История развития ядерной физики
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 [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.
Изучение процесса [pic]-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 [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 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 [pic]-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, [pic]-мезоном.
Он имеет массу ~106 МэВ и существует в двух разновидностях - отрицательно
заряженная частица и положительно заряженная античастица. Сегодня [pic]-
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
[pic]
и не рождаются электроны
[pic].
Мюоны, электроны и нейтрино относятся к семейству лептонов. Еще одна
частица этого семейства [pic]- лептон (таон) была открыта М. Перлом в 1979
году в реакции [pic]. 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([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 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. [pic]-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 [pic]-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.
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
В. Вайскопф в 1954 году предложили оптическую модель, которая получила
свое название из-за аналогии рассеяния частиц на ядре с прохождением света
через полупрозрачную сферу. В оптической модели предполагается, что ядро
может быть описано комплексной потенциальной ямой
U(r) = V(r) + iW(r),
где мнимая часть W(r) описывает поглощение частиц падающего пучка.
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.
После появления в 1966 году пионерской работы Дж. Гриффина наметился
экспоненциальный рост экспериментальных и теоретических работ, посвященных
так называемым предравновесным процессам. Сегодня предравновесные процессы
делят на два класса: многоступенчатые прямые процессы, в которых происходит
эволюция открытых состояний, и многоступенчатые компаунд-процессы,
связанные с эволюцией закрытых состояний и связи их с открытыми
состояниями. Под открытыми состояниями понимаются состояния, в которых хотя
бы один
| |  скачать работу |
История развития ядерной физики |
