Бөлінбейтін бөлшектің» күрделі екендігі туралы Томсон мен Резерфордтың ұсыныстары. Қай ұсыныс шындыққа жанасады? 3 страница

7.10 - сурет
Бүгiнгi күнге дейiнгi белгiлi радиоактивтi ядролардың жартылайыдырау периоды 3•10-7 с-тан 5•1015 жылға дейiнгi аралықтағы мәнге ие.
Радиоактивтi заттың активтiлiгi деп бiрлiк уақыт аралығында болатын ыдыраудың санын айтады, яғни
Бұл жерден активтiлiктiң радиоактитi ядролардың санына пропорционал, ал жартылайыдраудың периодына керi пропорционал екенi көрiнiп тұр.
Активтiлiктiң халықаралық бiрлiктер жүйесiндегi бiрлiгi беккерель (Бк). Беккерель деп 1 с iшiнде бiр ыдырау жасайтын радиоактивтi заттың активтiлiгi алынған. Нақтылы өмiрде активтiлiктiң кюри (Ки) деп аталатын бiрлiгi жиi қолданылады. Кюри ретiнде 1 с аралығында 3,7•1010 ыдырау жасайтын радиоакивтi заттың активтiлiгi алынған.
§ 7.9 Атом ядросының құрылысы. Атом ядроларының байланыс энергиясы
Кез-келген химиялық элементтiң атомының ядросы оң зарядталған протоннан және заряды жоқ нейтроннан тұрады. Протонның заряды абсолют шамасы жағынан электронның зарядына тең. Протон мен нейтрон нуклон деп аталатын ядролық бөлшектiң әртүрлi зарядтық күйi болып табылады. Ядродағы протондардың саны Z, Менделеевтiң периодтық жүйесiндегi химиялық элементтiң атомдық нөмiрiмен сәйкес. Ядродағы нейтрондадың саны N деп белгiленедi. 11Н және 32Не ядроларынан басқа барлық ядролар үшiн N≥Z. Менделеевтың периодтық таблицасының бiрiншi жартысында тұрған жеңiл элементтер үшiн N≈Z, ал екiншi жартысындағы элементтерде нейтронның саны артықтау N≈1,6•Z.
Ядроның массалық саны деп A=N+Z болатын нуклондардың жалпы санын айтады. Ядроны әдетте мынадай символмен белгiлейдi. Зарядтарының саны бiрдей, ал массалық саны әртұрлi ядроларды изотоптар деп атайды. Изотоптардағы протонның саны бiрдей болады да, нейтронның саны әртүрлi болады. Мысалы сутегiнiң изотоптары:, (немесе -дейтерий), (немесе - тритий); гелийдiң изотоптары:,; уранның изотоптары:,. Бүгiнгi күнi барлық химиялық элементтердiң үшжүзге жақын орнықты, ал екi мыңға жақын орнықсыз (радиоактивтi) изотоптары белгiлi.
Электронның массасы протонның массасынан 1836 есе кiшi болғандықтан ядроның массасы атомның массасымен бiрдей десе де болады. Элементар бөлшектердiң массасын әдетте массаның атомдық бiрлiгi (м.а.б) деп аталатын жүйеден тыс бiрлiкпен өлшейдi. 1 м.а.б. ретiнде сутегiнiң изотопының массасының 1/12 бөлiгi алынған.
Ядро сонымен қатар өзiндiк қозғалыс мөлшерi моментiмен - спинiмен сипатталады. Ядроның спинi нуклондардың спиндерi арқылы анықталады. Әрбiр нуклонның спинi ħ/2-ге тең. Жұп нуклоннан тұратын ядроның спинi (ħ бiрлiгiнде) бүтiн санға немесе нөлге тең. Ал тақ нуклоннан тұратын ядроның спинi (ħ бiрлiгiнде) жартылай бүтiн санға тең.
Атом ядросы алып тұрған көлемнiң айқын шекарасы жоқ. Бұл нуклондардың толқындық қасиетiмен байланысты. Сондықтан ядроның өлшемдерiн шартты түрде анықтайды. Ядроның көлемi нуклонның сандарына пропорционал. Сондықтан ядроны радиусы R-ға тең сфера деп есептеп, оның радиусын әдетте мынадай эмпириялық өрнекпен анықтайды
R=R0A1/3 мұндағы R0 =(1,3 - 1,7)•10-15 м
Ядроның өлшемдерi өте аз болғандықтан ондағы протондардың кулондық тебiлу күшi өте үлкен болады. Мысалы құрамында 82 протоны бар қоғасынның ядросындағы протондардың тебiлу күшi бiрнеше мың ньтонға жетедi. Бiрақ ядро бұл тебiлу күшiнiң салдарынан бөлшектенiп кетпейдi. Бұл протондар мен нетрондардың арасында кулондық күштен де күштi тартылу күшiнiң бар екенiн көрсетедi. Бұл күштердi ядролық күштер деп, ал бұл күштердiң арқасында әсерлесудi пәрмендi әсерлесу деп атайды. Протон мен нейтронның пәрмендi әсерлесу тұрғысынан алғанда ешқандай айырмашылығы жоқ сондықтан оларды ядролық физикада нуклон деген бiр бөлшек ретiнде қарастырады.
Ядролық күштер өте аз аралықта әсер ететiн күштер болып табылады. Ол 10-15 м-ге дейiнгi аралықта әсер етедi де одан тысқары жерде өте тез кемiп кетедi.
Масс-спектрограф деп аталатын құралдардың көмегiмен ядроның массасын өлшеу кез-келген Z протоннан және N нейтроннан тұратын ядроның массасы бос жүрген Z протон мен N нейтронның массаларының қосындысынан аз екенiн көрсеттi. Ал масса мен энергия арасындағы байланысты ескерсек бос протондар мен нейтрондардың энергияларының қосындысы олардан құралған ядроның энергиясынан артық екенi шығады. Олай болса, ядроны оны құрайтын бөлшектерге ажырату үшiн осы энергиялардың айырымына тең энергия жұмсау керек. Мұндай энергияны DЕбай ядроның байланыс энергиясы деп атайды.
ΔEбай =Zmp c2 +Nmn c2 -mя с2 =Δmc2
мұндағы Δm=Zmp+Nmn-mя массалар ақауы деп аталады. Ядродағы бiр нуклонға келетiн орташа байланыс энергиясын Δεбай деп белгiлеп, ядроның меншiктi байланыс энергиясы деп атайды.
Резерфорд тәжiрибелерiнен атомның өлшемдерi өте кiшi ядродан және оны қоршаған электрондық бұлттан тұратыны анықталды. Ендi физиктердiң алдында жаңа физикалық нысанды, атом ядросының құрылымы мен қасетiн зертеу мәселесi туды. Атом ядросының негiзгi сипаттамасының бiрi оның заряды. Ядроның зарядын өлшеу оның мәнi элементар зарядты сәйкес химиялық элементтiң реттiк номерiне көбейткенге тең екенiн, яғни q=Ze екенiн көрсеттi.
§ 7.10 Уран ядросының бөлiнуi. Ядролық реакцияда энергияның бөлiнуi
Бөлшектердiң атом ядросымен әсерлесуiнiң нәтижесiнде оны басқа ядро мен бөлшекке өзгертуi ядролық реакция деп аталады. Ядролық реакцияны символдық түрде былайша жазады A+a->B+b немесе A(a,b)B. Ядролық реакция кейбiр жағдайда бiрмәндi болып өтпейдi, яғни A+a->B+b схемасымен қатар A+a->C+c схемасы да жүзеге асуы мүмкiн. Реакцияның мүмкiн болатын жолдары оның каналдары деп аталады.
Ядролық реакция кезiнде толық заряд және нуклондар саны сақталады. Сонымен қатар бұл кезде энергияның, импульстiң және импульс моментiнiң сақталу заңы орындалады.
Ядролық реакциялар энергия бөлiне немесе жұтыла отырып өтуi мүмкiн. Бұл жағдайлардың қайсысының жүзеге асатынын реакцияға түсетiн және реакциядан шығатын бөлшектердiң массаларының айырымын бiле отырып өө өрнегiнен есептеп табуға болады.
Әртүрлi ядролық реакциялардың iшiнде кейбiр ауыр ядролардың бөлiну реакциясының маңызы ерекше. Ауыр ядролар ондағы нейтронның ара салмағы үлкен болғандықтан орнықсыз болып келедi. Бұл ауыр ядролардың меншiктi байланыс энергиясының орташа ядролармен салыстырғанда аз болатынан көрiнiп түр. Сондықтан мұндай ядроларға тағы бiр нейтрон келiп қосылса ол бөлшектенiп кетедi. Осының бiр мысалы, уран ядросының нейтрондармен атқылаған кезде бөлiну реакциясы алғаш рет 1939 жылы ашылған болатын. Бастапқы ядрода нейтрондар артық болғандықтан реакция кезiнде бөлшектенген ядролармен қатар бiрнеше нейтрон да ұшып шығады. Мысалы уран бөлшектенген кезде бiр бөлшектену актiсiнде 2-3 нейтрон бөлiнедi. Егер дұрыс жағдай болса бұл нейтрондар уранның басқа ядроларына барып түсiп, оларды бөлшектейдi. Сөйтiп бұл үрдiс тасқынды түрде күрт өседi. Бұлай жалғасқан реакцияны тiзбектi реакция деп атайды.
Тiзбектi реакцияны нақтылы жүзеге асыру оңай шаруа емес. Уранның бөлшектенуi кезiнде бөлiнетiн нейтрондар тек уранның 235 изотопын ғана бөлшектей алады. Оның энергиясы 238 изотопты бөлшектеуге жеткiлiксiз. Ал табиғи уранда 238 уранның үлесi 99,3% те 235 уранның үлесi бар болғаны 0,7%. Сондықтан бiрiншiден тiзбектi реакцияны жүзеге асыру үшiн 235 уранды таза түрде бөлiп алу қажет. Екiншiден оның мөлшерi жеткiлiктi болуы тиiс, себебi оның мөлшерi аз болса реакция кезiнде туындылайтын нейтрондар уран ядроларына жолықпай тысқары шығып кетедi. Тiзбектi реакция басталатын ең аз массасын критикалық масса деп атайды. Мысалы 235 уран үшiн оның мәнi бiрнеше ондаған килограмм. Тiзбектi реакция кезiнде орасан көп энергия бөлiнедi. Уранның температурасы миллиондаған градусқа көтерiлiп, пайда болған от шар маңындағының бәрiн күйдiрiп, қиратады.
Уранның бiр ядросы бөлшектенген кезiнде 200 МэВ-қа жуық энергия бөлiнедi. Оның 165 МэВ-қа жуығы реакциядан шығатын бөлшектердiң кинетикалық энергиясы түрiнде болады да қалғаны таза гамма-кванттардың энергиясы болады. Осы энергияны бiле отырып 1 кг уран бөлшектенгенде бөлiнетiн энергияны есептеп табуға болады, ол 80 миллиард джоулға тең. Ол 1 кг көмiр немесе мұнай жаққан кезде бөлiнетiн энергиядан бiрнеше миллион есе артық. Сондықтан ядролық энергияны пайдалану өте тиiмдi.
§ 7.11 Ядролық реактор. Термоядролық реакциялар
Ядролық жарылыстың энергиясын бейбiт мақсатта қолдану мүмкiн емес. Сондықтан ядролық реакция кезiнде бөлiнетiн энергияны пайдалана алу үшiн тiзбектi реакцияны еркiмiзше басқара алатындай болуымыз қажет. Мұндай басқарылатын тiзбектi реакцияны ядролық реакторлар немесе атомдық қазандықтар деп аталатын қондырғыда жүзеге асырады. Ядролық реактордың жұмыс iстеу принципiн мына жерден қарап көруге болады. Реактордың негiзгi элементтерi: ядролық отын, нейтрондарды шағылдырғыш және баяулатқыш, реакторда бөлiнетiн жылуды тасымалдағыш, тiзбектi реакцияның жылдамдығын реттегiш. Реакторлар шабан және шапшаң нейтрондармен жұмыс iстейтiн реакторлар болып бөлiнедi. Алғашқы жасалған реактор шабан нейтрондарды қолданатын реактор. Уран ядросы бөлшектенгенде бөлiнетiн нейтрондардың энергиясы шамамен 1-2 МэВ. Сәйкес олардың жылдамдықтары 107 м/с, сондықтан оларды шапшаң нейтрондар деп атайды. Мұндай энергиядағы нейтрондар 235U және 238U ядроларымен бiрдей қарқындылықпен әсерлеседi. Ал табиғи уранда 235U уранның ара салмағы аз болғандықтан нейтрондар негiзiнен 238U уранмен әсерлеседi де тiзбектi реакция жүзеге аспайды. Ал жылулық қозғалыстың жылдамдығындай (шамамен 2•103 мӨс) жылдамдықпен қозғалатын нейтрондар шабан немесе жылулық нейтрондар деп аталады. Жылулық нейтрондарды 235U ядросы шапшаң нейтрондарға қарағанда 500 есе қарқындырақ жұтады. Сондықтан табиғи уранды шабан нейтрондармен сәулелендiргенде оның көп бөлiгi 238U ядросымен емес 235U ядросына жұтылады. Сондықтан тiзбектi реакцияны жүзеге асыру үшiн нейтрондарды баяулату қажет.
Реактордағы нейтрондардың жылдамдығын төмендету үшiн баяулатқыштар деп аталатын заттар қолданылады. Нейтрондарды қарқынды баяулату үшiн баяулатқыштың атомының массасы нейтрон массасымен шамалас болуы керек. Әдетте баяулатқыш ретiнде кәдiмгi немесе ауыр суды және графиттi пайдаланады.
Тiзбектi реакция өтiп жатқан кеңiстiктi активтi аймақ деп атайды. Активтi аймақтан нейтрондардың шығып кетпеуiн қамтамасыз ету үшiн оны нейтрон шағылдырғыштармен қаптайды. Берилий жақсы нейтрон шағылдырғыш болып табылады.
Реакторды басқару арнайы жасалған басқару бiлiктерi арқылы жүзеге асады. Басқару бiлiктерi жылулық нейтрондарды қарқынды жұтатын бор мен кадмийдiң қоспаларынан жасалады.
Егер ядролық отын ретiнде уранның 235U изотопымен едәуiр байытылған отын пайдаланылатын болса, реактор шапшаң нейтрондармен де жұмыс iстей алады. Бұл шапшаң нейтрондардың 238U ядросымен әсерлесуiнiң нәтижесiнде мынадай реакция тiзбегi жүзеге асады
Яғни уранның 238U изотопы шапшаң нейтрондарды жұтудың нәтижесiнде плутонийдiң 239Pu изотопына айналады. Ал бұл изотоп нейтрондармен әсерлесу тұрғысынан уранның 235U изотопына өте ұқсас. Сонымен шапшаң нейтрондарға арналған реактор тек 235U изотопымен тiзбектi реакцияны жүргiзiп қана қоймайды, сонымен қатар аса арзан және табиғатта кең тараған 238U изотопынан жаңа ядролық отын 239Pu алуға мүмкiндiк бередi.
Энергия тек ауыр ядролар бөлiнген кезде ғана емес, сонымен қатар аса жеңiл ядролар бiрiккен кезде де бөлiнедi. Бұлай болуының принципиальды мүмкiндiгi меншiктi байланыс энергиясының жеңiл ядролар үшiн артып, ауыр ядролар үшiн кемуiмен байланысады. Жеңiл ядролардың бiрiгiунiң (синтезiнiң) салдарынан энергияның бөлiнуiнiң мына жерде келтiрiлген. Бұл термоядролық реакцияның мысалы болып табылады.
§ 7.12 Радиоактивтi сәулелердiң биологиялық әсерi. Биологиялық қорғаныс
Радиоактивтi сәулелер өздерi түскен затқа, әсiресе тiрi тканьга өте күштi әсер етедi. Радиоактивтi сәулелердiң организмге әсерi оларда бос химиялық радикалдардың пайда болуымен және клеткадағы мутациямен байланысты. Ал бұл өте қатерлi. Ол сәуле ауруына немесе қатерлi iсiкке алып келуi мүмкiн. Иондаушы сәулелердiң әсерi сәулелену дозасы деп аталатын ерекше шамамен бағаланады.
Сәулелену дозасы D деп сәулелену энергиясының сәулеленген дененiң массасына қатынасын айтады. Доза бiрлiгi ретiнде грей деп аталатын шама алынады. Грей деп массасы 1 кг денеге 1 Дж энергия түскен кезде, шамасы сол затқа жұтылған энергияға тең болатын шаманы айтады.
Жұтылған сәуле дозасының сәулелену уақытына қатынасын сәулелену дозасының қуаты деп атайды.
Иондаушы сәулелердiң кез-келген затқа әсерi бәрiнен бұрын атомдар мен молекулалардың иондалуымен анықталады. Сондықтан иондаушы сәулеленiң сандық өлшемi ретiнде экспозициялану дозасы деп аталатын шаманы алады. Ол иондаушы сәуленiң ауаға әсерiмен анықталады, яғни экспозициялану дозасы деп ауаны фотондармен сәулелендiру кезiнде құрғақ ауада туындылайтын бiртектi зарядтардың сол ауа массасына қатынасын айтады.
X=q/M
Күнi бүгiнге дейiн экспозициялау дозасының рентген деп аталатын жүйеден тыс бiрлiгi қолданылады. 1 Р = 2,58•10-4 Кл/кг
Жұтылған доза мөлшерi бiрдей болғанымен әртүрлi сәулелердiң биологиялық әсерi әртүрлi болады. Мысалы альфа-сәуленiң 1Гр-нiң тiрi организмге әсерi гамма-сәуленiң 20 Гр-нiң әсерiндей болады. Әртүрлi сәулелердiң әртүрлi биологиялық әсерi k - сапа коэффициентiмен сипатталады. Жұтылған дозаның сапа коэффициентiне көбейтiндiсi эквиваленттi доза Н деп аталады. H=D• k. Эквиваленттi дозаның өлшем бiрлiгi зиверт (Зв).
Жоғарыда айтқанымыздай радиоактивтi сәулелердiң тiрi организмге әсерi клеткадағы атомдар мен молекулаларды иондауымен байланысты. Бұл сәуленiң тiрi клеткаға әсерiнiң бiр қатерлi салдары осы клетканың бөлiну арқылы жаңа клетка пайда болу функциясының бұзылуы. Қатердiң кебiр белгiлерi сәулелене салысымен бiлiнсе, кейбiрi бiраз уақыттан соң ғана белгi бередi.Мысалы сәуле әсерiне ұшыраған адам лейкоздан орташа алғанда 10 жылдан кейiн қайтыс болады. Iсiк ауруына шалдығудың ықтималдылығы алған дозаның мөлшерiне пропорционал.
Иондаушы сәулелердiң биологиялық әсерi және олардың адам өмiрiне қауiпсiз дозасы жөнiндегi мәселе Жер бетiнде иондаушы радиацияның табиғи фонының болуымен байланысты. Бұл радиация Жер бетiнде саналы өмiр қалыптаспай тұрып та болған. Бүкiл өмiр эволюциясы осы табиғи радиация фонында қалыптасты. Сондықтар табиғи фон деңгейiндегi радиация адам өмiрiне ешқандай қауiп тудырмайды. Радиацияның табиғи фоны бiр жағынан Жер қыртысындағы радиоактивтi элементтердiң ыдырауымен екiншi жағынан ғарыштан келетiн сәулелермен байланысты. Сонымен қатар радиация деңгейiнiң артуына ядролық жарылыстардың да әсерi мол.
Кейбiр мамандық иелерi өз кәсiбiне байланысты табиғи фонға қосымша сәуле әсерiне ұшырайды. Олар, мысалы, рентгенолог-дәрiгерлер, атом станцияларының қызметкерлерi, ғарышкерлер, ғалым-физиктер т.с.с. Сондықтан, сәулеленудiң адам өмiрiне қауiпсiз деңгейiн анықтау қажет болатын. Оның мәнi бiр жыл үшiн 50 мЗв-ға тең.
§ 7.13 Элементар бөлшектер. Бөлшектер мен электромагниттiк сәулелердiң өзара түрленуi
Физиканың даму барысында элементар бөлшектер ұғымы бiраз өзгерiске ұшырады. Алғашқы кезде элементар деп iшкi құрылымы жоқ, басқа құрамдас бөлiктерге ыдырамайтын бөлшектердi түсiндi. Бүгiнгi күннiң түсiнiгi бойынша элементар бөлшектерден олардың iшкi құрылымының болмауы талап етiлмейдi. Элементар бөлшектер деп, физика ғылымының қазiргi даму дәрежесiнде бос күйiнде кездесетiн қарапайым бөлшектерден тұрады деп есептеуге болмайтын бөлшектердi айтады. Элементар бөлшектердi кейде субъядролық бөлшектер деп те атайды.
Қазiргi заманның элементар бөлшектер физикасы осы бөлшектердiң қасиеттерiн анықтайды, оларды классификациялайды, iргелi әсерлесудiң қасиеттерiн зерттейдi және осы әсердiң салдарынан олардың бiр бiрiне ауысуларын зерттейдi. Соңғы кездерi элементар бөлшектердiң iшкi құрылымдары да кеңiнен зерттелуде.Бұл бөлшектердiң көптеген ерекшелiктерi, соның iшiнде iшкi құрылымы тек жеткiлiктi жоғарғы энергияда ғана көрiнiс табады. Сондықтан элементар бөлшектер физикасын жоғарғы энергия физикасы деп те атайды.
Кейбiр элементар бөлшектер табиғатта бос немесе босаң байланысқан күйде кездеседi. Бiздi қоршаған дүние негiзiнен осы бөлшектерден құралған. Мұндай бөлшектердiң қатарына ядро құрамына кiретiн протондар және нейтрондар, атомның қабыршығын құрайтын электрондар, электромагниттiк өрiстiң кванттары болып табылатын фотондар (γ-кванттар) жатады. Сәл кейiнiрек ядроның β-ыдырауы кезiнде туатын νe нейтрино және антинейтрино, ядролық әсерлесудiң тасымалдаушылары болып табылатын пи-мезондар (π+, π0, π-) ашылды. Бұдан әрi осы бөлшектердiң антибөлшектерi ашылды
Уақыт өте келе элементар бөлшектердiң саны күрт өстi. Бүгiнгi күнде олардың жалпы саны антибөлшектерiн қоса есептегенде 350 ден асып түседi. Бiрақ олардың аса көп бөлiгi орнықсыз бөлшектер. Олар табиғатта бос күйiнде кездеспейдi. Оларды тек арнайы зертханаларда үлкен жылдамдықтағы орнықты бөлшектердi соқтығыстыру арқылы алады. Осылай туындылаған орнықсыз бөлшектер тез арада ыдырап кетедi де ақырында орнықты бөлшектер пайда болады.
Бөлшек пен антибөлшек кездесетiн болса жойылып, екi кейде үш фотонға айналады. Бұл құбылысты аннигиляция деп атайды. Мысалы электрон мен оның антибөлшегi позитрон кездескен кезде мынадай түрлену болады
Бұл үрдiс кезiнде электр зарядының, энергияның, импульстiң және импульс моментiнiң сақталу заңы орындалады. 1933 жылы Ф. и И.Жолио-Кюри керi процесс – атом ядросының маңындағы гамма кванттан электрон-позитронның тууын
байқады. Энергияның сақталу заңы бойынша мұндай гамма-кванттың энергиясы электрон мен позитронның тыныштық энергияларының қосындысынан артық болуы керек.
Антибөлшектерден атом құралуы мүмкiн. Мысалы антисутегiнiң атомында терiс зарядталған антипротонның маңында оң зардталған позитрон қозғалып жүредi.
Элементар бөлшектердiң кестесiнде өмiр сүру 10-20с-тан артық болатын элементар бөлшектер жөнiнде деректер келтiрiлген. Ол жердегi бөлшектер олардың массаларының өсу ретiмен келтiрiлген. Мұндағы жеңiл бөлшектер лептондар, ал одан ауырырақтары мезондар, ал ең ауырлары бариондар деп аталады. Мезондар мен бариондар адрондар деп аталатын топқа кiредi. Бұл кестедегi топтардың еш қайсысына кiрмейтiн фотон ерекше тұр.
Табиғаттағы барлық заттар, бөлшектер бiр-бiрiмен әсерлеседi. Бiр қарағанда осындай сан-алуан болып келетiн әсерлесулер негiзiнен iргелi әсерлесу теп аталатын төрт түрлi әсерлесудiң нақтылы жағдайда көрiнiс табуы болып табылады. Iргелi әсерлесуге гравитациялық, электромагниттiк, күштi және әлсiз әсерлесулер жатады.
Гравитациялық әсерлесу 1687 жылы И.Ньютон ашқан бүкiл әлемдiк тартылыс заңымен анықталады. Гравитацилық күштер кез-келген денелердiң арасында әсер етедi. Бiрақ массалары өте аз болғандықтан элементар бөлшектердiң арасында бұл күш ешқандай роль атқармайды. Бұл күш аспан механикасында, астрофизикада шешушi роль атқарады.
Кез-келген зарядталған дене немесе бөлшек электромагниттiк әсерлесуге қатысады. Атомдардың, молекулалардың кристаллдардың болуы газ, сұйық және қатты денелердiң қасиеттерi осы күштiң негiзiнде анықталады.
Күштi әсерлесу мезондар мен бариондарға, яғни адрондарға тән. Лептондар мен фотон күштi әсерлесуге қатыспайды. Ол қысқа аралықта ғана, шамамен 10-15м, әсер етедi. Бұл аралықтағы оның мәнi гравитациялық және электромагниттiк күштермен салыстырғанда өте үлкен.
Әлсiз әсерлесуге фотоннан басқа кез-келген бөлшек қатысады. Бұл күштердiң әсер ету аймағы 10-18м. Әлсiз әсерлесудiң мысалдары нейтронның, мюонның және зарядталған пиондардың төмендегi ыдыраулары
Қазiргi заман физикасының ең күштi теориялары кванттық механикада, кванттық электродинамика мен кванттық хромодинамикада бөлшектердiң өзара әсерлесуi олардың арасында болатын бөлшек алмасу арқылы түсiндiрiледi. Осы тұрғыдан алғанда электромагниттiк әсерлесу ол бөлшектер арасында фотонның алмасуы арқылы, ядролық күштер нуклонның арасында пи-мезондардың, ал жалпы күштi әсерлесу бұл өрiстiң кванттары глюондардың алмасуы, әлсiз әсерлесу өте ауыр бөлшектер W+, W- және Z0 векторлық мезондардың алмасуы арқылы түсiндiрiледi.
Ендi элементар бөлшектерге қысқаша шолу жасай кетелiк. Лептондар – жоғарыда айтқанымыздай, күштi әсерлесуге қатыспайтын бөлшектер. Олардың қатарына жататындар: электрон e-, электрон нейтриносы νe, мюон μ-, мюон нейтриносы νμ, таон τ- және таон нейтриносы ντ. Әрине барлық лептондардың антибөлшектерi бар. Нейтринолардың массасының неге тең екендiгi жөнiндегi мәселе бүгiнгi күнге дейiн шешiмiн тапқан жоқ.
Элементар бөлшектердiң ең көп тараған тобы адрондар. Адрондар барлық iргелi әсерлесулерге қатысады. Адронның протоннан басқасы орнықсыз. Олар белгiлi бiр уақыттан кейiн басқа бөлшектерге ыдырап кетедi. Олардың жартылай ыдыру периоды 10-20 – 10-24 с аралығында болады. Бұл бөлшектердi резонанстар деп атайды. Спинiнiң мәнiне байланысты адрондар спинi нөлге тең болатын мезондар және спинi 1/2 болатын бариондар болып бөлiнедi.
Энергиясы ондаған гигаэлектронвольт болатын электрондардың протоннан және нейтроннан шашырауын зерттеу бұл бөлшектердiң iшкi құрылымы бар екенiне нұсқайды. Жалпы адрондардың қандай да бiр iргелi бөлшектен құралғаны жөнiнде бiрнеше теория ұсынылған болатын. Соның ең жемiстiсi кварктар теориясы болды.
Кварктар деп нағыз элементар бөлшектердi айтады. Барлық адрондар, яғни мезондар, бариондар және резонанстар осы кварктардан тұрады. Бүгiнгi күнде алты кварк бар деп есептелiнедi. Олады сәйкес латынның u, d, s, c, b, t әрiптерiмен белгiлейдi. Бұл кварктардың қасиеттерi және олардан адрондардың қалай құралатыны төмендегi кестелерде келтiрiлген.
Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой. Открытие позитрона, частицы действительно симметричной электрону, заставило по-новому оценить теорию Дирака, которая по существу предсказывала существование позитрона и других античастиц.
На Ленинградской конференции 1933 года Дирак следующим образом излагал сущность теории позитрона: «Допустим, что в том мире, который мы знаем, почти все электронные состояния с отрицательной энергией заняты электронами. Эта совокупность электронов, сидящих на отрицательных уровнях энергии, вследствие своей однородности не может восприниматься нашими чувствами и измерительными приборами, и только лишь не занятые электронами уровни, являясь чем-то исключительным, каким-то нарушением однородности, могут быть замечены нами совершенно таким же образом, как мы замечаем занятые состояния электронов с положительными энергиями. Незанятые состояния с отрицательной энергией, т. е. «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией будет восприниматься нами как частица с положительной энергией; ведь отсутствие отрицательной кинетической энергии равносильно присутствию положительной кинетической энергии, так как минус на минус дает плюс... Представляется разумным отождествить такую «дырку» с позитроном, т. е. утверждать, что позитрон есть «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией».
«Согласно теории Дирака, — писал Ф. Жолио, — положительный электрон при столкновении со свободным или слабо связанным отрицательным электроном может исчезать, образуя два фотона, испускаемых в противоположных направлениях».
Существует и обратный процесс — «материализация» фотонов, когда «фотоны с достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми ядрами могут создавать положительные электроны... Фотон, взаимодействуя с ядром, может создать два электрона с противоположными зарядами».
Выведенное английским ученым и опубликованное в 1928 году уравнение называется теперь уравнением Дирака. Оно позволило достичь согласия с экспериментальными данными. В частности, спин, бывший ранее гипотезой, подтверждался уравнением Дирака. Это было триумфом его теории. Кроме того, уравнение Дирака позволило предсказать магнитные свойства электрона (магнитный момент).
Дираку же принадлежит теоретическое предсказание возможности рождения электрон-антиэлектронной пары из фотона достаточно большой энергии. Предсказанный Дираком антиэлектрон был открыт в 1932 году Карлом Д. Андерсеном и был назван позитроном. Позднее подтвердилось и предположение Дирака о возможности рождения пары. Впоследствии Дирак выдвинул гипотезу о том, что и другие частицы, такие, как протон, также должны иметь свои аналоги из антиматерии, но для описания таких пар частиц и античастиц потребовалась бы более сложная теория. Существование антипротона было подтверждено экспериментально в 1955 году Оуэном Чемберленом. В настоящее время известны и многие другие античастицы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: