Дәріс тақырыбы: Физика тарихы курсына кіріспе

№27 дәріс

Ядролық физика Радиоактивті ыдырау процестерін, ядролық реакциялар механизмін және атом ядросының құрылымын зерттейді

Очень часто ядерную физику относят к физике элементарных частиц. С исторической точки зрения ядерная физика возникла ещё до установления факта существования атомного ядра. Таким образом, можно сказать, что ядерная физик а основалась со времен открытия радиоактивности

Ядерная физик а состоит из:

Радиоактивтілік

Біраз уақыт атом ядросы мен электрондар заттың элементар компоненттері болып саналды. Атом ядросының бар екендігінің алғашқы көрсеткіші 1898 жылы А.Беккерельдің радиоактивтіліктің ашылуымен байланысты. Бұл Резерфорд оның бар екенін эксперименталды түрде дәлелдегенге дейін болды. Табиғи шыққан кейбір минералдар өздігінен белгісіз табиғаттың сәулесін шығаратыны белгілі болды.

Бірінші ядролық реакция

1919 жылы 11 бөлшекті әртүрлі нысандарға шашырату тәжірибесін жалғастыра отырып, Э.Резерфорд азот бөлшектерін бомбалау кезінде одан оң зарядталған бөлшектер ұшып кететінін анықтады. Бұл бөлшектердің абсолютті шамадағы заряд мөлшері электронның заряд мөлшеріне тең болды, бірақ белгіге қарама-қарсы. Бөлшектің массасы электронның массасынан 2000 есе көп болды. Тәжірибенің басқа нысандардағы қайталануы оң зарядталған бөлшектердің басқа атом ядроларынан ұшып кететінін көрсетті. Табылған бөлшектер протондар деп аталды. Протондар алғаш табылған ядролық реакция келесі түрде жазылады

14 N + 1 11 17 O + p

Жазбаша реакцияға алғашқы көзқарас Э.Резерфорд көптеген ғасырлар бойы алхимиктер бір затты екіншісіне айналдыруға тырысқан нәрсені жүзеге асыра алғанын көрсетеді. Азот ядросы оттегі ядросына айналды. Бұл зертханалық жағдайда жасанды түрде жасалған алғашқы ядролық реакция болды

Некоторое время атомное ядро и электроны считались элементарными составляющими вещества. Первое указание на существование атомного ядра связано с открытием в 1898 году 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.

Нейтрально заряженных частиц - фотонов.

Изучая треки образующихся при радиоактивном распаде положительно заряженных частиц в электрическом поле, Э. Резерфорд показал, что это частицы с массой атома гелия и зарядом +2e. В 1919 году Ф. Астон построил первый масс-спектрограф, с помощью которого были получены точные значения масс атомных ядер. Было доказано, что положительно заряженные частицы, обнаруженные при радиоактивном распаде ядер, являются ядрами атома гелия. Эти частицы были названы 11 -частицами

Пе рвая ядерная реакция

В 1919 г., продолжая эксперименты по рассеянию 11 -частиц на различных мишенях, Э. Резерфорд обнаружил, что при бомбардировке ядер азота -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

14 N + 1 11 17 O + 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

Ф. Астонның масс-спектрографы арқылы атомдардың массаларын өлшеу барлық зерттелген атомдардың массалары ~10% дәлдікпен Протон массасына пропорционал екенін көрсетті-m ~ Am p, мұнда А тек бүтін мәндерді алады. Бұл факт атом ядросының Протон-электронды моделін құруға негіз болды. Бұл модельде атом ядросы а протондарынан және (A-Z) электрондарынан тұрады деп болжалды. Бұл модель Астон анықтаған атом ядросы массасының а санына пропорционалдылығын және атом ядросының заряд мөлшерін оңай түсіндірді. Алайда, атом ядроларының массалары, магниттік моменттер және атом ядроларының спиндері бойынша эксперименттік мәліметтер жинақталған сайын, ядроның Протон-электронды моделі эксперименттік мәліметтерді түсіндіруде қиындықтарға тап бола бастады. Дегенмен, ядроның Протон-электронды моделі 1932 жылға дейін созылды

Ыдыраудың қарапайым моделін 1928 жылы Г.Гамов ұсынды және оған қарамастан г. Гурни мен Э. Кондон. Бұл модельде бөлшек ядрода үнемі болады деп болжалды. Ыдырау ықтималдығы негізінен бөлшектердің кулондық потенциалды тосқауыл арқылы өту ықтималдығымен анықталады

1930-1932 жылдары драмаға толы оқиғалар өрбіді. Резерфорд бастаған бериллий бөлшектерінен жұқа фольгаларды сәулелендіру эксперименттерін жалғастыра отырып, в.бот және Г. бекер бейтарап бөлшектерден тұратын қатты енетін сәулеленуді тапты. Бастапқыда бұл жоғары энергиялы фотондар деген болжам тексерілмеді. Тек 1932 жылы ағылшын физигі Д. Чадвик бұл Протонның массасына тең массасы бар жаңа, әлі белгісіз бейтарап бөлшек екенін көрсетті. Табылған бөлшек нейтрон деп аталды. Нейтрон ашылғаннан кейін Д. Иваненко мен В. Гейзенберг атом ядросы нейтрондар мен протондардан тұрады деген болжам жасады. Бұл модель уақыт сынақтарына төтеп берді және эксперименттік бақылаулар көрсеткендей, нуклондардың ішкі құрылымымен байланысты Протон-нейтрондық модельден қалыпты жағдайда ауытқулар аз. Атом ядросындағы протондар мен нейтрондар ерекше күштермен байланысады, олар үлкен және кіші радиусы ~10 -13 см. ядролық күштер протондардың электростатикалық кулондық импульсінің күштерінен едәуір асып түседі және ядро затының үлкен тығыздығын тудырады ~10 14 г / см 3 . Нейтрондар мен Протондарды байланыстыратын өзара әрекеттесудің бұл жаңа түрі ядролық немесе күшті өзара әрекеттесу деп аталды. Бұл екі атау ұзақ уақыт синоним болып саналды. Бүгін біз білеміз: күшті өзара әрекеттесу нуклон ішіндегі кварктарды байланыстырады, ал нейтрондар мен Протондарды байланыстыратын ядролық өзара әрекеттесу күшті өзара әрекеттесудің салдары болып табылады. Ядролық өзара әрекеттесу нуклондардың қасиеттерін өзгертеді. Мысалы, ядро ішіндегі тұрақсыз бөлшек бола отырып, бос нейтрон тұрақты бола алады. Күшті өзара әрекеттесуге қатысты протон мен нейтрон бірдей қасиеттерге ие. Бұл жаңа Симметрияның ашылуына әкелді-күшті өзара әрекеттесудің изотоптық инварианты. Жаңа кванттық сипаттама енгізілді - изоспин

Күшті өзара әрекеттесудің изотоптық инвариантының көмегімен кейбір жаңа элементар бөлшектердің массалары мен электр зарядтарын болжау мүмкін болды. Протондар мен нейтрондар барлық химиялық элементтердің Атом ядроларын құрайды

Ядро өлшемдері

Атом ядроларының құрылымын зерттеудің алғашқы кезеңінде де 11 бөлшектердің жеңіл ядроларға шашырауы бойынша эксперименттер барлық ядролардағы ядролық заттың тығыздығы шамамен тұрақты болады деп болжауға негіз берді. Бұл болжам одан әрі Р. Хофштатердің тұрақтылық алқабына жақын орналасқан сфералық ядроларға жоғары энергия электрондарының шашырауы туралы тәжірибелерінде егжей-тегжейлі зерттелді. Ядролық материя мен электр зарядының таралу тығыздығы іс жүзінде сәйкес келетіні белгілі болды

Тұрақтылық алқабына жақын орналасқан ядролар үшін келесі заңдылықтар анықталды

Ядроның ортасындағы ядролық заттың тығыздығы барлық ядроларда шамамен бірдей және ~ 0.17 нукле құрайды./ Фм 3 (суретті қараңыз.3).

Позитронның ашылуы, оның сипаттамалары бойынша электронға ұқсас, бірақ электроннан айырмашылығы оң бірлік заряды бар бөлшектер физикада өте маңызды оқиға болды. 1928 жылы П. Дирак электронның релятивистік кванттық механикасын сипаттайтын теңдеуді ұсынды. Дирак теңдеуінің оң және теріс энергиясы бар екі шешімі бар екендігі белгілі болды. Теріс энергия күйі электронға ұқсас, бірақ оң электр заряды бар бөлшекті сипаттайды. Позитрон антипартикулалар деп аталатын бөлшектердің бүкіл класындағы алғашқы Ашық бөлшек болды. Позитрон ашылғанға дейін табиғаттағы оң және теріс зарядтардың тең емес рөлі түсініксіз болып көрінді. Позитронның ашылуы жеңіл бөлшектер үшін зарядтық симметрияны қалпына келтірді және физиктерге Протонға қарсы бөлшектерді табу мәселесін қойды. Тағы бір тосынсый - позитрон-бұл тұрақты бөлшек және бос кеңістікте шексіз өмір сүре алады. Алайда электрон мен позитрон соқтығысқан кезде оларды жою орын алады. Электрон мен позитрон жоғалып кетеді, оның орнына екі квант туады

Нөлден басқа тыныштық массасы бар бөлшектердің (0.511 МэВ) нөлдік тыныштық массасы бар бөлшектерге (фотондар) айналуы жүреді, яғни.тыныштық массасы сақталмайды.

Бета ыдырау парадокстары. Нейтрино

Бұл сұрақтың жауабы 1932 жылы итальяндық физик Энрико Ферми өзі жасаған ыдырау теориясында нейтрон табылғаннан бір жыл өткен соң берілді. - Белгілі бір мағынада ыдырау қозған атомдардың фотондардың шығарылуына ұқсас. Ядродағы электрондар да, атомдағы фотондар да сәулелену сәтіне дейін болмайды, ыдырау процесінде фотон да, электрон да түзілетінін айтты. Ыдырау процесін зерттеу электрондардың шығуы электромагниттік әсерлесуден немесе ядролық өзара әрекеттесуден емес, физикада әлі белгісіз өзара әрекеттесудің жаңа түрінен туындағанын көрсетті. Бұл өзара әрекеттесу әлсіз өзара әрекеттесу деп аталды. Болашақта ол физикаға көптеген күтпеген және сенсациялық жаңалықтар әкелді

Ыдырау құбылысын зерттеу физиктерге үлкен проблема туғызды. Эксперименттік фактілер энергияның, импульстің және қозғалыс моментінің сақталу заңдарына сәйкес келмейтін болып көрінді. Осы заңдарды сақтау үшін В.Паули 1930 жылы ыдырау процесінде оңай байқалатын электронмен қатар нөлдік заряды, нөлдік демалу массасы және 1/2 айналуы бар тағы бір жеңіл бөлшек пайда болуы керек деген болжам жасады. Нейтрино ыдырау процесінде электронмен бірге шығарылғандықтан, ол жетіспейтін энергияны, импульсті және қозғалыс мөлшерінің моментін алып кетуі мүмкін. Паули гипотезасын тексеру үшін нейтриндерді эксперименталды түрде анықтау қажет болды. Алайда Паули болжаған нейтрино қасиеттері оны анықтауды өте қиын міндет етті. Өйткені, нейтрино затпен өте әлсіз өзара әрекеттесуі керек еді. Ол мыңдаған шақырым заттарды өзара әрекеттесусіз ұшып кетуі мүмкін. Нейтриноның энергиямен әрекеттесу қимасы ~10 -34 см 2 атом ядроларымен бірнеше МэВ құрайды . Нейтриноларды тікелей тіркеудің эксперименттік әрекеттері жиырма жылға жуық уақытқа созылды. Тек 1953 жылы өте күрделі эксперимент нәтижесінде Ф. Райнес пен К. Коуэн антинейтриноны тіркей алды. (Антинейтрино реакция арқылы тіркелді

Антинейтрино көзі атом реакторы болды, онда антинейтрино көп мөлшерде түзіледі.). Паули гипотезасы керемет растау алды

Пиондар-ядролық алаң кванттары

Атом ядросында нейтрондар мен протондардың болуы физиктерге осы бөлшектерді ядрода байланыстыратын ядролық өзара әрекеттесудің табиғатын зерттеу мәселесін қойды. 1934 жылы Х.Юкава жаңа бөлшекті - ядролық алаңның квантын болжады. Юкава гипотезасына сәйкес нуклондар арасындағы өзара әрекеттесу осы бөлшектердің шығуы мен сіңуі нәтижесінде пайда болады. Олар ядролық өрісті Фотон алмасу нәтижесінде пайда болатын электромагниттік өріске ұқсастық арқылы анықтайды

Из чего состоит атомное ядро?

Измерения масс атомов с помощью масс-спектрографа Ф. Астона показали, что массы всех исследованных атомов с точностью ~10% пропорциональны массе протона - M ~ Am p , 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

Простейшая модель -распада была предложена в 1928 году Г. Гамовым и независимо от него Г. Герни и Э. Кондоном. В этой модели предполагалось, что -частица постоянно существует в ядре. Вероятность -распада в основном определяется вероятностью прохождения -частиц через кулоновский потенциальный барьер

В 1930-1932 гг. разыгрались полные драматизма события. Продолжая начатые Резерфордом эксперименты по облучению тонких фольг из бериллия -частицами, В. Боте и Г. Беккер обнаружили сильно проникающее излучение, состоящее из нейтральных частиц. Первоначально выдвинутая гипотеза о том, что это фотоны высоких энергий, не выдержала проверки. Лишь в 1932 г. английский физик Д. Чедвик показал, что это новая, до сих пор неизвестная нейтральная частица с массой, приблизительно равной массе протона. Обнаруженная частица была названа нейтроном. Сразу после открытия нейтрона Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо выдвинули 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 ~10 14 г/см 3 . 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

Раз меры ядра

Еще на ранней стадии изучения структуры атомных ядер эксперименты по рассеянию 11 -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 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./Фм 3 (см. рис.3).

Открытие позитрона, частицы по своим характеристикам похожей на электрон, но имеющей в отличие от электрона положительный единичный заряд, было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд. Позитрон был первой открытой частицей из целого класса частиц, которые получили название античастиц. До открытия позитрона казалась необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Открытие позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поиска античастицы для протона. Другая неожиданность - позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два -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.

Пар адоксы бета - распада. Нейтрино

Ответ на этот вопрос был дан в 1932 г. через год после открытия нейтрона итальянским физиком Энрико Ферми в разработанной им теории -распада. -Распад в определенном смысле аналогичен испусканию фотонов возбужденными атомами. Ни электронов в ядре, ни фотонов в атоме нет до момента излучения, и фотон, и электрон образуются в процессе распада. Изучение процесса -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

Изучение явления -распада поставило перед физиками серьезную проблему. Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Для того, чтобы спасти эти законы В. Паули в 1930 г. высказал предположение, что в процессе -распада наряду с электроном, который легко наблюдается, должна рождаться еще одна легкая частица с нулевым зарядом, нулевой массой покоя и спином 1/2. Поскольку нейтрино испускалось вместе с электроном в процессе -распада, оно могло уносить недостающую энергию, импульс и момент количества движения. Для того чтобы проверить гипотезу Паули, необходимо было обнаружить нейтрино экспериментально. Однако свойства нейтрино, предсказанные Паули, делали обнаружение ее чрезвычайно трудной задачей. Дело в том, что нейтрино должно было очень слабо взаимодействовать с веществом. Оно могло пролетать тысячи километров вещества без взаимодействия. Сечение взаимодействия нейтрино с энергией несколько МэВ с атомными ядрами ~10 -34 см 2 . Экспериментальные попытки непосредственно зарегистрировать нейтрино продолжались почти двадцать лет. Лишь в 1953 году в результате очень сложного эксперимента Ф. Райнесу и К. Коуэну удалось зарегистрировать антинейтрино. (Антинейтрино было зарегистрировано с помощью реакции

Источником антинейтрино служил атомный реактор, в котором антинейтрино образуются в большом количестве.). Гипотеза Паули получила блестящее подтверждение

Пио ны – 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 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

После предсказания свойств мезона начались энергичные поиски этой частицы. И уже через два года в 1937 г. в космических лучах с помощью камеры Вильсона была обнаружена частица с массой покоя равной примерно 200 массам покоя электрона. Вначале считалось, что это и есть предсказанный Юкавой мезон. Однако более детальное исследование свойств этой частицы показало, что обнаруженные в космических лучах мезоны взаимодействуют с нейтронами и протонами не достаточно сильно, как это должно было быть для переносчиков ядерного взаимодействия. Они не захватывались атомными ядрами, а распадались с испусканием электронов. Первоначальный энтузиазм сменился некоторым разочарованием. Наконец в 1947 году также в космических лучах была обнаружена еще одна частица, которая сильно взаимодействовала с протонами и нейтронами и была той самой частицей, которую предсказал Юкава. Ее назвали -мезоном или пионом

Пионы, нейтроны и протоны принадлежат к одному классу частиц, называемых адронами. Их отличительная черта - участие в сильных ядерных взаимодействиях

Леп тоны

Открытая в 1937 году частица тоже была названа мезоном, -мезоном. Он имеет массу ~106 МэВ и существует в двух разновидностях - отрицательно заряженная частица и положительно заряженная античастица. Сегодня -мезон предпочитают называть мюоном

На то, что электронные и мюонные нейтрино разные частицы, впервые было указано в 1957 году М. Марковым и 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

11

Существует космологическое ограничение на суммарную массу всех типов нейтрино

m( 11 e ) + m( 11 ) + m( 11 ) < 40 эВ

Если нейтрино имеет массу, то возможны распады и осцилляции нейтрино, смешивание нейтрино различных типов. Гипотеза об осцилляции нейтрино была выдвинута в 1957 году Б. Понтекорво . В настоящее время интенсивно проводятся эксперименты по измерению массы покоя нейтрино, обнаружению осцилляций нейтрино. Если окажется, что масса нейтрино отлична от нуля, то масса вещества во Вселенной должна в основном определяться массой нейтрино.

Яде рные реакции

Развитие ядерной физики в большой степени определяется исследованиями в такой важной ее области, как ядерные реакции. Однако после того, как Резерфорд впервые наблюдал ядерную реакцию, до появления первой модели ядерной реакции прошло довольно много лет. -Частицы от радиоактивных источников могли эффективно преодолеть кулоновский барьер только на самых легких ядрах. С появлением ускорителей ситуация радикально изменилась, теперь можно было бомбардировать ядра не только -частицами. Повысились энергии и интенсивности пучков частиц.

Первое количественное описание реакции, идущей через компаунд-ядро, было получено Брейтом и Е. Вигнером в 1936 году

Широкое распространение в расчетах сечений ядерных реакций получила феноменологическая модель испарения, предложенная В. Вайскопфом в 1937 году. В 30-50-х годах на основе "первых принципов" развивалась формальная теория ядерных реакций. Различные варианты формальной теории не содержали конкретных физических предположений таких, например, как гипотеза независимости, и в принципе могли описывать различные механизмы ядерных реакций. Однако применение их для практических расчетов было связано с большими трудностями. Тем не менее развитые в этих работах подходы позволили глубже понять физику процессов, происходящих в ядре и были использованы при создании моделей

К началу 50-х годов создание последовательной теории реакций, идущих через составное ядро, было в основном завершено. С помощью теории компаунд-ядра удалось удовлетворительно описать большое количество экспериментальных данных. При вычислении сечений предполагали, что любая частица, попав в ядро, должна поглотиться (модель "черного" ядра), т.е. одночастичное движение должно полностью затухнуть. Однако начали появляться экспериментальные данные, которые свидетельствовали, что одночастичное движение не затухает полностью

Для описания усредненного поведения сечений Г. Фешбах , К. Портер и В. Вайскопф в 1954 году предложили оптическую модель, которая получила свое название из-за аналогии рассеяния частиц на ядре с прохождением света через полупрозрачную сферу. В оптической модели предполагается, что ядро может быть описано комплексной потенциальной ямой

U(r) = V(r) + iW(r),

где мнимая часть W(r) описывает поглощение частиц падающего пучка.

После появления в 1966 году пионерской работы Дж. Гриффина наметился экспоненциальный рост экспериментальных и теоретических работ, посвященных так называемым предравновесным процессам. Сегодня предравновесные процессы делят на два класса: многоступенчатые прямые процессы, в которых происходит эволюция открытых состояний, и многоступенчатые компаунд-процессы, связанные с эволюцией закрытых состояний и связи их с открытыми состояниями. Под открытыми состояниями понимаются состояния, в которых хотя бы один нуклон находится выше энергии связи и может вылететь. В закрытых состояниях все нуклоны находятся ниже энергии связи

В реакциях с тяжелыми ионами в 70-е годы в Дубне группой В. Волкова был открыт новый тип ядерных реакций - реакции глубоконеупругих передач. Специфика глубоконеупругих передач обусловлена качественными изменениями процесса взаимодействия двух сложных ядер по сравнению с реакциями с легкими ионами. В основе этого взаимодействия лежат процессы формирования, эволюции и распада специфического ядерного комплекса - двойной ядерной системы. За счет кинетической энергии сталкивающиеся ядра проникают друг в друга, возрастает зона перекрытия их поверхностей. Из-за большой вязкости ядерной материи и соответственно из-за большого ядерного трения подавляющая часть кинетической энергии переходит в возбуждение системы, скорость относительного движения падает до нуля. Часть кинетической энергии переходит в энергию вращения ядер. Однако несмотря на интенсивное взаимодействие, оболочечная структура обеспечивает ядрам сохранение их индивидуальности. В зоне обмена нуклоны переходят из одного ядра в другое, однако нуклоны внутренних оболочек образуют довольно устойчивые коры, сохраняющие индивидуальность ядер. Эволюция системы происходит в направлении минимума потенциальной энергии системы, в процессе которой нуклоны от одного ядра оболочка за оболочкой передаются другому. Если кулоновские и центробежные силы превосходят силы притяжения, система будет распадаться. Однако, если результирующая сила невелика, распад будет происходить медленно и от ядра к ядру может быть передано значительное количество нуклонов

Дел ение ядер

100001

Ядра тяжелых элементов - урана, плутония и некоторых других интенсивно поглощают тепловые нейтроны. После акта захвата нейтрона, тяжелое ядро с вероятностью ~0,8 делится на две неравные по массе части, называемые осколками или продуктами деления. При этом испускаются - быстрые нейтроны/ (в среднем около 2,5 нейтронов на каждый акт деления), отрицательно заряженные бета-частиц и нейтральные гамма-кванты, а энергия связи частиц в ядре преобразуется в кинетическую энергию осколков деления, нейтронов и других частиц. Эта энергия затем расходуется на тепловое возбуждение составляющих вещество атомов и молекул, т.е. на разогревание окружающего вещества

После акта деления ядер рожденные при делении осколки ядер, будучи нестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращений и с некоторым запаздыванием испускают "запаздывающие" нейтроны, большое число альфа, бета и гамма-частиц. С другой стороны некоторые осколки обладают способностью интенсивно поглощать нейтроны

Изучение взаимодействия нейтронов с веществом привело к открытию ядерных реакций нового типа. В 1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман исследовали химические продукты, получающиеся при бомбардировке нейтронами ядер урана. Среди продуктов реакции был обнаружен барий - химический элемент с массой много меньше, чем масса урана. Задача была решена немецкими физиками Л. Мейтнер и О. Фришем , показавшими, что при поглощении нейтронов ураном происходит деление ядра на два осколка.

92 U + n 56 Ba + 36 Kr +kn

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;

Новые горизонты ядерной физики.

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.

Было обнаружено, что ядра могут самопроизвольно испускать ядра тяжелее 4 He – кластерная радиоактивность. Впервые кластерная радиоактивность наблюдалась в распаде

223 Ra 11 209 Pb + 14 C

Какие сегодня приоритетные направления исследований в области ядерной физики?

Поиск новых сверхтяжелых ядер.

Дет екторы. Ускорители

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

Основным детектором частиц долгое время была пластинка, с нанесенным на нее слоем сернистого цинка. Источником частиц высоких энергий в то время были космические лучи - частицы, образующиеся в мировом пространстве. Сегодня кажется почти неправдоподобным, сколько открытий в физике атомного ядра было сделано с использованием природных источников радиоактивного излучения с энергией всего лишь несколько МэВ и простейших детектирующих устройств. Открыто атомное ядро, получены его размеры, впервые наблюдалась ядерная реакция, обнаружено явление радиоактивности, открыты нейтрон и протон, предсказано существование нейтрино и т.д. Частицы регистрировались глазом по производимым ими в сернистом цинке вспышкам света

Создание первых ускорителей Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном , Р. Ван-де-Графом , 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 1947 году происходит открыте -мезон ( Пауэл ), 1947 год - обнаружены странные частицы. В 1932 году найден позитрон К. Андерсон ом

Впервые Черенковское излучение наблюдалось визуально. Первая пузырьковая камера, в которой Глезер наблюдал треки -частиц была с наперсток. В космических лучах впервые наблюдались новые элементарные частицы. В 1937 году обнаружен мюон К. Андерсоном, С. Недермейер ом