Глава 1. (Вводная, она же заключительная)

ЧТО ТАКОЕ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

Чем более вникают в деяния природы,

тем видима наиболее становится простота законов,

коим следует она в своих деяниях.

А. Н. РАДИЩЕВ

§ 1. НАША ПРОГРАММА

Обращение к читателю.

—Этапы познания природы.

—Четыре элемента древних греков.

— Атомистическая теория.

— Тысячи молекул из сотни атомов.

— Три элементарных кирпичика.

— Новые открытия.

— Опять сотня.

— А, может быть, их все-таки три?

— Программа этой книги.

Начнем с того, что читать эту главу сейчас, в начале всей книги, совсем не обязательно. Это — самая неинтересная (точнее говоря, самая незанимательная) глава, потому что в ней довольно сухо рассказывается о ядерной физике как о науке. Вместе с тем материал этой главы может оказаться полезным по ходу чтения остальных глав книги, так как он связывает их воедино. Может быть, самое разумное обращение с первой главой заключается в следующем: надо прочесть этот параграф, бегло просмотреть остальные и перейти к другим главам, а затем периодически возвращаться к вводной главе за разъяснениями и указаниями, и, наконец, внимательно прочесть ее в заключение всей книги.

Итак, что такое ядерная физика; как она возникла и чем занимается; каковы ее достижения и что она еще не решила; как она связана с другими науками и в чем ее значение?

В процессе познания природы человек всегда стремился как-то классифицировать изучаемые вещества, выделять сходные по свойствам, разбивать на составные (элементарные) части.

Самую первую (из числа известных нам) попытку упорядочения окружающего мира предприняли древнегреческие философы—материалисты, которые считали, что все вещества состоят из четырех вечно существующих элементов: земли, воды , воздуха и огня. Большое разнообразие веществ они объясняли разными комбинациями этих четырех элементов. Из единства строения всех веществ делали вывод о возможности их взаимных превращений. Некоторые последователи этого учения ввели представление об атомистической природе вещества (которое, впрочем, вскоре было забыто почти на 2000 лет!).

Эти взгляды (кажущиеся сейчас весьма наивными) просуществовали вплоть до XVI столетия и сыграли огромную роль. Они не только утверждали материальность мира, но и в какой-то мере заложили качественные основы современного учения о разных состояниях вещества и об его атомно-молекулярной структуре.

С тех пор прошло 2500 лет. За это время человек накопил много конкретных сведений об окружающих его веществах, изучил их свойства, научился превращать одни вещества в другие и даже получать новые вещества, не встречающиеся в природе. Естественно, что одновременно с углублением познания закономерностей природы совершенствовались и взгляды на структуру вещества.

В XVI—XVII вв. вновь возродилась (на новом уровне знания) атомистическая теория, согласно которой каждое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов материи. В конце

XVIII в. ученые впервые узнали, что вода —сложное вещество, состоящее из двух простых веществ — кислорода и водорода. Соответственно понятие атомы материи было разбито на два: молекулы и атомы.

Молекула является мельчайшей частицей сложного вещества. Каждое сложное вещество состоит из молекул одного типа. Сколько разных веществ, столько различных типов молекул.

Атом — мельчайшая частица простого вещества — элемента. Различных элементов существенно меньше, чем различных веществ. В начале XIX в. их было известно 50, сейчас (вместе с созданными искусственно) — 104. Столько же имеется разных атомов*. И вот из сотни разных атомов как из элементарных кирпичиков можно построить многие, многие тысячи различных молекул.

Таким образом, атомы приняли на себя функции четырех элементов древних греков. Углубление знаний о веществе привело к резкому возрастанию количества элементарных частиц.

Когда были открыты атомы, им приписали свойство неделимости. И в течение целого столетия ученым казалось, что атомы действительно обладают этим свойством, так как во всех взаимодействиях между собой они вели себя как неделимые частицы. Однако в конце

XIX — начале XX столетия неделимость атома была поставлена под сомнение. В это время были открыты катодные и рентгеновские лучи, радиоактивность. Все это указывало на сложный состав и общность структуры разных атомов.

· Строго говоря, разных атомов гораздо больше, так как почти все элементы имеют по несколько изотопов. Однако изотопы были открыты уже после того, как атомы перестали считать элементарными частицами.

В 1911 г. было установлено, что любой атом состоит из ядра и окружающих его электронов. Этот год можно считать годом рождения ядерной физики, главной задачей которой является изучение атомного ядра.

Первые сведения о структуре ядра были получены в 1919 г., когда в составе ядра открыли протоны. Вначале предполагали (ошибочно), что в составе ядра кроме протонов имеются еще и электроны. Ошибка была исправлена в 1932 г., когда в составе ядра открыли нейтроны. Теперь изучение любого вещества независимо от его состояния (твердого, жидкого, газообразного) и конкретного вида в конечном итоге сводится к изучению свойств и взаимодействия трех частиц: протонов, нейтронов и электронов. Любой атом состоит из этих частиц.

Сравнительно недавно в связи с развитием работ по получению управляемой термоядерной реакции физики ввели на равных правах новое, четвертое состояние вещества — плазму. Плазма состоит не из атомов, а непосредственно из ядер (или ионов) и электронов, не связанных между собой. Наконец, физики и астрономы предполагают существование еще одного состояния вещества — чисто нейтронного. И в этих двух случаях все сводится к свойствам протонов, нейтронов и электронов.

Открытие строения атома и атомного ядра — крупнейшее достижение ядерной физики. Подумайте только, все, что нас окружает, построено из элементарных частиц всего-навсего трех сортов! Каждая из них может участвовать не более чем в четырех видах взаимодействий: сильном (ядерном), электромагнитном, слабом и гравитационном, из которых одно — гравитационное — в микромире почти всегда можно не учитывать. Поэтому какое бы явление природы вы ни рассматривали (механическое, химическое, электрическое, магнитное, тепловое, ядерное), с какими бы состояниями вещества (твердое, жидкое, газообразное, плазма) вы ни имели дела, все в конечном итоге сводится к нескольким (одному—трем) взаимодействиям двух-трех сортов частиц, причем очень часто преобладает только одно взаимодействие и всего два сорта элементарных частиц. Например, все атомные явления, в сущности, сводятся к электромагнитному взаимодействию электронов с ядром, состоящим из протонов и нейтронов, а ядерные — к сильному взаимодействию между протонами и нейтронами ядра.

Таким образом, ядерная физика существенно упростила картину «устройства мира». И в течение некоторого времени казалось, что в физике царит полное благополучие; однако это благополучие очень скоро нарушилось.

Более глубокое изучение свойств протонов, нейтронов и электронов привело к открытию позитрона, нейтрино, µ- и π-мезонов и других частиц. Число элементарных составных частей, из которых построен мир, опять начинает возрастать. И в настоящее время их количество (с учетом многочисленных резонансов) снова превосходит сотню.

Изучением свойств элементарных частиц занимается специальная наука — физика элементарных частиц, которая раньше была одним из небольших разделов ядерной физики. Сейчас это изучение продвинулось уже настолько далеко и глубоко, что вновь появилась надежда на сокращение числа первичных элементов, из которых .построен мир. И не исключено, что этих элементов будет совсем немного, может быть опять только три!

Вы видите, что для познания окружающего нас мира человеку пришлось пройти увлекательный, но мучительно длинный и трудный путь изучения вещества, начиная от самых сложных его форм и кончая элементарными частицами. Рассказывая об успехах ядерной физики и физики элементарных частиц, очень соблазнительно повторить этот путь на бумаге в том же хронологическом порядке (но, конечно, упрощенно и сокращенно). Обычно так и поступают.

Однако мы с вами сделаем иначе: мы пройдем этот путь не в прямом, а в обратном направлении. Это даст нам возможность избежать длинных обходных путей и миновать многочисленные тупики заблуждений, которые часто встречались ученым при их движении по лабиринту науки.

Конечно, при таком методе изложения материала появляются свои трудности, потому что номере «упрощения» картины устройства мира существенно усложняется способ его описания. Так, для описания микромира недостаточно классической механики и классической физики, а необходимы релятивистская механика и квантовая физика. Но ведь рано или поздно о них все равно придется рассказывать, так что даже с учетом этих трудностей наш «обратный» путь выглядит более экономным, чем «прямой».

Итак, воспользуемся всем тем, что добыла ядерная физика за время своего существования, включая самые последние годы, и постараемся рассказать об этом по возможности наиболее рациональным способом. Для этого мы рассмотрим сначала свойства известных элементарных частиц, характер их взаимодействия, законы, которым подчиняются эти взаимодействия, классификацию элементарных частиц.

Зная свойства элементарных частиц, нам будет уже сравнительно просто построить из них более сложные объекты: атомные ядра и атомы — и понять их свойства, т. е. перейти от физики элементарных частиц к ядерной и (частично) атомной физике. В этих разделах будут рассмотрены свойства как стабильных, так и радиоактивных ядер, ядерные реакции, ядерная энергетика и другие вопросы, а также многочисленные применения ядерной физики в самых разнообразных областях.

Наконец, комбинируя разные атомы, можно было бы построить все известное нам многообразие различных веществ. Однако эти вопросы выходят за рамки ядерной физики, поэтому мы, как правило, заниматься ими не будем (хотя отдельные свойства макросреды рассмотрим).

Сформулированная программа будет осуществлена дважды: один раз очень кратко, почти конспективно (но зато последовательно и систематично) — в пределах первой главы; второй раз более подробно и, как мы надеемся, более интересно — на протяжении всех остальных глав.

А теперь напоминаем, что те из вас, кому последующие параграфы первой главы покажутся трудными и скучными, могут пролистать их и сразу перейти ко второй главе. Но не забывайте возвращаться к первой главе,если при чтении книги вы встретите что-нибудь непонятное или потеряете общую ориентировку. Найти нужное место в первой главе можно по подзаголовкам ее параграфов.