7. Непонятная радиоактивность. - Проблемы мировоззрения - А.Н. Барбараш - Философия как наука

Переходя от космического размерного уровня к уровню атомов и элементарных частиц, мы сталкиваемся ещё с одним необъяснимым хаотическим процессом – со спонтанным распадом атомов и частиц. Более или менее стабильными оказываются только атомы, ядра которых имеют некоторое определённое соотношение протонов и нейтронов. В ядрах с аномальным перевесом протонов один из них спонтанно распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино. Так происходит, например, при радиоактивном превращении натрия-22 в неон-22 с периодом полураспада 2,6 года, или в случае превращения фосфора-30 в кремний-30 и т.п. И, наоборот, в ядрах с аномальным перевесом нейтронов один из них спонтанно распадается на протон, электрон и антинейтрино, например, при радиоактивном превращении стронция-90 в иттрий-90 или свинца-214 в висмут-214. Аналогично распадается (на протон, электрон и антинейтрино) также свободный нейтрон, при чём это происходит с периодом полураспада всего 16 минут!

Удивительной стороной подобных явлений оказывается то, что ни у радиоактивных атомов, ни у нуклонов их ядер не замечено никаких „возрастных” изменений, никаких признаков старения. Распад каждого отдельного ядра или частицы происходит совершенно случайно. Но во множестве атомов или частиц процесс распада строго закономерен. Это заставляет думать, что радиоактивный распад частиц, составляющих ядра атомов, а отсюда и самих атомов, вызывается каким-то маловероятным, но неминуемым спонтанным процессом.

С точки зрения физики элементарных частиц, протоны и нейтроны состоят из кварков – из частиц, свойства которых удаётся исследовать на ускорителях, но которые не удалось извлечь в чистом виде. Каждый из кварков обозначен буквой. Комбинация кварков, составляющих протон, обозначается буквами uud, а нейтрон, соответственно, udd. Упоминавшийся распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино является следствием превращения кварка u в кварк d. Аналогично, распад протона на нейтрон, позитрон и нейтрино – следствие противоположного превращения кварков. Теория предполагает, что в ядре атома нуклоны теряют индивидуальность, взаимоотношения между их кварками приобретают коллективный характер, создавая единое сообщество кварков атомного ядра.

Кварки относятся к фермионам и подчиняются так называемому запрету Паули, не разрешающему пребывать вместе двум частицам, находящимся в одинаковом состоянии. Поэтому и в протоне, и в нейтроне два кварка, обозначаемые одинаковыми буквами, обязательно должны отличаться друг от друга. Это отличие было названо цветом, а его носитель – цветовым зарядом. Теория сильных взаимодействий – квантовая хромодинамика – говорит о существовании трёх типов цветовых зарядов, обеспечивающих объединение кварков и антикварков в сильном взаимодействии. Каждый кварк обладает некоторой комбинацией этих зарядов, но полной их взаимокомпенсации в одной частице не происходит, поэтому кварк обладает результирующим цветом, то есть, сохраняет способность к сильному взаимодействию. Но когда три кварка объединяются в протон или нейтрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в каждом из них такова, что нуклон, как частица, оказывается нейтральным в отношении цвета. [Ровинский, 2001]

Основная функция сильного взаимодействия – соединять кварки и антикварки в нуклоны. Функция слабого взаимодействия обратная, она состоит в разрушении сложных микрочастиц, если какой-то из входящих в их состав элементов обладает слабым зарядом. Слабое взаимодействие переводит один фермион в другой, не меняя при этом его цветового заряда. Подобные превращения не проходят безболезненно для составных частиц, содержащих слабо взаимодействующие кварки, эти образования распадаются, трансформируясь в другие частицы. При этом фундаментальными загадками остаются, как причина редких спонтанных превращений одного кварка в другой, так и зависимость вероятности таких превращений от соотношения протонов и нейтронов в ядре атома.