Перспективы развития физики микромира

Развитие теории. 'Новейшие достижения физики элементарных частиц явно выделили из общего их числа группу частиц - возможных кандидатов на роль истинно элементарных. Многие вопросы, однако, требуют дальнейшего исследования. Не вполне ясны причины Деления частиц со спином 1/2 на лептоны и кварки и Происхождение их внутренних квантовых чисел.

Современные теории исходят из того, что частицы являются точечными объектами и что четырехмерное пространство- время остается непрерывным и неискривленным вплоть до самых малых расстояний. В действительности указанные предположения, по-видимому, неверны, так как частицы, очевидно, должны быть материальными объектами конечной протяженности, а пространство-время в масштабах 10^-33см меняет свои свойства под действием гравитации и образует нечто вроде квантов. Учет; этих обстоятельств открывает путь к созданию единой теории взаимодействия.

Современные ускорители. Полученные в ускорителе управляемые пучки быстрых частиц оказались единственным подходящим инструментом для операций внутри атомов и атомных ядер, для исследования ассортимента и устройства ядерных частиц. Но для этого нужна энергия в десятки, сотни и даже тысячи ГэВ (гигаэлектрон-вольт; 1 ГэВ = 10⁹эВ), т. е. в миллиарды и даже триллионы электрон-вольт. Так что отнюдь не случайно область фундаментальных исследований строения материи называется физикой высоких энергий. Если бы ускорители на высокие энергии делались по принципу телевизионной трубки линейными, то, как показывают расчеты, их размеры достигали бы многих сотен километров. Поэтому ускоритель сворачивают в кольцо, заставляя частицы многократно проходить участки, где действует ускоряющее электрическое поле. Чем выше энергия частиц, тем труднее завернуть их, пустить по круговой траектории, тем более сильные заворачивающие магнитные поля нужны для этого. Кроме того, одноименно заряженные частицы в пучке взаимно отталкиваются, а также рассеиваются на остаточной атмосфере в вакуумной трубе ускорителя. Поэтому наряду с поворачивающими магнитами нужны и магниты фокусирующие, сжимающие частицы в тонкий пучок. Максимальная энергия современных ускорителей ограничивается разумным пределом размеров и стоимости именно магнитной системы, наиболее громоздкой и дорогостоящей.

Вместо неподвижной мишени можно использовать и встречный ускоренный пучок частиц. Это позволяет при соответствующей компоновке ускорителей гораздо эффективнее использовать энергию их пучков. Такие самые современные ускорители на встречных пучках называют коллайдерами. В мире пока всего несколько коллайдеров. Они находятся в США, Японии, Германии, а также в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), базирующейся в Швейцарии.

Лет через десять будет завершено сооружение самого крупного в мире ускорителя заряженных частиц - большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider - LHC) в Женеве, в 27-километровом подземном тоннеле на границе между Швейцарией и Францией. Физики надеются, что при немыслимых сегодня энергиях сталкивающихся частиц (порядка 10 трлн. электрон-вольт) можно будет наконец-то получить недостающие пока сведения о глубинных механизмах их взаимодействия внутри ядра и выстроить непротиворечивую картину мироздания.

Структурная нейтронография. Стремясь проникнуть в глубь вещества и изучить его структуру, исследователи создавали все более эффективные инструменты и методы. На смену оптическому микроскопу пришел электронный микроскоп с несравненно более высоким разрешением. Рентгеноструктурный анализ позволил “увидеть” форму атомной решетки кристалла и даже проследить за ее изменениями под действием внешних условий, например, при изменении температуры и давления. Сравнительно недавно были созданы, развиты и усовершенствованы новые методы изучения вещества, основанные на рассеянии в нем нейтронов.

За основополагающие работы по исследованию законов рассеяния нейтронов и за создание принципиально новых методов исследования жидкостей и твердых тел - структурной Нейтронографии - Королевская Академия науки Швеции присудила в 1994 г. Нобелевскую премию по физике американскому физику Клифорду Шаллу и канадскому исследователю Бертрому Брокгаузу.

Структурная нейтронография позволяет проследить за поведением каждого атома. На рис. 5.2 показана проекция упругого рассеяния нейтронов в кристалле КН₂РО₄ вблизи водородной связи О-Н-О. Видны два атома кислорода (сплошные линии) и два атома водорода (пунктирные линии). Расстояние между ними при комнатной температуре (293К) - порядка 10^-12 см (рис. 5.2, а). Понижение температуры до 77К вызвало фазовый переход, при котором один атом водорода приблизился к атому кислорода на 0,37 • 10^-12 см (рис. 5.2, б).

Рис. 5.2. Картина упругого рассеяния нейтронов при комнатной –293К (а) и низкой –77К (б) температурах

Нейтронография - одно из крупнейших достижений ядерной физики последнего времени. Она открывает широкие возможности микроскопических исследований многообразных не только физических, но и химических, и биологических объектов. Такое многогранное применение нейтронографии, по сути физического метода, свидетельствует о тесной взаимосвязи различных отраслей современного естествознания:

физики, химии, биологии.

Вопросы для самопроверки

Вопрос 1. Когда возникло представление об атомах как неделимых мельчайших частицах веществ?

1. в средневековье

2. в древности

3. в античное время

4. в новое время

Вопрос 2. К какому времени атомистическая теория приобретает все большую популярность?

1. к началу XVIII в.

2. к началу XIX в.

3. к середине XIX в.

4. к концу XVIII в.

Вопрос 3. В каком году Д.И. Менделеев разработал периодическую систему элементов?

1. 1867 г.

2. 1868 г.

3. 1869 г.

4. 1870 г.