Ядерна фізика. Частина 1. Побачити невидиме.

Зареєструвавшись на сайті “Моя наука”, я захотів займатися висвітленням не актуальних новин зі світу науки, а на більш буденних речей. Вони буденні для спеціалістів, але напевно комусь ще невідомі але, маю надію, цікаві.

У цій статті я хочу поговорити про той розділ фізики, який у ЗМІ зазвичай представляють найбільш емоційно — ядерну фізику. Я намагатимуся просто та зрозуміло пояснювати основи предмету, керуючись тими питаннями, які часто чув від людей не фізиків, починаючи зі студентського віку. Частіше за все я чув питання на кшталт “а звідки фізики це знають?”. Тому часто опис багатьох явищ буде починатися з їхнього відкриття.

Альфа-, бета- і гамма-випромінення

Мабуть, найчастіше фізики чують питання про те, звідки відомо про мікроскопічні частинки, якщо їх не видно, а кольору чи запаху вони не мають.

Отже, почнемо розповідь з того, які видимі явища є індикатором їх присутності. Хоча частинки невидимі, але летячи з великою швидкістю, вони здатні змінювати структуру матеріалу, до якого потрапляють. Такі процеси називаються іонізацією, і саме тому люди використовують вираз “іонізуюче випромінення”. Детальніше про нього буде далі, а зараз слід тільки зазначити, що макроскопічних наслідків у цього явища може бути багато. Матеріал може почати світитися, може змінитися його провідність, відбуватимуться якісь хімічні реакції, тощо.

Першим детектором іонізуючого випромінення був фотографічний папір. Випадково! Просто в одній шухляді стола разом з нерозпакованою пачкою паперу лежав зразок одного незвичайного мінералу, який дивним чином засвітив цей папір крізь упаковку. Це відбулося на початку минулого сторіччя. З того мінералу виділили хімічний елемент, який назвали радієм (в перекладі з грецької – “промінь”). Пізніше виявилося, що він не один такий, а є цілий клас хімічних елементів, які тепер називаються радіоактивними.

Цікаво теж, звідки дізналися про те, що це випромінювання складається з частинок. Адже фотопапір після проявки просто почорнів. Але коли використали фотоемульсію, що світилася безпосередньо під час опромінення, побачили не суцільне сяйво, а поодинокі спалахи. Це свідчило про дискретну структуру відкритих променів. На разі існує цілий клас різноманітних детекторів, принцип дії яких полягає в реєстрації таких світлових спалахів — сцинтиляційні.

Також виявилося, що іонізуюче випромінювання буває різне. Спостерігаючи його розповсюдження в електричному полі побачили, що є складові, які відхиляються в різних напрямках, бо мають різний заряд. Частинки з додатнім зарядом назвали першою грецькою літерою “альфа”, від’ємно заряджені назвали “бета”(згодом вияснилося, що це є вже знайомі на той час фізикам електрони). Але частина випромінення не реагувала на електричне поле. Цю нейтральну складову назвали “гамма”, про його структуру ми поговоримо пізніше.

Як знайшли ядро

А тепер варто розповісти про те, як собі уявляли будову атома на початку 20-го століття, оскільки це важливо для розуміння наступного кроку фізики. На той час було достовірно встановлено існування електронів — носіїв від’ємного заряду. Також було зрозуміло, що атом в цілому є нейтральним, хоча містить у собі ці електрони. Популярною моделлю на той час було представлення атому у вигляді додатньо зарядженого “пудингу”, в якому знаходилися “родзинки”-електрони. Процес іонізації, про який ішлося трохи раніше, власне полягає в тому, що від атомів відриваються електрони, які можуть потім змінити своє місце розташування.

Але була ще інша модель будови атома — планетарна, згідно з якою додатній заряд є скупчений у центрі атома, а навколо нього досить розпорошено розташовані електрони. Явище іонізації є можливим в обох моделях, але щодо взаємодії поодиноких атомів із зарядженими частинками — передбачення зовсім різні. Сама по собі планетарна модель атома на той час вважалася дуже сміливою гіпотезою, але вона була цікава для фізиків тому, що в її рамах опис розсіяння заряджених частинок на атомі порівняно простий з математичної точки зору. Якщо припустити, що додатній заряд і масу в атомі скупчено в одній точці, та знехтувати впливом електронів, то користуючись знаннями механіки, що вже були, можна отримати досить просту формулу для співвідношення кількостей частинок, що розсіюються під різними кутами.

Резерфорд, фізик що вивів цю формулу, поставив експеримент: золоту фольгу опромінив альфа-частинками з радієвого джерела. Фольга — золота, оскільки золото є дуже пластичним металом, і з нього ще тоді могли виготовити дуже тонку фольгу. Звичайно, там був не один шар атомів, але їх кількість була достатньо малою, щоб у випадку правдивості припущення не вплинути суттєво на результат. Розсіяні частинки реєстрували за допомогою вищезгаданої фотоемульсії. В результаті вимірювань Резерфорд підтвердив планетарну модель атома, отримавши таке співвідношення кількостей частинок, зареєстрованих під різними кутами, яке розрахував за формулою, що зараз називається його іменем.

Після цього експерименту у фізиці виникло поняття атомного ядра — того центру в атомі, в якому скупчено додатній заряд та масу атома. Подальший розвиток експериментальної техніки дозволив дослідити його внутрішню структуру і використати це знання в різних сферах людської діяльності. Але це буде описано в наступних частинах.

Наступна частина