Существенно новый этап в развитии наших представлений об атомных ядрах и элементарных частицах начался с постройкой гигантских ускорителей заряженных частиц — фазотронов (синхроциклотронов) и синхрофазотронов. Первый из них был построен в 1947 г. в г. Беркли в США. Второй, более мощный, ускоритель был построен в СССР в г. Дубна в 1949 г.; он ускоряет протоны до энергии около 700 Мэв (мегаэлектронвольт). Сейчас там работает другой ускоритель, дающий протоны с энергией 10 000 Мэв.

В Швейцарии, близ Женевы, пущен синхротрон Европейского совета по ядерным исследованиям, ускоряющий протоны до 25 000—30 000 Мэе. Ускорители такого типа — гигантские сооружения, свидетельствующие о высоком уровне современной техники.

Протоны и другие частицы очень высоких энергий позволили не только открыть новые ядерные реакции, но и проникнуть еще глубже в тайны ядра. Установлено, что в результате ядерных реакций с частицами больших энергий из ядер (или нуклонов) вылетают новые элементарные частицы. Первая из них была открыта в 1948 г. в реакциях с альфа-частицами, ускоренными до 380 Мэв. Она имела массу, равную 273 электронным массам, и получила название пи-мезон, что в переводе на русский язык означает «средний». Действительно, масса пи-мезона занимает промежуточное положение между массами электрона и протона. Следует отметить, что пи-мезоны были обнаружены еще в 1937 г. в космических лучах.

По мере увеличения энергии бомбардирующих частиц открываются все новые и новые частицы. Сейчас известно около 30 частиц (табл. 3). Их можно разделить на пять групп: гипероны, нуклоны, мезоны, лептоны и фотон.

Время жизни многих частиц очень мало; для гиперонов оно составляет, например, всего лишь 10^-10 сек.

Одним из крупнейших событий последних лет в области элементарных частиц явилось открытие античастиц. Сразу же после открытия позитрона — «антиэлектрона» — была высказана мысль, что в природе наблюдается симметрия между заряженными частицами, т. е. у каждой частицы есть античастица с противоположным знаком заряда или магнитного момента. Теоретически было рассчитано, что для рождения пары протон— антипротон нужна энергия, большая чем 2 т_р^С2 = 2 · 10⁹ эв. Экспериментально эта идея была доказана только в 1955 г., когда американские физики во главе с Э. Сегре при бомбардировке меди протонами с энергией больше 6000 Мэв обнаружили антипротон. Число открываемых античастиц увеличивается с каждым годом.

В марте 1960 г. на синхрофазотроне в 10 000 Мэв в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна) коллектив русских, китайских, румынских, польских, вьетнамских, корейских и чехословацких ученых открыл новую ядерную частицу — антисигму-минус гиперон. Ее существование предсказывалось физиками-теоретиками еще несколько лет назад. Однако открытие затруднялось тем, что этот антигиперон образуется с очень малой вероятностью. Ученым пришлось тщательно проанализировать 40 000 фотоснимков следов частиц, полученных с помощью специальной установки— пропановой пузырьковой камеры.

Примечание. Знак ~ означает античастицу. В третьей графе слева от кружочков приведена величина массы элементарных частиц, выраженная в электронных массах.

Одно из самых важных свойств элементарных частиц— их взаимопревращаемость. Сразу же после открытия позитрона была обнаружена его способность аннигилировать[1], т. е. взаимодействовать с электроном с образованием двух гамма-квантов по реакции е⁺ — e^- → _← 2y-кванта. Известен и обратный процесс: возникновение при столкновении двух гамма-квантов — позитрона и электрона. Этот факт явился первым убедительным доказательством взаимопревращаемости элементарных частиц.

Протон и нейтрон также взаимопревращаемые частицы п ^→_← p + e‾ Нейтрон может существовать длительное время только в ядре. Период полураспада свободного нейтрона равен 12 мин. Испытывают превращение и другие частицы и античастицы. Например, на рис. 5 изображены схемы распада некоторых гиперонов на мезоны и нуклоны.

Число элементарных частиц возрастает с каждым годом. Поэтому в физике в настоящее время создается такое же положение, какое было в химии до создания периодической системы химических элементов. Среди физиков все сильнее проявляется стремление к систематизации элементарных частиц и к сведению их числа к минимуму. Делаются попытки отыскать ту «первоматерию», из которой построены все частицы. Высказываются предположения, что некоторые из них являются самостоятельными частицами только в возбужденном состоянии или представляют собой комбинации других частиц.

Изучение процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами привело к выявлению структуры нуклонов — протонов и нейтронов. В опытах по рассеянию быстрых электронов ядрами водорода и дейтерия получено, что нуклон состоит из плотной «сердцевины» диаметром 2  · 10^-14 см и двух концентрических мезонных оболочек (рис. 6). Оказалось также, что у протона сердцевина содержит 12 % полного заряда, внутренняя оболочка — 60 % и внешняя — 28 %. Такая структура нуклонов свидетельствует о том, что их взаимодействие в ядре может осуществляться путем обмена мезонами. Один нуклон испускает мезон, другой поглощает его. Взаимодействиями подобного рода, по-видимому, и обусловлены ядерные силы.

Рис. 5. Схемы распада некоторых гиперонов. На фотографии, полученной в камере Вильсона, запечатлен распад ламбда-нуль-частицы на протон и пи-минус мезон.

Рис. 6. Структура нуклона: 1 — «сердцевина» нуклона; 2 — оболочка из мезонов.

Под ядерными реакциями понимается взаимодействие различных частиц (нейтронов—_оn¹, протонов — р, дейтронов — d, α-частиц, многозарядных ионов, γ-квантов и мезонов) с ядрами химических элементов, что приводит к изменению заряда или массового числа последних. В настоящее время изучено уже более тысячи различных ядерных реакций. Основные их характеристики — порог и сечение реакции.

Рис. 7. Зависимость потенциальной энергии ядра (U) от расстояния между ним и заряженной частицей (R). Стрелкой указано проникновение заряженной частицы с энергией Е, меньшей высоты потенциального барьера.

Чтобы вызвать ядерные превращения, бомбардирующая частица должна прежде всего проникнуть в ядро мишени, преодолев потенциальный барьер, т. е. область с повышенной потенциальной энергией, которая разделяет области с более низкими энергиями. В ядре (рис. 7) потенциальный барьер образуется в результате наложения ядерных сил (выраженных участком MKDC) и кулоновского отталкивания (участок АВ). Высота этого участка, называемого кулоновским барьером, зависит от массового числа атома и природы бомбардирующих частиц. Она может быть определена по формулам: