ВВЕДЕНИЕ

Основные этапы развития ядерной физики.

Ядерная физика изучает структуру атомных ядер, свойства ядернъга; сил, законы изменения и превращения ядер при распаде и ядерных реакциях, взаимодействие ядерного излучения с веществом и элементарные частицы. Трудно указать другую область естествознания, столь же быстро развившуюся и получившую столь широкое применение в медицине, биологии, технике и энергетике, как ядерная физика. Многие ее новые открытия немедленно находят практическое приложение.

Изучение элементарных частиц непрерывно меняет и обогащает наши представления о свойствах материи. Все это определяет исключительно быстрое развитие ядерной физики.

Ее предыстория начинается в 1896 г., когда французский ученый Беккерель открыл, что соединения урана, независимо от их химического строения, самопроизвольно испускают лучи высокой проникающей способности. Тот же эффект наблюдался у открытого вскоре супругами Кюри элемента — радия.

Исследуя характер отклонения этих лучей в магнитном поле, Резерфорд показал, что они состоят из трех различных компонент: -лучей — потока положительно заряженных частиц; -лучей — потока частиц, заряженных отрицательно, и у-лучей, не отклоняющихся в магнитном поле. Далее выяснилось, что -лучи состоят из частиц, несущих двойной элементарный заряд и обладающих массой, приближенно равной массе атома гелия, в то время как -лучи являются потоком быстродвижущихся электронов, -лучи ведут себя, как рентгеновские лучи большей жестокости.

Изучая рассеяние -частиц в веществе, Резерфорд пришел к выводу, что в атоме, имеющем, как было ранее выяснено, размеры порядка см, а масса сосредоточена в небольшой положительно заряженной сердцевине — в атомном ядре, поперечник которого имеет величину порядка всего см, т. е. во много раз меньше размеров всего атома.

На основании этих опытов в 1911 г. Резерфорд предложил ядерную модель атома (в противовес существовавшей в то время модели Томсона, согласно которой атом рассматривался как положительно заряженный сплошной шар со взвешенными внутри него электронами). По этой ядерной модели атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра и в тысячи раз более легкой оболочки, образованной электронами. Электроны вращаются вокруг ядра и удерживаются вблизи него электрическими силами на расстояниях, которыми и определяется размер всего атома. Так как атомы электрически нейтральны, то атомный номер определяющий заряд ядра и химические свойства элементов, равен числу электронов внешней оболочки.

Однако с точки зрения классической физики нельзя было объяснить существование стабильных атомов такой структуры, так как в соответствии с законами электродинамики всякий электрон, движущийся по окружности вокруг ядра, должен терять свою энергию на излучение, постепенно приближаться к ядру и в конце концов упасть на него. При этом должна непрерывно меняться частота обращения электрона вокруг ядра и, следовательно, частота испускаемого атомом излучения. В то же время было известно, что атомные спектры имеют строго определенный дискретный и стационарный характер.

Для устранения этих противоречий в 1913 г. Бором была предложена модель атома, принципиально новым элементом которой по сравнению с моделью Резерфорда явилось наличие особых стационарных электронных орбит. По предположению Бора, их особенность заключается в том, что находящиеся на них электроны по некоторым неизвестным причинам не теряют энергию на излучение и обладают строго определенным моментом количества движения, кратным постоянной Планка —

где масса электрона, скорость электрона, радиус орбиты, целое число, называемое главным квантовым числом и принимающее значения эрг-сек.

Переход же электрона с одной стационарной орбиты на другую (по Бору) должен сопровождаться поглощением или испусканием порции электромагнитной энергии в виде кванта света частоты и энергии

где энергии электрона на устойчивой орбите (в принципе возможно испускание и нескольких квантов той же суммарной энергии).

Эти два условия были введены в виде постулатов и на их основании были объяснены многие экспериментальные результаты. Однако в самой основе теории Бора была заложена непоследовательность. С одной стороны, он предполагал, что классические

принципы механики и электродинамики в общем правильны и электрон обладает обычными свойствами заряженной корпускулы. С другой стороны, утверждалось, что для электрона в атоме существуют некоторые исключения, необъяснимо противоречащие классическим представлениям.

Эта трудность была преодолена только после создания в 1926 г. Гейзенбергом и Шредннгером последовательной теории — квантовой механики, основывающейся на более общих законах материи, которые в макромире сводятся к законам классической физики, но в микромире соответствуют совершенно новым свойствам частиц.

В частности, соответственно новым, волновым свойствам электрона, как показывает квантовая механика, не существует таких состояний частицы, в которых она обладала бы одновременно точно определенным положением и скоростью.

В таких условиях, когда отличие законов квантовой механики от законов классической физики становится существенным, например, для электрона в атоме, состояние его уже нельзя представлять как движение по определенной траектории — физические свойства частицы делают такое описание неадекватным. Вместо этого состояние следует описывать так называемой волновой функцией.

Для каждой конкретной системы она может быть найдена как решение фундаментального уравнения квантовой механики — волнового уравнения Шредингера. Оказывается, например, для электрона в атоме такое физически осмысленное решение существует только для выделенной последовательности значений энергии и момента количества движения. Эти «разрешенные», или «собственные», состояния и определяющие их «собственные значения» энергии и момента количества движения как раз и соответствуют состояниям, введенным Н. Бором. Однако при этом представление об орбитах электронов становится недействительным и отпадает. При данном состоянии электрона он может быть обнаружен не на некоторых орбитах, а с разной вероятностью во всем объеме атома. Вероятность обнаружения в данной точке определяется квадратом модуля волновой функции в данной точке.

Квантовая механика не только подтвердила ряд результатов теории Бора, но и сумела объяснить другие экспериментальные данные.

В 1919 г. Резерфорд наблюдал расщепление ядер различных веществ при бомбардировке их -частицами. При этом из ядер вылетали однократно положительно заряженные частицы с массой, равной массе ядра атома водорода, в 1836 раз превышающей массу электрона. Этим было доказано, что в составе различных ядер содержатся ядра водорода; их называют протонами и обозначают символом

После открытия протонов физикам представлялось, что ядро построено из А протонов и злектронрв. Протоны заряжены

положительно, следовательно, в единицах электронного заряда (взятого по абсолютной величине) заряд ядра равен Вокруг ядра вращается электронов в пределах расстояния порядка

Но представление о том, что электроны входят в состав ядра, противоречило многим экспериментальным фактам.

В 1930 г. Боте и Беккер, подвергая бериллий воздействию -частиц, излучаемых полонием, наблюдали излучение с большой лроникающей способностью. Казалось, что это были у-лучи.

Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио нашли, что если поместить на пути излучения парафин, то из парафина вылетают протоны большой энергии. Такой вид взаимодействия у-излучения с веществом не был известен. Чтобы он мог существовать надо было бы приписать у-лучам энергию, значительно большую, чем они могли иметь при подобных реакциях.

Только в 1932 г. Чадвик доказал существование электрически нейтральной частицы с массой, почти такой же, как у протона. Эта частица была названа нейтроном и обозначается символом

Сразу же после этого открытия независимо Гейзенбергом и Иваненко была высказана естественная гипотеза о том, что ядро построено из протонов и нейтронов, причем полное их число определяет массу ядра А, число одних протонов — заряд ядра Возник вопрос, какие силы удерживают протоны и нейтроны в ядре, какова их природа.

Так как нейтрон не имеет заряда, эти силы не могут быть электрическими. Стало ясно, что кроме известных ранее кулонов-ских и гравитационных сил, должны существовать новые — ядерные силы. Возник вопрос о природе этих сил. С открытием нейтрона по существу начался новый этап в развитии науки о ядре.

В конце 1932 г. в космических лучах Андерсоном и Милли-кеном был открыт позитрон — частица с массой электрона, но положительно заряженная Ее существование было предсказано Дираком из чисто теоретических представлений и обнаруженные свойства позитрона оказались точно соответствующими предсказанным.

По мере изучения -распада атомных ядер выяснились странности и нарушения в балансе энергии. Получалось видимое противоречие с наиболее общими законами природы — законом сохранения энергии и законом сохранения момента количества движения.

Было показано, что спектр излучаемых электронов имеет непрерывный характер, а их средняя энергия значительно меньше энергии, теряемой ядром при распаде. Выход был найден Паули, предложившим гипотезу о существовании еще одной нейтральной частицы с высокой проникающей способностью — нейтрино (символ Такая частица, вылетая из ядра при -распаде вместе с электроном, уносит дополнительную энергию, но из-за отсутствия заряда остается незамеченной. Эта гипотеза была принята всеми

и вошла в теорию, но существование нейтрино в свободном состоянии было обнаружено на опыте более чем через двадцать лет.

Для того чтобы на основе гипотезы о нейтрино построить последовательную теорию -распада, Ферми предположил наличие нового типа взаимодействия частиц — так называемого -взаимодействия (слабое взаимодействие).

Это взаимодействие согласно его теории обусловливало р-распад, т. е. распад нейтрона на протон, электрон и нейтрино

В 1934 г. советский физик И. Тамм показал, что из факта существования такого распадного -взаимодействия должно вытекать и существование некоторого потенциала сил между нейтроном и протоном. Механизм его заключается в том, что нуклоны обмениваются парами частиц (электрон — нейтрино и т. п.). Отсюда возникла возможность объяснить природу ядерных сил. Однако, как показал сам Тамм, эти силы чрезвычайно слабы и не могут быть теми основными ядерными силами, которые обеспечивают устойчивость ядер.

В 1935 г. японский физик Юкава, развивая эти идеи, показал, что ядерные силы могут иметь в своей основе обмен какими-то другими частицами — квантами поля ядерных сил. Принтом для объяснения малого радиуса ядерных сил нужно было предположить, что они должны иметь массу порядка 200—300 электронных масс.

В 1938 г. подобные частицы были открыты в космических лучах и получили название -мезонов. Однако изучение их свойств показало, что и они не могут быть переносчиками ядерного взаимодействия, так как сами слабо взаимодействуют с ядерными частицами.

Только в 1947 г. Пауэллом в космических лучах были обнаружены ядерно активные частицы — -мезоны с массой порядка , которые и являются квантами поля ядерных сил. Таким образом, было установлено, что в основе существования ядерных сил между нуклонами лежит взаимодействие через поле ядерных сил, квантами которого являются -мезоны и некоторые другие, позже открытые виды мезонов.

Работы по изучению взаимодействий между нуклонами и ядрами развивались особенно интенсивно после открытия методов искусственного ускорения частиц, В 1932 г. Кокрофт и Уолтон построили установку, в которой получили пучок быстрых протонов. Бомбардируя такими ускоренными протонами мишени из различного вещества можно было наблюдать процессы расщепления ядер. Дальнейшее развитие ускорительной техники дало возможность получать также быстрые электроны дейтоны, -частицы и другие частицы. В руках физиков появилось мощное средство воздействия на атомное ядро.

С открытием в 1944 г. В. И. Векслером (СССР) и в 1945 г. Макмиллаиом (США) принципа автофазировки была начата разработка новых циклических ускорителей. В Советском Союзе с 1958 г. работает ускоритель с энергией частиц 10 Гэв. В 1960 г. в США получены на ускорителе частицы с энергией порядка 30 Гэв. Недавно (1968 г.) в СССР введен в строй новый ускоритель в Серпухове, в котором протоны ускоряются до энергий

В различных странах запланировано строительство еще более мощных ускорителей. Европейским центром научных исследований в Швейцарии (CERN) намечено строительство ускорителя на 300 Гэв. В США сооружается кольцевой ускоритель на 200 Гэв с возможностью в дальнейшем удвоения энергии. В СССР успешно прошла испытание модель ускорителя на 1000 Гэв. Для представления о размерах этой уникальной установки достаточно сказать, что периметр ускорительной камеры будет равен 20 км.

В 1939 г. Ган и Штрассмаи, облучая уран нейтронами, наблюдали образование нескольких более легких элементов. Мейтнер и Фриш предложили правильную интерпретацию результатов, полученных Ганом и Штрассманом и показали, что тяжелое ядро под действием нейтронов может разделиться на две примерно равные части. В дальнейшем было показано, что процесс деления сопровождается испусканием вторичных нейтронов и освобождением большого количества энергии. Так как отношение среднего числа вторичных нейтронов к числу первичных превышает единицу, появилась возможность реализовать цепную реакцию, т. е. повторять процесс деления на новых ядрах урана с экспоненциальным нарастанием потока нейтронов. Первый ядерный реактор, в котором получалась энергия за счет деления ядер, был построен Ферми в США в 1942 г. Темпы развития этой отрасли науки таковы, что уже через 12 лет (в 1954 г.) в СССР была запущена первая в мире промышленная атомная электростанция.

За последние 25 лет развитие наших представлений о структуре ядер, об элементарных частицах, о свойствах ядерных сил происходило весьма быстро.

Эксперименты были направлены на наблюдение ядерных процессов при все больших энергиях путем использования мощных ускорителей и усовершенствования методов изучения космических лучей, в составе которых имеются частицы огромной энергии вплоть до Так, в подтверждение теории Дирака были найдены античастицы, соответствующие известным элементарным частицам: в 1955 г. — антипротон, а в 1956 г. — антинейтрон.

Мир элементарных частиц непрерывно расширял свои границы: были открыты гипероны — частицы с массой, большей массы протона; было обнаружено существование двух различных типов нейтрино: нейтрино электронных и нейтрино мюонных. Огромное значение для науки имело открытие несохранения четности в слабых взаимодействиях и спиральности нейтрино.

В настоящее время обнаруживаются все новые и новые частицы, относящиеся к классу так называемых резонансов, со временем жизни порядка сек, распадающихся на несколько известных ранее частиц с гораздо большим временем жизни.

В последние годы произошел качественный сдвиг в понимании того, что такое элементарная частица. Опыты развеяли старое представление об элементарной частице, как о чем-то вечном, неизменном и неразделимом. Оказалось, что все элементарные частицы могут рождаться и умирать, превращаясь в другие элементарные частицы. Частицы могут превращаться в излучение, и, наоборот, световые кванты могут порождать частицы. Оказалось, что элементарные частицы сами обладают сложной структурой.

Таким образом, родилась физика элементарных частиц. В настоящее время их известно уже более 200. Пока еще не существует строгой единой теории элементарных частиц, хотя накоплено много экспериментальных фактов. Каждый день приносит новые сведения и расширяет наши познания о природе явлений в мире атомных ядер и элементарных частиц.