Ворона ніколи не вивчала фізику, але чу- дово застосовує її на практиці

Ворона ніколи не вивчала фізику, але чу-

дово застосовує її на практиці. Щоб розколоти

міцний горішок, розумна пташка піднімається

на висоту п’ятого поверху і кидає його на камін-

ня або асфальт. Падаючи, горіх набуває швидкості

і розбивається внаслідок сильного удару. Вороні

залишається лише зібрати смачну середину, яка хо-

валася під міцною шкаралупою.

Атоми, з яких складається горіх, у такий спосіб не

розбити – необхідно набагато більше енергії. Тому фізи-

ки придумали спеціальні прискорювачі, в яких частинки

речовини спочатку розганяють майже до швидкості світла

і лише потім зіштовхують їх. Унаслідок таких зіткнень мож-

на отримати частинки, з яких складаються усі тіла у Всесвіті,

у тому числі горіх, ворона, журнал „КОЛОСОК” і ми з вами. Але

навіть ворона-експериментатор знає, що уламки горіха, які

розлітаються, небезпечні, адже вони можуть поранити. Уламки

атомів небезпечніші у мільйони разів! Розлітаючись із величез-ною швидкістю, вони можуть нашкодити здоров’ю людини

і навіть убити її. Тому вчені будують прискорювачі глибоко

під землею. Найпотужніший прискорювач у світі розташова-

ний на межі Швейцарії та Франції у скелях на глибині 100 м.

Це – Великий адронний колайдер, скорочено ВАК (LHC).

Щоб зрозуміти, навіщо його зробили великим, розгля-

немо сучасну модель атома. Нагадаємо, що атом – дуже

маленький. На фото ви бачите зламану волосину людини

товщиною 0,08 мм під мікроскопом. Таку товщину можна

отримати, якщо поставити у ряд приблизно 250 тисяч ато-

мів. А всередині атома знаходиться ядро, менше за атом

приблизно у 10 тисяч разів. Якщо ядро збільшити до роз-

мірів горіха, то в такий „атом” поміститься футбольне поле!

Найдивовижніше те, що майже вся маса атома зосередже-

на у позитивно зарядженому ядрі, а навколо обертаються

легкі, негативно заряджені частинки – електрони.

Розглянемо ядро ближче. У всіх атомів воно складається

з позитивно заряджених протонів і незаряджених нейтро-

нів (окрім атома Гідрогену, ядро якого складається лише з

одного протона). Змінюючи кількість протонів і нейтронів,

ми можемо отримати всі хімічні елементи таблиці Менде-

лєєва. Треба лише пам’ятати, що кількість протонів визна-

чає хімічні властивості атома. Наприклад, як тільки в ядра

атома ртуті забрати один протон, то це вже буде ядро ато-

ма золота. Але забрати або додати протон виявилося спра-

вою складною, тому вартість такого золота буде у десятки

разів більшою, ніж видобутого з золотої руди. Щоб з’ясувати, з чого складаються протони і нейтрони, учені зіштовху-

ють частинки на великій швидкості, і за допомогою спеціальних датчиків

вловлюють їхні уламки. Ці експерименти дуже дорогі й у звичайній лабо-

раторії їх не проведеш. Тому 1953 року 12 європейських країн підписали

угоду про створення Європейської організації ядерних дослідженнях ЦЕРН

(CERN). Абревіатура CERN утворена від французького Conseil Européen pour

la Recherche Nucléaire (Європейська рада з ядерних досліджень). Зараз до

організації входить 20 країн. Крім того, деякі країни і міжнародні організації

мають статус спостерігачів. У ЦЕРНі постійно працює приблизно 2 500 лю-

дей, ще майже 8 000 фізиків та інженерів із 580 університетів та інститутів

з 85 країн беруть участь у міжнародних експериментах ЦЕРНу і працюють

там тимчасово, у тому числі вчені з України.

ЦЕРН знаходиться поблизу Женеви. Територія ЦЕРНу складається з двох

основних і декількох менших за розмірами майданчиків. Великий комплекс

споруд включає робочі кабінети, лабораторії, виробничі приміщення, скла-

ди, зали для конференцій, житлові приміщення, їдальні. Прискорювальний

комплекс розташований і на поверхні (старі прискорювачі Linac, PS), і під

землею – на глибині до 100 м (сучасніші, SPS, LHC).

Частинки розганяють у декілька етапів. Спочатку протони або важкі іони

(наприклад, атома свинцю) розганяють у лінійних прискорювачах Linac2,

Linac3. Потім у прискорювачі PS Booster їхня швидкість збільшується, і вони

потрапляють у протонний суперсинхротрон (на схемі – SPS, Super Proton

Synchrotron). Уперше його запустили 1971 року. У кільці діаметром 2 км час-

тинки розганяються майже до швидкості світла, потім розділяються на двапотоки і рухаються назустріч у великому кільці адронного колайдера за-

вдовжки 26,7 км (на схемі – LHC, Large Hadron Collider).

Кільце колайдера розділене на вісім рівних секторів, у кожному з яких

установлені магніти, які керують рухом пучка протонів. Під дією магнітного

поля елементарні частинки не вилітають по дотичній за межі кільця, а ру-

хаються усередині. Усього вздовж тунелю встановлені 1 624 магніти. Їхня

загальна довжина – понад 22 км, довжина кожного магніту – приблизно

15 метрів. Маса одного магніту понад 27 тонн. На фото ви бачите один із

таких магнітів.

Щоб досягти необхідної напруженості магнітного поля, магніти довело-

ся виготовити з надпровідними обмотками. Їх охолоджують до температу-

ри 1,9 К (271,3 0

С). Це нижча температура, ніж у відкритому космічному про-

сторі (2,7 К або –270,5 0

С). Щоб охолодити конструкцію масою 36 800 тонн

і отримати космічний холод у земних умовах, для ВАКу створили потужну

кріогенну систему, яка містить понад 40 000 герметично зварених швів, ви-

користовує 10 000 тонн рідкого азоту і 130 тонн рідкого гелію. Тепер ви ро-

зумієте, чому колайдер назвали Великим!

У чотирьох місцях пучки частинок із двох труб прискорювача перетина-

ються, і саме тут відбуваються зіткнення протонів, енергія яких у 7 разів пе-

ревищує попередній рекорд, досягнутий на прискорювачі Теватрон у США.

У точці зіткнення температура у понад 100 тисяч разів вища, ніж у центріСонця. Але ж надпровідні магніти ВАКу охолоджені до –271,3 0

С. Таким чи-

ном, ВАК – це одночасно і найгарячіша, і найхолодніша машина у світі.

Зіткнення двох частинок „чоло в чоло” – подія доволі рідкісна, бо частин-

ки дуже маленькі. За перетину двох пучків, у кожному з яких 100 мільярдів

частинок, зіштовхується лише 20 із них. Але оскільки пучки перетинаються

приблизно 30 мільйонів разів на секунду, щосекунди може відбутися при-

близно 600 мільйонів зіткнень. Учені завжди радіють зіткненням, які допо-

магають зрозуміти, з чого складаються частинки і зафіксувати народження

нових частинок.

Після зіткнення протонів у всі боки летять „бризки-уламки” – елементар-

ні частинки. У середньому народжується 100 таких частинок у кожному зі-

ткненні. Проект передбачає, що у тих самих трубах можна прискорювати

не лише протони, але й ядра атомів свинцю. У цьому випадку після кожного

зіткнення ядер народжуватиметься приблизно 15 000 нових частинок.

Але зіткнути дві частинки „чоло в чоло” – це лише половина справи. За

сучасними уявленнями нейтрони і протони складаються з кварків, які вза-

ємодіють за участі глюонів (англ. gluon від glue – клей). На жаль, сьогодні

учені не мають приладу, який зареєстрував би, наприклад, кварк-глюонну

плазму. Вона безслідно зникає впродовж короткого проміжку часу 10–23 се-

кунди.

 Ось так (див. фото) учені уявляють кварково-глюонну плазму, з якої

народжуються частинки. Про наслідки зіткнень свідчать сліди частинок,

які народилися під час експерименту. Для реєстрації цих частинок скон-

струйовані спеціальні прилади – детектори. Їх є шість – ALICE (A Large IonCollider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon

Solenoid), LHCb (Yhe Large Hadron Collider beauty experiment), TOTEM (TOTal

Elastic and diffraclive cross section Measurement) і LHCf (The Large Hadron

Collider forward). На фото ви бачите сліди частинок, отримані під час зіт-

кнення у детекторі ALICE.

Тож чим прислужиться науці такий величезний інструмент – ВАК? По-

перше, він може створити умови, за яких народжується багато частинок.

Це важливо, бо знаючи все про минуле, можна краще передбачити май-

бутнє. По-друге, якщо учені виявлять частинку бозон Хіггса, вони зможуть

об’єднати всі існуючі теорії взаємодії в єдину картину світу. Якщо ж її не ви-

являть, то наші спроби пояснити світ за допомогою Стандартної моделі за-

знають краху, й учені будуть вимушені створити нову теорію. По-третє, за

допомогою експериментів на колайдері відкривають частинки з новими

властивостями, про які раніше не здогадувалися. У ЦЕРНі вперше створили

ІНТЕРНЕТ як засіб обміну даними між багатьма інститутами світу. Зараз на-

лагоджується нова система GRID, у мільярди разів потужніша за швидкістю

обміну і збереження інформації. А ще адронний колайдер – це чудова шко-

ла для молодих учених зі всього світу. Тут вони не лише обмінюються знан-

нями, але й перевіряють їх на практиці.

Найпоширеніший металічний хімічний еле-

мент на Землі – Алюміній. А от серед усіх хімічних

елементів він займає третє місце після Оксигену та

Силіціуму.

Найтвердіший метал – хром. Цю властивість хрому

використовують у промисловості для плавлення хро-

мистої сталі, ніхрому та інших сплавів із високою твердіс-

тю. Хром широко застосовується як декоративне антико-

розійне покриття.

Найм’якший метал – цезій. Він має низьку температуру

плавлення (tºпл = 28,6 °C) і за кімнатної температури перебу-

ває у напіврідкому стані. Металічний цезій – це золотисто-бі-

ла речовина, ззовні подібна на золото, але світліша. Хімічно

дуже активний, тому зберігається у запаяних ампулах або під

шаром керосину.

Найважчий метал – осмій, його густина у 22,5 рази більша,

ніж у води. Осмію поступається лише іридій.

Найлегший метал – літій. Його густина майже у два рази мен-

ша, ніж у води. Літій плаває на поверхні води, гасу, етилового спир-

ту й ацетону.

Найбільш тугоплавкий метал – вольфрам. Тугоплавкий і плас-

тичний, вольфрам незамінний матеріал для ниток розжарювання в

освітлювальних приладах, а також у кінескопах та інших вакуумних

трубках.

З усіх металів найнижчу температуру плавлення (–38,8 °C) має

ртуть; за нормальних умов – рідина з найбільшою густиною.

Найбільш пластичний метал – золото. Лише 1 г золота можна роз-

плюснути у пластину розміром 2 м2

, яку можна легко згинати, і вона не зла-мається. З золота можна отримати фольгу товщиною

0,0001 мм (це в 500 разів тонше, ніж людська волосина).

Золото є найінертнішим за хімічною активністю. Дуже

пластичними металами є також свинець, срібло і мідь.

Метал із найбільшою тепло- й електропровідніс-

тю – срібло. Він, так само, як алюміній та паладій, найкра-

ще відбиває світло, тому використовується у виробництві

дзеркал.

Найдорожчий метал – це каліфорній. У 1970 році його

продавали по 10 доларів за мікрограм (за останніми даними

його ціна складає 6 500 000 доларів за 1 грам). Світовий запас

каліфорнію становить декілька грамів, ймовірно не більше 5 г.

На планеті Земля є лише 2 ядерних реактори, які можуть його

виробляти. Один реактор – у Росії, інший – у США. Кожний із

цих реакторів виробляє по 20–40 мікрограмів каліфорнію за рік.

Найстійкіший до кислот метал – іридій. Досі не відомо жод-

ної кислоти або їхньої суміші, які б розчиняли цей метал.

Найбільш тугоплавкий матеріал на основі сполук металів –

це сплав карбідів гафнію і танталу (1:1). Його температура плав-

лення +4 215 ºС.

Більшість металів мають яскравий металічний блиск. І лише

чотири метали зберігають його у некомпактному стані (у вигля-

ді стружки, ошурок або пилу) – це золото, срібло, алюміній і магній.

Алюмінієву пудру (пил), яка має яскравий металічний блиск, назива-

ють „сріблянкою”, і використовують у піротехніці, а також для покриття

металічних виробів і захисту їх від корозії (для цього „сріблянку” змішу-

ють з оліфою).