿ â ìèðå îïåðàöèÿ ïî âæèâëåíèþ â îðãàíèçì ðàäèîèçîòîïíîãî êàðäèîñòèìóëÿòîðà. Áûëà çàïóùåíà èìïóëüñíàÿ òåðìîÿäåðíàÿ óñòàíîâêà «Àíãàðà» (1983) è òåðìîÿäåðíàÿ óñòàíîâêà «Òîêàìàê» (1988).
6.5. Ïðåäñòàâëåíèÿ î ñòðîåíèè àòîìíîãî ÿäðà
 ýêñïåðèìåíòàëüíî óñòàíîâëåííîì Ðåçåðôîðäîì (1911) ÿäåðíîì ñòðîåíèè àòîìà áûëè äâå ÷àñòèöû — ÿäðî è ýëåêòðîí. Ïîÿâèëàñü ãèïîòåçà ñòðîåíèÿ àòîìà èç ýòèõ äâóõ ÷àñòèö. ßäðî õàðàêòåðèçîâàëîñü çàðÿäîì è ìàññîé. Çàðÿä ÿäðà ðàâåí +Ze, ãäå Z — àòîìíûé íîìåð, ñîâïàäàþùèé ñ íîìåðîì â Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìå ýëåìåíòîâ Ä.È.Ìåíäåëååâà; +å — ýëåìåíòàðíûé çàðÿä ÿäðà; ìàññà ÿäðà ïðèìåðíî ðàâíà À, ãäå À — ìàññîâîå ÷èñëî; òÐ — ìàññà ïðîòîíà, ðàâíàÿ 938,28 ÌýÂ, à ìàññà ýëåêòðîíà — 0,511 ÌýÂ. Ïðîòîí èìååò ñïèí, ðàâíûé 1/2, è ñîáñòâåííûé ìàãíèòíûé ìîìåíò
— åäèíèöà ìàãíèòíîãî ìîìåíòà, íàçûâàåìàÿ ÿäåðíûì ìàãíåòîíîì. Êàçàëîñü áû, ìîäåëü ÿäðà ïîñòðîèòü íåòðóäíî ïðè çàäàííûõ À è Z, â íåì À ïðîòîíîâ è A—Zýëåêòðîíîâ. Íî îíà ïðîòèâîðå÷èâà. Òàê, íàïðèìåð, äëÿ àçîòà (À = 14, Z= 7) â ÿäðå äîëæíî áûòü 14 ïðîòîíîâ è 7 ýëåêòðîíîâ, ò.å. èç 21 ÷àñòèöû ñ ïîëóöåëûì ñïèíîì s= 1/2. Íî ýêñïåðèìåíò äàåò s= 1 (ñïèí ÿäðà àçîòà ðàâåí åäèíèöå).
Àòîìíîå ÿäðî ñîñòîèò èç ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ. Ìàññà íåéòðîíà òï = 939,57 ÌýÂ, ò.å. áëèçêà ê ìàññå ïðîòîíà (òï - òÐ = = 1,3 ÌýÂ), ÷òî ñîîòâåòñòâóåò 2,5 òå. Çàðÿä íåéòðîíà ðàâåí íóëþ, à ñïèí s= (1/2), íåéòðîí îáëàäàåò è ñîáñòâåííûì ìàãíèòíûì ìîìåíòîì Çäåñü çíàê «-» îçíà÷àåò, ÷òî íàïðàâëåíèÿ ñîáñòâåííîãî ìàãíèòíîãî è ìåõàíè÷åñêîãî ìîìåíòîâ ó íåéòðîíà ïðîòèâîïîëîæíû.  ñâîáîäíîì ñîñòîÿíèè íåéòðîí îêàçàëñÿ íåñòàáèëüíûì — îí ñàìîïðîèçâîëüíî ðàñïàäàåòñÿ (ñ ïåðèîäîì ïîëóðàñïàäà 12 ìèí), ïðåâðàùàÿñü â ïðîòîí è ýëåêòðîí, èñïóñêàÿ åùå îäíó ÷àñòèöó — àíòèíåéòðèíî: Ìàññà íåéòðèíî ÷ðåçâû÷àéíî ìàëà, îíà ìíîãî ìåíüøå äàæå ìàññû ýëåêòðîíà. Ìàññà íåéòðîíà ïðåâûøàåò ìàññó ïðîòîíà íà 2,5 òå, ïîýòîìó ìîæíî ñêàçàòü, èñõîäÿ èç çàêîíà ñîõðàíåíèÿ ìàññû ïðè ýòîì ïðåâðàùåíèè íåéòðîíà, ÷òî îíà áîëüøå, ÷òî ìàññà ïðîòîíà, ýëåêòðîíà è íåéòðèíî íà 1,5 ìàññ ýëåêòðîíà, èëè íà 0,77 ÌýÂ. Ýòà ýíåðãèÿ è âûäåëÿåòñÿ ïðè ðàñïàäå íåéòðîíà â âèäå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè îáðàçóþùèõñÿ ÷àñòèö.
234
Òàêèì îáðàçîì, â ïðîòîííî-íåéòðîííîé ìîäåëè ÿäðà îíî õàðàêòåðèçóåòñÿ ñâîèì çàðÿäîâûì ÷èñëîì Z, ðàâíûì ÷èñëó ïðîòîíîâ â ÿäðå, ïðè ýòîì ÷èñëî íåéòðîíîâ N = À - Z. Ïîýòîìó ÿäðà (ýëåìåíòà X) è îáîçíà÷àþò ñèìâîëîì âèäà ßäðà ñ îäèíàêî-
âûì çàðÿäîâûì ÷èñëîì (èëè ïîðÿäêîâûì íîìåðîì â Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìå) è ðàçíûìè À íàçûâàþò èçîòîïàìè. Íàïðèìåð, ó êèñëîðîäà åñòü òðè ñòàáèëüíûõ èçîòîïà: À = 16, 17, 18; ó âîäîðîäà òîæå òðè: À - 1, 2, 3. Âñå èçîòîïû âîäîðîäà èìåþò îäèíàêîâûå ñâîéñòâà, îòëè÷àÿñü òîëüêî ìàññàìè. Ó áîëåå òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ, íàïðèìåð óðàíà-235, â ÿäðå 92 ïðîòîíà è 143 íåéòðîíà.  ïðèðîäíîé ñìåñè íà äîëþ óðàíà-235 ïðèõîäèòñÿ âñåãî 1/144 îò óðàíà-238. Áåçóñëîâíî, îòíîñèòåëüíàÿ ðàçíèöà â ìàññå íåâåëèêà, è ïðîáëåìà îòäåëåíèÿ îäíîãî èçîòîïà îò äðóãîãî óñëîæíÿåòñÿ. Íî áîëüøèíñòâî ýëåìåíòîâ â ïðèðîäå âñòðå÷àåòñÿ èìåííî â ñìåñè èçîòîïîâ.
Ðàçìåðû ÿäåð Ô, ãäå Ô (ôåðìè) —
åäèíèöà äëèíû, èñïîëüçóåìàÿ â ÿäåðíîé ôèçèêå, ðàâíàÿ 10-15 ì. Ñïèí ÿäðà îïðåäåëÿåòñÿ ñëîæåíèåì èç ñïèíîâ íóêëîíîâ, êàæäûé èç êîòîðûõ ðàâåí (1/2), ïîýòîìó îí çàâèñèò îò ÷èñëà íóêëîíîâ â ÿäðå. Êîãäà â 1932 ã. âûÿñíèëîñü, ÷òî ÿäðî ôàêòè÷åñêè ñîñòîèò èç ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ, âîïðîñ î ïðèðîäå ÿäåðíûõ ñèë ïðèîáðåë âàæíîå çíà÷åíèå. Äåéñòâèå ÿäåðíûõ ñèë íå íàáëþäàåòñÿ â ìàêðîñêîïè÷åñêèõ ìàñøòàáàõ, ïðèõîäèòñÿ ïðåäïîëàãàòü ñóùåñòâîâàíèå ñèë, â ñîòíè ðàç ïðåâûøàþùèõ äåéñòâèå ýëåêòðè÷åñêèõ ñèë è âûçûâàþùèõ ïðèòÿæåíèå íóêëîíîâ äðóã ê äðóãó. Ýòè ìîùíûå ñèëû äåéñòâóþò íà î÷åíü êîðîòêèõ ðàññòîÿíèÿõ, òàê ÷òî äàëåå 10-14 ì èõ äåéñòâèå íå îùóùàåòñÿ. Íî ÿäðà ïðî÷íû è ñòàáèëüíû, è ñóùåñòâóþò îïûòû ïî ðàññåÿíèþ íóêëîíîâ. Íåóñòîé÷èâû òîëüêî ÿäðà ýëåìåíòîâ, ðàñïîëîæåííûõ â êîíöå Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû ýëåìåíòîâ. Òåîðèÿ ÿäåðíûõ ñèë äîëæíà äàòü îáúÿñíåíèÿ ýòîìó. Íî êîãäà ñòàëî èçâåñòíî, ÷òî ÿäðà ìîãóò äåëèòüñÿ è ïðåâðàùàòüñÿ â äðóãèå ÿäðà, åùå îñòðåå âñòàë âîïðîñ î òîì, ÷òî æå óäåðæèâàåò èõ âìåñòå.
Ìàññà ÿäðà îêàçàëàñü ìåíüøå ñóììû ìàññ âõîäÿùèõ â íåãî ÷àñòèö. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî ïðè îáúåäèíåíèè íóêëîíîâ â ÿäðî âûäåëÿåòñÿ ýíåðãèÿ èõ ñâÿçè äðóã ñ äðóãîì. Êàê èçâåñòíî èç ÑÒÎ, ýíåðãèÿ ïîêîÿ ÷àñòèöû ñâÿçàíà ñ åå ìàññîé ñîîòíîøåíèåì: Å = òñ2. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ýíåðãèÿ ïîêîÿùåãîñÿ ÿäðà ìåíüøå ñóììàðíîé ýíåðãèè íåâçàèìîäåéñòâóþùèõ íóêëîíîâ. Ýòà ðàçíèöà ñîñòàâëÿåò âåëè÷èíó: Îíà íàçûâàåòñÿ ýíåðãè-
åé ñâÿçè â ÿäðå è ðàâíà ðàáîòå, êîòîðóþ íóæíî ñîâåðøèòü äëÿ òîãî, ÷òîáû ðàçäåëèòü íóêëîíû â ÿäðå è ðàçíåñòè èõ íà ðàññòîÿíèÿ, ãäå îíè áû íå âçàèìîäåéñòâîâàëè. Ýíåðãèÿ ñâÿçè, ïðèõîäÿùàÿñÿ íà îäèí íóêëîí, íàçûâàåòñÿ óäåëüíîé ýíåðãèåé ñâÿçè â ÿäðå, âåëè÷èíà — äåôåêòîì ìàññû ÿäðà. Äåôåêò ìàññû ñâÿçàí ñ ýíåðãèåé ñîîòíîøåíèåì À = Åñâ/ñ2. Ïðèâåäåì îöåíêè àòîìà ãåëèÿ.  ñîñòàâ ÿäðà âõîäÿò 2 ïðîòîíà è 2 íåéò-
235
ðîíà, ìàññà àòîìà ðàâíà 3728,0 ÌýÂ; ìàññà àòîìà âîäîðîäà — 938,7 ÌýÂ, à íåéòðîíà — 939,57 ÌýÂ. Ïîäñòàâèâ ýòè çíà÷åíèÿ â ôîðìóëó äëÿ ýíåðãèè ñâÿçè, ïîëó÷èì: Åñâ = (2 • 938,7 + + 2 • 939,5) - 3728,0 = 28,4 ÌýÂ. Åñëè ýòî çíà÷åíèå ðàçäåëèòü íà ÷èñëî íóêëîíîâ, ïîëó÷èì 7,1 ÌýÂ, òîãäà êàê ýíåðãèÿ ñâÿçè âàëåíòíûõ ýëåêòðîíîâ ïîðÿäêà 10 ýÂ, ò.å. â ìèëëèîí ðàç ìåíüøå. Åñëè íàéòè çíà÷åíèÿ óäåëüíîé ýíåðãèè ñâÿçè äëÿ äðóãèõ ýëåìåíòîâ, òî îíà â çàâèñèìîñòè îò ìàññîâîãî ÷èñëà áóäåò èìåòü âèä, èçîáðàæåííûé íà ðèñ. 6.4. Ãðàôèê èìååò îòäåëüíûå ïèêè è ïðîâàëû äëÿ îïðåäåëåííûõ èçîòîïîâ. Ýíåðãèÿ ñâÿçè íà îäèí íóêëîí â îáùåì ðàñòåò ñ óâåëè÷åíèåì àòîìíîãî íîìåðà, íî äëÿ îïðåäåëåííûõ êîìáèíàöèé ïîëó÷àþòñÿ èñêëþ÷åíèÿ, êîòîðûå ìîæíî êàê-òî îáúÿñíèòü, ñ÷èòàÿ, ÷òî ïðè êîíòàêòíîì âçàèìîäåéñòâèè äîñòèãàåòñÿ áîëüøàÿ ñâÿçü ìåæäó íóêëîíàìè, ò.å. íóêëîíû íà ïîâåðõíîñòè ÿäðà ìåíüøå ñâÿçàíû, ÷åì âíóòðè íåãî. Ïðè ÷èñëå íóêëîíîâ áîëåå ïÿòèäåñÿòè, ïî-âèäèìîìó, íà÷èíàåò ïðîÿâëÿòüñÿ è êóëîíîâñêîå îòòàëêèâàíèå, òàê ÷òî ïîëíàÿ ýíåðãèÿ ñâÿçè íà íóêëîí óìåíüøàåòñÿ.
Ïðè ðàñùåïëåíèè ÿäåð ñ áîëüøèìè íîìåðàìè ìîæíî ïîëó÷èòü ÿäðà ñ ìåíüøèìè íîìåðàìè è âûäåëèòü ïðè ýòîì ýíåðãèþ. Íàïðèìåð, ðàçäåëÿÿ ÿäðî 235U íà äâà ìåíüøèõ, íà ÷òî òîæå íóæíà ýíåðãèÿ (ýíåðãèÿ ñâÿçè íà íóêëîí ïðèìåðíî ðàâíà 7,6 Ìý ó 235U, a ó ÿäåð ñðåäíèõ ðàçìåðîâ — 8,6 ÌýÂ, ò.å. ðàçíèöà íà îäèí íóêëîí ñîñòàâëÿåò 1 ÌýÂ), íà êàæäîå ÿäðî óðàíà ïîëó÷èì 200 Ìý ïðè ðàñùåïëåíèè åãî íà äâà ìåíüøèõ, íàïðèìåð áàðèé è êðèïòîí. Íî ñàìîïðîèçâîëüíî ýòîò ïðîöåññ íå íà÷èíàåòñÿ, îí äîëæåí áûòü çàïóùåí.  ñëó÷àå ñ 235U òàêèì ñïóñêîâûì êðþ÷êîì ñëóæèò çàõâàò ÿäðîì íåéòðîíà, à äàëåå ðåàêöèÿ èäåò ñàìà ïî òèïó öåïíîé ðåàêöèè äåëåíèÿ. ßäðà ñ íåñáàëàíñèðîâàííûì ÷èñëîì ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ ìîãóò (ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ) ïðåâðàùàòüñÿ â äðóãèå ÿäðà, èñïóñêàÿ ÿäðî àòîìà ãåëèÿ (à-÷àñòèöó) èëè ýëåêòðîí (+ èëè -, òàê íàçûâàåìûé ïðîöåññ ðàñïàäà), èëè îñòàòüñÿ ïîñëå èñïóñêàíèÿ ÷àñòèöû â âîçáóæäåííîì ñîñòîÿíèè, à ïîòîì èñïóñòèòü ó-êâàíò. Òÿæåëûå ðàäèîàêòèâíûå ýëåìåíòû ðàñïàäàþòñÿ ïîî÷åðåäíî ýòèìè ñïîñîáàìè, îáðàçóÿ âåòâè èëè ðàäèîàêòèâíûå ñåìåéñòâà. Ñïàäåíèå êðèâîé äëÿ òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ ñâÿçàíî ñ ðîñòîì êóëî-íîâñêîãî îòòàëêèâàíèÿ ìåæäó ïðîòîíàìè. Íàëè÷èå ñèñòåìàòè÷åñêîãî õîäà êðèâîé ñ ìàêñèìóìîì ïðè À ïîðÿäêà 50—60 (â ñåðåäè-
236 íå Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû ýëåìåíòîâ Ä. È. Ìåíäåëååâà: îò êðèïòîíà äî öèíêà) ïîêàçûâàåò, ÷òî ýòè ýëåìåíòû îáëàäàþò íàèáîëüøåé ñâÿçüþ è íàèáîëåå óñòîé÷èâû. Èõ ýíåðãèÿ ñâÿçè äîñòèãàåò 8,6 ÌýÂ/íóêëîí, òîãäà êàê ó óðàíà — 7,5 ÌýÂ/íóêëîí. Òàêàÿ çàâèñèìîñòü äåëàåò âîçìîæíûìè äâà ïðîöåññà: äåëåíèå òÿæåëûõ ÿäåð íà íåñêîëüêî ëåãêèõ è ñèíòåç ëåãêèõ ÿäåð â îäíî ÿäðî. Îáà ýòè ïðîöåññà äîëæíû ñîïðîâîæäàòüñÿ âûäåëåíèåì áîëüøîãî êîëè÷åñòâà ýíåðãèè. Òàê, äåëåíèå ÿäðà ñ ìàññîâûì ÷èñëîì À - 240 (ñ óäåëüíîé ýíåðãèåé ñâÿçè 7,5 ÌýÂ) íà äâà ïîïîëàì ñ À = 120 (óäåëüíàÿ ýíåðãèÿ ñâÿçè ðàâíà 8,5 ÌýÂ) ïðèâåëî áû ê âûñâîáîæäåíèþ ýíåðãèè â 240 ÌýÂ. Ðåàêöèÿ ñèíòåçà äâóõ ÿäåð òÿæåëîãî âîäîðîäà ñ À = 2 â ÿäðî ãåëèÿ ïðèâåëà áû ê âûäåëåíèþ ýíåðãèè â 24 ÌýÂ. Äëÿ ñðàâíåíèÿ, ñãîðàíèå óãëÿ äî ÑÎ2 (ñîåäèíåíèå óãëåðîäà ñ äâóìÿ àòîìàìè êèñëîðîäà) äàåò âñåãî 5 ýÂ.
Îñîáàÿ óñòîé÷èâîñòü ÿäåð â ñåðåäèíå Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ îáúÿñíèìà. Äëÿ ðàñùåïëåíèÿ òÿæåëîãî ÿäðà àòîìà íà ÷àñòè íåîáõîäèìî ïðîéòè ðÿä ïðîìåæóòî÷íûõ ñòàäèé, äëÿ ÷åãî òðåáóåòñÿ äîïîëíèòåëüíàÿ ýíåðãèÿ — ýíåðãèÿ àêòèâàöèè. Îíà ìîæåò áûòü ñîîáùåíà òÿæåëîìó ÿäðó çàõâà÷åííûì èì äîïîëíèòåëüíûì íåéòðîíîì. Òàêîé ïðîöåññ ïðè çàõâàòå íåéòðîíà ÿäðîì óðàíà èëè ïëóòîíèÿ ëåæèò â îñíîâå ðåàêöèè äåëåíèÿ â ÿäåðíûõ ðåàêòîðàõ èëè àòîìíîé áîìáû.  îáû÷íûõ óñëîâèÿõ àòîìû íå ðàñïàäàþòñÿ, èì íåîòêóäà ïîëó÷èòü äîïîëíèòåëüíóþ ýíåðãèþ. Äëÿ òîãî ÷òîáû ïðîèçîøëî ñëèÿíèå ëåãêèõ ÿäåð, îíè äîëæíû ïîäîéòè íà ðàññòîÿíèå ïîðÿäêà 10-15 ì, íî òàêîìó ñáëèæåíèþ ïðåïÿòñòâóåò êóëîíîâñêîå îòòàëêèâàíèå ìåæäó íèìè. ×òîáû ïðåîäîëåòü åãî, ÿäðà äîëæíû äâèãàòüñÿ ñ îãðîìíûìè ñêîðîñòÿìè, ñîîòâåòñòâóþùèìè òåìïåðàòóðàì â ñîòíè ìèëëèîíîâ êåëüâèí. Ïîýòîìó ðåàêöèè ñèíòåçà è íàçûâàþò òåðìîÿäåðíûìè, òàêèå ðåàêöèè ïðîèñõîäÿò â íåäðàõ Ñîëíöà è çâåçä, â âîäîðîäíûõ áîìáàõ.
Ñîãëàñíî êàïåëüíîé ìîäåëè ÿäðà, ìàëûé ðàäèóñ äåéñòâèÿ ÿäåðíûõ ñèë (êàê ó ìåæìîëåêóëÿðíûõ ñèë æèäêîñòè) è ïðèìåðíîå ïîñòîÿíñòâî ñðåäíåé ýíåðãèè ñâÿçè íà íóêëîí áûëè èñïîëüçîâàíû ß.È.Ôðåíêåëåì â ìîäåëè ÿäåð ñ áîëüøèì ÷èñëîì íóêëîíîâ. Èç-çà çàðÿäà ïðîòîíîâ «êàïëÿ» ñòàëà íàýëåêòðèçîâàííîé. Òàê êàê ýíåðãèÿ ñâÿçè óìåíüøàåòñÿ ñ óâåëè÷åíèåì íîìåðà ýëåìåíòà, à íà÷èíàÿ ñî çíà÷åíèÿ z= 83 ÿäðà âîîáùå òåðÿþò óñòîé÷èâîñòü, ÿäåðíûå ñèëû äîëæíû áûòü î÷åíü áëèçêîäåéñòâóþùèìè è ïîä÷èíÿòüñÿ ïðèíöèïó Ïàóëè (åñëè ïàðà ïðîòîíîâ ñ ïðîòèâîïîëîæíî íàïðàâëåííûìè ñïèíàìè íàõîäèòñÿ â êàêîì-òî îïðåäåëåííîì ñîñòîÿíèè, òî ñëåäóþùèé ïðîòîí äîëæåí çàíÿòü ìåñòî ñ áîëüøåé ýíåðãèåé), è ðîñò ÿäðà îãðàíè÷èâàåòñÿ. Êàê òîëüêî ýíåðãèÿ âîçðàñòàåò, óñòîé÷èâîñòü ÿäðà óìåíüøàåòñÿ. Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ ñòðîãî îãðàíè÷èâàåò ýíåðãåòè÷åñêèå ïðîöåññû â ÿäðàõ.
Ïîñêîëüêó âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó çàðÿæåííûìè ÷àñòèöàìè ïåðåíîñèòñÿ ÷åðåç ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå, êîòîðîå ìîæíî ïðåäñòà-
237 âèòü è ñîâîêóïíîñòüþ ôîòîíîâ, òî ãîâîðÿò, ÷òî ýòî âçàèìîäåéñòâèå îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷åðåç îáìåí ôîòîíàìè. Êàæäàÿ ÷àñòèöà ñîçäàåò âîêðóã ñåáÿ ïîëå, íåïðåðûâíî èñïóñêàÿ è ïîãëîùàÿ ôîòîíû. Íî ýòî ìîäåëüíîå îïèñàíèå íå ñëåäóåò ïîíèìàòü áóêâàëüíî, ïðîèñõîäèò îáìåí íå ðåàëüíûìè ôîòîíàìè, à âîîáðàæàåìûìè, âèðòóàëüíûìè.  ñèëó ïðèíöèïà íåîïðåäåëåííîñòè ýòîò èñïóùåííûé ôîòîí áóäåò âñêîðå ïîãëîùåí, èíà÷å íàðóøèòñÿ çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè.  ñàìîì äåëå, ýíåðãèÿ ýëåêòðîíà è èñïóùåííîãî âèðòóàëüíîãî ôîòîíà áîëüøå ýíåðãèè ïîêîÿùåãîñÿ ýëåêòðîíà, íî ýòî íàðóøåíèå êàæóùååñÿ — äëèòåëüíîñòü òàêîãî íàðóøåíèÿ íå äîëæíà ïðåâûøàòü âåëè÷èíó Òîãäà ýòî íàðóøåíèå íå áóäåò îáíàðóæåíî, ò. å. îíî âèðòóàëüíî. Ðåàëüíûé ôîòîí ìîæåò áûòü èñïóùåí ëèøü ïðè ïîñòóïëåíèè äîïîëíèòåëüíîé ýíåðãèè. Ìîæíî îöåíèòü ðàññòîÿíèå, íà êîòîðîå ýòîò âèðòóàëüíûé ôîòîí óñïååò ïåðåäàòü âçàèìîäåéñòâèå çà ýòî âðåìÿ: Ïîñêîëüêó ýíåðãèÿ ôîòîíà ìîæåò áûòü ñêîëü óãîäíî ìàëà (çàâèñèò îò ÷àñòîòû), ðàäèóñ äåéñòâèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ñèë íåîãðàíè÷åííûé. Åñëè áû ÷àñòèöû, îñóùåñòâëÿþùèå îáìåí (âçàèìîäåéñòâèå), èìåëè ìàññó ïîêîÿ, òî ðàäèóñ äåéñòâèÿ èõ áûë áû îãðàíè÷åí:
Ýòî — òàê íàçûâàåìàÿ êîìïòîíîâñêàÿ äëèíà âîëíû. Äëÿ ýëåêòðîíà îíà ñîñòàâëÿåò 3,86 10-13 ì, ÷òî â 100 ðàç ïðåâûøàåò ðàäèóñ äåéñòâèÿ ÿäåðíûõ ñèë.
Ñíà÷àëà (1934) â êà÷åñòâå âèðòóàëüíûõ ÷àñòèö, ïåðåíîñÿùèõ âçàèìîäåéñòâèÿ â ÿäðå, È.Å.Òàìì ïðåäëîæèë ýëåêòðîí. Íî âåëè÷èíà èõ îêàçàëàñü íåäîñòàòî÷íà äëÿ ñîõðàíåíèÿ ÿäåð.  êà÷åñòâå ÿäåðíîãî êëåÿ ÿïîíñêèé ôèçèê Õèäýêè Þêàâà ïðåäëîæèë â 1935 ã. ãèïîòåòè÷åñêóþ ÷àñòè÷êó ìåçîí, ìàññó êîòîðîé îí îöåíèë (200... 300)òå. ×åðåç äâà ãîäà àìåðèêàíñêèå ôèçèêè Àíäåðñîí è Íåääåðìåéåð îáíàðóæèëè â êîñìè÷åñêèõ ëó÷àõ ðåàëüíûå ÷àñòèöû ñ ìàññîé 207 òå, ïðîìåæóòî÷íîé ìåæäó ìàññàìè ïðîòîíà è ýëåêòðîíà. Íî îêàçàëîñü, ÷òî ýòî íå òå ÷àñòèöû, êîòîðûå ïðåäëîæèë Þêàâà (åìó òðåáîâàëèñü äðóãèå ñâîéñòâà), è òàêèå ÷àñòèöû (èõ íàçûâàþò -ìåçîíàìè, èëè ïèîíàìè) áûëè îáíàðóæåíû òîëüêî â 1947 ã. Îíè èìåþò ìàññó 273 òå. Èìåííî íà ýòè ÷àñòèöû — ïèîíû, ïðåäñêàçàííûå ãåíèàëüíîé èíòóèöèåé, ïàäàåò ôóíêöèÿ ïîääåðæèâàíèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ â ÿäðå. Ïðîòîí ïðåâðàùàåòñÿ â íåéòðîí, ïåðèîäè÷åñêè èñïóñêàÿ ïèîí, ïîýòîìó åãî ìîæíî ïðåäñòàâèòü íàãëÿäíî èìåþùèì íåéòðîííîå ÿäðî è ìåçîííóþ îáîëî÷êó.
Òåîðèÿ ïðèøëà â ñîãëàñèå ñ äàííûìè íàáëþäåíèé. Îíà ïîëó÷èëà íàçâàíèå òåîðèè Òàììà—Þêàâû. Èññëåäîâàíèÿ ïðèðîäû ÿäåðíûõ âçàèìîäåéñòâèé ïðîäîëæàþòñÿ áîëåå ïîëóâåêà. Ìíîãèå èõ ñâîéñòâà ìîæíî îïèñàòü ñ ïîìîùüþ ìîäåëåé, èñïîëüçóþùèõ ðàçíîãî âèäà ïîòåíöèàëüíûå ÿìû, ïðè ýòîì íåïðåðûâíî âíîñÿòñÿ óòî÷íåíèÿ â ñâÿçè ñ ïîÿâëåíèåì íîâûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ. Âî ìíîãèõ àòîìíûõ ÿâëåíèÿõ ÿäðî ìîæíî ïðåäñòàâèòü ìàññèâíîé çàðÿæåííîé ÷àñòèöåé, íå èìåþùåé âíóòðåííåãî ñòðîåíèÿ.
238 Ñôåðè÷åñêóþ îáîëî÷å÷íóþ ì î ä å ë ü àòîìíîãî ÿäðà ïðåäëîæèëè â 1949 ã. Ìàðèÿ Ãåïïåðò-Ìàéåð è Éîõàííåñ Éåíñåí. Èõ èäåÿ ñîñòîÿëà â òîì, ÷òîáû ïðèìåíèòü äëÿ àíàëèçà äâèæåíèÿ íóêëîíîâ â ÿäðå òå æå ïðèíöèïû êâàíòîâîé ìåõàíèêè, ÷òî è ê âðàùàþùèìñÿ ýëåêòðîíàì â àòîìå. Òàê êàê ñóùåñòâóåò ïðèíöèï Ïàóëè, ÿäðî ñòðîèòñÿ ïóòåì ïîñëåäîâàòåëüíîãî çàïîëíåíèÿ îáîëî÷åê íåéòðîíàìè è ïðîòîíàìè, ïðè÷åì çàïîëíåíèå íà÷èíàåòñÿ ñ ñîñòîÿíèé ñ íàèìåíüøåé ýíåðãèåé.  àòîìàõ çàïîëíåíèå ýëåêòðîííûõ îáîëî÷åê ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ èíåðòíûõ ãàçîâ. Ïîõîæàÿ ñèòóàöèÿ è â ÿäðàõ — ïðè îïðåäåëåííûõ ÷èñëàõ ïðîòîíîâ èëè íåéòðîíîâ âîçíèêàåò ÿäðî ñ «æåñòêîé» ñôåðè÷åñêîé ôîðìîé. Ýòè ÷èñëà — 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126, 184 — íàçâàëè ìàãè÷åñêèìè. ßäðà, èìåþùèå äâà ìàãè÷åñêèõ ÷èñëà, îñîáåííî óñòîé÷èâû, ïðèìåð òîìó êèñëîðîä-16: 8 ïðîòîíîâ è 8 íåéòðîíîâ.
Êîëëåêòèâíàÿ ìîäåëü ÿäåðíîé äåôîðìàöèè, â êîòîðîé ðàññìàòðèâàþòñÿ ôîðìà è ñòðóêòóðà àòîìíîãî ÿäðà, áûëà ïðåäëîæåíà â 1952 ã. Î. Áîðîì è Á. Ìàòòåëüñîíîì. Îíà ñõîäíà ñ ìîäåëüþ æèäêîé êàïëè. Êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêèå ðàñ÷åòû îïðåäåëÿþò ôîðìó êàïëè è îáëàñòè ìèíèìóìîâ ýíåðãèè, ÷òî ñâÿçûâàåòñÿ ñ óñòîé÷èâîñòüþ è íåóñòîé÷èâîñòüþ ÿäåð. Èçó÷åíèå òàêèõ êîëëåêòèâíûõ äâèæåíèé â ÿäðàõ ïðèâåëî ê ãèïîòåçå î ñóùåñòâîâàíèè âíóòðè ÿäåð íåêèõ êëàñòåðîâ, èç êîòîðûõ âûëåò êàêèõ-ëèáî ÷àñòèö âåðîÿòåí.
Èòàê, ÷åòûðå ñèëû â ïðèðîäå îòâåòñòâåííû çà âñå èçâåñòíûå âçàèìîäåéñòâèÿ ÷àñòèö. Ïåðå÷èñëåííûå òèïû âçàèìîäåéñòâèé èìåþò, âèäèìî, ðàçíóþ ïðèðîäó. Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè íåÿñíî, èñ÷åðïûâàþòñÿ ëè èìè âñå âçàèìîäåéñòâèÿ â ïðèðîäå. Ñàìûì ñèëüíûì ÿâëÿåòñÿ êîðîòêîäåéñòâóþùåå âçàèìîäåéñòâèå, ýëåêòðîìàãíèòíîå ñëàáåå åãî íà äâà ïîðÿäêà, ñëàáîå — íà 14 ïîðÿäêîâ, à ãðàâèòàöèîííîå — ñàìîå ñëàáîå, îíî ìåíüøå ñèëüíîãî íà 39 ïîðÿäêîâ.  ñîîòâåòñòâèè ñ âåëè÷èíîé ñèëû âçàèìîäåéñòâèÿ îíè ïðîèñõîäÿò çà ðàçíîå âðåìÿ. Ñèëüíûå ÿäåðíûå âçàèìîäåéñòâèÿ ïðîèñõîäÿò ïðè ñòîëêíîâåíèè ÷àñòèö ñ îêîëîñâåòîâûìè ñêîðîñòÿìè, è âðåìÿ ðåàêöèé, îïðåäåëÿåìîå äåëåíèåì ðàäèóñà äåéñòâèÿ ñèë íà ñêîðîñòü ñâåòà, äàåò âåëè÷èíó ïîðÿäêà 10-23 ñ. Ïðè ñëàáîì âçàèìîäåéñòâèè ïðîöåññû ïðîèñõîäÿò ìåäëåííåé — çà 10-9 ñ. Õàðàêòåðíîå âðåìÿ äëÿ ãðàâèòàöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ — ïîðÿäêà 1016 ñ, èëè 300 ìëí ëåò.
6.6. Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû è ïðîáëåìà ïîèñêà «ïåðâè÷íûõ îáúåêòîâ»
Ýëåìåíòàðíûìè íàçûâàþò ÷àñòèöû, âõîäÿùèå â ñîñòàâ ïðåæäå «íåäåëèìîãî» àòîìà. Ïåðâûìè áûëè îáíàðóæåíû ýëåêòðîí, ïðîòîí, íåéòðîí è ôîòîí — êâàíò ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ. Èç ïåð-
239
âûõ òðåõ ñòðîèëè âåùåñòâî, à ôîòîí îñóùåñòâëÿë âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó íèìè. Ñ÷èòàëè, ÷òî îíè íè íà ÷òî äàëåå íå ìîãóò áûòü ðàçëîæåíû è ïîòîìó ÿâëÿþòñÿ «ïåðâè÷íûìè êèðïè÷èêàìè» ìèðîçäàíèÿ. Ïîòîì îêàçàëîñü, ÷òî ýòè ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû èìåþò âíóòðåííþþ ñòðóêòóðó è ìîãóò äðóã â äðóãà ïðåâðàùàòüñÿ. Ïîñëå âòîðîé ìèðîâîé âîéíû áëàãîäàðÿ ìîùíîé òåõíèêå áûëî îòêðûòî åùå ìíîãî ÷àñòèö, ïðåòåíäóþùèõ íà «ýëåìåíòàðíîñòü». Ó êàæäîé ÷àñòèöû, êðîìå ôîòîíà, îêàçàëàñü åùå è àíòè÷àñòèöà. Ñåé÷àñ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö óæå áîëåå òðåõñîò. Ê íèì îòíîñÿò è òå ÷àñòèöû, êîòîðûå ïîëó÷àþò íà ìîùíûõ öèêëîòðîíàõ, ñèíõðîòðîíàõ è äðóãèõ óñêîðèòåëÿõ. Åñòü ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû, âîçíèêàþùèå ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç àòìîñôåðó êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé, îíè ñóùåñòâóþò íåñêîëüêî ìèëëèîííûõ äîëåé ñåêóíäû, ïîòîì ðàñïàäàþòñÿ, âèäîèçìåíÿþòñÿ, ïðåâðàùàÿñü â äðóãèå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû, èëè èñïóñêàþò ýíåðãèþ â ôîðìå èçëó÷åíèÿ.
Ñîâðåìåííàÿ íàóêà âûÿâèëà åäèíñòâî íà ñàìîì ãëóáîêîì óðîâíå: íàáëþäàåìîå âåùåñòâî ñîñòîèò èç ôîòîíîâ, ëåïòîíîâ (ýëåêòðîíû, ìþîíû, íåéòðèíî) è êâàðêîâ. Ïîìèìî ïåðåíîñèìûõ ôîòîíàìè ýëåêòðîìàãíèòíûõ âçàèìîäåéñòâèé ñóùåñòâóþò ñèëüíûå ÿäåðíûå âçàèìîäåéñòâèÿ, ñâÿçûâàþùèå êâàðêè â áàðèîíû (ïðîòîíû, íåéòðîíû è ïð.) è ìåçîíû. Ñëàáûå ÿäåðíûå âçàèìîäåéñòâèÿ îòâåòñòâåííû çà ðàñïàä íåéòðîíîâ, íàïðèìåð. Âñå îíè îïèñûâàþòñÿ åäèíîé íåëèíåéíîé òåîðèåé, îáîáùàþùåé óðàâíåíèÿ Ìàêñâåëëà. Òàêîå îáîáùåíèå áûëî ñäåëàíî â 1954 ã. ×.ßíãîì è Ð. Ìèëëñîì, è äðóãèå îáîáùåíèÿ íàçûâàþòñÿ òàêæå òåîðèåé ßíãà — Ìèëëñà. Ðàíåå ïîäîáíûå òåîðèè âûäâèãàëè Ã. Ìè è Ì. Áîðí, À. Ýéíøòåéí è ß. È.Ôðåíêåëü. Õîòÿ ïðîáëåìà ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ñâÿçàíà ñ ñàìèìè îñíîâàìè íàóêè, èõ èçó÷åíèå âåäåòñÿ â íåêîòîðîì îòðûâå îò äðóãèõ îáëàñòåé ôèçèêè.
Îñíîâíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ÿâëÿþòñÿ ìàññà, ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä, ñïèí, ñðåäíåå âðåìÿ æèçíè, ìàãíèòíûé ìîìåíò, ïðîñòðàíñòâåííàÿ ÷åòíîñòü, áàðèîííûé çàðÿä è êâàíòîâûå ÷èñëà.
Ìàññà ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö — ýòî ìàññà ïîêîÿ, ïîñêîëüêó îíà íå çàâèñèò îò ñîñòîÿíèÿ äâèæåíèÿ. Åå îïðåäåëÿþò ïî îòíîøåíèþ ê ìàññå ïîêîÿ ýëåêòðîíà må, ñàìîé ìàëåíüêîé èç ìàññ ïîêîÿ. Íåéòðîí è ïðîòîí òÿæåëåå ýëåêòðîíà ïî÷òè â 2000 ðàç. Íî åñòü è î÷åíü òÿæåëûå ÷àñòèöû, íàïðèìåð Z-÷àñòèöû, ïîëó÷àåìûå íà óñêîðèòåëÿõ, ñ ìàññîé ïîêîÿ 2 000 000 òå. Ôîòîíû âîîáùå íå èìåþò ìàññû ïîêîÿ. Ïî ìàññå ÷àñòèöû äåëÿò íà ëåïòîíû (ýëåêòðîí è íåéòðèíî); ìåçîíû (ñ ìàññîé îò 1 äî 1000 òå); áàðèîíû (ñ ìàññîé áîëåå 1000 òå).  ñîñòàâ áàðèîíîâ âõîäÿò ïðîòîíû, íåéòðîíû, ãèïåðîíû è äð.
Ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä ìåíÿåòñÿ îò íóëÿ äî «+» èëè «-». Êàæäîé ÷àñòèöå, êðîìå ôîòîíà, íåéòðèíî è äâóõ ìåçîíîâ, ñîîòâåòñòâóåò ÷àñòèöà ñ ïðîòèâîïîëîæíûì çàðÿäîì, èëè àíòè÷àñòèöà.  1963 ã.
240 áûëà âûñêàçàíà ãèïîòåçà î ñóùåñòâîâàíèè ÷àñòèö ñ äðîáíûì çàðÿäîì — êâàðêîâ.
Ñïèí — îäíà èç âàæíåéøèõ õàðàêòåðèñòèê ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Îíà îïðåäåëÿåòñÿ ñîáñòâåííûì ìîìåíòîì èìïóëüñà ÷àñòèöû. Ñïèí ôîòîíà ðàâåí 1; ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ÷àñòèöà ïðèìåò òîò æå âèä ïîñëå ïîëíîãî îáîðîòà íà 360°. ×àñòèöà ñî ñïèíîì — 1/2 ïðèìåò ïðåæíèé âèä ïðè îáîðîòå, â 2 ðàçà áîëüøåì, ò. å. â 720°. Ñïèí ïðîòîíà, íåéòðîíà è ýëåêòðîíà — 1/2. Ñóùåñòâóþò ÷àñòèöû ñî ñïèíîì 3/2, 5/2 è ò.ä. ×àñòèöà ñî ñïèíîì, ðàâíûì íóëþ, îäèíàêîâî âûãëÿäèò ïðè ëþáîì óãëå ïîâîðîòà.  çàâèñèìîñòè îò çíà÷åíèÿ ñïèíà âñå ÷àñòèöû äåëÿò íà äâå ãðóïïû:
ôåðìèîíû (íàçâàíèå äàíî â ÷åñòü Ýíðèêî Ôåðìè) — ñ ïîëóöåëûìè (1/2, 3/3, ...) ñïèíàìè. Ôåðìèîíû ñîñòàâëÿþò âåùåñòâî è, â ñâîþ î÷åðåäü, äåëÿòñÿ íà äâà êëàññà — ëåïòîíû (îò ãðå÷. leptos— ëåãêèé) è êâàðêè. Êâàðêè âõîäÿò â ñîñòàâ ïðîòîíîâ, íåéòðîíîâ è äðóãèõ ïîäîáíûõ èì ÷àñòèö, íàçûâàåìûõ â ñîâîêóïíîñòè àäðîíà-ìè (îò ãðå÷. adros— ñèëüíûé). Çàðÿæåííûå ëåïòîíû ìîãóò òàê æå, êàê è ýëåêòðîíû, âðàùàòüñÿ âîêðóã ÿäåð, îáðàçóÿ àòîìû. Ëåïòîíû, íå èìåþùèå çàðÿäà, ìîãóò, êàê è íåéòðèíî, ïðîõîäèòü ñêâîçü âñþ Çåìëþ, íè ñ ÷åì íå âçàèìîäåéñòâóÿ. Ó êàæäîé ÷àñòèöû åñòü è àíòè÷àñòèöà, îòëè÷àþùàÿñÿ òîëüêî çàðÿäîì;
áîçîíû (íàçâàííûå â ÷åñòü èíäèéñêîãî ó÷åíîãî Øàòüåíäðàíàòà Áîçå, îäíîãî èç ñîçäàòåëåé êâàíòîâîé ñòàòèñòèêè) — ýòî ÷àñòèöû ñ öåëûìè ñïèíàìè (0, 1, 2), áîçîíû ïåðåíîñÿò âçàèìîäåéñòâèå.
Ìåæäó ÷àñòèöàìè ñóùåñòâóþò ÷åòûðå òèïà âçàèìîäåéñòâèé, êàæäîå èç êîòîðûõ ïåðåíîñèòñÿ ñâîèì òèïîì áîçîíîâ: ôîòîí, êâàíò ñâåòà — ýëåêòðîìàãíèòíûå âçàèìîäåéñòâèÿ, ãðàâèòîí — ñèëû òÿãîòåíèÿ, äåéñòâóþùèå ìåæäó ëþáûìè òåëàìè, èìåþùèìè ìàññó. Âîñåìü ãëþîíîâ ïåðåíîñÿò ñèëüíûå ÿäåðíûå âçàèìîäåéñòâèÿ, ñâÿçûâàþùèå êâàðêè. Ïðîìåæóòî÷íûå âåêòîðíûå áîçîíû ïåðåíîñÿò ñëàáûå âçàèìîäåéñòâèÿ, îòâåòñòâåííûå çà íåêîòîðûå ðàñïàäû ÷àñòèö. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ê ýòèì ÷åòûðåì âçàèìîäåéñòâèÿì ñâîäÿòñÿ âñå ñèëû â ïðèðîäå. Îäíèì èç ñàìûõ ÿðêèõ äîñòèæåíèé íàøåãî âåêà ñòàëî äîêàçàòåëüñòâî òîãî, ÷òî ïðè î÷åíü âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ (èëè ýíåðãèÿõ) âñå ÷åòûðå âçàèìîäåéñòâèÿ ñëèâàþòñÿ â îäíî.
Ïðè ýíåðãèè 100 Ãý (109 ýÂ) îáúåäèíÿþòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíîå è ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèÿ. Òàêàÿ ýíåðãèÿ ñîîòâåòñòâóåò òåìïåðàòóðå Âñåëåííîé ÷åðåç 10-10 ñ ïîñëå Áîëüøîãî Âçðûâà, è â 4 òðèëëèîíà ðàç âûøå êîìíàòíîé. Ýòî îòêðûòèå ïîçâîëèëî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ïðè ýíåðãèè ïîðÿäêà 1015 Ãý ìîæíî äîñòè÷ü îáúåäèíåíèÿ ñ íèìè ñèëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé, êàê ýòî óòâåðæäàåòñÿ â Òåîðèÿõ Âåëèêîãî Îáúåäèíåíèÿ (ÒÂÎ), à ïðè ýíåðãèè 1019 Ãý ê âçàèìîäåéñòâèÿì ÒÂÎ ïðèñîåäèíèòñÿ è ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå, «îáðàçóÿ» ÒÂÑ (Òåîðèþ Âñåãî Ñóùåãî).
Óñêîðèòåëåé, íà êîòîðûõ ìîæíî ïîëó÷èòü òàêèå ýíåðãèè è ïðîâåðèòü ýòè òåîðèè, ïîêà íåò è íå ïðåäâèäèòñÿ, ïîýòîìó îáðà-
241 ùàþòñÿ ê Âñåëåííîé, ÷òîáû íàéòè â íåé âîçìîæíûå îãðàíè÷åíèÿ äëÿ îãðîìíîãî ÷èñëà ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö.  ïîñëåäíèå òðèäöàòü ëåò ìåæäó ôèçèêîé ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö è êîñìîëîãèåé ñóùåñòâóåò òåñíàÿ ñâÿçü. Ñîâîêóïíîñòü àñòðîôèçè÷åñêèõ äàííûõ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê «ýêñïåðèìåíòàëüíûé ìàòåðèàë», íàêîïëåííûé â ðåçóëüòàòå ðàáîòû Âñåëåííîé — ãèãàíòñêîãî óñêîðèòåëÿ ÷àñòèö. Ìû ìîæåì èìåòü äåëî òîëüêî ñ êîñâåííûìè ñëåäñòâèÿìè ïðîèñõîäèâøèõ è ïðîèñõîäÿùèõ ïðîöåññîâ, ñ óñðåäíåííûì ïî âñåé Âñåëåííîé ðåçóëüòàòîì èõ âëèÿíèÿ íà ýâîëþöèþ ìàòåðèè.
Ñðåäè ëåïòîíîâ íàèáîëåå èçâåñòåí ýëåêòðîí, âåðîÿòíî, îí íå ñîñòîèò èç äðóãèõ ÷àñòèö, ò. å. ýëåìåíòàðåí. Äðóãîé ëåïòîí — íåéòðèíî. Ýòî ñàìûé ðàñïðîñòðàíåííûé ëåïòîí âî Âñåëåííîé è â òî æå âðåìÿ ñàìûé íåóëîâèìûé. Íåéòðèíî íå ó÷àñòâóåò íè â ñèëüíîì, íè â ýëåêòðîìàãíèòíîì âçàèìîäåéñòâèÿõ. Ïîñëå ïðåäñêàçàíèÿ íåéòðèíî áûëî îáíàðóæåíî òîëüêî ÷åðåç 30 ëåò íà óñêîðèòåëÿõ. Íåéòðèíî áûâàåò òðåõ âèäîâ — ýëåêòðîííîå, ìþîííîå è òàó-íåéòðèíî. Ìþîí — òîæå øèðîêî ðàñïðîñòðàíåííûé â ïðèðîäå ëåïòîí. Îí áûë îáíàðóæåí â êîñìè÷åñêèõ ëó÷àõ â 1936 ã.; ýòî íåñòàáèëüíàÿ ÷àñòèöà, à â îñòàëüíîì îí ïîõîæ íà ýëåêòðîí. Çà äâå ìèëëèîííûå äîëè ñåêóíäû îí ðàñïàäàåòñÿ íà ýëåêòðîí è äâà íåéòðèíî. Ôîíîâîå êîñìè÷åñêîå èçëó÷åíèå â áîëüøåé ÷àñòè ñîñòîèò èç ìþîíîâ.  êîíöå 70-õ ãã. áûë îáíàðóæåí òðåòèé çàðÿæåííûé ëåïòîí (êðîìå ýëåêòðîíà è ìþîíà) — òàó-ëåïòîí. Îí âåäåò ñåáÿ î÷åíü ïîõîæå íà ñâîèõ ñîáðàòüåâ, íî òÿæåëåå ýëåêòðîíà â 3500 ðàç. Ó êàæäîãî ëåïòîíà åñòü è àíòè÷àñòèöà, ò.å. âñåãî èõ 12.
Àäðîíîâ ñóùåñòâóåò î÷åíü ìíîãî, èõ ñîòíè. Ïîýòîìó ÷àñòî èõ ñ÷èòàþò íå ýëåìåíòàðíûìè ÷àñòèöàìè, à ñîñòàâëåííûìè èç äðóãèõ. Îíè áûâàþò ýëåêòðè÷åñêè çàðÿæåííûìè è íåéòðàëüíûìè. Âñå àäðîíû ó÷àñòâóþò â ñèëüíîì, ñëàáîì è ãðàâèòàöèîííîì âçàèìîäåéñòâèÿõ. Ñðåäè íèõ ñàìûå èçâåñòíûå — ïðîòîí è íåéòðîí. Îñòàëüíûå æèâóò î÷åíü ìàëî, ðàñïàäàÿñü çà 10-6 ñ çà ñ÷åò ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ èëè çà 10-23 ñ — çà ñ÷åò ñèëüíîãî. Àäðîíû ðàññîðòèðîâàëè ïî ìàññå, çàðÿäó è ñïèíó.  ýòîì ïîìîãëà ãèïîòåçà êâàðêîâ, èëè ÷àñòèö, ñîñòàâëÿþùèõ àäðîíû.
Êâàðêè ìîãóò ñîåäèíÿòüñÿ äëÿ ýòîãî òðîéêàìè, ñîñòàâëÿÿ áàðèîíû, ëèáî ïàðàìè: êâàðê—àíòèêâàðê, ñîñòàâëÿÿ ìåçîíû (ïðîìåæóòî÷íûå ÷àñòèöû). Êâàðêè èìåþò çàðÿä 1/3 èëè 2/3 çàðÿäà ýëåêòðîíà. Òîãäà â êîìáèíàöèè îíè äàäóò 0 èëè 1. Âñå êâàðêè èìåþò ñïèí, ðàâíûé 1/2, ò.å. îíè îòíîñÿòñÿ ê ôåðìèîíàì. Ñ÷èòàþò, ÷òî îíè ñöåïëÿþòñÿ ñèëüíûì âçàèìîäåéñòâèåì, íî ó÷àñòâóþò è â ñëàáîì. Îñîáåííîñòè ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ õàðàêòåðèçóþò òèïàìè («àðîìàòàìè») — «âåðõíèé», «íèæíèé», «ñòðàííûé». Íî ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå ìîæåò ïîìåíÿòü «àðîìàò» êâàðêà. Íàïðèìåð, ïðè ðàñïàäå íåéòðîíà îäèí èç «íèæíèõ» êâàðêîâ ñòàíîâèòñÿ «âåðõíèì», à èçáûòîê çàðÿäà óíîñèò ðîæäàþùèéñÿ ýëåêòðîí. Òàê ÷òî ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå íå ìîæåò ìåíÿòü «àðîìàò», à áåç èçìåíåíèÿ «àðîìàòà» êâàðêà íåâîçìîæåí ðàñïàä àäðîíà.
Íîâûé àäðîí, íàçâàííûé -÷àñòèöåé, áûë îáíàðóæåí íà óñêîðèòåëÿõ (1974). Ïîýòîìó â ñîîòâåòñòâèè ñ òåîðèåé êâàðêîâ ââåëè åùå îäíó õàðàêòåðèñòèêó, ÷åòâåðòûé «àðîìàò», òàê ïîÿâèëñÿ «î÷àðîâàííûé» êâàðê. Òàê ÷òî -÷àñòèöà — ýòî ïðåäïîëîæèòåëüíî ìåçîí, ñîñòîÿùèé èç ñ-êâàðêà è ñ-àíòèêâàðêà. Ñåé÷àñ îáíàðóæåíî óæå ìíîãî «î÷àðîâàííûõ» ÷àñòèö, è âñå
242 îíè òÿæåëûå. À â 1977 ã. ïîÿâèëñÿ -ìåçîí, è âñÿ èñòîðèÿ ïîâòîðèëàñü, ïÿòûé àðîìàò ïîëó÷èë íàçâàíèå «ïðåëåñòíûé». Òàê ðàçâèâàåòñÿ íûíå àòîìèñòèêà. Ñåé÷àñ ñ÷èòàþò, ÷òî ñóùåñòâóþò 12 êâàðêîâ — ôóíäàìåíòàëüíûõ ÷àñòèö è ñòîëüêî æå àíòè÷àñòèö. Øåñòü ÷àñòèö — ýòî êâàðêè ñ ýêçîòè÷åñêèìè èìåíàìè «âåðõíèé», «íèæíèé», «î÷àðîâàííûé», «ñòðàííûé», «èñòèííûé», «ïðåëåñòíûé». Îíè ÿâëÿþòñÿ ïîðîæäåíèåì òåîðèè, ñòðåìÿùåéñÿ ê óïîðÿäî÷åííîñòè è êðàñîòå, è îòêðûòû âñå, çà èñêëþ÷åíèåì «èñòèííîãî». Îñòàëüíûå øåñòü — ëåïòîíû: ýëåêòðîí, ìþîí, -÷àñòèöà è ñîîòâåòñòâóþùèå èì íåéòðèíî (ýëåêòðîííîå, ìþîííîå, íåéòðèíî).
Ýòè 12 ÷àñòèö, èëè äâå ïî øåñòü, ãðóïïèðóþò â òðè ïîêîëåíèÿ, êàæäîå èç êîòîðûõ ñîñòîèò èç ÷åòûðåõ ÷ëåíîâ.  ïåðâîì ïîêîëåíèè — «âåðõíèé» è «íèæíèé» êâàðêè, ýëåêòðîí è ýëåêòðîííîå íåéòðèíî, âî âòîðîì — «î÷àðîâàííûé» è «ñòðàííûé» êâàðêè, ìþîí è ìþîííîå íåéòðèíî, â òðåòüåì — «èñòèííûé» è «ïðåëåñòíûé» êâàðêè è -÷àñòèöà ñî ñâîèì íåéòðèíî. Âñå îáû÷íîå âåùåñòâî ñîñòîèò èç ÷àñòèö ïåðâîãî ïîêîëåíèÿ. Ïðîòîí, íàïðèìåð, ñîñòîèò èç äâóõ «âåðõíèõ» êâàðêîâ è îäíîãî «íèæíåãî», íåéòðîí — èç äâóõ «íèæíèõ» è îäíîãî «âåðõíåãî». Êàæäûé àòîì ñîñòîèò èç òÿæåëîãî ÿäðà (ñèëüíî ñâÿçàííûõ ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ), îêðóæåííîãî ýëåêòðîííûì îáëàêîì.
Íî ïî÷åìó ñóùåñòâóþò äðóãèå ïîêîëåíèÿ ÷àñòèö è ñêîëüêî èõ åùå ìîæåò áûòü? Ïî ìíåíèþ ÿïîíñêèõ ôèçèêîâ Ì. Êîáàÿñè è Ò. Ìàñêàâà, àñèììåòðèÿ ìåæäó âåùåñòâîì è àíòèâåùåñòâîì òðåáóåò íàëè÷èÿ òðåõ ïîêîëåíèé. Åñëè æå ÷èñëî ïîêîëåíèé íå îãðàíè÷åíî, ÿâëÿþòñÿ ëè êâàðêè è ëåïòîíû îñíîâíûìè «êèðïè÷èêàìè ïðèðîäû» è íàñêîëüêî îíè ôóíäàìåíòàëüíû? Ïîñëåäíèå äàííûå, ïîëó÷åííûå íà ðàçíûõ óñêîðèòåëÿõ, ïîçâîëÿþò ñ÷èòàòü, ÷òî ÷èñëî ïîêîëåíèé íå ìîæåò áûòü áîëåå ïÿòè, òàê êàê ïîëíîå ÷èñëî íåéòðèíî íå ïðåâûøàåò ýòîãî ÷èñëà. Îòâåòû íà ýòè âîïðîñû èùóò â ñîâðåìåííîé êîñìîëîãèè, â ìîäåëÿõ ïåðâè÷íîãî íóêëåîñèíòåçà, ïîðîäèâøåãî òå èëè èíûå ÷àñòèöû, ÷àñòü êîòîðûõ ìîæåò áûòü óñòàíîâëåíà ïî ðàñïðîñòðàíåííîñòè òîãî èëè äðóãîãî ýëåìåíòà âî Âñåëåííîé. Ýòè èññëåäîâàíèÿ äàþò ÷åëîâåêó âîçìîæíîñòü ïðèêîñíóòüñÿ ê òàéíå ìèðîçäàíèÿ, íàéòè òå «êèðïè÷èêè», èç êîòîðûõ ïîñòðîåíî âñå â ìèðå, à çà íèìè ñòîÿò è íîâûå òåõíîëîãèè.
Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè è ïîâòîðåíèÿ
- Êàêèå ÷àñòèöû ñîñòàâëÿþò ÿäðî àòîìà, êàêîâû åãî ðàçìåðû? Êàê ýòî áûëî óñòàíîâëåíî?
- Ïîÿñíèòå ïîíÿòèå ýëåìåíòàðíîé ÷àñòèöû, êàê êëàññèôèöèðóþòñÿ ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû è êàê îíè èññëåäóþòñÿ. ×òî òàêîå «àíòè÷àñòèöû»?  ÷åì ñîñòîèò ãèïîòåçà êâàðêîâ? Êàêèå ïðîáëåìû ñòîÿò â òåîðèè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö?
-  ÷åì çàêëþ÷àåòñÿ åäèíñòâî äèñêðåòíîñòè è íåïðåðûâíîñòè? Îõàðàêòåðèçóéòå ïðîáëåìó ïîèñêà «ïåðâè÷íûõ îáúåêòîâ» è êîíöåïöèþ àòîìèçìà. ×òî òàêîå «êâàçè÷àñòèöû»?
243
- Êàêîâà ñïåöèôèêà ìèêðîìèðà ïî ñðàâíåíèþ ñ èçó÷åíèåì ìåãà- è ìàêðîìèðà. Ïîÿñíèòå ïðèíöèïû ñîîòâåòñòâèÿ è äîïîëíèòåëüíîñòè.
- Ïîÿñíèòå ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè, ïîíÿòèÿ äåòåðìèíèçìà è èíäåòåðìèíèçìà. Êàê èçìåíèëèñü ïðåäñòàâëåíèÿ î ñëó÷àéíîì è çàêîíîìåðíîì? Ïîÿñíèòå ðîëü ïðèáîðà â êâàíòîâîé ìåõàíèêå.
- Êàê ðàçâèëèñü ïðåäñòàâëåíèÿ î ïðè÷èííîñòè â êâàíòîâîé ìåõàíèêå? Ïî÷åìó îãðàíè÷åíèå âîçäåéñòâèÿ íà ìèêðîóðîâíå èìååò ñìûñë ôóíäàìåíòàëüíîãî çàêîíà ïðèðîäû?
- Êàêèìè ïàðàìåòðàìè îïèñûâàåòñÿ ñîñòîÿíèå ìèêðî÷àñòèöû? Êàê ïðè ýòîì îñóùåñòâëÿåòñÿ ñèíòåç âîëíîâûõ è êîðïóñêóëÿðíûõ ñâîéñòâ? Êàêîâî îòëè÷èå â îïèñàíèè ñîñòîÿíèÿ â êëàññè÷åñêîé è êâàíòîâîé ìåõàíèêå?
- Êàêîå óðàâíåíèå îïèñûâàåò äâèæåíèå â ìèêðîìèðå è ñîîòâåòñòâóåò âòîðîìó çàêîíó Íüþòîíà? Êàêîé ñìûñë èìåþò âõîäÿùèå â íåãî âåëè÷èíû?
- Êàêèå ìîäåëè îïèñûâàþò ñòðîåíèå è ñâîéñòâà àòîìíûõ ÿäåð? Ïî÷åìó òÿæåëûå ýëåìåíòû íå ðàñïàäàþòñÿ ñàìîïðîèçâîëüíî íà ëåãêèå? Êàêèå ðåàêöèè äåëåíèÿ âîçìîæíû è êàêèå äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìû óñëîâèÿ?
10. Ïîÿñíèòå, ÷åì îïðåäåëÿåòñÿ óñòîé÷èâîñòü àòîìíûõ ÿäåð. ×òî òàêîå
«äåôåêò ìàññû» è êàê ïðîèñõîäÿò ðåàêöèè â íåäðàõ çâåçä?
.
Âàø êîììåíòàðèé î êíèãå Îáðàòíî â ðàçäåë Íàóêà
|
|