Образование химических элементов в космических телах 1

где с — скорость света в вакууме, равная 3 · 10¹⁰ см/сек. Чем больше происходит потеря в весе, тем больше выделяется энергии, и поэтому образуется более прочное ядро.

Рис. 4. Зависимость средней энергии связи нуклонов в атомных ядрах (нижняя кривая) и дефекта масс (верхняя кривая) от их массовых чисел (составлена И. П. Селиновым).

Таким образом, мерой устойчивости ядра и энергии связи его нуклонов является величина Ат, которая равна

Δт = Zm_p + (А — Z) т_п — m_{z А}, (5)

где т_р — масса протона;

т _п — масса нейтрона;

mz,a — масса ядра с массовым числом А и порядковым номером Z.

На рис. 4 приведены кривые зависимости энергии связи нуклонов в ядрах (Е/А) и дефекта масс  от их массовых чисел и пересчете на один нуклон. Видно, что максимумы энергии связи и величин дефекта масс соответствуют изотопам элементов группы железа; кроме того, энергии связи высоки для ядер Не² (2 протона и 2 нейтрона), О¹⁶ (8 протонов и 8 нейтронов) и других. Следует отметить, что ядро гелия — одно из самых устойчивых ядер, особенно среди легких элементов. Расчеты показывают, что при образовании этих ядер из двух нейтронов и двух протонов должна выделяться колоссальная энергия. Так, при образовании 4 г гелия будет выделяться энергия, равная 646 млн. ккал. Повышение энергии связи наблюдается для ядер, которые содержат магическое число нейтронов или протонов. Как мы увидим дальше, эти изотопы имеют наибольшую распространенность на Земле и в метеоритах.

Атомные ядра благодаря своим малым размерам имеют необычайно высокую плотность — около 10¹⁴ г/см³. Эта величина свидетельствует о чрезвычайно больших силах, которые удерживают нуклоны в ядре. Природа этих сил еще полностью не установлена.

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.

Таблица 3

Элементарные частицы