Элементарные ли частицы?

Кадр 1

Э.Оконов ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЛИ ЧАСТИЦЫ? ХУДОЖНИК В.РЯБЧИКОВ

Кадр 2

С древних времен пытливый ум человека стремился найти простейшие элементы окружающей нас материи – элементарные кирпичики мироздания.

Кадр 3

Некоторые античные философы полагали, что имеются четыре основные субстанции — огонь, воздух, земля и вода, которые и образуют материю.

Кадр 4

Демокрит (V в. до н. э.) впервые высказал идею о том, что все вещества состоят из простейших частичек – атомов. Это была гениальная догадка, проверить которую при тогдашнем уровне техники было невозможно.

Кадр 5

Лишь в начале XIX в. успехи химии позволили подтвердить опытами, что существует ряд элементов, атомы которых, группируясь в молекулы, определяют различные химические и физические свойства вещества.

Кадр 6

Великий русский ученый Д. И. Менделеев, расположив в порядке возрастания атомных весов все химические элементы, обнаружил в их свойствах определенную повторяемость (периодичность).

Кадр 7

КАТОД АНОД Представление об атоме как о мельчайшей частице предержалось недолго. Уже в конце XIX в. английский ученый Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон. Оказалось, что она обладает электрическим зарядом и является переносчиком электричества.

Кадр 8

Вскоре было обнаружено, что излучение, испускаемое радиоактивными веществами, в магнитном поле расщепляется на три компонента – α, β и γ лучи. Выяснилось, что β лучи – это не что иное, как поток электронов.

Кадр 9

Было установлено также, что электроны содержатся в атомах. При этом обнаружилось очень важное совпадение: число электронов в атоме элемента оказалось равным порядковому номеру этого элемента.

Кадр 10

Атом электрически нейтрален. Это значит, что он содержит „нечто“, уравновешивающее заряд электронов.

Кадр 11

Загадку атома разрешил английский физик Резерфорд. Он установил, что большинство d -частиц проходит сквозь вещество, не отклоняясь. Лишь некоторые отскакивают в обратном направлении.

Кадр 12

Резерфорд сделал вывод: большая часть атома прозрачна, лишь в редких случаях d -частицы наталкиваются на сгусток вещества (ядро), объем которого очень мал. Ядро обладает положительным электрическим зарядом.

Кадр 13

если „спрессовать“ атомы так, чтобы их ядра легли вплотную друг к другу, то 1 мм³ такого ядерного вещества весил бы столько же, сколько 100 груженых железнодорожных составов.

Кадр 14

Если бы мы представили атом величиной с Красную площадь, то ядро было бы не больше булавочной головки, помещенной в центре площади.

Кадр 15

Было сделано предположение, что электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Такая модель атома получила название планетарной.

Кадр 16

Мы говорили, что радиоактивные вещества испускают γ-лучи. Эти лучи представляют собой поток нейтральных невесомых частиц (γ-квантов). Знакомый человеку с незапамятных времен свет – тоже поток нейтральных частиц (фотонов), очень похожих на γ-кванты.

Кадр 17

Представление о ядре как о неделимой частице разрушилось после того, как Резерфорд, бомбардируя вещество α-частицами (ядрами гелия), обнаружил, что они могут выбивать из ядер простейшую частицу – протон, который в 1840 раз тяжелее электрона.

Кадр 18

Супруги Жолио-Кюри открыли новое излучение, возникающее при обстреле ядер бериллия α-частицами.

Кадр 19

В 1932 г. английский физик Чэдвик показал, что это излучение, обладающее огромной проникающей способностью, состоит из нейтральных частиц – нейтронов. Масса их примерно равна массе протона. Они могут, в свою очередь, выбивать из парафина протоны.

Кадр 20

Советский физик Иваненко и немецкий физик Гейзенберг выдвинули гипотезу о том, что ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, получивших общее название нуклоны.

Кадр 21

Скоре это предположение было подтверждено экспериментально. Причем оказалось, что массы ядер меньше суммы масс входящих в них нуклонов. Нуда же исчезла недостающая масса?

Кадр 22

Эйнштейн показал, что энергия может переходить в массу, а масса, в свою очередь, в энергию: энергия = массе. Таким образом, недостающая масса „превратилась“ в энергию связи нуклонов в ядре.

Кадр 23

Масса одного из самых тяжелых ядер – ядра урана например, больше суммарной массы двух средних ядер, которые образуются при расщеплении ядра урана. При этом избыток массы переходит в так называемую ядерную энергию.

Кадр 24

В результате слияния двух очень легких ядер (напри-мер, двух ядер тяжелого водорода – дейтерия) избыточная масса сливающихся ядер так же превращается в энергию. Это так называемая термоядерная реакция.

Кадр 25

АНГЛИЙСКИЙ физик Дирак создал теорию, которая объясняла поведение электрона. Из этой теории вытекало, что электрон должен иметь своего антипода – античастицу с той же массой, но с противоположным электрическим зарядом.

Кадр 26

В 1933 г. это предсказание блестяще подтвердилось. Удалось зарегистрировать антиэлектрон, названный позитроном. Его обнаружили в космических лучах — потоке частиц, падающих на Землю из глубин Вселенной.

Кадр 27

Позитрон и электрон „не терпят“ присутствия друг друга: встречаясь в веществе они взаимно уничтожаются (аннигилируют) и выделяют в виде γ-квантов энергию, равную сумме их масс.

Кадр 28

Элементарную частицу не увидишь даже в самый мощный электронный микроскоп. Однако физики сумели создать целый ряд приборов (намер), которые позволяют им наблюдать следы, оставляемые этими „невидимками“.

Кадр 29

Некоторые из элементарных частиц подвержены распаду, в результате которого образуются другие частицы. Так, знакомые нам β-лучи представляют собой поток электронов, образующихся при распаде нейтрона на протон и электрон.

Кадр 30

Точные измерения показали, что протон и электрон уносят не всю выделяющуюся энергию. Швейцарский физик-теоретик Паули высказал гипотезу, что остаток энергии уносит неизвестная нам нейтральная частица с массой, близкой к нулю, – нейтрино.

Кадр 31

Много лет физики не могли экспериментально подтвердить существование нейтрино, но все-таки неуловимая частица была „поймана“. Физикам удалось зарегистрировать очень редкое событие: взаимодействие нейтрино с протоном.

Кадр 32

По каким же законам взаимодействуют элементарные частицы, как они связаны между собой? Было установлено, что между частицами существует три простейших вида взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное.

Кадр 33

При электромагнитном взаимодействии частицы как бы обмениваются ɣ -квантами, которые являются переносчиками этих сил.

Кадр 34

О силе взаимодействия можно судить по тому, какую толщу вещества может пройти частица без столкновений. Сравните толщину пластин свинца, через которые проходят сильно взаимодействующий протон и слабо взаимодействующее нейтрино.

Кадр 35

Сильное взаимодействие соединяет нуклоны в ядре атома. Оно обладает силой в 100 раз большей, чем электромагнитное, и действует на очень малых расстояниях.

Кадр 36

Было установлено, что сильное взаимодействие так же имеет своего „переносчика“, предсказанного японским физиком Юкавой. Это пи-мезон (пион), которым, как мячиком, перебрасываются нуклоны в ядре.

Кадр 37

Мы еще очень мало знаем, какие „обязанности“ возложила природа на слабое взаимодействие. Известно, что оно во много триллионов раз слабее электромагнитного и сильного взаимодействий и что оно обуславливает распад частиц.

Кадр 38

Существуют ли кроме позитрона другие античастицы, например антипротон? Ответить на этот вопрос физики смогли, когда получили частицы с очень большой энергией.

Кадр 39

Были созданы мощные ускорители. С их помощью удалось разогнать протоны до скорости, в десятки тысяч раз превышающей скорость космической ракеты.

Кадр 40

На одном из таких ускорителей, бэватроне (США), в 1955 году был открыт антипротон, обладающий в противоположность протону отрицательным зарядом.

Кадр 41

При столкновении протона с антипротоном частицы взаимно уничтожаются (аннигилируют), при этом выделяется большая энергия, соответствующая их суммарной массе. Ее уносят пионы.

Кадр 42

Год спустя был открыт антинейтрон. Эта частица нейтральна и, встречаясь с нейтроном, она вместе с ним аннигилирует, образуя пионы.

Кадр 43

В космических лучах и на ускорителях были обнаружены новые частицы – гипероны, масса которых больше массы нуклона, а также „тяжелые“ Н-мезоны, названные „странными“ из-за того, что они не могут рождаться в одиночку.

Кадр 44

Средняя продолжительность жизни обитателей „странного“ микромира – несколько миллиардных долей секунды. За это время „странные“ частицы могут пролететь лишь несколько сантиметров. На фотографии вы видите рождение и распад гиперона и К-мезона в камере.

Кадр 45

Наиболее тяжелые из гиперонов распадаются в несколько этапов. Родившись вместе с К-мезоном, так называемый кси-гиперон превращается в пион и лямбда-гиперон, который, в свою очередь, распадается на пион и протон.

Кадр 46

В соответствии с общей закономерностью у каждого гиперона есть свой антигиперон. Впервые заряженный антигиперон был открыт на этом синхрофазотроне в Дубне (СССР).

Кадр 47

Здесь покоится РО-мезон, безвременно скончавшийся на 1 100 000 000 000 000 000 секунд своей жизни. В последние годы физики, работающие на гигантских ускорителях, натолкнулись еще на одну большую группу частиц, которые в отличие от уже известных распадаются очень быстро — буквально едва успев родиться.

Кадр 48

Вновь открытые частицы поначалу внесли невероятную сумятицу в среду „старожилов“ микромира. Общее число так называемых элементарных частиц превысило число элементов в таблице Менделеева.

Кадр 49

Однако постепенно в этом „хаосе“ стал вырисовываться определенный порядок. Было установлено, что похожие по своим свойствам частицы образуют семейства. Члены такого семейства отличаются друг от друга электрическим зарядом и так называемым гиперзарядом.

Кадр 50

Если рассортировать все входящие в семейство частицы по заряду и гиперзаряду, то они образуют шестиугольник (8 частиц) или треугольник (10 частиц). Горизонтальные линии соединяют „ближайших родственников“ с одинаковым гиперзарядом.

Кадр 51

Человек находит практическое применение новым открытиям, которые имели первоначально лишь познавательную ценность. Так и в физике элементарных частиц. Чисто научные изыскания привели к „раскрепощению“ энергии ядра и поставили ее на службу человеку.

Кадр 52

В Советском Союзе атомная энергия широко применяется в мирных целях. В 1954 г. была построена первая в мире атомная электростанция. Вступила в строй одна из крупнейших в мире Нововоронежская атомная электростанция. Зал Нововоронежской атомной электростанции.

Кадр 53

Самый крупный в мире ледокол „Ленин“ работает на ядерном горючем. Ракеты будущего доставят человека на другие планеты также с помощью ядерного топлива.

Кадр 54

Сейчас физики усиленно изучают возможность получения управляемой термоядерной реакции. Это откроет для человечества неисчерпаемый источник энергии.

Кадр 55

Обилие найденных в настоящее время частиц заставляет физиков сомневаться в том, что они элементарны. Теоретики усиленно обсуждают возможность существования каких-либо фундаментальных частиц, из которых могли бы составляться все известные частицы. Несмотря на громадные успехи физики, еще остается множество загадок, которые таят в себе глубины микромира.

Кадр 56

Диафильм подготовлен Всесоюзным обществом „Знание“ и студией „Диафильм“ Консультант доктор физико-математических наук Я. А. Смородинский Художник-оформитель С. В. Новикова Редактор Г. И. Морозова Д-126-66 504348 Студия „Диафильм“, 1966 г. Москва, Центр, Старосадский пер., д. № 7 Черно-белый О-20. Цветной О-30