|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Сложен и интересен мир атомов и элементарных частиц. В нем царят свои особые, необычные законы. Сами микрочастицы обладают совершенно удивительными свойствами. Все это так непохоже на предметы и явления, которые мы привыкли наблюдать вокруг нас. Часто у тех, кто только начинает знакомство с микромиром, возникают недоуменные вопросы. Ведь атомы и микрочастицы, казалось бы, неизмеримо малы. Они не поддаются восприятию ни одним из наших органов чувств. Более того, они настолько малы, что их не увидишь ни в какой самый сильный микроскоп, даже в электронный. Откуда же тогда у нас столь подробная информация о микромире? Насколько она соответствует действительности? Почему мы с такой уверенностью говорим о свойствах атомов и элементарных частиц? Эти и подобные им вопросы вполне естественны.
Точно так же ученый-экспериментатор не видит саму микрочастицу, но по следам, оставленным ею в веществе, он узнает ее свойства. Ведь каждая частица оставляет именно ей одной присущие следы. И если, например, произошло столкновение двух микрочастиц, то ученый определяет результат их взаимодействия, фиксирует гибель первоначальных и находит следы образовавшихся частиц.
Конечно, увидеть следы микрочастиц тоже не так-то просто. Невооруженному глазу они, как правило, не доступны, так что в этом отношении ученый находится в худшем положении, чем охотник. Однако здесь на помощь экспериментатору приходит тонкая и чувствительная аппаратура. Принципы действия разных приборов, вообще говоря, различны, но есть и общая для всех них функция — это такое усилие эффектов, производимых микрочастицей при прохождении через вещество, чтобы они могли влиять на наши органы чувств.
Предлагаемая читателю книга и посвящена описанию принципов действия различных приборов и методов постановки экспериментов современной атомной и ядерной физики, делающих "неизмеримое" измеримым. Эта книга — о мире атомов и элементарных частиц; о том, как были изучены свойства и измерены основные характеристики микрочастиц; о тонких остроумных экспериментах, задуманных и выполненных учеными с большой изобретательностью; о сложном и кропотливом анализе результатов этих экспериментов, который приводил к поразительным, но вполне достоверным выводам.
Надо думать, что после прочтения книги у читателя появится или укрепится чувство реальности микромира и его необычных свойств и ему станет ясно, почему мир атомов и элементарных частиц нам так хорошо известен. Математические формулы, для понимания которых достаточно знания школьного курса математики, нисколько не затрудняют восприятия излагаемого материала, так как тесно связаны с ним: ведь почти при всех измерениях приходится делать те или иные расчеты. Без вычислений невозможно понять, как именно получаются величины, выражаемые иногда числами с двадцатью и более нулями перед первой значащей цифрой.
Надеемся, что эта книга, посвященная грандиозным достижениям человеческого разума, поможет некоторым читателям выбрать специальность, пробудит у них желание посвятить себя ядерной физике — одной из увлекательнейших областей современной науки.
Лауреат Ленинской премии, доктор физико-математических наук, профессор О. Д. Каэачковский
ПРЕДИСЛОВИЕ К ЧЕТВЕРТОМУ ИЗДАНИЮ
Первое издание этой книги вышло в 1964 году. За прошедшие двадцать с лишним лет книга неоднократно переиздавалась различными издательствами в нашей стране на русском и эстонском языках, была переведена и издана в Японии и в Венгрии. Но наука в течение этих лет не стояла на месте, а быстро развивалась: создана более совершенная экспериментальная техника, разработаны новые методы исследований и в результате их применения пополнились наши знания о строении и свойствах микромира. Поэтому во все предыдущие издания книги, в том числе и в данное, вносились изменения и дополнения, отражающие успехи современной науки. В частности, при подготовке четвертого издания в книгу были добавлены разделы с изложением некоторых новей-шийх достижений ядерной физики и техники измерений, в том числе открытие эффекта Мёссбауэра, техника накопительных колец и встречных пучков, создание и использование сильноточных ускорителей, открытие и методы изучения некоторых новых частиц, рассказано об открытии "природного ядерного реактора". Текст книги тщательно проверен и приведен в соответствие с содержанием школьной программы по физике, единицы физических величин выражены в СИ.
Автор пользуется случаем, чтобы поблагодарить всех читателей, приславших ему отзывы о книге. Некоторые из их пожеланий были учтены при подготовке настоящего издания. Особую благодарность автор выражает жене, Владилене Николаевне Абрамовой, за ценные советы и большую помощь при подготовке рукописи к изданию.
Автор
Измерять, что измеримо, делать измеримым то, что еще не измерено.
Галилео Галилей
ВВЕДЕНИЕ
Когда хотят подчеркнуть, что какой-нибудь предмет очень маленький или, наоборот, очень большой, часто употребляют выражение: "он неизмеримо мал (велик) ".
На первый взгляд может показаться, что это выражение правильно передает суть дела. Ведь слово "измерить" всегда означает сравнить с какой-то мерой, эталоном. Но о каком сравнений может идти речь, если предмет еле виден глазом? Попробуйте измерить линейкой толщину "веточек" снежинки или взвесить хоботок комара, и тогда выражение "они неизмеримо малы" само придет вам на ум.
Однако физиков подобные выражения удовлетворить не могут. Физика — наука точная. Поэтому любое физическое явление можно считать понятным только в том случае, если его удалось описать точным языком законов, формул и чисел. А для того чтобы выразить физическую величину численно, ее необходимо измерить. Сказать о неизмеримости чего-либо для ученого все равно, что признаться в неспособности проникнуть в тайны природы. Ни один настоящий ученый так никогда и не скажет, а будет стараться найти путь к измерению еще неизмеренных объектов. И неудивительно, что вся история развития экспериментальных наук тесно связана с историей развития техники измерений.
Непосредственно невооруженным глазом можно оценивать размеры предметов примерно до 0,1 мм. С изобретением простых механических инструментов (например, микрометра) эта граница переместилась до одной сотой или нескольких тысячных долей миллиметра. Появление микроскопа со встроенной в него окулярной шкалой позволило измерять размеры
предметов, лишь немного превышающие длину волны света, т. е. около 0,0005 мм. Но хотя подобные примеры и говорят о высоком уровне развития измерительной техники, особого удивления они обычно не вызывают: ведь во всех упомянутых случаях экспериментатор, по крайней мере, видит изучаемый предмет. То же можно сказать и об измерении массы. На обычных химических весах взвешивание производится обычно с погрешностью 1—0,1 мг, и эта погрешность связана с тем минимальным отклонением стрелки, которое можно заметить на весах, изготовленных с наивысшей тщательностью. Что касается времени, то здесь наикратчайший измеримый интервал определяется скоростью реакции человека при запуске и остановке секундомера. Опыт показывает, что после хорошей тренировки человеку удается надежно фиксировать начало и конец различных событий с погрешностью порядка 0,1 с.
Мир атомов лежит далеко за пределами возможностей непосредственного восприятия человеческих органов чувств. Так, элементарные частицы имеют размеры порядка 10“13 см, их массы заключены в пределах 10“27 — 10“ 2 4 г, длительность процесса столкновения частиц друг с другом составляет около 10"2 2 с, а средняя энергия нейтрона в большом энергетическом ядерном реакторе равна примерно 5-КГ21 Дж. В то же время продолжительность существования некоторых радиоактивных веществ исчисляется многими миллиардами лет. Несмотря на столь непривычные масштабы физики научились измерять эти, казалось бы, неизмеримые величины и притом многие из них с очень высокой точностью. Так, в настоящее время известно, что масса электрона равна 9,109534- 1(Г31 кг, а его заряд составляет 1,602189-10"19 Кл, причем возможная неточность не превышает нескольких единиц в последней значащей цифре.
О том, как сила человеческого разума и самоотверженный труд ученых привели к возможности измерения "неизмери-мого", и будет рассказано в этой книге.
Глава 1
НА ПУТИ К ЦЕЛИ
КАК ЛЮДИ СНАЧАЛА ДОГАДАЛИСЬ, А ПОТОМ ЗАБЫЛИ О СУЩЕСТВОВАНИИ АТОМОВ
Представим, что перед нами лежит кусок масла. Его можно разрезать ножом пополам, потом еще и еще. При этом каждая отрезанная часть сохраняет все свойства масла — вкус, цвет, запах. До каких же пор возможно такое дробление вещества — до бесконечности или нет? Иначе говоря: какова структура вещества? Являются ли различные тепа частями совершенно однородной бесструктурной материи, какой нам представляются вода, воздух, масло, или же тепа состоят из "крупинок", которые невозможно разделить на еще более мелкие части без нарушения их основных свойств?
Над этими вопросами люди задумывались уже в глубокой древности. Техника измерений в то время только зарождалась, точные опыты делать не умели. Некоторые древние ученые тем не менее догадывались о невозможности дробления вещества до бесконечности; они полагали, что любое вещество должно состоять из мельчайших неделимых частиц, которые древние греки называли атомами (греческое слово атодоа означает неделимый).
Впервые идеи атомарной структуры вещества были высказаны в Греции, вероятно, Анаксагором и Левкиппом около 2500 лет назад. Их ученик Демокрит развил первоначальные
догадки в довольно стройное учение, в свою очередь, развитое затем римским философом Эпикуром. Взгляды Демокрита и Эпикура подробно описаны в замечательной поэме Тита Лукреция Кара "0 природе вещей". В ней говорится, что все в природе состоит из атомов и пустоты, никакой третьей субстанции нет. Атомы вечны, они не сотворяются по божественной воле и не исчезают. В бесконечной Вселенной движется бесконечно много атомов, но разнородность их форм, определяющая различие свойств веществ, ограничена. Всякое вещество состоит из сочетания разнородных атомов, но не все атомы могут входить в сочетание друг с другом каким угодно способом.
Таким образом, древние материалисты предвосхитили многие современные представления о строении вещества. В ту пору их высказывания были, конечно, лишь гениальными догадками, не подтвержденными никакими экспериментальными фактами; не приходится говорить о том, что вопрос об измерении атомов тогда и не поднимался.
Однако передовым идеям античных философов не суждено было получить сразу дальнейшее развитие. В мрачные годы средневековья, в обстановке общего застоя, засилья церкви и церковных идей все лучшее, что было сделано материалистами древнего мира, быДо предано анафеме и забыто. Неудивительно, что именно в ту пору расцвели такие науки, как астрология и алхимия, для которых характерны мистика и суеверие. Однако даже тогда кое-что полезное было сделано. Алхимики открыли много новых химических веществ и разработали некоторые методы эксперимента, которыми ученые и техники пользуются и поныне: перегонку, возгонку, фильтрование, перекристаллизацию и другие.
РОЖДЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ
Первые серьезные шаги на пути к измерению атомов были сделаны тогда, когда алхимия превратилась в химию. В середине XVIII века великий русский ученый М. В. Ломоносов опроверг трактовку опытов Бойля, якобы подтверждавших теорию флогистона, а французский химик Лавуазье окончательно разгромил ее. М. В. Ломоносов, как известно, был одним из первых ученых, вернувшихся к атомистическим представлениям о структуре вещества, но его высказывания тоже носили в основном характер догадок. Несколько позже в результате развития точных количественных методов исследований был установлен ряд важных законов, а различные неверные теории были отброшены.
Одним из первых был открыт так называемый закон постоянства состава. Его автор французский химик Пру установил, что каким бы путем ни было получено данное химическое соединение, массовый состав его всегда один и тот же. Сейчас это положение кажется очевидным, а Пру пришлось выдержать многолетний спор с другим крупным ученым Бертолле, прежде чем его закон стал общепризнанным.
Казалось бы, как тут не вспомнить об атомах? Ведь если вещества бесструктурны, то они всегда могут смешиваться в любых пропорциях, тогда как с позиций атомарной гипотезы закон постоянства состава представляется само собой разумеющимся. Однако об атомах вспомнили позже, когда английский химик Дальтон установил в 1803 году закон кратных отношений, который гласит: если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то количества одного из элементов, приходящиеся на одно и то же количество другого элемента, относятся друг к другу как небольшие целые числа. Так, азот и кислород образуют пять соединений, которые приведены в табл. 1. Легко заметить, что массовые части кислорода, приходящиеся в этих соединениях на одну массовую часть азота, относятся друг к другу как 1:2:3:4:5.
Установив закон кратных отношений и сравнив его с законом постоянства состава, Дальтон заметил, что все эти законы можно легко объяснить с позиций атомистической теории. В самом деле, раз атомы неделимы, атом водорода может соединиться с одним или двумя атомами кислорода, но не с половиной атома или с какой-нибудь другой его дробной частью.
Значит, в каждой мельчайшей частице химического соединения (такие частицы Дальтон называл "сложными атомами") отношение масс входящих в ее состав атомов элементов должно быть вполне определенным, и так как все такие частицы одного соединения совершенно одинаковы, в любом куске взятого вещества отношение масс элементов будет таким же, как и в каждой частице. Но для того чтобы узнать, во сколько раз атом одного элемента тяжелее атома другого элемента, необходимо было знать точный состав "сложного атома".
АТОМИСТИКА ПРОНИКАЕТ И В ФИЗИКУ
Французский ученый Гей-Люссак установил, что объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов как небольшие целые числа. Простота отношений объемов вступающих в реакцию и образующихся газов наталкивала на мысль, что и здесь проявляется атомарная структура вещества. Но как именно?
В 1811 году итальянский ученый Авогадро заметил, что все становится на свои места, если ввести новое понятие — молекула. Это понятие стали применять к мельчайшим частицам вещества, способным к самостоятельному существованию. Различие точек зрения Дальтона и Авогадро заключалось в том, что последний допустил существование сложных молекул и у чистых элементов. Предположив далее, что в равных объемах газов содержится одинаковое число молекул, Авогадро легко объяснил и закон Гей-Люссака, и все известные газовые реакции. В дальнейшем оказалось, что ни в одной реакции из одного объема водорода не получается более двух объемов нового газообразного вещества. Значит, молекула водорода состоит именно из двух атомов. Аналогичный вывод можно было сделать и о молекулах хлора, кислорода и некоторых других элементарных газов. Для того чтобы подчеркнуть, что молекулы этих газов состоят из двух атомов, их стали обозначать символами химических элементов с цифрой 2 внизу: Н2, С12, 02 ит. д.
Несмотря на то что гипотеза Авогадро объясняла все известные в то время факты, многие ученые по привычке придерживались старых взглядов. И только на химическом конгрессе в Карлсруэ 4 сентября 1860 года была рринята резолюция, закрепляющая различие понятий атома и молекулы.
АТОМНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАССЫ
Итак, к середине XIX века физики и химики не только получили убедительные доказательства существования атомов и молекул, но и научились сравнивать их массы. Самым легким оказался атом водорода; масса атома кислорода, как уже отмечалось, в 16 раз больше массы атома водорода, углерода — в 12 раз, хлора — в 35,5 раза, железа — в 56 раз и т. д. В дальнейшем было установлено, что отношения масс атомов лишь приблизительно выражаются целыми числами. При этом оказалось, что удобнее сравнивать массы атомов не с массой атома водорода, а с массой атома основного изотопа углерода, приняв ее точно равной 12. Тем самым была введена специальная единица для выражения относительных масс атомов, равная 1/12 массы атома основного изотопа углерода; эту единицу назвали атомной единицей массы. Число, показывающее, во сколько раз масса атома больше этой единицы, называется атомной массой элемента А, а число, показывающее, во сколько раз масса молекулы того или иного соединения больше той же единицы, - молекулярной массой М этого соединения. Из предыдущего следует, что атомная масса углерода равна точно 12, атомная и молекулярная массы водорода составляют 1 и 2, атомная и молекулярная массы кислорода примерно равны 16 и 32 соответственно и т. д. Атомные массы всех элементов приведены в таблицах, а молекулярные массы любых веществ легко вычислить с помощью известных химических формул этих веществ.
Условимся понимать под количеством вещества в любом теле число содержащихся в нем молекул. Об измерении этого числа мы еще не говорили, и, следовательно, сказать, сколько содержится молекул, например, в стакане воды, мы пока не можем. Но мы можем выбрать какую-то массу определенного вещества и соответствующее число молекул или атомов принять за единицу количества вещества. В качестве такого эталона выбрали 12 г углерода и полученную единицу назвали молем. Итак, моль - это количество любого вещества, содержащее столько же молекул, сколько содержится атомов в 12 г углерода.
Теперь мы можем выразить количество вещества, соответствующее любой массе углерода, в числе молей v. Так, в 24 г
* Об изотопах речь пойдет в гл. 3.
углерода содержится два моля, в 12 кг углерода - 1000 молей (или 1 кмоль) и т. д. Далее, если мы возьмем равные количества различных веществ (т. е. куски разных веществ, содержащие одинаковое число молекул), то их массы (в граммах) будут пропорциональны молекулярным массам. Поэтому в 18 г воды должно содержаться столько же молекул, сколько в 12 г углерода, т. е. ровно 1 моль. Для дальнейших расчетов удобно ввести еще одно понятие. Будем называть молярной массой любого вещества д массу моля этого вещества. Из предыдущего следует, что для углерода д = 12 г, для водорода д = 2 г, для воды д = 18 г и т. д. Таким образом, молярная масса численно совпадает с молекулярной массой, но последняя является безразмерной величиной, тогда как молярная масса выражается в граммах (или в килограммах). Легко сообразить, что масса любого количества вещества т равна числу содержащихся в нем молей v, умноженному на массу одного моля, т. е. на молярную массу д: т - vp.
В этом соотношении легко можно измерить только одну величину т. Выше говорилось о том, как можно определить молекулярные (следовательно, и молярные) массы для газов. Для этой же цели существуют и другие приемы.
Согласно предположению Авогадро в разных газах, занимающих одинаковые объемы, содержится одинаковое число молекул, поэтому можно подобрать такой объем, в котором При нормальных условиях — темяературе 0°С и давлении 1,01х х 10s Па* — помещается моль любого газа. Авогадро установил, что этот объем равен 0,0224 м3 (22,4 л). Теперь молярные массы газообразных веществ можно было измерять очень просто: для этого достаточно определить массу газа, занимающего объем 0,0224 м3. Масса такого количества одного из углеводородов - газа этана - составляет около 30 г, значит, молекулярная масса этана равна 30. Рассматривая химические реакции с участием этана по методу Дальтона, можно убедиться в том, что в этане на одну массовую часть водорода приходится четыре части углерода, но поскольку масса атома углерода в 12 раз больше массы атома водорода, в этане на каждый атом углерода.
До введения СИ для измерения Давления применялись другие еди-ницы. атмосфера техническая 1 аг = 1 кгс.см-2 = 9,81-104 Па и атмосфера физическая 1 атм = 760 мм рт. ст. = 1,01-10s Па.
рода приходится три атома водорода. А так как молекулярная масса этана равна 30, стало быть, в ней содержится два атома углерода и шесть атомов водорода, поэтому формула этана С2Н6. Аналогичным способом можно измерить молярную массу и узнать состав любого другого газообразного соединения.
Для определения атомных масс твердых тел можно воспользоваться законом Дюлонга и Пти, согласно которому для нагревания на 1 ° С одного моля любого твердого вещества необходимо вполне определенное количество теплоты — около 25 Дж.
Допустим, что с помощью этого закона мы хотим определить молярную массу железа. Возьмем гирьку массой 100 г и опустим ее в кипящую воду. Когда температура гирьки сравняется с температурой воды (100°С), перенесем ее в кружку с 200 г воды при температуре 20° С. В результате вода нагреется примерно на 4°. Теперь давайте считать. Вода нагрелась на 4° С, значит, она получила от гирьки 200-4-4,19 = 3350 Дж. При этом гирька остыла на 100-24 = 76°; значит, ее теплоемкость равна 3350:76 ** 44 Дж/град. Обозначив молярную массу железа буквой д, составим пропорцию:
100 г железа имеют теплоемкость 44 Дж/град, д г железа имеют теплоемкость 25 Дж/град, откуда д = 100-25/44 « 57 г.
В лабораториях для точного определения теплоемкости существуют специальные приборы — калориметры, но суть измерений остается такой же. Именно этим простым способом в условиях сибирской ссылки без специальных приборов мог определить молярную массу неизвестного "звездного" вещества инженер Баков — один из героев романа А. Казанцева "Пылающий остров".
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА
К 1869 году атомные массы большинства известных в то время элементов были определены довольно точно. Это позволило русскому химику Д. И. Менделееву установить очень важную закономерность: если расположить элементы в порядке возрастания атомных масс, то их химические свойства будут периодически повторяться. Заслуга Д. И. Менделеева была особенно велика потому, что в его эпоху еще не все элементы были открыты, а атомные массы некото-
рых элементов были определены неточно. Тем не менее, твердо веря в справедливость открытого им закона, Дмитрий Иванович не только правильно расположил известные элементы, но и предсказал существование новых, еще не открытых элементов и их основные свойства. В дальнейшем эти элементы были открыты, причем все предсказания Д. И. Менделеева блестяще подтвердились.
Сейчас таблица элементов заполнена целиком. В каждой ее клетке указаны название элемента, его химический символ, порядковый номер (показывающий, на каком месте, считая от водорода, стоит данный элемент) и атомная масса элемента по принятой в настоящее время "углеродной" шкале, в которой за единицу взята 1/12 массы основного изотопа углерода (об изотопах см. следующую главу). Элементы, атомные массы которых в таблице указаны в скобках, в природе не встречаются или их количества ничтожно малы; такие элементы получают теперь искусственно.
НЕКОТОРЫЕ ИТОГИ
Установив ряд новых законов, в которых фигурируют отношения небольших целых чисел, ученые твердо убедились в существовании атомов. Более того, они научились определять, во сколько раз атом или молекула одного вещества тяжелее атома или молекулы другого, или, другими словами, научились определять атомные и молекулярные массы. Обычные весы, мерные колбы для измерения объема газа, простенький калориметр и термометр — вот, пожалуй, и весь арсенал средств, которые использовались при установлении этих фундаментальных фактов.
В то же время истинные масса и размеры одного атома или одной молекулы так и не были определены. Это обстоятельство порождало у многих ученых скептицизм и недоверие к атомарной гипотезе. Так, немецкий физик Мах подчеркивал, что в существовании атомов и молекул нельзя быть уверенными до тех пор, пока люди не научатся определять их размеры, а поэтому, по его мнению, атомарная гипотеза была преждевременной и надуманной. И даже такие горячие сторонники этой гипотезы, как Д. И. Менделеев, считали, что человеку никогда не удастся познакомиться с отдельным атомом. Однако жизнь очень скоро опровергла пессимистические прогнозы. О том, как это произошло, будет рассказано в следующей главе.
KOHEЦ ГЛАВЫ И ФPAГMEHTA КНИГИ
|
