Собрат протона нейтрона электрона: «собрат» протона, нейтрона и электрона, 5 (пять) букв

Журналистам

В Калининграде при поддержке Концерна «Росэнергоатом» прошел II-ой детский фестиваль профессий «Профикидс»

На территории парка культуры и отдыха «Юность» разместились 40 павильонов крупнейших предприятий Калининградской области. В каждом из них юные участники фестиваля могли познакомиться с азами различных профессий.

«Это современная образовательная площадка с экспертами,  специалистами из разных отраслей  ведущих предприятий региона. И уникальная возможность одномоментно познакомиться с востребованными и перспективными профессиями современного мира. И быть может кто- то из вас  уже сегодня сможет ответить на вопрос «кем стать, какую профессию выбрать?», — с таким вопросом к участникам фестиваля обратился заместитель начальника управления капитального строительства Дирекции Балтийской АЭС Владимир Лисевцев.

Вопросы «куда пойти учиться?» и «какую профессию выбрать?» волнуют и детей, и родителей. Задача фестиваля «Профикидс» помочь найти ответы.  

Тех, кого привлекает наука, ждали на интеллектуальной площадке фестиваля «Арена профи. Здесь же расположился павильон концерна «Росэнергоатом» и Информационного центра по атомной энергии «Я – физик».  Поиграть в «Классики Менделеева», разгадать атомный ребус или собрать своими руками атом из разноцветных шариков. Одна из самых сложных фигур – кислород. Для модели атома О2 требуется 16 шариков. Проще всего собрать гелий. Два протона, два нейтрона и два электрона – такие несложные и интересные задачки помогают детям понять, что и физика может быть веселой и увлекательной.

Одна из самых сложных фигур – кислород. Для модели атома О2 требуется 16 шариков. Проще всего собрать гелий. Два протона, два нейтрона и два электрона. 

«Я здесь, потому что мне интересно, как устроен наш мир, вещества, которые нас окружают. Возможно я буду физиком», — рассказал школьник из Калининграда Кирилл Кружков.

Пока юные участники фестиваля проходили  веселые квесты, старшие школьники стали участниками научного ток-шоу «Я – профессионал». Здесь представители Балтийской АЭС подробно рассказали о профессиях атомной отрасли, о возможностях и перспективах работы в ней, о том,  с чего начать свой путь в атомную энергетику.

«Практически все  инженерные специальности востребованы в атомной отрасли, и не только инженерные.  Ведь атомная отрасль – это и медицина, и освоение космоса, и большие научные институты, конструкторские бюро, новые интеллектуальные продукты», —  рассказал участникам ток-шоу главный специалист производственно-технического отдела УКС Балтийской АЭС Евгений Михайлов.

Участники фестиваля проявили большой интерес к площадке «Я — физик» — за два дня в квестах и итерактивах, орагнизованных концерном «Росэнергоатом» и Информационным центром по атомной энергии  приняло участие более двух тысяч человек. 

в самом сердце материи / Хабр

Рис. 1

Ядро атома получается крохотным, его радиус в 10 000–100 000 раз меньше всего атома. Каждое ядро содержит определённое количество протонов (обозначим его Z) и определённое количество нейтронов (обозначим его N), скреплённых вместе в виде шарика, по размеру не сильно превышающего сумму их размеров. Отметим, что протоны и нейтроны вместе часто называют «нуклонами», а Z+N часто называют A – общее количество нуклонов в ядре. Также Z, «атомное число» – количество электронов в атоме.

Типичное мультяшное изображение атома (рис. 1) чрезвычайно преувеличивает размер ядра, но более-менее правильно представляет ядро как небрежно соединённое скопление протонов и нейтронов.

Содержимое ядра

Откуда нам известно, что находится в ядре? Эти крохотные объекты просто охарактеризовать (и это было просто исторически) благодаря трём фактам природы.

1. Протон и нейтрон отличаются по массе всего лишь на тысячную часть, так что если нам не нужна чрезвычайная точность, можно сказать, что у всех нуклонов масса одинакова, и назвать её массой нуклона, m

_нуклон

:

m_протон ≈ m_{нейтрон} ≈ m_нуклон

(≈ означает «примерно равно»)

2. Количество энергии, необходимой для удержания вместе протонов и нейтронов в ядре, относительно мало – порядка тысячной доли части энергии массы (E = mc²) протонов и нейтронов, так что масса ядра почти равна сумме масс его нуклонов:

M_ядро ≈ (Z+N) × m_нуклон

3. Масса электрона равняется 1/1835 массы протона – так что почти вся масса атома содержится в его ядре:

M_атом ≈ M_ядро

Тут подразумевается наличие четвёртого важного факта: все атомы определённого изотопа определённого элемента одинаковы, как и все их электроны, протоны и нейтроны.

Поскольку в самом распространённом изотопе водорода содержится один электрон и один протон:

M_{водород} ≈ m_протон ≈ m_нуклон

масса атома M_атом определённого изотопа просто равна Z+N, помноженному на массу атома водорода

M_атом ≈ M_ядро ≈ (Z+N) × m_нуклон ≈ (Z+N) × M_{водород}

и погрешность этих уравнений примерно равна 0,1%.

Поскольку нейтроны электрически нейтральны, электрический заряд Q_ядро ядра просто равен количеству протонов, помноженному на электрический заряд протона («e»):

Q_ядро = Z × Q_протон = Z × e

В отличие от предыдущих уравнений, это уравнение выполняется точно.

Подытожим:

Z = Q_ядро / e

A = Z + N ≈ M_атом / M_{водород}

Эти уравнения проиллюстрированы на рис. 2

Рис. 2

Используя открытия последних десятилетий XIX века и первых десятилетий XX, физики знали, как измерить в эксперименте оба обозначенных красным значения: заряд ядра в e, и массу любого атома в атомах водорода. Так что эти значения были известны уже в 1910-х. Однако правильно интерпретировать их смогли только в 1932 году, когда Джеймс Чедвик определил, что нейтрон (идею которого предложил Эрнест Резерфорд в 1920-м) является отдельной частицей. Но как только стало понятно, что нейтроны существуют, и что их масса практически равна массе протона, сразу же стало ясно, как интерпретировать числа Z и N — количество протонов и нейтронов. А также сразу родилась новая загадка – почему у протонов и нейтронов почти одинаковая масса.

Честно говоря, физикам того времени с научной точки зрения страшно повезло, что всё это было так легко установить. Закономерности масс и зарядов настолько просты, что даже самые долгие загадки были раскрыты сразу после открытия нейтрона. Если бы хотя бы один из перечисленных мною фактов природы оказался неверным, тогда на то, чтобы понять, что происходит внутри атомов и их ядер, ушло бы гораздо больше времени.

Рис. 3

К сожалению, с других точек зрения было бы гораздо лучше, если бы всё оказалось сложнее. Вряд ли можно было подобрать худший момент для этого научного прорыва. Открытие нейтрона и понимание структуры атома совпало с мировым экономическим кризисом, известным, как Великая Депрессия, и с появлением нескольких авторитарных и экспансионистских правительств в Европе и Азии. Быстро началась гонка ведущих научных держав в области понимания и получения энергии и оружия из ядра атома. Реакторы, выдающие ядерную энергию, были получены всего за десять лет, а за тринадцать – ядерное оружие. И сегодня нам приходится жить с последствиями этого.

Откуда нам известно, что ядро атома маленькое?

Одно дело – убедить себя, что определённое ядро определённого изотопа содержит Z протонов и N нейтронов; другое – убедить себя, что ядра атомов крохотные, и что протоны с нейтронами, будучи сжатыми вместе, не размазываются в кашу и не разбалтываются в месиво, а сохраняют свою структуру, как подсказывает нам мультяшное изображение. Как это можно подтвердить?

Я уже упоминал, что атомы практически пусты. Это легко проверить. Представьте себе алюминиевую фольгу; сквозь неё ничего не видно. Поскольку она непрозрачная, вы можете решить, что атомы алюминия:

1. Настолько крупные, что между ними нет просветов,

2. Настолько плотные и твёрдые, что свет сквозь них не проходит.

Насчёт первого пункта вы будете правы; в твёрдом веществе между двумя атомами почти нет свободного пространства. Это можно наблюдать на изображениях атомов, полученных при помощи особых микроскопов; атомы похожи на маленькие сферы (краями которых служат края электронных облаков), и они довольно плотно упакованы. Но со вторым пунктом вы ошибётесь.

Рис. 4

Если бы атомы были непроницаемыми, тогда сквозь алюминиевую фольгу ничто не смогло бы пройти – ни фотоны видимого света, ни рентгеновские фотоны, ни электроны, ни протоны, ни атомные ядра. Всё, что вы направили бы в сторону фольги, либо застревало бы в ней, либо отскакивало бы – точно так же, как любой кинутый объект должен отскочить или застрять в гипсокартонной стенке (рис. 3). Но на самом деле электроны высокой энергии легко могут пройти через кусочек алюминиевой фольги, как и рентгеновские фотоны, высокоэнергетические протоны, высокоэнергетические нейтроны, высокоэнергетические ядра, и так далее. Электроны и другие частицы – почти все, если точнее – могут пройти через материал, не потеряв ни энергии, ни импульса в столкновениях с чем-либо, содержащимся внутри атомов. Лишь малая часть их ударится об атомное ядро или электрон, и в этом случае они могут потерять большую часть своей начальной энергии движения. Но большая часть электронов, протонов, нейтронов, рентгеновских лучей и всякого такого просто спокойно пройдут насквозь (рис. 4). Это не похоже на швыряние гальки в стену; это похоже на швыряние гальки в сетчатый забор (рис. 5).

Рис. 5

Чем толще фольга – к примеру, если складывать всё больше и больше листов фольги вместе – тем вероятнее частицы, запущенные в неё, столкнуться с чем-либо, потеряют энергию, отскочат, изменят направление движения или даже остановятся. То же было бы верно, если бы вы наслаивали одну за другой проволочные сетки (рис. 6). И, как вы понимаете, из того, насколько далеко средняя галька может проникнуть сквозь слои сетки и насколько велики разрывы в сетке, учёные могут подсчитать на основании пройденной электронами или атомными ядрами дистанции, насколько атом пустой.

Рис. 6

Посредством таких экспериментов физики начала XX века установили, что внутри атома ничто – ни атомное ядро, ни электроны – не может быть большим, чем одна тысячная миллионных миллионных долей метра, то есть в 100 000 раз меньше самого атома. То, что такого размера достигает ядро, а электроны по меньшей мере в 1000 раз меньше, мы устанавливаем в других экспериментах – например, в рассеянии высокоэнергетических электронов друг с друга, или с позитронов.

Чтобы быть ещё более точным, следует упомянуть, что некоторые частицы потеряют часть энергии в процессе ионизации, в котором электрические силы, действующие между летящей частицей и электроном, могут вырвать электрон из атома. Это дальнодействующий эффект, и столкновением на самом деле не является. Итоговая потеря энергии значительна для летящих электронов, но не для летящего ядра.

Вы можете задуматься над тем, похоже ли то, как частицы проходят сквозь фольгу, на то, как пуля проходить сквозь бумагу – расталкивая части бумаги в стороны. Возможно, первые несколько частиц просто расталкивают атомы в стороны, оставляя большие отверстия, через которые проходят последующие? Мы знаем, что это не так, поскольку мы можем провести эксперимент, в котором частицы проходят внутрь и наружу контейнера, сделанного из металла или стекла, внутри которого вакуум. Если бы частица, проходя через стенки контейнера, создавала отверстия по размеру превышающие атомы, тогда внутрь устремились бы молекулы воздуха, и вакуум бы исчез. Но в таких экспериментах вакуум остаётся!

Также довольно легко определить, что ядро – это не особенно структурированная кучка, внутри которой нуклоны сохраняют свою структуру. Об этом уже можно догадаться по тому факту, что масса ядра очень близка к сумме масс содержащихся в нём протонов и нейтронов. Это выполняется и для атомов, и для молекул – их массы почти равны сумме масс их содержимого, кроме небольшой коррекции на связывающую энергию – и это отражено в том факте, что молекулы довольно легко разбить на атомы (к примеру, нагрев их так, чтобы они сильнее сталкивались друг с другом), и выбить электроны из атомов (опять-таки, при помощи нагрева). Сходным образом относительно легко разбить ядра на части, и этот процесс будет называться расщеплением, или собрать ядро из более мелких ядер и нуклонов, и этот процесс будет называться синтезом. К примеру, относительно медленно двигающиеся протоны или небольшие ядра, сталкивающиеся с более крупным ядром, могут разбить его на части; нет необходимости, чтобы сталкивающиеся частицы двигались со скоростью света.

Рис. 7

Но чтобы понять, что это не является неизбежным, упомяну, что этими свойствами не обладают сами протоны и нейтроны. Масса протона не равняется примерной сумме масс содержащихся в нём объектов; протон нельзя разбить на части; а для того, чтобы протон продемонстрировал что-нибудь интересное, необходимы энергии, сравнимые с энергией массы самого протона. Молекулы, атомы и ядра относительно просты; протоны и нейтроны чрезвычайно сложны.

САМОЕ ГЛАВНОЕ — ПОНЯТЬ САМОЕ ГЛАВНОЕ

Наука и жизнь // Иллюстрации

Рис. 1. Рисунок из рабочих тетрадей Никиты.

Рис. 2. Было время, когда атом (в переводе с греческого — неделимый) считался цельным микроскопическим шариком, но уже примерно сто лет нет никаких сомнений: атом — сложная система, собранная из протонов, нейтронов и электронов.

Рис. 3. Доктор Чикоруди (справа) и его студенты (слева направо): первый ряд (сидят) — Жорик (Георгий), Никита, Федя Ли; второй ряд — Светлана, Перец, Паша (Павел), Маша, Катя; третий ряд — Саша, Сергей, Зурик (Зураб), Андрей.

Рис. 4. Рисунок из рабочих тетрадей Маши.

Рис. 5. Три модели молекул. Основные детали, с которыми работает великая наука химия, — это молекулы.

Рис. 6. В древнем мире, еще не сформировав, возможно, самого понятия «модель» и не придумав отдельного слова для него, люди широко пользовались моделями.

Рис. 7. Самая, пожалуй, важная модель в мире электрической или электронной техники — это принципиальная схема.

Рис. 8. В марте 1953 года английские ученые Джеймс Уотсон и Френсис Крик раскрыли нераскрываемый, казалось, генетический код.

Рис. 9. Рисунок из рабочих тетрадей Саши.

Рис. 10. Рисунок из рабочих тетрадей Зурика.

Рис. 11. Рисунок из рабочих тетрадей Феди.

Рис. 12. Опубликованные в 1873 году знаменитые уравнения Максвелла (А) — математическая модель взаимосвязи и взаимодействия электричества и магнетизма, которые совместно создают одну из Главных сил природы — электромагнетизм.

‹

›

ЛЕКЦИИ ДОКТОРА ВСЕХ НАУК ЧИКОРУДИ ДЛЯ ПОДЗАБЫВШИХ КОЕ-ЧТО НЕ СОВСЕМ ОТЛИЧНИКОВ, НО ВПОЛНЕ ТОЛКОВЫХ МАЛЬЧИКОВ И ДЕВОЧЕК СРЕДНЕГО И СТАРШЕГО ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА, А ТАКЖЕ ДЛЯ ИХ РОДИТЕЛЕЙ, УЧИТЕЛЕЙ, СОСЕДЕЙ И, НАКОНЕЦ, ДЛЯ ТЕХ ПОСЕТИТЕЛЕЙ ШКОЛЫ, КТО ЕЩЕ НЕ СТАЛ ВПОЛНЕ ТОЛКОВЫМ, А ОЧЕНЬ ДАЖЕ МОЖЕТ СТАТЬ. И ХОЧЕТ.

Представляем читателям фрагменты книги «Самое главное — понять самое главное», подготовленные автором специально для публикации в журнале. Книга написана в экспериментальном жанре диалогов учителя с учениками. Основа книги — более ста рассказов-лекций о нашем мире, которые доктор наук, профессор Чикоруди (сокращенно ДЧР) во время летних каникул прочитал небольшой группе учеников средней школы приморского поселка Дельфиновка (пригород известного портового Черноморска, то бишь Одессы), к этой группе примкнули приехавшие погостить в теплых пляжных краях ребята из других городов и даже из других стран. Читателю представлены не только сами лекции, но и активное их обсуждение — дети внимательно слушают и свободно задают самые разные вопросы, что им не всегда удается на школьных уроках.
Автор книги Рудольф Анатольевич Сворень наверняка знаком многим нашим читателям. Радиоинженер по образованию, педагог по призванию, журналист и редактор по профессии, кандидат педагогических наук, более 40 лет он работал в журнале «Наука и жизнь». Был специальным корреспондентом, редактором отдела, заместителем главного редактора. Опубликовал в журнале десятки статей об успехах наук и технологий. Лауреат многих профессиональных премий, в том числе Премии Союза журналистов СССР («Золотое перо»). Издано 12 его книг, общий тираж которых превысил 8 миллионов. Среди них — энциклопедия юного радиолюбителя «Электроника шаг за шагом», учебник информатики для средней школы (в соавторстве), рассказы о науке для школьников «В просторы космоса, в глубины атома», книжка для всех об электронике «Ваш радиоприемник». Сейчас Рудольф Анатольевич работает над новыми книгами.

ИЗ ЧЕГО ВСЕ В НАШЕМ МИРЕ СДЕЛАНО (из лекции 3)

ДЧР (доктор Чикоруди) . Вся невообразимо большая Вселенная, все ее звезды и планеты, в том числе наша Земля и все, что на ней, все собрано из невидимо мелких деталей — они в тысячи миллиардов раз меньше пляжной песчинки. Детали эти называют микрочастицами (от греческого микрос — малый), а мыcленно выделенные пространства, где они живут и работают, — это микромир.

Три детали, из которых собрано все на свете. Трудно поверить, но все, что есть в нашем мире, собрано всего из трех разных деталей, из трех микрочастиц — это сравнительно небольшая и очень легкая частица электрон и две сравнительно большие и тяжелые частицы — протон и нейтрон.

Маша. Вы сначала сказали, что все собрано из трех невидимо мелких деталей, а теперь оказывается, что маленький только электрон, а две другие частицы — большие и тяжелые.

ДЧР. Говорить о размерах, о массе или о весе лучше не словами, а цифрами. Размер протона примерно одна триллионная часть миллиметра, то есть 0,000 000 000 001 мм (10^-12 мм), масса протона — триллионная часть триллионной части грамма, то есть 0,000 000 000 000 000 000 000 001 г (10^-24 г). Почти такие же размеры и масса у нейтрона. Чтобы получился 1 грамм вещества, нужно собрать вместе 10²⁴ протонов или нейтронов, из такого количества песчинок получилась бы гора высотой 200 километров. О размере электрона говорить трудно, настолько он мал, а его масса в 2000 раз меньше, чем у протона, то есть 0,5^.10^-27г. Думаю, приведенных цифр достаточно, чтобы протон, нейтрон и электрон называть микрочастицами и чтобы считать электрон сравнительно легкой частицей, а протон и нейтрон — сравнительно (в сравнении с электроном) тяжелыми.

Никита. А что будет, если из какого-нибудь вещества случайно выпадет протон, а на его место прилетит более крупный протон, например, из другой галактики? Эта чужая частица может разрушить вещество и привести к серьезной аварии.

ДЧР. Можешь не волноваться — аварии не будет.

Протоны во всей Вселенной одинаковые. Микромир отличается, если можно так сказать, высочайшим уровнем стандартизации — во всей Вселенной протоны совершенно одинаковые. И точно так же одинаковы все электроны, все нейтроны и другие микрочастицы.

Андрей. Выходит, все электроны были изготовлены по одному чертежу? Почему во всей огромной Вселенной электроны одинаковые?

ДЧР. На этот вопрос пока возможен лишь один ответ: так устроен наш мир. Физики, правда, иногда пытаются ответить по-другому, но человеку со стороны трудно понять эти ответы. Один известный теоретик, например, одинаковость всех электронов объяснял так: это на самом деле всего один электрон, который каким-то образом проецируется одновременно во все окружающее нас пространство.

Саша. Понять невозможно, но идея красивая.

Жорик. У меня вопрос попроще: неужели всего из трех деталей получается абсолютно все? В мире, наверно, тысяча разных веществ — металлы, пластмассы, бензин, дерево, бумага, стекло… И все это получается всего из трех разных деталей — из протонов, нейтронов и электронов? Не верю!

ДЧР. Для начала поправлю названную тобой «тысячу» — сегодня химикам известно более 20 миллионов различных веществ, созданных природой или синтетических (от греческого синтезис — соединение ), то есть искусственных. Как все это многообразие получается всего из трех частиц, наверняка может объяснить каждый, кто с интересом относится к школьной химии. Есть добровольцы, готовые помочь товарищу?

Сергей. Давайте я попробую.

Механизмы многообразия — взгляд с высоты. Три частицы, из которых все на свете собрано, то есть протон, нейтрон и электрон, не идут в дело россыпью, поодиночке. Они проходят два «сборочных цеха» и превращаются в два вида строительных блоков — в атомы и молекулы.

Атом. В учебниках его в упрощенном виде рисуют так: в центре — ядро из соединившихся протонов и нейтронов, вокруг ядра по круговым орбитам вращаются электроны, и все это чем-то напоминает нашу Солнечную систему (рис. 1). Важное примечание: на орбитах атома вращается столько электронов, сколько протонов в его ядре. А в атомном ядре может быть разное число протонов, и именно число протонов определяет основные свойства атома. Так, в атоме ртути 80 протонов (и соответственно 80 электронов на орбитах), но если один протон убрать из ядра и оставить в нем 79 протонов, то получится атом золота.

Катя. Это просто идея или её где-то проверили?

ДЧР. Проверили, проверили. И уже довольно давно.

Катя. Так почему же не строят заводы, где из ртути буду делать золото тоннами?

Никита. Потому, что одно дело в научном институте один атом ртути превратить в атом золота, и совсем другое дело завод.

Зурик. Кроме того, твоему проекту нужна арифметическая проверка — очень может быть, что искусственное золото окажется намного дороже настоящего.

Саша. Есть еще одна проблема, возможно, самая главная — золотой запас какой-нибудь страны поддерживает цену её бумажных денег. Если золото станет дешевым, деньги ста нут просто бумагой и могут начаться серьезные финансовые катастрофы.

Голоса. Но почему?… Дешевого золота любая страна сможет иметь огромный запас… И трубы водопроводные можно делать вечные — золото не ржавеет… Люди богаче жить будут… Непонятно почему дешевое золото плохо для финансов…

ДЧР. О непонятностях экономики, финансовых систем, о богатстве и бедности отдельных людей и целых стран мы с вами еще поговорим — всё это есть в наших планах. А сейчас давайте вернемся к непонятностям микромира и попробуем в упрощенном виде понять главное, что должен знать о нём образованный человек.

Сергей. Атомы с разным числом протонов в ядре называются химическими элементами, они в определенном порядке собраны в таблице Менделеева — каждый последующий элемент в таблице имеет на один протон больше, чем предыдущий, и, значит, вокруг ядра вращается больше на один электрон. Сегодня известно больше ста разных химических элементов, и все эти разные атомы — первый шаг от трех строительных деталей к многообразию нашего мира. Второй шаг — создание из атомов более крупных строительных блоков, многоатомных молекул.

Молекула (уменьшительное от латинского молес — масса, то есть маленькая масса, массочка). Эти многоатомные строительные блоки могут быть разными из-за разного числа атомов — от двух до многих миллионов. Но главное то, что в молекулах могут быть разные сочетания химических элементов: два атома водорода и один атом кислорода — это трехатомная молекула воды (короткая запись Н₂О), а два атома кислорода и один атом углерода — это трехатомная молекула углекислого газа (СО₂). Но и молекулы с одинаковым набором атомов тоже могут быть разными — из-за того, что эти атомы по-разному соединяются друг с другом или по-разному расположены в пространстве. Наконец, разные вещества могут получаться, если в них объединяются разные виды молекул. И вот вам результат: из-за разного числа трех микрочастиц в атоме (протонов, нейтронов и электронов) получается много разных атомов, из-за разного набора разных атомов в молекуле получаются очень-очень много разных молекул, из этих разных молекул или из их разных сочетаний в одном веществе получается очень-очень-очень много разных веществ.

ДЧР. Браво, молодец! Рассказал коротко, понятно и, главное, про самое главное.

Перец. Одно у нас пока остается неясным — каким клеем склеены микрочастицы в атомном ядре и чем склеены атомы в молекулах.

ИНСТРУМЕНТ «М» — НАШ ВЕРНЫЙ И МОГУЧИЙ ПОМОЩНИК В НАУКЕ И В ЖИЗНИ
(из лекции 6).

ДЧР. Прежде чем начать эту лекцию, хочу сказать несколько слов о ваших занятиях
в школе. Вы посещаете школу 11 лет, проводите на уроках примерно 1000 часов в
год и еще полстолько наверняка тратите на домашние задания. За это время (в сумме
более 16 тысяч часов) вы получаете огромный объем знаний. Наши с вами лекции,
так же как и книга («Самое главное — понять самое главное»), которая будет подготовлена
на их основе, никак не могут конкурировать с возможностями школы и призваны лишь
помочь вам в понимании школьных предметов и отдельных тем. Поэтому автор будущей
книги, составляя ее подробный план, просмотрел школьные учебники и особо выделил
темы, которым, как ему показалось, в школе надо бы уделить больше внимания. Автор
книги попросил меня посвятить этим темам специальные лекции, и одна из таких особо
важных лекций будет вам сейчас представлена.

Сразу же поясню, что стоит за этим придуманным мною таинственным названием «Инструмент «М»…

Голоса. Я и сам знаю — это молоток…- Зачем науке молоток? Инструмент «М» — это монтажный паяльник для сборки и ремонта электронных схем…- Скучно мыслите, дорогие студенты. Инструмент «М» — это сверхсекретный «Магический кристалл», который лазерным лучом режет и соединяет железо, дерево, пластмассу, стекло, одним словом, любые материалы …

ДЧР. Все намного проще, инструмент «М» — это модели.

Голоса. Инструмент «М» — это модели? Такого не может быть… Это какая-то ошибка… У меня дома маленькие модели автомобилей, целая коллекция — 180 штук. И почему они инструмент?.. Каждый ребенок про модели знает — никакой это не научный помощник… И в жизни модели ничем не помогают. Просто игрушки… А я всегда думала, что модель — это красивая женщина, которая проходит перед публикой и модную одежду показывает…Можно считать, что мои куклы — это модели девочек. Они тоже «могучий помощник науки»?

ДЧР: Слово «модель» (от латинского модулус — мерило, образец) сначала употреблялось в смысле «образец для подражания», а также «упрощенная копия чего-то реально существующего», например, небольшая модель парусника, кареты или дворца.

Значение слов со временем может меняться. Шли годы, люди открывали и меняли окружающий мир. При этом им приходилось не только вводить в свой язык (точнее, в языки — их и в древности было немало, а сейчас насчитывают около 2500) новые слова, но и расширять значение старых. Возьмем, к примеру, слово «электричество» (от греческого электрон — янтарь), которым еще 400 лет назад называли загадочную силу, притягивавшую мелкие клочки шелка.

Светлана. А почему вы считаете, что это было 400 лет назад? Я читала, что про электрические силы еще 2500 лет назад знали древние греки.

ДЧР. Действительно, книги тех времен подтверждают, что в опытах с натертым янтарем появляются неизвестные ранее силы. Но нигде не сказано, что уже греки назвали эти силы электричеством. И точно известно, что более 400 лет назад это слово ввел в свои научные отчеты известный английский врач и исследователь электричества Вильям Гильберт. То было удивительное время — мир возрождался после долгого средневекового сна, мы с вами позже посвятим этой эпохе Возрождения специальную лекцию.

Но вернемся, однако, к слову «электричество» — сейчас оно обозначает совсем не то, что во времена Гильберта. Сегодня электричество — это мощнейшие электростанции, это свет в домах и на улицах, миллионы электромоторов, помогающих нашим мускулам, электропоезда, красочный телеэкран и рентгеновский аппарат, позволяющий врачу заглянуть внутрь нашего тела.

Значение некоторых слов меняется, когда люди начинают глубже понимать то, что с этими словами связано. Возьмите, к примеру, такое слово, как «теплота», оно всегда называло знакомые всем, но необъяснимые свойства нагретых предметов, а сейчас обозначает еще и тщательно изученные процессы в мире атомов и молекул: температура воды в чайнике растет потому, что при нагреве усиливается беспорядочное движение молекул, они чаще и сильней соударяются и больше выделяют энергии.

Сергей. Еще очень изменился смысл слова «знание». Его, конечно, ценили и раньше — в каменном веке наверняка уважали охотника, который лучше других знал, как выследить мамонта. Но еще больше, я думаю, в те времена ценили силу и ловкость. А сейчас все понимают, что самое главное — это знания, от них все богатство человечества.

Жорик. И зарплата за знания намного больше, чем за физическую работу.

Перец. Мы начали этот интересный разговор о словах для того, чтобы как-то пояснить два важных для нас слова — «инструмент» и «модель». Так давайте поговорим именно про них.

ДЧР. Очень своевременное предложение. Начнем, пожалуй, со слова «инструмент».

Инструмент — это не только молоток, пила или отвертка. Представьте себе, что мы с вами сочиняем словарь для младших школьников и нам нужно очень коротко объяснить, что такое инструмент. Какие будут предложения?

Никита. Инструмент — это как бы железное продолжение человеческой руки, инструмент позволяет нам делать то, что руками сделать трудно или невозможно — разрезать доски, отвинчивать гайки, забивать или выдергивать гвозди.

Зурик. Инструмент — это все, что помогает человеку работать. У плотника — это пила, у зубного врача — бормашина, у милиционера — свисток.

Саша. Инструмент — это предметы, процессы и правила, которые увеличивают возможности работающего человека. Люди широко используют такие инструменты, как молоток, микроскоп и телескоп, как таблица умножения, грамматические правила, помогающие нам писать без ошибок, микрокалькулятор, кардиограф, на экране которого врач видит, как работает наше сердце, математические формулы, позволяющие быстро и легко вычислять площадь круга или объем шара, часы — инструмент для определения времени.

ДЧР. Это последнее объяснение получает первую премию. Автор подчеркнул главное — в наше время слово «инструмент» имеет очень широкий смысл. Теперь мы можем смело отметить, что к числу наших помощников-инструментов относятся многочисленные и разнообразные модели.

В выпущенной чуть более ста лет назад Энциклопедии издателей Ф. А. Брокгауза и И. А. Ефрона сказано, что модель — это «подобие какого-либо предмета, сделанное из дерева, пробки, картона, воска, глины, металла или другого вещества, воспроизводящее этот предмет с точностью, но в уменьшенном виде». Лет через 30 первое издание БСЭ (Большая советская энциклопедия) сообщает, что модель — это ценный инструмент авиаконструктора : уменьшенные модели самолетов можно исследовать в воздушном потоке, а затем учитывать результаты этих исследований при конструировании настоящих, больших машин.

Проходит еще лет тридцать-сорок, и очередное издание БСЭ представляет слово «модель»
в его нынешнем, широком значении — это, в частности, условный или мысленный образ
какого-либо объекта, например рисунок, чертеж, описание, карта, таблица, схема,
план и так далее. При определенных условиях этот образ используется в качестве
«заменителя» или «представителя» самого объекта. И далее сообщается, что моделирование,
то есть создание моделей и работу с ними, широко используют для исследований в
биологии, физике, астрономии, геологии, одним словом, практически во всех науках.
От себя добавлю, что и мы с вами, даже не замечая этого, пользуемся мысленным
моделированием при решении своих житейских задач.

Перец. А можно привести несколько примеров, показывающих, как модели помогают науке?

ДЧР. Конечно и вы эти примеры прекрасно знаете, но только не думали о них как о работе с моделями — были в плену старых представлений об этом слове.

Итак — несколько примеров.

Пример первый: чертежи, незаменимая модель для конструктора, создающего новую машину, и для механика, ремонтирующего старую. Без этой модели, без чертежа, конструктору пришлось бы заказывать детали для новой машины (например, стальные шестеренки) и, получив их, пробовать — подойдут они или не подойдут. Вместо этого безумия конструктор сначала отрабатывает машину на модели — в чертежах, свободно меняя или уточняя форму, размеры и расположение деталей. Разумеется, потом создаются опытные образцы машины и подправляется то, что было неточно отработано в чертежах. Но такие неизбежные, как правило, поправки даже сравнивать нельзя с огромным объемом переделок в машине, сконструированной без чертежа, «на глазок».

Андрей. Я все понял: работа с моделью позволяет без особого труда отработать и проверить на ней все, что нужно отработать и проверить. После этого любое дело можно делать уверенно, быстро и правильно.

ДЧР. Об этом можно сказать еще и так: работа с моделью избавляет от утомительного и дорогого метода проб и ошибок.

Но вернемся, однако, к нашему списку моделей.

Пример второй: анализ крови, список важнейших ее составляющих с указанием их количества. Эта модель (анализ крови) многое говорит врачу о состоянии пациента, о том, какие биохимические процессы протекают в его организме нормально, а какие с отклонениями от нормы. Через некоторое время врач вновь делает анализ крови и по изменениям в этой модели видит, как подействовали на пациента лекарства и как вообще протекает болезнь.

Пример третий: географическая карта, модель местности, в пояснениях и оценках не нуждается.

Пример четвертый: математическое описание теоремы Пифагора: а² + b² = с², где а и b — катеты прямоугольного треугольника, а с — его гипотенуза. С помощью этой модели можно без труда узнать длину какой-либо стороны треугольника, если известна длина двух других сторон. Подобные математические модели создаются для самых разных Предметов и Процессов , и на этих моделях предварительно отрабатывают, а затем безошибочно выполняют очень сложные операции — от компьютерного проектирования микропроцессоров и поисков месторождений нефти до запуска космических аппаратов на Марс.

Пример пятый: электрическая схема телевизора — модель всех его электрических цепей и соединения всех его деталей.

Пример шестой: кузов легкового автомобиля в натуральную величину, изготовленный из цветного пластилина. На такой модели дизайнер отрабатывает внешние формы будущей машины. Продолжать?

Никита. Не нужно — все понятно. Сдаемся…

ДЧР. А вместе с тем огромное число людей имеют о моделях совершенно неверное представление. Недавно в нашей поселковой библиотеке я просматривал переведенную с английского великолепную детскую энциклопедию, в ней написано вот что: «Модель — маленькая копия чего-нибудь большого». Это так, но это лишь одно из многих значений исключительно важного слова «модель».

Паша. У меня есть просьба. Модели, о которых мы узнали, в основном относятся к науке. А название лекции говорит, что модели — это наш помощник еще и в жизни. Можно попросить вас привести хотя бы один пример того, как это делается — как модели помогают нам жить?

ДЧР. Сначала скажу о жизни как о биологическом процессе.

В биологических процессах модели используются на каждом шагу, а одна из моделей сделала возможным само существование жизни. До сих пор мы в основном говорили про модель, которую можно назвать упрощенной копией какой-то реальности. Так, например, географическая карта — упрощенная копия местности, на небольшой карте мы видим огромную территорию, находим место, где встречаются две нужные нам дороги, легко определяем расстояние до этого места. Но модель — это не только упрощенная копия реальности, моделью также называют образец, по которому создается какое-либо изделие. В современном производстве обязательно есть утвержденный образец (эталон) автомобиля, телевизора или вертолета, и все машины, которые сходят с заводского конвейера, — это копии эталонного образца, копии тщательно испытанной и утвержденной модели.

Все вы, конечно, слышали, что в клетках каждого растения, каждого животного, насекомого,
каждой одноклеточной бактерии есть большая молекула по имени ДНК. Большая в том
смысле, что это цепочка из молекулярных блоков, в которой в сумме может быть несколько
миллионов атомов. Молекула ДНК — это особый химический чертеж, в котором определенным
расположением атомов записано все устройство организма. Но, кроме того, молекула
ДНК — это еще и эталонный образец, с которого копируются новые молекулы ДНК, они
по наследству передаются следующим поколениям растений или животных и именно поэтому
пра-пра-правнучка вашей кошки устроена так же, как ее пра-пра-прабабушка. Эстафета
жизни на нашей планете началась тогда, когда природа научилась копировать молекулярные
чертежи с первого удачно сложившегося образца — с первой молекулярной модели.

Теперь о роли моделей и моделирования в повседневной жизни. Начну с забавной, но с серьезным смыслом истории, которую очень советую запомнить.

Много лет назад в книжке с картинками я прочитал о мальчике, у которого была хорошая табуретка, но с маленьким недостатком — она неровно стояла на полу. Мальчик решил поправить дело и немного подпилил одну ножку — табуретку еще больше перекосило. Слегка подпилил вторую ножку — табуретку перекосило в другую сторону. Снова что-то подпилил и опять перекос. Так этот мастер, пробуя и ошибаясь, постепенно спилил у табуретки все ножки, своими руками уничтожил любимую мебель. Ничего этого не случилось бы, если бы мальчик сначала все проделал на модели, в данном случае — на чертеже. Измерил бы длину всех ножек, набросал бы простенький чертеж и на нем отметил бы, какую ножку и на сколько миллиметров нужно укоротить.

А теперь вопрос: мог ли мальчик все сделать хорошо и правильно без чертежа?

Зурик. Никогда в жизни!

Маша. Конечно, мог бы. Надо было померить длину ножек, а затем подумать и в уме сообразить, какую ножку на сколько укоротить. И никакой чертеж для такого пустякового дела не нужен.

Андрей. Если бы он подумал, то одной ножкой все обошлось бы — у меня уже был такой случай. А этот дурачок взялся пилить не думаючи.

ДЧР. То, что я хочу сказать вам в заключение лекции, начинается с этих очень правильных ответов — прежде чем брать в руки пилу, мальчику надо было подумать. Но что это конкретно значит «надо было подумать»? Известно, что мы думаем головой, мозгами, что же конкретно происходит в нашей голове, в мозгах, когда мы о чем-нибудь думаем?

В большинстве случаев мышление — это создание моделей в нейронных сетях головного мозга и работа с этими мысленными моделями. Главные работающие детали мозга — нервные клетки, нейроны, в головном мозге человека их больше 10 миллиардов. Несколькими своими отростками, напоминающими тончайшие волоски проводов, каждый нейрон как-то связан с несколькими другими нейронами (напомню — их более 10 миллиардов!), часто и очень быстро обменивается с ними электрохимическими сигналами (нервными импульсами), и все это вместе образует сложнейшую систему связи и обработки сигналов. Называется эта система «нейронная сеть». Именно в нейронной сети каким-то способом создаются модели того, о чем вы думаете, именно в нейронных сетях идут какие-то процессы, из которых складывается то, что мы называем высоким словом «мышление».

Светлана. Что это значит «каким-то образом создаются модели»? Каким именно способом они создаются? Как, например, выглядит в нейронной сети модель тарелки, которую я хочу помыть?

Федя Ли. И как понять такие ваши слова — «в нейронных сетях идут какие-то процессы, из которых складывается наше мышление»? Что происходит в нейронной сети, если я решил помочь Светлане и подумал: «Наведу-ка я сначала порядок на столе»?

Сергей. Я тоже решил включиться в эту уборку квартиры и для начала пропылесосить ковер. Как выглядит в нейронной сети это мое решение? Как в нужный момент будут посланы нужные команды мускулам рук, которые должны взять пылесос, включить его и перемещать по ковру?

ДЧР. Должен вас огорчить — сегодня вряд ли кто-нибудь возьмется на эти вопросы ответить.

Наука очень многое сделала для понимания великой загадки человеческого мышления и энергично продвигается к этому пониманию по двум главным направлениям. Одно из них традиционное — глубокие исследования физиологов, молекулярных биологов, психологов. На другом направлении в основном работают математики, инженеры, лингвисты, они пытаются создать искусственный интеллект, пытаются научить электронные вычислительные машины делать то, что умеет наш мозг. Но, мне кажется, еще далеко до того момента, когда об исследовании человеческого мышления можно будет сказать: «Дело сделано — теперь все ясно».

ГЛАВНЫЕ РАБОТНИКИ
ВСЕЛЕННОЙ
(из лекции 4).

ДЧР. Так сложилось, что, размышляя об устройстве нашего мира, мы в основном обращаем внимание на Предметы — мы с вами уже коротко говорили о таких природных шедеврах, как звезды, галактики, атомы, микрочастицы, молекулы. Предметы, однако, не находятся в состоянии абсолютного покоя, с ними всегда что-то происходит: в закипающем чайнике вода превращается в пар, планеты вращаются вокруг Солнца, в солнечном веществе соединяются ядра атомов водорода, выбрасывая порции тепла и света. Короче говоря, наш мир — это не только невообразимое разнообразие Предметов, но еще и невообразимое разнообразие Процессов. Некоторые из них обязательно нужно подкармливать энергией, другие же, наоборот, сами выделяют энергию, расходуя какие-то свои запасы.

Все разнообразие Процессов нашего мира кормится всего лишь пятеркой Главных сил. Сегодня известны пять главных работников Вселенной, пять главных сил, с которыми связаны все Процессы, идущие в нашем мире. Для начала перечислим эти силы, пока без комментариев: 1. Гравитация (от латинского гравис — тяжелый). 2. Электрические силы. 3. Магнитные силы. И, наконец, действующие только в микромире две силы со странными названиями. 4. Сильные (ядерные) силы и 5. Слабые силы. Попробую коротко представить вам эту великолепную пятерку.

Гравитационные силы каким-то образом тянут друг к другу два любых предмета — две молекулы, две звезды, два яблока на тарелке. Человек, видимо, обнаружил гравитацию миллионы лет назад, когда он еще не был Человеком разумным — наши далекие предки начали присматриваться к окружающему миру и поняли, что все почему-то притягивается к земле.

Зурик. Это, я думаю, была самая первая в мире научная мысль.

Андрей. Гениальный был мужик, который первым подумал о земном притяжении.

Светлана. Самый настоящий гений. Все другие с трудом поднимали тяжелые камни, спотыкались и падали носом в песок, собирали упавшие на землю спелые бананы, но никто не подумал, почему все всегда двигается сверху вниз. А этот пещерный Архимед понял, что у земли есть какая-то притягивающая сила, которую мы теперь называем гравитацией или тяготением.

ДЧР. Две с половиной тысячи лет назад древнегреческие мыслители подумали,
что гравитационным силам должны быть подвластны все небесные тела, что под действием
этих сил Луна камнем упала бы на Землю, если бы ее не удерживала какая-то иная
сила. А около 320 лет назад, в 1687 году, великий физик и математик Исаак Ньютон
коротко и четко, в виде простой формулы (рис. 9), показал, от чего зависят гравитационные
силы, и назвал их Всемирным тяготением (согласно толковому словарю, тяготение
— свойство тел притягивать друг друга, стремление к чему-нибудь или к кому-нибудь).
Важное примечание: r — это расстояние между центрами тяжести двух тел, и если
тело шарообразное, то его центр тяжести совпадает с центром шара (рис. 9).

Арбуз, который у нас на Земле весит 10 килограмм, на Солнце весил бы значительно больше, а на Луне значительно меньше. Вы, конечно, догадались, почему на Солнце вес арбуза увеличивается, а на Луне уменьшается…

Голоса. Догадались… Догадались, догадались… Еще как догадались…

Катя. А я не догадалась. Может, кто-то все это и понимает, а мне совершенно непонятно, почему после путешествия на Луну арбуз похудел, а после путешествия на Солнце — поправился…

Маша. Тебе все непонятно потому, что ты математику ненавидишь и даже слушать не хочешь то, что она тебе так понятно и дружелюбно объясняет.

Саша. Сам арбуз нисколько не изменился, изменилась сила его притяжения к небесному телу: на Солнце эта сила больше, чем на Земле, на Луне — меньше.

Андрей. Посмотри на формулу Всемирного тяготения. Когда дело происходит на Земле, то в спектакле участвуют масса Земли m₁ и масса арбуза m₂, а буквой F обозначена сила притяжения арбуза к Земле.

Катя. Здесь мне все понятно: сила F — это вес арбуза…

Зурик. Вот видишь — самое главное ты уже понимаешь. А теперь еще раз посмотри на формулу. Обе массы m₁ и m₂ находятся наверху, в числителе дроби, и поэтому, чем больше m₁ или m₂, тем больше сила F. У Земли масса (m₁) довольно большая, и весит арбуз на Земле немало — 10 килограмм.

Светлана. Давай посмотрим, что будет на Солнце. Теперь m₁ — это масса Солнца, она намного больше земной, и поэтому сила F тоже больше, то есть арбуз на Солнце тяжелее.

Сергей. А масса Луны (теперь m₁ обозначает именно ее) намного меньше земной и арбуз на Луне весит меньше.

Катя. Неужели все так просто?

ДЧР. Ты сделала очень важный шаг к пониманию, и пока, пожалуй, этого достаточно. Но если ты пойдешь в астрофизики, придется вникать в дело поглубже. В дополнение к тому, что вы поняли, для будущих астрофизиков приведу несколько цифр. Масса Земли 6^.10²⁴ килограмма, масса Луны в 81 раз меньше, Солнца — в 330 000 раз больше; земной радиус 6400 километров, лунный — в 3,7 раза меньше, солнечный — в 110 раз больше. Арбуз, который на Земле весит 10 килограмм (или примерно 100 ньютонов), на Луне весил бы 1,7 килограмма (17 ньютонов) и на Солнце 214 килограмм (2140 ньютонов). Всмотритесь в эти цифры, в них скрыто что-то интересное. Попробуйте догадаться что. А я перехожу к следующей главной силе — к электричеству.

Известный сыщик Шерлок Холмс расследует загадку электрических сил в пенопластовых шариках. Электрические силы играют в нашем мире исключительно важную роль. Достаточно сказать, что атомы объединяются в молекулы в основном с помощью электричества — у атомов в молекуле появляются общие электронные орбиты, они как бы стягивают, склеивают атомы, создают из них единую систему. Электрические процессы и сигналы участвуют также в движении живых организмов, в их питании, в обмене веществ, размножении, управлении органами, в мышлении. Несмотря на все это, у живых организмов, за исключением некоторых рыб, нет «электрического чувства», такого, например, как ощущение веса.

Жорик. И правда, берешь, например, чашку с молоком и, не глядя, по весу чувствуешь — полная она или в ней половина. А батарейку сколько ни трогай, никак не почувствуешь, есть еще в ней заряд или весь вышел.

ДЧР. Возможно, именно из-за такой скрытности электричество, работая рядом с нами и в нас самих, так долго оставалось неизвестным. По той же причине знакомство с электрическими силами полезно начинать с опыта, который покажет, что электричество — это не выдумка, что оно реально существует. Опыт простой: потрите тряпкой расческу или пластмассовую палочку, в них проснется дремавшее электричество, и они начнут притягивать мелкие клочки бумаги. Под действием силы тяжести клочки должны падать вниз, а они поднимаются вверх, к натертой палочке. О чем это говорит?

Светлана. О том, что против силы тяжести действует какая-то другая сила. Действует и побеждает.

Зурик. Это и есть электричество. Ура!

ДЧР. Такой же опыт можно проделать и со стеклянной палочкой, в ней при натирании тоже просыпаются электрические силы. А теперь сделаем следующее: подвесим на нитках несколько пенопластовых шариков и будем в разных сочетаниях передавать им электрические силы, прикасаясь к шарикам натертыми палочками. Обнаружится следующая загадочная закономерность: если к двум соседним шарикам прикоснуться разными палочками (пластмассовой и стеклянной) — шарики притягиваются друг к другу, а если к ним прикоснуться одной и той же палочкой — шарики расталкиваются (рис. 11).

Расследуя эту загадку, великий сыщик Шерлок Холмс первым делом спросил бы: «Одинаковые ли у вас шарики?»

Маша. Одинаковые, одинаковые!

ДЧР. Тогда мистер Холмс поинтересуется: «Не меняется ли результат, если провести этот опыт в других помещениях?»

Андрей. Не меняется. Я когда-то делал эти опыты в кухне, на балконе и даже в ванной. Результат одинаковый.

ДЧР. После этого последует уверенный вывод: «В пластмассовой и стеклянной палочках возникают электрические силы двух разных видов». Вывод великого сыщика (это, конечно, шутка, на самом деле две разновидности электричества в 1733 году обнаружил французский физик Шарль Дюфе) теперь можно найти в любом школьном учебнике физики. При этом электрические свойства натертых палочек называют электрическим зарядом, заряд пластмассовой палочки — отрицательным (его обозначают знаком минус (-), а заряд стеклянной палочки — положительным (знак +). Все варианты взаимодействия двух разных сортов электричества описываются одной фразой: «Разноименные электрические заряды (+ и -) взаимно притягиваются, одноименные (+ и + или — и -) взаимно отталкиваются».

Магнитные силы. Проделав несколько похожих опытов с магнитами и стальными гвоздиками, можно убедиться, что в нашем мире есть также два сорта магнитных сил (их назвали северный магнетизм и южный) и что своим взаимодействием они чем-то похожи на электричество.

Еще одна, четвертая по счету, Главная сила природы, без нее наш мир просто не мог бы существовать. Оба вида электричества (+ и -), порознь или совместно прекрасно работают в электрических машинах и электронных аппаратах, но в одном случае скопление одинаковых зарядов становится угрозой существования всей нашей Вселенной.

Жорик. Ух, как страшно — натертая тряпкой стеклянная палочка угрожает человечеству!…

Катя. Чтобы стать остроумным, нужно сначала стать умным. Так что ты, дорогой Георгий, не спеши свои шутки шутить, послушай сначала, что тебе рассказывают и постарайся понять. Если сумеешь.

ДЧР. Начнем с того, что некоторые микрочастицы имеют свой электрический заряд: у электронов, например, как у натертой пластмассовой палочки он отрицательный (-), у протонов, как у натертой стеклянной палочки, — положительный (+). Именно этот электрический «плюс» протонов мог бы стать причиной разрушения нашей Вселенной. Как вы думаете — почему?

Саша. Тут особо и думать нечего — одноименные заряды взаимно отталкиваются. Поэтому если собрать в атомном ядре несколько протонов, то они сразу начнут расталкивать друг друга и разлетятся в разные стороны — ядро развалится, а вместе с ним и атом. А поскольку это произойдет одновременно во всех атомах Вселенной, то она мгновенно рассыплется — превратится в хаос микрочастиц.

Катя. Какой ужас!

Жорик. Почему же этого не происходит?

ДЧР. Действительно — почему этого не происходит? Наша Вселенная, несмотря на расталкивание протонов в атомных ядрах, вот уже 13 миллиардов лет остается целой и невредимой. Почему?

Федя Ли. У нас уже была похожая история в электрических опытах — сила тяжести, то есть гравитация, тянула клочки бумаги вниз, а они двигались вверх. Потому, что против гравитации действовала другая, более сильная сила — электричество.

Андрей. А в атомном ядре против электричества действует еще какая-то сила, более сильная — она сжимает протоны, стягивает их вместе, не дает им разлететься.

ДЧР. Эта «еще какая-то сила» называется ядерной или, иначе, сильной силой, она действует в 100 раз сильней электричества, которое в свою очередь в триллионы триллионов раз сильней гравитации. Именно ядерные силы, поборов электрическое расталкивание протонов, крепко соединяют их в атомном ядре и обеспечивают устойчивость нашего мира.

Паша. А нельзя нам проделать опыты, вроде натирания стеклянной палочки, и своими глазами увидеть, как действуют ядерные силы?

ДЧР. К сожалению, это невозможно — ядерные силы начинают действовать на очень малых, недоступных нашему зрению, расстояниях, когда между протонами остаются миллиардные доли миллиметра. Кстати, есть еще одна действующая только в микромире Главная сила. Она участвует в некоторых редких ядерных процессах и называется слабой силой, поскольку в тысячи триллионов раз слабее сильных сил.

Две ветки одного куста поначалу приняли за два отдельных кустика. Долгое время считали, что электричество и магнетизм — это две отдельные, самостоятельные силы. Но примерно 200 лет назад в довольно простых опытах с электричеством обнаружили, что оно само может создавать магнитные силы, а затем поняли, что с помощью магнитов можно получать электричество. Теоретики объяснили, а эксперименты подтвердили, что электрические и магнитные силы — это лишь разные проявления одной физической реальности, чтобы никого не обижать, ее назвали электромагнетизмом. Но еще лет через сто выяснилось, что этот «союз двух» — самостоятельно работающая часть «союза трех»: в микромире открыли электрослабую силу, природное объединение электромагнитных и слабых сил.

Понимание природы и свойств электромагнетизма произвело переворот в технике и технологиях, подарило людям миллиарды неутомимых помощников — электродвигатели и мощные электрогенераторы, каждый из которых может зажечь 10 — 20 миллионов лампочек. В числе подарков оказались и радиоволны, связавшие континенты и доставляющие в наши дома десятки телевизионных программ. Открытие электромагнетизма, особенно после того, как к нему добавились слабые силы и обнаружился «союз трех», дало физикам повод думать о «Великом объединении» — о единой природе всех Главных сил нашего мира. В то же время в реальной жизни электромагнетизм иногда работает своей электрической составляющей (карманный фонарик), иногда магнитной (магнитофон), и это дает повод по старинке считать, что в нашем мире действует великолепная пятерка Главных сил.

На этом надо бы закончить нашу лекцию, но я понимаю, что у вас есть вопросы.

Голоса. Вопросов миллион… Первый мой: почему Луна не падает на Землю, если ее так сильно тянет гравитация?.. А у меня такой вопрос: как электрические силы, магнитные силы и гравитация двигают разные предметы? Может быть, они их тянут невидимыми атомными нитями?.. Почему гравитация и ядерные силы умеют только притягивать, а электричество и магнетизм могут еще и отталкивать?.. Это правда, что физики ищут гравитацию, которая не притягивает, а отталкивает предметы, и уже назвали ее — антигравитация? Вот будет здорово, если эту антигравитацию найдут, — за счет отталкивания от Земли каждый сможет бесплатно летать куда угодно… Как на атомных электростанциях ядерные силы превращаются в электрические?. . Из чего состоят радиоволны?.. Вы сказали, что гравитация в несколько триллионов раз слабее электричества. Почему же она с такой силой притягивает к земле чемодан, с которым бабушка приезжает к нам в гости?..

ДЧР. Давайте на этом бабушкином чемодане пока остановимся — я понял, что вопросов у вас действительно миллион, и все очень интересные. Напишите, пожалуйста, свои вопросы на листках бумаги и завтра передайте их мне — постараюсь в следующих лекциях на них ответить. А сейчас
вам пора отдохнуть после непростого учебного дня. Спокойной ночи и до встречи завтра — на том же месте в тот же час.

(Продолжение следуют)

Строение протона и нейтрона. Основные характеристики протона, нейтрона и электрона

Изучая строение вещества, физики узнали, из чего сделаны атомы, добрались до атомного ядра и расщепили его на протоны и нейтроны. Все эти шаги давались довольно легко — надо было лишь разогнать частицы до нужной энергии, столкнуть их друг с другом, и тогда они сами разваливались на составные части.

А вот с протонами и нейтронами такой трюк уже не прошел. Хотя они и являются составными частицами, их не удается «разломать на части» ни в каком даже самом сильном столкновении. Поэтому физикам потребовались десятилетия для того, чтобы придумать разные способы заглянуть внутрь протона, увидеть его устройство и форму. В наши дни изучение структуры протона — одна из самых активных областей физики элементарных частиц.

Природа дает намеки

История изучения структуры протонов и нейтронов берет свое начало с 1930-х годов. Когда в дополнение к протонам были открыты нейтроны (1932), то, измерив их массу, физики с удивлением обнаружили, что она очень близка к массе протона. Более того, оказалось, что протоны и нейтроны «чувствуют» ядерное взаимодействие совершенно одинаковым образом. Настолько одинаковым, что, с точки зрения ядерных сил, протон и нейтрон можно считать как бы двумя проявлениями одной и той же частицы — нуклона: протон — это электрически заряженный нуклон, а нейтрон — нейтральный нуклон. Поменяйте протоны на нейтроны — и ядерные силы (почти) ничего не заметят.

Физики это свойство природы выражают как симметрию — ядерное взаимодействие симметрично относительно замены протонов на нейтроны, подобно тому как бабочка симметрична относительно замены левого на правое. Эта симметрия, кроме того что она сыграла важную роль в ядерной физике, была на самом деле первым намеком на то, что у нуклонов имеется интересное внутреннее строение. Правда, тогда, в 30-е годы, физики этот намек не осознали.

Понимание пришло позже. Началось с того, что в 1940–50-е годы в реакциях столкновения протонов с ядрами различных элементов ученые с удивлением обнаруживали всё новые и новые частицы. Не протоны, не нейтроны, не открытые к тому времени пи-мезоны, которые удерживают нуклоны в ядрах, а какие-то совсем новые частицы. При всём своем разнообразии эти новые частицы обладали двумя общими свойствами. Во-первых, они, так же как и нуклоны, очень охотно участвовали в ядерных взаимодействиях — сейчас такие частицы называют адронами. А во-вторых, они были исключительно нестабильными. Самые неустойчивые из них распадались на другие частицы всего за триллионную долю наносекунды, не успев пролететь даже на размер атомного ядра!

Долгое время «зоопарк» адронов представлял из себя полную мешанину. В конце 1950-х годов физики узнали уже достаточно много разных видов адронов, начали сравнивать их друг с другом и вдруг увидели некую общую симметричность, даже периодичность их свойств. Была высказана догадка, что внутри всех адронов (в том числе и нуклонов) сидят некие простые объекты, которые получили название «кварки». Комбинируя кварки разными способами, можно получать разные адроны, причем именно такого типа и с такими свойствами, которые обнаруживались в эксперименте.

Что делает протон протоном?

После того как физики открыли кварковое устройство адронов и узнали, что кварки бывают нескольких разных сортов, стало понятно, что из кварков можно сконструировать много различных частиц. Так что уже никого не удивляло, когда последующие эксперименты продолжали один за другим находить новые адроны. Но среди всех адронов обнаружилось целое семейство частиц, состоящих, точно так же как и протон, только из двух u
-кварков и одного d
-кварка. Этакие «собратья» протона. И вот тут физиков подстерегал сюрприз.

Давайте сначала сделаем одно простое наблюдение. Если у нас есть несколько предметов, состоящих из одинаковых «кирпичиков», то более тяжелые предметы содержат больше «кирпичиков», а более легкие — меньше. Это очень естественный принцип, который можно называть принципом комбинирования или принципом надстройки, и он прекрасно выполняется как в повседневной жизни, так и в физике. Он проявляется даже в устройстве атомных ядер — ведь более тяжелые ядра просто состоят из большего числа протонов и нейтронов.

Однако на уровне кварков этот принцип совершенно не работает, и, надо признаться, физики еще не до конца разобрались, почему. Оказывается, тяжелые собратья протона тоже состоят из тех же самых кварков, что и протон, хотя они в полтора, а то и в два раза тяжелее протона. Они отличаются от протона (и различаются между собой) не составом,
а взаимным расположением
кварков, тем, в каком состоянии относительно друг друга эти кварки находятся. Достаточно изменить взаимное положение кварков — и мы из протона получим другую, заметно более тяжелую, частицу.

А что будет, если все-таки взять и собрать вместе больше трех кварков? Получится ли новая тяжелая частица? Удивительно, но не получится — кварки разобьются по трое и превратятся в несколько разрозненных частиц. Почему-то природа «не любит» объединять много кварков в одно целое! Лишь совсем недавно, буквально в последние годы, стали появляться намеки на то, что некоторые многокварковые частицы всё же существуют, но это лишь подчеркивает, насколько природа их не любит.

Из этой комбинаторики следует очень важный и глубокий вывод — масса адронов вовсе не складывается из массы кварков. Но если массу адрона можно увеличить или уменьшить простым перекомбинированием составляющих его кирпичиков, значит, вовсе не сами кварки ответственны за массу адронов. И действительно, в последующих экспериментах удалось узнать, что масса самих кварков составляет лишь около двух процентов от массы протона, а вся остальная тяжесть возникает за счет силового поля (ему отвечают специальные частицы — глюоны), связывающего кварки вместе. Изменяя взаимное расположение кварков, например отодвигая их подальше друг от друга, мы тем самым изменяем глюонное облако, делаем его более массивным, из-за чего и возрастает масса адрона (рис. 1).

Что творится внутри быстро летящего протона?

Всё описанное выше касается неподвижного протона, на языке физиков — это устройство протона в его системе покоя. Однако в эксперименте структура протона была впервые обнаружена в других условиях — внутри быстро летящего
протона.

В конце 1960-х годов в экспериментах по столкновению частиц на ускорителях было замечено, что летящие с околосветовой скоростью протоны вели себя так, словно энергия внутри них не распределена равномерно, а сконцентрирована в отдельных компактных объектах. Эти сгустки вещества внутри протонов знаменитый физик Ричард Фейнман предложил называть партонами
(от английского part —
часть).

В последующих экспериментах были изучены многие свойства партонов — например, их электрический заряд, их количество и доля энергии протона, которую каждый из них несет. Оказывается, заряженные партоны — это кварки, а нейтральные партоны — это глюоны. Да-да, те самые глюоны, которые в системе покоя протона просто «прислуживали» кваркам, притягивая их друг к другу, теперь являются самостоятельными партонами и наряду с кварками несут «вещество» и энергию быстро летящего протона. Опыты показали, что примерно половина энергии запасена в кварках, а половина — в глюонах.

Партоны удобнее всего изучать в столкновении протонов с электронами. Дело в том, что, в отличие от протона, электрон не участвует в сильных ядерных взаимодействиях и его столкновение с протоном выглядит весьма просто: электрон на очень короткое время испускает виртуальный фотон, который врезается в заряженный партон и порождает в конце концов большое число частиц (рис. 2). Можно сказать, что электрон является отличным скальпелем для «вскрытия» протона и разделения его на отдельные части — правда, лишь на очень короткое время. Зная, как часто происходят такие процессы на ускорителе, можно измерить количество партонов внутри протона и их заряды.

Кто такие партоны на самом деле?

И здесь мы подходим к еще одному поразительному открытию, которое сделали физики, изучая столкновения элементарных частиц при высоких энергиях.

В обычных условиях вопрос о том, из чего состоит тот или иной предмет, имеет универсальный ответ для всех систем отсчета. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода — и не важно, смотрим ли мы на неподвижную или на движущуюся молекулу. Однако это правило — казалось бы, такое естественное! — нарушается, если речь идет об элементарных частицах, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. В одной системе отсчета сложная частица может состоять из одного набора субчастиц, а в другой системе отсчета — из другого. Получается, что состав — понятие относительное
!

Как такое может быть? Ключевым здесь является одно важное свойство: количество частиц в нашем мире не фиксировано — частицы могут рождаться и исчезать. Например, если столкнуть вместе два электрона с достаточно большой энергией, то вдобавок к этим двум электронам может родиться либо фотон, либо электрон-позитронная пара, либо еще какие-нибудь частицы. Всё это разрешено квантовыми законами, именно так и происходит в реальных экспериментах.

Но этот «закон несохранения» частиц работает при столкновениях
частиц. А как же получается, что один и тот же протон с разных точек зрения выглядит состоящим из разного набора частиц? Дело в том, что протон — это не просто три кварка, сложенные вместе. Между кварками существует силовое глюонное поле. Вообще, силовое поле (как, например, гравитационное или электрическое поле) — это некая материальная «сущность», которая пронизывает пространство и позволяет частицам оказывать силовое влияние друг на друга. В квантовой теории поле тоже состоит из частиц, правда из особенных — виртуальных. Количество этих частиц не фиксировано, они постоянно «отпочковываются» от кварков и поглощаются другими кварками.

Покоящийся
протон действительно можно представить себе как три кварка, между которыми перескакивают глюоны. Но если взглянуть на тот же протон из другой системы отсчета, словно из окна проезжающего мимо «релятивистского поезда», то мы увидим совсем иную картину. Те виртуальные глюоны, которые склеивали кварки вместе, покажутся уже менее виртуальными, «более настоящими» частицами. Они, конечно, по-прежнему рождаются и поглощаются кварками, но при этом какое-то время живут сами по себе, летят рядом с кварками, словно настоящие частицы. То, что выглядит простым силовым полем в одной системе отсчета, превращается в другой системе в поток частиц! Заметьте, сам протон мы при этом не трогаем, а только смотрим на него из другой системы отсчета.

Дальше — больше. Чем ближе скорость нашего «релятивистского поезда» к скорости света, тем более удивительную картину внутри протона мы увидим. По мере приближения к скорости света мы заметим, что глюонов внутри протона становится всё больше и больше. Более того, они иногда расщепляются на кварк-антикварковые пары, которые тоже летят рядом и тоже считаются партонами. В результате ультрарелятивистский протон, т. е. протон, движущийся относительно нас со скоростью, очень близкой к скорости света, предстает в виде взаимопроникающих облачков кварков, антикварков и глюонов, которые летят вместе и как бы поддерживают друг друга (рис. 3).

Читатель, знакомый с теорией относительности, может забеспокоиться. Вся физика основана на том принципе, что любой процесс протекает одинаково во всех инерциальных системах отсчета. А тут получается, что состав протона зависит от системы отсчета, из которой мы его наблюдаем?!

Да, именно так, но это никак не нарушает принцип относительности. Результаты физических процессов — например, какие частицы и сколько рождаются в результате столкновения — действительно оказываются инвариантными, хотя состав протона зависит от системы отсчета.

Эта необычная на первый взгляд, но удовлетворяющая всем законам физики ситуация схематично проиллюстрирована на рисунке 4. Здесь показано, как столкновение двух протонов с большой энергией выглядит в разных системах отсчета: в системе покоя одного протона, в системе центра масс, в системе покоя другого протона. Взаимодействие между протонами осуществляется через каскад расщепляющихся глюонов, но только в одном случае этот каскад считается «внутренностью» одного протона, в другом случае — частью другого протона, а в третьем — это просто некий объект, которым обмениваются два протона. Этот каскад существует, он реален, но к какой части процесса его надо относить — зависит от системы отсчета.

Трехмерный портрет протона

Все результаты, про которые мы только что рассказали, базировались на экспериментах, выполненных довольно давно — в 60–70-х годах прошлого века. Казалось бы, с тех пор всё уже должно быть изучено и все вопросы должны найти свои ответы. Но нет — устройство протона по-прежнему остается одной из самых интересных тем в физике элементарных частиц. Более того, в последние годы интерес к ней снова возрос, потому что физики поняли, как получить «трехмерный» портрет быстро движущегося протона, который оказался гораздо сложнее портрета неподвижного протона.

Классические эксперименты по столкновению протонов рассказывают лишь о количестве партонов и их распределении по энергии. В таких экспериментах партоны участвуют как независимые объекты, а значит, из них нельзя узнать, как партоны расположены друг относительно друга, как именно они складываются в протон. Можно сказать, что долгое время физикам был доступен лишь «одномерный» портрет быстро летящего протона.

Для того чтобы построить настоящий, трехмерный, портрет протона и узнать распределение партонов в пространстве, требуются гораздо более тонкие эксперименты, чем те, которые были возможны 40 лет назад. Такие эксперименты физики научились ставить совсем недавно, буквально в последнее десятилетие. Они поняли, что среди огромного количества разных реакций, которые происходят при столкновении электрона с протоном, есть одна особенная реакция — глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние
, —
которая и сможет рассказать о трехмерной структуре протона.

Вообще, комптоновским рассеянием, или эффектом Комптона, называют упругое столкновение фотона с какой-нибудь частицей, например с протоном. Выглядит оно так: прилетает фотон, поглощается протоном, который на короткое время переходит в возбужденное состояние, а потом возвращается в исходное состояние, испуская фотон в каком-нибудь направлении.

Комптоновское рассеяние обычных световых фотонов не приводит ни к чему интересному — это простое отражение света от протона. Для того чтобы «вступила в игру» внутренняя структура протона и «почувствовались» распределения кварков, надо использовать фотоны очень большой энергии — в миллиарды раз больше, чем в обычном свете. А как раз такие фотоны — правда, виртуальные — легко порождает налетающий электрон. Если теперь объединить одно с другим, то и получится глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние (рис. 5).

Главная особенность этой реакции состоит в том, что она не разрушает протон. Налетающий фотон не просто бьет по протону, а как бы тщательно его ощупывает и затем улетает прочь. То, в какую сторону он улетает и какую часть энергии у него отбирает протон, зависит от устройства протона, от взаимного расположения партонов внутри него. Именно поэтому, изучая этот процесс, можно восстановить трехмерный облик протона, как бы «вылепить его скульптуру».

Правда, для физика-экспериментатора сделать это очень непросто. Нужный процесс происходит довольно редко, и зарегистрировать его трудно. Первые экспериментальные данные об этой реакции были получены лишь в 2001 году на ускорителе HERA в немецком ускорительном комплексе DESY в Гамбурге; новая серия данных сейчас обрабатывается экспериментаторами. Впрочем, уже сегодня, на основании первых данных, теоретики рисуют трехмерные распределения кварков и глюонов в протоне. Физическая величина, про которую физики раньше строили лишь предположения, наконец стала «проступать» из эксперимента.

Ждут ли нас какие-нибудь неожиданные открытия в этой области? Вполне вероятно, что да. В качестве иллюстрации скажем, что в ноябре 2008 года появилась интересная теоретическая статья, в которой утверждается, что быстро летящий протон должен иметь вид не плоского диска, а двояковогнутой линзы. Так получается потому, что партоны, сидящие в центральной области протона, сильнее сжимаются в продольном направлении, чем партоны, сидящие на краях. Было бы очень интересно проверить эти теоретические предсказания экспериментально!

Почему всё это интересно физикам?

Зачем вообще физикам надо знать, как именно распределено вещество внутри протонов и нейтронов?

Во-первых, этого требует сама логика развития физики. В мире есть много поразительно сложных систем, с которыми современная теоретическая физика пока не может полностью совладать. Адроны — одна из таких систем. Разбираясь с устройством адронов, мы оттачиваем способности теоретической физики, которые вполне могут оказаться универсальными и, возможно, помогут в чем-то совсем ином, например при изучении сверхпроводников или других материалов с необычными свойствами.

Во-вторых, тут есть непосредственная польза для ядерной физики. Несмотря на почти вековую историю изучения атомных ядер, теоретики до сих пор не знают точный закон взаимодействия протонов и нейтронов.

Им приходится этот закон отчасти угадывать, исходя из экспериментальных данных, отчасти конструировать на основе знаний о структуре нуклонов. Тут-то и помогут новые данные о трехмерном устройстве нуклонов.

В-третьих, несколько лет назад физики сумели получить ни много ни мало новое агрегатное состояние вещества — кварк-глюонную плазму. В таком состоянии кварки не сидят внутри отдельных протонов и нейтронов, а свободно гуляют по всему сгустку ядерного вещества. Достичь его можно, например, так: тяжелые ядра разгоняются в ускорителе до скорости, очень близкой к скорости света, и затем сталкиваются лоб в лоб. В этом столкновении на очень короткое время возникает температура в триллионы градусов, которая и расплавляет ядра в кварк-глюонную плазму. Так вот, оказывается, что теоретические расчеты этого ядерного плавления требуют хорошего знания трехмерного устройства нуклонов.

Наконец, эти данные очень нужны для астрофизики. Когда тяжелые звезды взрываются в конце своей жизни, от них часто остаются чрезвычайно компактные объекты — нейтронные и, возможно, кварковые звезды. Сердцевина этих звезд целиком состоит из нейтронов, а может быть даже и из холодной кварк-глюонной плазмы. Такие звезды уже давно обнаружены, но что происходит у них внутри — можно только догадываться. Так что хорошее понимание кварковых распределений может привести к прогрессу и в астрофизике.

Что такое нейтрон? Каковы его структура, свойства и функции? Нейтроны — это самые большие из частиц, составляющих атомы, являющиеся строительными блоками всей материи.

Структура атома

Нейтроны находятся в ядре — плотной области атома, также заполненной протонами (положительно заряженными частицами). Эти два элемента удерживаются вместе при помощи силы, называем ядерной. Нейтроны имеют нейтральный заряд. Положительный заряд протона сопоставляется с отрицательным зарядом электрона для создания нейтрального атома. Несмотря на то что нейтроны в ядре не влияют на заряд атома, они все же обладают многими свойствами, которые влияют на атом, включая уровень радиоактивности.

Нейтроны, изотопы и радиоактивность

Частица, которая находится в ядре атома — нейтрон на 0,2% больше протона. Вместе они составляют 99,99% всей массы одного и того же элемента могут иметь различное количество нейтронов. Когда ученые ссылаются на атомную массу, они имеют в виду среднюю атомную массу. Например, углерод обычно имеет 6 нейтронов и 6 протонов с атомной массой 12, но иногда он встречается с атомной массой 13 (6 протонов и 7 нейтронов). Углерод с атомным номером 14 также существует, но встречается редко. Итак, атомная масса для углерода усредняется до 12,011.

Когда атомы имеют различное количество нейтронов, их называют изотопами. Ученые нашли способы добавления этих частиц в ядро ​​для создания больших изотопов. Теперь добавление нейтронов не влияет на заряд атома, так как они не имеют заряда. Однако они увеличивают радиоактивность атома. Это может привести к очень неустойчивым атомам, которые могут разряжать высокие уровни энергии.

Что такое ядро?

В химии ядро ​​является положительно заряженным центром атома, который состоит из протонов и нейтронов. Слово «ядро» происходит от латинского nucleus, которое является формой слова, означающего «орех» или «ядро». Этот термин был придуман в 1844 году Майклом Фарадеем для описания центра атома. Науки, участвующие в исследовании ядра, изучении его состава и характеристик, называются ядерной физикой и ядерной химией.

Протоны и нейтроны удерживаются сильной ядерной силой. Электроны притягиваются к ядру, но двигаются так быстро, что их вращение осуществляется на некотором расстоянии от центра атома. Заряд ядра со знаком плюс исходит от протонов, а что такое нейтрон? Это частица, которая не имеет электрического заряда. Почти весь вес атома содержится в ядре, так как протоны и нейтроны имеют гораздо большую массу, чем электроны. Число протонов в атомном ядре определяет его идентичность как элемента. Число нейтронов означает, какой изотоп элемента является атомом.

Размер атомного ядра

Ядро намного меньше общего диаметра атома, потому что электроны могут быть отдалены от центра. Атом водорода в 145 000 раз больше своего ядра, а атом урана в 23 000 раз больше своего центра. Ядро водорода является наименьшим, потому что оно состоит из одиночного протона.

Расположение протонов и нейтронов в ядре

Протон и нейтроны обычно изображаются как уплотненные вместе и равномерно распределенные по сферам. Однако это упрощение фактической структуры. Каждый нуклон (протон или нейтрон) может занимать определенный уровень энергии и диапазон местоположений. В то время как ядро ​​может быть сферическим, оно может быть также грушевидным, шаровидным или дисковидным.

Ядра протонов и нейтронов представляют собой барионы, состоящие из наименьших называемых кварками. Сила притяжения имеет очень короткий диапазон, поэтому протоны и нейтроны должны быть очень близки друг к другу, чтобы быть связанными. Это сильное притяжение преодолевает естественное отталкивание заряженных протонов.

Протон, нейтрон и электрон

Мощным толчком в развитии такой науки, как ядерная физика, стало открытие нейтрона (1932 год). Благодарить за это следует английского физика который был учеником Резерфорда. Что такое нейтрон? Это нестабильная частица, которая в свободном состоянии всего за 15 минут способна распадаться на протон, электрон и нейтрино, так называемую безмассовую нейтральную частицу.

Частица получила свое название из-за того, что она не имеет электрического заряда, она нейтральна. Нейтроны являются чрезвычайно плотными. В изолированном состоянии один нейтрон будет иметь массу всего 1,67·10 — 27 , а если взять чайную ложку плотно упакованную нейтронами, то получившийся кусок материи будет весить миллионы тонн.

Количество протонов в ядре элемента называется атомным номером. Это число дает каждому элементу свою уникальную идентичность. В атомах некоторых элементов, например углерода, число протонов в ядрах всегда одинаково, но количество нейтронов может различаться. Атом данного элемента с определенным количеством нейтронов в ядре называется изотопом.

Опасны ли одиночные нейтроны?

Что такое нейтрон? Это частица, которая наряду с протоном входит в Однако иногда они могут существовать сами по себе. Когда нейтроны находятся вне ядер атомов, они приобретают потенциально опасные свойства. Когда они двигаются с высокой скоростью, они производят смертельную радиацию. Так называемые нейтронные бомбы, известные своей способностью убивать людей и животных, при этом оказывают минимальное влияние на неживые физические структуры.

Нейтроны являются очень важной частью атома. Высокая плотность этих частиц в сочетании с их скоростью придает им чрезвычайную разрушительную силу и энергию. Как следствие, они могут изменить или даже разорвать на части ядра атомов, которые поражают. Хотя нейтрон имеет чистый нейтральный электрический заряд, он состоит из заряженных компонентов, которые отменяют друг друга относительно заряда.

Нейтрон в атоме — это крошечная частица. Как и протоны, они слишком малы, чтобы увидеть их даже с помощью электронного микроскопа, но они там есть, потому что это единственный способ, объясняющий поведение атомов. Нейтроны очень важны для обеспечения стабильности атома, однако за пределами его атомного центра они не могут существовать долго и распадаются в среднем всего лишь за 885 секунд (около 15 минут).

Размеры и массы атомов малы. Радиус атомов составляет 10 -10 м, а радиус ядра – 10 -15 м. Масса атома определяется делением массы одного моль атомов элемента на число атомов в 1 моль (N A = 6,02·10 23 моль -1). Масса атомов изменяется в пределах 10 -27 ~ 10 -25 кг. Обычно массу атомов выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За а.е.м. принята 1/12 массы атома изотопа углерода 12 С.

Основными характеристиками атома являются заряд его ядра (Z) и массовое число (А). Число электронов в атоме равно заряду его ядра. Свойства атомов определяются зарядом их ядер, числом электронов и их состоянием в атоме.

Основные свойства и строение ядра (теория состава атомных ядер)

1. Ядра атомов всех элементов (за исключением водорода) состоят из протонов и нейтронов.

2.Число протонов в ядре определяет значение его положительного заряда (Z). Z
— порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева.

3. Суммарное число протонов и нейтронов — значение его массы, так как масса атома в основном сосредоточена в ядре (99, 97% массы атома). Ядерные частицы — протоны и нейтроны — объединяются под общим названием нуклоны
(от латинского слова nucleus, что означает “ядро”). Общее число нуклонов соответствует — массовому числу, т.е. округленной до целого числа его атомной массе А.

Ядра с одинаковыми Z
, но различными А
называются изотопами
. Ядра, которые при одинаковом А
имеют различные Z
, называются изобарами
. Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов

4. Число нейтронов в ядре N
может быть найдено по разности между массовым числом (А
) и порядковым номером (Z
):

5. Размер ядра характеризуется радиусом ядра
, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра.

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Протонно-нейтронная теория позволила разрешить возникшие ранее противоречия в представлениях о составе атомных ядер и о его связи с порядковым номером и атомной массой.

Энергия связи ядра
определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если W
св- величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Dm, равная

называется дефектом массы
и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии
(а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.

Удельной энергией связи ядра w
свназывается энергия связи, приходящаяся на один нуклон: w
св= . Величина w
свсоставляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.

Критерием устойчивости атомных ядер
является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изобаров. (А
= const).

Ядерные силы

1. Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы
, не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).

2. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина (1,5ј2,2)10-15 мназывается радиусом действия ядерных сил
.

3. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость
: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов — протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах
. Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом. Например, ядра гелия тяжелого водорода трития — .

4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел (А). Практически полное насыщение ядерных сил достигается у a-частицы, которая является очень устойчивым образованием.

Радиоактивность, g -излучение, a и b — распад

1. Радиоактивностью
называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, ядер или жесткого рентгеновского излучения. Естественной радиоактивностью
называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью
называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

2. Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма-излучения — жесткого, коротковолнового электроволнового излучения. Гамма-излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским
; возникающее дочернее
ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием g-фотона.

3. Альфа-распадом
называется испускание ядрами некоторых химических элементов a — частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А
>200 и зарядами ядер Z
>82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных a-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов, т.е. образуется атом элемента, смещенного в таблице периодической системы элементов Д. И. Менделеева (ПСЭ) на две клеточки влево от исходного радиоактивного элемента с массовым числом меньшим не 4 единицы
(правило Содди – Фаянса):

4. Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений: электронный
(b-) и позитронный
(b+) распады, а также электронный захват
.

b- распад происходит преимущественно у сравнительно богатых нейтронами ядер. При этом нейтрон ядра распадается на протон, электрон и антинейтрино () с нулевым зарядом и массой.

При b- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд увеличивается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку вправо от исходного элемента, а его массовое число не изменяется
(правило Содди – Фаянса):

b+- распад происходит преимущественно у относительно богатых протонами ядер. При этом протон ядра распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино ().

.

При b+- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд уменьшается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку влево от исходного элемента, а его массовое число не изменяется
(правило Содди – Фаянса):

5. В случае электронного захвата превращение заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру слое. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы “захватывает” электрон; отсюда произошел термин ”электронный захват”. Электронный захват в отличие от b±-захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

6. b—распад происходит у естественно-радиоактивных, а также искусственно-радиоактивных ядер; b+-распад характерен только для явления искусственной радиоактивности.

7. g- излучение: при возбуждении ядро атома испускает электромагнитное излучение с малой длиной волны и высокой частотой, обладающее большой жесткостью и проникающей способностью, чем рентгеновское излучение. В результате энергия ядра уменьшается, а массовое число и заряд ядра остаются не низменными. Поэтому превращение химического элемента в другой не наблюдается, а ядро атома переходит в менее возбужденное состояние.

Все физические тела природы построены из разновидности материи, называемой веществом. Вещества подразделяются на две основные группы — вещества простые и сложные.

Сложными веществами называются такие вещества, которые путем химических реакций могут быть разложены на другие, более простые вещества. В отличие от сложных простыми веществами называются такие, которые химическим путем не могут быть разложены на еще более простые вещества.

Примером сложного вещества может служить вода, которая путем химической реакции может быть разложена на два других, более простых вещества — водород и кислород. Что же касается последних двух, то они химическим путем уже не могут быть разложены на более простые вещества, а поэтому являются простыми веществами, или, иначе, химическими элементами.

В первой половине XIX века в науке существовало предположение, что химические элементы являются неизменными веществами, не имеющими общей связи друг с другом. Однако русский ученый Д. И. Менделеев (1834 — 1907) впервые в 1869 г. выявил связь химических элементов, показав, что качественная характеристика каждого из них находится в зависимости от его количественной характеристики — атомного веса.

Изучая свойства химических элементов, Д. И. Менделеев подметил, что свойства их периодически повторяются в зависимости от их атомного веса. Эту периодичность он отобразил в форме таблицы, вошедшей в науку под названием «Периодическая система элементов Менделеева».

Ниже приведена современная периодическая таблица химических элементов Менделеева.

Атомы

Согласно современным представлениям науки каждый химический элемент состоит из совокупности мельчайших материальных (вещественных) частиц, называемых атомами.

Атомом называется самая малая доля химического элемента, которая уже не может быть разложена химическим путем на другие, более мелкие и простые материальные частицы.

Атомы различных по своей природе химических элементов отличаются друг от друга своими физико-химическими свойствами, структурой, размерами, массой, атомным весом, собственной энергией и некоторыми иными свойствами. Например, атом водорода резко отличается по своим свойствам и структуре от атома кислорода, а последний — от атома урана и т. д.

Установлено, что атомы химических элементов чрезвычайно малы по своим размерам. Если условно принять, что атомы имеют шарообразную форму, то поперечники их должны быть равны стомиллионным долям сантиметра. Например, поперечник атома водорода — самого маленького атома в природе — равен одной стомиллионной доле сантиметра (10 -8 см), а поперечники самых больших атомов, например атома урана, не превышают трех стомиллионных долей сантиметра (3 ·
10 -8 см). Следовательно, атом водорода во столько раз меньше шарика радиусом в один сантиметр, во сколько последний меньше земного шара.

В соответствии с весьма малыми размерами атомов их масса также очень мала. Например, масса атома водорода равна т = 1,67·
10 -24 г. Это значит, что в одном грамме водорода содержится примерно 6 ·
10 23 атомов.

За условную единицу измерения атомных весов химических элементов принята 1/16 часть веса атома кислорода, В соответствии с этим атомным весом химического элемента называют отвлеченное число, показывающее, во сколько раз вес данного химического элемента больше 1/16 части веса атома кислорода.

В периодической таблице элементов Д. И. Менделеева приведены атомные веса всех химических элементов (см. число, помещенное под названием элемента). Из этой таблицы мы видим, что наиболее легким атомом является атом водорода, имеющий атомный вес 1,008. Атомный вес углерода равен 12, кислорода — 16 и т. д.

Что же касается более тяжелых химических элементов, то их атомный вес превышает атомный вес водорода более чем в двести раз. Так, атомный вер ртути равен 200,6, радия — 226 и т.д.Чем выше порядок номера, занимаемого химическим элементом в периодической системе элементов, тем больше атомный вес.

Большая часть атомных весов химических элементов выражается дробными числами. Это в известной мере объясняется тем, что такие химические элементы состоят из совокупности скольких сортов атомов, обладающих различными атом весами, но одинаковыми химическими свойствами.

Химические элементы, занимающие один вый номер в периодической системе элементов, а следовательно, обладающие одинаковыми химическими свойствами, но различными атомными весами, называются изотопами.

Изотопы найдены у большинства химических элементов, имеет два изотопа, кальций — четыре, цинк — пять, олово — одиннадцать и т. д. Многие изотопы получены искусстве путем, среди них некоторые имеют большое практическое значение.

Элементарные частицы вещества

Долгое время считалось, что атомы химических элем являются пределом делимости вещества, т. е. как бы элементарными «кирпичиками» мироздания. Современная наука отвергла эту гипотезу, установив, что атом любого химического эле представляет собой совокупность еще более мелких материальных частиц, чем сам атом.

Согласно электронной теории строения вещества атом любого химического элемента представляет собой систему, состоящую из центрального ядра, вокруг которого вращаются «элементарные» вещественные частицы, называемые электронами. Ядра атомов, согласно общепринятым взглядам состоят из совокупности «элементарных» вещественных частиц — протонов и нейтронов.

Чтобы понять строение атомов и физико-химические процессы в них, необходимо хотя бы вкратце ознакомиться с основными характеристиками элементарных частиц, входящих в состав атомов.

Установлено, что электрон — это вещественная частица, обладающая самым малым наблюдаемым в природе отрицательным электрическим зарядом
.

Если условно считать, что электрон как частица имеет шарообразную форму, то поперечник электрона должен быть равным 4 ·

10 -13 см, т. е. он меньше поперечника любого атома в десятки тысяч раз.

Электрон, как и всякая иная вещественная частица, обладает массой. «Масса покоя» электрона, т. е. та масса, которой он обладает в состоянии относительного покоя, равна m
о = 9,1 · 10 -28
г.

Исключительно малая «масса покоя» электрона свидетельствует о том, что инертные свойства электрона проявляются исключительно слабо, а это значит, что электрон под влиянием переменной электрической силы может колебаться в пространстве с частотой во много миллиардов периодов в секунду.

Масса электрона настолько мала, что для получения одного грамма электронов их потребовалось бы взять 1027 единиц. Чтобы иметь хотя бы некоторое физическое представление об этом колоссально большом числе, приведем такой пример. Если бы можно было один грамм электронов расположить на прямой линии вплотную друг к другу, то они образовали бы цепочку длиной в четыре миллиарда километров.

Масса электрона, как и всякой иной вещественной микрочастицы, зависит от скорости его движения.
Электрон, находясь в состоянии относительного покоя, обладает «массой покоя», имеющей механическую природу, как и масса всякого физического тела. Что же касается «массы движения» электрона, увеличивающейся с ростом скорости его движения, то она электромагнитного происхождения. Она обусловлена наличием у движущегося электрона электромагнитного поля как некоторого вида материи, обладающего массой и электромагнитной энергией.

Чем быстрее движется электрон, тем больше проявляются инерционные свойства его электромагнитного поля, тем, следовательно, больше масса последнего и соответственно электромагнитная энергия его. Так как электрон со своим электромагнитным полем составляет единую, органически связанную материальную систему, то естественно, что массу движения электромагнитного поля электрона можно непосредственно приписать самому электрону.

Электрон, помимо свойств частицы, обладает и волновыми свойствами. Опытом установлено, что поток электронов, подобно световому потоку, распространяется в форме волнообразного движения. Характер волнового движения электронного потока в пространстве подтверждается явлениями интерференции и дифракции электронных волн.

Интерференция электронов
— это явление наложения электронных воли друг на друга, а дифракция электронов
— это явление огибания электронными волнами краев узкой щели, сквозь которую проходит электронный поток. Следовательно, электрон — это не просто частица, а «частица-волна», длина которой зависит от массы и скорости движения электрона.

Установлено, что электрон, помимо своего поступательного движения, совершает еще и вращательное движение вокруг своей оси. Этот вид движения электрона получил название «спина» (от английского слова «спин» — веретено). В результате такого движения электрон, кроме электрических свойств, обусловленных электрическим зарядом, приобретает еще и магнитные свойства, напоминая в этом отношении элементарный магнитик.

Протон — это вещественная частица, обладающая положительным электрическим зарядом, равным по абсолютной величине электрическому заряду электрона.

Масса протона равна 1,67 ·
10
-24 г, т. е. она примерно в 1840 раз больше «массы покоя» электрона.

В отличие от электрона и протона, нейтрон не обладает электрическим зарядом, т. е. он является электронейтральной «элементарной» частицей вещества. Масса нейтрона практически равна массе протона.

Электроны, протоны и нейтроны, находясь в составе атомов, взаимодействуют друг с другом. В частности, электроны и протоны взаимно притягиваются друг к другу как частицы, обладающие разноименными электрическими зарядами. Одновременно с этим электрон от электрона и протон от протона отталкиваются как частицы, обладающие одноименными электрическими зарядами.

Взаимодействие всех этих электрически заряженных частиц происходит через их электрические поля. Эти поля представляют собой особый вид материи, состоящей из совокупности элементарных материальных частиц, называемых фотонами. Каждый фотон обладает строго определенным присущим ему количеством энергии (квантом энергии).

Взаимодействие электрически заряженных материальных вещественных частиц осуществляется путем обмена их друг с другом фотонами. Сила взаимодействия электрически заряженных частиц обычно называется электрической силой
.

Нейтроны и протоны, находящиеся в ядрах атомов, также взаимодействуют друг с другом. Однако это взаимодействие их осуществляется уже не через электрическое поле, так как нейтрон — электронейтральная частица вещества, а через так называемое ядерное поле
.

Это поле также представляет собой особый вид материи, состоящей из совокупности элементарных материальных частиц, называемых мезонами
. Взаимодействие нейтронов и протонов осуществляется путем обмена их друг с другом мезонами. Сила взаимодействия нейтронов и протонов друг с другом называется ядерной силой
.

Установлено, что ядерные силы действуют в ядрах атомов в пределах исключительно малых расстояний — примерно 10 —
13 см.

Ядерные силы значительно превосходят по своей величине электрические силы взаимного отталкивания протонов в ядре атома. Это приводит к тому, что они в состоянии не только преодолеть внутри ядер атомов силы взаимного отталкивания протонов, но и создать из совокупности протонов и нейтронов весьма прочные системы ядер.

Устойчивость ядра каждого атома зависит от соотношения двух противоречивых сил — ядерных (взаимное притяжение протонов и нейтронов) и электрических (взаимное отталкивание протонов).

Мощные ядерные силы, действующие в ядрах атомов, способствуют превращению нейтронов и протонов друг в друга. Эти взаимопревращения нейтронов и протонов осуществляются в результате выделения или поглощения ими более легких элементарных частиц, например мезонов.

Рассмотренные нами частицы названы элементарными потому, что они не состоят из совокупности других, более простых частиц материи. Но в то же время не надо забывать, что они способны превращаться друг в друга, возникать за счет друг друга. Таким образом, эти частицы являются некоторыми сложными образованиями, т. е. их элементарность условна.

Химическое строение атомов

Простейшим по своему устройству атомом является атом водорода. Он состоит из совокупности только двух элементарных частиц — протона и электрона. Протон в системе атома водорода играет роль центрального ядра, вокруг которого по некоторой орбите вращается электрон. На рис. 1 схематически показана модель атома водорода.

Рис. 1. Схема строения атома водорода

Эта модель — только грубое приближение к действительности. Дело в том, что электрон как «частица-волна» не обладает резко отграниченным от внешней среды объемом. А это значит, что следует говорить не о некоторой точной линейной орбите электрона, а о своеобразном электронном облачке. При этом электрон чаще всего занимает некоторую среднюю линию облачке, являющуюся одной из возможных орбит его в атоме.

Надо сказать, что и сама орбита электрона не является строга неизменной и неподвижной в атоме — она тоже в силу изменения массы электрона совершает некоторое вращательное движение. Следовательно, движение электрона в атоме носит относительно сложный характер. Так как ядро атома водорода (протон) и вращающийся вокруг него электрон обладают разноименными электрическими зарядами, то они взаимно притягиваются.

Одновременно с этим стой энергии электрон, вращаясь вокруг ядра атома, развивает центробежную силу, стремящуюся удалить его от ядра. Следовательно, электрическая сила взаимного притяжения ядра атома и электрона и центробежная сила, действующая на электрон, — силы противоречивые.

При равновесии их электрон занимает относительно устойчивое положение на некоторой орбите в атоме. Так как масса электрона очень мала, то для уравновешивания силы притяжения к ядру атома он должен вращаться с громадной скоростью, равной примерно 6·
10 15 оборотам в секунду. Это значит, что электрон в системе атома водорода, как и всяком ином атоме, движется по своей орбите с линейной скоростью, превышающей тысячу километров в секунду.

В нормальных условиях электрон вращается в атоме рода по наиболее близко расположенной к ядру орбите. При этом он обладает минимальным возможным количеством энергии. Если же по тем или иным причинам, например под воздействием каких-либо иных материальных частиц, вторгнувшихся систему атома, электрон перейдет на более удаленную от атома орбиту, то он уже будет обладать несколько большим количеством энергии.

Однако на этой новой орбите электрон но пребывает ничтожно малое время, после чего он снова вращается на ближайшую к ядру атома орбиту. При этом ходе он отдает излишек своей энергии в виде кванта эле магнитного излучения — лучистой энергии (рис. 2).

Рис. 2. Электрон при переходе с далекой орбиты на более близкую к ядру атома излучает квант лучистой энергии

Чем больше получает извне энергии электрон, тем на удаленную от ядра атома орбиту он переходит и тем большее количество электромагнитной энергии он излучает, когда вращается на ближайшую к ядру орбиту.

Измеряя количество энергии, излучаемой электроном при переходе с различных орбит на ближайшую к ядру атома, удалось установить, что электрон в системе атома водорода, как и в системе любого иного атома, может переходить не на любую произвольную орбиту, на строго определенную в соответствии с той энергией, которую он получает под действием внешней силы. Орбиты, которые может занимать электрон в атоме, называются дозволенными орбитами.

Так как положительный заряд ядра атома водорода (заряд протона) и отрицательный заряд электрона численно равны, то суммарный их заряд равен нулю. Это значит, что атом водорода, находясь в нормальном состоянии, является электронейтральной частицей.

Это справедливо для атомов всех химических элементов: атом любого химического элемента, находящийся в нормальном со стоянии, является электронейтральной частицей из-за численного равенства его положи тельных и отрицательных зарядов.

Поскольку в состав ядра атома водорода входит только одна «элементарная» частица — протон, то так называемое массовое число этого ядра равно единице. Массовым числом ядра атома любого химического элемента называется общее число протонов и нейтронов входящих в состав этого ядра.

Природный водород в основном состоит из совокупности атомов с массовым числом, равным единице. Однако в составе его имеется и другой сорт атомов водорода, с массовым числом равным двум. Ядра атомов этого тяжелого водорода называемые дейтонами, состоят из двух частиц — протона и нейтрона. Этот изотоп водорода называется дейтерием.

В природном водороде дейтерия содержится весьма незначительное количество. На каждые шесть тысяч атомов легкого водорода (массовое число равно единице) приходится только один атом дейтерия (тяжелого водорода). Существует еще один изотоп водорода — сверхтяжелый водород получивший название тритий. В ядрах атома этого изотопе водорода имеются три частицы: протон и два нейтрона, связанных друг с другом ядерными силами. Массовое число ядра атома трития равно трем, т. е. атом трития в три раза тяжелей атома легкого водорода.

Хотя атомы изотопов водорода и имеют различные массы но все же они обладают одинаковыми химическими свойствами, Например, легкий водород, вступая в химическое взаимодействие с кислородом, образует с ним сложное вещество — воду. Аналогично этому изотоп водорода — дейтерий, соединяясь с кислородом, образует воду, которая в отличие от обычной воды называется тяжелой водой. Тяжелая вода находит большое применение в процессе производства ядерной (атомной) энергии.

Следовательно, химические свойства атомов зависят не от массы их ядер, а только от строения электронной оболочки атома. Поскольку в атомах легкого водорода, дейтерия и трития имеется одинаковое количество электронов (по одному на каждый атом), эти изотопы имеют одинаковые химические свойства.

Химический элемент водород не случайно занимает первый номер в периодической системе элементов. Дело в том, что между номером любого элемента в периодической системе элементов и величиной заряда ядра атома этого элемента существует некоторая связь. Ее можно сформулировать так: порядковый номер всякого химического элемента в периодической системе элементов численно равен положительному заряду ядра этого элемента, а следовательно, и числу вращающихся вокруг него электронов.

Так как водород занимает первый номер в периодической системе элементов, то это значит, что положительный заряд ядра его атома равен единице и что вокруг ядра вращается один электрон.

Химический элемент гелий занимает второй номер в периодической системе элементов. Это значит, что он имеет положительный электрический заряд ядра, равный двум единицам, т. е. в составе его ядра должно быть два протона, а в электронной оболочке атома — два электрода.

Природный гелий состоит из двух изотопов — тяжелого и легкого гелия. Массовое число тяжелого гелия равно четырем. Это значит, что в состав ядра атома тяжелого гелия, помимо вышеупомянутых двух протонов, должны входить еще два нейтрона. Что же касается легкого гелия, то его массовое число равно трем, т. е. в состав его ядра, помимо двух протонов, должен входить еще один нейтрон.

Установлено, что в природном гелии число атомов легкого гелия составляет примерно одну миллионную долю атомов тяжелого гения. На рис. 3 показана схематически модель атома гелия.

Рис. 3. Схема строения атома гелия

Дальнейшее усложнение строения атомов химических элементов идет за счет увеличения количества протонов и нейтронов в ядрах этих атомов и одновременно за счет увеличения количества электронов, вращающихся вокруг ядер (рис. 4). Пользуясь периодической системой элементов, легко определить число электронов, протонов и нейтронов входящих в состав различных атомов.

Рис. 4. Схемы строения ядер атомов: 1 — гелий, 2 — углерод, 3 — кислород

Порядковый номер химического элемента равен числу протонов, находящихся в ядре атома, а одновременно с этим числу электронов, вращающихся вокруг ядра. Что же касается атомного веса, то он приближенно равен массовому числу атома, т. е. числу вместе взятых протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, вычитая из атомного веса элемента число, равное порядковому номеру элемента, можно определить, какое количество нейтронов содержится в данном ядре.

Установлено, что ядра легких химических элементов, имеющих в своем составе поровну протонов и нейтронов, отличаются весьма большой прочностью, так как ядерные силы в них относительно велики. Например, ядро атома тяжелого гелия отличается исключительно большой прочностью, так как оно составлено из двух протонов и двух нейтронов, связанных друг с другом мощными ядерными силами.

Ядра атомов более тяжелых химических элементов содержат в своем составе уже неодинаковое количество протонов и нейтронов, поэтому их связь в ядре слабее, чем в ядрах легких химических элементов. Ядра этих элементов могут быть относительно легко расщеплены при бомбардировке их атомными «снарядами» (нейтронами, ядрами атома гелия и т. д.).

Что же касается наиболее тяжелых химических элементов, в частности радиоактивных, то их ядра отличаются настолько малой прочностью, что они самопроизвольно распадаются на составные части. К примеру, атомы радиоактивного элемента радия, состоящего из совокупности 88 протонов и 138 нейтронов, самопроизвольно распадаются, превращаясь в атомы радиоактивного элемента радона. Атомы же последнего в свою очередь распадаются на составные части, переходя в атомы других элементов.

Ознакомившись вкратце с составными частями ядер атомов химических элементов, рассмотрим строение электронных оболочек атомов. Как известно, электроны могут вращаться вокруг ядер атомов только по строго определенным орбитам. При этом они так сгруппированы в электронной оболочке каждого атома, что можно различить отдельные слои электронов.

В каждом слое может находиться количество электронов, не превышающее строго определенного числа. Так, например, в первом, ближайшем к ядру атома электронном слое может находиться максимум два электрона, во втором — не более восьми электронов и т. д.

Те атомы, у которых внешние электронные слои целиком заполнены, имеют наиболее устойчивую электронную оболочку. Это значит, что данный атом прочно держит все свои электроны и не нуждается в получении извне добавочного количества их. Например, атом гелия имеет два электрона, целиком заполняющих первый электронный слой, а атом неона имеет десять электронов, из которых первые два целиком заполняют первый электронный слой, а остальные — второй (рис. 5).

Рис. 5. Схема строения атома неона

Следовательно, атомы гелия и неона имеют вполне устойчивые электронные оболочки, не стремятся их как-нибудь видоизменить количественно. Такие элементы химически инертны, т. е. не вступают в химическое взаимодействие с другими элементами.

Однако большинство химических элементов имеет такие атомы, в которых внешние электронные слои не целиком заполнены электронами. Например, атом калия имеет девятнадцать электронов, из которых восемнадцать целиком заполняют первые три слоя, а девятнадцатый электрон один находится в следующем, незаполненном электронном слое. Слабое заполнение электронами четвертого электронного слоя приводит к тому, что ядро атома весьма слабо удерживает самый внешний — девятнадцатый электрон, а поэтому последний может быть легко вырван из атома. .

Или, например, атом кислорода имеет восемь электронов, из которых два целиком заполняют первый слой, а остальные шесть размещены во втором слое. Таким образом, для полного завершения построения второго электронного слоя в атоме кислорода ему не хватает только двух электронов. Поэтому атом кислорода не только прочно удерживает свои шесть электронов во втором слое, но и обладает возможностью притянуть к себе два недостающих ему электрона для заполнения своего второго электронного слоя. Этого он достигает путем химического соединения с атомами таких элементов, у которых внешние электроны слабо связаны со своими ядрами.

Химические элементы, атомы которых не имеют целиком заполненных электронами внешних электронных слоев, как правило, химически активны, т. е. охотно вступают в химическое взаимодействие.

Итак, электроны в атомах химических элементов располагаются в строго определенном порядке и всякое изменение их пространственного расположения или количества в электронной оболочке атома приводит к изменению физико-химических свойств последнего.

Равенство числа электронов и протонов в системе атома является причиной того, что суммарный электрический заряд его равен нулю. Если равенство числа электронов и протонов в системе атома нарушается, то атом становится электрически заряженной системой.

Атом, в системе которого нарушено равновесие разноименных электрических зарядов вследствие того, что он потерял часть своих электронов или, наоборот, приобрел лишнее количество их, называется ионом.

Наоборот, если атом приобретает некоторое лишнее количество электронов, то он становится отрицательным ионом. Например, атом хлора, получивший один лишний электрон, превращается в однозарядный отрицательный ион хлора Сl — . Атом кислорода, получивший лишних два электрона, превращается в двухзарядный отрицательный ион кислорода О и т. д.

Атом, превратившийся в ион, становится по отношению к внешней среде электрически заряженной системой. А это значит, что атом стал обладать электрическим полем, вместе с которым он составляет единую материальную систему и через это поле осуществляет электрическое взаимодействие с другими электрически заряженными частицами вещества — ионами, электронами, положительно заряженными ядрами атомов и т. д.

Способность разноименных ионов взаимно притягиваться друг к другу является причиной того, что они химически соединяются, образуя более сложные частицы вещества — молекулы.

В заключение следует отметить, что размеры атома очень велики по сравнению с размерами тех вещественных частиц, из которых они состоят. Ядро самого сложного атома вместе со всеми электронами занимает миллиардную долю объема атома. Простой подсчет показывает, что если бы удалось один кубический метр платины сжать так крепко, чтобы исчезли внутриатомные и междуатомные пространства, то получился бы объем, равный примерно одному кубическому миллиметру.

Поговорим о том, как найти протоны, нейтроны и электроны. В атоме существует три вида элементарных частиц, причем у каждой есть свой элементарный заряд, масса.

Строение ядра

Для того чтобы понять, как найти протоны, нейтроны и электроны, представим Оно является основной частью атома. Внутри ядра располагаются протоны и нейтроны, именуемые нуклонами. Внутри ядра эти частицы могут переходить друг в друга.

Например, чтобы найти протоны, нейтроны и электроны в необходимо знать его порядковый номер. Если учесть, что именно этот элемент возглавляет периодическую систему, то в его ядре содержится один протон.

Диаметр атомного ядра составляет десятитысячную долю всего размера атома. В нем сосредоточена основная масса всего атома. По массе ядро превышает в тысячи раз сумму всех электронов, имеющихся в атоме.

Характеристика частиц

Рассмотрим, как найти протоны, нейтроны и электроны в атоме, и узнаем об их особенностях. Протон — это которая соответствует ядру атома водорода. Его масса превышает электрон в 1836 раз. Для определения единицы электричества, проходящего через проводник с заданным поперечным сечением, используют электрический заряд.

У каждого атома в ядре располагается определенное количество протонов. Оно является постоянной величиной, характеризует химические и физические свойства данного элемента.

Как найти протоны, нейтроны и электроны в атоме углерода? Порядковый номер данного химического элемента 6, следовательно, в ядре содержится шесть протонов. Согласно планетарной вокруг ядра по орбитам движется шесть электронов. Для определения количество нейтронов из значения углерода (12) вычитаем количество протонов (6), получаем шесть нейтронов.

Для атома железа число протонов соответствует 26, то есть этот элемент имеет 26-й порядковый номер в таблице Менделеева.

Нейтрон является электрически нейтральной частицей, нестабильной в свободном состоянии. Нейтрон способен самопроизвольно превращаться в положительно заряженный протон, испуская при этом антинейтрино и электрон. Средний период его полураспада составляет 12 минут. Массовое число — это суммарное значение количества протонов и нейтронов внутри ядра атома. Попробуем выяснить, как найти протоны, нейтроны и электроны в ионе? Если атом во время химического взаимодействия с другим элементом приобретает положительную степень окисления, то число протонов и нейтронов в нем не изменяется, меньше становится только электронов.

Заключение

Существовало несколько теорий, касающихся строения атома, но ни одна из них не была жизнеспособной. До версии, созданной Резерфордом, не было детального пояснения о расположении внутри ядра протонов и нейтронов, а также о вращении по круговым орбитам электронов. После появления теории планетарного строения атома у исследователей появилась возможность не только определять количество элементарных частиц в атоме, но и предсказывать физические и химические свойства конкретного химического элемента.

(PDF) Новая физика. Часть 2. Фундаментальные взаимодействия

7

ное пространство, притягиваются к массе. Масса воздействует на пространство, из-

лучая гравитационные волны со скоростью света. Но, во-первых, излучение от ис-

точника должно отталкивать, а не притягивать. Во-вторых, если масса излучает

энергию, то должна и получать, — а этот вопрос даже не ставится. Тело расходует

энергию, но не пополняет ее, и меньше ее у тела не становится — святой источник! В

«неприкасаемой сфере» общей теории относительности законы сохранения оказа-

лись утраченными.

Представления о притяжении как внутреннем свойстве тел противоречит опы-

ту и понятию. Оно имеет в своей основе единственно лишь математическое опреде-

ление. Традиции мертвых поколений тяготеют над умами живых. Об этом рассуждал

еще Гегель в своей диссертации «Об орбитах планет»:

«Науки, «особенно физические, полны такого рода тавтологиями, которые

как бы составляют прерогативу науки. Например, как за основание движения пла-

нет вокруг Солнца указывают на силу взаимного притяжения Земли и Солнца. Ко-

гда затем спрашивают, что это за сила — сила притяжения, дается ответ, что

это сила, заставляющая Землю двигаться вокруг Солнца В обыденной жизни та-

кие объяснения называются пустой болтовней».

Создатели теории фундаментальных взаимодействий не обладали чувством

природы. Удивительно, как из математического рассмотрения предмета возникают

силы, о которых природа ничего не знает. Почему для частиц существует один ме-

ханизм взаимодействия (сильный), для их конгломератов — уже другой механизм

(гравитация). Если же частица приобрела свойство заряда, — то для нее изобрета-

ется третий механизм взаимодействия (электромагнетизм)? Почему для разруше-

ния нужен специфический механизм (слабый), не сводимый к первым трем?

Все эти различные переносчики силы — только пустые названия, без которых

лучше было бы обойтись. Из пустоты их различия возникает вся путаница и неле-

пость в объяснении явлений. Нельзя приписывать физическую реальность тому, что

обладает реальностью только в области математики. Математические расчеты иг-

рают исключительно важную роль в современной физике. Но все теории —это лишь

описание физического образа. Физика строит идеальную модель, которую описыва-

ют языком математики. Но если модель неверная, то математикой её не исправить.

В случае обменного взаимодействия теоретики рассчитывали не ту модель. И

самая изощренная математика только запутала дело и привела к самым фантасти-

ческим представлениям (типа асимптотической свободы кварков и виртуальным ча-

Глава 18 Элементарные частицы . Эволюция Вселенной и происхождение жизни

К 1932 году сложилось довольно простое представление о структуре вещества. Считалось, что атомное ядро состоит из протонов и нескольких электронов. Эти электроны служили для нейтрализации электрического заряда некоторых протонов, поскольку атомный вес всех элементов, за исключением легкого изотопа водорода, превышает их атомный номер, указывающий электрический заряд ядра. Явление бета-излучения, когда электрон вылетает из ядра, поддерживало мнение о том, что электроны входят в состав ядра. Все вещество состоит из двух типов элементарных частиц: из легких отрицательно заряженных электронов и массивных положительных протонов. Из комбинаций этих частиц можно собрать ядро любого элемента. Добавив нужное число обращающихся вокруг ядра электронов, можно получить любой элемент. А химические соединения элементов дают все многообразие вещества во всех его формах.

Эта простая картина рухнула в «сумасшедшем» для физиков 1932 году. Первым значительным событием этого года стало открытие новой элементарной частицы — нейтрона. Главная заслуга в этом принадлежит Джеймсу Чедвику (1891–1974). Он был студентом Резерфорда в Манчестере, а в момент открытия нейтрона работал заместителем директора Кавендишской лаборатории.

Ядерная сила.

Если бериллиевую мишень бомбардировать быстрыми альфа-частицами, то бериллий начинает испускать неизвестные глубоко проникающие лучи. Сначала Чедвик обнаружил, что эти лучи не являются электромагнитным излучением, а состоят из частиц. Затем он сделал вывод, что эта частица не может иметь электрического заряда, поскольку она проникает в вещество гораздо легче, чем протоны. И, наконец, его опыты со столкновениями показали, что масса этой частицы примерно равна массе протона. Чедвик назвал эту частицу нейтроном из-за ее электрической нейтральности. Написанная им тогда фраза висит в Библиотеке Тринити-колледжа в Кембридже: «Эврика! Я нашел ее!» Но он не верил, что это была элементарная частица, а считал, что она состоит из протона и электрона (то же самое предполагал Резерфорд еще в 1920 году).

В 1932 году в журнале Nature Чедвик высказал подозрение, что нейтрон может быть элементарной частицей. Эта мысль укрепилась спустя два года, когда Чедвик и Морис Гольдхабер измерили массу нейтрона: он оказался немного тяжелее, чем протон и электрон вместе взятые. Это противоречило модели сложной частицы. Более того, вскоре обнаружилось, что между ядерными частицами действует раннее неизвестная сила, которая не различает протоны и нейтроны. Следовательно, нейтрон такая же элементарная частица, как протон.

Эта ядерная сила должна быть силой притяжения, чтобы заряженные протоны не смогли вытолкнуть друг друга из ядра. Внутри ядра эта сила должна превосходить электрическое отталкивание протонов. По современным данным, ядерная сила притяжения между двумя протонами превышает их электростатическое отталкивание примерно в 100 раз. С другой стороны, действие этой силы не может распространяться далеко за пределы атомного ядра, где доминирует электрическая сила, удерживающая электроны в атоме. Поэтому ядерная сила должна ослабевать с расстоянием быстрее, чем по закону обратных квадратов ослабевает электростатическая (кулоновская) сила.

Эту странную ядерную силу объяснил Хидеки Юкава (1907–1981), первый японец, получивший Нобелевскую премию в 1949 году. Чтобы объяснить, как влияние ядерной силы передается между частицами, Юкава предложил новую идею: частица «сообщает» вокруг о своем существовании, излучая частицы-вестники. Когда вестник встречает другую частицу, он передает информацию о своем источнике, и получающая ее частица знает, как на это реагировать. Когда частицы связаны между собой посредством вестников, они знают, что нужно держаться вместе и не разбегаться.

Эта идея была не такой уж необычной для объяснения ядерной силы: электромагнитную силу можно объяснить точно так же. «Кусочки» электромагнитного поля — энергетические пакеты — летают между зарядами, неся свои сообщения. С этой точки зрения, поле электромагнитных сил состоит из фотонов.

Согласно Юкаве, главное различие между электромагнитным полем и полем ядерной силы состоит в массе вестника. Фотоны электромагнитного поля не имеют массы, в то время как вестники поля ядерной силы являются частицами с массой, отличной от нуля. Юкава предсказал, что эти частицы в 200–300 раз тяжелее электрона. Таким образом, вестник ядерной силы должен располагаться по массе между ядерными частицами и электроном (протон в 1836, а нейтрон в 1839 раз тяжелее электрона). Частицы такого типа называют мезонами, из греческого «meso» — средний. Область влияния частицы-вестника зависит от ее массы: чем тяжелее вестник, тем меньше область. Только частицы без массы, такие как фотоны, могут распространять свое влияние на любое расстояние.

В современной физике метание частиц-вестников взад и вперед заменило собой вихри Декарта, действие на расстоянии Ньютона, силовые линии Фарадея и волны в эфире. Разумеется, теориями Ньютона и Фарадея все еще пользуются для вычисления гравитационной и электромагнитной силы. Однако новые силы, открытые в XX веке, лучше описываются методом Юкавы, и сильное ядерное взаимодействие стало первым тому примером.

Юкава предсказал свои частицы-вестники в 1935 году. Через два года в потоках космических лучей (частицы, приходящие на Землю из космоса) была обнаружена новая частица в 207 раз тяжелее электрона; она была хорошим кандидатом в вестники. Время ее жизни оказалось маленьким: в среднем за две микросекунды она разрушается на другие частицы. Однако дальнейшие исследования показали, что эта частица, названная мюоном, скорее является тяжелой формой электрона, а не вестником. Прошло еще 12 лет, и группа Сесила Пауэлла (1903–1969) в Бристольском университете впервые увидела частицу Юкавы — пион. Существуют два типа пионов — заряженный (в 273 раза массивнее электрона) и нейтральный (264 массы электрона).

По нашим меркам, заряженный пион живет очень мало: в среднем 2,6 x 10^-8 с. Но нам следует сравнивать время его жизни с «ядерным годом» — временем, необходимым ядерной частице для одного оборота вокруг ядра, а оно составляет всего 10^-22 с. Так что пион живет в 10¹⁴ раз дольше ядерного года, что выглядит вечностью в ядерной шкале времени. В этой шкале даже нейтральный пион, распадающийся в среднем за 10^-16 с, тоже живет очень долго. Если предположить, что «предназначением» пионов в природе является передача ядерной силы, то им нет необходимости жить так долго.

Явления в атомных ядрах и слабая сила.

Мы дошли до картины, в которой атомное ядро содержит одну или нескольких ядерных частиц, движущихся друг вокруг друга в маленьком объеме ядра под действием притяжения ядерной силой. Существует два типа ядерных частиц: протоны и нейтроны. Можно представить облако пионов, мечущихся между этими частицами и создающих ядерную силу. Ядро также может обладать плотными скоплениями двух протонов и двух нейтронов, которые могут выбрасываться из ядра как альфа-частицы. По аналогии с электроном, прыгающим между энергетическими уровнями, ядерные частицы могут так перестраивать свои орбиты, что энергия высвобождается в виде высокоэнергичного гамма-излучения. Энергия ядерных процессов значительно больше, чем атомных, примерно в миллион раз. Этим объясняется преимущество (на единицу веса) ядерного топлива, используемого на атомных электростанциях, по сравнению с химическим топливом обычных электростанций. Этим же объясняется гигантская мощь ядерных взрывов.

Если в ядре нет электронов, то как быть с бета-излучением, когда из ядер вылетают электроны? Это объяснил блестящий итальянский физик Энрико Ферми всего через год после открытия нейтрона (рис.  18.1).

Рис. 18.1. Энрико Ферми (1901–1954) внес значительный вклад в ядерную физику.

Ферми предположил, что внутри атомного ядра действует еще и другая ядерная сила, названная слабой силой. Она приводит сначала к рождению электрона, а затем к его выбросу из ядра; при этом нейтрон превращается в протон. Мы поймем этот процесс лучше, когда познакомимся с внутренней структурой нейтрона и протона.

Теория Ферми замечательна еще и тем, что она предсказала существование новой элементарной частицы — нейтрино. На этот «маленький нейтрончик» не действуют ни электромагнитная сила, ни сильное ядерное взаимодействие. Его единственная связь с внешним миром осуществляется посредством слабой силы. Область действия слабой силы очень мала — всего 1 % диаметра протона, а по своему усилию она в 100 000 раз уступает сильному ядерному взаимодействию. Так что нейтрино должно очень тесно приблизиться к своему соседу, чтобы они почувствовали влияние друг друга. Поэтому вначале о существовании нейтрино догадались косвенно, заметив странную потерю энергии при бета-распаде. Вольфганг Паули понял, что потерянная энергия ускользает в виде неуловимых частиц. Нейтрино обычного типа имеет массу менее 10^-4 массы электрона; существует и другие виды нейтрино (мы с ними познакомимся), массы которых еще меньше.

Для нейтрино столкновение с другими частицами настолько маловероятно, что оно может свободно пройти сквозь свинцовую стену толщиной в световые годы! Только при огромном количестве нейтрино некоторые из них удается захватить приборами. Впервые в 1955 году нейтрино было зарегистрировано вблизи ядерного реактора в Саванна-Ривер (США). За последние десятилетия были обнаружены нейтрино из «термоядерного реактора» в центре Солнца и из других астрономических источников. Считается, что нейтрино — одни из самых многочисленных частиц во Вселенной, но их очень трудно наблюдать.

Всего лишь через день после того, как Чедвик послал свою статью об открытии нейтрона в журнал Nature, другой журнал, Physical Review, получил известие о втором важнейшем открытии 1932 года, сделанном группой ученых из Колумбийского университета (Нью-Йорк) под руководством химика, физика и астронома Гарольда Юри (1893–1981).

Вспомним объяснение странного атомного веса хлора — 35,46, лежащее почти посередине между двумя целыми числами. В природе существует два вида хлора, два «изотопа», с весами 35 и 37. Вообще, у большинства химических элементов есть по нескольку изотопов. Всего химических элементов известно немногим более ста, а число изотопов превышает 2000, хотя стабильны из них только 280. В ядре хлора 17 протонов соединяются с 18 или 20 нейтронами. Таким образом, атомное число, определяющее химические свойства, в обоих случаях равно 17, но атомные веса различаются: 17 + 18 и 17 + 20; кроме того, существуют редкие изотопы хлора: 17 + 19 = 36 и 17 + 23 = 40.

Еще до 1932 года появилось предположение, что водород может иметь несколько изотопов, так как атомный вес водорода в природе превышает вес протона. Различие настолько мало (относительное превышение составляет около 10^-4), что сказать что-либо определенное было невозможно. Требовалось выделить в чистом виде тяжелую форму водорода, но это очень трудно, поскольку химические свойства изотопов одинаковые. Юри с коллегами смог сделать это. Теперь уже не составляло труда показать, что тяжелый водород имеет атомный вес 2, а значит, его ядро содержит один протон и один нейтрон. Это вещество назвали дейтерием, хотя по сути это водород, точнее — его тяжелая разновидность. Но дейтерий заслужил свое «отдельное» название: он играет ключевую роль в изучении ядерной силы, так как движение двух тел легче исследовать, чем движение трех тел (вспомним о сложной задаче трех тел, движущихся под действием гравитации; см. главу и).

В ядрах элементов возможны не любые комбинации протонов и нейтронов. В массивных ядрах число нейтронов немного больше числа протонов. Если мы пытаемся искусственно уменьшить число нейтронов настолько, что оно выйдет за рамки возможных значений, ядро станет неустойчивым и начнет меняться за счет радиоактивности до тех пор, пока не превратится в стабильное ядро (рис. 18.2).

Рис. 18.2. Ядра состоят из протонов (серые шарики) и нейтронов (темные шарики). Ядро урана состоит из 92 протонов и 146 нейтронов. Это одно из самых тяжелых среди известных атомных ядер.

Частицы и ускорители.

Хотя о существовании атомного ядра было известно с 1911 года, настоящее рождение ядерной физики произошло в 1932 году. В тот «сумасшедший» год, кроме уже упомянутых открытий, начал действовать самый важный прибор ядерной физики — ускоритель частиц. До этого момента атомные ядра исследовали путем их бомбардировки частицами, вылетающими из радиоактивных веществ. При стоимости, например, радия в 100 000 долларов за грамм это делало создание сильного потока частиц чрезвычайно дорогам. Кроме того, для расщепления тяжелых ядер требуется поток частиц, имеющих скорость гораздо выше той, с которой частицы испускаются природными источниками.

Заряженные частицы можно ускорить, если дать им пройти через большую разность потенциалов. Если электрон пролетает через разность потенциалов 1 вольт, он ускоряется до энергии в 1 электронвольт (эВ, удобная единица энергии). В химических реакциях изменение энергии на атом обычно составляет около 1 эВ. А в ядерных реакциях типичная энергия на атомное ядро составляет миллионы электронвольт (МэВ).

Джон Кокрофт (1897–1967) и Эрнест Уолтон (1903–1995) построили в Кавендишской лаборатории ускоритель с разностью потенциалов в 700 000 вольт. В 1932 году, используя эту разность потенциалов, они ускорили протоны и бомбардировали ими литиевую мишень, за которой поместили экран из сульфида цинка, регистрирующий вспышки, вызванные альфа-частицами. Бьющие по литию протоны расщепляют ядра лития на альфа-частицы (ядра гелия). Это и было первым искусственным превращением одного атомного ядра в другое (рис. 18.3).

Тогда же американец Эрнест Лоуренс (1901–1958) разработал более мощный ускоритель, названный циклотроном (рис. 18.4). Лоуренс закончил Йельский университет и затем перебрался в Калифорнийский университет. Там он обнаружил статью норвежца Рольфа Видерое, который считал, что частицы легко можно ускорять шаг за шагом, если они движутся по кругу отклоняемые магнитным полем. На каждом обороте частицы проходят сквозь разность потенциалов и увеличивают свою скорость. В 1932 году Лоуренс со своим студентом построили такой ускоритель и использовали его для разгона частиц до энергий более 1 МэВ. Они смогли подтвердить результаты Кокрофта и Уолтона. Циклотроны вскоре стали широко использоваться: через пять лет в мире работало уже около двадцати таких ускорителей.

Рис. 18.3. В первых ускорителях частиц умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона создавал необходимый перепад напряжения. Здесь показано такое устройство, созданное в 1937 году фирмой «Филипс» и сейчас хранящееся в Национальном музее науки в Лондоне.

В начале 1950-х годов циклотрон получил дальнейшее развитие в виде синхротрона, в котором энергия столкновений превзошла 1000 МэВ (это 1 ГэВ, гигаэлетронвольт). Сейчас самый мощный ускоритель находится в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. К тому же в ЦЕРНе заканчивается строительство нового коллайдера (ускоритель на встречных пучках) — Большого адронного коллайдера (БАК), занимающего круговой туннель длиной 27 км. Этот туннель находится на глубине около 100 метров между Женевским аэропортом и ближайшими Юрскими горами. Прежде чем попасть в это огромное кольцо, частицы будут ускоряться поэтапно, каждый раз увеличивая свою скорость и энергию: предварительные стадии включают в себя линейный ускоритель, бустер, протонный синхротрон и протонный суперсинхротрон. В главном круговом ускорителе, двигаясь в противоположных направлениях по двум трубам, протоны будут разгоняться до скорости в 0,99 999 999 от скорости света! БАК будет сталкивать протоны с энергией 7 ТэВ (ТэВ = 1000 ГэВ) каждый, с полной энергией столкновения 14 ТэВ. Каждый протон будет обладать кинетической энергией летящего комара — для протона это гигантская энергия! При таких энергиях, в миллионы раз превышающих те, которые достигал Лоуренс, могут рождаться частицы совершенно нового типа (рис. 18.5).

Рис. 18.4. Схема работы циклотрона из патента Лоуренса 1934 года.

В 1932 году частицы детектировались с помощью камеры Вильсона, заполненной водяным паром в сверхкритическом состоянии, так что капельки воды конденсировались вдоль траекторий заряженных частиц. С помощью фотографии можно было обнаружить траекторию заряженной частицы, которая только что пролетела сквозь камеру. Магнитное поле в камере меняло направление траектории: определив, насколько сильно и в каком направлении искривилась траектория, можно было отождествить частицу. В 1950-е годы стал использоваться более совершенный детектор — пузырьковая камера. В ней траектории частиц представлены в виде четких линий из пузырьков в жидкости. Их можно сфотографировать с разных направлений и проанализировать. Сейчас применяется много новых высокоавтоматизированных методов детектирования.

Четвертое крупное открытие в 1932 году сделал Карл Андерсон (1905–1991), изучавший траектории космических лучей в камере Вильсона. Среди прочих частичек американский физик нашел одну, траектория которой была в точности как у электрона, но в магнитном поле она отклонялась в другом направлении, то есть частица имела положительный заряд (рис. 18.6). Андерсон многими способами проверил этот удивительный результат и затем опубликовал его. Так был открыт позитрон.

Рис. 18.5. Компоненты Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе. Несколько последовательных систем постепенно ускоряют протоны до высоких скоростей. В туннеле коллайдера находятся крупные детекторы для регистрации взаимодействия пучков протонов, летящих по кругу навстречу друг другу (рис. с домашней страницы ЦЕРН: http://public.web.cern.di/Public).

Андерсон не знал, что английский физик Поль Дирак (1902–1984) много лет назад предсказал существование позитрона. Не только электрон, но и другие элементарные частицы должны иметь двойников с противоположным зарядом. Такие двойники называются античастицами. Наряду с электроном, протон должен иметь свою античастицу. В принципе, должен существовать целый «антимир», в котором атомные ядра имеют отрицательно заряженные антипротоны, а вокруг ядра обращается облако положительно заряженных позитронов. Все химические реакции должны проходить там так же, как в нашем мире.

Антивещество, состоящее из античастиц, не существует в значительных количествах. Это легко понять: вещество и антивещество не могут мирно сосуществовать. Когда встречаются электрон и позитрон, они уничтожают друг друга, превращаясь в гамма-излучение. Точно так же уничтожают друг друга протоны и антипротоны (которые были обнаружены в 1955 году). Поскольку каждая частица должна иметь свою античастицу, список известных частиц сразу стал вдвое длиннее. Благодаря открытиям необычного 1932 года, Чедвик, Андерсон, Юри, Лоуренс, Кокрофт и Уолтон стали лауреатами Нобелевской премии 1934 и 1951 годов.

Рис. 18.6. Гамма-квант проникает в пузырьковую камеру сверху и рождает пару электрон-позитрон. Под действием магнитного поля орбита позитрона заворачивает налево, а орбита электрона — направо. Из той же точки выходит траектория еще одного электрона, более быстрого. Ниже видно рождение еще одной электрон-позитронной пары. Рисунок основан на фотографии, полученной пузырьковой камерой Лоуренсовской лаборатории в Беркли.

Кварк: самая элементарная частица?

Некоторое время протоны и электроны считались настоящими неделимыми «атомами». Но оказалось, что природа не настолько проста. По мере увеличения мощности ускорителей росло и число обнаруженных элементарных частиц. Как и столетие назад в случае с химическими элементами, в ряду элементарных частиц тоже наметилась некоторая систематика. Частицы делятся на три основных группы: лептоны, адроны и фотоны. Лептоны не чувствуют сильного ядерного взаимодействия, и размер их настолько мал, что во всех проведенных до сих пор экспериментах со столкновениями они вели себя как точечные массы («лепто» по-гречески означает «маленький»). К лептонам относятся электрон, мюон и тау-лептон (тауон). Последний был открыт в 1977 году. Хотя он в 3500 раз тяжелее электрона, он входит в состав лептонов из-за других своих характеристик. Кроме этих трех частиц, к лептонам относят и три типа соответствующих им нейтрино, которые увеличивают число известных лептонов до шести; а если к этому прибавить и античастицы, то число лептонов увеличится до 12.

Адроны чувствуют сильное ядерное взаимодействие. К ним относятся ядерные частицы (протоны и нейтроны) с их родственниками, называемые барионами, а также «вестники» ядерного взаимодействия, пионы с их родственниками, называемые мезонами. В 1960-е годы стало ясно, что адроны не являются истинно элементарными частицами, а состоят из более мелких частей — кварков. Когда протоны и нейтроны бомбардируются электронами и мюонами, они ведут себя как если бы они в основном были пустыми, за исключением нескольких точечных центров (похоже на эксперимент Резерфорда!) Диаметр протона около 10^-12 мм; это как раз та область, где движется кварк. Сам кварк намного меньше; вероятно, он точечный.

Начиная с 1950-х годов Мюррей Гелл-Манн стал искать порядок среди элементарных частиц и, как и Менделеев до него, обнаружил закономерности и предсказал новые частицы. Гелл-Манн и Джордж Цвейг — оба из Калифорнийского технологического института — в 1964 году независимо друг от друга предположили, что протон и нейтрон состоят из трех кварков. Вообще-то вначале на кварки смотрели как на удобный математический прием для проведения вычислений в сложной физике элементарных частиц. Идея кварков не получила широкого одобрения, поскольку сами кварки не были найдены.

Казалось бы, заметить кварки было несложно, ведь они обладают дробным электрическим зарядом. Самые важные кварки — это верхний кварк (up quark) с электрическим зарядом +2/3 и нижний кварк (down quark) с зарядом -1/3 (как обычно, заряд электрона в этих единицах равен -1). Но в пузырьковой камере не видно никаких дробных зарядов: все частицы имеют либо заряд электрона, либо кратный ему заряд. Тем не менее твердые ядра внутри протона и нейтрона хорошо согласуются с теорией кварков; похоже, что по крайней мере там кварки существуют. Сейчас считается, что кварки прочно связаны в ядерных частицах. В отличие от других частиц, кварки не могут существовать по отдельности: им требуется один или два партнера.

В модели кварков барион состоит из трех кварков. Так, протон сложен из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка. Мезон же состоит из двух кварков, один из которых является обычной частицей, а второй — античастицей. Например, нейтральный пион — это комбинация верхнего кварка со своим антикварком, а положительный пион состоит из верхнего кварка и нижнего антикварка (рис. 18.7). В исходной кварковой модели был и третий кварк, названный странным кварком (strange quark). Он был нужен для объяснения так называемых странных частиц.

Рис. 18.7. Протон (слева) состоит из двух верхних кварков (u) и одного нижнего кварка (d). Справа показан пион (?-мезон), состоящий из верхнего кварка и нижнего антикварка.

До начала 1970-х годов было достаточно трех видов кварков для объяснения всех известных адронов. Затем группа Бартона Рихтера из Стенфордского университета и группа Самюэля Тинга из Брукхейвенской национальной лаборатории открыли новую частицу, которая не укладывалась в систему Гелл-Манна и Цвейга. Рихтер назвал ее ? («пси»), а Тинг — J («джей»). Даже если частица J/? («джей-пси») является мезоном, ее масса примерно втрое превышает массу протона. Чтобы понять это, потребовалось ввести новый кварк, названный очарованным кварком (charm quark). Таким образом, J/? состоит из очарованного кварка и очарованного антикварка. Реальность очарованного кварка вскоре была подтверждена: обнаружились и другие частицы, в состав которых входит очарованный кварк.

Всего лишь через два года пришлось ввести еще один кварк, прелестный кварк (bottom quark). Группа под руководством Леона Ледермана из лаборатории им. Ферми близ Чикаго нашла частицу, названную и (ипсилон), масса которой в десять раз превышает массу протона. Это массивный мезон, комбинация двух кварков — прелестного кварка и прелестного антикварка. Последним кварком — хотелось бы в это верить! — стал истинный кварк (top quark), открытый в 1995 году в лаборатории им. Ферми. Таким образом, полное число кварков равно шести, как и число лептонов (или 12, если считать античастицы). Три из них — верхний, очарованный и истинный — имеют электрический заряд +2/3, а остальные три — нижний, странный и прелестный — обладают зарядом —1/3.

Удивительно, что из всех базовых частиц только четыре необходимы как строительные блоки для обычного вещества: из лептонов — только электрон и электронное нейтрино, а из кварков — только верхний и нижний. Остальные элементарные частицы, похоже, лишние. Эти четыре важнейшие частицы называются частицами первого поколения; остальные восемь от носят ко второму и третьему поколениям. Мы не знаем, почему природа копирует себя еще двумя поколениями частиц большей массы (врезка 18.1).

Из чего состоит материя и как до этого додумались: yuritkachev — LiveJournal

Во второй четверти XX века учёные были близки к тому, чтобы считать, что постигли тайны микромира. О, если бы они знали, как они ошибаются!

В частности, успехи квантовой физики позволили доработать и сделать внутренне непротиворечивой выдвинутую ещё Резерфордом модель атома. В ней, напомню, основная масса атома концентрировалась в компактном ядре, состоящем из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов, а остатки массы приходились на вращающиеся вокруг ядра отрицательно заряженные электроны.

То есть, вещество во всём его многообразии представлялось состоящим вот из нейтронов, протонов и электронов — ну и из античастиц, имеющих ту же массу, что и сами частицы, но противоположный электрический заряд. Считалось очевидным, что античастицы есть у протона и электрона, а вот нейтрону, имеющему нулевой заряд, античастицы не полагалось (не существует числа, противоположному 0).

Имеющие одинаковый заряд протоны ядра должны были довольно сильно отталкиваться друг от друга. В отсутствие сил, компенсирующих это отталкивание, ядра атомов должны были бы быстро распадаться, чего на практике не происходило. Значит, должна была существовать некая сила, обеспечивающая притяжение между составляющими атомного ядра, причём притяжение это должно было быть более сильным, чем электрическое отталкивание протонов. Эту силу, не мудрствуя лукаво, назвали сильным взаимодействием.

Количественное описание взаимодействия привёл в середине 30-х японский физик Хидэки Юкава.

По принципам квантовой физики, любое взаимодействие между частицами происходит путём обмена некоей «временной» частицей — квантом взаимодействия. Представьте себе космонавтов, летящих в невесомости параллельно друг другу и перебрасывающихся мячиком. Когда один космонавт бросает мячик, он придаёт ему некий импульс. Но по закону сохранения импульса суммарный импульс системы космонавт-мячик должен сохраниться. Значит, космонавт должен приобрести такой же импульс, который он передал мячику, но направленный в другую сторону. Соответственно, когда второй космонавт ловит мячик, он «поглощает» его импульс и приобретает скорость, направленную туда же, куда летел мячик. В результате серии бросков мячика космонавты, ранее двигавшиеся параллельными курсами, начинут лететь в разные стороны — так, как если бы между ними существовала сила отталкивания.

Примерно так работает взаимодействие в квантовой физике. Разница лишь в том, что космонавты в нашем примере перебрасываются одним и тем же мячиком, тогда как частицы, переносящие взаимодействие в микромире, рождаются одной из взаимодействующих частиц и поглощаются другой без остатка, и существуют лишь в тот момент, пока летят между частицами.

То есть, для окончательного ответа на вопрос о том, как устроена материя,нужно было понять, как выглядит «мячик» сильного взаимодействия, а потом пронаблюдать его на практике.

Юкава на основании своих расчётов параметров сильного взаимодействия пришёл к выводу, что этот «мячик» должен иметь заряд, равный заряду электрона (положительный или отрицательный), и массу примерно в 200 раз большую, чем у электрона. Юкава даже придумал название «мячика», предложив называть его мезоном (средний по массе — тяжелее электрона, легче протона).

Вскоре (1936) такие частицы действительно были обнаружены. Расчёты Юкавы оказались верными. Ему дали заслуженную Нобелевскую премию, а физики стали праздновать разгадку всех тайн микромира.

Радость длилась недолго. В 1947 году физики обнаружили ещё одну частицу, очень похожую на мезон, но всё-таки от него определённо отличающуюся. Получалось, что сильное взаимодействие переносят не одна, а сразу две разные частицы, чего, конечно, быть не может. Физики загрустили, но ненадолго: вскоре они заявили, что, мол, мезон Юкавы — это вот как раз-таки открытый в 1947 году мезон, а тот мезон 1936 года — не мезон вовсе, а какая-то неведомая хрень, к сильному взаимодействию отношения не имеющая.

Но не успели они перевести дух, как в 1950-м году был открыт ещё один мезон — точнее, частица, вполне являющаяся мезоном в плане массы, но, вопреки всем прогнозам, обладающая нулевым зарядом. Это было странно. К тому же этот новый нейтральный мезон определённо принимал участие в сильном взаимодействии, так что просто списать его, как сделали с «лишним» мезоном 1936 года не удавалось.

Дальше — больше: по мере создания более совершенных экспериментальных установок, физики начали наблюдать огромное количество участвующих в сильном взаимодействии частиц всевозможных масс и зарядов. Среди них, кстати, нашёлся антинейтрон — частица, внешне никак от нейтрона не отличавшаяся, но при этом явно являвшаяся его античастицей, например, дисциплинированно аннигилировавшая при взаимодействии с настоящими нейтронами.

Физики реально грустили. Вместо троицы «электрон-протон-нейтрон» (плюс античастицы) микромир оказывался населён целым грёбаным зоопарком какой-то мутной фигни, не поддающейся, казалось, ни систематизации, ни учёту. А тут ещё этот проклятый антинейтрон, который существовать по всем представлениям не должен был бы — но вот он, сволочь такая! Кто-то из великих даже в шутку предложил вручать Нобелевскую премию тому, кто в этом году не открыл ни одной новой частицы.

В 1963 году Мюррей Гел-Манн и одновременно с ним Джордж Цвейг, основательно посидев над таблицами мезонов, обнаружили в них некоторую симметрию. Они пришли к выводу, что весь «зоопарк» можно «рассадить по клеткам», если предположить,  что и нуклоны (протон и нейтрон), и мезоны состоят из более мелких частиц трёх типов (плюс — соответствующие античастицы).

Частицы эти было решено назвать кварками, и выбор названия не может не вызывать изумления. Дело в том, что кварк (quark) по-немецки означает не что иное, как творог. Вы можете представить себе, что творится в голове у человека, который на полном серьёзе сообщает миру, что протоны и нейтроны состоят из творога?

Протон, нейтрон, а также мезоны можно было составить из различных комбинаций двух видов кварков, которые, не мудрствуя лукаво, назвали верхним (up) и нижним (bottom) — u-кварком и d-кварком, соответственно. У u-кварка был заряд -1/3 заряда протона, у d-кварка — +2/3. Кроме того, конечно, у каждого из них существовали античастицы с зарядом +1/3 и -2/3, соответственно.

По теории Гелл-Мана, протон предполагался состоящим из двух d-кварков и одного u-кварка, в результате имея заряд 1 (2/3+2/3-1/3). Нейтрон же, наоборот, состоял из одного d-кварка и двух u-кварков, а потому (2/3-1/3-1/3=0) заряда не имел. Антипротон, соответственно, состоял из анти-d-кварков и анти-u-кварка, и имел заряд в минус один.
Благополучно разрешилась и проблема с существованием антинейтрона: получалось, что антинейтрон состоит из антикварков тех же сортов, из которых состоит «настоящий» нейтрон. И хотя внешне (масса, заряд) эти частицы, таким образом, кажутся одинаковыми, с точки зрения внутренней структуры они являются самыми настоящими античастицами со всеми вытекающими последствиями.

Мезоны считались состоящими из пар кварк-антикварк. Например, отрицательный пи-мезон состоял из u-кварка (заряд -1/3) и d-антикварка (заряд -2/3), что в итоге давало заряд -1. Его античастица, положительный пи-мезон, состоял, наоборот, из u-антикварка и d-кварка, что давало ему заряд 1/3+2/3=1. Ну а нейтральный пи-мезон, в свою очередь, являлся парой кварк-антикварк одного и того же вида.

Правда, существовал ещё ряд частиц, которые из двух этих кварков составить уже не получалось. К ним относился, например, целый выводок нетипичных мезонов с необъяснимо огромными массами.

Для объяснения существования таких странных конструкций ввели третий вид кварка, который так и назвали – странный, или s-кварк (от английского strange). s-кварк во всём напоминал нижний кварк, но только был почти в 20 раз тяжелее – соответственно, более тяжёлыми оказывались и содержащие его частицы.

Теория кварков позволила хорошо объяснить всё многообразие населения микромира и описать параметры этого населения так, что они отлично согласовывались с экспериментом. Правда, надо было ещё объяснить, каким же это образом состоящая из квантов (кирпичиков вещества) частица-мезон оказывалась переносчиком сильное взаимодействия. Объяснение нашли в том, что она на самом деле им и не была.

Настоящее сильное взаимодействие, заявили физики, происходит именно что между кварками внутри адронов.
У этого взаимодействия имелись заряды, подобные электрическим, но не двух (плюс и минус), а шести сортов. К тому моменту физики уже перестали заморачиваться тем, как их термины поймёт широкая публика, и назвали эти виды зарядов по цветам: красный, синий, зелёный, а также «антикрасный», «антисиний» и «антизелёный». Сумма соответствующего цвета и антицвета давала ноль – белый цвет. Аналогично «белой» оказывалась сумма всех трёх цветовых зарядов (или всех трёх цветовых зарядов обратного знака).

Теория постулировала, что в природе существовать могут только «белые» адроны. По способу «обесцвечивания» адроны разделили на барионы, у которых белый цвет образуется путём сложения цветов разноцветных кварков, и, собственно мезоны, «белеющие» из-за компенсации цветов кварка и антикварка.

Взаимодействие (притяжение) между кварками и, косвенно, между состоящими из них адронами осуществлялось благодаря обмену принципиально новыми частицами – глюонами (от слова glue — клей). Проблема заключалась в том, что по рассчётам глюоны не могли вылетать за пределы адрона, а значит, не могли обеспечивать взаимодействие между нуклонами в ядре. Тут-то и нашлось объяснение роли мезонов, которые являлись просто своего рода «транспортом» для глюонов в их путешествии между частицами внутри атомного ядра.

Новую теорию ждало новое испытание. Со временем физики начали получать новые и новые адроны, которые уже нельзя было объяснить комбинациями кварков трёх введённых типов. Довольно скоро пришлось дополнить модель, введя кварки двух новых видов («ароматов»). Новичкам по традиции присвоили дурацкие названия – «очаровательный» (charm, c-кварк) и «прелестный» (beauty, b-кварк). Последний, впрочем, иногда ещё называют донным (bottom).
Теория кварков теряла стройность. Слишком много кварков, слишком много образуемых ими частиц!

Чуть полегче стало, когда исследователи заметили некие закономерности между старыми и новыми кварками. Как мы уже говорили, s-кварк был утяжелённой версией u-кварка. Так вот, c-кварк оказался утяжелённой версией d-кварка, в остальном во всём на него похожей. А b-кварк, в свою очередь, был братом-переростком s-кварка. Получалась система, в которой существует как бы на самом деле два вида кварков типа u и d – и их «утяжелённые» модификации. Так появилась квалификация кварков по так называемым поколениям: в первом поколении находятся u и d кварк, их «наследниками» являются, соответственно, s- и с- кварки, взявшие от «предков» всё характеристики, но прибавившие в весе, а s- и с- кваркам соответствуют b-кварк и ещё не открытый на тот момент шестой вид кварка, получивший название top (верховного) или true ( истинного), короче, t-кварка.

T-кварк, кстати, по рассчётам должен был быть настоящим тяжеловесом с массой свыше 70 масс протона. Ввиду большой массы и малого времени жизни, t-кварк не могли экспериментально обнаружить очень долго, так как на его создание потребовалась бы значительная энергия (масса=энергия!), сконцентрированная в небольшом объёме пространства. Обнаружили t-кварк аж в 1994 году, и радости не было предела: теория поколений работала. Учёным в очередной раз на кончике пера удалось угадать реальное положение дел во Вселенной.

В настоящее время считается, что никаких других кварков в природе не бывает, и общая картина того, что и как происходит внутри атомного ядра, полагается, в общем и целом, раскрытой. Однако список элементарных частиц, формирующих вещество, не ограничивается шестью кварками (с античастицами), а также хорошо известным нам электроном и его «злым братом-близнецом» позитроном. К примеру, надо было понять, какое место во всей этой истории занимает неудачливый кандидат в мезоны – мюон Андерсона?

И, надо отдать должное физикам, они придумали. Но об этом — в следующий раз.

Кафедра и факультет — Клиническая медицинская физика радиационной онкологии Протонная стипендия (Миннесота)

Кафедра и факультет

Отделение радиационной онкологии в кампусе клиники Мэйо в Рочестере, штат Миннесота, использует самые современные технологии и нанимает квалифицированный персонал для проведения лучевой терапии.

Медицинские работники отделения радиационной онкологии ежегодно обслуживают более 2500 пациентов со злокачественными заболеваниями.Каждый онколог-радиолог в клинике Майо специализируется на лечении двух или трех типов рака. Эта специализация гарантирует, что даже пациенты с редкими формами рака получат помощь от высококвалифицированного специалиста по лечению их конкретного заболевания.

Отделение предлагает полный спектр методов лучевой терапии, в том числе:

• Наружная лучевая терапия
• Излучение фотонов и электронов высоких энергий
• Стереотаксическая радиохирургия
• Брахитерапия
• Протонно-лучевая терапия

Кроме того, ежегодно отделение предлагает более 50 клинических исследований рака. Доступны протоколы для лечения рака головного мозга, груди, головы и шеи, желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы, гинекологии и легких, а также лимфомы, меланомы и саркомы.

Факультет

Преподаватели, участвующие в протонной стипендии радиационной онкологии, клинической медицинской физики, включают доктора философии. и М.С. медицинские физики, обладающие обширным опытом во всех аспектах медицинской физики радиационной онкологии.

Специализация включает все области клинической практики, исследований, образования и профессиональной деятельности.

Советники и наставники

На протяжении всей программы вам назначаются советник и наставники факультета. Эти люди служат контактными лицами на протяжении всего вашего обучения.

Приглашенные профессора

выдающихся профессора ежегодно посещают клинику Мэйо и представляют свои работы во время лекций. Стипендиатам рекомендуется в полной мере использовать возможности для взаимодействия с приглашенными экспертами.

Прецизионная лучевая онкология

* * Эта программа стипендий в настоящее время недоступна * *

Директор стипендии: Рахул Парих, доктор медицины

Это модульная 6-месячная или 12-месячная стажировка по радиационной онкологии, в рамках которой будет предложено повышение квалификации в области прецизионной радиационной онкологии.Мы называем эту стипендию модульной, потому что стажер сможет создать трехмесячные блоки специальной подготовки по протонной лучевой терапии, брахитерапии с высокой мощностью дозы и / или внутричерепной и экстракраниальной стереотаксической радиохирургии (SRS). Кроме того, стипендиат может работать над проектом клинических исследований в области прецизионной радиационной онкологии под руководством директора стажировки. Это обеспечит определенную степень адаптации в рамках стипендии, которая соответствует интересам обучаемого.

Программы ординатуры и стипендий, обучающиеся в Медицинской школе Роберта Вуда Джонсона, пользуются ресурсами и возможностями межпрофессионального общения, доступными благодаря спонсорской поддержке учреждения Rutgers Health. Узнайте больше обо всех программах последипломного медицинского образования, спонсируемых Rutgers Health, на веб-странице нашего спонсирующего учреждения.

Модули

Модуль протонной терапии позволит стипендиату получить опыт в планировании случаев протонной терапии и изучить принципы, лежащие в основе протонной лучевой терапии, и особенности планирования лечения. Этот модуль также позволит получить дополнительный опыт лечения детских злокачественных новообразований, которые часто лечат протонной терапией. Во время модуля брахитерапии стажер может научиться выполнять процедуры брахитерапии с высокой мощностью дозы для предстательной железы, гинекологического тракта и для лечения рака груди.Дополнительные опыты брахитерапии будут включать брахитерапию сарком мягких тканей и просветную брахитерапию пищевода, бронхов и желчных протоков. В рамках модуля стереотаксической радиохирургии стипендиат изучит показания и методы лечения доброкачественных и злокачественных внутричерепных опухолей с однократной SRS с использованием аппарата Gamma Knife ^® Icon ™. Кроме того, научный сотрудник также будет наблюдать и планировать показания к стереотаксической абляционной лучевой терапии тела (SABR) для экстракраниальных участков.Стипендиаты также могут рассмотреть модуль клинических исследований, в котором они узнают о дизайне и реализации исследования, включая анализ данных.

Продолжительность

Это модульная 6-месячная или 12-месячная стажировка по радиационной онкологии. Минимальный период стипендии — 6 месяцев.

Право на участие

Предварительным условием для этой программы является успешное завершение аккредитованной программы резидентуры в области радиационной онкологии.

Количество стипендиатов: 1

Как подать заявление

Кандидатуры

будут рассмотрены Комитетом по рассмотрению стипендий точной радиационной онкологии.Кандидаты будут уведомлены об окончательном решении до 1 ноября 2018 г.

Пакеты соискателя должны включать:

• Письмо о назначении от заведующего отделением, которое должно включать заявление, подтверждающее приверженность учреждения выделению времени для заявителя для прохождения программы обучения

• Личное заявление кандидата по адресу:

• Описание карьерного плана кандидата

• Как эта стипендия повлияет на карьеру соискателя?

• Обсуждение конкретных модулей или клинических исследований, которые интересуют соискателя, и того, как эти знания будут применены в родном учреждении по завершении стипендии

• Резюме кандидата в формате NIH Biosketch: NIH Biosketch: Образец / Форма инструкции — гранты. nih.gov

Шаги подачи

Заполненные заявки следует отправлять Шарде Кохли по адресу [email protected]

.

Срок

Срок подачи заявок — не позднее 3 сентября 2018 г. . Пожалуйста, укажите в теме сообщения ниже:

Стипендия по прецизионной радиационной онкологии и предоставьте свою контактную информацию.

научных сотрудников

2017: Додул Мондал, MBBS, MD, DNB, Всеиндийский институт медицинских наук

Контактная информация:

Рахул Р.Парих, доктор медицины,
Адъюнкт-профессор и директор службы протонной терапии
Отделение радиационной онкологии
Медицинская школа Рутгерса Роберта Вуда Джонсона
Ратгерский институт рака Нью-Джерси
Рутгерс, Государственный университет Нью-Джерси
195 Little Albany Street
New Brunswick, NJ 08903-2681
[email protected]

История открытия ядра | Разделы | Американский институт физики

Резерфорд Снова в Кембридже, 1919–1937

Резерфорд стал кавендишским профессором и директором Кавендишской лаборатории в 1919 году, следуя по стопам Дж. Дж. Томсон. Резерфорд умер в 1937 году, возглавив первую волну открытий атома.

В 1962 году Джон Кокрофт (1897–1967) вспомнил «чудесный год» ( Annus mirabilis ) 1932 года в лаборатории Кавендиша:

«Один месяц это был нейтрон, другой месяц — трансмутация легких элементов; в другом — создание излучения материи в виде пар положительных и отрицательных электронов было сделано видимым для нас с помощью камеры Вильсона профессора Блэкетта, следы которой загнуты одни влево, а другие вправо мощными магнитными полями.”

Резерфорд правил Кавендишской лабораторией с 1919 года до своей смерти в 1937 году. Кавендишскую лабораторию 20-30-х годов часто называют началом современной «большой науки». Десятки исследователей работали в командах над взаимосвязанными проблемами. Тем не менее, во многих работах использовались простые и недорогие устройства — чем и известен Резерфорд. И у лаборатории было много конкурентов: в Париже, Берлине и даже в США

.

Заманчиво упростить сложную историю. Резерфорд руководил лабораторией Кавендиша в течение 18 лет, и все же многие отчеты сосредоточены исключительно на драматическом 1932 году, как подчеркнул Джон Кокрофт в приведенной выше цитате. Более полный отчет спрашивает, что еще происходило в лаборатории в 1932 году, что происходило в течение дюжины лет до этого и в последующие пять лет. Также необходимо знать, как события в Кавендишской лаборатории соотносятся с событиями в остальном мире физики.

Резерфорд: Кавендишский профессор физики

Дж.Дж. Томсон был назначен магистром Тринити-колледжа в Кембридже в 1919 году и, таким образом, положил начало замечательному заключительному акту Резерфорда в истории ядерной физики.

Новая должность Томсона потребовала его полного внимания, поэтому он ушел с поста профессора Кавендиша и директора Кавендишской лаборатории. Избирательная комиссия, в которую входили Джозеф Лармор (1857–1942) и Артур Шустер, выбрала Резерфорда преемником Томсона. Резерфорд проницательно вел переговоры, чтобы быть уверенным, что Томсон не будет вмешиваться в работу лаборатории, но позволил ему оставить несколько комнат для себя, своего ассистента и нескольких студентов-исследователей. Томсон, в свою очередь, добился того, чтобы Резерфорд был избран членом Тринити-колледжа с правом «обедать там, когда захочу». (Ева, стр. 269–273). Это обещало мир между двумя гигантами в Кавендишской лаборатории.

Жизнь и работа в Кавендишской лаборатории для Резерфорда

Часто говорят, что у Резерфорда было мало времени для собственных исследований, когда он переехал в Кавендишскую лабораторию в 1919 году. Правда, у него действительно было больше административных обязанностей, чем на ранних этапах его карьеры.Более того, он сделал больше для науки за пределами лаборатории, будучи президентом Британской ассоциации содействия развитию науки (1923 г.) и Королевского общества (1925–1930 гг.), Как председатель Консультативного совета Государственного департамента науки и промышленности. Исследования (1930 г.), а в 1933 г. он стал президентом Совета академической помощи. Последний помогал еврейским ученым-беженцам, перемещенным в результате нацистской политики в Германии. Его также попросили читать много лекций, в том числе четыре лекции в год в качестве профессора естественной философии в Королевском институте в Лондоне с 1922 года.

Тем не менее Резерфорд продолжил исследования ядра. Период Макгилла Резерфорда делал упор на исследования естественного радиоактивного распада. В Манчестере это была ядерная теория атома. И как профессор Кавендиш он разрушил ядро.

Резерфорд принес с собой эту новую область исследований — искусственное разрушение ядра — из Манчестера в Кембридж. Он принес с собой свое оборудование и радиоактивные материалы, но, что наиболее важно, он пригласил своего бывшего ученика Джеймса Чедвика присоединиться к нему в дальнейших экспериментах.

Такие эксперименты всегда связаны с вопросом: «Что будет, если мы это сделаем?» Однако Резерфорд имел в виду несколько четких вопросов и целей. Во время Великой войны и в начале 1919 года он и его помощник Кей систематически пытались «разрушить ядро». В 1919–1920 годах они быстро обнаружили, что азот и другие легкие элементы выбрасывают протон (Резерфорд сказал, что это «атом водорода», а не «протон») при попадании α (альфа) частиц. Резерфорд и его сотрудники наблюдали сцинтилляции — вспышки света — когда высокоскоростные частицы ударялись о экран из сульфида цинка в затемненной комнате.

Что осталось в целевом материале? А что стало с частицей α ? Эта головоломка потребовала тщательной работы. Некоторые исторические источники ошибочно утверждают, что Резерфорд пришел к выводу, что азотная мишень захватила α частицу (с зарядом 2 положительных единицы) и испустила протон (с его зарядом 1 положительная единица), что означало, что цель теперь имела ядерный заряд. вместо 8 вместо 7. Согласно этому рассказу, азот стал изотопом кислорода, и физики в лаборатории осуществили алхимическую мечту о трансмутации.Если бы это было правдой, это открытие обеспечило бы Резерфорду драматический вход в жизнь Кембриджа. В то время Резерфорд не приходил к такому выводу.

Напротив, Резерфорд подозревал что-то менее драматичное в 1919 году. Он ограничился своим выводом идентификацией атома водорода (или протона), который был выброшен. Резерфорд писал («Столкновение α-частиц с легкими атомами», стр. 586):

«Из полученных результатов трудно избежать вывода о том, что дальнодействующие атомы, возникающие в результате столкновения α частиц с азотом, являются не атомами азота, а, вероятно, атомами водорода….Если это так, мы должны сделать вывод, что атом азота распадается под действием интенсивных сил, возникающих при близком столкновении с быстрой частицей α , и что освобожденный атом водорода является составной частью ядра азота ».

Резерфорд позаботился в 1919 году только о том, чтобы выдвинуть гипотезу о возможном распаде ядра. Он не претендовал на демонстрацию трансмутации элементов.

Как отмечает Питер Галисон в работе Image and Logic (1997, стр. 118), наблюдения сцинтилляций Резерфордом не выявили ничего более о взаимодействии частицы α и ядра азота. Милорад Младенович в своей книге History of Early Nuclear Physics (1992, pp.157-162) прослеживает важные этапы экспериментов Резерфорда 1919 года. Хотя у Резерфорда было много подозрений по поводу того, что случилось с ядрами азота, он старался ограничить свои выводы тем, что установил эксперимент.

Так откуда же возник миф о трансмутации Резерфорда 1919 года? Стивен Кривит рассказывает об этом в своей книге «Утраченная история: исследования ядерных исследований» , vol.3, глава 23. Он прослеживает зарождение мифа в газетных статьях того года, а затем в реакции Резерфорда в 1925 году на результаты его младшего коллеги Патрика Блэкетта. Кривит правильно приписывает Блэкетту наблюдения, показавшие процесс трансмутации в действии. Подробнее об этой увлекательной истории читайте в книге Кривита.

Фрэнсис Астон известен как исследователь, который в основном работал в Кавендишской лаборатории в одиночку. Однако его исследования изотопов и очень точные измерения атомного веса на самом деле были очень важны для ядерных исследований Резерфорда в 1920-х годах.

Другой исследователь Кавендишской лаборатории, Фрэнсис У. Астон (1877–1945), оказал решающую помощь в этом исследовании. Астон раньше назывался J.J. Помощник Томсона с 1909 года до Первой мировой войны усовершенствовал использование электрических и магнитных полей для анализа движущихся заряженных частиц. Астон разработал «масс-спектрометр», способный к прецизионному разделению изотопов, метод, ценный в исследованиях Резерфорда. (Изотопы — это атомы с одинаковым зарядом, но с разным атомным весом.) Астон получил Нобелевскую премию по химии за эту работу в 1922 году. Он содержал исследовательскую комнату в Кавендише на протяжении всей профессорской работы Резерфорда.

В 1920 году Резерфорд был занят составом ядра, и его попросили прочитать престижную лекцию Лондонскому королевскому обществу. «Обладая экспериментальным опытом, которого не было ни у кого, — предположил Резерфорд. Он сказал, что комбинации элементарных частиц — протона и электрона — могут производить еще не открытые частицы и материалы.Ядро с массой 2 и зарядом 1 (2 протона, тесно связанных с электроном, сказал он) будет изотопом водорода. (Теперь мы бы сказали, что это ядро ​​имеет 1 протон и 1 нейтрон.) Он предположил, что также возможен «атом массы 1 с нулевым зарядом». (Ева, с. 281). Короче говоря, Резерфорд призвал к поискам, которые в конечном итоге дали дейтерий, нейтрон и другие сюрпризы.

Эта лекция Королевского общества 1920 г. определила большую часть повестки дня Резерфорда и его лаборатории на всю оставшуюся жизнь.В течение 1920-х годов Резерфорд, его личный помощник Джордж Кроу и Чедвик использовали α частиц для исследования и воздействия на ядро: для определения его размера, измерения энергии испускаемых протонов, и они исследовали «барьер очень высокого потенциала, который сохранял ядро неповреждено, при проверке проникновения иностранца »(Ева, стр. 298–299). Они также безуспешно искали нейтрон более 10 лет. Безусловно, Чедвик и Кроу проделали большую часть работы, но Резерфорд всегда был вовлечен, задавая вопросы, внося предложения, отмечая или ругая.

Послушайте, как Чедвик рассказывает о глупых экспериментах его и Резерфорда

Для прослушивания этого аудиоклипа необходимо установить Flash Player.

Это объяснение действительно было своего рода эффектом Комптона на протон, не так ли? Я смотрел на это и никогда ничего не говорил об этом, но, конечно, провел много экспериментов, о которых я ничего не сказал. Некоторые из них были довольно глупы. Полагаю, я получил эту привычку или импульс, или как бы вы это называли, от Резерфорда.Иногда он проводил чертовски глупые эксперименты, и мы проводили их вместе. Они были чертовски глупыми. Но если бы мы получили положительный результат, они не были бы глупыми. Но он никогда не колебался. Иногда он говорил, как казалось, довольно глупо. Он говорил то, что записано на бумаге, глупо или было бы глупо. Но когда кто-то думал о них, вы начинали видеть, что этих слов не хватало, чтобы выразить то, что было у него в голове, что в спине было что-то, о чем стоило подумать.Я думаю, что то же самое можно было бы применить к некоторым из этих экспериментов, которые я назвал глупыми. Всегда была возможность, что что-то случится, и нельзя пренебрегать работой, скажем, нескольких часов или даже нескольких дней, чтобы быть уверенным …

«Мальчики» Резерфорда

Кавендишская лаборатория в 1920-х и 30-х годах была оживленным и многолюдным местом. Помимо Резерфорда, Чедвика, Астона и Томсона, каждый год около тридцати студентов-исследователей и несколько посетителей были заняты разнообразными исследованиями.Некоторые команды исследовали проблемы, связанные с болезнью Резерфорда, а некоторые исследовали другие проблемы. Некоторые исследователи Кавендиша, такие как C.T.R. Уилсон (1869–1959) обнаружил их работу за пределами лаборатории. Некоторые посторонние, такие как теоретик Ральф Фаулер (1889–1944) из отдела математики, держали комнату в лаборатории.

Прослушать голосовой фрагмент

Для прослушивания этого аудиоклипа необходимо установить Flash Player.

Вайнер:
Поэтому, когда Резерфорд принял вас в качестве студента-исследователя, аспиранта, он в некотором смысле покупал вас на долгий срок.

Перо:
Ну, он покупал меня на три года, пока я не получил докторскую степень; конечно, он надеялся, что в группе, которую он соберет в течение любого года, найдет одного человека, который собирался оставаться в его штате довольно долгое время.

Вайнер:
Но у него не было никаких обязательств и никакой ответственности перед вами после трех лет?
Пух Перо:
О нет.

Марк Олифант (1901–2000), австралиец, пришедший в Кавендишскую лабораторию в качестве исследователя в 1927 году, описал школьный опыт новых студентов: Астон читал прямо из своей книги об изотопах. Артур Эддингтон (1882–1944) рассуждал об относительности умозрительно и «почти без математики». Дуглас Хартри (1897–1958) читал обстоятельные, но педантичные лекции по квантовой теории, а Невилл Мотт (1905–1996) читал прекрасные квантовые лекции. C.T.R. Уилсон был настолько робким докладчиком по атмосферному электричеству, что немногие студенты приходили на какие-либо лекции после первой.По словам Олифанта: «… самого лектора … явно смущала его неспособность выразить свое мнение». С другой стороны, обсуждения ионосферы Джона А. Рэтклиффа (1902–1987) «были самыми ясными и лучше всего изложенными лекциями, которые я посетил». (Олифант, стр. 24).

Прослушать голосовой фрагмент

Для прослушивания этого аудиоклипа необходимо установить Flash Player.

Прежде всего Резерфорд пришел поговорить на обеде в Кавендише.Это был очень интересный момент, потому что тогда впервые появились фотографии Уилсона. И Уилсон сделал несколько фотографий, на которых действительно видны изгибы альфа-лучей. И Резерфорд был в восторге от этого. Но, конечно, он сказал, что знал, что это так. На этом он основал всю теорию атома. Но тот, кто когда-либо должен увидеть это напрямую, был к этому совершенно не готов.

Резерфорд также читал лекции об атоме с большим энтузиазмом, но не всегда последовательно или хорошо подготовился.Олифант рассказывает об одном случае, когда Резерфорд зашел в тупик на лекции и сказал классу: «Вы сидите там, как тупица, и ни один из вас не может сказать мне, где я ошибся». (Олифант, стр. 26).

Несмотря на легендарное предпочтение Резерфорда небольших самодельных аппаратов, он также поддерживал разработку высоковольтного оборудования. Это оборудование позволило провести новые исследования частиц высоких энергий и сверхнизких температур. Предоставлено: British Information Services, 30 Rockefeller Plaza, New York, NY, любезно предоставлено AIP Emilio Segrè Visual Archives.

Исследовательские группы, возглавляемые сильными людьми, работали над множеством вопросов и над новыми устройствами в Кавендишской лаборатории. Патрик Блэкетт (1897–1974), работавший в лаборатории с 1919 года, руководил усовершенствованием камер Вильсона для исследований ядерных и космических лучей. Aston сконцентрировался на новом, более точном масс-спектрометре. Петр Капица (1894–1984) разработал сильные магниты и изучал влияние сильных полей на материалы. Марк Олифант, Джон Кокрофт и E.T.S. Уолтон (1903–1995) исследовал способы ускорения заряженных частиц.Также в конце 1920-х годов Резерфорд поощрял поиск электронных средств обнаружения ядерных событий, которые могли бы заменить сцинтилляционный метод. К.Э. Винн-Вильямс (1903–1979) первым представил свой «счетчик с двумя шкалами», но многие сотрудники лаборатории были вдохновлены успехом электронного детектора излучения Ганса Гейгера и Вальтера Мюллера — трубки Гейгера-Мюллера — в 1928 году. Детекторы Винна – Вильямса оказались незаменимыми в ядерных исследованиях 1930-х годов.

Последний пример исследовательской группы был далек от ядерной физики.Ее руководитель, Рэтклифф, приехал в Кавендишскую лабораторию еще студентом в 1921 году и начал исследования в 1924 году. Эпплтон (1892–1965) уехал в середине 1920-х годов, Резерфорд попросил Рэтклиффа руководить работой в области радио и атмосферной геофизики. Его группа внесла большой вклад в физику ионосферы, а затем в радиоастрономию. В этой работе есть нечто общее с ядерной физикой: большая зависимость от электроники. Таким образом, хотя темы и различались, все извлекли выгоду из достижений в приборостроении в Кавендишской лаборатории.

Annus mirabilis 1932 года

В 1932 году исследователи Резерфорда произвели три крупных ядерных разработки. В феврале Чедвик объявил об обнаружении нейтрона. В апреле Джон Кокрофт и E.T.S. Уолтон разрушил ядро, используя искусственно ускоренные протоны. А в конце года Патрик Блэкетт и Джузеппи Оккиалини (1907–1993) продемонстрировали существование позитрона. Что привело к этим замечательным достижениям?

Чедвик искал экспериментальные доказательства существования нейтрона на протяжении 1920-х годов.Хотя в течение этого десятилетия у него были и другие успехи, каждая попытка обнаружить нейтрон была тупиковой до 1932 года. Это не должно быть сюрпризом. Без электрического заряда нейтрон не проявит себя так, как заряженные частицы.

Систематическое исследование ядерной дезинтеграции, проведенное Резерфордом и Чедвиком в первый год их обучения в Кембридже, в сочетании с точными масс-спектрометрическими работами Астона заставило их обратить пристальное внимание на атомный вес в «ядерных реакциях».Когда Вальтер Боте (1891–1957) и Х. Беккер наблюдали необычно проникающее излучение в 1930 году и когда в начале 1932 года Ирен (1897–1956) и Фредерик Жолио-Кюри (1900–1958) утверждали, что аналогичные результаты связаны с γ (гамма) лучей, Резерфорд и Чедвик просто не думали, что суммы складываются (Хендри, стр. 7–9).

Чедвик отправился проверить эту гипотезу о γ -луче. Он использовал то же излучение бериллия, что и другие, направил излучение на парафин (богатый источник выброса протонов), измерил пробег этих протонов, а также измерил, как эти лучи бериллия воздействуют на различные атомы газа.Однако у него было лучшее оборудование для обнаружения. Он пришел к выводу, что γ -лучей не могут вызвать эти эффекты и что излучение бериллия должно быть нейтрально заряженной частицей, примерно равной массе протона. Он нашел доказательства нейтрона. Это, конечно, косвенное свидетельство. Он не «видел» нейтрон, но эффекты были совместимы с такой частицей. Чедвик объявил об «открытии» нейтрона в статье, отправленной в журнал Nature 10 февраля 1932 года.(Эксперимент был несколько сложнее, чем описано здесь, но это обсуждение улавливает наиболее важные моменты.)

Второе великое событие Annus mirabilis 1932 года — первое использование ускорителя элементарных частиц для ядерного распада — также создавалось годами. Начиная с самых ранних работ Резерфорда, основным источником быстрых заряженных частиц был распад естественных радиоактивных материалов, таких как радий. И наиболее распространенной частицей, испускаемой в этих экспериментах, была частица α или ядро ​​гелия.

Кокрофт, Резерфорд и Уолтон в 1932 году, вскоре после того, как они ускорили протоны против литиевой мишени, разделив ядро ​​лития на две альфа-частицы, то есть ядра гелия. Это продемонстрировало не только «трансмутацию» элементов, но и формулу Эйнштейна E = mc ² , поскольку небольшая потеря массы произвела энергичные альфа-частицы. Предоставлено: Управление по атомной энергии Великобритании, любезно предоставлено AIP Emilio Segre Visual Archives.

Как и другие физики в 1920-х годах, Резерфорд хотел найти способы искусственного ускорения электронов, протонов и α частиц.То есть с автоматом. В самом деле, он обращал внимание на ускорители элементарных частиц в своем Послании президента Королевскому обществу в 1927 году. Правда, он не хотел тратить на это много денег и не одобрял постройку машины большего размера, чем необходимо. Тем не менее он хотел ускоритель элементарных частиц. Как он сказал в этом адресе:

«Я давно мечтал иметь доступный для изучения обильный запас атомов и электронов, индивидуальная энергия которых намного превосходит энергию α- и β-частиц радиоактивных тел.Я надеюсь, что мое желание, возможно, еще исполнится, но очевидно, что придется преодолеть многие экспериментальные трудности, прежде чем это можно будет реализовать в лабораторных условиях ».
Proceedings , Royal Society, 1927).

С прибытием в Кавендишскую лабораторию новых студентов с инженерным образованием эта мечта вскоре осуществилась.

Послушайте, как доктор Филип Ди расскажет об историческом значении работы Резерфорда

Для прослушивания этого аудиоклипа необходимо установить Flash Player.

… здесь это обобщение, имеющее историческое значение. Это универсальность, и это важный фактор в успешном прохождении Резерфорда Кавендиша, знаете ли, было то, что когда он увидел, как тучи разлетаются, всех втянуло в это, вы знаете. В этом смысле он был великим генералом, потому что, если Резерфорд догадывался, что что-то сработает или что-то возможно, все ресурсы были брошены в эту брешь. Это было похоже на то, как армия преодолевает барьеры, если вы понимаете, что я имею в виду, так что я не хочу говорить, что я был важным фактором в этом, но я говорю, что когда появились такие вещи, как нейтрон или искусственный распад , все ресурсы, какими бы незначительными они ни были, должны были быть задействованы, и я был одним из тех, кто был привлечен, я бы сказал.Вот как это случилось. Это то, что привело меня в Кавендиш, в отличие от того, что я продолжал работать с C.T.R. Дело в том, что это было поведение Резерфорда, знаете ли.

Мерл Тув (1901–1982) и Грегори Брайт (1899–1981) в США работали над катушкой Тесла и генератором Ван де Граафа для создания высокого напряжения для ускорения заряженных частиц. Тем временем в Кембридже T.E. Аллибоун (1903–2003) (из электрической компании Metropolitan-Vickers) попытался создать аналогичную машину.Были и другие, но самым известным из них является Эрнест Лоуренс (1901–1958), который сначала попытался построить линейный ускоритель, а затем построил свой знаменитый циклотрон в 1930 году.

Джон Кокрофт, получивший степень в области электротехники в Манчестерском университете, приехал в Кембридж в 1922 году. В 1924 году он присоединился к Капице в его промышленных усилиях по созданию больших магнитных полей. Кокрофт также рассматривал проблему ускорителя Резерфорда. К нему присоединился в 1927 и 1928 годах Т.Э. Аллибоун и Эрнест Уолтон. Вместе и по отдельности они рассматривали круговой ускоритель и другие ускорители нескольких конструкций, но не смогли преодолеть конструктивные трудности или ограничения лаборатории, которая еще не была снабжена стандартным высоковольтным переменным током.

Работа была ускорена в Кембридже после визита русского физика-теоретика Джорджа Гамова (1904–1968) в 1929 году. Кокрофт осознал значение теоретической работы Гамова. Он пришел к выводу, что ускоритель протонов на 300 000 вольт может проникнуть в ядро ​​материала мишени и вызвать ядерную реакцию.

Прослушать голосовой фрагмент

Для прослушивания этого аудиоклипа необходимо установить Flash Player.

А потом в библиотеке в Геттингене я нашел Philosophical Magazine со статьей Резерфорда, в которой он стрелял быстрыми альфа-частицами — из радия C или чего-то еще — в уран и надеялся наблюдать аномальное рассеяние, но его не было. Это было обратное квадратичное рассеяние, а это противоречие.И Резерфорд в этой статье предложил довольно забавную теорию. Видите ли, Резерфорд на самом деле думал о нейтронах примерно за пять лет до того, как нейтроны были действительно открыты, и люди из Кембриджа проводили эксперименты, никогда не публиковавшиеся, которые пытались вытолкнуть нейтроны из ядра и потерпели неудачу. И сдался. Вот почему Чедвик знал, что это нейтрон, потому что много лет назад он пытался получить его.

Итак, Резерфорд изложил в этой статье теорию: как альфа-частица может пройти через барьер, превышающий ее энергию.И, будучи классическим физиком, он, конечно, думал, что альфа-частица идет с двумя электронами. Ну, четыре нейтрона, собственно, полинейтрон. Масса 4 нулевого заряда выходит из ядра. И на определенном расстоянии он сбрасывает два электрона, которые возвращаются назад, падают в ядро. Не знаю, где они начинают ускоряться. Что ж, в этот момент, когда я прочитал это, я подумал: «Черт возьми, это не так». Это экспоненциальное решение уравнения Шредингера. И на следующий день газета была готова.

Теперь команде Кембриджа оставалось только спроектировать и построить машину! Это долгая история, но к 1932 году Кокрофт присоединился к экспериментальной работе Уолтона, и они были готовы попытаться расщепить атомы.Кокрофт и Уолтон всегда искали утечки в эвакуируемом оборудовании. 13 или 14 апреля Эрнест Уолтон наблюдал сцинтилляции на экране, свидетельствующие о том, что их ускоренные протоны, столкнувшись с литием, расщепили ядро ​​лития и образовали две α частиц.

Последним драматическим событием 1932 года в Кавендише была демонстрация Патриком Блэкеттом и Джузеппе Оккиалини существования «положительного электрона» или позитрона. Обычно открытие позитрона приписывают Карлу Андерсону из Калифорнийского технологического института.Хотя исследование Блэкетта и Оккиалини было одновременным с исследованием Андерсона, Блэкетт сдерживал свое заявление до тех пор, пока у него не было убедительных доказательств. Это было типично для команды Резерфорда.

Патрик Блэкетт покинул Кавендишскую лабораторию в 1933 году, чтобы занять должность профессора в Биркбек-колледже в Лондоне, а затем в 1937 году в Манчестере. Там он был профессором Лэнгуорти, прежним положением Резерфорда. Позже он участвовал в операционных исследованиях и палеомагнетизме. Предоставлено: Кембриджский университет, Кавендишская лаборатория.

Твердое свидетельство состояло из фотографий камеры Вильсона, на которых были видны две частицы, вращающиеся в противоположных направлениях из общей точки. Блэкетт и Оккиалини обладали преимуществом десятилетия Блэкетта по усовершенствованию камеры Вильсона и знакомства Оккиалини с техникой, разработанной в Италии его наставником Бруно Росси (1905–1993). В технике Росси для запуска действия использовались два счетчика Гейгера-Мюллера, расположенные по прямой линии, когда заряженная частица быстро срабатывала в обоих счетчиках.Блэкетт и Оккиалини объединили эти две идеи. В их устройстве космические лучи (или заряженные частицы в ядерных экспериментах) сделали свои собственные снимки. Их эксперименты теперь производили фотографические доказательства в 80% случаев (Hendry, pp. 7–30, passim). Поскольку Андерсон первым опубликовал свое объявление, в 1936 году он получил Нобелевскую премию по физике за открытие позитрона.

В каждой из этих трех историй есть гораздо больше из Annus mirabilis лаборатории Кавендиша. Однако это повествование дает вам некоторое представление о том волнении, которое испытывал Эрнест Резерфорд и его исследователи в 1932 году. Однако следует помнить, что это волнение возникло после 12 лет упорной работы.

Прослушать голосовой фрагмент

Для прослушивания этого аудиоклипа необходимо установить Flash Player.

А потом в библиотеке в Геттингене я нашел Philosophical Magazine со статьей Резерфорда, в которой он стрелял быстрыми альфа-частицами — из радия C или чего-то еще — в уран и надеялся наблюдать аномальное рассеяние, но его не было.Это было обратное квадратичное рассеяние, а это противоречие. И Резерфорд в этой статье предложил довольно забавную теорию. Видите ли, Резерфорд на самом деле думал о нейтронах примерно за пять лет до того, как нейтроны были действительно открыты, и люди из Кембриджа проводили эксперименты, никогда не публиковавшиеся, которые пытались вытолкнуть нейтроны из ядра и потерпели неудачу. И сдался. Вот почему Чедвик знал, что это нейтрон, потому что много лет назад он пытался получить его.

Итак, Резерфорд изложил в этой статье теорию: как альфа-частица может пройти через барьер, превышающий ее энергию.И, будучи классическим физиком, он, конечно, думал, что альфа-частица идет с двумя электронами. Ну, четыре нейтрона, собственно, полинейтрон. Масса 4 нулевого заряда выходит из ядра. И на определенном расстоянии он сбрасывает два электрона, которые возвращаются назад, падают в ядро. Не знаю, где они начинают ускоряться. Что ж, в этот момент, когда я прочитал это, я подумал: «Черт возьми, это не так». Это экспоненциальное решение уравнения Шредингера. И на следующий день газета была готова.

Как работает протонная терапия | Beaumont Health

Существует три эффективных способа лечения рака: химиотерапия, хирургия и лучевая терапия.В рамках лучевой терапии существует несколько различных подтипов. Протонная терапия — один из таких подтипов. Благодаря своим многочисленным преимуществам, онкологи и больницы по всему миру быстро используют его.

Протонное излучение было впервые предложено для лечения рака в 1946 году физиком Робертом Р. Уилсоном, доктором философии. Первые попытки лечения пациентов начались в 1950-х годах, но они были ограничены несколькими участками тела. С тех пор использование протонной терапии выросло, и только в Соединенных Штатах действует 28 протонных центров.Бомонт — первый действующий центр протонной терапии в Мичигане.

Для пациентов, страдающих многими видами рака, протонная терапия может предложить более безопасную и точную альтернативу традиционному облучению. Как следует из названия, частицы, используемые во время этой терапии, являются «протонами», в отличие от частиц рентгеновского или гамма-излучения, используемых в традиционной лучевой терапии. Использование этих протонов повышает точность лечения.

Понимание того, как работает протонная терапия и каковы ее преимущества по сравнению с другими формами традиционной лучевой терапии, включает понимание некоторых основных концепций физики, химии и того, что происходит, когда радиация достигает человеческого тела.

Краткая справка о «частицах»

И в протонной терапии, и в традиционной лучевой терапии высокоцелевые частицы используются для уничтожения раковых клеток, таких как клетки злокачественной опухоли. Но что такое «частица»?

В физике «частицы» лучше всего можно описать как мельчайшие части целого. В качестве основной аналогии представьте, что вы роняете и разбиваете стакан для питья. Отдельные осколки стекла, из которых состоит этот стакан, можно рассматривать как его частицы.Например, «рентгеновское излучение» — это, по сути, просто волна света в электромагнитном спектре. Эта световая волна, невидимая для человеческого глаза, также состоит из микроскопических частей, называемых «фотонами». Каждый отдельный фотон — это частица, составляющая всю рентгеновскую волну. Точно так же атомы обычно состоят из трех типов частиц: протонов, электронов и нейтронов, кроме одного из элементов периодической таблицы. Вот почему вы часто можете слышать, как протоны называют «субатомными частицами».

Неважно, какой тип частиц используется во время лучевой терапии, будь то рентгеновские лучи, гамма-лучи или протоны, цель одна. Чтобы отправить частицы «облучать» раковые клетки. Это просто означает подвергнуть эти клетки воздействию радиации, которая, в свою очередь, может уничтожить их и предотвратить их распространение.

Превращение протонов в частицы, поддающиеся обработке

Протоны по своей природе не являются деструктивными частицами. В конце концов, они счастливо сосуществуют с другими частицами в атомах; основные строительные блоки для любого обычного дела.Так как же можно превратить частицу, из которой состоит обычная материя, в разрушительную силу, способную лечить рак?

Для этого он должен сначала стать «ионизированным», что означает, что он должен стать электрически заряженным. Чтобы протон стал электрически заряженным, его сначала нужно отделить от своего электронного партнера в атоме, а затем ускорить. Чем быстрее движется протон, тем больше энергии он унесет. Чем больше энергии он несет, тем более разрушительным он в конечном итоге станет при контакте с раковой клеткой.

Протонная терапия использует для этого «ускоритель». Ускоритель начинает с того, что берет атом водорода, разбивает его на части, отделяет протон от электрона, а затем ускоряет изолированный протон, чтобы он переносил с собой как можно больше энергии. Затем высокоэнергетический ионизированный протон выбрасывается прямо в опухоль.

Существует ряд причин, по которым ускоритель использует атомы водорода в отличие от других элементов периодической таблицы в процессе ионизации.Во-первых, водород является самым распространенным элементом во всей Вселенной, поэтому его очень легко найти. С другой стороны, это конструктивно намного проще, чем другие элементы. Атом водорода имеет только один протон и один электрон; это единственный элемент в периодической таблице без нейтрона. Таким образом, изолировать и ионизировать протон гораздо легче с водородом, чем с любым другим элементом периодической таблицы.

Минимизация входных доз, исключение выходных доз

К сожалению, из-за разрушительной природы любой радиационной частицы и из-за того, как частицы проходят через человеческое тело, повреждения раковых клеток не полностью изолированы.Чтобы частицы достигли опухоли, они должны сначала пройти через здоровые ткани, в первую очередь через кожу. Это, в свою очередь, может вызвать непредвиденные побочные эффекты во время лечения. Это известно как «входная доза», и, по крайней мере, на данный момент, это неизбежно как в протонной терапии, так и в традиционной лучевой терапии. Однако благодаря использованию протонов входные дозы значительно снижаются по сравнению с рентгеновским или гамма-излучением.

В традиционной лучевой терапии частицы рентгеновского или гамма-излучения могут вызывать дальнейшие повреждения после того, как достигают намеченного пункта назначения.Это так называемая «выходная доза». Опять же, это может нанести непреднамеренный вред здоровым клеткам. Это может быть особенно проблематично, когда эти здоровые клетки расположены в жизненно важных органах или рядом с ними, как в случае лечения рака головы и шеи, желудочно-кишечного тракта или рака груди.

Однако с протонной терапией частицы, используемые для уничтожения больных клеток, перестают быть вредными, как только они достигают намеченного пункта назначения. Следовательно, выходящие дозы исключаются, защищая больше здоровых клеток в организме, которые существуют за пределами цели.

Пик Брэгга протона

Так как же протоны могут минимизировать входные дозы и полностью исключить выходные дозы? Что отличает протонную частицу от рентгеновской или гамма-частицы? Все сводится к уникальным физическим свойствам самого протона и его «пика Брэгга».

Во-первых, протоны субатомны. Это означает, что он несет в себе некоторую массу. Следовательно, атомы могут соединяться вместе, чтобы создавать вещи; вода, человеческие ткани и буквально любая другая форма обычного вещества, существующая где-либо во Вселенной.Напротив, частицы рентгеновского излучения — это фотоны. Фотоны не имеют массы. Наличие или отсутствие массы означает, что будут некоторые внутренние различия в том, как частица будет вести себя, когда она вступит в контакт с чем-то еще, например тканью в человеческом теле.

Возможно, вы знакомы с Первым законом Ньютона, который гласит, что движущийся объект будет продолжать движение с той же скоростью, если на него не действует другая сила. Думайте о частице как о «объекте» здесь, а о «несбалансированной силе» как о ткани внутри человеческого тела.Когда частица проходит через тело, она замедляется, попутно накапливая энергию, пока в конце концов не остановится. Какие бы клетки ни находились на пути отложения этой энергии, они будут повреждены, независимо от того, являются ли они злокачественными. В идеальном мире врачи могли бы передать 100% энергии частицы именно в тот момент, когда она достигнет раковой клетки. К сожалению, это просто физически невозможно, но с протонами врачи могут быть намного ближе к достижению этого совершенства, чем с рентгеновскими или гамма-частицами.

Ионизированные частицы не замедляются с постоянной скоростью при перемещении через тело, и, следовательно, энергия, которую они переносят, не будет отдаваться равномерно. Фактически, они существуют на том, что физики элементарных частиц называют «кривой Брэгга». Именно поэтому такие частицы так эффективны при лечении рака. Когда ионизированная частица впервые соприкасается с телом, она не замедляется мгновенно, а скорее увеличивает скорость, с которой она замедляется, пока не достигнет своего «пика». Как только частица достигает «пика» этой кривой, она выделяет большую часть своей разрушительной энергии, прежде чем быстро становится безвредной.В любой терапии рака частицы нацелены так, что они достигают своего «пика Брэгга» именно в тот момент, когда достигают раковых клеток.

Уникальные свойства протонной частицы, в частности масса, которой она обладает, делают ее кривую намного более резкой, чем у рентгеновской или гамма-частицы. Это также значительно упрощает управление траекторией протона. Кривые Брэгга для частиц рентгеновского и гамма-излучения сравнительно плавные, что означает, что больше энергии выделяется как до, так и после достижения опухоли. Напротив, больший всплеск, связанный с кривой Брэгга протона, гарантирует, что гораздо меньше энергии выделяется на его пути к опухоли, больше энергии вкладывается, когда он достигает самой опухоли, и любая остаточная энергия, выделяемая после того, как он проходит мимо цели, будет слишком незначительно, чтобы вызвать дополнительное повреждение клеток.

Развитие протонной терапии в Beaumont

Система лечения в одной комнате ProteusOne компании Beaumont включает прецизионные технологии. Протонная терапия с модулированной интенсивностью (IMPT) с технологией сканирования карандашным лучом и 3-D конусно-лучевой компьютерной томографией может воздействовать на опухоль в пределах менее миллиметра.

Сканирование карандашным пучком — это доставка протонов тонким пучком. Как и карандаш, луч движется вперед и назад для нацеливания на обрабатываемую область — форму, размер и глубину. Этот метод использует магнитное поле для управления положением небольшого протонного пучка и использует систему выбора энергетического слоя для выбора точной глубины опухоли, точно так же, как техника 3D-рисования, используемая в рентгеновской терапии.

Будучи лидерами в области лечения лучевой онкологии, радиационные онкологи Бомонта постоянно ищут способы улучшить результаты лечения и улучшить впечатления пациентов, включая разработку новых методов протонной терапии, таких как ротационная дуга для лечения рака легких.

Чтобы узнать больше о протонной терапии или узнать, имеете ли вы право на этот вариант лечения, обратитесь к навигатору протонной медсестры в Бомонте. Звоните 248-551-8402.

Педиатрическая стипендия по протонам в Mass General Hospital

Обзор

Это годичная программа стипендий, предназначенная для ознакомления слушателя с показаниями, методами и результатами лечения протонной лучевой терапией.

Стажеры будут тратить около 6 месяцев в году на службы клинической радиационной онкологии, использующие протонную лучевую терапию.Шесть месяцев в году будут потрачены на клинические, физические или биологические исследования, связанные с протонной лучевой терапией и ее использованием в педиатрии.

Ожидается, что во время клинической службы стипендиат будет оценивать новых пациентов, рассматриваемых для протонной лучевой терапии, продиктовать соответствующие консультационные заметки, представить пациента для обсуждения на Proton Rounds в отделении радиационной онкологии и на других соответствующих многопрофильных конференциях по ведению пациентов ( я.е. Конференция по саркоме, Совет по педиатрическим опухолям и т. Д.), Обзор диагностических исследований с участием лечащего радиационного онколога и специалистов из других служб (например, патологии, диагностической радиологии) и активное участие в процессе планирования лечения протонной лучевой терапией.

В настоящее время на стажировки по протонам на год принимаются не более 2 стипендиатов; один научный сотрудник посвящен педиатрии.

Цели программы стипендий

К концу стипендии педиатрический научный сотрудник по протонным клиническим исследованиям станет специалистом в:

• Подходящий выбор пациента для протонов
• Как пациентов направляют и доставляют на лечение, и как надлежащим образом доводить план до направляющих врачей
• Важность первичной проверки записей, сканирований и патологии
• Ведение пациентов и сбор результатов как при посещении клиники, так и при дистанционном лечении
• Изучите физику протонной лучевой терапии и чем она отличается от фотонной терапии, а также изучите важные правила планирования лечения протонной терапией на основе характеристик RBE
• Тонкости трехмерной конформной протонной лучевой терапии, их преимущества и ограничения
  1. Включая поля исправления и поля соответствия
  2. Основные правила планирования лечения
  3. Соответствующее включение IMRT
  4. Углубленное понимание неопределенностей дальности, влияния ошибки настройки и того, чем планирование протонов отличается от планирования фотонов для достижения высоко конформного распределения дозы
• Ведение пациентов в рамках междисциплинарной группы MGH, которая включает в себя направляющее учреждение и команду
• Перспективы и недостатки технологий сканирования, включая универсальное сканирование, сканирование карандашным лучом и модуляцию интенсивности, а также то, когда необходимы апертуры или модификаторы луча и как движение цели влияет на эти
• CMS и ASTROID манипуляции с планированием лечения протонами через 1-месячную ротацию в протонной физике

Клиническая деятельность
Клинические ротации будут взвешены к началу года, чтобы ознакомить стипендиата с протонными технологиями. К концу года ротация исследователей увеличится.

Все клинические ротации будут сконцентрированы на педиатрии с некоторым элективным временем для службы основания черепа, которая лечит детские хордомы и хондросаркомы.

Возможности для исследований
Научная деятельность и хорошее гражданство являются неотъемлемыми компонентами программы. Чтобы продемонстрировать владение концепциями протонной лучевой терапии у детей, будет написана обзорная статья, посвященная имеющимся на сегодняшний день данным в поддержку протонной лучевой терапии у детей.

Помимо участия в текущих протоколах клинических исследований, также ожидается, что стипендиат разработает и завершит как минимум три клинических исследовательских проекта или рукописи, один из которых должен быть создан и спланирован научным сотрудником на основе возникшего вопроса. в клинике.

Стипендиату предлагается использовать свой опыт для дальнейшего совершенствования программы педиатрических протонных исследований MGH. Ожидается, что научный сотрудник воспользуется преимуществами текущих ресурсов, которые MGH может предложить, включая базу данных педиатрических клинических исследований и менеджер данных, а также обширный постоянный проспективный сбор данных о качестве жизни, многие классы, предлагаемые в MGH через Clinical Программа исследований и многоцентровый детский регистр данных по протонам.

Кроме того (в зависимости от доступного финансирования), некоторые средства могут быть доступны для посещения до двух классов в Гарвардской школе общественного здравоохранения, или для клинического корреляционного исследования, или для дополнительного научного сотрудника, помогающего ответить на целевой исследовательский вопрос. еще не собраны и не представлены в базах данных.

Два из трех проектов могут быть выбраны из списка общих проектных идей ниже, но все три могут быть связаны с конкретными исследовательскими интересами и требуют одобрения педиатрической исследовательской группы MD (Йок, Макдональд, Тарбелл).

Возможные исследования:

• Исследование схем оказания помощи
• Понимание обстоятельств, при которых технологии сканирования улучшают конформные 3D-технологии
• Сравнительное исследование возможностей CMS и Eclipse с детским раком H и N, опухолью головного мозга и CSI
• Качество жизни у детей (коррелирует с заболеванием, нейропсихологией, социально-экономическим статусом)
• Использование изображений для решения насущных проблем (например, перфузия, ПЭТ, функциональная МРТ)
• Коррелирующая доза с критическими структурами и исходами (т. Е. Доза-реакция на облучение гиппокампа и тесты памяти при нейрокогнитивной оценке)
• Частота появления второй опухоли у детей после протонов, сравнение контрольных значений с SEER
• Измерение функциональных результатов в популяции пациентов с саркомой у детей
• Дозиметрические сравнительные исследования в COG и MGH
• Перекрестное исследование протонного центра конкретного редкого заболевания (например, детской эстезионейробластомы)
• Меры обеспечения качества в детских планах протонной терапии
• Сравнение возможностей протонных центров
• Исследование экономической эффективности

Национальные встречи
Мы приложим все усилия, чтобы выделить средства для поддержки совместных поездок на национальное онкологическое собрание. Дополнительные средства будут изыскиваться для презентации результатов исследований, полученных в результате их исследовательских проектов.

Оценка товарища
Оценка будет предоставлена ​​в двух форматах:

• Неофициальная, постоянная оценка на протяжении отдельных ротаций: стипендиат получит и, как ожидается, ознакомится с целями стипендии. Персонал будет предлагать постоянный вклад, обратную связь и поддержку резиденту, чтобы стипендиат и сотрудники могли оценить, насколько ожидаемые результаты работы встречаются.Этот процесс должен начинаться сразу после начала ротации, чтобы максимизировать возможности для вмешательства, если будут отмечены недостатки в производительности. Если персонал обнаруживает недостатки в работе, об этом следует сообщить стипендиату, находящемуся на службе, и вместе с руководителем стипендии должны быть предприняты корректирующие действия.

• Официальная письменная оценка: форма обзора стипендии департамента заполняется сотрудниками по завершении ротации. Директор программы будет встречаться со стипендиатом не реже двух раз в год для обсуждения, а также для предоставления консультаций по вопросам карьеры и получения отзывов от стипендиата о программе и преподавательском составе.Директор программы гарантирует, что преподавательский состав оценивает стажеров в письменной форме не реже двух раз в год и дает частые и своевременные устные отзывы. Директор программы будет вести файл письменных оценок каждого обучаемого.

Оценка опыта преподавания
Стипендиатов попросят прокомментировать их опыт обучения в ротации и сообщить эту информацию руководителю стипендии через формальный инструмент оценки.

Отпуск
Стипендиатам предоставляется трехнедельный отпуск.Отпуск по болезни и отпуск по уходу за ребенком будет предоставлен в соответствии с правилами Mass General Brigham для жителей.

Обязанности по обслуживанию и дежурству
У стипендиатов не запланированы звонки по вечерам, ночам или выходным, но ожидается, что они будут доступны для приема пациентов в течение дня лечения в Протонном центре (в настоящее время с 7:30 до 5:30. pm) по мере необходимости.

Ожидается, что

стипендиатов будут иметь пейджер и будут доступны для пейджинга в течение этого периода времени.

Во время исследовательского факультатива стипендиатов могут попросить периодически проверять схему лечения пациента; если это будет вызвано, это займет не более 2 часов в день.

Могут быть организованы соответствующие перекрестные мероприятия (например, другим протонным стипендиатом, резидентом по лучевой терапии или персоналом лучевой терапии) с одобрения медицинского директора Протонного центра, чтобы обеспечить непрерывные периоды, в течение которых стипендиаты могут участвовать в исследовательских проектах. или другие клинические занятия.

Директор программы следит за тем, чтобы образовательный процесс не был подорван чрезмерными требованиями к услугам и чтобы в любое время обеспечивались надлежащая поддержка и контроль.

Лунный свет разрешен с одобрения медицинского директора, при условии, что это не мешает выполнению обязанностей, изложенных выше.

Письменный контракт
Стандартный контракт с генералом Бригама будет изменен по мере необходимости, чтобы отразить специфику программы стипендий. Контракт должен подписываться каждым стипендиатом каждый год. Копия контракта должна быть предоставлена ​​кандидатам не позднее времени, когда им будет предложена должность.

Финансирование должности
Стипендия по педиатрическим клиническим исследованиям протонов в настоящее время финансируется за счет грантовых средств, корпоративного финансирования, фондов департаментов или некоторой их комбинации.Ни один стипендиат не будет принят без достаточного финансирования для покрытия предполагаемых расходов на год стипендии.

Учебная программа

Образовательные и дидактические мероприятия

Резидент будет проводить свою клиническую ротацию в конкретной службе протонной лучевой терапии, работая в тесном сотрудничестве с сертифицированным советом специалистов по радиационной онкологии, посещая персонал радиационной онкологии, занимающийся лечением этих пациентов. Лечащие врачи будут наблюдать за стипендиатом напрямую, наблюдая за выбранными стационарными консультациями, а также за выбранными амбулаторными консультациями новых пациентов в радиационной онкологии и комбинированных междисциплинарных клиниках.Также будут замечены отобранные пациенты для последующего наблюдения, которые предоставят стипендиату соответствующие возможности для обучения. Наблюдение и обучение во время этих клинических сессий будут включать в себя обзор презентации пациента, обсуждение лечения пациента, обзор и обсуждение соответствующих изображений, обсуждение и формализация плана лечения.

Сотрудник будет принимать пациентов еженедельно во время лучевой терапии и будет доступен в другое время в течение недели, чтобы увидеть пациентов, испытывающих связанные с лечением осложнения.Ожидается, что стипендиаты будут работать с ординаторами и студентами в рамках клинической службы, предлагая рекомендации и обучение более молодым стажерам, основываясь на большем клиническом опыте стипендиата. Распределение пациентов будет основано на руководящих принципах отдела, которые признают другие требования и обязанности стипендиатов, такие как планирование лечения и время для чтения и учебы.

Планирование лечения будет выполняться научным сотрудником в отдельных случаях под непосредственным наблюдением лечащего онколога-радиолога.Это будет включать обсуждение типа иммобилизации лечения, обсуждение соответствующей техники планирования лечения КТ (внутривенное, пероральное или интратекальное контрастирование, толщина среза, анатомическая область и соответствующие поля для сканирования), получение и объединение дополнительных изображений опухоли ( ПЭТ, МРТ), контурирование клинических целевых объемов и углубленный анализ целевых объемов, предписаний целевых доз и ограничений нормальных тканей с лечащим онкологом-радиологом.

Дидактические мероприятия будут включать в себя часовые утренние обучающие конференции в отделении радиационной онкологии (понедельник, среда, четверг), одночасовые раунды по графику во вторник утром, еженедельные протонные раунды во вторник утром и ежемесячный педиатрический совет по опухолям, ежемесячные журнальные клубы. , а также многочисленные специализированные советы по опухолям и обучающие конференции.

Обучение формально можно разделить на:

• Преподавательский состав, индивидуальный подход для оценки, планирования и лечения пациентов.
• Конференции: ожидается, что стипендиаты будут посещать и участвовать в регулярно планируемых обучающих конференциях по назначенной клинической службе.
• Индивидуальное исследование: Соответствующие рекомендации будут предоставлены сотрудниками сотрудникам.

Ожидается, что научный сотрудник прочитает:

• Глава (и) в соответствующих учебниках по радиационной онкологии по протонной лучевой терапии, а также по детской радиационной онкологии.
• Отпечатки литературных ссылок, предоставленные сотрудникам сотрудниками.Они будут часто меняться по мере развития литературы. Ожидается, что стипендиат также будет искать соответствующую литературу, а также это клинически необходимо или необходимо для его исследовательского проекта.

Как подать заявление

Процесс отбора

Соискатели стипендии представят письмо о заинтересованности и свое резюме. Они будут рассмотрены директором стипендии, медицинским директором Протонного центра и старшим исполнительным комитетом по радиационной онкологии.

Заявки должны быть получены до 1 декабря года до начала обучения. Ожидается, что процесс рассмотрения и отбора заявок будет завершен к 1 апреля года стипендии.

Для рассмотрения потребуются три рекомендательных письма от их директора программы резидентуры и преподавателей.

Наиболее многообещающие кандидаты будут посещать объект для встречи с руководителем стажировки и сотрудниками службы радиационной онкологии, занимающимися протонами.

стипендиатам будет предложена стажировка на основе оценок директора стажировки, сотрудников отдела радиационной онкологии, занимающихся протонами, и высшего исполнительного комитета по радиационной онкологии.

Критерии отбора будут включать квалификацию стажера, подтвержденную результатами обучения в ординатуре, публикациями, уровнем интереса и ожидаемым уровнем клинической и академической успеваемости стипендиата.

Масс-генерал Бригам и Гарвард руководят принципами учета разнообразия.

До поступления на стипендию стипендиаты должны пройти утвержденную программу ординатуры радиационной онкологии. Для стажеров из-за пределов США необходимо успешное прохождение USLME 1, 2 и 3 и получение хотя бы ограниченной медицинской лицензии в Массачусетсе для их аттестации и вступления в силу контракта.

Протонная терапия безопаснее традиционной лучевой терапии?

11 февраля, 2020 ,
от NCI Staff

Традиционная лучевая терапия (вверху и внизу слева) обеспечивает облучение опухоли и здоровых тканей вокруг опухоли. При протонной терапии (вверху и внизу справа) большая часть излучения попадает в опухоль.

Кредит: Испытания. Ноябрь 2016 г. doi: 10.1186 / s13063-016-1679-4. CC BY 4.0.

Тип лучевой терапии, называемый лучевой терапией протонным пучком, может быть более безопасным и столь же эффективным, как и традиционная лучевая терапия для взрослых с запущенным раком. Этот вывод сделан в результате исследования, в котором использовались существующие данные о пациентах для сравнения двух типов излучения.

Традиционное излучение доставляет рентгеновские лучи или пучки фотонов к опухоли и за ее пределами. Это может повредить близлежащие здоровые ткани и вызвать серьезные побочные эффекты.

Напротив, протонная терапия доставляет пучок протонных частиц, который останавливается на опухоли, поэтому вероятность повреждения близлежащих здоровых тканей снижается. Некоторые эксперты считают, что протонная терапия более безопасна, чем традиционная лучевая терапия, но существует ограниченное количество исследований, сравнивающих эти два метода лечения.

Кроме того, протонная терапия дороже, чем традиционное облучение, и не все страховые компании покрывают стоимость лечения, учитывая ограниченные данные о ее преимуществах.Тем не менее 31 больница по всей стране потратила миллионы долларов на строительство центров протонной терапии, и многие рекламируют потенциальные, но не доказанные преимущества этого лечения.

В новом исследовании пациенты, получавшие протонную терапию, гораздо реже испытывали серьезные побочные эффекты, чем пациенты, получавшие традиционную лучевую терапию. Однако не было никакой разницы в том, как долго жили пациенты. Результаты были опубликованы 26 декабря в журнале JAMA Oncology .

«Эти результаты подтверждают все обоснование протонной терапии», — сказал ведущий исследователь исследования Брайан Бауманн, доктор медицины, из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Университета Пенсильвании.

Но ключевые аспекты исследования ограничивают то, насколько широко результаты могут быть интерпретированы, — сказал Джеффри Бухсбаум, доктор медицинских наук, из программы радиационных исследований NCI, который не принимал участия в исследовании.

Из-за этих ограничений «доказательства, необходимые для истинного оправдания затрат на протонную терапию… должны быть получены из рандомизированных клинических испытаний фазы 3», — писал Генри Парк, М.D., и Джеймс Ю, доктор медицины из Йельской школы медицины, в сопроводительной редакционной статье.

В настоящее время продолжаются несколько рандомизированных клинических испытаний, финансируемых NCI, по сравнению протонной и традиционной лучевой терапии. (См. Рамку ниже.)

Безопасность и эффективность протонной терапии

Многие люди с местнораспространенным раком лечатся комбинацией химиотерапии и традиционного или протонного облучения. Для пациентов, получающих химиотерапию и лучевую терапию одновременно, поиск способов ограничения побочных эффектов без снижения эффективности лечения является первоочередной задачей.- сказал Бауманн.

Он и его коллеги проанализировали данные почти 1500 взрослых с 11 различными типами рака. В период с 2011 по 2016 год все участники получали одновременно химиотерапию и лучевую терапию в системе здравоохранения Пенсильванского университета, и за ними наблюдали, чтобы отслеживать побочные эффекты и исходы рака, включая выживаемость. Почти 400 человек прошли протонную терапию, остальные получили традиционное облучение.

Исследователи обнаружили, что у тех, кто получал протонную терапию, было гораздо меньше серьезных побочных эффектов, чем у тех, кто получал традиционную лучевую терапию.В течение 90 дней после начала лечения 45 пациентов (12%) в группе протонной терапии и 301 пациент (28%) в группе традиционной лучевой терапии испытали тяжелый побочный эффект, то есть эффект, достаточно серьезный, чтобы потребовать госпитализации.

Кроме того, протонная терапия не влияла на способность людей выполнять рутинные действия, такие как работа по дому, в такой степени, как традиционное облучение. В ходе лечения вероятность снижения показателей функционального статуса у пациентов, получавших протонную терапию, была вдвое меньше, чем у пациентов, получавших традиционное облучение.

И протонная терапия оказалась эффективнее традиционной лучевой терапии для лечения рака и сохранения жизни. Спустя 3 года 46% пациентов в группе протонной терапии и 49% пациентов в группе традиционной лучевой терапии избавились от рака. Пятьдесят шесть процентов людей, получавших протонную терапию, и 58% тех, кто получал традиционное облучение, были живы через 3 года.

Ограничения дизайна исследования

Руководители исследования и другие эксперты отметили несколько ограничений в дизайне исследования.

Например, это наблюдательное исследование не может установить причинно-следственную связь между протонной терапией и меньшим количеством побочных эффектов. Кроме того, все участники исследования лечились в одном учреждении, что может затруднить обобщение результатов на более широкую популяцию.

«Это очень важные ограничения, которые не следует недооценивать», — подчеркнул д-р Бухсбаум.

Хотя исследования, проводимые отдельными учреждениями, имеют врожденные ограничения, Dr.Бауманн отметил, что все пациенты в этом исследовании получали высококачественное лечение в большом академическом медицинском центре, независимо от того, была ли это протонная или традиционная лучевая терапия, «что говорит о том, что наблюдаемые нами преимущества протонной терапии имеют большое значение».

Кроме того, поскольку пациенты не были распределены в группы лечения случайным образом, были различия между пациентами, получившими протонное и традиционное облучение, и это могло исказить результаты.

Например, пациенты, получавшие протонную терапию, в среднем были старше (вероятно, потому, что Medicare обычно покрывает расходы на протонную терапию) и имели больше проблем со здоровьем.

Группа протонной терапии могла также включать больше пациентов из «привилегированных слоев», Пак и Ю. отметили. Они писали, что социально-экономический статус и социальная поддержка могут повлиять на результаты лечения.

Кроме того, меньшее количество людей с раком головы и шеи, которые с большей вероятностью страдают от побочных эффектов, связанных с облучением, были включены в группу протонной терапии, добавили редакторы.

В своем анализе исследователи использовали сложные статистические методы, чтобы попытаться максимально учесть эти различия.

Идеи для будущих исследований протонной терапии

Несмотря на ограничения исследования, эти «интригующие результаты вызывают вопросы, которые должны дать информацию для будущих проспективных исследований фазы 3», — сказал доктор Бухсбаум, хотя существуют препятствия для крупных исследований протонной терапии.

Например, «особенно обнадеживает» тот факт, что протонная терапия оказалась более безопасной в группе пожилых и более больных пациентов, которые обычно испытывают больше побочных эффектов, — отметил доктор Бауманн.

Доктор.Бухсбаум согласился с тем, что протонная терапия может быть особенно полезной для пожилых и более больных пациентов, но он отметил, что текущие испытания фазы 3 не были предназначены для анализа этой группы пациентов.

И поскольку протонная терапия может вызывать меньше побочных эффектов, будущие испытания могут также изучить, может ли сочетание протонной терапии с химиотерапией быть более переносимым для пациентов, пишут авторы.

Например, и химиотерапия, и традиционное облучение при раке легких могут раздражать пищевод, делая его болезненным и затрудняющим прием пищи для пациентов.Но протонная терапия может ограничить повреждение пищевода, облегчая пациенту переносимость комбинации, объяснил доктор Бауманн.

В будущих исследованиях также можно будет выяснить, может ли сочетание протонной терапии с более высокими дозами химиотерапии увеличить излечение, не вызывая дополнительных побочных эффектов, добавил он.

Результаты исследования также поднимают «заманчивую возможность того, что более высокие первоначальные затраты на протонную терапию могут быть компенсированы экономией средств за счет уменьшения количества госпитализаций и повышения производительности пациентов и лиц, осуществляющих уход», — пишут исследователи исследования.

Доктор Бухсбаум согласился, сказав, что стоит изучить эту возможность. «Простая постановка вопроса:« Является ли [протонная терапия] более эффективной? »Может не дать ей справедливой возможности продемонстрировать ее пользу обществу», — сказал он.

Доктор Бауман и его коллеги в настоящее время изучают рентабельность протонной терапии, учитывая такие аспекты, как стоимость лечения побочных эффектов и ценность сохранения качества жизни.

Клинические испытания протонной терапии, финансируемые NCI

NCI финансирует несколько рандомизированных клинических испытаний, в которых сравнивают протонную терапию с традиционной лучевой терапией. В их числе:

UM Physics — часть исследования, которое обнаруживает неожиданную асимметрию антиматерии в протоне

Симметрия — важная основополагающая структура природы, присутствующая не только в математике и искусстве, но также в живых организмах и галактиках.

Ученые первоначально думали, что протоны, положительно заряженная частица в центре каждого атома, обладают симметрией. Но исследовательская группа, в которую входят физики из Мичиганского университета, обнаружила асимметрию протонов в своем составе.

Понимание свойств протона помогает физикам ответить на некоторые из самых фундаментальных вопросов науки. Изучая мир на минимальном уровне, ученые продвигают технологии, которые мы используем каждый день. Исследования протона привели к разработке протонной терапии для лечения рака, измерению протонного излучения во время космических путешествий и даже к пониманию звездообразования и ранней Вселенной.

Атом — это не крошечная непроницаемая точка, а совокупность частиц: каждая состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протон и нейтрон состоят из еще более мелких частиц с собственными положительными и отрицательными зарядами, называемых кварками и нижними кварками. Кварки удерживаются вместе одной из фундаментальных сил физики, называемой сильной силой.

Протоны и нейтроны характеризуются избытком трех кварков, но внутри протона сильное взаимодействие порождает множество короткоживущих кварковых пар материя-антивещество. Это означает, что верхние и нижние кварки в нейтронах и протонах имеют соответствующие кварки антивещества, называемые анти-верхними и анти-нижними кварками.Первоначально ученые думали, что кварки анти-восходящей и анти-нижней стороны уравновешены в протоне, но новое исследование показывает, что существует больше кварков анти-вниз, чем кварков анти-вверх, даже в диапазоне импульсов, где кварки антивещества очень редко встречаются в протоне. протон.

«Тот факт, что в протоне больше кварков анти-вниз, чем кварков анти-вверх, продолжается настолько далеко, насколько мы можем измерить, и это интересно, потому что, согласно всем существующим моделям протона, которые мы имеем, нет реальной причины, по которой эта асимметрия должна быть », — сказал Пол Реймер, представитель исследования и физик-экспериментатор в Аргоннской национальной лаборатории.