от атомной физики к физике твердого тела, к химии и,
наконец, к биологии. Теперь мы должны повернуть в противоположном
направлении и проследить линию исследований, направленную от внешних
областей атома к внутренним областям, к атомному ядру и, наконец, к
элементарным частицам. Только эта вторая линия приведет нас, быть может, к
пониманию единства материи. Здесь не нужно бояться того, что
характеристические структуры будут сами разрушены в опытах. Если поставлена
задача проверить в опытах принципиальное единство материи, то мы можем
подвергнуть материю действию самых сильных из возможных сил, воздействию
самых предельных условий, чтобы увидеть, может ли ,в конце концов материя
быть превращена в какую-нибудь другую материю.
Первым шагом в этом направлении был экспериментальный анализ атомного
ядра. В начальные периоды этих исследований, которые заполняют примерно
первые три десятка лет нашего столетия, единственным инструментом для
экспериментов над атомным ядром были альфа-частицы, испускаемые
радиоактивными веществами. С помощью этих частиц Резерфорду удалось в 1919
году превратить друг в друга атомные ядра легких элементов. Он смог,
например, ядро азота превратить в ядро кислорода, присоединяя к ядру азота
альфа-частицу и в то же самое время выбивая из него протон. Это был первый
пример процесса на расстояниях порядка радиусов атомных ядер, который
напоминал химические процессы, но который вел к искусственному превращению
элементов. Следующим решающим успехом было искусственное ускорение протонов
в приборах высокого напряжения до энергий, достаточных для ядерных
превращений. Для этой цели необходимы разности напряжений примерно в миллион
вольт, и Кокрофту и Уолтону в их первом решающем эксперименте удалось
превратить атомные ядра элемента лития в атомные ядра элемента гелия. Это
открытие выявило для исследований совершенно новое поле, которое может быть
названо ядерной физикой в собственном смысле слова и которое очень быстро
привело к качественному пониманию строения атомного ядра.
На самом деле строение атомного ядра оказалось очень простым. Атомное
ядро состоит всего из двух различных видов элементарных частиц. Одна из
элементарных частиц -- протон, являющаяся одновременно ядром атома водорода.
Другая была названа нейтроном, частица, обладающая примерно той же массой,
что и протон, и, кроме того, электрически нейтральная. Каждое атомное ядро
можно, таким образом, охарактеризовать общим числом протонов и нейтронов, из
которых оно состоит. Ядро обычного атома углерода состоит из 6 протонов и 6
нейтронов. Но есть также и другие ядра атомов углерода, которые являются
несколько более редкими -- они были названы изотопами первых -- и которые
состоят из 6 протонов и 7 нейтронов и т. д. Так в конце концов пришли к
описанию материи, в котором вместо многих различных химических элементов
использовались только три основные единицы, три фундаментальных строительных
кирпича -- протон, нейтрон и электрон. Вся материя состоит из
атомов и построена поэтому в конечном счете из этих трех основных
строительных кирпичей. Это еще, конечно, не означает единства материи, но
несомненно означает важный шаг в направлении этого единства и, что было,
пожалуй, еще важнее, означает существенное упрощение. Правда, впереди был
еще длинный путь от знания этих основных строительных кирпичей атомного ядра
к полному пониманию его строения. Здесь проблема была несколько отличной от
соответствующей проблемы относительно внешней оболочки атома, решенной в
середине двадцатых годов. В случае электронной оболочки силы между частицами
были известны с большой точностью, но, кроме того, должны были быть найдены
динамические законы, и они в конце концов были сформулированы в квантовой
механике. В случае атомного ядра можно было вполне предположить, что
динамическими законами являются в основном законы квантовой теории, но здесь
были прежде всего неизвестны силы между частицами. Их необходимо было
вывести из экспериментальных свойств атомных ядер. Эта проблема не может
быть решена полностью еще до сих пор. Силы, вероятно, не имеют такого
простого вида, как в случае электростатических сил между электронами во
внешних оболочках, и поэтому математически вывести свойства атомных ядер из
более сложных сил труднее, и, кроме того, прогрессу препятствует неточность
экспериментов. Но качественные представления о структуре ядра приобрели
вполне определенный вид.
В конце концов, в качестве последней важнейшей проблемы остается
проблема единства материи. Являются ли эти элементарные частицы -- протон,
нейтрон и электрон последними, неразложимыми строительными кирпичами
материи, иными словами, "атомами" в смысле философии Демокрита, без
каких-либо взаимных связей (отвлекаясь от действующих между ними сил), или
же они являются только различными формами одного и того же вида материи?
Далее, могут ли они превращаться друг в друга или даже в другие формы
материи? Если решать эту проблему экспериментально, то для этого требуются
силы и сконцентрированные на атомных частицах энергии, которые должны быть
во много раз больше, чем те, которые были использованы для исследования
атомного ядра. Так как запасы энергии в атомных ядрах недостаточно велики,
чтобы обеспечить нам средства для проведения таких экспериментов, то физики
должны или воспользоваться силами в космосе, то есть в пространстве между
звездами, на поверхности звезд, или же они должны довериться умению
инженеров.
На самом деле успехи были достигнуты на обоих путях. Прежде всего
физики использовали так называемое космическое излучение. Электромагнитные
поля на поверхности звезд, простирающиеся на гигантские пространства, при
благоприятных условиях могут ускорить заряженные атомные частицы, электроны
и атомные ядра, которые, как оказалось, вследствие своей большей инерции
имеют больше возможностей более долгое время оставаться в ускоряющем поле, и
когда они в конце концов уходят с поверхности звезды в пустое про-
странство, то иногда успевают пройти потенциальные поля во много
миллиардов вольт. Дальнейшее ускорение при благоприятных условиях происходит
еще в переменных магнитных полях между звездами. Во всяком случае,
оказывается, что атомные ядра долгое время удерживаются переменными
магнитными полями в пространстве Галактики, и в конце концов они, таким
образом, заполняют пространство Галактики тем, что называют космическим
излучением.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56
наконец, к биологии. Теперь мы должны повернуть в противоположном
направлении и проследить линию исследований, направленную от внешних
областей атома к внутренним областям, к атомному ядру и, наконец, к
элементарным частицам. Только эта вторая линия приведет нас, быть может, к
пониманию единства материи. Здесь не нужно бояться того, что
характеристические структуры будут сами разрушены в опытах. Если поставлена
задача проверить в опытах принципиальное единство материи, то мы можем
подвергнуть материю действию самых сильных из возможных сил, воздействию
самых предельных условий, чтобы увидеть, может ли ,в конце концов материя
быть превращена в какую-нибудь другую материю.
Первым шагом в этом направлении был экспериментальный анализ атомного
ядра. В начальные периоды этих исследований, которые заполняют примерно
первые три десятка лет нашего столетия, единственным инструментом для
экспериментов над атомным ядром были альфа-частицы, испускаемые
радиоактивными веществами. С помощью этих частиц Резерфорду удалось в 1919
году превратить друг в друга атомные ядра легких элементов. Он смог,
например, ядро азота превратить в ядро кислорода, присоединяя к ядру азота
альфа-частицу и в то же самое время выбивая из него протон. Это был первый
пример процесса на расстояниях порядка радиусов атомных ядер, который
напоминал химические процессы, но который вел к искусственному превращению
элементов. Следующим решающим успехом было искусственное ускорение протонов
в приборах высокого напряжения до энергий, достаточных для ядерных
превращений. Для этой цели необходимы разности напряжений примерно в миллион
вольт, и Кокрофту и Уолтону в их первом решающем эксперименте удалось
превратить атомные ядра элемента лития в атомные ядра элемента гелия. Это
открытие выявило для исследований совершенно новое поле, которое может быть
названо ядерной физикой в собственном смысле слова и которое очень быстро
привело к качественному пониманию строения атомного ядра.
На самом деле строение атомного ядра оказалось очень простым. Атомное
ядро состоит всего из двух различных видов элементарных частиц. Одна из
элементарных частиц -- протон, являющаяся одновременно ядром атома водорода.
Другая была названа нейтроном, частица, обладающая примерно той же массой,
что и протон, и, кроме того, электрически нейтральная. Каждое атомное ядро
можно, таким образом, охарактеризовать общим числом протонов и нейтронов, из
которых оно состоит. Ядро обычного атома углерода состоит из 6 протонов и 6
нейтронов. Но есть также и другие ядра атомов углерода, которые являются
несколько более редкими -- они были названы изотопами первых -- и которые
состоят из 6 протонов и 7 нейтронов и т. д. Так в конце концов пришли к
описанию материи, в котором вместо многих различных химических элементов
использовались только три основные единицы, три фундаментальных строительных
кирпича -- протон, нейтрон и электрон. Вся материя состоит из
атомов и построена поэтому в конечном счете из этих трех основных
строительных кирпичей. Это еще, конечно, не означает единства материи, но
несомненно означает важный шаг в направлении этого единства и, что было,
пожалуй, еще важнее, означает существенное упрощение. Правда, впереди был
еще длинный путь от знания этих основных строительных кирпичей атомного ядра
к полному пониманию его строения. Здесь проблема была несколько отличной от
соответствующей проблемы относительно внешней оболочки атома, решенной в
середине двадцатых годов. В случае электронной оболочки силы между частицами
были известны с большой точностью, но, кроме того, должны были быть найдены
динамические законы, и они в конце концов были сформулированы в квантовой
механике. В случае атомного ядра можно было вполне предположить, что
динамическими законами являются в основном законы квантовой теории, но здесь
были прежде всего неизвестны силы между частицами. Их необходимо было
вывести из экспериментальных свойств атомных ядер. Эта проблема не может
быть решена полностью еще до сих пор. Силы, вероятно, не имеют такого
простого вида, как в случае электростатических сил между электронами во
внешних оболочках, и поэтому математически вывести свойства атомных ядер из
более сложных сил труднее, и, кроме того, прогрессу препятствует неточность
экспериментов. Но качественные представления о структуре ядра приобрели
вполне определенный вид.
В конце концов, в качестве последней важнейшей проблемы остается
проблема единства материи. Являются ли эти элементарные частицы -- протон,
нейтрон и электрон последними, неразложимыми строительными кирпичами
материи, иными словами, "атомами" в смысле философии Демокрита, без
каких-либо взаимных связей (отвлекаясь от действующих между ними сил), или
же они являются только различными формами одного и того же вида материи?
Далее, могут ли они превращаться друг в друга или даже в другие формы
материи? Если решать эту проблему экспериментально, то для этого требуются
силы и сконцентрированные на атомных частицах энергии, которые должны быть
во много раз больше, чем те, которые были использованы для исследования
атомного ядра. Так как запасы энергии в атомных ядрах недостаточно велики,
чтобы обеспечить нам средства для проведения таких экспериментов, то физики
должны или воспользоваться силами в космосе, то есть в пространстве между
звездами, на поверхности звезд, или же они должны довериться умению
инженеров.
На самом деле успехи были достигнуты на обоих путях. Прежде всего
физики использовали так называемое космическое излучение. Электромагнитные
поля на поверхности звезд, простирающиеся на гигантские пространства, при
благоприятных условиях могут ускорить заряженные атомные частицы, электроны
и атомные ядра, которые, как оказалось, вследствие своей большей инерции
имеют больше возможностей более долгое время оставаться в ускоряющем поле, и
когда они в конце концов уходят с поверхности звезды в пустое про-
странство, то иногда успевают пройти потенциальные поля во много
миллиардов вольт. Дальнейшее ускорение при благоприятных условиях происходит
еще в переменных магнитных полях между звездами. Во всяком случае,
оказывается, что атомные ядра долгое время удерживаются переменными
магнитными полями в пространстве Галактики, и в конце концов они, таким
образом, заполняют пространство Галактики тем, что называют космическим
излучением.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56