Реферат Тема: “История развития ядерной физики”




Скачать 296.22 Kb.
НазваниеРеферат Тема: “История развития ядерной физики”
страница1/2
Дата публикации11.11.2013
Размер296.22 Kb.
ТипРеферат
uchebilka.ru > Физика > Реферат
  1   2
Реферат скачан с сайта allreferat.wow.ua


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 атомногоядра, процессов радиоактивного распада и механизма ядерных реакций.Придавая этому термину более общий смысл, к ядерной физики часто относяттакже физику элементарных частиц. Иногда разделами ядерной физики.продолжают считать направления исследований, ставшие самостоятельнымиветвями техники, например ускорительную технику, ядерную энергетику.Исторически Ядерная физика возникла ещё до установления факта существованияядра атомного. Возраст ядерной физики можно исчислять со времени открытиярадиоактивности. Канонизированного деления современной ядерной физики на более узкиеобласти и направления не существует. Обычно различают ядерную физикунизких, промежуточных и высоких энергий. К ядерной физике низких энергийотносят проблемы строения ядра, изучение радиоактивного распада ядер, атакже исследования ядерных реакций, вызываемых частицами с энергией до 200Мэв. Энергии от 200 Мэв до 1 Гэв называются промежуточными, а свыше 1 Гэв -высокими. Это разграничение в значительной мере условно (особенно делениена промежуточные и высокие энергии) и сложилось в соответствии с историейразвития ускорительной техники. В современной ядерной физике структуру ядраисследуют с помощью частиц высоких энергий, а фундаментальные свойстваэлементарных частиц устанавливают в результате исследования радиоактивногораспада ядер. Обширной составной частью ядерной физики низких энергии являетсянейтронная физика, охватывающая исследования взаимодействия медленныхнейтронов с веществом и ядерные реакции под действием нейтронов. Молодойобластью ядерной физики является изучение ядерных реакций под действиеммногозарядных ионов. Эти реакции используются как для поиска новых тяжёлыхядер, так и для изучения механизма взаимодействия сложных ядер друг сдругом. Отдельное направление ядерной физики - изучение взаимодействия ядерс электронами и фотонами. Все эти разделы ядерной физики теснопереплетаются друг с другом и связаны общими целями. В ядерной физике (как и во всей современной физике) существует резкоеразделение эксперимента и теории. Арсенал экспериментальных средств ядернойфизики разнообразен и технически сложен. Его основу составляют ускорителизаряженных частиц (от электронов до многозарядных ионов), ядерные реакторы,служащие мощными источниками нейтронов, и детекторы ядерных излучений,регистрирующие продукты ядерных реакций. Для современного ядерногоэксперимента характерны большие интенсивности потоков ускоренных заряженныхчастиц или нейтронов, позволяющие исследовать редкие ядерные процессы иявления, и одновременная регистрация нескольких частиц, испускаемых в одномакте ядерного столкновения. Множество данных, получаемых в одном опыте,требует использования ЭВМ, сопрягаемых непосредственно с регистрирующейаппаратурой. Сложность и трудоёмкость эксперимента приводит к тому, что еговыполнение часто оказывается посильным лишь большим коллективамспециалистов. Для теоретической ядерной физики характерна необходимость использованияаппаратов разнообразных разделов теоретической физики: классическойэлектродинамики, теории сплошных сред, квантовой механики, статистическойфизики, квантовой теории поля. Центральная проблема теоретической ядернойфизики - квантовая задача о движении многих тел, сильно взаимодействующихдруг с другом. Теорией ядра и элементарных частиц были рождены и развитыновые направления теоретической физики (например, в теориисверхпроводимости, в теории химической реакции), получившие впоследствииприменение в других областях физики и положившие начало новымматематическим исследованиям (обратная задача теории рассеяния и еёприменения к решению нелинейных уравнений в частных производных) и др.Развитие теоретических и экспериментальных ядерных исследованийвзаимозависимо и тематически связано. Стоящие перед ядерной физикойпроблемы слишком сложны и лишь в немногих случаях могут быть решены чистотеоретическим или эмпирическим путём. Ядерная физика оказала большоевлияние на развитие ряда других областей физики (в частности, астрофизики ифизики твёрдого тела) и других наук (химии, биологии, биофизики). Прикладное значение ядерной физики в жизни современного общества огромно,её практические приложения фантастически разнообразны - от ядерного оружияи ядерной энергетики до диагностики и терапии в медицине. Вместе с тем онаостаётся той фундаментальной наукой, от прогресса которой можно ожидатьвыяснения глубоких свойств строения материи и открытия новых общих законовприроды. Мир, в котором мы живем, сложен и многообразен. Издавна человекстремился 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 наприроду материи. Сторонники одной школы (Демокрит, Эпикур) утверждали, чтонет ничего, кроме атомов и пустоты, в которой движутся атомы. Онирассматривали атомы как мельчайшие неделимые частицы, вечные и неизменные,пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и величиной.Сторонники другого направления придерживались прямо противоположной точкизрения. Они считали, что вещество можно делить бесконечно. Сегодня мызнаем, что мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства- это молекулы и атомы. Однако мы также знаем, что атомы в свою очередьимеют сложную структуру и состоят из атомного ядра и электронов. Атомныеядра состоят из нуклонов - нейтронов и протонов. Нуклоны в свою очередьсостоят из кварков. Но разделить нуклоны на составляющие их кварки уженельзя. Что вовсе не означает, что кварки "элементарны". Понятиеэлементарности объекта в значительной мере определяется уровнем нашихзнаний. Поэтому привычное для нас утверждение "состоит из …" насубкварковом уровне может оказаться лишенным смысла. Понимание этогосформировалось в процессе изучения физики субатомных явлений. Новая физика на рубеже веков - теория относительности, квантовая теория Открытие атомного ядра и элементарных частиц явилось результатомизучения строения вещества, достигнутым физикой в конце XIX века.Исследования электрических явлений в жидкостях и газах, оптических спектроватомов, рентгеновских лучей, фотоэффекта показали, что вещество имеетсложную структуру. В 1897 году при исследовании катодных лучей Дж. Томсономбыл открыт электрон - носитель отрицательного элементарного электрическогозаряда. ХХ век принес много неожиданностей в физику. Именно в это времяклассическая физика оказалась несостоятельной в объяснении новыхэкспериментальных фактов. Уменьшение временных и пространственныхмасштабов, в которых разыгрываются физические явления, привели к "новойфизике", столь непохожей на привычную традиционную классическую физику.Развитие физики в начале XX века привело к полному пересмотру классическихпредставлений. В основе "новой физики" лежат две фундаментальные теории: . теория относительности . квантовая теория.Теория относительности и квантовая теория являются фундаментом, на которомпостроено описание явлений микромира Создание А. Эйнштейном в 1905 году теории относительности привело крадикальному пересмотру представлений о свойствах пространства и времени,взглядов на характер электромагнитного поля. Стало ясно, что невозможносоздание 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 проблеметеплового излучения тел. М. Планк моделировал вещество как совокупностьгармонических осцилляторов различной частоты. Предположив, что излучениепроисходит не непрерывно, а порциями - квантами, он получил формулу дляраспределения энергии по спектру теплового излучения, которая хорошосогласовывалась 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 излученияпротиворечит основам классической физики и показала границы ееприменимости. Через пять лет А. Эйнштейн, обобщив идею М. Планка, показал, чтоквантованность является общим свойством электромагнитного излучения.Согласно идеям А. Эйнштейна электромагнитное излучение состоит из квантов,названных позднее фотонами. Каждый фотон имеет определенную энергию иимпульс: E = h[pic], [pic] = (h/[pic])[pic],где [pic]и [pic]- длина волны и частота фотона, [pic]- единичный вектор внаправлении распространения волны. Представления о квантованности электромагнитного излучения позволилиобъяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментальноГ. Герцем и А. Столетовым. На основе квантовой теории А. Комптоном в 1922году было объяснено явление упругого рассеяния электромагнитного излученияна свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны света.Открытие двойственной природы электромагнитного излучения - корпускулярно-волнового дуализма оказало значительное влияние на развитие квантовойфизики, объяснение природы материи. В 1924 г. Луи де Бройль выдвинулгипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этойгипотезе не только фотоны, но и любые другие частицы материи наряду скорпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Соотношения,связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц те же, что былиустановлены 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 можносопоставить с частицей. Волновой вектор [pic]ориентирован по направлениюдвижения частицы. Прямыми опытами, подтверждающими идею корпускулярно-волнового дуализма, были опыты, выполненные в 1927 году К. Дэвиссоном иЛ. Джермером по дифракции электронов на монокристалле никеля. Позднеенаблюдалась дифракция и других микрочастиц. Метод дифракции частиц внастоящее время широко используется в изучении строения и свойств вещества. Экспериментальное подтверждение идеи корпускулярно-волнового дуализмапривело к пересмотру привычных представлений о движении частиц и способаописания частиц. Для классических материальных точек характерно движение поопределенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой моментвремени точно известны. Для квантовых частиц это утверждение неприемлемо,так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, аговорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. Поэтомудля квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения еекоординат и импульса. Если частица занимает точно определенное положение впространстве, то ее импульс полностью неопределен и наоборот, частица сопределенным импульсом имеет полностью неопределенную координату.Неопределенность в значении координаты частицы [pic]x и неопределенность взначении компоненты импульса частицы [pic]px связаны соотношениемнеопределенности, установленным В. Гейзенбергом в 1927 году [pic]x·[pic]px[pic][pic]. Резерфорд открывает атомное ядро Параллельно с развитием идей квантовой теории развивались представленияо строении материи. Одна из первых моделей атома была предложена в 1904году Дж. Томсоном. Согласно модели Дж. Томсона атом представлял собойнейтральную систему, состоящую из заряженного шара с зарядом +Ze, внутрикоторого в определенных равновесных положениях находятся Z отрицательнозаряженных электронов. Размер атома ~10-8 см. Прямые экспериментальныеисследования 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, свидетельствовалоо том, что положительный заряд атома сосредоточен в пространственнойобласти размером меньше 10-12 см. Это явилось основанием для планетарноймодели атома Резерфорда, согласно которой атом состоит из тяжелогоположительно заряженного атомного ядра с радиусом меньше 10-12 см ивращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Размер атомаопределяется размерами его электронной оболочки и составляет ~10-8 см, чтов десятки тысяч раз превышает размер атомного ядра. Несмотря на то, чтоатомное ядро занимает лишь небольшую часть объема атома в нем сосредоточено99,98% его массы. Предложенная Э. Резерфордом модель атома сыграла решающую роль вразвитии квантовой механики. Дело в том, что на основе классической физикиневозможно было объяснить наблюдаемую на опыте устойчивость атома.Вращающиеся на орбите электроны, согласно классической физике, должны былиизлучать энергию и, потеряв ее, упасть на атомное ядро. Поскольку такиеявления как фотоэффект и явление дифракции электронов удалось объяснить спомощью квантовых представлений, вполне разумно казалось попытаться спомощью такого подхода объяснить и устойчивость электронных орбит атома. В 1913 году Н. Бор предложил новую квантовую теорию орбит. Согласноэтой теории электрон может вращаться вокруг ядра неопределенно долго, неизлучая энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волнде Бройля. Таким образом устойчивые орбиты в атоме это орбиты, радиусыкоторых rn определяются соотношениемrn = n2h2/Zmee,что соответствует определенным энергетическим уровням атомаEn = - Z2e4me/2n2h2.Атом может перейти из одного состояния в другое, испустив квант энергии -фотонh[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 атомаН. Бора не может дать полного описания свойств атома. В 1925 - 1926 гг. вработах В. Гейзенберга и Э. Шредингера был разработан общий подход описанияквантовых явлений - квантовая теория. Эволюция квантовой системы внерелятивистском случае описывается волновой функцией, удовлетворяющейуравнению Шредингера [pic]где [pic](x,y,z,t) - волновая функция, [pic]- оператор Гамильтона (операторполной энергии системы)В нерелятивистском случае [pic],где m - масса частицы, [pic]- оператор импульса, U(x,y,z) - потенциальнаяэнергия частицы. Задать закон движения частицы в квантовой механике этозначит определить значение волновой функции в каждый момент времени вкаждой точке пространства. Уравнение Шредингера играет в квантовой механикетакую же роль как и второй закон Ньютона в классической механике. Самойпоразительной особенностью квантовой физики оказался ее вероятностныйхарактер. Вероятностный характер законов является фундаментальным свойствоммикромира. Квадрат модуля волновой функции, описывающей состояние квантовойсистемы, вычисленный в некоторой точке, определяет вероятность обнаружитьчастицу в данной точке. Радиоактивность Некоторое время атомное ядро и электроны считались элементарнымисоставляющими вещества. Первое указание на существование атомного ядрасвязано с открытием в 1898 году А. Беккерелем радиоактивности. Этопроизошло задолго до того, как Резерфорд экспериментально доказал егосуществование. Оказалось, что некоторые минералы естественногопроисхождения самопроизвольно испускают излучение неизвестной природы. По прошествии нескольких лет было показано, что неизвестное излучениесостоит 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, илишь впоследствии стало ясно, что их источником является атомное ядро.Явление самопроизвольного распада атомных ядер стало называтьсярадиоактивностью. Выдающуюся роль в понимании природы радиоактивногораспада сыграли работы Пьера и Марии Кюри. Изучая треки образующихся при радиоактивном распаде положительнозаряженных частиц в электрическом поле, Э. Резерфорд показал, что эточастицы с массой атома гелия и зарядом +2e. В 1919 году Ф. Астон построилпервый масс-спектрограф, с помощью которого были получены точные значениямасс 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 наразличных мишенях, Э. Резерфорд обнаружил, что при бомбардировке ядер азота[pic]-частицами из него вылетают положительно заряженные частицы. Величиназаряда этих частиц по абсолютной величине была равна величине зарядаэлектрона, но противоположна по знаку. Масса частицы была почти в 2000 разбольше массы электрона. Повторение опыта на других мишенях показало, чтоположительно заряженные частицы вылетают и из других атомных ядер.Обнаруженные частицы были названы протонами. Ядерная реакция, в которойвпервые были обнаружены протоны, записывается в виде 14N + [pic] [pic]17O + p Уже первый взгляд на написанную реакцию свидетельствует о том, чтоЭ. Резерфорду удалось осуществить то, что в течение многих веков пыталисьсделать алхимики - превратить одно вещество в другое. Ядро азотапревращалось в ядро кислорода. Это была первая ядерная реакция,осуществленная искусственно в лабораторных условиях. В то же время стало ясно, что протоны следует считать элементарнымичастицами, 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 массепротона - M ~ Amp, где апринимает только целочисленные значения. Этот фактпослужил основанием для создания протон-электронной модели атомного ядра. Вэтой модели предполагалось, что атомное ядро состоит из апротонов и (A-Z)электронов. В этой модели легко объяснялись обнаруженная Астономпропорциональность массы атомного ядра числу аи величина заряда атомногоядра. Однако, по мере накопления экспериментальных данных по массам атомныхядер, магнитным моментам и спинам атомных ядер, протон-электронная модельядра начала сталкиваться с трудностями в объяснении экспериментальныхданных. Тем не менее, протон-электронная модель ядра продержалась вплоть до1932 года. Простейшая модель [pic]-распада была предложена в 1928 году Г. Гамовыми независимо от него Г. Герни и Э. Кондоном. В этой модели предполагалось,что [pic]-частица постоянно существует в ядре. Вероятность [pic]-распада восновном определяется вероятностью прохождения [pic]-частиц черезкулоновский потенциальный барьер. В 1930-1932 гг. разыгрались полные драматизма события. Продолжаяначатые Резерфордом эксперименты по облучению тонких фольг из бериллия[pic]-частицами, В. Боте и Г. Беккер обнаружили сильно проникающееизлучение, состоящее из нейтральных частиц. Первоначально выдвинутаягипотеза о том, что это фотоны высоких энергий, не выдержала проверки. Лишьв 1932 г. английский физик Д. Чедвик показал, что это новая, до сих порнеизвестная нейтральная частица с массой, приблизительно равной массепротона. Обнаруженная частица была названа нейтроном. Сразу после открытиянейтрона Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо выдвинули гипотезу, чтоатомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Эта модель выдержалаиспытания временем и, как показывают экспериментальнные наблюдения, вобычных условиях отклонения от протонно-нейтронной модели, связанные свнутренней структурой нуклонов, невелики. Протоны и нейтроны в атомном ядресвязаны особыми силами, для которых характерна большая величина и малыйрадиус действия ~10-13 см. Ядерные силы существенно превосходят силыэлектростатического кулоновского отталкивания протонов и обуславливаютбольшую плотность вещества ядра ~1014 г/см3. Этот новый тип взаимодействия,связывающий нейтроны и протоны, назвали ядерным или сильнымвзаимодействием. Эти два названия долгое время считали синонимами. Сегоднямы знаем: сильное взаимодействие связывает кварки внутри нуклона, а ядерноевзаимодействие, связывающее нейтроны и протоны, является следствиемсильного взаимодействия. Ядерное взаимодействие меняет свойства нуклонов.Так, например, свободный нейтрон, являясь нестабильной частицей, внутриядра может стать стабильным. По отношению к сильному взаимодействию протони нейтрон имеют одинаковые свойства. Это привело к открытию новой симметрии- изотопической инвариантности сильных взаимодействий. Была введена новаяквантовая характеристика - изоспин.С помощью изотопической инвариантности сильных взаимодействий в дальнейшемудалось предсказать массы и электрические заряды некоторых новыхэлементарных частиц. Протоны и нейтроны образуют атомные ядра всеххимических элементов. Размеры ядра Еще на ранней стадии изучения структуры атомных ядер эксперименты порассеянию [pic]-частиц на легких ядрах дали основание предполагать, чтоплотность ядерного вещества у всех ядер приблизительно постоянна. Этопредположение было в дальнейшем детально исследовано в опытах Р. Хофштатерапо рассеянию электронов высокой энергии на сферических ядрах, расположенныхвблизи долины стабильности. Оказалось, что плотности распределения ядернойматерии и электрического заряда практически совпадают. Для ядер, расположенных вблизи долины стабильности, были установленыследующие закономерности. . 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 наэлектрон, но имеющей в отличие от электрона положительный единичный заряд,было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Диракпредложил уравнение для описания релятивистской квантовой механикиэлектрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как сположительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательнойэнергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительныйэлектрический заряд. Позитрон был первой открытой частицей из целого классачастиц, которые получили название античастиц. До открытия позитронаказалась необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательныхзарядов в природе. Открытие позитрона по существу восстановило зарядовуюсимметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поискаантичастицы для протона. Другая неожиданность - позитрон являетсястабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечнодолго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит иханнигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два [pic]-кванта [pic].Происходит превращение частиц с массой покоя отличной от нуля (0.511 МэВ) вчастицы с нулевой массой покоя (фотоны), т.е. масса покоя не сохраняется. Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения парыэлектрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались [pic]-квантамис энергией в несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классическойфизике понятия частицы и волны резко разграничены - одни физические объектыявляются частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитронв фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что междуизлучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения парзаставили по-новому осмыслить, что же такое элементарная частица.Элементарная частица перестала быть неизменным "кирпичиком" в строенииматерии. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимногопревращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могутрождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы. Следующаяэлементарная частица - нейтрино также вначале была предсказана теорией.Открытие нейтрона, казалось, внесло ясность в строение вещества. Всеэлементарные частицы, необходимые для построения атома: протон, нейтрон,электрон - были известны. Если в составе атомного ядра нет электронов, тооткуда же берутся электроны, которые наблюдаются при радиоактивном распадеядер? Парадоксы бета - распада. Нейтрино Ответ на этот вопрос был дан в 1932 г. через год после открытиянейтрона итальянским физиком Энрико Ферми в разработанной им теории [pic]-распада. [pic]-Распад в определенном смысле аналогичен испусканию фотоноввозбужденными атомами. Ни электронов в ядре, ни фотонов в атоме нет домомента излучения, и фотон, и электрон образуются в процессе распада.Изучение процесса [pic]-распада показало, что испускание электронов вызваноне электромагнитным взаимодействием и не ядерным взаимодействием, а новымтипом взаимодействия до сих пор неизвестным в физике. Это взаимодействиебыло названо слабым взаимодействием. В будущем оно принесло в физику многонеожиданных и сенсационных открытий. Изучение явления [pic]-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 [pic]- 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 [pic]- 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 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].Источником антинейтрино служил атомный реактор, в котором антинейтринообразуются в большом количестве.). Гипотеза Паули получила блестящееподтверждение. Пионы – кванты ядерного поля Наличие в атомном ядре нейтронов и протонов поставило перед физикамипроблему изучения природы ядерных взаимодействий, связывающих эти частицы вядре. В 1934 году Х. Юкава предсказал новую частицу - квант ядерного поля.Cогласно гипотезе Юкава взаимодействие между нуклонами возникает врезультате испускания и поглощения этих частиц. Они определяют ядерное полепо аналогии с электромагнитным полем, которое возникает как следствиеобмена фотонами. После предсказания свойств мезона начались энергичные поиски этойчастицы. И уже через два года в 1937 г. в космических лучах с помощьюкамеры Вильсона была обнаружена частица с массой покоя равной примерно 200массам покоя электрона. Вначале считалось, что это и есть предсказанныйЮкавой мезон. Однако более детальное исследование свойств этой частицыпоказало, что обнаруженные в космических лучах мезоны взаимодействуют снейтронами и протонами не достаточно сильно, как это должно было быть дляпереносчиков ядерного взаимодействия. Они не захватывались атомными ядрами,а распадались с испусканием электронов. Первоначальный энтузиазм сменилсянекоторым разочарованием. Наконец в 1947 году также в космических лучахбыла обнаружена еще одна частица, которая сильно взаимодействовала спротонами и нейтронами и была той самой частицей, которую предсказал Юкава.Ее назвали [pic]-мезоном или пионом. Пионы, нейтроны и протоны принадлежат к одному классу частиц,называемых адронами. Их отличительная черта - участие в сильных ядерныхвзаимодействиях. Лептоны Открытая в 1937 году частица тоже была названа мезоном, [pic]-мезоном.Он имеет массу ~106 МэВ и существует в двух разновидностях - отрицательнозаряженная частица и положительно заряженная античастица. Сегодня [pic]-мезон предпочитают называть мюоном. На то, что электронные и мюонные нейтрино разные частицы, впервые былоуказано в 1957 году М. Марковым и Ю. Швингером. Эта гипотеза былаподтверждена в 1962 году в экспериментах на ускорителе в Брукхейвене. Былопоказано, что при взаимодействии мюонных нейтрино рождаются мюоны [pic]и не рождаются электроны [pic].Мюоны, электроны и нейтрино относятся к семейству лептонов. Еще одначастица этого семейства [pic]- лептон (таон) была открыта М. Перлом в 1979году в реакции [pic]. Она почти в два раза тяжелее протона и можетраспадаться не только подобно мюону на лептоны, но и на адроны.Существует космологическое ограничение на суммарную массу всех типовнейтрино m([pic]e) + m([pic]) + m([pic]) < 40 эВ.Если нейтрино имеет массу, то возможны распады и осцилляции нейтрино,смешивание нейтрино различных типов. Гипотеза об осцилляции нейтрино былавыдвинута в 1957 году Б. Понтекорво. В настоящее время интенсивнопроводятся эксперименты по измерению массы покоя нейтрино, обнаружениюосцилляций нейтрино. Если окажется, что масса нейтрино отлична от нуля, томасса вещества во Вселенной должна в основном определяться массой нейтрино. Ядерные реакции Развитие ядерной физики в большой степени определяется исследованиями втакой важной ее области, как ядерные реакции. Однако после того, какРезерфорд впервые наблюдал ядерную реакцию, до появления первой моделиядерной реакции прошло довольно много лет. [pic]-Частицы от радиоактивныхисточников могли эффективно преодолеть кулоновский барьер только на самыхлегких ядрах. С появлением ускорителей ситуация радикально изменилась,теперь можно было бомбардировать ядра не только [pic]-частицами. Повысилисьэнергии и интенсивности пучков частиц. Первая модель ядерной реакции появилась в 1935 году, это была модельОппенгеймера - Филлипса, предложенная для интерпретации реакции (d,p) принизких энергиях. Дальнейший прогресс представлений о механизмах ядерных реакций долгоевремя был связан с концепцией составного ядра (компаунд-ядра), которая былапредложена в 1936 году Н. Бором для объяснения резонансной структурысечений 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 получилафеноменологическая модель испарения, предложенная В. Вайскопфом в 1937году. В 30-50-х годах на основе "первых принципов" развивалась формальнаятеория ядерных реакций. Различные варианты формальной теории не содержаликонкретных физических предположений таких, например, как гипотезанезависимости, и в принципе могли описывать различные механизмы ядерныхреакций. Однако применение их для практических расчетов было связано сбольшими трудностями. Тем не менее развитые в этих работах подходыпозволили глубже понять физику процессов, происходящих в ядре и былииспользованы при создании моделей. К началу 50-х годов создание последовательной теории реакций, идущихчерез составное ядро, было в основном завершено. С помощью теории компаунд-ядра удалось удовлетворительно описать большое количество экспериментальныхданных. При вычислении сечений предполагали, что любая частица, попав вядро, должна поглотиться (модель "черного" ядра), т.е. одночастичноедвижение должно полностью затухнуть. Однако начали появлятьсяэкспериментальные данные, которые свидетельствовали, что одночастичноедвижение не затухает полностью. Для описания усредненного поведения сечений Г. Фешбах, К. Портер иВ. Вайскопф в 1954 году предложили оптическую модель, которая получиласвое название из-за аналогии рассеяния частиц на ядре с прохождением светачерез полупрозрачную сферу. В оптической модели предполагается, что ядроможет быть описано комплексной потенциальной ямойU(r) = V(r) + iW(r),где мнимая часть W(r) описывает поглощение частиц падающего пучка. Успехи оптической модели в описании упругого рассеяния привели кпониманию механизма протекания прямых ядерных реакций, в принципеотличающегося от механизма протекания ядерных реакций через составное ядро. После появления в 1966 году пионерской работы Дж. Гриффина наметилсяэкспоненциальный рост экспериментальных и теоретических работ, посвященныхтак называемым предравновесным процессам. Сегодня предравновесные процессыделят на два класса: многоступенчатые прямые процессы, в которых происходитэволюция открытых состояний, и многоступенчатые компаунд-процессы,связанные с эволюцией закрытых состояний и связи их с открытымисостояниями. Под открытыми состояниями понимаются состояния, в которых хотябы один нуклон находится выше энергии связи и может вылететь. В закрытыхсостояниях все нуклоны находятся ниже энергии связи. В реакциях с тяжелыми ионами в 70-е годы в Дубне группой В. Волкова былоткрыт новый тип ядерных реакций - реакции глубоконеупругих передач.Специфика глубоконеупругих передач обусловлена качественными изменениямипроцесса взаимодействия двух сложных ядер по сравнению с реакциями слегкими ионами. В основе этого взаимодействия лежат процессы формирования,эволюции и распада специфического ядерного комплекса - двойной ядернойсистемы. За счет кинетической энергии сталкивающиеся ядра проникают друг вдруга, возрастает зона перекрытия их поверхностей. Из-за большой вязкостиядерной материи и соответственно из-за большого ядерного трения подавляющаячасть кинетической энергии переходит в возбуждение системы, скоростьотносительного движения падает до нуля. Часть кинетической энергиипереходит в энергию вращения ядер. Однако несмотря на интенсивноевзаимодействие, оболочечная структура обеспечивает ядрам сохранение ихиндивидуальности. В зоне обмена нуклоны переходят из одного ядра в другое,однако нуклоны внутренних оболочек образуют довольно устойчивые коры,сохраняющие индивидуальность ядер. Эволюция системы происходит внаправлении минимума потенциальной энергии системы, в процессе которойнуклоны от одного ядра оболочка за оболочкой передаются другому. Есликулоновские и центробежные силы превосходят силы притяжения, система будетраспадаться. Однако, если результирующая сила невелика, распад будетпроисходить медленно и от ядра к ядру может быть передано значительноеколичество нуклонов. Деление ядер|Деление тяжелых ядер происходит при захвате |[pic] ||нейтронов. При этом испускаются новые частицы и| ||освобождается энергия связи ядра, передаваемая | ||осколкам деления. Это фундаментальное явление | ||было открыто в конце 30-ых годов немецкими | ||учеными Ганом и Штрасманом, что заложило основу| ||для практического использования ядерной | ||энергии. | |Ядра тяжелых элементов - урана, плутония и некоторых других интенсивнопоглощают тепловые нейтроны. После акта захвата нейтрона, тяжелое ядро свероятностью ~0,8 делится на две неравные по массе части, называемыеосколками или продуктами деления. При этом испускаются - быстрые нейтроны/(в среднем около 2,5 нейтронов на каждый акт деления), отрицательнозаряженные бета-частиц и нейтральные гамма-кванты, а энергия связи частиц вядре преобразуется в кинетическую энергию осколков деления, нейтронов идругих частиц. Эта энергия затем расходуется на тепловое возбуждениесоставляющих вещество атомов и молекул, т.е. на разогревание окружающеговещества.После акта деления ядер рожденные при делении осколки ядер, будучинестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращенийи с некоторым запаздыванием испускают "запаздывающие" нейтроны, большоечисло альфа, бета и гамма-частиц. С другой стороны некоторые осколкиобладают способностью интенсивно поглощать нейтроны. Изучение взаимодействия нейтронов с веществом привело к открытиюядерных реакций нового типа. В 1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман исследовалихимические продукты, получающиеся при бомбардировке нейтронами ядер урана.Среди продуктов реакции был обнаружен барий - химический элемент с массоймного меньше, чем масса урана. Задача была решена немецкими физикамиЛ. Мейтнер и О. Фришем, показавшими, что при поглощении нейтронов ураномпроисходит деление ядра на два осколка. 92U + n [pic]56Ba + 36Kr +kn,где k >
  1   2

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Реферат Тема: “История развития ядерной физики” iconТема урока. Зарождение и развитие физики как науки. Роль физического...
Цель: познакомить учеников с основными вехами в истории развития физики; показать значение физики в общественном развитии и жизни...

Реферат Тема: “История развития ядерной физики” iconКафедра иностранных языков
Тема: Краткая история латинского языка; история развития медицинской терминологии

Реферат Тема: “История развития ядерной физики” iconПрограмма конференции Вторник, 9 октября 2007 г
И. М. Неклюдов (Академик-секретарь отделения ядерной физики и энергетики нану, Директор хфти)

Реферат Тема: “История развития ядерной физики” iconРеферат скачан с сайта allreferat wow ua
Наиболее важные произведения из области физических знаний принадлежат Аристотелю, Теофрасту, Евклиду, Герону, Архимеду, Птолемею...

Реферат Тема: “История развития ядерной физики” icon16. 08. 1933 11. 03. 2013 Государстве нные награды и почетные звания
Акустическая тензометрия, акустодиагностика, история физики, методика и компьютерные технологии в преподавании физики, этимология...

Реферат Тема: “История развития ядерной физики” iconТема История взаимоотношений общества и природы
История отношения общества к природе в процессе индустриального развития производства

Реферат Тема: “История развития ядерной физики” iconРеферат скачан с сайта allreferat wow ua История развития прокуратуры...

Реферат Тема: “История развития ядерной физики” iconРеферат скачан с сайта allreferat wow ua История развития строительства...

Реферат Тема: “История развития ядерной физики” iconРеферат: По дисциплине: «История развития бухгалтерского учета»....

Реферат Тема: “История развития ядерной физики” iconРеферат скачан с сайта allreferat wow ua
Ведь само слово история подразумевает “бывшее раньше”. История – это постоянные изменения. Они бывают бурными, динамичными и вяло...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница


<