История развития ядерной физики
нуклон находится выше энергии связи и может вылететь. В закрытых
состояниях все нуклоны находятся ниже энергии связи.
В реакциях с тяжелыми ионами в 70-е годы в Дубне группой В. Волкова был
открыт новый тип ядерных реакций - реакции глубоконеупругих передач.
Специфика глубоконеупругих передач обусловлена качественными изменениями
процесса взаимодействия двух сложных ядер по сравнению с реакциями с
легкими ионами. В основе этого взаимодействия лежат процессы формирования,
эволюции и распада специфического ядерного комплекса - двойной ядерной
системы. За счет кинетической энергии сталкивающиеся ядра проникают друг в
друга, возрастает зона перекрытия их поверхностей. Из-за большой вязкости
ядерной материи и соответственно из-за большого ядерного трения подавляющая
часть кинетической энергии переходит в возбуждение системы, скорость
относительного движения падает до нуля. Часть кинетической энергии
переходит в энергию вращения ядер. Однако несмотря на интенсивное
взаимодействие, оболочечная структура обеспечивает ядрам сохранение их
индивидуальности. В зоне обмена нуклоны переходят из одного ядра в другое,
однако нуклоны внутренних оболочек образуют довольно устойчивые коры,
сохраняющие индивидуальность ядер. Эволюция системы происходит в
направлении минимума потенциальной энергии системы, в процессе которой
нуклоны от одного ядра оболочка за оболочкой передаются другому. Если
кулоновские и центробежные силы превосходят силы притяжения, система будет
распадаться. Однако, если результирующая сила невелика, распад будет
происходить медленно и от ядра к ядру может быть передано значительное
количество 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 интенсивно
поглощают тепловые нейтроны. После акта захвата нейтрона, тяжелое ядро с
вероятностью ~0,8 делится на две неравные по массе части, называемые
осколками или продуктами деления. При этом испускаются - быстрые нейтроны/
(в среднем около 2,5 нейтронов на каждый акт деления), отрицательно
заряженные бета-частиц и нейтральные гамма-кванты, а энергия связи частиц в
ядре преобразуется в кинетическую энергию осколков деления, нейтронов и
других частиц. Эта энергия затем расходуется на тепловое возбуждение
составляющих вещество атомов и молекул, т.е. на разогревание окружающего
вещества.
После акта деления ядер рожденные при делении осколки ядер, будучи
нестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращений
и с некоторым запаздыванием испускают "запаздывающие" нейтроны, большое
число альфа, бета и гамма-частиц. С другой стороны некоторые осколки
обладают способностью интенсивно поглощать нейтроны.
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.
Среди продуктов реакции был обнаружен барий - химический элемент с массой
много меньше, чем масса урана. Задача была решена немецкими физиками
Л. Мейтнер и О. Фришем, показавшими, что при поглощении нейтронов ураном
происходит деление ядра на два осколка.
92U + n [pic]56Ba + 36Kr +kn,
где k > 1.
При делении ядра урана тепловой нейтрон с энергией ~0.1 эВ освобождает
энергию ~200 МэВ. Существенным моментом является то, что этот процесс
сопровождается появлением нейтронов, способных вызывать деление других ядер
урана – цепная реакция деления. Таким образом, один нейтрон может дать
начало разветвленной цепи делений ядер, причем число ядер, участвующих в
реакции деления будет экспоненциально возрастать. Открылись перспективы
использования цепной реакции деления в двух направлениях:
. 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
И. Курчатова. В 1954 году в Обнинске начала работать первая в мире атомная
электростанция. В настоящее время тепловая и электрическая энергия
вырабатывается в сотнях ядерных реакторов, работающих в различных странах
мира.
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],
[pic],[pic] и спонтанным делением были обнаружены новые типы
радиоактивности. В 1962 году в ОИЯИ (Дубна) впервые была зарегистрирована
протонная радиоактивность. Она наблюдалась для нейтронодефицитных ядер
вблизи границы протонной стабильности.
Было обнаружено, что ядра могут самопроизвольно испускать ядра тяжелее
4He – кластерная радиоактивность. Впервые кластерная радиоактивность
наблюдалась в распаде
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.
Основным детектором частиц долгое время была пластинка, с нанесенным на нее
слоем сернистого цинка. Частицы регистрировались глазом по производимым ими
в сернистом цинке вспышкам света. Черенковское излучение впервые
наблюдалось визуально. Первая пузырьковая камера, в которой Глезер наблюдал
треки [pic]-частиц была с наперсток. Источником частиц высоких энергий в то
время были космические лучи - частицы, образующиеся в мировом пространстве.
В космических лучах впервые наблюдались новые элементарные частицы. 1932
год - открыт позитрон (К. Андерсон), 1937 год - открыт мюон (К. Андерсон,
С. Недермейер), 1947 год - открыт [pic]-мезон (Пауэл), 1947 год -
обнаружены странные частицы (Дж. Рочестер, К. Батлер).
Со временем экспериментальные установки становились все сложней.
Развивалась техника ускорения и детектирования частиц, ядерная электроника.
Успехи в физике ядра и элементарных частиц все в бо
| |  скачать работу |
История развития ядерной физики |
