Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Е = m∙с².

Эта энергия складывается из энергии покоя и энергии движения. Не имея никаких сведений о структуре тела, не зная характера взаимодействия его частиц, можно утверждать, что его внутренняя энергия равна

U = m₀∙с².

Внутренняя энергия тела с массой 1 кг равна 10¹⁷ Дж. Такое количество тепла выделилось бы при сгорании 3 миллионов тонн угля. Как мы узнаем ниже, физики научились высвобождать лишь малую часть этой энергии, разрушая атомные ядра или заставляя их сливаться.

Подчеркнем, что уравнение Эйнштейна Е = m∙с² относится не только к внутриядерной энергии. Уравнение универсально. Но здесь дело обстоит совершенно так же, как с часами космонавтов. Большей частью соотношение между энергией и массой не может быть проверено. Действительно, если нагреть 1 т молибдена на 1000 К, то масса возрастет на 3 миллионных доли грамма. Только огромная величина внутриядерных сил позволила убедиться в правильности уравнения Е = m∙с².

Полезно, пожалуй, предупредить читателя об очень распространенной небрежной формулировке этого замечательного уравнения. Говорят: масса превращается в энергию; или еще хуже: материя превращается в энергию. На самом же деле формула Е = m∙с² говорит следующее: какие бы взаимные превращения разных видов материи ни происходили, произошедшему в системе изменению энергии соответствует эквивалентное изменение массы. Энергия и масса являются двумя однозначно связанными характеристиками материи.

Желание добраться до элементарных кирпичей, из которых построен мир, старо, как мир. Но долгие столетия этот предмет был подвластен только схоластическим рассуждениям мудрецов. Как только появились реальные возможности разрушать молекулы, атомы, атомные ядра, физики принялись за эту работу с вдохновением и настойчивостью. Работа эта не прекращается и по сей день, и, признаемся, пока что конца ей не видно.

Ясно, что для того, чтобы получить ответ на вопрос, из чего построен мир, надо разрушать частицы. Для этого нужны «снаряды», и чем большей энергией будут они обладать, тем больше надежды раскрыть эту тайну природы.

История производства быстрых частиц началась в 1932 г., когда сотрудники Резерфорда построили установку для получения протонов, которые разгонялись до энергий 500 кэВ. Затем последовали циклотроны, позволившие достигнуть энергий протонов, которые требовалось измерять уже мегаэлектронвольтами (напомним, что мега — миллион). На следующем этапе был изобретен синхротрон, позволивший разгонять протоны до миллиарда электронвольт. Началась эра гигаэлектронвольтов (гига — миллиард). Но теперь уже запроектированы машины, в которых счет пойдет на тысячи миллиардов электронвольт. В частности, физики, собиравшиеся в 1975 г. на международную конференцию (она происходила в Серпухове, где установлена одна из мощнейших машин этого типа), полагали, что надо было бы строить кольцевую машину с диаметром 16 км.

Но у читателя уже вертятся на кончике языка вопросы. В чем принцип действия таких машин? Почему им надо придавать кольцевую форму и, наконец, для чего они нужны?

По сути дела, ускорителем частиц является любой вакуумный прибор, к концам которого подведено высокое напряжение. Кинетическая энергия разогнавшейся до большой скорости частицы равна (впрочем, мы не в первый раз приводим эту формулу, но в этом беды нет: читатель ее тогда наверняка запомнит)

m∙v²/2 = e∙U

И рентгеновские, и телевизионные трубки можно назвать ускорителями.

Но на этом принципе особо больших скоростей не получишь. Термин «ускоритель» применяется тогда, когда речь идет о машинах, разгоняющих частицы до скоростей, близких к скорости света. Для этой цели надо заставить частицу проходить последовательно много полей. Сразу же легко сообразить, что линейный ускоритель малоудобен, ибо для того, чтобы получить какие-то жалкие десятки тысяч электронвольт, уже нужны пути, равные многим сантиметрам. Для достижения десяти миллиардов электронвольт нужна длина порядка десятка километров.

Нет, такое лобовое, решение проблемы не годится! В 1936 г. Эрнест Лоуренс (1901–1958) положил начало строительству современных кольцевых ускорителей, которые он назвал циклотронами. В одной установке объединяется ускорение частицы электрическим полем и ее многократное возвращение к ускоряющему промежутку с помощью магнитного поля.

Ускоритель Лоуренса похож на консервную банку, разрезанную на две части по диаметру. К двум половинкам прикладывается быстропеременное напряжение. Заряженное частицы ускоряются в те моменты, когда они проходят расстояния, разделяющие половинки прибора. Внутри «консервной банки» мы заставляем частицы двигаться по окружности, накладывая на прибор магнитное поле; линии индукции которого перпендикулярны ее дну. Как известно, в этом случае заряженная частица описывает окружность радиуса

R = m∙v/e∙H

Время одного оборота.

Т = 2π∙m/e∙H.

Для. того чтобы электрическое поле между двумя половинками машины «подхватывало» частицы, надо подобрать переменное напряжение так, чтобы его знак менялся как раз к тому моменту, когда частица подойдет к промежутку между половниками.

Заряды создаются в центре прибора (скажем, ионизация водорода создает протоны). Первая окружность будет иметь небольшой радиус. Однако каждая следующая окружность будет иметь больший радиус, поскольку, согласно приведенной формуле, он пропорционален скорости движения частицы.

На первый взгляд кажется, что, увеличивая размеры циклотрона, а вместе с этим и радиус кольцевой траектории, мы можем сообщить частице любую энергию. Достигнув желаемой энергии, нам останется лишь с помощью отклоняющей пластинки выпустить пучок, наружу. Дело обстояло бы идеально, если бы не зависимость массы от скорости. Формула Эйнштейна для массы, не имеющая, казалось когда-то, никакого практического значения, становится основной при расчетах кольцевых ускорителей.

Поскольку с возрастанием скорости масса частицы возрастает, то период обращения не остается неизменным, а растет. Частица начинает запаздывать. Она придет к ускоряющему промежутку не в тот момент, когда фаза напряжения изменится на 180°, а позже. По мере возрастания скорости мы придем к такому положению, что электрическое поле не только перестанет подхватывать частицы, но даже будет их тормозить.

Циклотрон позволил разгонять протоны примерно до 20 МэВ. Казалось бы, не так плохо. Но, как я уже сказал, физикам для их работы требуются все более и более мощные приборы. Ясно, что для достижения больших энергий нужно искать новые пути.

Вид формулы для периода обращения частицы подсказывает, какой путь надо избрать. С возрастанием скорости растет масса. Ну что же, значит, для поддержания периода надо увеличивать «в такт» напряженность магнитного поля. Однако это решение просто лишь на первый взгляд. Не надо забывать, что радиус обращения при каждом обороте частицы возрастает. Так что требуется, чтобы синхронное возрастание массы и магнитного поля было бы справедливо для частицы, проходящей последовательно окружности со все возрастающими радиусами. Внимательно поразобравшись в этой взаимосвязи величин, мы выясним, что найдутся такие «удачные» частицы, для которых, при некотором заданном темпе нарастания напряженности магнитного поля, это условие будет выполнено. А главное, окажется, что произойдет своеобразная автофазировка. Частица, у которой энергия больше, чем надо для радиуса ее обращения, будет замедляться из-за излишнего прироста массы; напротив, нехватка энергии приведет к ускорению.

Самыми простыми вычислениями, с помощью формул радиуса и периода обращения частицы, читатель может самостоятельно, убедиться, что именно так будет обстоять дело (задайте, темп увеличения напряженности магнитного поля, вычисляйте траектории частиц, постройте график — и вы почувствуете принцип автофазировки). А можете поверить мне на слово, что таким способом можно в принципе увеличивать скорость частиц до предела. Придется только использовать для ускорения импульсный метод. При возрастании напряженности поля установка работает. Обратный ход является холостым. Но мы не будем задерживаться на этом методе. Он является также пройденным этапом. Если сохранить этот принцип, то для создания современных ускорителей потребовалось бы изготовлять магниты массой в миллионы (!) тонн.

Современные кольцевые ускорители, называемые синхрофазотронами, осуществляют ускорение частиц, на одной орбите. Поэтому вся центральная часть магнита как бы вырезается. Работа в этих машинах также происходит импульсным методом. Согласованно меняют как напряженность магнитного поля, так и период электрического поля. Удачные частицы будут набирать скорость, двигаясь по строго кольцевой орбите. Менее удачные будут колебаться около хорошей орбиты, но все же будут набирать скорость.

В принципе ускорение можно довести до фантастических величин. Можно достичь скорости протонов, еле заметно отличающейся от скорости света.

Нам остается ответить на вопрос, зачем нужны такие машины. Ускоритель строят для того, чтобы разобраться в физике элементарных частиц. Чем выше энергия заряженных частиц, используемых как снаряды, бомбардирующие мишени, тем больше шансов найти законы взаимного превращения элементарных частиц.

Вообще-то говоря, мир построен всего лишь из трех частиц: электронов, протонов и нейтронов. Электрон пока что нет оснований считать составной частицей. Что же касается протонов и нейтронов, то они могут быть расщеплены на части. При разных столкновениях между «осколками» возникают новые частицы. Сегодня их насчитывается что-то около 250, и вся беда в том, что это число непрерывно растет по мере того, как возрастают мощности ускорителей. Специалисты в области физики элементарных частиц не теряют надежды найти что-то вроде системы Менделеева для элементарных частиц и свести их к небольшому числу, если так можно выразиться, «проточастиц», — удалось же сотню элементов и несколько сот их изотопов свести к комбинациям электронов, протонов и нейтронов.