Частицы в составе атомного ядра состоят из еще более фундаментальных частиц — кварков.

На протяжении двух последних веков ученые, интересующиеся строением Вселенной, искали базовые строительные блоки, из которых состоит материя, — самые простые и неделимые составляющие материального мира. Атомная теория объяснила всё многообразие химических веществ, постулировав существование ограниченного набора атомов так называемых химических элементов, объяснив природу всех остальных веществ через различные их сочетания. Таким образом, от сложности и многообразия на внешнем уровне ученым удалось перейти к простоте и упорядоченности на элементарном уровне.

Но простая картина атомного строения вещества вскоре столкнулась с серьезными проблемами. Прежде всего, по мере открытия всё новых и новых химических элементов стали обнаруживаться странные закономерности в их поведении, которые, правда, удалось прояснить благодаря вводу в научный обиход периодической системы Менделеева . Однако представления о строении материи всё равно сильно усложнились.

В начале XX столетия стало ясно, что атомы отнюдь не являются элементарными «кирпичиками» материи, а сами имеют сложную структуру и состоят из еще более элементарных частиц — нейтронов и протонов, образующих атомные ядра, и электронов, которые эти ядра окружают. И снова усложненность на одном уровне, казалось бы, сменила простота на следующем уровне детализации строения вещества. Однако и эта кажущаяся простота продержалась недолго, поскольку ученые стали открывать всё новые и новые элементарные частицы . Труднее всего было разобраться с многочисленными адронами — тяжелыми частицами, родственными нейтрону и протону, которые, как оказалось, во множестве рождаются и тут же распадаются в процессе различных ядерных процессов.

Более того, в поведении различных адронов были обнаружены необъяснимые закономерности — и из них у физиков стало складываться некое подобие периодической таблицы. Использовав математический аппарат так называемой теории групп , физикам удалось объединить адроны в группы по восемь — два типа частиц в центре и шесть в вершинах правильного шестиугольника. При этом частицы из каждой восьмеричной группы, располагающиеся на одном и том же месте в таком графическом представлении, обладают рядом общих свойств, подобно тому как схожие свойства демонстрируют химические элементы из одного столбца таблицы Менделеева, а частицы, расположенные по горизонтальным линиям в каждом шестиугольнике, обладают приблизительно равной массой, но отличаются электрическими зарядами (см. рисунок). Такая классификация получила название восьмеричный путь (в честь одноименной доктрины в буддистской теологии). В начале 1960-х годов теоретики поняли, что такую закономерность можно объяснить лишь тем, что элементарные частицы на самом деле таковыми не являются, а сами состоят из еще более фундаментальных структурных единиц.

Эти структурные единицы назвали кварками (слово позаимствовано из замысловатого романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»). Эти новые обитатели микромира оказались существами весьма странными. Для начала, они обладают дробным электрическим зарядом: 1/3 или 2/3 заряда электрона или протона (см. таблицу). А далее, по мере развития теории, выяснилось, что отдельно их не увидишь, поскольку они вообще не могут пребывать в свободном, не связанном друг с другом внутри элементарных частиц состоянии, и о самом факте их существования можно судить только по свойствам, проявляемым адронами, в состав которых они входят. Чтобы лучше понять этот феномен, получивший название пленение или заточение кварков , представьте, что у вас в руках длинный эластичный шнур, каждый конец которого представляет собой кварк. Если приложить к такой системе достаточно энергии — растянуть и порвать шнур, то он порвется где-то посередине, и свободного конца вы не получите, а получите два резиновых шнура покороче, и у каждого из них опять окажется два конца. То же и с кварками: какими бы энергиями мы ни воздействовали на элементарные частицы, стремясь «выбить» из них кварки, нам этого не удастся — частицы будут распадаться на другие частицы, сливаться, перестраиваться, но свободных кварков мы не получим.

Сегодня, согласно теории, предсказывается существование шести разновидностей кварков, и в лабораториях уже открыты элементарные частицы, содержащие все шесть типов. Самые распространенные кварки — верхний , или протонный (обозначается u — от английского up , или p — proton ) и нижний , или нейтронный (обозначается d — от down , или n — от neutron ), поскольку именно из них состоят единственные по-настоящему долгоживущие адроны — протон (uud ) и нейтрон (udd ). Следующий дублет включает странные кварки s (strange ) и очарованные кварки с (charmed ). Наконец, последний дублет состоит из красивых и истинных кварков — b (от beauty , или bottom ) и t (от truth , или top ). Каждый из шести кварков, помимо электрического заряда, характеризуется изотопическим (условно направленным) спином . Наконец, каждый из кварков может принимать три значения квантового числа, которое называется его цветом (color ) и обладает ароматом (flavor ). Конечно же, кварки не пахнут и не имеют цвета в традиционном понимании, просто такое название сложилось исторически для обозначения их определенных свойств (см. Квантовая хромодинамика).

Стандартная модель останавливается на уровне кварков в детализации строения материи, из которой состоит наша Вселенная; кварки — самое фундаментальное и элементарное в ее структуре. Однако некоторые физики-теоретики полагают, что «луковицу можно лущить и дальше», но это уже чисто умозрительные построения. По моему личному мнению, Стандартная модель правильно описывает строение вещества, и хотя бы в этом направлении наука дошла до логического завершения процесса познания.

Тест достижений по теме «Изменения в составе ядер атомов химических элементов. Изотопы».

	Коррекция.
1.Изотопы – это разновидности………. Одного и того же …….., имеющие одинаковое…….., но разное……………..	Стр. учебника 26.
2.Химический элемент – это…………..
3.Сравните состав изотопов 1Н и 2Н	Стр.26. Сравнить состав изотопов 39К 40К.
4.Что произойдет если в ядро атома О добавить 1 протон?	Стр. 25 со слов «Если изменить число протонов..»
5.Что произойдет, если изменить число нейтронов в атоме?
6.Как определяется относительная атомная масса элементов?	Стр. 26. со слов «Обычно приводимая..»
7.Почему относительная атомная масса выражается дробным числом?
8.Что можно сказать о свойствах изотопов 35Сl 37Сl
9. .Что можно сказать о свойствах изотопов 1Н 2Н 3Н?
10Почему проявляют разные свойства изотопы 40Ar 40K?

Пользуясь названиями элементарных частиц, дайте другое понятие изотопы.

Тест достижений по теме «Строение атома». 8 класс .

	Коррекция.
1.Что такое атом?
2.Кратко изложите строение атома.	Стр.23 со слов «Атом имеет сложное строение…»
3. Дайте характеристику протонов.
4. Дайте характеристику нейтронов.
5. Дайте характеристику электронов.
6. Определите заряд ядра атома кислорода.	Стр.24. «Поскольку атом…»
7. Определите число протонов в ядре атома серы.	Стр. 24. Определите число протонов в ядре атома кислорода.
8. Определите число нейтронов в атоме азота .	Стр.24. Со слов «Как вам известно…»
9. Определите число электронов в атоме серы.	Стр.24. Со слов «Поскольку атом…»
10. Охарактеризуйте строение атомов серы, кислорода, фосфора.	Параграф 24, Охарактеризуйте строение атомов водорода , углерода.

Что произойдет, если в ядро добавить 1 протон, 1 нейтрон, отнять в атоме 1 электрон?

Тест достижений по теме «Строение электронных оболочек атомов»

	Коррекция.
1.Электронное облако - это …….
2. Орбиталь - это……..
3. Электроны, при движении вокруг ядра, образуют электронные облака или……….
4. Как определить количество энергетических уровней в атоме?
5. Определите число уровней в атоме Li.	Стр.29. Определите число уровней в атомеC.
6. Восстановите схему строения атома +n)?)?)?	Рис. 8, стр.29.
7. Запишите схему строения атомовLi S	Стр 30 –31.
8. Запишите схему строения атомов C P	Стр 30 –31.
9. Запишите электронную формулу атома О
10 . Запишите электронную формулу атомов Be Cl

Определите по электронным формулам химический элемент. 1s22s22p3.

Тест достижений по теме « Периодическая система химических элементов и строение атома»

	Коррекция.
1.Металлы имеют тенденцию к………………….электронов.
2. Неметаллы – это………………………
3. В чем кроется причина инертности гелия, неона, аргона, криптона, ксенона и родона.
4. В периоде металлические свойства………., неметаллические……………
5. В подгруппах металлические свойства………., неметаллические……………
6. Сравните металлические свойства K Na.	Стр.36. Сравните металлические свойства K Na.
7. Сравните неметаллические свойства N P.	Стр.36. Сравните металлические свойства В С.
8. Расположите в порядке возрастания металлических свойств Na Mg Al	Стр.36. Расположите в порядке возрастания металлических свойств K Ca Sc
9. Расположите в порядке возрастания металлических свойств Na Si Al	Расположите в порядке возрастания металлических свойств Na Mg Al
10.Расположите в порядке ослабевания неметаллических свойств P Al Cl	Расположите в порядке возрастания металлических свойств N As P

Расположите в порядке возрастания металлических свойств:Mg K Na Al.

Тест достижений по теме «Взаимодействие атомов – элементов неметаллов между собой».

	Коррекция.
1. ковалентной называют связь, возникающую в результате……………………………
2. Восстановите алгоритм действий, необходимый для того, чтобы записать схему образования ковалентной связи. 2.1. Определяют………., по нему выясняют…….. на внешнем слое, 2.2. Определяют число ………электронов по формуле……….. 2.3. Записывают знаки химических элементов с обозначением………….. так, чтобы они были обращены к соседнему атому. 2.4. Записывают …………….. формулу.
3.Запишите, пользуясь алгоритмом, электронную формулу молекулы воды.
4. Запишите, пользуясь алгоритмом, электронную формулу молекулы Фтора.
5. Запишите, пользуясь алгоритмом, электронную формулу молекулы азота.
6. Запишите, пользуясь алгоритмом, электронную формулу молекулы кислорода.
7.Запишите структурные формулы H2 F2 N2	Стр. 40-41. Запишите структурную формулу S2.
8.Восстановите зависимость. Чем больше общих ……….., тем………. связь.
9.Сравните прочность связи в молекулах H2 N2
10. Расположите в порядке увеличения прочности связи вещества S2 Cl2 N2

Обоснуйте правильность решения вопроса 10. Как будет изменяться длина связи в молекулах в соответствующем ряду?

Тест достижений по теме «Ковалентная полярная связь»

	КОРРЕКЦИЯ.
1.Электроотрицательность – это способность атомов химических элементов……..к себе…….. участвующие в образовании химической связи.
2. Ковалентная полярная связь-……
3. . Ковалентная неполярная связь-……
4. Назовите самый электроотрицательный элемент.
5. Как изменяется ЭО в периоде?
6. . Как изменяется ЭО в подгруппе?
7. Запишите электронную формулу HCl	Стр.43. Запишите электронную формулу HF.
8. . Запишите электронную формулу H2S.	Стр. 44-45. . Запишите электронную формулуH2O
9.Определите тип химической связи в веществах:S2 K2O H2S N2
10. В какой из молекул связь более полярна? HCl или HF?

Почему в молекуле PH3 связь ковалентная неполярная?

Тест достижений по теме «Металлическая химическая связь».

Задания	Коррекция.
1. Металлической называют связь…….	Стр46
2. Сколько электронов на внешнем слое у металлов?	Стр46 Со слов «число электронов..»
3. Запишите схему образования металлической связи.	Стр 46.
4. Запишите схему образования металлической связи для кальция, алюминия .	Стр.46. . Запишите схему образования металлической связи для натрия, бария.
5. Укажите черты сходства металлической и ковалентной связей.	Стр. 47.
6. Укажите черты различия металлической и ковалентной связей.	Стр. 47.
7.Назовите свойства металлов, обусловленные строением.	Стр. 47.
8. Определите вид связи в молекуле Na 2	Стр. 47.
9.Запишите схему образования связи в молекуле Na 2	Стр. 47.
10. Какие вещества образованы металлической связью?	Стр. 47.

Металлическая связь имеет черты сходства с ковалентной связью, а что общего у нее с ионной связью? В чем отличие?

Тест достижений по теме «Химические формулы. Относительные атомные и молекулярные массы».

	Коррекция.
1.Химическая формула - это условная запись ………… с помощью…………………	См. определение в тетради.
2.Определите качественный и количественный состав воды по формуле. Н2О	Стр.18. 2 абзац. Определите состав сероводорода Н2S.
3.Относительная атомная масса – это…………… показывающая, во сколько раз масса………… больше массы атома………………	Стр.19. со слов «Масса молекулы…»
4.Определите Аr(Cu), S, O.	Стр 21 Определите Аr(Н) С Мq.
5.Оносительная молекулярная масса это -………., показывающая во сколько раз масса………..больше массы атома………….	Стр.20, определение в тетради.
6.Определите Мr(Н2О), О2, Н2.	Стр 20. .Определите Мr(NH3) H2S.
7.Запишите формулу серной кислоты, зная, что ее молек атома серы, 4 атомов кислорода.	Стр.18. Со слов «Формулы простых веществ..» Запишите формулу азота если он состоит из 2 атомов азота.
8.Что обозначает запись 3Н2О?	Стр.18 со слов «Чтобы отразить..» Что обозначает запись 5Н2О, 10 Н2О?
9.О какой форме существования химического элемента идет речь 5О, 3О2, 5СО2?	Стр.18-19 до слов «Размеры молекул…».О какой форме существования химического элемента идет речь 3N 3NH3 3N2?
10.Запишите формулы 2 веществ: кислорода и озона. Сравните их.	Запишите формулу белого фосфора если молекула его состоит из 4 атомов фосфора.

Определите относительные молекулярные массы сульфата алюминия и гидроксида кальция.

Тест достижений по теме «Простые вещества Металлы».

Вопросы.	Коррекция
1.Металлы – это………………	Параграф 13.
2.Металлы по агрегатному состоянию……….. вещества.	Параграф 13.
3.Вид связи, характерный для металлов.	Параграф 12.
4.Общие физические свойства металлов.
5.Аллотропия – это………………………	Параграф учебника14
6.Аллотропные видоизменения.- это……….	Параграф учебника14
7.Приведите примеры аллотропных видоизменений. Сравните аллотропные видоизменения олова.	Параграф учебника14.
8.Из предложенных химических элементов выберите металлы: Cu N Na Al C Fe.	Периодическая система химических элементов.
9.Объясните, почему металлы проводят тепло и ток?
10.Объясните, почему металлы имеют металлический блеск?

Предположите на основании определения «Металлы» что мы можем назвать неметаллами?

Тест достижений по теме «Простые вещества неметаллы».

	Коррекция.
1.Неметаллы – это химические элементы, которые образуют вещества………………
2.Агрегатное состояние неметаллов…….
3.Приведите примеры простых веществ неметаллов, разных по агрегатному состоянию.
4.Аллотропия – это…………………..
5.Аллотропные видоизменения - это………
6.Дайте характеристику свойств кислорода.
7. .Дайте характеристику свойств озона.
8.Сравните свойства кислорода и озона.
9.Назовите аллотропные видоизменения фосфора.
10Сравните алюминий и серу.

Почему металлы и неметаллы имеют разные свойства?

Тест достижений по теме «Количество вещества»

	Коррекция.
1.Назовите физическую величину, используемую для измерения вещества.	Параграф учебника, Стр 55.
3.Что такое моль?
4.Назовите число Авогадро.
5.Что обозначает число Авогадро?
6.Сколько частиц содержит 1 моль Н2О?
7.Сколько частиц содержит 1 моль S?
8. Сколько частиц содержит 2 кмоль Н2О?
9 Сколько частиц содержит 2 ммоль S?
10Запишите формулы по которым вычисляются: количество вещества, число Авогадро.

Еще не открытые элементы

Не правда ли удивительно: элементы еще не открыты, а мы уже пытаемся о них рассказать? Но такова наука. Прежде чем начать путешествие в страну неизвестного, ученый намечает путь, используя существующие теоретические представления. Вот о таком еще не пройденном пути в область далеких трансурановых элементов-"сверхэлементов" - будет идти наш рассказ. Окажется ли этот путь прямым и путешествие пройдет без приключений, или встретятся непредвиденные препятствия, покажут будущие эксперименты, в которых, быть может, примут участие и сегодняшние школьники - читатели этой статьи.

Открытие и изучение химических свойств курчатовия (элемент 104) позволяет предсказать химические свойства и даже ориентировочно время жизни элементов 105, 106, 107... Но каковы детальные ядерные свойства (характеристики) этих элементов или элементов с порядковым номером 114- 126? У ученых есть и на этот счет рассуждения и теории.

Все известные трансурановые элементы, кроме 104-го - курчатовия, входят в ряд актиноидов. У этих элементов химические свойства сходны со свойствами лантаноидов - элементов редкоземельного ряда. Уже удалось изучить химию 102-го и 103-го элементов. Опыты, выполненные в Дубне, с несомненностью показали, что курчато-вий - аналог гафния. Основываясь на этих опытах, можно с большей уверенностью предсказывать химические свойства еще не открытых далеких элементов. Теперь, если взглянуть на рисунок 1, станет ясно, что элемент 105 должен быть химическим аналогом тантала, 106 - вольфрама, 107 - рения, и так до 118-го, который должен быть сверхтяжелым благородным газом. (Попробуйте вычислить плотность этого газа при нормальных условиях. Атомный вес 118-го элемента можно считать равным 300.) Элементы 119, 120 и 121 помещены в клетках под францием, радием и актинием и сходны с ними по химическим свойствам. После 121-го начинается третий ряд, элементы которого аналогичны в химическом отношении элементам

лантаноидного и актиноидного рядов. Эти выводы мы делаем, основываясь на периодическом законе Д. И. Менделеева.
Ядерные свойства еще не открытых элементов предвидеть значительно сложнее. А ведь именно ядерными свойствами определяется время жизни элемента, а значит, во многом и возможность его изучения.
Давайте вспомним, что это такое "время жизни". (Здесь речь идет о среднем времени жизни. Но для краткости всюду мы будем писать просто "время жизни".) Все трансурановые элементы нестабильны. Их изотопы распадаются, испуская альфа-частицы (ядра гелия), или делятся на два примерно одинаковых по массе ядра путем самопроизвольного (спонтанного) деления, причем ядра одного и того же изотопа могут и делиться спонтанно, и испускать альфа-частицы. Так, у калифорния-252 из 30 распавшихся ядер в среднем 29 распадаются путем альфа-распада, а одно делится спонтанно. Время жизни изотопа элемента т определяется величиной
где п - число ядер, распадающихся за
единицу времени всеми способами распада, a iV0 - общее количество ядер распадающегося изотопа в момент времени, когда измеряется величина п. Если время жизни изотопа то период его полураспада 0,693 т.
Время жизни 105, 106, 107-го и других элементов, недалеко отстоящих от курчатовия, можно оценить, основываясь на уже известном значении периода полураспада изотопа курчатовий-260, равного 0,3 сек. Так, время жизни изотопов 105-го элемента порядка 0,01 сек, а 106-го и 107-го - порядка 0,001 сек. Изучить изотопы элементов за такое короткое время очень сложно. Но основные трудности связаны с тем, что во время опыта получается очень мало таких ядер - значительно меньше, чем ядер 104-го элемента. Может оказаться, что трудности, которые мы встретим на этом пути, окажутся совершенно непреодолимыми, начиная уже со 107-го - 108-го элементов. Означает ли это, что проблема исследования трансурановых элементов зайдет в тупик?..
Посмотрим внимательно на таблицу периодического закона (рис. 1). За 83-м элементом - висмутом идут полоний, астатин, радон и другие элементы с очень коротким временем жизни их изотопов. Но изотопы более тяжелых элементов - тория, урана, плутония оказываются значительно устойчивее и время их жизни значительно длительнее.
Вот как идет кривая времени жизни тяжелых элементов (рис. 2): после резкого спада за висмутом время жизни тяжелых элементов возрастает (торий, уран, плутоний), а затем вновь убывает (америций, кюрий, ..., 102-й, 103-й, курчатовий). Будет ли новый подъем? Существуют ли долгоживущие элементы с атомным номером, большим 104-го?
Еще на заре ядерной физики - в начале 30-х годов - была замечена странная закономерность: атомные ядра, в которых число протонов или нейтронов равнялось 2, 8, 20, 28, 50, 82 или 126, отличались высокой стабильностью (устойчивостью). Эта закономерность подтверждалась не только физическими экспериментами, но и анализом распространенности разных элементов в природе (по распространенности можно судить о том, насколько стабилен тот или иной элемент). Оказалось, что природные запасы таких элементов, как олово с 50 протонами в ядре, барий с 82 нейтронами и свинец, в ядре которого 82 протона, значительно больше, чем запасы их "соседей" по периодической системе. В то время эти факты не нашли объяснения, и такие числа протонов и нейтронов физики стали в шутку называть магическими. Это название осталось и до нашего времени. Тогда же было отмечено, что если и число протонов, и число нейтронов равны магическим числам, то ядро отличается особо высокой устойчивостью. Примером такого

дважды магического ядра может служить ядро изотопа свинец-208, которое содержит 126 нейтронов и 82 протона.
Современной теории удалось объяснить закономерности образования магических чисел. Оказывается, как и атомные электроны, нуклоны в атомных ядрах образуют нейтронные и протонные оболочки. Строение ядерных оболочек совсем иное, чем электронных, но наиболее устойчивы ядра тех
изотопов, у которых нейтронные и протонные оболочки заполнены. "Сверхэлементом", у которого может существовать дважды магическое ядро, будет 126-й элемент. Ядро дважды магического изотопа этого элемента должно содержать 184 нейтрона. Это магическое число было вычислено теоретически. В области атомного номера 126 поэтому можно ожидать появления изотопов со временем жизни, достаточным для изучения их свойств. Но как долго будут жить такие изотопы - дни, месяцы, годы, пока предсказать невозможно. Ожидается еще одна область стабильных изотопов около атомного номера 114.
Перед учеными встают большие трудности, когда требуется определить свойства таких далеких элементов, как 114 или 126. Еще нет абсолютной уверенности, что вообще должны существовать области стабильности. Но тем интереснее поиск. Ведь в случае, если области стабильности не будут обнаружены, придется во многом пересмотреть современные представления о структуре ядра. Если же предсказание о существовании новых областей стабильности элементов оправдается, то это не только откроет новые перспективы для исследований свойств трансурановых элементов, но и внесет большой вклад в ядерную физику, подтвердив существующие представления о строении ядра.
Посмотрим, что нужно сделать, чтобы проверить эти теоретические предсказания. Попробуем попасть в область 114-го элемента. Для этого необходимо слить два сложных ядра и "перешагнуть" сразу через многие клетки таблицы периодического закона. Самый тяжелый элемент, облучая ядра которого можно получить 114-й элемент,- кюрий. Более далекие элементы трудно использовать из-за их высокой активности. Заряд ядра кюрия - 96.

96 + 18 = 114.

Значит, если слить с ядром кюрия ядро аргона (заряд 18), получится 114-й элемент, а чтобы получить ядро 126-го элемента, облучая торий, нужны ускоренные ядра криптона. Вот ядерная реакция, в которой можно получить ядро 126-го элемента:

90Th232 + збКг82 126310 + 4п.

Элемент 114 - химический аналог свинца, а 126-й входит в третий, редкоземельный ряд. Этот элемент - аналог плутония (рис. 1).
Чтобы шел процесс слияния ядер тория и криптона, скорость ядра криптона должна быть порядка 20 ООО км/сек - в 2500 раз больше скорости искусственного спутника Земли. Самый мощный циклотрон в мире, установленный в Лаборатории ядерных реакций в Дубне, не ускоряет ионы криптона до таких скоростей. Чтобы совершить прыжок через пропасть нестабильности, необходимо построить еще более мощные ускорители. Нужно сделать и многое другое. Так, очень трудной и важной задачей будет создание источника ионов криптона, которые необходимо вводить в циклотрон для ускорения. Эти работы ведутся в Советском Союзе, Франции, США.
Есть и другой путь получения элементов, лежащих в предполагаемых областях стабильности. Это облучение урана ядрами урана, ускоренными до энергий, позволяющих ядрам урана слиться между собой в промежуточное ядро. Заряд такого промежуточного ядра будет равен 184, а массовое число- 476. Мы уже знаем (см. ст. "104-й - курчатовий"), что даже более легкие составные ядра, полученные, например, при бомбардировке урана неоном, как правило, делятся. А такой тяжелый снаряд, как ядро урана, вносит в составное ядро настолько большую энергию возбуждения, что все без исключения составные ядра будут делиться. И среди осколков этого гигантского составного ядра могут оказаться ядра далеких трансурановых элементов, в частности и 114-й и 126-й элементы. Вот пример такой возможной реакции:

92U233+82U238^1841 1 -0Yb16e+12 п.

Чтобы осуществить такую реакцию, необходимо получить пучки ускоренных ядер урана большой интенсивности. Для этого потребуется циклотрон с диаметром полюсных наконечников не менее 10 м и весом в десятки тысяч тонн. Построить такой ускоритель - довольно трудная задача, но она под силу инженерам и ученым, и думается, в недалеком будущем ускорители урана будут созданы. Удастся ли синтезировать и изучить химические свойства 114-го или 126-го элемента в ближайшие годы? Это настолько сложная задача, что сам по себе напрашивается отрицательный ответ. Но ведь совсем недавно не менее фантастической казалась задача исследования химических свойств курчатовия.

В.И. Кузнецов

Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.

К середине шестидесятых годов XX столетия, когда наряду с протоном и нейтроном было открыто несколько десятков «элементарных» частиц, стало ясно, что эти «элементарные» частицы состоят из более фундаментальных частиц. В 1964 г. Независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили составную кварковую модель адронов.
Кварки объединяются в частицы, называемые адронами . Термин «адрон» происходит от греческого «хадрос» – сильный и отражает свойство адронов участвовать в сильных взаимодействиях. Адроны – связанные системы кварков и антикварков. Адроны существуют двух типов – барионы и мезоны.

Рис. 11.1. Типы адронов и их кварковый состав.

Квантовые числа кварков, образующих адрон, определяют квантовые числа адронов. Адроны имеют определенные значения электрического заряда Q, спина J, чётности P, изоспина I. Квантовые числа s (странность), c (очарование или шарм), b (bottom) и t (top) разделяют адроны на обычные нестранные частицы (р, n, π, …), странные частицы (K, Λ, Σ, …), очарованные (D, Λ c , Σ c , …) и боттом-частицы (B, Λ b , Ξ b). t‑кварк имеет время жизни ≈ 10 -25 с, поэтому за такое короткое время он не успевает образовать адрон.
Всё многообразие адронов возникает в результате различных сочетаний u-, d-, s-, c-, b-кварков, образующих связанные состояния.
Квантовые характеристики кварков приведены в табл. 11.1. Каждый кварк имеет еще три цветные степени свободы (красный, синий, зеленый). Цветные степени свободы в таблице не указаны. Античастицы кварков – антикварки.

Таблица 11.1

Характеристики кварков

Характеристика	Тип кварка (аромат)
	d	u	s	c	b	t
Электрический заряд Q, в единицах е	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3
Барионное число B	+1/3
Спин J	1/2
Четность P	+1
Изоспин I	1/2		0
Проекция изоспина I 3	-1/2	+1/2	0
Странность s	0	0	-1	0	0	0
Очарование (charm) c	0	0	0	+1	0	0
Bottom b	0	0	0	0	-1	0
Top t	0	0	0	0	0	+1
	0.33	0.33	0.51	1.8	5	180
Масса токового кварка	4-8 МэВ	1.5-4 МэВ	80-130 МэВ	1.1-1.4 ГэВ	4.1-4.9 ГэВ	174±5 ГэВ

Квантовые характеристики антикварков приведены в табл. 11.2.

Таблица 11.2

Характеристики антикварков

Характеристика	Тип кварка (аромат)
	d	u	s	c	b	t
Электрический заряд Q, в единицах е	+1/3	-2/3	+1/3	-2/3	+1/3	-2/3
Барионное число B	-1/3
Спин J	1/2
Четность P	-1
Изоспин I	1/2		0
Проекция изоспина I 3	+1/2	-1/2	0
Странность s	0	0	+1	0	0	0
Очарование (charm) c	0	0	0	-1	0	0
Bottom b	0	0	0	0	+1	0
Top t	0	0	0	0	0	-1
Масса конституэнтного кварка mс 2 , ГэВ	0.33	0.33	0.51	1.8	5	180
Масса токового кварка	4-8 МэВ	1.5-4 МэВ	80-130 МэВ	1.1-1.4 ГэВ	4.1-4.9 ГэВ	174±5 ГэВ

Кварки не существуют в свободном состоянии, а заключены в кварковых системах – адронах. Поэтому им нельзя освободиться от взаимодействия с другими кварками, находящимися в том же объеме и связывающими их в адрон глюонами.
Барионное число B − квантовая характеристика частиц, отражающая установленный на опыте ещё до открытия кварков закон сохранения числа барионов. Так например, протон без нарушения законов сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда мог бы распасться на позитрон e + и γ-квант

или на положительно заряженный пион π + и γ-квант

Однако такие распады не наблюдаются. Это можно понять, приписав протону барионное число В = +1 и считать, что все частицы, состоящие из трёх кварков, имеют барионное число, равное плюс единице. Мезоны имеют барионное число В = 0. Антибарионы имеют барионное число В = -1. Лептоны имеют барионное число В = 0.
Все имеющиеся опытные данные свидетельствуют о существовании закона сохранения барионного числа (заряда) или закона сохранения числа барионов:

Барионное число является аддитивным квантовым числом. Барионные числа адронов – следствие их кварковой структуры. Кваркам приписывают барионное число В = +1/3, а антикваркам В = -1/3. Тогда все частицы, состоящие из трех кварков (барионы), будут иметь барионное число В = +1, частицы из трех антикварков (антибарионы) − B = -1, а частицы из кварка и антикварка (мезоны) − B = 0.
В отличие от точечных кварков, адроны протяжённые объекты, т. е. имеют размер (≈ 1 Фм). Среднеквадратичные зарядовые радиусы протона p, пиона π и каона K

дают представление о размерах этих адронов.

Ф. Вилчек: «Кварки рождаются свободными, но встречаются только связанными… В начале двадцатого века, после пионерских экспериментов Резерфорда, Гейгера и Марсдена, физики открыли, что большая часть массы и весь положительный заряд внутри атома сконцентрированы в крошечных ядрах. В 1932 г. Чедвик открыл нейтроны, которые вместе с протонами могли бы рассматриваться как составляющие атомного ядра. Однако известных тогда сил гравитации и электромагнетизма было недостаточно, для того чтобы связать протоны и нейтроны в такие малые объекты, как наблюдаемые ядра. Физики столкнулись с новым видом взаимодействия, самым сильным в природе. Объяснение этой новой силы стало основной задачей теоретической физики.
Для решения указанной проблемы физики в течение многих лет собирали данные, полученные, в основном, из изучения результатов столкновений протонов и нейтронов. Однако результаты этих исследований оказывались громоздкими и сложными.
Если бы частицы в указанных экспериментах были фундаментальными (неделимыми), то после их столкновения следовало бы ожидать те же частицы, только выходящие по измененным траекториям. Вместо этого на выходе, после столкновения, часто оказывалось множество частиц. Конечное состояние могло содержать как несколько копий исходных частиц, так и другие частицы. Многие новые частицы были открыты именно таким образом. Несмотря на то, что эти частицы, называемые адронами, были нестабильны, их свойства были очень схожи со свойствами нейтронов и протонов. Тогда характер исследования изменился. Уже не казалось естественным полагать, что речь идет просто об изучении новой силы, связывающей протоны и нейтроны в атомные ядра. Скорее, открылся новый мир явлений. Этот мир состоял из множества новых неожиданных частиц, преобразующихся друг в друга удивительно большим количеством способов. Отражением изменения во взглядах стало и изменение в терминологии.
Вместо ядерных сил физики стали говорить о сильном взаимодействии.
В начале 1960-х годов Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг совершили огромный прорыв в теории сильного взаимодействия, предложив концепцию кварков. Если вы представите, что адроны не являются фундаментальными частицами, а состоят из некоторого числа неделимых кварков, то все становится на свои места. Десятки наблюдаемых адронов, по крайней мере в грубом приближении, можно объяснить различными возможными способами соединений всего трех типов («ароматов») кварков. Один и тот же набор кварков может иметь различные пространственные орбиты и разнообразные спиновые конфигурации. Энергия такой системы будет зависеть от всех этих факторов, и таким образом получатся состояния с разными энергиями, соответствующие частицам с разными массами, согласно формуле m = E/c 2 . Это аналогично тому, как спектр возбужденных состояний в атоме мы понимаем как проявление различных орбит и спиновых конфигураций электронов. (Правда, энергии взаимодействия электронов в атомах относительно малы, и влияние этих энергий на полную массу атома незначительно.)
Тем не менее, правила использования кварков для описания реалистических моделей казались довольно странными и непонятными.
Предполагалось, что кварки едва ли чувствуют присутствие друг друга, когда находятся рядом, но если вы попытаетесь их изолировать друг от друга, то обнаружите, что это невозможно. Усиленные попытки найти изолированный кварк успехом так и не увенчались. Наблюдаемыми оказались только связанные состояния кварка с антикварком (мезоны) и трех кварков (барионы). Этот принцип, выведенный из экспериментальных наблюдений, назвали конфайнментом. Однако возвышенное название не сделало само явление менее таинственным.
Была у кварков и еще одна примечательная особенность. Предполагалось, что их электрические заряды являются дробными (1/3 или 2/3) по отношению к основному единичному заряду, например, электрона или протона. Все остальные наблюдаемые заряды известны с большой точностью и кратны основному. Кроме того, тождественные кварки не подчиняются обычным правилам квантовой статистики. Эти правила требуют, чтобы кварки, как частицы со спином 1/2, были фермионами с антисимметричными волновыми функциями (если не учитывать цветовую симметрию). Однако наблюдаемые данные о барионах не могут быть объяснены с помощью антисимметричных волновых функций они должны быть симметричными.
Атмосфера таинственности вокруг свойств кварков еще более сгущалась, когда Дж. Фридман. Г.Кендалл, Р. Тейлор и их коллеги на линейном ускорителе в Стэнфорде (SLAC) направили фотоны с высокой энергией на прогоны и обнаружили внутри нечто вроде кварков. Неожиданным было то. что при сильных столкновениях кварки двигаются (точнее, переносят энергию и импульс) так, как если бы они были свободными частицами. До этого эксперимента большинство физиков предполагало, что каким бы ни было сильное взаимодействие кварков, оно должно заставить кварки обильно излучать энергию, и, следовательно, после резкого ускорения энергия движения должна быстро рассеиваться» .

Некоторые барионы

Частица	Кварковая структура	Масса mc 2 , МэВ	Время жизни t (сек) или ширина Г	Спин-четность, изоспин J P (I)	Основные моды распада
p	uud	938.27	>10 32 лет	1/2 + (1/2)
n	udd	939.57	885.7±0.8	1/2 + (1/2)	pe - e
Λ	uds	1116	2.6×10 -10	1/2 + (0)	pπ - , nπ 0
Σ +	uus	1189	0.80×10 -10	1/2 + (1)	pπ 0 , nπ +
Σ 0	uds	1193	7.4×10 -20	1/2 + (1)	Λγ
Σ -	dds	1197	1.5×10 -10	1/2 + (1)	nπ -
Ξ 0	uss	1315	2.9×10 -10	1/2 + (1/2)	Λπ 0
Ξ -	dss	1321	1.6×10 -10	1/2 + (1/2)	Λπ -
Δ ++	uuu	1230-1234	115-125 МэВ	3/2 + (3/2)	(n или p) + p
Δ +	uud
Δ 0	udd
Δ +	ddd
Σ(1385) +	uus	1383	36 МэВ	3/2 + (1)	Λπ, Σπ
Σ(1385) 0	uds	1384	36 МэВ
Σ(1385) -	dds	1387	39 МэВ
Ξ(1530) 0	uss	1532	9.1 МэВ	3/2 + (1/2)	Ξπ
Ξ(1530) -	dss	1535	9.9 МэВ
Ω -	sss	1672	0.82×10 -10	3/2 + (0)	ΛK - , Ξ 0 π -
N(1440) +	uud	1430-1470	250-450 МэВ	1/2 + (1/2)	n(π)+p(2π), Δπ
N(1440) 0	udd
N(1520) +	uud	1515-1530	110-135 МэВ	3/2 - (1/2)	n(π)+p(2π), Δπ
N(1520) 0	udd
	udc	2285	2.0×10 -13	1/2 + (0)	(n или p)+др.
Σ c (2455) ++	uuc	2453	2.2 МэВ	1/2 + (1)	π
Σ c (2455) +	udc	2451	< 4.6 МэВ
Σ c (2455) 0	ddc	2452	2.2 МэВ
	udb	5620	1.4×10 -13	1/2 + (0)	e -
	usb	5792	1.4×10 -12	1/2 + (1/2)	Ξ - e - X

Некоторые мезоны

Частица	Кварковая структура	Масса mc 2 , МэВ	Время жизни t (сек) или ширина Г	Спин-четность, изоспин J P (I)	Основные моды распада
π +	u	139.57	2.6×10 -8	0 - (1)	ν μ μ +
π -	d				μ μ -
π 0	u - d	134.98	8.4×10 -17		2γ
K +	u	494	1.2×10 -8	0 - (1/2)	ν μ μ + , π 0 π +
K -	s				μ μ - , π 0 π -
K 0	d	498	8.9×10 -11	0 - (1/2)	π + π - , π 0 π 0
K 0	s		5.2×10 -8		πeν, πμν, 3π
η	u + d - 2s	548	1.29 кэВ	0 - (0)	2γ, 3π
η"	u + d + s	958	0.20 МэВ	0 - (0)	η2π, ρ 0 γ
ρ +	u	776	150 МэВ	1 - (1)	ππ
ρ -	d				ππ
ρ 0	u - d	776	150 МэВ		ππ
ω	u + d	783	8.5 МэВ	1 - (0)	3π
¢	s	1019	4.3 МэВ	1 - (0)	K + K - ,
D +	c	1869	1.0×10 -12	0 - (1/2)	K+др., e+др., μ+др.
D -	d				K+др., e+др., μ+др.
D 0	c		4.1×10 -13	0 - (1/2)	K+др., e+др., μ+др.
D 0	u				K+др., e+др., μ+др.
	c	1968	4.9×10 -13	0 - (0)	K+др.
	s				K+др.
B +	u	5279	1.7×10 -12	0 - (1/2)	D+др., D * +др., ν+др.
B -	b				D+др., D * +др., ν+др.
B 0	d	5279	1.5×10 -12	0 - (1/2)	D+др., D * +др., ν+др.
B 0	b				D+др., D * +др., ν+др.
J/ψ	c	3097	91 кэВ	1 - (0)	адроны, 2e, 2μ
Y	b	9460	53 кэВ	1 - (0)	τ + τ-, μ + μ-, e + e-

Кварки, образующие адроны, могут находиться в состояниях с различными орбитальными моментами l q и в состояниях с различными значениями радиального квантового числа n. Так как кварк имеет положительную чётность, а антикварк - отрицательную, чётности барионов, антибарионов и мезонов определяются соотношениями

где L - результирующий орбитальный момент кварков в адроне.
Аналогичным образом можно получить формулу для чётности мезона/антимезона:

Спины кварков могут быть ориентированы различным образом. Поэтому для одной и той же кварковой комбинации допустимы различные значения полного момента и чётности J P . Энергия (масса) фиксированной кварковой комбинации зависит от J P и других квантовых чисел, таких как изоспин, т. е. для каждой кварковой комбинации получается набор энергий (масс). Такова суть спектроскопии адронов, которая по существу не отличается от атомной или ядерной спектроскопии. Отличие в атоме состоит в том, что если в атоме (или в ядре) с определённым внутренним составом частиц изменяется энергия и квантовые числа, то это означает переход в другое состояние этого же атома (ядра). В физике адронов изменение энергии (массы) и квантовых чисел фиксированной кварковой комбинации означает переход к другой частице.

Адроны - бесцветные образования цветных кварков

Почему существует столь ограниченный набор связанных кварковых структур - трёхкварковые и кварк-антикварковые состояния? Для ответа на этот вопрос нужно пояснить понятие бесцветного состояния . Кварковая модель в своем первоначаль­ном варианте не содержала понятия «цвет». Исходная модель смогла представить все многочисленное семейство адронов всего лишь в виде трех кварковых комбинаций − qqq (барионы), (антибарионы) и q (мезоны). Однако оставалось неясным, почему других комбинаций кварков, например, qq, qq, q, qqqq, qq, q и т.д. в природе нет, да и сами отдельные кварки не наблюдаются. Кроме того, были известны барионы из трех тождественных кварков – uuu (Δ ++ -резонанс), ddd (Δ - ‑резонанс), sss (Ω - -гиперон), в которых кварки находились в одинаковых квантовых состояниях, что противоречило принципу Паули. Все эти трудности начального варианта кварковой модели снимались введением для кварков еще одного квантового числа, названного цветом . Это квантовое число должно было иметь три возможных значения с тем, чтобы можно было восстановить принцип Паули для барионов, построенных из трех кварков одинакового аромата. Эти три возможных значения цвета – красный (к), зеленый (з) и синий (с) – можно рассматривать как три проекции своеобразного цветового спина в трехмерном цветовом пространстве (с осями К, З. С).
С введением цвета Δ ++ -резонанс, например, можно представить как комбинацию трех u-кварков в разных цветовых состояниях: Δ ++ = u к u з u с. Это означало, что принцип Паули справедлив и в физике адронов. Однако, ограничиться только трехзначностью цвета было невозможно. Оставалась ещё одна проблема. Если u к u з u с - это единственный вариант Δ ++ ‑резонанса, то для протона можно предложить несколько кандидатов, не нарушая принципа Паули: u к u з d с, u к u з d з, u с u к d к и т. д. Но существует только одно протонное состояние и введение нового квантового числа «цвет» не должно увеличивать число наблюдаемых состояний.
Выходом из этой ситуации явилось принятие постулата о бесцветности наблюдаемых квантовых состояний адронов. Бесцветность адронов означает, что в них кварки разного цвета представлены с равными весами. О таких бесцветных состояниях говорят как о цветовых синглетах. Они инвариантны относительно преобразований в трехмерном цветовом пространстве. Если цветовой индекс кварка принимает три значения α = 1, 2, 3, то такие преобразования имеют вид

при условии ортонормированности цветовых состояний

где (*) означает комплексное сопряжение, а δ βγ − символ Кронекера.
В отличие от цветных кварков, их наблюдаемые комбинации − адроны − всегда бесцветны. В них все кварковые цвета представлены с одинаковыми весами. В этом состоит аналогия между цветом в оптике ик вантовым числом цвет. В обоих случаях равномерная смесь трёх базовых цветов дает бесцветную (белую) комбинацию.
Рассмотрим вопрос о том, как цветовые степени свободы кварков должны быть учтены в волновых функциях адронов Y. Поскольку эти степени свободы не зависят от других кварковых степеней свободы – пространственных координат, спина и аромата, то цветовая часть полной волновой функции адрона может быть выделена в виде множителя ψ color:

Ψ = ψ color Ф,

где Ф − часть волновой функции адрона, куда входят пространственные (space ), спиновые (spin ) и ароматовые (flavor ) степени свободы кварков. Установим вид ψ color . Он различен для мезонов и барионов.
Кварковая структура мезонов q. Для того, чтобы мезон был бесцветным, все возможные цвета кварка (антикварка) в нём должны быть представлены с одинаковым весом, что дает цветовую структуру мезона ~ (k+з +с ). Поэтому, независимо от типа (кваркового состава) мезона цветовая часть его волновой функции с учетом нормировки имеет вид

При установлении вида цветовой волновой функции бариона необходимо учесть принцип Паули. В состав бариона могут входить тождественные кварки, а, поскольку кварки являются фермионами, то в таких барионах эти кварки не должны находиться в одинаковых квантовых состояниях. В случае мезонов такого ограничения нет, так как они содержат только различные частицы - кварк и антикварк. Это означает, что волновая функция бариона, содержащего кварки одинакового аромата, должна быть антисимметричной при перестановке этих кварков.

Рассмотрим ситуацию на примере Δ ++ -резонанса, состоящего из трёх u-кварков. Его спин-чётность J P = 3/2 + . Эксперименты показали, что его волновая функция симметрична по пространственным координатам кварков и не имеет узлов. Следовательно, орбитальный момент кварков L = 0 и полный момент J P = 3/2 целиком обусловлен спинами кварков, направленными в одну сторону (). Такое спиновое состояние симметрично. Следовательно, пространственно-спиново-ароматовая волновая функция Δ ++ -резонанса F симметрична по этим трём переменным. Как показывает опыт это утверждение справедливо для всех барионов, т. е. все барионы имеют волновые функции, полностью симметричные к одновременной перестановке пространственных координат, спинов и ароматов любых двух кварков. Для того чтобы быть антисимметричной в целом, полная волновая функция Y любого бариона должна содержать антисимметричную цветовую функцию ψ color . Нормированная антисимметричная цветовая волновая функция бариона имеет вид

Такая цветовая функция автоматически обеспечивает выполнение принципа Паули, запрещающего существование бариона, содержащего кварки одного и того же аромата в полностью одинаковых квантовых состояних. Ароматово-цветовая волновая функция Δ ++ -резонанса имеет вид

Требуемая антисимметризация волновой функции Δ ++ -резонанса получена. Она антисимметрична по цвету, симметрична по пространственным координатам (орбитальные моменты кварков нулевые) и спинам (). Таким образом, волновая функция Δ ++ -резонанса Y антисимметрична в целом, как и должно быть для систем, содержащих тождественные фермионы. Легко проверить выполнение принципа Паули для этого состояния. Пусть зелёный u-кварк стал красным: u з → u к. Тогда в Δ ++ ‑резонансе имеем два красных u-кварка в одном и том же состоянии. При этом волновая функция Δ ++ -резонанса обращается в нуль.