![]() |
|
|
История развития ядерной физикиp> Размеры ядра Еще на ранней стадии изучения структуры атомных ядер эксперименты по
рассеянию [pic]-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. . Плотность ядерной материи в центре ядра приблизительно одинакова у всех ядер и составляет ~ 0.17 нукл./Фм3 (см. рис.3). . Толщина поверхностного слоя (спад плотности от 0.9[pic]0 до 0.1[pic]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 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 [pic]- кванта [pic]. Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары
электрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались [pic]-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. Парадоксы 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 [pic]-
распада. [pic]-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. 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 [pic]- распада наряду с электроном, который легко наблюдается, должна рождаться еще одна легкая частица с нулевым зарядом, нулевой массой покоя и спином 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 см2. 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 [pic]. 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 Х. Юкава предсказал новую частицу - квант ядерного поля. Пионы, нейтроны и протоны принадлежат к одному классу частиц, называемых адронами. Их отличительная черта - участие в сильных ядерных взаимодействиях. Лептоны Открытая в 1937 году частица тоже была названа мезоном, [pic]-мезоном. [pic] и не рождаются электроны [pic]. Ядерные реакции Развитие ядерной физики в большой степени определяется исследованиями в
такой важной ее области, как ядерные реакции. Однако после того, как Первая модель ядерной реакции появилась в 1935 году, это была модель Дальнейший прогресс представлений о механизмах ядерных реакций долгое время был связан с концепцией составного ядра (компаунд-ядра), которая была предложена в 1936 году Н. Бором для объяснения резонансной структуры сечений захвата нейтронов и протонов низких энергий атомными ядрами. 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 Успехи оптической модели в описании упругого рассеяния привели к
пониманию механизма протекания прямых ядерных реакций, в принципе
отличающегося от механизма протекания ядерных реакций через составное ядро. Деление ядер |Деление тяжелых ядер происходит при захвате |[pic] |
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. 92U + n [pic]56Ba + 36Kr +kn,
где k > 1. . управляемая ядерная реакция деления – создание атомных реакторов; . неуправляемая ядерная реакция деления – создание ядерного оружия. В 1942 году под руководством Э. Ферми в США был построен первый ядерный
реактор. В СССР первый реактор был запущен в 1946 году под руководством 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. Наряду с хорошо известными модами распада атомных ядер - [pic], Было обнаружено, что ядра могут самопроизвольно испускать ядра тяжелее 223Ra[pic]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 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. Со временем экспериментальные установки становились все сложней. Создание первых ускорителей Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном, Р. Ван-де- В 1944-45 годах 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. Первые ускорители высоких энергий были построены в Дубне (ОИЯИ), вблизи 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 LHC (Large Hadron Collider).
Регистрация заряженных частиц основана на явлении ионизации или
возбуждении атомов, которое они вызывают в веществе, пролетая в нем. На
этом основана работа таких детекторов как камера Вильсона, пузырьковая
камера, искровая камера, фотоэмульсии, газовые сцинтилляцтонные и
полупроводниковые детекторы. Незаряженные частицы ([pic]-кванты, нейтроны,
нейтрино) детектируются по вторичным заряженным частицам, возникающим в
результате их взаимодействия с веществом детектора. Быстрораспадающиеся
частицы регистрируются по их продуктам распада. Большое применение нашли
детекторы, позволяющие непосредственно наблюдать траектории частиц. Так с
помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле были открыты позитрон,
мюон и [pic]-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 Основная задача установки ATLAS - поиск Хиггсовских бозонов. 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 Используемая литература 1. Э. Ферми "Ядерная физика",пер. с англ., Москва, изд. "Иностранная литература", 1951 г. 2. В.Е. Левин "Ядерная физика",Москва, Атомиздат, 1985 г. 3. А.С. Герасимов, Т.С. Зарицкая, А.П. Рудик "Справочник по образованию нуклидов в ядерных реакторах", Москва, Энергоатомиздат, 1989 г. 4. В.Д. Сидоренко, В.М. Колобашкин, П.М. Рубцов, П.А. Ружанский "Радиационные характеристики облученного ядерного топлива", справочник, Москва, Энергоатомиздат, 1983 г.
Страницы: 1, 2 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
|
Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, рефераты на тему, сочинения, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое. |
||
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна. |