Министерство образования Российской Федерации
Дисциплина: физика
Реферат
Тема: “История развития ядерной физики”
Выполнил: студент группы К-
Проверил: преподаватель
Владивосток
-2004-
Содержание
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx1.htm” Введение
………………………………………………………………
…………………………………………………3
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx1.htm” \l “Нов”
Новая физика на рубеже веков4
теория относительности, квантовая теория
………………………………………………………………
4
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx1.htm” \l “Рез”
Резерфорд открывает атомное ядро
………………………………………………………………
…………5
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx1.htm” \l “Нер”
Нерелятивистская квантовая теория.
………………………………………………………………
……….6
Уравнение Шредингера
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx1.htm” \l “Рад”
Радиоактивность
………………………………………………………………
……………………………………..6
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx1.htm” \l “Пе”
Первая ядерная реакция
ю……………………………………………………………..
………………………….7
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx1.htm” \l “Из”
Состав атомного
ядра…………………………………………………………..
…………………………………..7
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx2.htm” \l “Раз”
Размеры ядра
………………………………………………………………
…………………………………………..8
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx2.htm” \l “Поз”
Позитрон. Аннигиляция.
Взаимные превращения элементарных частиц
………………………………………………………….8
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx2.htm” \l “Пар”
Парадоксы бета – распада. Нейтрино
………………………………………………………………
…………9
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx2.htm” \l “Пио”
Пионы – кванты ядерного поля
………………………………………………………………
…………………9
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx2.htm” \l “Леп”
Лептоны
………………………………………………………………
………………………………………………….9
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx3.htm” \l “Яде”
Ядерные реакции
………………………………………………………………
……………………………………10
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx3.htm” \l “Дел”
Деление ядер
………………………………………………………………
………………………………………….11
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx7.htm” \l “Нов”
Новые горизонты ядерной физики.
Радиоактивные пучки
………………………………………………………………
…………………………….12
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx8.htm” \l “Дет”
Детекторы. Ускорители
………………………………………………………………
………………………….13
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx8.htm” \l “Зак”
Заключение
………………………………………………………………
……………………………………………14
Используемая
литература……………………………………………………..
…………………………………15
Введение
HYPERLINK “http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” Ядерная
физика раздел физики, посвященный изучению структуры атомного ядра,
процессов радиоактивного распада и механизма ядерных реакций. Придавая
этому термину более общий смысл, к HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик и часто
относят также физику элементарных частиц. Иногда разделами HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик и.
продолжают считать направления исследований, ставшие самостоятельными
ветвями техники, например ускорительную технику, ядерную энергетику.
Исторически HYPERLINK “http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml”
Ядерная физика возникла ещё до установления факта существования ядра
атомного. Возраст HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик и можно
исчислять со времени открытия радиоактивности.
Канонизированного деления современной HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик и на более
узкие области и направления не существует. Обычно различают HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерную физик у низких,
промежуточных и высоких энергий. К HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик е низких
энергий относят проблемы строения ядра, изучение радиоактивного распада
ядер, а также исследования ядерных реакций, вызываемых частицами с
энергией до 200 Мэв. Энергии от 200 Мэв до 1 Гэв называются
промежуточными, а свыше 1 Гэв – высокими. Это разграничение в
значительной мере условно (особенно деление на промежуточные и высокие
энергии) и сложилось в соответствии с историей развития ускорительной
техники. В современной HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик е структуру
ядра исследуют с помощью частиц высоких энергий, а фундаментальные
свойства элементарных частиц устанавливают в результате исследования
радиоактивного распада ядер.
Обширной составной частью HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик и низких
энергии является нейтронная физика, охватывающая исследования
взаимодействия медленных нейтронов с веществом и ядерные реакции под
действием нейтронов. Молодой областью HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик и является
изучение ядерных реакций под действием многозарядных ионов. Эти реакции
используются как для поиска новых тяжёлых ядер, так и для изучения
механизма взаимодействия сложных ядер друг с другом. Отдельное
направление HYPERLINK “http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml”
ядерной физик и – изучение взаимодействия ядер с электронами и фотонами.
Все эти разделы HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик и тесно
переплетаются друг с другом и связаны общими целями.
В HYPERLINK “http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной
физик е (как и во всей современной физике) существует резкое разделение
эксперимента и теории. Арсенал экспериментальных средств HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик и
разнообразен и технически сложен. Его основу составляют ускорители
заряженных частиц (от электронов до многозарядных ионов), ядерные
реакторы, служащие мощными источниками нейтронов, и детекторы ядерных
излучений, регистрирующие продукты ядерных реакций. Для современного
ядерного эксперимента характерны большие интенсивности потоков
ускоренных заряженных частиц или нейтронов, позволяющие исследовать
редкие ядерные процессы и явления, и одновременная регистрация
нескольких частиц, испускаемых в одном акте ядерного столкновения.
Множество данных, получаемых в одном опыте, требует использования ЭВМ,
сопрягаемых непосредственно с регистрирующей аппаратурой. Сложность и
трудоёмкость эксперимента приводит к тому, что его выполнение часто
оказывается посильным лишь большим коллективам специалистов.
Для теоретической HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик и
характерна необходимость использования аппаратов разнообразных разделов
теоретической физики: классической электродинамики, теории сплошных
сред, квантовой механики, статистической физики, квантовой теории поля.
Центральная проблема теоретической HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик и –
квантовая задача о движении многих тел, сильно взаимодействующих друг с
другом. Теорией ядра и элементарных частиц были рождены и развиты новые
направления теоретической физики (например, в теории сверхпроводимости,
в теории химической реакции), получившие впоследствии применение в
других областях физики и положившие начало новым математическим
исследованиям (обратная задача теории рассеяния и её применения к
решению нелинейных уравнений в частных производных) и др. Развитие
теоретических и экспериментальных ядерных исследований взаимозависимо и
тематически связано. Стоящие перед HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик ой проблемы
слишком сложны и лишь в немногих случаях могут быть решены чисто
теоретическим или эмпирическим путём. HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” Ядерная физика оказала
большое влияние на развитие ряда других областей физики (в частности,
астрофизики и физики твёрдого тела) и других наук (химии, биологии,
биофизики).
Прикладное значение HYPERLINK
“http://www.chemport.ru/nuclearphysics.shtml” ядерной физик и в жизни
современного общества огромно, её практические приложения фантастически
разнообразны – от ядерного оружия и ядерной энергетики до диагностики и
терапии в медицине. Вместе с тем она остаётся той фундаментальной
наукой, от прогресса которой можно ожидать выяснения глубоких свойств
строения материи и открытия новых общих законов природы.
Мир, в котором мы живем, сложен и многообразен. Издавна человек
стремился познать окружающий его мир. Исследования шли в трех
направлениях:
Поиск элементарных составляющих, из которых образована вся окружающая
материя.
Изучение сил, связывающих элементарные составляющие материи.
Описание движения частиц под действием известных сил.
У философов древней Греции существовало два противоположных взгляда
на природу материи. Сторонники одной школы (Демокрит, Эпикур)
утверждали, что нет ничего, кроме атомов и пустоты, в которой движутся
атомы. Они рассматривали атомы как мельчайшие неделимые частицы, вечные
и неизменные, пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и
величиной. Сторонники другого направления придерживались прямо
противоположной точки зрения. Они считали, что вещество можно делить
бесконечно. Сегодня мы знаем, что мельчайшие частицы вещества,
сохраняющие его химические свойства – это молекулы и атомы. Однако мы
также знаем, что атомы в свою очередь имеют сложную структуру и состоят
из атомного ядра и электронов. Атомные ядра состоят из нуклонов –
нейтронов и протонов. Нуклоны в свою очередь состоят из кварков. Но
разделить нуклоны на составляющие их кварки уже нельзя. Что вовсе не
означает, что кварки “элементарны”. Понятие элементарности объекта в
значительной мере определяется уровнем наших знаний. Поэтому привычное
для нас утверждение “состоит из …” на субкварковом уровне может
оказаться лишенным смысла. Понимание этого сформировалось в процессе
изучения физики субатомных явлений.
Новая физика на рубеже веков –
теория относительности, квантовая теория
Открытие атомного ядра и элементарных частиц явилось результатом
изучения строения вещества, достигнутым физикой в конце XIX века.
Исследования электрических явлений в жидкостях и газах, оптических
спектров атомов, рентгеновских лучей, фотоэффекта показали, что вещество
имеет сложную структуру. В 1897 году при исследовании катодных лучей
HYPERLINK “http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l
“Thomson_JJ” Дж. Томсоном был открыт электрон – носитель
отрицательного элементарного электрического заряда. ХХ век принес много
неожиданностей в физику. Именно в это время классическая физика
оказалась несостоятельной в объяснении новых экспериментальных фактов.
Уменьшение временных и пространственных масштабов, в которых
разыгрываются физические явления, привели к “новой физике”, столь
непохожей на привычную традиционную классическую физику. Развитие физики
в начале XX века привело к полному пересмотру классических
представлений. В основе “новой физики” лежат две фундаментальные теории:
теория относительности
квантовая теория.
Теория относительности и квантовая теория являются фундаментом, на
котором построено описание явлений микромира
Создание HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “Einshtein”
А. Эйнштейном в 1905 году теории относительности привело к
радикальному пересмотру представлений о свойствах пространства и
времени, взглядов на характер электромагнитного поля. Стало ясно, что
невозможно создание механических моделей для всех физических явлений.
В основу теории относительности положены две физические концепции.
Согласно принципу относительности равномерное и прямолинейное движение
тел не влияет на происходящие в них процессы
Существует предельная скорость распространения взаимодействия – скорость
света в пустоте. Скорость света является фундаментальной константой
современной теории. Существование предельной скорости распространения
взаимодействия означает, что существует связь между пространственными и
временными интервалами.
В 1900 г. была опубликована работа HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “Planck”
М. Планка , посвященная проблеме теплового излучения тел. М. Планк
моделировал вещество как совокупность гармонических осцилляторов
различной частоты. Предположив, что излучение происходит не непрерывно,
а порциями – квантами, он получил формулу для распределения энергии по
спектру теплового излучения, которая хорошо согласовывалась с опытными
данными
,
– частота излучения.
Так, впервые в физике появилась новая фундаментальная константа –
постоянная Планка. Гипотеза Планка о квантовой природе теплового
излучения противоречит основам классической физики и показала границы ее
применимости.
Через пять лет А. Эйнштейн, обобщив идею М. Планка, показал, что
квантованность является общим свойством электромагнитного излучения.
Согласно идеям А. Эйнштейна электромагнитное излучение состоит из
квантов, названных позднее фотонами. Каждый фотон имеет определенную
энергию и импульс:
,
– единичный вектор в направлении распространения волны.
Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили
объяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментально
HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/persons/images/hertz_heinrich.jpg”
Г. Герцем и HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/persons/images/stoletov_alexandr.jpg”
А. Столетовым . На основе квантовой теории HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “Compton”
А. Комптоном в 1922 году было объяснено явление упругого рассеяния
электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся
увеличением длины волны света. Открытие двойственной природы
электромагнитного излучения – корпускулярно-волнового дуализма оказало
значительное влияние на развитие квантовой физики, объяснение природы
материи. В 1924 г. HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “Broglie”
Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности
корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе не только
фотоны, но и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными
обладают также и волновыми свойствами. Соотношения, связывающие
корпускулярные и волновые свойства частиц те же, что были установлены
ранее для фотонов
,
ориентирован по направлению движения частицы. Прямыми опытами,
подтверждающими идею корпускулярно-волнового дуализма, были опыты,
выполненные в 1927 году HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “Davisson”
К. Дэвиссоном и HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/persons/images/germer_lester.jpg” \t
“_blank” Л. Джермером по дифракции электронов на монокристалле никеля.
Позднее наблюдалась дифракция и других микрочастиц. Метод дифракции
частиц в настоящее время широко используется в изучении строения и
свойств вещества.
px связаны соотношением неопределенности, установленным HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “Heisenb”
В. Гейзенбергом в 1927 году
.
Резерфорд открывает атомное ядро
-частиц, рассеянных на золоте, свидетельствовало о том, что
положительный заряд атома сосредоточен в пространственной области
размером меньше 10-12 см. Это явилось основанием для планетарной модели
атома Резерфорда, согласно которой атом состоит из тяжелого положительно
заряженного атомного ядра с радиусом меньше 10-12 см и вращающихся
вокруг него отрицательно заряженных электронов. Размер атома
определяется размерами его электронной оболочки и составляет ~10-8 см,
что в десятки тысяч раз превышает размер атомного ядра. Несмотря на то,
что атомное ядро занимает лишь небольшую часть объема атома в нем
сосредоточено 99,98% его массы.
Предложенная Э. Резерфордом модель атома сыграла решающую роль в
развитии квантовой механики. Дело в том, что на основе классической
физики невозможно было объяснить наблюдаемую на опыте устойчивость
атома. Вращающиеся на орбите электроны, согласно классической физике,
должны были излучать энергию и, потеряв ее, упасть на атомное ядро.
Поскольку такие явления как фотоэффект и явление дифракции электронов
удалось объяснить с помощью квантовых представлений, вполне разумно
казалось попытаться с помощью такого подхода объяснить и устойчивость
электронных орбит атома.
В 1913 году HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “Bohr_N”
Н. Бор предложил новую квантовую теорию орбит. Согласно этой теории
электрон может вращаться вокруг ядра неопределенно долго, не излучая
энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волн
де Бройля. Таким образом устойчивые орбиты в атоме это орбиты, радиусы
которых rn определяются соотношением
rn = n2h2/Zmee,
что соответствует определенным энергетическим уровням атома
En = – Z2e4me/2n2h2.
Атом может перейти из одного состояния в другое, испустив квант энергии
– фотон
= Ei – Ek,
где Ei и Ek – энергии уровней, между которыми происходит переход.
Нерелятивистская квантовая теория.
Уравнение Шредингера
К середине 20-х годов стало очевидно, что полуклассическая теория
атома Н. Бора не может дать полного описания свойств атома. В 1925 –
1926 гг. в работах В. Гейзенберга и HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “Schroed”
Э. Шредингера был разработан общий подход описания квантовых явлений –
квантовая теория. Эволюция квантовой системы в нерелятивистском случае
описывается волновой функцией, удовлетворяющей уравнению Шредингера
– оператор Гамильтона (оператор полной энергии системы)
В нерелятивистском случае
,
– оператор импульса, U(x,y,z) – потенциальная энергия частицы. Задать
закон движения частицы в квантовой механике это значит определить
значение волновой функции в каждый момент времени в каждой точке
пространства. Уравнение Шредингера играет в квантовой механике такую же
роль как и второй закон Ньютона в классической механике. Самой
поразительной особенностью квантовой физики оказался ее вероятностный
характер. Вероятностный характер законов является фундаментальным
свойством микромира. Квадрат модуля волновой функции, описывающей
состояние квантовой системы, вычисленный в некоторой точке, определяет
вероятность обнаружить частицу в данной точке.
Радиоактивность
Некоторое время атомное ядро и электроны считались элементарными
составляющими вещества. Первое указание на существование атомного ядра
связано с открытием в 1898 году HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “Becquerel”
А. Беккерелем радиоактивности. Это произошло задолго до того, как
Резерфорд экспериментально доказал его существование. Оказалось, что
некоторые минералы естественного происхождения самопроизвольно испускают
излучение неизвестной природы.
По прошествии нескольких лет было показано, что неизвестное
излучение состоит из частиц трех различных видов, сильно отличающихся
друг от друга:
Нейтрально заряженных частиц – фотонов.
Отрицательно заряженных частиц- электронов.
Положительно заряженных частиц.
Вначале считалось, что обнаруженные излучения испускаются атомом, и
лишь впоследствии стало ясно, что их источником является атомное ядро.
Явление самопроизвольного распада атомных ядер стало называться
радиоактивностью. Выдающуюся роль в понимании природы радиоактивного
распада сыграли работы Пьера и Марии Кюри.
-частицами.
Первая ядерная реакция
-частицами из него вылетают положительно заряженные частицы. Величина
заряда этих частиц по абсолютной величине была равна величине заряда
электрона, но противоположна по знаку. Масса частицы была почти в 2000
раз больше массы электрона. Повторение опыта на других мишенях показало,
что положительно заряженные частицы вылетают и из других атомных ядер.
Обнаруженные частицы были названы протонами. Ядерная реакция, в которой
впервые были обнаружены протоны, записывается в виде
17O + p
Уже первый взгляд на написанную реакцию свидетельствует о том, что
Э. Резерфорду удалось осуществить то, что в течение многих веков
пытались сделать алхимики – превратить одно вещество в другое. Ядро
азота превращалось в ядро кислорода. Это была первая ядерная реакция,
осуществленная искусственно в лабораторных условиях.
В то же время стало ясно, что протоны следует считать элементарными
частицами, входящими в состав атомного ядра.
Из чего состоит атомное ядро?
Измерения масс атомов с помощью масс-спектрографа HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “Aston”
Ф. Астона показали, что массы всех исследованных атомов с точностью
~10% пропорциональны массе протона – M ~ Amp, где A принимает только
целочисленные значения. Этот факт послужил основанием для создания
протон-электронной модели атомного ядра. В этой модели предполагалось,
что атомное ядро состоит из A протонов и (A-Z) электронов. В этой модели
легко объяснялись обнаруженная Астоном пропорциональность массы атомного
ядра числу A и величина заряда атомного ядра. Однако, по мере накопления
экспериментальных данных по массам атомных ядер, магнитным моментам и
спинам атомных ядер, протон-электронная модель ядра начала сталкиваться
с трудностями в объяснении экспериментальных данных. Тем не менее,
протон-электронная модель ядра продержалась вплоть до 1932 года.
-частиц через кулоновский потенциальный барьер.
?
?
¬
:DvEEIR ^ ` b ? o oooooooooooooooooooooooooooo gd* - " $ & ~ ? 1/4 3/4 A A Ae AE E E I I ? e o u oooooooocoUcooooooooooooo gd* y „7`„7a$gd* y gd* ? ` #1/4&3/4&A&A&Ae&AE&E&E&I&I&?&O&O&Oe&O&U&Ue&TH&a&a&ae&ae&e&e&i&i&?&o&oooo ooooooooooooooooooooooo gd* m?mXpoeeeeeeeaIIIaoeaAeAeaaa?? & gd* y & gd* & gd* gd* y $@&a$gd* h* j h* h* j h* gd* gd* t‚v‚x‚z‚|‚1/4‚3/4‚O?O?Oe?O?U?f…h…th…†?aOeaIOea?aOeaIOea°aOeaIOea!aOeaIOe a’aOeaIOea?aOetit h* j h* ?? ?? j h* h* h* /i/ae/UUU//ae/i//ae////O/C & gd* gd* ?гипотезу, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Эта модель выдержала испытания временем и, как показывают экспериментальнные наблюдения, в обычных условиях отклонения от протонно-нейтронной модели, связанные с внутренней структурой нуклонов, невелики. Протоны и нейтроны в атомном ядре связаны особыми силами, для которых характерна большая величина и малый радиус действия ~10-13 см. Ядерные силы существенно превосходят силы электростатического кулоновского отталкивания протонов и обуславливают большую плотность вещества ядра ~1014 г/см3. Этот новый тип взаимодействия, связывающий нейтроны и протоны, назвали ядерным или сильным взаимодействием. Эти два названия долгое время считали синонимами. Сегодня мы знаем: сильное взаимодействие связывает кварки внутри нуклона, а ядерное взаимодействие, связывающее нейтроны и протоны, является следствием сильного взаимодействия. Ядерное взаимодействие меняет свойства нуклонов. Так, например, свободный нейтрон, являясь нестабильной частицей, внутри ядра может стать стабильным. По отношению к сильному взаимодействию протон и нейтрон имеют одинаковые свойства. Это привело к открытию новой симметрии - изотопической инвариантности сильных взаимодействий. Была введена новая квантовая характеристика - изоспин. С помощью изотопической инвариантности сильных взаимодействий в дальнейшем удалось предсказать массы и электрические заряды некоторых новых элементарных частиц. Протоны и нейтроны образуют атомные ядра всех химических элементов. Размеры ядра -частиц на легких ядрах дали основание предполагать, что плотность ядерного вещества у всех ядер приблизительно постоянна. Это предположение было в дальнейшем детально исследовано в опытах HYPERLINK "http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm" \l "Hofstadter" Р. Хофштатера по рассеянию электронов высокой энергии на сферических ядрах, расположенных вблизи долины стабильности. Оказалось, что плотности распределения ядерной материи и электрического заряда практически совпадают. Для ядер, расположенных вблизи долины стабильности, были установлены следующие закономерности. Плотность ядерной материи в центре ядра приблизительно одинакова у всех ядер и составляет ~ 0.17 нукл./Фм3 (см. рис.3). 0) у всех ядер примерно одинакова d = 4.4a = 2.4·Фм. Величина радиуса ядра определяется числом нуклонов, R = 1.3A1/3 Фм. Позитрон. Аннигиляция. Взаимные превращения элементарных частиц -кванта . Происходит превращение частиц с массой покоя отличной от нуля (0.511 МэВ) в частицы с нулевой массой покоя (фотоны), т.е. масса покоя не сохраняется. -квантами с энергией в несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены - одни физические объекты являются частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое элементарная частица. Элементарная частица перестала быть неизменным "кирпичиком" в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы. Следующая элементарная частица - нейтрино также вначале была предсказана теорией. Открытие нейтрона, казалось, внесло ясность в строение вещества. Все элементарные частицы, необходимые для построения атома: протон, нейтрон, электрон - были известны. Если в составе атомного ядра нет электронов, то откуда же берутся электроны, которые наблюдаются при радиоактивном распаде ядер? Парадоксы бета - распада. Нейтрино -распада показало, что испускание электронов вызвано не электромагнитным взаимодействием и не ядерным взаимодействием, а новым типом взаимодействия до сих пор неизвестным в физике. Это взаимодействие было названо слабым взаимодействием. В будущем оно принесло в физику много неожиданных и сенсационных открытий. . Источником антинейтрино служил атомный реактор, в котором антинейтрино образуются в большом количестве.). Гипотеза Паули получила блестящее подтверждение. Пионы – кванты ядерного поля Наличие в атомном ядре нейтронов и протонов поставило перед физиками проблему изучения природы ядерных взаимодействий, связывающих эти частицы в ядре. В 1934 году HYPERLINK "http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm" \l "Yukava" \t "_blank" Х. Юкава предсказал новую частицу - квант ядерного поля. Cогласно гипотезе Юкава взаимодействие между нуклонами возникает в результате испускания и поглощения этих частиц. Они определяют ядерное поле по аналогии с электромагнитным полем, которое возникает как следствие обмена фотонами. -мезоном или пионом. Пионы, нейтроны и протоны принадлежат к одному классу частиц, называемых адронами. Их отличительная черта - участие в сильных ядерных взаимодействиях. Лептоны -мезон предпочитают называть мюоном. На то, что электронные и мюонные нейтрино разные частицы, впервые было указано в 1957 году М. Марковым и HYPERLINK "http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm" \l "Schwinger" Ю. Швингером . Эта гипотеза была подтверждена в 1962 году в экспериментах на ускорителе в Брукхейвене. Было показано, что при взаимодействии мюонных нейтрино рождаются мюоны и не рождаются электроны . . Она почти в два раза тяжелее протона и может распадаться не только подобно мюону на лептоны, но и на адроны. Существует космологическое ограничение на суммарную массу всех типов нейтрино ) 1.
При делении ядра урана тепловой нейтрон с энергией ~0.1 эВ освобождает
энергию ~200 МэВ. Существенным моментом является то, что этот процесс
сопровождается появлением нейтронов, способных вызывать деление других
ядер урана – цепная реакция деления. Таким образом, один нейтрон может
дать начало разветвленной цепи делений ядер, причем число ядер,
участвующих в реакции деления будет экспоненциально возрастать.
Открылись перспективы использования цепной реакции деления в двух
направлениях:
управляемая ядерная реакция деления – создание атомных реакторов;
неуправляемая ядерная реакция деления – создание ядерного оружия.
В 1942 году под руководством HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “Fermi”
Э. Ферми в США был построен первый ядерный реактор. В СССР первый
реактор был запущен в 1946 году под руководством HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/persons/images/kurchatov.jpg” И. Курчатова
. В 1954 году в Обнинске начала работать первая в мире атомная
электростанция. В настоящее время тепловая и электрическая энергия
вырабатывается в сотнях ядерных реакторов, работающих в различных
странах мира.
Новые горизонты ядерной физики.
Радиоактивные пучки
В то время когда в физике частиц происходило продвижение в сторону
высоких энергий и открывались новые частицы, в состав которых входили
все более массивные кварки, качественно изменилась ситуация и в
“традиционной” ядерной физике. Улучшение техники ионных пучков и методов
сепарации короткоживущих изотопов существенно расширило число
исследованных ядер. К концу XX века было открыто ~ 3000 атомных ядер.
Всего в границах ядерной стабильности по существующим оценкам их может
быть около 7000.
и спонтанным делением были обнаружены новые типы радиоактивности. В
1962 году в ОИЯИ (Дубна) впервые была зарегистрирована протонная
радиоактивность. Она наблюдалась для нейтронодефицитных ядер вблизи
границы протонной стабильности.
Было обнаружено, что ядра могут самопроизвольно испускать ядра
тяжелее 4He – кластерная радиоактивность. Впервые кластерная
радиоактивность наблюдалась в распаде
209Pb + 14C.
Какие сегодня приоритетные направления исследований в области
ядерной физики?
Поиск новых сверхтяжелых ядер.
Исследоваание свойств ядерной материи в экстремальных условиях – в
области низкой температуры и низкой плотности ядерной материи и в
области высокой температуры и высокой плотности ядерной материи.
Состояния с высокой плотностью ядерной материи интенсивно исследуются в
столкновениях релятивистских ядер. Ведутся исследования в области
мультифрагментации и полного развала ядра на нейтроны и протоны.
Исследование формы и свойств атомных ядер в супердеформированных
состояниях и в состояниях с экстремально большими спинами.
Исследование атомных ядер вдали от долины стабильности, вблизи от границ
нейтронной и протонной стабильности.
Изучение новых типов радиоактивного распада. Поиск новых долгоживущих
изомерных состояний
Открытым и требующим дальнейших исследований является вопрос о роли
кварковых степеней свободы и их влияние на короткодействующую
составляющую ядерных взаимодействий.
Кварк-глюонная структура нуклона и изменение его свойств в ядерной
материи.
В настоящее время методы сепарации и детектирования достигли такого
совершенства, что основные характеристики атомных ядер: масса, период
полураспада, основные моды распада – могут быть получены на основе
анализа небольшого их числа.
Метод сепарации тяжелых ионов на лету позволяет получать
моноизотопные пучки ускоренных ядер вплоть до урана. Появились новые
экспериментальные методы для изучения свойств атомных ядер – комбинации
ускорителей с ионными ловушками для низкоэнергетических ионов и
накопительные кольца для ионов низких и средних энергий. Существенный
прогресс в исследовании ядер с необычным отношением N/Z – экзотических
ядер – связан с возможностью накопления высокоэнергетических вторичных
пучков радиоактивных ядер и изучения реакций на этих пучках.
Детекторы. Ускорители
-мезон ( HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “powell”
Пауэл ), 1947 год – обнаружены странные частицы ( HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/persons/images/rochester_george.jpg” Дж.
Рочестер , HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/persons/images/butler_clifford.gif” К.
Батлер ).
Со временем экспериментальные установки становились все сложней.
Развивалась техника ускорения и детектирования частиц, ядерная
электроника. Успехи в физике ядра и элементарных частиц все в большей
степени определяются прогрессом в этих областях. Нобелевские премии по
физике часто присуждаются за работы в области техники физического
эксперимента.
Создание первых ускорителей HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “Cockroft”
Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном , HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/persons/images/van_de_graaff.jpg”
Р. Ван-де-Графом , HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/nobelprice.htm” \l “lawrence”
Э. Лоуренсом в 1931-32 гг. открыло новую эру в ядерной физике.
Экспериментаторы получили в свое распоряжение удобные инструменты, на
которых можно было получать пучки ускоренных заряженных частиц с
энергией от нескольких МэВ до десятков МэВ.
В 1944-45 годах HYPERLINK
“http://nuclphys.sinp.msu.ru/persons/images/veksler.jpg” В. Векслер и
независимо от него Э. Макмиллан открыли принцип автофазировки,
позволяющий достигать релятивистских энергий ускоренных частиц. Открытие
принципа автофазировки привело к появлению новых типов ускорителей –
фазотронов, синхротронов, синхрофазотронов. Разработка метода сильной
фокусировки позволила получать уникальные по своим параметрам пучки (с
малыми поперечными размерами, высокой интенсивностью, большими
энергиями).
Первые ускорители высоких энергий были построены в Дубне (ОИЯИ),
вблизи Женевы (CERN) и Брукхейвене (BNL). В первых ускорителях пучок
частиц направлялся на неподвижную мишень. Однако по мере увеличения
энергии налетающих частиц все большая часть энергии пучка бесполезно
расходуется на движение центра масс образующейся системы. Если же
сталкиваются между собой два пучка можно получить значительный выигрыш в
энергии, так как при лобовом столкновении двух пучков частиц с
одинаковыми массами и одинаковыми энергиями центр масс будет оставаться
неподвижным. Однако, чтобы при этом сталкивающиеся пучки эффективно
взаимодействовали, необходимо создать в области столкновения высокую
плотность частиц. Ускорители такого типа были созданы и получили
название ускорителей на встречных пучках или коллайдеров. Первые
электронные коллайдеры были построены в 1965 году в ИЯФ (Новосибирск) и
Стенфордской национальной лаборатории. В 1971 году был построен первый
протонный коллайдер, а в 1985 году – протон-антипротонный коллайдер.
Современные ускорители это комплексы, состоящие из нескольких
ускорителей. На рис. 1показан ускорительный комплекс CERN, в котором
планируется сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ в системе
центра масс. Он носит название HYPERLINK
“http://public.web.cern.ch/Public/ACCELERATORS/CERNAcc.html” LHC (Large
Hadron Collider) .
Рис. 1. Ускорительный комплекс CERN
Протоны и ионы через накопительные кольца поступают в протонный
синхротрон PS (26 ГэВ), который инжектирует протоны в протонный
синхротрон SPS (450 ГэВ). Протоны из SPS будут поступать в LHC, где в
настоящее время ускоряются встречные пучки электронов и позитронов на
установке LEP. Пучки LEP и LHC расположены в одном туннеле, в различных
магнитных системах. Инжектором электронов и позитронов является линейный
ускоритель е+e-linacs.
Таблица 4
-мезоны, с помощью пузырьковой камеры – многие странные частицы, с
помощью искровой камеры регистрировались нейтринные события и т.д.
Современные измерительные установки в физике высоких энергий
представляют из себя сложные системы, включающие десятки тысяч
счетчиков, сложную электронику и способны одновременно регистрировать
десятки частиц, рождающихся в одном столкновении. В качестве примера
приведем установку HYPERLINK
“http://atlasinfo.cern.ch/Atlas/Welcome.html” ATLAS , которая
предназначена для работы на HYPERLINK
“http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/lhc-new-homepage/” LHC (рис.2).
Рис. 2. Установка ATLAS
Основная задача установки ATLAS – поиск Хиггсовских бозонов.
Электронная система установки способна выделять 100 “интересных” событий
в секунду из 1 миллиарда. В проекте ATLAS более полутора тысяч
участников из 47 стран.
Заключение
В самом конце XIX столетия, занимаясь довольно хорошо известным в то
время процессом люминесценции, Беккерель неожиданно наткнулся на
совершенно новое явление – радиоактивность. Природа преподнесла
исследователю подарок – позволила заглянуть в новый, неизведанный мир
субатомной физики. Перед исследователями, которые работали в этой
области в XX веке, открылся совершенно иной мир, со своими
закономерностями, так не похожий на привычный мир, описываемый
классической физикой. Оказалось, что установленные новые законы работают
не только на очень малых расстояниях, но и определяют физические
явления, происходящие в колоссальных масштабах Вселенной. XX век принес
много неожиданностей и вряд ли сегодня мы можем предсказать, что готовит
нам век XXI.
Используемая литература
Э. Ферми “Ядерная физика”,пер. с англ., Москва, изд. “Иностранная
литература”, 1951 г.
В.Е. Левин “Ядерная физика”,Москва, Атомиздат, 1985 г.
А.С. Герасимов, Т.С. Зарицкая, А.П. Рудик “Справочник по образованию
нуклидов в ядерных реакторах”, Москва, Энергоатомиздат, 1989 г.
В.Д. Сидоренко, В.М. Колобашкин, П.М. Рубцов, П.А. Ружанский
“Радиационные характеристики облученного ядерного топлива”, справочник,
Москва, Энергоатомиздат, 1983 г.
PAGE
PAGE 15
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
