Файл: Богуш А.А. Элементарные частицы.pdf

пор играют немалую роль в творческой дея­ тельности каждого ученого, каждого исследо­ вателя. Но в конечном счете отнюдь не это является определяющей, движущей силой на­ учного прогресса, неиссякаемым первоисточ­ ником творческого вдохновения и новых сил работника науки.

Человек призван стать полновластным хо­ зяином природы. А для того чтобы воплотить в жизнь эту грандиозную задачу, чтобы по­ ставить богатства и силы природы на службу человечеству, он должен в совершенстве по­ нять и овладеть самыми сокровенными тай­ нами ее бытия. И пусть на первом этапе развития той или иной отрасли знания, про­ никновения в новую область науки о природе человек ставил и решал задачи чисто позна­ вательного характера. Впоследствии неиз­ бежно «встает вопрос,— говорит академик Тамм,— о возможных практических приложе­ ниях исследований в этой области. Вся исто­ рия развития науки свидетельствует, что овладение новой областью знания обычно при­ водит к совершенно неожиданным примене­ ниям, о которых сами первооткрыватели не могли думать. Позвольте напомнить, что Ген­ рих Герц экспериментально обнаружил суще­ ствование электромагнитных волн, предска­ занных Максвеллом. Но когда Герца спроси­ ли, могут ли эти волны быть применены для практических целей, он категорически отве­ тил •— нет, никогда никакого практического значения они иметь не будут. А мы знаем, что уже через пять-шесть лет первая, правда при­ митивная, беспроволочная связь была осуще-

12

ствлена, а в наше время радио — неотъемле­ мая часть жизни человека».

Другой пример такого рода привел в сво­ ем ответе на вопрос, какое практическое зна­ чение имеет изучение физики элементарных частиц, известный американский физик Вайскопф на встрече с журналистами после окон­ чания работы Дубненской конференции. Когда в начале нашего века, говорил он, ученые на­ чали изучение свойств атомного ядра, никто даже не подозревал, к каким практическим последствиям приведут эти исследования.

Саженцы в питомнике требую!1 от садово­ да особого ухода, значительно большего вни­ мания, чем деревья, которые уже плодоносят. Геологическая разведка и поиски новых ме­ сторождений полезных ископаемых доставля­ ют больше забот, чем действующие уже руд­ ники, шахты, нефтяные вышки. В конце кон­ цов и сам человек только через 20—30 лет после рождения начинает приносить практи­ ческую пользу обществу. А ведь сколько вни­ мания и забот требует воспитание, обучение и подготовка к практической деятельности под­ растающего поколения.

Так и в науке. Непрерывность процесса развития, систематическое продвижение впе­ ред немыслимы без постоянного расширения фронта научных исследований, без поисков новых направлений и путей в науке, без под­ готовки почвы для новых работ. Это — объ­ ективная закономерность развития науки, ко­ торая определяет все возрастающую роль ее в деле человеческого прогресса и техническо­ го прогресса в частности.

13

счете экономический прогресс и резкое повы­ шение производительности труда, лежат те или иные свойства элементарных частиц. Даже ис­ пользуемый человечеством на протяжении мно­ гих веков древнейший вид энергии—тепло, вы­

известной элементарной частицей — электро­ ном. Процесс горения, по современным пред­ ставлениям, основан на изменении химиче­ ских связей в молекуле, за которые как раз и ответственны электроны. Изменение этих свя­ зей в процессах горения и приводит к высво­ бождению химической энергии в виде тепла.

Со свойствами электрона связано в первую очередь производство электроэнергии. Про­ мышленный электрический ток — это не что иное, как направленное движение электронов в проводниках. Генерируемое на электростан­ циях электрическое поле, действуя на элек­ трические заряды электронов, заставляет их двигаться, производя ту или иную работу. Та­ ким образом, электрическая энергия, которая преобразила всю нашу планету, не могла бы занять господствующего положения в энерге­ тике наших дней, если бы не электрическая природа электрона.

Новый прогресс в энергетике — ядерная энергетика — связан с использованием прямо­ противоположного свойства другой из элемен­ тарных частиц — нейтрона. Только благодаря тому, что нейтрон не имеет электрического за­

15

ряда, удалось с его помощью вызвать цепную реакцию в ядерном горючем (уране или плу­ тонии). Па этот вид топлива в настоящее вре­ мя возлагаются большие надежды, так как разведанные запасы ядерного горючего по своей потенциальной калорийности намного превышают все известные ныне запасы хими­ ческого топлива. Таким образом, сама воз­ можность высвобождения как химической, так и ядерной энергии, их передачи и превраще­ ния в другие виды энергии непосредственно связана со свойствами двух элементарных ча­ стиц: электрона и нейтрона.

В наши дни элементарные частицы служат не только «рабочим телом» (электроны) для передачи электроэнергии и «катализатора­ ми» (нейтроны) цепной ядерной реакции. Ин­ тенсивные потоки различных элементарных частиц все шире и шире начинают применять­ ся в медицине. Сегодня нельзя себе предста­ вить клинику или больницу без рентгеновской установки. А ведь рентгеновы лучи — это не что иное, как поток элементарных частиц — фотонов со сравнительно большой энергией. Лучи еще более высоких энергий (гамма-лу­ чи), получаемые на ускорителях илшот радио­ активных препаратов, используются для ле­ чения различных злокачественных опухолей. Но при лечении опухоли гамма-лучами не­ вольно облучаются и здоровые ткани. Поэто­

но отличаются от гамма-лучей тем, что их мо­ жно сконцентрировать в небольшой по разме-

16

рам области на определенном расстоянии от источника, и в частности в месте расположения опухоли, находящейся глубоко в теле челове­ ка. Тем самым можно добиться нужной кон­ центрации, существенно не повреждая здоро­ вых тканей, находящихся на пути движения потока частиц.

Еще более тонким инструментом в руках медика является поток заряженных пи-мезо­ нов. Замечательной особенностью этих частиц является то, что они существуют очень корот­ кое время. Примерно через стомиллионную долю секунды (10~8) заряженные пи-мезоны распадаются на другие частицы, выделяя в момент распада почти всю свою энергию. С другой стороны, что особенно важно, время жизни пи-мезонов (как и других короткоживущих частиц) зависит от скорости их движе­ ния. Чем быстрее движется пи-мезон, тем дольше он живет и тем большее расстояние он проходит до места своего распада. В итоге, изменяя скорость пи-мезонов, т. е. изменяя их кинетическую энергию, мы получаем возмож­ ность по своему желанию изменять длину пробега этих частиц от нескольких миллимет­ ров до сотен и более метров. •

Используя эти свойства, можно добиться того, что основная масса пи-мезонов, почти не затрагивая здоровых тканей человека, будет практически распадаться внутри ограничен­ ной, даже очень малой по объему опухоли. Их действие во много раз эффективнее, чем действие любых других частиц. По имею­ щимся сведениям, очень хорошие результаты дает применение потока пи-мезонов при облу-

чении злокачественных опухолей головного мозга, где использование других частиц не совсем приемлемо из-за того, что даже нич­ тожные повреждения здоровой массы вещест­ ва мозга очень опасны.

Таким образом, использование элементар­ ных частиц в медицине открывает новые ши­ рокие перспективы для борьбы за здоровье человека. Количество ускорительных устано­ вок для медицинских целей растет с каждым годом как в нашей стране, так и за рубежом. В Московском онкологическом институте есть установка для лечения опухолей пучком бы­ стрых электронов. Одна такая установка, рас­ считанная на пучок электронов большой ин­ тенсивности строится при Научно-исследова­ тельском онкологическом институте в столице Белоруссии — Минске.

Внаш век человечество начало штурмовать просторы Вселенной. На пути освоения

космоса стоят огромные трудности, связан­ ные не только с техническими и биологиче­ скими проблемами, но и все еще далеко не полным знанием свойств космических объек­ тов, Солнца, планет, звезд. Мало мы знаем и о самом космическом пространстве с его мете­ оритами, космической пылыо, гравитационны­ ми и магнитными полями, межпланетным га­ зом и космическими лучами. При изучении все­ го комплекса этих объектов и явлений наряду с астрономическими исследованиями большую ценность представляет исследование потоков космических лучей, почти целиком состоящих из быстро несущихся элементарных частиц.

19

Образовавшиеся в недрах сверхновых звезд космические лучи, прежде чем попасть на Землю, проходят гигантские расстояния. На своем пути они сталкиваются с частицами межзвездной материи и в результате этого меняются по своему составу. Степень измене­ ния состава космических лучей, о которой можно судить, сравнивая распространен­ ность различных химических элементов на Земле с присутствием их в космических лу­ чах, позволила судить о составе и плотности межзвездной материи. Это оказалось возмож­ ным еще и потому, что в теории взаимодейст­ вия элементарных частиц с веществом достиг­ нуты значительные успехи, позволяющие предсказать, какие ядерные реакции должны идти при столкновении космических частиц с межзвездной материей того или иного соста­ ва. Было установлено, что межзвездная мате­ рия состоит в основном из водорода со сред­ ней плотностью 10—30 атомов в одном литре. Таким образом, элементарные частицы необъ­ ятных просторов Вселенной несут с собой све­ дения о космическом пространстве.

Но элементарные частицы космических лу­ чей не являются беспристрастными обитателя­ ми околоземного пространства, несущими с собой только тайну своего происхождения. Они активные участники событий, разыгры­ вающихся во всей толще воздушной оболочки нашей планеты. Они образуют недавно откры­ тые радиационные пояса, окружающие нашу планету на высотах 100 и 800 км. Радиа"- ционный пояс — этообласть, в которой ме­ чутся заряженные элементарные частицы (в

20

основном электроны и протоны), захваченные магнитным полем Земли. Плотность потока этих частиц не так мала (порядка 10 частиц¡см2 • сек) и представляет реальную опас­ ность для космических полетов. Поэтому, в частности, полеты космических кораблейспутников с людьми на борту совершаются лишь на высотах, свободных от космических поясов с повышенной радиацией.

Врываясь в атмосферу, космические лучи оказывают свое влияние на условия распро­ странения радиоволн и состояние магнитных полей в околоземном пространстве. Это ста­ новится заметным во время бурной деятель­ ности Солнца, особенно в момент образования на нем вспышек. Солнце досылает на Землю в это время интенсивные потоки частиц, в ос­ новном состоящие из протонов. Поток прото­ нов, несущийся от Солнца, в такие моменты представляет значительную радиационную опасность для космонавта,, находящегося за пределами защитной воздушной оболочки Земли (доза облучения может достигать сот­ ни рентген). Достигая пределов воздушной оболочки Земли, космические лучи произво­ дят существенное изменение в атмосфере, на­ рушая радиосвязь и вызывая магнитные бури.

Проходя сквозь более плотные слои атмо­ сферы, космические лучи ионизируют ее. Ме­ жду прочим, факт ионизации воздуха послу­ жил первым доказательством существования космических лучей. Вместе с тем благодаря своей большой энергии космические лучи вы­ зывают самые разнообразные ядерные реак­ ции на ядрах атомов воздушной оболочки,

21