Реферат: История развития ядерной физики
.
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.
Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения
пары электрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались -квантами с энергией в
несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классической физике понятия
частицы и волны резко разграничены - одни физические объекты являются
частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны
стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и
веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар заставили по-новому
осмыслить, что же такое элементарная частица. Элементарная частица перестала
быть неизменным "кирпичиком" в строении материи. Возникла новая
чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения элементарных частиц.
Оказалось, что элементарные частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в
другие элементарные частицы. Следующая элементарная частица - нейтрино также
вначале была предсказана теорией. Открытие нейтрона, казалось, внесло ясность в
строение вещества. Все элементарные частицы, необходимые для построения атома:
протон, нейтрон, электрон - были известны. Если в составе атомного ядра нет
электронов, то откуда же берутся электроны, которые наблюдаются при
радиоактивном распаде ядер?
Парадоксы бета - распада. Нейтрино
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 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
.
Источником антинейтрино служил атомный реактор, в котором антинейтрино образуются в большом количестве.). Гипотеза Паули получила блестящее подтверждение.
Пионы – кванты ядерного поля
Наличие в атомном ядре нейтронов и протонов поставило перед физиками проблему изучения природы ядерных взаимодействий, связывающих эти частицы в ядре. В 1934 году 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.
Лептоны
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
.
Мюоны,
электроны и нейтрино относятся к семейству лептонов. Еще одна частица этого
семейства - лептон
(таон) была открыта М. Перлом в 1979 году в реакции
. Она почти в два раза
тяжелее протона и может распадаться не только подобно мюону на лептоны, но и на
адроны.
Существует космологическое ограничение на суммарную массу всех типов нейтрино
m(e) + m(
) + m(
) < 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.
Ядерные 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.
Первая модель ядерной реакции появилась в 1935 году, это
была модель Оппенгеймера - Филлипса,
предложенная для интерпретации реакции (d,p) при низких энергиях.
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.