Ядерна фізика

Мабуть, найчастіше фізики чують питання про те, звідки відомо про мікроскопічні частинки, якщо їх не видно, а кольору чи запаху вони не мають.

Отже, почнемо розповідь з того, які видимі явища є індикатором їх присутності. Хоча частинки невидимі, але летячи з великою швидкістю, вони здатні змінювати структуру матеріалу, до якого потрапляють. Такі процеси називаються іонізацією, і саме тому люди використовують вираз “іонізуюче випромінення”. Детальніше про нього буде далі, а зараз слід тільки зазначити, що макроскопічних наслідків у цього явища може бути багато. Матеріал може почати світитися, може змінитися його провідність, відбуватимуться якісь хімічні реакції, тощо.

Першим детектором іонізуючого випромінення був фотографічний папір. Випадково! Просто в одній шухляді стола разом з нерозпакованою пачкою паперу лежав зразок одного незвичайного мінералу, який дивним чином засвітив цей папір крізь упаковку. Це відбулося на початку минулого сторіччя. З того мінералу виділили хімічний елемент, який назвали радієм (в перекладі з грецької – “промінь”). Пізніше виявилося, що він не один такий, а є цілий клас хімічних елементів, які тепер називаються радіоактивними.

Цікаво теж, звідки дізналися про те, що це випромінювання складається з частинок. Адже фотопапір після проявки просто почорнів. Але коли використали фотоемульсію, що світилася безпосередньо під час опромінення, побачили не суцільне сяйво, а поодинокі спалахи. Це свідчило про дискретну структуру відкритих променів. На разі існує цілий клас різноманітних детекторів, принцип дії яких полягає в реєстрації таких світлових спалахів — сцинтиляційні.

Також виявилося, що іонізуюче випромінювання буває різне. Спостерігаючи його розповсюдження в електричному полі побачили, що є складові, які відхиляються в різних напрямках, бо мають різний заряд. Частинки з додатнім зарядом назвали першою грецькою літерою “альфа”, від’ємно заряджені назвали “бета”(згодом вияснилося, що це є вже знайомі на той час фізикам електрони). Але частина випромінення не реагувала на електричне поле. Цю нейтральну складову назвали “гамма”, про його структуру ми поговоримо пізніше.

А тепер варто розповісти про те, як собі уявляли будову атома на початку 20-го століття, оскільки це важливо для розуміння наступного кроку фізики. На той час було достовірно встановлено існування електронів — носіїв від’ємного заряду. Також було зрозуміло, що атом в цілому є нейтральним, хоча містить у собі ці електрони. Популярною моделлю на той час було представлення атому у вигляді додатньо зарядженого “пудингу”, в якому знаходилися “родзинки”-електрони. Процес іонізації, про який ішлося трохи раніше, власне полягає в тому, що від атомів відриваються електрони, які можуть потім змінити своє місце розташування.

Але була ще інша модель будови атома — планетарна, згідно з якою додатній заряд є скупчений у центрі атома, а навколо нього досить розпорошено розташовані електрони. Явище іонізації є можливим в обох моделях, але щодо взаємодії поодиноких атомів із зарядженими частинками — передбачення зовсім різні. Сама по собі планетарна модель атома на той час вважалася дуже сміливою гіпотезою, але вона була цікава для фізиків тому, що в її рамах опис розсіяння заряджених частинок на атомі порівняно простий з математичної точки зору. Якщо припустити, що додатній заряд і масу в атомі скупчено в одній точці, та знехтувати впливом електронів, то користуючись знаннями механіки, що вже були, можна отримати досить просту формулу для співвідношення кількостей частинок, що розсіюються під різними кутами.

Резерфорд, фізик що вивів цю формулу, поставив експеримент: золоту фольгу опромінив альфа-частинками з радієвого джерела. Фольга — золота, оскільки золото є дуже пластичним металом, і з нього ще тоді могли виготовити дуже тонку фольгу. Звичайно, там був не один шар атомів, але їх кількість була достатньо малою, щоб у випадку правдивості припущення не вплинути суттєво на результат. Розсіяні частинки реєстрували за допомогою вищезгаданої фотоемульсії. В результаті вимірювань Резерфорд підтвердив планетарну модель атома, отримавши таке співвідношення кількостей частинок, зареєстрованих під різними кутами, яке розрахував за формулою, що зараз називається його іменем.

Після цього експерименту у фізиці виникло поняття атомного ядра — того центру в атомі, в якому скупчено додатній заряд та масу атома. Подальший розвиток експериментальної техніки дозволив дослідити його внутрішню структуру і використати це знання в різних сферах людської діяльності. Але це буде описано в наступних частинах.

Досить природно було припустити, що окрім електрона, носія від’ємного заряду, в природі існує ще інша частинка — носій додатного заряду. Її назвали протоном, і довго шукати її не довелося. Це є ядро найлегшого у світі елементу — водню. Отже, атом цього хімічного елементу є найпростішим і складається з двох частинок: одного протону в ядрі і одного електрону, що обертається навколо.

Фізики знали, що атоми одного хімічного елементу мають однакові хімічні властивості, тому що навколо ядра, коли атом нейтральний, знаходиться однакова кількість електронів. Відповідно ядра одного хімічного елементу мають однаковий заряд. Логічно було зробити висновок, що хімічний елемент визначається кількістю протонів в атомному ядрі, але відношення мас інших ядер до маси протону є більшими, ніж їх заряд. Це вказує на те, що в ядрі є ще щось.

Спочатку припустили, що протонів в ядрі є більше, але деякі електрони також знаходяться всередині ядра. Таким чином вдалося описати завеликі маси атомів, але не було простого пояснення, що змушує деякі електрони “сидіти” в ядрі і від чого залежить їхня кількість.

Хоча єдиним “суддею” фізичних теорій є експеримент, але прагнення математичної і логічної простоти дуже часто допомагало вигадувати теорії які цей “суддя” приймає. Цього разу простоти додавала гіпотеза наявності в ядрі не електронів, а частинки, що має масу порівнювальну з протоном, але не має заряду. І її було знайдено!

У випадку розсіяння альфа-частинок, випромінених радіоактивними елементами на важких ядрах з великим зарядом, як в експерименті з першої частини, відштовхування при розсіянні є дуже сильним. Якщо ж опромінювати легші елементи, то можна домогтися проникнення частинок в середину ядра-мішені. При опроміненні деяких елементів (наприклад, літію чи берилію) альфа частинка поглинається, але маса ядра, що утворюється, є суттєво меншою, ніж сума мас на вході.

І різниця становить приблизно масу одного протона, але протону немає. Оскільки він є зарядженим, зареєструвати його майже так само легко, як альфа-частинку. Якщо детектор протонів не фіксує, то їх там немає. Після поглинання альфа-частинки ядром вилітає інша частинка, нейтральна та з близькою до протона масою. Цю частинку назвали нейтроном і її присутністю в атомних ядрах пояснили їх завеликі маси. Отже ядро складається з протонів та нейтронів. Говорячи про них часто використовують узагальнений термін “нуклон”, коли мають на увазі частинки обох сортів. Наприклад, сама альфа-частинка складається з двох протонів і двох нейтронів — чотирьох нуклонів.

Оскільки нейтрон, летячи крізь речовину, взаємодіє переважно з ядрами, а не з електронними оболонками атомів, то його реєстрація є досить складною. Я тут не буду її описувати, але скажу, що його було зареєстровано. Більш того, зараз існують багато різних видів нейтронних детекторів.