История развития ядерной физики

История развития ядерной физики

Министерство образования Российской Федерации

Дисциплина: физика

Реферат

Тема: “История развития ядерной физики”

Выполнил: студент группы К-

Проверил: преподаватель

Владивосток

-2004-

Содержание

1.

Введение.............................................................

....................................................................

3

2. Новая физика на рубеже веков4

теория относительности, квантовая теория

....................................................................

....4

3. Резерфорд открывает атомное ядро

....................................................................

................5

4. Нерелятивистская квантовая теория.

....................................................................

..............6

Уравнение Шредингера

5. Радиоактивность

....................................................................

................................................6

6. Первая ядерная реакцияю............................................................

..........................................7

7. Состав атомного ядра................................................................

.............................................7

8. Размеры ядра

....................................................................

......................................................8

9. Позитрон. Аннигиляция.

Взаимные превращения элементарных частиц

...................................................................8

10. Парадоксы бета - распада.

Нейтрино............................................................

........................9

11. Пионы - кванты ядерного поля

....................................................................

.........................9

12. Лептоны

....................................................................

..............................................................9

13. Ядерные реакции

....................................................................

..............................................10

14. Деление ядер

....................................................................

.....................................................11

15. Новые горизонты ядерной физики.

Радиоактивные пучки

....................................................................

......................................12

16. Детекторы. Ускорители

....................................................................

...................................13

17. Заключение

....................................................................

.......................................................14

18. Используемая литература..........................................................

...........................................15

Введение
Ядерная физика раздел физики, посвященный изучению структуры атомного ядра, процессов радиоактивного распада и механизма ядерных реакций.
Придавая этому термину более общий смысл, к ядерной физики часто относят также физику элементарных частиц. Иногда разделами ядерной физики. продолжают считать направления исследований, ставшие самостоятельными ветвями техники, например ускорительную технику, ядерную энергетику.
Исторически Ядерная физика возникла ещё до установления факта существования ядра атомного. Возраст ядерной физики можно исчислять со времени открытия радиоактивности.
Канонизированного деления современной ядерной физики на более узкие области и направления не существует. Обычно различают ядерную физику низких, промежуточных и высоких энергий. К ядерной физике 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 ядерной физике структуру ядра исследуют с помощью частиц высоких энергий, а фундаментальные свойства элементарных частиц устанавливают в результате исследования радиоактивного распада ядер.
Обширной составной частью ядерной физики низких энергии является нейтронная физика, охватывающая исследования взаимодействия медленных нейтронов с веществом и ядерные реакции под действием нейтронов. Молодой областью ядерной физики 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 ядерной физики - изучение взаимодействия ядер с электронами и фотонами. Все эти разделы ядерной физики тесно переплетаются друг с другом и связаны общими целями.
В ядерной физике (как и во всей современной физике) существует резкое разделение эксперимента и теории. Арсенал экспериментальных средств ядерной физики 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 ядерной физики характерна необходимость использования аппаратов разнообразных разделов теоретической физики: классической электродинамики, теории сплошных сред, квантовой механики, статистической физики, квантовой теории поля. Центральная проблема теоретической ядерной физики - 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 ядерной физикой проблемы слишком сложны и лишь в немногих случаях могут быть решены чисто теоретическим или эмпирическим путём. 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 ядерной физики 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:

1. Поиск элементарных составляющих, из которых образована вся окружающая материя.

2. Изучение сил, связывающих элементарные составляющие материи.

3. 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 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 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 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

[pic], где h - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана, T - температура, [pic]- 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:

E = h[pic], [pic] = (h/[pic])[pic], где [pic]и [pic]- длина волны и частота фотона, [pic]- единичный вектор в направлении распространения волны.

Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили объяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментально
Г. Герцем и А. Столетовым. На основе квантовой теории 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. 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

E = [pic][pic], [pic]= [pic][pic], |p| = h/[pic][pic][pic]/[pic], где h = 2[pic][pic], [pic]= 2[pic][pic] - длина волны, которую можно сопоставить с частицей. Волновой вектор [pic]ориентирован по направлению движения частицы. Прямыми опытами, подтверждающими идею корпускулярно- волнового дуализма, были опыты, выполненные в 1927 году К. Дэвиссоном и
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.

Экспериментальное подтверждение идеи корпускулярно-волнового дуализма привело к пересмотру привычных представлений о движении частиц и способа описания частиц. Для классических материальных точек характерно движение по определенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой момент времени точно известны. Для квантовых частиц это утверждение неприемлемо, так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. Поэтому для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса. Если частица занимает точно определенное положение в пространстве, то ее импульс полностью неопределен и наоборот, частица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату.
Неопределенность в значении координаты частицы [pic]x и неопределенность в значении компоненты импульса частицы [pic]px связаны соотношением неопределенности, установленным В. Гейзенбергом в 1927 году

[pic]x·[pic]px[pic][pic].

Резерфорд открывает атомное ядро

Параллельно с развитием идей квантовой теории развивались представления о строении материи. Одна из первых моделей атома была предложена в 1904 году Дж. Томсоном. Согласно модели Дж. Томсона атом представлял собой нейтральную систему, состоящую из заряженного шара с зарядом +Ze, внутри которого в определенных равновесных положениях находятся Z отрицательно заряженных электронов. Размер атома ~10-8 см. Прямые экспериментальные исследования строения атома были выполнены в 1911 году Э. Резерфордом, который изучал рассеяние [pic]-частиц при прохождении через тонкую фольгу.
Угловое распределение [pic]-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 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 h[pic] = 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 Э. Шредингера был разработан общий подход описания квантовых явлений - квантовая теория. Эволюция квантовой системы в нерелятивистском случае описывается волновой функцией, удовлетворяющей уравнению Шредингера

[pic] где [pic](x,y,z,t) - волновая функция, [pic]- оператор Гамильтона (оператор полной энергии системы)
В нерелятивистском случае

[pic], где m - масса частицы, [pic]- 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 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:

1. Нейтрально заряженных частиц - фотонов.

2. Отрицательно заряженных частиц- электронов.

3. 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.

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 [pic]-частицами.

Первая ядерная реакция

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

14N + [pic] [pic]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 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.

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

В 1930-1932 гг. разыгрались полные драматизма события. Продолжая начатые Резерфордом эксперименты по облучению тонких фольг из бериллия
[pic]-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 ~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.

Страницы: 1, 2