La fission nucléaire est la division d'un atome lourd en deux fragments de masse à peu près égale, accompagnée de la libération d'une grande quantité d'énergie.

La découverte de la fission nucléaire a commencé nouvelle ère- "l'ère atomique". Le potentiel de son utilisation possible et le rapport risque/bénéfice de son utilisation ont non seulement donné lieu à de nombreuses controverses sociologiques, politiques, économiques et réalisations scientifiques, mais aussi de sérieux problèmes. Même d'un point de vue purement scientifique, le processus de fission nucléaire a créé un grand nombre d'énigmes et de complications, et son explication théorique complète est une question d'avenir.

Le partage est rentable

Les énergies de liaison (par nucléon) diffèrent selon les noyaux. Les plus lourds ont une énergie de liaison inférieure à ceux situés au milieu du tableau périodique.

Cela signifie que les noyaux lourds ayant un numéro atomique supérieur à 100 bénéficient de la division en deux fragments plus petits, libérant ainsi de l'énergie qui est convertie en énergie cinétique des fragments. Ce processus est appelé fractionnement

Selon la courbe de stabilité, qui montre le nombre de protons par rapport au nombre de neutrons pour les nucléides stables, les noyaux plus lourds préfèrent un nombre de neutrons plus élevé (par rapport au nombre de protons) que les noyaux plus légers. Cela suggère que certains neutrons « de rechange » seront émis lors du processus de fission. De plus, ils absorberont également une partie de l’énergie libérée. Une étude de la fission du noyau d'un atome d'uranium a montré que 3-4 neutrons sont libérés : 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Le numéro atomique (et la masse atomique) du fragment n’est pas égal à la moitié de la masse atomique du parent. La différence entre les masses des atomes formés à la suite de la division est généralement d'environ 50. Cependant, la raison n'est pas encore tout à fait claire.

Les énergies de liaison du 238 U, 145 La et 90 Br sont respectivement de 1 803, 1 198 et 763 MeV. Cela signifie qu'à la suite de cette réaction, l'énergie de fission du noyau d'uranium est libérée, égale à 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Fission spontanée

Les processus de fission spontanée sont connus dans la nature, mais ils sont très rares. La durée de vie moyenne de ce processus est d'environ 10 à 17 ans et, par exemple, la durée de vie moyenne de la désintégration alpha du même radionucléide est d'environ 10 à 11 ans.

La raison en est que pour se diviser en deux parties, le noyau doit d’abord se déformer (s’étirer) pour prendre une forme ellipsoïdale, puis, avant de se diviser finalement en deux fragments, former un « col » au milieu.

Barrière potentielle

Dans un état déformé, deux forces agissent sur le noyau. L’un d’eux est l’augmentation de l’énergie de surface ( tension superficielle gouttes de liquide explique sa forme sphérique), et l'autre est la répulsion coulombienne entre fragments de fission. Ensemble, ils créent une barrière potentielle.

Comme dans le cas de la désintégration alpha, pour qu'une fission spontanée du noyau d'un atome d'uranium se produise, les fragments doivent surmonter cette barrière grâce à l'effet tunnel quantique. La valeur de la barrière est d'environ 6 MeV, comme dans le cas de la désintégration alpha, mais la probabilité d'un effet tunnel d'une particule alpha est bien supérieure à celle du produit de fission atomique beaucoup plus lourd.

Fractionnement forcé

La fission induite du noyau d’uranium est bien plus probable. Dans ce cas, le noyau mère est irradié par des neutrons. Si le parent l'absorbe, ils se lient, libérant une énergie de liaison sous forme d'énergie vibratoire qui peut dépasser les 6 MeV requis pour surmonter la barrière de potentiel.

Lorsque l'énergie du neutron supplémentaire n'est pas suffisante pour franchir la barrière de potentiel, le neutron incident doit avoir une énergie cinétique minimale pour pouvoir induire la fission atomique. Dans le cas du 238 U, l'énergie de liaison des neutrons supplémentaires manque d'environ 1 MeV. Cela signifie que la fission d'un noyau d'uranium est induite uniquement par un neutron ayant une énergie cinétique supérieure à 1 MeV. D’un autre côté, l’isotope 235 U possède un neutron non apparié. Lorsqu'un noyau en absorbe un supplémentaire, il s'apparie avec lui, et cet appariement se traduit par une énergie de liaison supplémentaire. Cela suffit pour libérer la quantité d'énergie nécessaire au noyau pour surmonter la barrière de potentiel et la fission isotopique se produit lors d'une collision avec n'importe quel neutron.

Désintégration bêta

Même si la réaction de fission produit trois ou quatre neutrons, les fragments contiennent toujours plus de neutrons que leurs isobares stables. Cela signifie que les fragments de clivage ont tendance à être instables face à la désintégration bêta.

Par exemple, lorsque se produit la fission du noyau d'uranium 238 U, l'isobare stable avec A = 145 est le néodyme 145 Nd, ce qui signifie que le fragment de lanthane 145 La se désintègre en trois étapes, émettant à chaque fois un électron et un antineutrino, jusqu'à ce qu'un un nucléide stable se forme. Une isobare stable avec A = 90 est le zirconium 90 Zr, donc le fragment de clivage du brome 90 Br se désintègre en cinq étapes de la chaîne de désintégration β.

Ces chaînes de désintégration β libèrent de l’énergie supplémentaire, dont la quasi-totalité est emportée par les électrons et les antineutrinos.

Réactions nucléaires : fission des noyaux d'uranium

L'émission directe de neutrons d'un nucléide contenant trop de neutrons pour assurer la stabilité nucléaire est peu probable. Le fait est qu’il n’y a pas de répulsion coulombienne et que l’énergie de surface a donc tendance à maintenir le neutron lié au parent. Cependant, cela arrive parfois. Par exemple, le fragment de fission de 90 Br dans la première étape de la désintégration bêta produit du krypton-90, qui peut être dans un état excité avec suffisamment d'énergie pour vaincre l'énergie de surface. Dans ce cas, l’émission de neutrons peut se produire directement avec la formation de krypton-89. est encore instable pour la désintégration β jusqu'à ce qu'il devienne stable, l'yttrium-89, donc le krypton-89 se désintègre en trois étapes.

Fission des noyaux d'uranium : réaction en chaîne

Les neutrons émis lors de la réaction de fission peuvent être absorbés par un autre noyau parent, qui subit alors lui-même une fission induite. Dans le cas de l'uranium 238, les trois neutrons produits ressortent avec une énergie inférieure à 1 MeV (l'énergie libérée lors de la fission d'un noyau d'uranium - 158 MeV - est principalement convertie en énergie cinétique des fragments de fission ), ils ne peuvent donc pas provoquer de fission supplémentaire de ce nucléide. Cependant, à une concentration importante de l'isotope rare 235 U, ces neutrons libres peuvent être capturés par les noyaux de 235 U, ce qui peut effectivement provoquer une fission, puisqu'il n'y a dans ce cas pas de seuil énergétique en dessous duquel la fission n'est pas induite.

C'est le principe réaction en chaîne.

Types de réactions nucléaires

Soit k le nombre de neutrons produits dans un échantillon de matière fissile à l'étape n de cette chaîne, divisé par le nombre de neutrons produits à l'étape n - 1. Ce nombre dépendra du nombre de neutrons produits à l'étape n - 1 qui sont absorbés. par le noyau qui peut subir une division forcée.

Si k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Si k > 1, la réaction en chaîne s'accentuera jusqu'à épuisement de toute la matière fissile, en enrichissant le minerai naturel pour obtenir une concentration suffisamment importante d'uranium 235. Pour un échantillon sphérique, la valeur de k augmente avec la probabilité d'absorption des neutrons, qui dépend du rayon de la sphère. Par conséquent, la masse U doit dépasser une certaine quantité pour que la fission des noyaux d’uranium (réaction en chaîne) puisse se produire.

Si k = 1, alors une réaction contrôlée a lieu. Celui-ci est utilisé dans Le processus est contrôlé par la répartition de barres de cadmium ou de bore parmi l'uranium, qui absorbent la plupart des neutrons (ces éléments ont la capacité de capter les neutrons). La fission du noyau d'uranium est contrôlée automatiquement en déplaçant les tiges pour que la valeur de k reste égale à l'unité.

On dit souvent qu’il existe deux types de sciences : les grandes et les petites. La division de l'atome est une grande science. Elle dispose d'installations expérimentales gigantesques, de budgets colossaux et reçoit la part du lion des prix Nobel.

Pourquoi les physiciens ont-ils dû diviser l’atome ? La réponse simple – comprendre le fonctionnement de l’atome – ne contient qu’une partie de la vérité, mais il existe une raison plus générale. Il n’est pas tout à fait correct de parler littéralement de la division de l’atome. En réalité, nous parlons de collisions de particules à haute énergie. Lorsque des particules subatomiques se déplaçant à grande vitesse entrent en collision, un nouveau monde d’interactions et de champs naît. Les fragments de matière porteurs d'une énorme énergie, dispersés après les collisions, cachent les secrets de la nature, qui depuis la « création du monde » sont restés enfouis dans les profondeurs de l'atome.

Les installations où entrent en collision des particules à haute énergie - les accélérateurs de particules - frappent par leur taille et leur coût. Leur diamètre s'étend sur plusieurs kilomètres, ce qui fait que même les laboratoires qui étudient les collisions de particules semblent minuscules en comparaison. Dans d'autres domaines recherche scientifique les équipements sont situés dans le laboratoire ; en physique des hautes énergies, les laboratoires sont rattachés à l'accélérateur. Récemment, le Centre européen de recherche nucléaire (CERN), situé près de Genève, a alloué plusieurs centaines de millions de dollars à la construction d'un accélérateur en anneau. La circonférence du tunnel construit à cet effet atteint 27 km. L’accélérateur, appelé LEP (Large Electron-Positron ring), est conçu pour accélérer les électrons et leurs antiparticules (positrons) à des vitesses qui ne diffèrent que de « l’épaisseur d’un cheveu » de la vitesse de la lumière. Pour avoir une idée de l'échelle d'énergie, imaginez qu'au lieu d'électrons, une pièce d'un sou soit accélérée à de telles vitesses. À la fin du cycle d’accélération, il disposerait de suffisamment d’énergie pour produire pour 1 000 millions de dollars d’électricité ! Il n’est pas surprenant que de telles expériences soient généralement classées dans la catégorie de la physique des « hautes énergies ». En se rapprochant à l’intérieur de l’anneau, les faisceaux d’électrons et de positrons subissent des collisions frontales au cours desquelles les électrons et les positrons s’annihilent, libérant une énergie suffisante pour produire des dizaines d’autres particules.

Quelles sont ces particules ? Certains d’entre eux sont les « éléments constitutifs » mêmes à partir desquels nous sommes construits : les protons et les neutrons qui constituent les noyaux atomiques, et les électrons en orbite autour des noyaux. D'autres particules ne se trouvent généralement pas dans la matière qui nous entoure : leur durée de vie est extrêmement courte et, une fois expirée, elles se désintègrent en particules ordinaires. Le nombre de variétés de ces particules instables à vie courte est étonnant : plusieurs centaines d’entre elles sont déjà connues. Comme les étoiles, les particules instables sont trop nombreuses pour être identifiées par leur nom. Beaucoup d’entre eux sont indiqués uniquement par des lettres grecques, et certains uniquement par des chiffres.

Il est important de garder à l’esprit que toutes ces particules instables, nombreuses et variées, ne sont en aucun cas littéralement Composants protons, neutrons ou électrons. Lors d'une collision, les électrons et les positrons de haute énergie ne se dispersent pas en de nombreux fragments subatomiques. Même dans les collisions de protons de haute énergie, qui sont évidemment constitués d'autres objets (quarks), ils ne sont généralement pas divisés en leurs composants au sens habituel du terme. Ce qui se passe dans de telles collisions est plutôt considéré comme la création directe de nouvelles particules à partir de l’énergie de la collision.

Il y a une vingtaine d'années, les physiciens étaient complètement déconcertés par le nombre et la variété de nouvelles particules subatomiques, qui semblaient sans fin. C'était impossible à comprendre Pour quoi tant de particules. Peut-être que les particules élémentaires sont comme les habitants d’un zoo, avec leur appartenance familiale implicite, mais sans taxonomie claire. Ou peut-être, comme l’ont cru certains optimistes, que les particules élémentaires détiennent la clé de l’univers ? Quelles sont les particules observées par les physiciens : fragments de matière insignifiants et aléatoires ou contours d'un ordre vaguement perçu se dessinant sous nos yeux, indiquant l'existence d'une structure riche et complexe du monde subnucléaire ? L’existence d’une telle structure ne fait désormais aucun doute. Il existe un ordre profond et rationnel dans le micromonde, et nous commençons à comprendre la signification de toutes ces particules.

Le premier pas vers la compréhension du micromonde a été fait grâce à la systématisation de toutes les particules connues, tout comme au XVIIIe siècle. les biologistes ont compilé des catalogues détaillés d’espèces végétales et animales. Les caractéristiques les plus importantes des particules subatomiques comprennent la masse, la charge électrique et le spin.

Parce que la masse et le poids sont liés, les particules de masse élevée sont souvent appelées « lourdes ». La relation d'Einstein E =mc^ 2 indique que la masse d’une particule dépend de son énergie et donc de sa vitesse. Une particule en mouvement est plus lourde qu’une particule stationnaire. Quand ils parlent de la masse d’une particule, ils le pensent masse de repos, puisque cette masse ne dépend pas de l'état de mouvement. Une particule de masse au repos nulle se déplace à la vitesse de la lumière. L’exemple le plus évident de particule ayant une masse au repos nulle est le photon. On pense que l’électron est la particule la plus légère avec une masse au repos non nulle. Le proton et le neutron sont près de 2 000 fois plus lourds, tandis que la particule la plus lourde créée en laboratoire (la particule Z) a environ 200 000 fois la masse de l'électron.

La charge électrique des particules varie dans une plage assez étroite, mais, comme nous l'avons noté, elle est toujours un multiple de l'unité de charge fondamentale. Certaines particules, comme les photons et les neutrinos, n'ont aucune charge électrique. Si la charge d’un proton chargé positivement est considérée comme étant de +1, alors la charge de l’électron est de -1.

Pouce. 2, nous avons introduit une autre caractéristique des particules : le spin. Il prend également toujours des valeurs multiples d'une unité fondamentale, qui, pour des raisons historiques, est choisie comme étant 1. /2. Ainsi, un proton, un neutron et un électron ont un spin 1/2, et le spin du photon est 1. On connaît également des particules de spin 0, 3/2 et 2. Les particules fondamentales avec un spin supérieur à 2 n'ont pas été découvertes et les théoriciens pensent que les particules avec de tels spins n'existent pas.

Le spin d'une particule est une caractéristique importante et, selon sa valeur, toutes les particules sont divisées en deux classes. Les particules avec des spins 0, 1 et 2 sont appelées « bosons » – du nom du physicien indien Chatyendranath Bose, et les particules avec un spin demi-entier (c'est-à-dire avec un spin 1/2 ou 3/2). - « fermions » en l'honneur d'Enrico Fermi. L’appartenance à l’une de ces deux classes est probablement la plus importante dans la liste des caractéristiques d’une particule.

Une autre caractéristique importante d’une particule est sa durée de vie. Jusqu'à récemment, on croyait que les électrons, les protons, les photons et les neutrinos étaient absolument stables, c'est-à-dire ont une durée de vie infiniment longue. Un neutron reste stable tant qu'il est « enfermé » dans le noyau, mais un neutron libre se désintègre en 15 minutes environ. Toutes les autres particules connues sont très instables, avec des durées de vie allant de quelques microsecondes à 10-23 secondes. De tels intervalles de temps semblent incompréhensibles. petit, mais il ne faut pas oublier qu'une particule volant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière (et la plupart des particules nées dans les accélérateurs se déplacent précisément à de telles vitesses) parvient à parcourir une distance de 300 m en une microseconde.

Les particules instables subissent une désintégration, qui est un processus quantique, et il y a donc toujours un élément d'imprévisibilité dans la désintégration. La durée de vie d’une particule particulière ne peut être prédite à l’avance. Sur la base de considérations statistiques, seule la durée de vie moyenne peut être prédite. On parle généralement de la demi-vie d'une particule - le temps pendant lequel la population de particules identiques est réduite de moitié. L'expérience montre que la diminution de la taille de la population se produit de manière exponentielle (voir Fig. 6) et que la demi-vie est égale à 0,693 de la durée de vie moyenne.

Il ne suffit pas aux physiciens de savoir que telle ou telle particule existe : ils s'efforcent de comprendre quel est son rôle. La réponse à cette question dépend des propriétés des particules énumérées ci-dessus, ainsi que de la nature des forces agissant sur la particule depuis l'extérieur et l'intérieur. Tout d’abord, les propriétés d’une particule sont déterminées par sa capacité (ou son incapacité) à participer à des interactions fortes. Les particules participant à des interactions fortes forment une classe spéciale et sont appelées androns. Les particules qui participent à des interactions faibles et ne participent pas à des interactions fortes sont appelées les leptons, qui signifie « poumons ». Jetons un bref coup d'œil à chacune de ces familles.

Leptons

Le plus connu des leptons est l’électron. Comme tous les leptons, il semble être un objet élémentaire, ponctuel. Pour autant que l’on sache, l’électron n’a pas de structure interne, c’est-à-dire ne contient aucune autre particule. Bien que les leptons puissent avoir ou non une charge électrique, ils ont tous le même spin. 1/2, ils sont donc classés comme fermions.

Un autre lepton bien connu, mais sans charge, est le neutrino. Comme déjà mentionné au Chap. 2, les neutrinos sont aussi insaisissables que des fantômes. Comme les neutrinos ne participent ni aux interactions fortes ni aux interactions électromagnétiques, ils ignorent presque complètement la matière, la pénétrant comme si elle n'était pas là du tout. Haut pouvoir de pénétration des neutrinos pendant longtemps a rendu très difficile la confirmation expérimentale de leur existence. Ce n’est que près de trois décennies après la prédiction des neutrinos qu’ils ont finalement été découverts en laboratoire. Les physiciens ont dû attendre la création de réacteurs nucléaires, qui émettent grande quantité neutrino, et ce n'est qu'alors qu'il a été possible d'enregistrer la collision frontale d'une particule avec le noyau et de prouver ainsi qu'elle existe réellement. Aujourd'hui, il est possible de réaliser beaucoup plus d'expériences avec des faisceaux de neutrinos, issus de la désintégration de particules dans un accélérateur et possédant les caractéristiques nécessaires. La grande majorité des neutrinos « ignorent » la cible, mais de temps en temps les neutrinos interagissent quand même avec la cible, ce qui permet d'obtenir informations utiles sur la structure des autres particules et la nature des interactions faibles. Bien entendu, contrairement aux expériences avec d’autres particules subatomiques, mener des expériences avec des neutrinos ne nécessite pas le recours à une protection particulière. Le pouvoir de pénétration des neutrinos est si grand qu'ils sont totalement inoffensifs et traversent le corps humain sans lui causer le moindre dommage.

Malgré leur intangibilité, les neutrinos occupent une position particulière parmi les autres particules connues car ils sont les particules les plus abondantes dans tout l’Univers, dépassant d’un milliard les électrons et les protons. L'univers est essentiellement une mer de neutrinos, avec des inclusions occasionnelles sous forme d'atomes. Il est même possible que la masse totale des neutrinos dépasse la masse totale des étoiles, et ce sont donc les neutrinos qui contribuent principalement à la gravité cosmique. Selon un groupe de chercheurs soviétiques, les neutrinos ont une masse au repos infime, mais non nulle (moins d'un dix millième de la masse d'un électron) ; si cela est vrai, alors les neutrinos gravitationnels dominent l’Univers, ce qui pourrait à l’avenir provoquer son effondrement. Ainsi, les neutrinos, à première vue les particules les plus « inoffensives » et incorporelles, sont capables de provoquer l’effondrement de l’Univers tout entier.

Parmi les autres leptons, il faut citer le muon, découvert en 1936 dans les produits de l'interaction des rayons cosmiques ; il s’est avéré qu’il s’agissait de l’une des premières particules subatomiques instables connues. À tous égards, sauf en matière de stabilité, le muon ressemble à un électron : il a la même charge et le même spin, participe aux mêmes interactions, mais a grande masse. En environ deux millionièmes de seconde, le muon se désintègre en un électron et deux neutrinos. Les muons sont répandus dans la nature et représentent une partie importante du rayonnement cosmique de fond détecté à la surface de la Terre par un compteur Geiger.

Pendant de nombreuses années, l’électron et le muon sont restés les seuls leptons chargés connus. Puis, à la fin des années 1970, un troisième lepton chargé a été découvert, appelé lepton tau. Avec une masse d'environ 3 500 masses électroniques, le lepton tau est évidemment le « poids lourd » du trio des leptons chargés, mais à tous autres égards, il se comporte comme un électron et un muon.

Cette liste de leptons connus n’est en aucun cas épuisée. Dans les années 60, on a découvert qu’il existait plusieurs types de neutrinos. Les neutrinos d'un type naissent avec un électron lors de la désintégration d'un neutron, et les neutrinos d'un autre type naissent lors de la naissance d'un muon. Chaque type de neutrino existe par paires avec son propre lepton chargé ; il existe donc un « neutrino électronique » et un « neutrino muonique ». Selon toute vraisemblance, il devrait également y avoir un troisième type de neutrino – accompagnant la naissance du lepton tau. Dans ce cas nombre total Il existe trois variétés de neutrinos et le nombre total de leptons est de six (tableau 1). Bien entendu, chaque lepton possède sa propre antiparticule ; le nombre total de leptons différents est donc de douze.

Tableau 1

Six leptons correspondent à des modifications chargées et neutres (les antiparticules ne sont pas incluses dans le tableau). La masse et la charge sont exprimées respectivement en unités de masse et de charge électroniques. Il existe des preuves que les neutrinos pourraient avoir une faible masse

Hadrons

Contrairement à la poignée de leptons connus, il existe littéralement des centaines de hadrons. Cela suggère à lui seul que les hadrons ne sont pas des particules élémentaires, mais sont constitués de composants plus petits. Tous les hadrons participent à des interactions fortes, faibles et gravitationnelles, mais on en trouve deux variétés : électriquement chargés et neutres. Parmi les hadrons, les plus connus et les plus répandus sont le neutron et le proton. Les hadrons restants ont une durée de vie courte et se désintègrent soit en moins d'un millionième de seconde en raison de la faible interaction, soit beaucoup plus rapidement (en un temps de l'ordre de 10 à 23 s) - en raison de la forte interaction.

Dans les années 1950, les physiciens étaient extrêmement intrigués par le nombre et la diversité des hadrons. Mais petit à petit les particules furent classées en trois caractéristiques importantes: masse, charge et retour. Peu à peu, des signes d’ordre ont commencé à apparaître et une image claire a commencé à se dessiner. Certains indices suggèrent que des symétries se cachent derrière le chaos apparent des données. Une étape décisive dans la résolution du mystère des hadrons a eu lieu en 1963, lorsque Murray Gell-Mann et George Zweig du California Institute of Technology ont proposé la théorie des quarks.

Riz. dix Les hadrons sont construits à partir de quarks. Un proton (top) est composé de deux quarks up et d'un quark d. Le pion le plus léger (en bas) est un méson composé d'un quark u et d'un antiquark d. Les autres hadrons sont toutes sortes de combinaisons de quarks.

L'idée principale de cette théorie est très simple. Tous les hadrons sont constitués de particules plus petites appelées quarks. Les quarks peuvent se combiner entre eux de deux manières moyens possibles: soit en triplets, soit en paires quark-antiquark. Les particules relativement lourdes sont constituées de trois quarks - les baryons, ce qui signifie « particules lourdes ». Les baryons les plus connus sont le neutron et le proton. Les paires quark-antiquark plus légers forment des particules appelées mésons -« particules intermédiaires ». Le choix de ce nom s'explique par le fait que les premiers mésons découverts occupaient une position intermédiaire en masse entre les électrons et les protons. Pour prendre en compte tous les hadrons alors connus, Gell-Mann et Zweig ont introduit trois types différents (« saveurs ») de quarks, qui ont reçu des noms plutôt fantaisistes : Et(depuis en haut- supérieur), d(depuis vers le bas - inférieur) et s (de étrange- étrange). En permettant diverses combinaisons de saveurs, on peut expliquer l’existence d’un grand nombre de hadrons. Par exemple, un proton est constitué de deux Et- et un quark d (Fig. 10), et le neutron est composé de deux quarks d et d'un quark u.

Pour que la théorie proposée par Gell-Mann et Zweig soit efficace, il faut supposer que les quarks portent une charge électrique fractionnaire. En d’autres termes, ils ont une charge dont la valeur est soit 1/3, soit 2/3 de l’unité fondamentale – la charge de l’électron. Une combinaison de deux et trois quarks peut avoir une charge nette égal à zéro ou unité. Tous les quarks ont un spin 1/2. ils sont donc classés comme fermions. Les masses des quarks ne sont pas déterminées avec autant de précision que celles des autres particules, puisque leur énergie de liaison dans un hadron est comparable aux masses des quarks eux-mêmes. Cependant, on sait que le quark s est plus lourd Et- et les quarks D.

À l’intérieur des hadrons, les quarks peuvent se trouver dans des états excités, un peu comme les états excités d’un atome, mais avec des énergies beaucoup plus élevées. L'excès d'énergie contenu dans un hadron excité augmente tellement sa masse qu'avant la création de la théorie des quarks, les physiciens prenaient par erreur les hadrons excités pour des particules complètement différentes. Il est maintenant établi que bon nombre de hadrons apparemment différents ne sont en fait que des états excités du même ensemble fondamental de quarks.

Comme déjà mentionné au Chap. 5, les quarks sont maintenus ensemble par une forte interaction. Mais ils participent aussi à des interactions faibles. L'interaction faible peut changer la saveur d'un quark. C’est ainsi que se produit la désintégration des neutrons. L'un des quarks d du neutron se transforme en quark u et la charge excédentaire entraîne l'électron qui naît en même temps. De même, en changeant de saveur, l’interaction faible conduit à la désintégration d’autres hadrons.

L'existence des quarks S est nécessaire à la construction de particules dites « étranges » - des hadrons lourds, découverts au début des années 50. Le comportement inhabituel de ces particules, qui suggère leur nom, était qu'elles ne pouvaient pas se désintégrer en raison de fortes interactions, bien qu'elles-mêmes et leurs produits de désintégration soient des hadrons. Les physiciens se demandent pourquoi, si les particules mère et fille appartiennent à la famille des hadrons, la force puissante ne provoque pas leur désintégration. Pour une raison quelconque, ces hadrons « préféraient » l’interaction faible, beaucoup moins intense. Pourquoi? La théorie des quarks a naturellement résolu ce mystère. L'interaction forte ne peut pas changer la saveur des quarks - seule l'interaction faible peut le faire. Et sans changement de saveur, accompagné de la transformation du quark s en Et- ou quark d, la désintégration est impossible.

Dans le tableau La figure 2 présente les différentes combinaisons possibles de quarks à trois saveurs et leurs noms (généralement juste une lettre grecque). De nombreux états excités ne sont pas représentés. Le fait que tous les hadrons connus pouvaient être obtenus à partir de diverses combinaisons des trois particules fondamentales symbolisait le principal triomphe de la théorie des quarks. Mais malgré ce succès, quelques années plus tard seulement, il fut possible d'obtenir des preuves physiques directes de l'existence des quarks.

Cette preuve a été obtenue en 1969 dans une série d'expériences historiques menées au grand accélérateur linéaire de Stanford (Californie, États-Unis) - SLAC. Les expérimentateurs de Stanford raisonnaient simplement. S'il y a réellement des quarks dans le proton, alors des collisions avec ces particules à l'intérieur du proton peuvent être observées. Il suffit d’un « projectile » subnucléaire qui pourrait être dirigé directement dans les profondeurs du proton. Il est inutile d’utiliser à cet effet un autre hadron, puisqu’il a les mêmes dimensions qu’un proton. Un projectile idéal serait un lepton, comme un électron. Puisque l’électron ne participe pas à l’interaction forte, il ne « restera pas coincé » dans le milieu formé par les quarks. Dans le même temps, un électron peut détecter la présence de quarks grâce à la présence d’une charge électrique.

Tableau 2

Les trois saveurs des quarks, u, d et s, correspondent aux charges +2/3, -1/3 et -1/3 ; ils se combinent par trois pour former les huit baryons indiqués dans le tableau. Les paires quark-antiquark forment des mésons. (Certaines combinaisons, telles que sss, sont omises.)

Dans l’expérience de Stanford, l’accélérateur de trois kilomètres agissait essentiellement comme un « microscope » électronique géant permettant d’imager l’intérieur d’un proton. Un microscope électronique conventionnel peut distinguer des détails inférieurs à un millionième de centimètre. Un proton, en revanche, est plusieurs dizaines de millions de fois plus petit et ne peut être « sondé » que par des électrons accélérés à une énergie de 2,1010 eV. À l’époque des expériences de Stanford, peu de physiciens adhéraient à la théorie simplifiée des quarks. La plupart des scientifiques s'attendaient à ce que les électrons soient déviés par les charges électriques des protons, mais on supposait que la charge était uniformément répartie au sein du proton. Si tel était réellement le cas, il se produirait principalement une faible diffusion des électrons, c'est-à-dire En traversant les protons, les électrons ne subiraient pas de fortes déviations. L’expérience a montré que le modèle de diffusion diffère fortement de celui attendu. Tout s'est passé comme si des électrons volaient dans de minuscules inclusions solides et rebondissaient sur elles sous les angles les plus incroyables. Nous savons maintenant que ces inclusions solides à l’intérieur des protons sont des quarks.

En 1974, la version simplifiée de la théorie des quarks, qui était alors reconnue parmi les théoriciens, reçut un coup sensible. À quelques jours d'intervalle, deux groupes de physiciens américains - l'un à Stanford dirigé par Barton Richter, l'autre au Brookhaven National Laboratory dirigé par Samuel Ting - ont annoncé indépendamment la découverte d'un nouveau hadron, appelé particule psi. En soi, la découverte d'un nouveau hadron ne serait guère remarquable si ce n'était d'une circonstance : le fait est que dans le schéma proposé par la théorie des quarks, il n'y avait pas de place pour une seule nouvelle particule. Toutes les combinaisons possibles de quarks up, d et s et de leurs antiquarks ont déjà été « épuisées ». De quoi est constituée une particule psi ?

Le problème a été résolu en se tournant vers une idée qui était dans l’air depuis un certain temps : il devrait y avoir une quatrième odeur que personne n’avait jamais observée auparavant. Le nouveau parfum avait déjà son nom - charm (charme), ou s. Il a été suggéré qu'une particule psi est un méson constitué d'un quark c et d'un antiquark c (c), c'est-à-dire cc. Étant donné que les antiquarks sont porteurs d'anti-saveur, le charme de la particule psi est neutralisé et, par conséquent, la confirmation expérimentale de l'existence d'un nouveau goût (charme) a dû attendre la découverte de mésons, dans lesquels les quarks charmes étaient associés à des anti-quarkamps. d'autres saveurs. Toute une chaîne de particules enchantées est désormais connue. Ils sont tous très lourds, donc le quark charme s'avère plus lourd que le quark étrange.

La situation décrite ci-dessus s'est répétée en 1977, lorsque le méson upsilon (UPSILON) est apparu sur la scène. Cette fois, sans trop d'hésitation, une cinquième saveur a été introduite, appelée b-quark (de bas en bas, et plus souvent beauté - beauté ou charme). Le méson upsilon est une paire quark-antiquark composée de quarks b et possède donc une beauté cachée ; mais, comme dans cas précédent, une autre combinaison de quarks a permis finalement de découvrir la « beauté ».

Les masses relatives des quarks peuvent être jugées au moins par le fait que le plus léger des mésons, le pion, est constitué de paires Et- et les quarks D avec les antiquarks. Le méson psi est environ 27 fois plus lourd que le pion et le méson upsilon est au moins 75 fois plus lourd.

L'élargissement progressif de la liste des arômes connus s'est produit parallèlement à l'augmentation du nombre de leptons ; la question évidente était donc de savoir s’il y aurait un jour une fin. Les quarks ont été introduits pour simplifier la description de toute la variété des hadrons, mais même aujourd'hui, on a le sentiment que la liste des particules s'allonge à nouveau trop rapidement.

Depuis l'époque de Démocrite, l'idée fondamentale de l'atomisme est la reconnaissance du fait qu'à une échelle suffisamment petite, il doit exister de véritables particules élémentaires dont les combinaisons constituent la matière qui nous entoure. L'atomisme est attrayant car les particules fondamentales indivisibles (par définition) doivent exister en nombre très limité. La diversité de la nature est due à un grand nombre non pas leurs éléments constitutifs, mais leurs combinaisons. Lorsqu'on a découvert qu'il existait de nombreux noyaux atomiques différents, l'espoir a disparu que ce que nous appelons aujourd'hui atomes correspondait à l'idée des anciens Grecs sur les particules élémentaires de la matière. Et bien que, selon la tradition, nous continuions à parler de divers « éléments » chimiques, on sait que les atomes ne sont pas du tout élémentaires, mais sont constitués de protons, de neutrons et d'électrons. Et comme le nombre de quarks s’avère trop important, il est tentant de supposer qu’il s’agit également de systèmes complexes constitués de particules plus petites.

Bien que le schéma des quarks suscite un certain mécontentement pour cette raison, la plupart des physiciens considèrent que les quarks sont véritablement particules élémentaires- point, indivisible et sans structure interne. À cet égard, elles ressemblent aux peptones, et on a longtemps supposé qu’il devait exister une relation profonde entre ces deux familles distinctes mais structurellement similaires. La base de ce point de vue découle d'une comparaison des propriétés des leptons et des quarks (tableau 3). Les leptons peuvent être regroupés par paires en associant chaque lepton chargé à un neutrino correspondant. Les quarks peuvent également être regroupés par paires. Tableau 3 est composé de telle manière que la structure de chaque cellule répète celle située directement devant elle. Par exemple, dans la deuxième cellule, le muon est représenté comme un « électron lourd », et les quarks charmés et étranges sont représentés comme des variantes lourdes. Et- et les quarks D. Dans l’encadré suivant, vous pouvez voir que le lepton tau est un « électron » encore plus lourd et que le quark b est une version lourde du quark d. Pour une analogie complète, nous avons besoin d'un neutrino supplémentaire (tau-leptonium) et d'un sixième type de quarks, qui a déjà reçu le nom de vrai (vérité, t). Au moment de la rédaction de ce livre, les preuves expérimentales de l’existence des quarks top n’étaient pas encore assez convaincantes, et certains physiciens doutaient même de l’existence des quarks top.

Tableau 3

Les leptons et les quarks s'associent naturellement. comme indiqué dans le tableau. Le monde qui nous entoure est constitué des quatre premières particules. Mais les groupes suivants répètent apparemment le groupe supérieur et sont constitués, dans la couronne de neutrinos, de particules extrêmement instables.

Peut-il y en avoir un quatrième, un cinquième, etc. des vapeurs contenant des particules encore plus lourdes ? Si tel est le cas, la prochaine génération d’accélérateurs donnera probablement aux physiciens la possibilité de détecter de telles particules. Cependant, une considération intéressante est exprimée, d'où il résulte qu'il n'y a pas d'autres paires que les trois nommées. Cette considération est basée sur le nombre de types de neutrinos. On apprendra bientôt qu'au moment du Big Bang, qui marqua l'émergence de l'Univers, il y eut une intense création de neutrinos. Une sorte de démocratie garantit à chaque type de particule la même part d'énergie que les autres ; par conséquent, plus il y a de types de neutrinos différents, plus la mer de neutrinos remplissant l'espace contient d'énergie. Les calculs montrent que s'il y avait plus de trois variétés de neutrinos, la gravité créée par chacun d'eux aurait un effet perturbateur important sur les processus nucléaires qui se sont produits au cours des premières minutes de la vie de l'Univers. Par conséquent, de ces considérations indirectes découle une conclusion très plausible selon laquelle les trois paires présentées dans le tableau. 3, tous les quarks et leptons qui existent dans la nature sont épuisés.

Il est intéressant de noter que toute la matière ordinaire de l'Univers est constituée seulement de deux leptons les plus légers (électron et neutrino électronique) et de deux quarks les plus légers ( Et Et d). Si tous les autres leptons et quarks cessaient soudainement d’exister, alors très peu de choses changeraient dans le monde qui nous entoure.

Peut-être que les quarks et les leptons les plus lourds jouent le rôle d'une sorte de sauvegarde pour les quarks et les leptons les plus légers. Tous sont instables et se désintègrent rapidement en particules situées dans la cellule supérieure. Par exemple, le lepton tau et le muon se désintègrent en électrons, tandis que les particules étranges, charmées et belles se désintègrent assez rapidement en neutrons ou en protons (dans le cas des baryons) ou en leptons (dans le cas des mésons). La question se pose: Pour quoi Existe-t-il toutes ces particules de deuxième et troisième génération ? Pourquoi la nature en avait-elle besoin ?

Fractionnement des noyaux atomiques divers éléments est actuellement assez largement utilisé. Toutes les centrales nucléaires fonctionnent par réaction de fission ; le principe de fonctionnement de toutes les armes nucléaires repose sur cette réaction. Dans le cas d'une réaction contrôlée ou en chaîne, l'atome, s'étant divisé en parties, ne peut plus se regrouper et revenir à son état d'origine. Mais, en utilisant des principes et des lois mécanique quantique Les scientifiques ont réussi à diviser un atome en deux moitiés et à les relier à nouveau sans violer l'intégrité de l'atome lui-même.

Des scientifiques de l'Université de Bonn ont utilisé le principe de l'incertitude quantique, qui permet aux objets d'exister dans plusieurs états à la fois. Dans l'expérience, à l'aide de quelques astuces physiques, les scientifiques ont forcé un seul atome à exister à deux endroits à la fois, la distance entre eux était d'un peu plus d'un centième de millimètre, ce qui à l'échelle atomique est tout simplement une distance énorme. .

Tel effets quantiques ne peut apparaître que dans des cas extrêmes basses températures. Un atome de césium a été refroidi par la lumière laser à une température d’un dixième de millionième de degré au-dessus du zéro absolu. L’atome refroidi a ensuite été piégé optiquement par un faisceau de lumière provenant d’un autre laser.

On sait que le noyau d’un atome peut tourner dans deux directions : selon le sens de rotation, la lumière laser pousse le noyau vers la droite ou vers la gauche. "Mais un atome, dans un certain état quantique, peut avoir une "personnalité divisée", une moitié tournant dans un sens, l'autre dans le sens opposé. Mais, en même temps, l'atome est toujours un objet entier, », explique le physicien Andreas Steffen. Ainsi, le noyau d'un atome, dont des parties tournent dans des directions opposées, peut être divisé par un faisceau laser en deux parties et ces parties de l'atome peuvent être séparées sur une distance considérable, ce que les scientifiques ont réussi à réaliser au cours de leur expérience. .

Les scientifiques affirment qu'en utilisant une méthode similaire, il est possible de créer ce que l'on appelle des « ponts quantiques », qui sont des conducteurs d'informations quantiques. Un atome d’une substance est divisé en moitiés qui s’écartent jusqu’à ce qu’elles entrent en contact avec des atomes adjacents. Il se forme quelque chose comme une chaussée, une travée reliant deux piliers d'un pont, le long de laquelle des informations peuvent être transmises. Cela est possible du fait qu'un atome divisé de cette manière continue de rester un tout unique au niveau quantique du fait que les parties de l'atome sont intriquées au niveau quantique.

Les scientifiques de l'Université de Bonn vont utiliser cette technologie pour simuler et créer des systèmes quantiques. «Pour nous, l'atome est comme un engrenage bien huilé», explique le Dr Andrea Alberti, chef d'équipe. "En utilisant plusieurs de ces engrenages, vous pouvez créer un dispositif informatique quantique avec des caractéristiques qui dépassent de loin celles des ordinateurs les plus avancés. Il vous suffit d'être capable de positionner et de connecter correctement ces engrenages."

Sélectionnez l'isotope approprié. Certains éléments ou isotopes subissent une désintégration radioactive et différents isotopes peuvent se comporter différemment. L'isotope le plus courant de l'uranium a un poids atomique de 238 et est constitué de 92 protons et 146 neutrons, mais ses noyaux absorbent généralement les neutrons sans se diviser en noyaux d'éléments plus légers. Un isotope de l'uranium dont le noyau contient trois neutrons de moins, 235 U, se fissile beaucoup plus facilement que le 238 U et est appelé un isotope fissile.

• Lorsque l'uranium se divise (fissions), trois neutrons sont libérés, qui entrent en collision avec d'autres atomes d'uranium, provoquant une réaction en chaîne.
• Certains isotopes se divisent si facilement et si rapidement qu’il est impossible de maintenir une réaction nucléaire constante. Ce phénomène est appelé désintégration spontanée ou spontanée. Par exemple, l'isotope du plutonium 240 Pu est sujet à une telle désintégration, contrairement au 239 Pu, qui a un taux de fission plus faible.

Pour que la réaction se poursuive après la désintégration du premier atome, suffisamment d’isotopes doivent être collectés. Pour ce faire, vous devez disposer d'un certain quantité minimale isotope fissile qui soutiendra la réaction. Cette quantité est appelée masse critique. Pour atteindre la masse critique et augmenter le risque de décomposition, une quantité suffisante de matière première est nécessaire.

Tirez-en un noyau atomique isotope dans un autre noyau du même isotope. Les particules subatomiques étant rares sous forme libre, il est souvent nécessaire de les séparer des atomes contenant ces particules. Une façon d’y parvenir consiste à projeter un atome d’un isotope sur un autre du même atome.

• Cette méthode a été utilisée pour créer la bombe atomique 235 U larguée sur Hiroshima. Une arme semblable à un canon avec un noyau d'uranium a tiré des atomes de 235 U sur une cible composée d'atomes similaires de 235 U. Les atomes ont volé assez vite pour que les neutrons libérés par eux pénètrent dans les noyaux d'autres atomes de 235 U et les divisent. La fission, à son tour, a libéré des neutrons, qui ont divisé 235 atomes d'U supplémentaires.

Bombardez les noyaux d’un isotope fissile avec des particules subatomiques. Une seule particule subatomique peut frapper un atome de 235 U et le diviser en deux atomes distincts d'autres éléments, libérant ainsi trois neutrons. Les particules subatomiques peuvent être produites à partir d’une source contrôlée (comme un canon à neutrons) ou créées par des collisions de noyaux. Trois types de particules subatomiques sont couramment utilisées.

• Protons. Ces particules subatomiques ont une masse et une charge électrique positive. Le nombre de protons dans un atome détermine de quel élément il s’agit.
• Neutrons. Ces particules subatomiques ont la même masse qu’un proton, mais elles sont neutres (sans charge électrique).
• Particules alpha. Ces particules sont les noyaux dépourvus d’électrons des atomes d’hélium. Ils sont constitués de deux protons et de deux neutrons.