Ядерная физика и строение Солнца

Ядерная физика и строение Солнца

Введение 

Большинство людей, не имеющих отношения к науке, думают, что ядерная физика - что-то очень сложное, недоступное для понимания нормальному человеку. Это не так, друзья мои, убедитесь сами! Перед вами учебник, в котором максимально доступным языком и буквально на нескольких страничках изложена суть важнейших разделов этой области знаний. Любознательный читатель найдет здесь много полезного. Надеюсь, учебник вам покажется интересным и в трудную минуту поможет блеснуть своими знаниями в компании друзей! 

Строение вещества 

Все окружающие нас предметы, а также и живые существа состоят из маленьких частиц, обычно - молекул. Молекулы же, в свою очередь, состоят из атомов. В составе молекулы может быть много атомов, пример тому - обыкновенный спирт. Молекула может состоять также из небольшого количества атомов, бывает, даже из одного атома! Люди в таких случаях обычно говорят, что предмет просто состоит из атомов. Медная проволока, например, состоит из молекул, каждая из которых имеет в своем составе единственный атом. Можно сказать, что медная проволока просто состоит из атомов меди! 

Устройство атомов 

Атомы, в свою очередь, тоже состоят из частиц. В середине каждого атома находится ядро, состоящее из двух видов частиц - протонов и нейтронов. Бывают ядра, в которых совсем нет нейтронов (пример тому - ядро атома водорода), но это у нас случается редко. Протоны и нейтроны имеют очень маленькую массу, приблизительно равную массе атома водорода. Каждый протон заряжен положительно, и величина его заряда равна +1. А вот нейтрон - тот ни капельки не заряжен, то есть заряд его просто равен нулю! Если посмотреть на ядро в сборе, то оно в целом окажется заряженным положительно, а заряд его будет равен числу содержащихся в ядре протонов. Чтобы уравновесить положительный заряд ядра, необходимо окружить его в атоме отрицательно заряженными частицами, называемыми электронами. Заряд одного электрона равен -1, то есть для нейтрализации положительного заряда необходимо расположить столько же электронов, сколько протонов содержится в атомном ядре. Масса каждого электрона в тысячи раз меньше массы протона (или нейтрона), поэтому любой атом весит примерно столько же, сколько весит его ядро. Протон, нейтрон, электрон, а также и всякие другие трудноделимые частицы настоящие специалисты в ядерном деле часто называют элементарными частицами. 

Состояние атомa 

Если атом не трогать, то он будет жить своей жизнью в так называемом "основном" состоянии, в котором электроны располагаются вокруг ядра в строго определенных местах в соответствии с известными им законами. Если на атом оказать воздействие, хорошенько нагрев предмет или поместив в сильное электромагнитное поле, то некоторые электроны просто не смогут удержаться на своих местах и начнут от избытка энергии перемещаться на большее от ядра расстояние. Такое состояние атома называют "возбужденным". Бывает, однако, что через некоторое время часть электронов возвращается на свои законные позиции, при этом тот самый избыток энергии выхлестывается наружу, вызывая яркое свечение. Именно таким образом возникает свечение электрической лампочки, когда под действием электрического тока многочисленные атомы вольфрама дружно переходят то в возбужденное состояние, то обратно. Если еще более усилить воздействие на атом, то часть электронов может совсем улететь, при этом атом в целом приобретет положительный заряд. Такое состояние атома называют "ионизированное", а сам атом называют "ионом". На явлении улетания электронов основано устройство кинескопа Вашего телевизора. Из нагретой нити вылетают отрицательно заряженные электроны, которые тут же устремляются к положительно заряженному экрану телевизора, вызывая его свечение. Если хорошо постараться, то можно заставить улететь из атома абсолютно все электроны! Атом в таком состоянии уже никак не называется, потому что это теперь не атом, а обыкновенное ядро. В совсем уж экстремально жарких условиях, например, внутри Солнца, материя как раз состоит из таких вот ядер! 

Явление радиоактивности 

Ядра в различных атомах могут быть стабильными и нестабильными. В первом случае с атомами ничего интересного не происходит. Во втором случае, наоборот, происходит распад ядра. Явление, когда ядра сами по себе распадаются, называется радиоактивностью. Распад ядер обычно сопровождается вылетанием наружу ряда частиц. Чаще всего вылетают положительно заряженные альфа-частицы (это ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов) и отрицательно заряженные бета-частицы (это - попросту электроны). Радиоактивный распад часто сопровождается гамма-излучением, это что-то наподобие радиоволн. При распаде некоторых атомов бывают случаи, когда происходит вылетание и других частиц, скажем, нейтронов. В некоторых случаях вылетает и самая маленькая из известных частиц (до сих пор неизвестно, есть у этой частицы вообще хоть какая-нибудь масса!) - нейтрино. О нейтрино мы еще обязательно с вами поговорим во время изучения устройства Солнца. Также встречаются атомы, распад которых сопровождается не гамма-излучением, а каким-нибудь другим, например, рентгеновским. Что такое рентгеновские лучи, я думаю, вам объяснять не надо. 

Радиационная безопасность 

Образующиеся при радиоактивном распаде частицы и лучи очень опасны для здоровья. К счастью, эти лучи и частицы поглощаются различными материалами. Поэтому людям можно и нужно защищаться от вредных проявлений радиоактивности. Лучше всего поглощаются альфа-частицы, ведь они полностью застревают даже в обычном листе бумаги! Также совсем несложно защититься от бета-частиц. Кстати, нам повезло: альфа- и бета-частицы - самые опасные. Но поскольку они практически не проходят через кожу, бояться таких радиоактивных препаратов не надо (важно только не принимать их вовнутрь - иначе вещество быстро попадет в кровь и все закончится плохо). К сожалению, чисто альфа- и бета-излучатели встречаются крайне редко, и распад подавляющего числа радиоактивных атомов сопровождается достаточно опасным гамма-излучением, от которого защититься значительно труднее, чем от неповоротливых альфа и бета-частиц. Чем толще и тяжелее слой защитного материала, тем эффективнее получится наша защита от проникающей радиации. От мощного гамма-излучения вполне удается защититься многометровыми слоями бетона. Неплохо также для изготовления защиты использовать материалы из свинца и вольфрама. Но и тут не все так гладко. Например, чрезвычайно опасные частицы - нейтроны - как раз довольно легко проходят через свинец и вольфрам, но зато они неплохо застревают в полиэтилене и даже в обыкновенной воде! Самые проникающие частицы (к счастью, неопасные) - это нейтрино. Эти частицы проходят через любые материалы, совершенно в них не поглощаясь. Они умудряются беспрепятственно пролететь даже сквозь земной шар! 

Ускорительная физика 

Элементарные частицы чудным образом появляются не только при радиоактивном распаде. Как мы с Вами уже знаем, если поместить совершенно стабильные атомы в какие-либо страшные условия (сильное магнитное поле, высокая температура и т.п.), то все электроны быстро улетят и мы получим голые заряженные ядра. Эти ядра можно затем разогнать до высоких скоростей и энергий в электромагнитном поле. Обычно любят разгонять ядра атомов водорода - эти ядра самые легкие, потому что каждое состоит всего лишь из одного протона. Пучок разогнанных частиц, направленный на какой-нибудь материал - "мишень", выбьет из этой мишени другие интересные частицы, которые можно изучать и направлять на другие мишени. Для разгона частиц существуют специальные устройства - ускорители. Бывают линейные ускорители, где частицы разгоняют вдоль прямой линии, и кольцевые ускорители, "циклотроны", в которых частицы ускоряются, весело летая по кругу. Использование ускорителей позволяет изучать свойства элементарных частиц и излучений в самых разных условиях. Подвергая определенные мишени бомбардировкам этими частицами, можно получить атомы других элементов, в том числе - и доселе неизвестных. Именно таким способом получают в научном центре в Дубне новые элементы Периодической системы Д.И.Менделеева! 

Реакторная физика 

Существуют атомы, ядра которых при распаде помимо других частиц выделяют нейтроны. К таким атомам относятся, например, некоторые разновидности урана и плутония. В природном уране этих атомов немного, но уран-то можно "обогатить", отделив и отбросив все ненужные атомы. В результате полученный образец урана будет излучать очень интенсивный поток нейтронов. Чем больше возьмем мы такого урана и чем более плотно его упакуем, тем больше будет у нас интенсивность нейтронного потока. При достаточно большой интенсивности выделяющихся нейтронов уже хватит на то, чтобы начать выбивать дополнительные нейтроны из соседних атомов урана. Те, в свою очередь, также будут выбивать еще больше нейтронов из соседних к ним атомов. Пойдет так называемая "цепная реакция". Нейтронов будет становиться все больше и больше, и, в конце концов, дело кончится плохо - весь уран разрушится с образованием большого разнообразия других радиоактивных атомов. Что интересно, при этом выделится огромная энергия. Явление, только что рассмотренное нами, называется "ядерным взрывом", а устройство, которое сжимает образец обогащенного урана до требуемой плотности, называется "атомной бомбой". Люди сконструировали приспособление, которое при необходимости вводит в зону с большим потоком нейтронов специальные материалы, эти нейтроны поглощающие. Регулируя степень вдвигания этих материалов, можно управлять скоростью цепной реакции, заставляя энергию выделяться постепенно. Такое устройство специалисты называют "ядерный реактор". Выделяющееся тепло подобных реакторов можно использовать для получения электроэнергии (такая электростанция называется атомной), а интенсивный поток нейтронов - для проведения всевозможных ядерных исследований. 

Термоядерные процессы 

Рассмотренные нами до сих пор процессы основаны на радиоактивном распаде ядер или на взаимодействии ядер с элементарными частицами. Удивительно, но существует некий особый класс реакций, основанных на слиянии двух или более ядер в одно. Такие процессы сопровождаются громадным выделением энергии и называются "реакциями термоядерного синтеза". Вот вам самый простой пример такой реакции. Берется смесь двух типов ядер водорода - ядра первого типа состоят из одного протона и одного нейтрона, а второго типа - из одного протона и уже двух нейтронов. Реакцию проводят при очень большой температуре: она нам необходима уже хотя бы для того, чтобы получить эти самые ядра, выгнав электроны из атомов. При взаимодействии двух разных ядер водорода они соединяются в ядра гелия (состоящие из двух протонов и двух нейтронов), а возникающий лишний нейтрон улетает восвояси. Реакция сопровождается таким огромным выделением тепла, что его с большим запасом хватает для самопроизвольного продолжения соединения остальных атомов водорода. Устройство, в котором с успехом проводят описанную выше реакцию, специалисты называют "водородной бомбой", а сам процесс синтеза - "термоядерным взрывом". По аналогии с цепной реакцией деления ядер урана люди многие годы пытаются найти способ управления термоядерными процессами, чтобы получать энергию постепенно, а не в виде взрыва. К сожалению, пока науке неизвестно, какие материалы следует в этом случае вдвигать в зону реакции, и эта проблема до сих пор не решена. 

Строение Солнца 

Наше Солнце - это огромный источник энергии. Не будь его, все живое на Земле давно бы загнулось. Немудрено, что люди испокон веков стараются разобраться в устройстве нашего светила и понять, откуда же там берется энергия. К сожалению, Солнце само по себе очень плотное, и поэтому ученым удается наблюдать только его поверхность. Но даже скудные знания об интенсивности свечения поверхности, спектре, наличии пятен и температуре позволяют разработать стройную теорию процессов, происходящих в недрах Солнца. И такая теория уже построена! В основе нее лежит разветвленная система реакций термоядерного синтеза, продукты которых вступают в аналогичные термоядерные реакции, приводящие к образованию все более тяжелых ядер. Ученым удалось подобрать такие реакции, которые должны в конечном итоге привести к наблюдаемым ими свойствам поверхности Солнца. Но как проверить эту теорию? Вроде бы несложно, ведь в результате термоядерных процессов образуется большое число самых разных элементарных частиц и ядер, которые можно было бы исследовать. Не тут то было! Эти частицы не долетают до нас по простой причине - Солнце большое и плотное, и все продукты реакции застревают в нем, как в хорошей защите, даже близко не подходя к поверхности. Единственная частица, нейтрино, которая обладает высочайшей проникающей способностью, легко проходит сквозь толщу Солнца и вылетает к нам наружу. Реакции в центре светила сопровождаются образованием нескольких видов нейтрино с известными из солнечной теории свойствами. Все эти нейтрино без всякого сомнения долетают до Земли. Вот бы удалось их исследовать, чтобы проверить, верна ли теория строения Солнца! 

Нейтринная астрофизика 

Поймать солнечное нейтрино, а тем более, исследовать его - непростая задача. Тем не менее, люди ее успешно решают. Дело в том, что нейтрино все же взаимодействует с атомами, только вот плохо. Но зато этих нейтрино очень много - каждую секунду через нас с вами пролетают многие миллиарды миллиардов миллиардов нейтрино! Если, к примеру, подставить под нейтринный поток большую мишень, состоящую из страшного количества атомов (а число это - с тридцатью нулями!), то иногда иное нейтрино нет-нет, да и провзаимодействует с одним из этих атомов. Тут-то и возникает задача - обнаружить этот видоизмененный атом и сообразить, что он образовался именно от нейтрино: ведь помимо нейтрино, со всевозможными мишенями куда охотнее взаимодействуют другие частицы, которых вокруг полно! И они образуют в мишенях в миллиарды миллиардов раз больше таких видоизмененных атомов. Чтобы уменьшить влияние ненужных гостей необходимо спрятать от них мишень, отделить специальными защитными материалами (которые, по возможности, сами не излучают никаких частиц). Самые опасные для мишени частицы - это мюоны, во множестве прилетающие к нам из космоса. Мюоны запросто проходят даже через очень толстую защиту. Чтобы спастись от них, лабораторию с мишенью помещают глубоко под землю. Как правило, толщины скальной породы в 2-3 км бывает достаточно, чтобы защититься от глупых мюонов. Но остается много других проблем. В частности, мишень под землю привозят все же с ее поверхности, где, благодаря тем же мюонам, она насыщена миллиардами миллиардов видоизмененных атомов, от которых мишень надо еще очистить! Тут на помощь приходит химия. Вторая проблема - это проблема регистрации. Дело в том, что совсем от источников радиоактивности избавиться невозможно даже под землей. Сама горная порода излучает радиацию, даже сотрудники, работающие с мишенью, тоже в достаточной мере являются для нее радиоактивными предметами. И приходится разбираться, какие из образовавшихся атомов появились от нейтрино, а какие - от других, так называемых "фоновых" воздействий. В настоящее время задача регистрации солнечных нейтрино в основном успешно решается двумя способами, о которых будет рассказано ниже. 

Радиохимические детекторы 

В основе радиохимических методов детектирования нейтрино лежит выбор мишени, в которой под влиянием длительного действия нейтринного потока образуется пусть совсем немного атомов, но зато каких! Должны получаться атомы, которые потом не очень трудно отделить и посчитать. Легче всего посчитать радиоактивные атомы, поместив их после отделения от мишени внутрь специального счетчика. Для детектирования солнечных нейтрино есть две удобные мишени - это хлор (в виде соединения со сложным названием "тетрахлорэтилен", оно просто менее опасно, чем сам хлор) и галлий (легкоплавкий металл). Нейтрино при взаимодействии с хлором превращают его в радиоактивный аргон, а при взаимодействии с галлием - в радиоактивный германий. Галлиевый и хлорный эксперименты чувствительны к различным видам нейтрино, поэтому, сравнивая результаты, можно сделать вывод о том, какие нейтрино и в какой пропорции летят к нам из Солнца. В любом из экспериментов мишень должна быть большой. Например, чтобы из галлиевой мишени получить за месяц стояния под потоком солнечных нейтрино хотя бы 20 штук радиоактивных атомов германия, необходимо взять порядка 60 тонн этого самого галлия. Атомы германия накапливаются примерно за месяц, после чего хитрыми химическими приемами их отделяют от мишени и помещают в специальный счетчик, который дает сигналы о распаде атомов германия (они ведь радиоактивны!). Кроме того, счетчик дает много других сигналов, и умные математики разбираются, какие из сигналов в той или иной степени обусловлены нейтринным происхождением. Недостаток радиохимического метода - большая инерционность. Мы видим, сколько нейтрино попало в мишень за истекший отчетный месяц, но не знаем - в какие именно дни, часы, минуты и секунды непрошенные гости застревали в галлиевых атомах. Зато этот метод позволяет ловить низкоэнергетичные нейтрино, а метод с электронными детекторами - не позволяет. 

Электронные детекторы 

Электронный метод регистрации солнечных нейтрино основан на том, что при попадании нейтрино в атом мишени, последний иногда переходит в возбужденное состояние. Ну и потом, попозже, он переходит обратно, в основное. Поскольку переход атома из состояния в состояние, как мы знаем, связан с перемещением электронов, соответствующий метод так и назвали - электронным. При возвращении атома в нормальное состояние возникает световая вспышка. Чтобы ее наблюдать, мишень должна быть прозрачной. Если взять мишень объемом побольше (несколько миллионов литров) и поместить ее поглубже под землю - то вполне можно регистрировать вспышки от нейтрино. Это делают, развесив вокруг мишени светочувствительные приборы - фотоумножители (часто - по несколько десятков тысяч штук) и подключив их к компьютеру. В качестве мишени любят использовать специально обработанный керосин или очень чистую воду. Один из известных науке электронных детекторов расположен на дне озера Байкал, он использует воду прямо из озера, она там очень чистая, а вблизи дна - достаточно темно. К тому же - озеро настолько глубокое, что опасные мюоны практически не долетают до дна. Другие подобные детекторы расположены в глубоких шахтах. Недостаток электронного метода - очень высокие требования к чистоте мишени. Ведь в той же воде содержатся радиоактивные атомы (радия, урана, тория), которые при распаде устраивают вспышки! Даже в очень чистой воде из нескольких тысяч наблюдаемых вспышек только одна вызвана действием нейтрино. И умные программы должны эту вспышку отличить! Преимущество электронного метода очевидно - ученые точно видят, в какой момент наше нейтрино поразило мишень, и могут, например, понаблюдать, не приходят ли нейтрино чаще по понедельникам в обеденное время, чем ранним утром по вторникам. Наиболее современные электронные детекторы позволяют даже определить, с какой стороны прилетело то или иное нейтрино. Чаще всего, оно прилетает с солнечной стороны, но бывает и с другой тоже. То-то же ученые удивляются! Однако наука - она на то и наука, чтобы объяснить все природные курьезы. 

Заключение 

Результаты проводимых в мире ядерных исследований далеко не всегда согласуются с теорией. Например, величина потока солнечных нейтрино, регистрируемая в многочисленных экспериментах, не вписывается в представление ученых о строении Солнца. Чтобы все сошлось, деятели науки сначала пытались придумать другое устройство Солнца. Но не сумели. Теперь теоретики уже говорят, что Солнце тут не причем, просто у нейтрино имеется особое свойство, которое позволяет ему многократно менять свою энергию по пути от Солнца до Земли. Услышав про такой поворот событий, ученые стали строить все более современные и дорогие детекторы, которые позволят проверить, действительно ли свойства нейтрино меняются от пройденного им расстояния. Подобные казусы происходят во всех областях ядерной физики. И так будет до тех пор, пока человек не разберется в самых мельчайших подробностях устройства мира, который его окружает. Главный парадокс науки состоит именно в том, что этого не случится никогда. 

Мы с вами рассмотрели здесь только самые главные понятия ядерной физики. Существуют еще и кварки, антивещество, гравитационные волны, многое другое, трудно понятное и трудно объяснимое. Ученых интересует Теория Большого Взрыва, происхождение Вселенной, их волнует, есть ли жизнь на Марсе и других далеких планетах. И по мере того, как мы познаем тайны материи, приобретенные знания и опыт начинают служить человеку, приносить ему пользу. Ведь не будь ядерной физики, разве бы мы знали про флюорографическое обследование, про атомные станции, ледокол "Ленин", радиоактивные метки, кристаллографию, изотопную экспертизу и договор ОСВ-2! Со временем ядерная физика глубоко войдет в нашу жизнь и нам останется только удивляться, как же раньше жили люди, не имея протонной печки на своей кухне.