Четыре состояния, о которых мы говорили, существуют в окружающей нас природе. Но
возможны и другие состояния вещества. Они открыты, как говорится, на кончике пера теоретиков. Советский физик Л. Д. Ландау предсказал, что при очень высокой плотности вещества электроны должны как бы вжиматься в протоны атомных ядер: все нуклоны в ядре станут нейтронами, и вещество перейдет в нейтронное состояние. Плотность вещества при этом станет в сотни миллиардов раз больше, чем в тех состояниях, к которым мы привыкли. Астрономы иногда наблюдают яркие вспышки так называемых сверхновых звезд. Предполагают, что такая вспышка — колоссальный взрыв, при котором внешние слои звезды разлетаются, а внутренность сжимается и переходит в нейтронное состояние. На месте взрыва должна остаться крохотная нейтронная звезда. Астрономы усиленно ищут нейтронные звезды; нелегко обнаружить такое маленькое небесное тело. Но ученым известно, какими примерно свойствами должны обладать такие нейтронные звезды. Подсчитано, например, что они должны «светиться» рентгеновскими лучами. Чтобы поймать рентгеновские лучи, нужно посылать приборы на ракетах: через воздух эти лучи не проходят. И вот приборы на ракетах показали, что рентгеновские лучи идут от Крабовидной туманности. А нам известно, что в 1054 г. там, где теперь находится эта туманность, китайские ученые наблюдали появление новой яркой звезды. Предполагается, что там произошел звездный взрыв.
Пока мы занимались веществом при обычных на поверхности Земли температурах, можно было частицами этого вещества считать молекулы и атомы. Но у атома тоже есть внутреннее строение. Он состоит из ядра, заряженного положительным электричеством, и отрицательно заряженных электронов. Если любое вещество нагревать до очень высокой температуры или пропускать через него сильный электрический ток, его электроны начинают отрываться от атомов. То, что остается от атома после отрыва электрона, имеет положительный заряд и называется ионом, сам процесс отрыва электронов от атомов называется ионизацией. В результате ионизации получается смесь свободных
частиц с положительными и отрицательными зарядами. Эту смесь назвали плазмой.
Существует наука с довольно скучным названием: «изотопная статистика». Она наводит строгий бухгалтерский учет для тысячи с лишним радиоактивных изотопов.
Вспомним, какие виды радиоактивных превращений нам известны. Это — альфа-распад, бета-распад и спонтанное (самопроизвольное) деление. Обратим особое внимание на бета-распад. Изотопная статистика подсчитала, что около 80% всех радиоактивных изотопов распадается по типу бета-распада.
Бета-распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений. Первый вид — испускание электрона --распад). Второй вид — испускание позитрона (+-распад). Третий вид обнаружил в 1937 г. американский ученый Луис Альварец. Оказалось, что некоторые ядра могут поглощать электроны с ближайших к ядру электронных оболочек. Заряд ядра-поглотителя, как и при +-распаде, уменьшается на единицу. Природная радиоактивность ка-лия-40 как раз связана с тем, что ядром этого изотопа поглощается орбитальный электрон. Если электрон поглощается ядром с K-оболочки (ближайшей к ядру), то это так называемый K-захват; если со следующей L-оболочки — это L-захват, но он встречается крайне редко. Значит, в процессах бета-распада обязательно участвует либо электрон, либо его электрический антипод — позитрон.
Ядра состоят только из протонов и нейтронов. И тем не менее при - или при +-распадах из ядер вылетают электроны и позитроны. Модель ядра не приемлет электроны, и между тем электрон поглощается ядром при орбитальном захвате. Как же это понять?
Много лет элемент уран был «замыкающим» в периодической системе. Сам Менделеев советовал будущим поколениям исследователей скрупулезно изучать уран. Еще при жизни ученого в результате исследований урана было открыто явление радиоактивности и обнаружен в природе гелий.
В конце 30-х годов нашего столетия уран снова оправдал гениальное предвидение Менделеева. И главным действующим лицом здесь оказался нейтрон. Итальянский физик Энрико Ферми в 1934 г. стал обстреливать нейтронами один элемент периодической системы за другим. Он, собственно, решил иным путем повторить интереснейшие эксперименты супругов Ирен и Фредерика Жолио-Кюри, которые годом раньше подарили миру замечательное открытие.
Свет, как мы уже знаем,— это распространяющаяся электромагнитная волна, т. е. колебательный процесс в электромагнитном поле. Свойства волны должны быть связаны с общими свойствами электромагнитного поля. Отсюда теоретики пришли к выводу, что всякое электрическое и магнитное взаимодействие переносится фотонами. Если два заряженных тела притягиваются или отталкиваются — это происходит оттого, что они обмениваются фотонами. Раньше мы называли фотоны световыми квантами, но правильнее их называть квантами электромагнитного поля.
Вероятно, и любые другие взаимодействия (как говорят физики, поля) переносятся частицами. На таком предположении построена теория квантовых полей, в которой частицы, переносящие взаимодействие, называются квантами поля.
Ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), которые очень крепко связаны ядерными силами. Физики-теоретики попытались квантовать ядерные силы, т. е. объяснить их как обмен нуклонов какими-то частицами. Расчеты показали, что масса таких частиц должна лежать посередине между массами нуклона и электрона; предполагаемые частицы назвали мезонами (что значит «средние»).
Когда физики более внимательно изучили радиоактивный бета-распад, при котором нейтрон может превратиться в протон и электрон, а протон — в нейтрон и позитрон, оказалось, что в процессе распада испускается и еще одна частица, но она почти неуловима. Она совершенно беспрепятственно пролетает через такую толщу вещества, как вся наша Земля, как Солнце или любое известное небесное тело.Эта частица почти не взаимодействует с веществом. Отсюда заключили, что у нее нет, в частности, электрического заряда, и ее назвали нейтрино. Это слово по-итальянски значит «нейтралочка», т. е. очень маленькая нейтральная частица.
Про нейтрино говорят, что эта частица была открыта «на кончике пера у теоретика». Физики, как строгие бухгалтеры, старались свести баланс энергии при бета-распаде. Но баланс никак не сходился: часть энергии «исчезала» неведомо куда. Пришлось предположить, что какой-то неуловимый «вор» уносит энергию. Эта малопочтенная роль и была «поручена» нейтрино. Десятка два лет новая частица оставалась неуловимой. В конце концов физикам все же удалось ее «поймать». Для этого пришлось затратить немало труда.
Мы ознакомились с некоторыми подразделениями в мире элементарных частиц: частицы и античастицы, барионы, мезоны и лептоны. Физики разделяют частицы еще на две важные группы.
Частицы первой группы называются ферми-частицами или фермионами (по имени ученого Энрико Ферми, который объяснил их свойства). Это «частицы-отшельники»: в группе таких частиц в определенном состоянии может находиться только одна частица. К ферми-частицам относятся все внутриатомные частицы: электроны и нуклоны (протоны и нейтроны). Все это «частицы-волчки», т. е., выражаясь по-ученому, они обладают спином. Два электрона не могут вращаться в атоме по одной и той же орбите и с одинаковым направлением спина (этот закон называется принципом Паули). Это и значит, что электроны относятся к ферми-частицам1.
Иногда приходится иметь дело с большим количеством ферми-частиц, свободно движущихся в пространстве. Они образуют своего рода газ, который называется ферми-газом. Частицы в таком газе не могут двигаться с одинаковой скоростью, т. е. иметь одинаковую энергию. Тогда бы они находились в одинаковом состоянии, что для ферми-частиц «запрещено».Частицы ферми-газа продолжают двигаться до абсолютного нуля, т. е. у его частиц сохраняется кинетическая энергия, и притом тем большая, чем больше плотность газа.
При сжатии ферми-газа его частицы как бы выжимаются на более высокие уровни энергии. Это явление происходит, в частности, с электронами в металлах. В атоме металла электроны так слабо связаны, что некоторые из них уже не могут «поместиться» на своих орбитах. Эти электроны оторваны от атомов и образуют внутри металлического предмета свободный электронный газ, обладающий свойствами ферми-газа. Именно эти электроны и переносят электрический ток.
Есть среди элементарных частиц и такие, которые обладают прямо противоположными свойствами: они стремятся находиться вместе в одном и том же состоянии. Такие «частицы-общественники» называются бозе-частицами или бозонами1 — опять-таки по имени физика (Шатьендраната Бозе), который теоретически объяснил их поведение. К бозе-частицам относятся прежде всего световые кванты, или фотоны, а из неустойчивых частиц — пи-мезоны.
Мы не будем перечислять все известные науке частицы, а сосредоточим внимание на их общих свойствах. По массе все частицы разделяют на три- группы барионы, мезоны и лептоны. Названия эти происходят от греческих слов «тяжелый», «средний» и «легкий».
К барионам относятся уже известные нам нуклоны — протон и нейтрон, а также частицы более тяжелые, чем нуклоны,— их называют гиперонами. К лептонам относится известный нам электрон, а также позитрон и нейтрино, о которых речь будет идти ниже.
Мезоны — частицы со средней массой: они легче нуклонов, но тяжелее электронов. Все они неустойчивы и за малые доли секунды распадаются. По массе, времени «жизни» и другим свойствам их разделяют на несколько групп: мю-мезоны (мюоны), пи-мезоны (пионы), К-мезоны.
Особняком стоит фотон, или световой квант.
Если учитывать не только массу, но и другие свойства частиц, то можно объединить гипероны и .К-мезоны в одну группу «странных частиц», а мю-мезоны отнести к лептонам. В группе мезонов при этом остаются только пи-мезоны (пионы).
Поскольку мы считаем фотон такой же полноправной частицей, как, например, протон и нейтрон, рождение частиц не может быть для нас удивительным. Любой фонарь или лампа испускает свет, т. е. поток фотонов, а между тем в веществе фонаря фотонов нет. Очевидно, фотоны рождаются в процессе испускания света. Как это происходит, известно из атомной физики. Атом поглощает энергию и переходит в возбужденное состояние. Затем он возвращается в основное состояние и испускает при этом световой квант, т. е. фотон. Теория объясняет, что рождение любой элементарной частицы происходит по тем же законам, как и испускание фотонов. Это относится, в частности, и к бета-распаду.
Квантовая механика рассматривает протон и нейтрон как два состояния одной и той же элементарной частицы, которую назвали нуклоном (это название означает просто «ядерная частица»).