1626435893-691da8e1223766775fc277661dcb4565 (844331), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Гейзенберг высказали гипотезу о протон-нейтронном строении ядра, которая полностью разрешила трудности протон-электронной модели и в настоящее время является общепринятой. По этой модели все ядра состоят из двух видов элементарных частиц, называемых нуклонами,— протонов и нейтронов.
Различные ядра (а их в настоящее время известно, включая полученные искусственно, около двух тысяч) отличаются числом составляюпшх их нейтронов и протонов. Для 11-стабильных ядер существует вполне определенное соотношение между количествами содержащихся в них протонов и нейтронов. Так, в легких ядрах (э~Не, э~1.1, ~3Ве, ~~В, ~~~Х и т. п.) содержится равное или примерно равное число протонов 2 и нейтронов (А — У). В тяжелых ядрах нейтронов содержится приблизительно в 1,5 раза больше, чем протонов (~ДРЪ, ~ЦКа, 9211) Избыток нейтронов в тяжелых ядрах объясняется кулоновским расталкиванием протонов. Связь У с А для (3-стабильных ядер приблизительно описывается эмпирической формулой (1,98+0,015Аиз) Ядра, в которых это соотношение нарушено, являются р-радиоактивными, причем ядра, имеющие избыток нейтронов, испускают электрон, а ядра, имеющие избыток протонов,— позитрон, т.
е. электрон с положительным зарядом. Существование позитрона было предсказано Дираком в 1928 г. в результате анализа релятивистского квантовомеханического уравнения для электрона. В 1932 г. Андерсон обнаружил позитрон, изучая космические лучи при помощи камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. В лабораторных условиях позитрон впервые наблюдали И. и Ф. Жолио-Кюри, которые в 1934 г.
обнаружили возникновение искусственной позитронной радиоактивности при облучении легких ядер а-частицами. Искусственную электронную радиоактивность вскоре после этого (в том же 1934 г.) обнаружил Ферми при облучении ядер нейтронами. В 1931 г. Паули теоретически предсказал существование еще одной частицы — нейтрино к. Это нейтральная частица со сливом Ь/2 и массой, много меньшей массы электрона (или равной нулю). Необходимость существования такой частицы, вытекает из энергетического рассмотрения процесса р-распада. Она должна испускаться одновременно с электроном (или позитроном), чтобы выполнялись законы сохранения энергии и момента количества движения. По этой же причине распад нейтрона также сопровождается испусканием нейтрино ч (точнее говоря, антинейтрино 9), и, следовательно, его можно изобразить схемой л-+р+ е + 9. Ввиду особых свойств (к=0, т=0, рж0) нейтрино чрезвычайно трудно наблюдать, поэтому очень долго физики располагали лишь косвенными доказательствами существования этой частицы.
Прямой опыт по регистрации нейтрино был поставлен только в !953 г. Рейнесом и Коуэном. Очень своеобразная радиоактивность была открыта в 1938 г. Альварецем. Это так называемый е-захват, сущность которого заключается в том, что атомное ядро захватывает электрон с электронной оболочки (чаще всего с К-оболочки) собственного атома. е-Захват, так же как и 1)-распад, сопровождается испусканием нейтрино.
Число различных ядер — стабильных и радиоактивных — весьма велико и продолжает расти в результате получения новых изотопов известных элементов и синтеза новых элементов. Так, например, в 1976 г. в СССР был синтезирован элемент с 2=107, а затем с У=108, в 1982 г. в ФРà — с У=109, в 1987 г. в СССР— с ~=110, и сейчас ведется работа по синтезу элементов с еще большими У. Открытие нейтрона и изучение его взаимодействия с веществом' привели к одному из величайших достижений ядерной физики.
В 1938 г. Ган и Штрассман обнаружили, что при Введение 21 облучении урана нейтронами его ядро делится на две примерно равные по массе части (осколки деления). В дальнейшем было показано, что процесс деления сопровождается испусканием вторичных нейтронов и освобождением большого количества энергии. Вторичные нейтроны в принципе можно использовать для повторения процесса деления на новых ядрах урана с испусканием новых нейтронов и т. д., благодаря чему создается возможность получить цепную реакцию, сопровождающуюся выделением огромного количества энергии.
Первый ядерный реактор был запущен в США под руководством Э. Ферми в декабре 1942 г. Через 4 года в СССР аналогичная проблема была независимо решена заново: 25 декабря 1946 г. в Москве под руководством И. В. Курчатова был запущен первый на материке Европы и Азии ядерный реактор. В настоящее время атомная энергия широко применяется в народном хозяйстве.
Задачей ближайших лет является освоение еще более мощных ресурсов энергии, заключенных не в тяжелых, а в легких ядрах водорода, дейтерия, трития и др. В отличие от тяжелых ядер, для которых энергетически выгоден процесс деления, легкие ядра устроены так, что энергетически выгоден процесс их слияния, во время которого выделяется энергия синтеза. Изучение реакций синтеза легких ядер уже привело к вполне определенному результату: доказано, что при некоторых специальных условиях энергию синтеза (так называемую термоядерную энергию) можно высвободить в мгновенном процессе (во время взрыва водородной бомбы». Гораздо более трудная задача осуществления управляемой реакции синтеза легких ядер пока еще не решена.
Однако широкий размах теоретических и экспериментальных,исследований этого вопроса и состояние проблемы на сеГодняшний день позволяют утверждать, что она будет решена еще в пределах двадцатого столетия или в начале двадцать первого. Очень важное направление ядерной физики родилось в самом начале 30-х годов. В зто время Ван-де-Грааф изобрел электростатический генератор, Лоуренс — циклотрон, а Кокрофт и Уолтон †каскадн ускорительную трубку. В 1932 г.
Кокрофт и Уолтон впервые наблюдали расщепление ядер лития под действием искусственно ускоренных частиц (протонов). С этого времени в руках физиков появилось мощное средство преобразования атомного ядра. Дальнейшее развитие техники позволило ускорять электроны, дейтроны, и-частицы, а затем и ионы более тяжелых элементов, таких, как азот, кислород, неон, титан, хром и др. Открытие в 1944 г. советским ученым В. И. Векслером и независимо в 1945 г.
американским ученым Мак-Милланом Введение принципа автофазировки позволило существенно повысить максимальную энергию ускорения. Сначала (за рубежом и в СССР) были построены ускорители протонов на энергии в несколько сот мегаэлектрон-вольт, а затем энергия ускорения была поднята до нескольких гигаэлектрон-вольт. В 1957 г. в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) был запущен ускоритель протонов на энергию 10 ГэВ. В конце 1959 г. в Швейцарии и в середине !960 г. в США пущены ускорители протонов на 30 ГэВ.
В октябре 1967 г. в СССР под Серпуховом запущен ускоритель протонов на 76 ГэВ. В 1972 г. в США, в Батавии, закончено строительство ускорителя на 200 ГэВ, энергия которого после реконструкции была доведена в 1976 г. до 500 ГэВ *. В 1976 г. аналогичный ускоритель на энергию 450 ГэВ запущен в Швейцарии. Очень сильное развитие получила и техника ускорения других частиц. В 1970 г.
дубненский ускоритель протонов был переоборудован для ускорения ионов от дейтрона до неона до энергии 5 ГэВ/нуклон. В 1974 г. в Беркли (США) был создан ускоритель «Бевалакэ>, ускоряющий ионы кислорода до энергии 2 ГзВ/нуклон и ионы железа до энергии 1,8 ГэВ/нуклон. В раде стран, в том числе в СССР, построены и работают электронные ускорители с энергией 6 ГэВ и более (до 33,4 ГэВ на Станфордском ускорителе ВЬАС в США). Построены ускорители, работающие по принципу встречных электрон-электронных и электрон-познтронных пучков.
В Институте ядерной физики СО АН СССР работают кольцевые ускорители и накопители ВЭПП-2М и ВЭПП-4 на энергию встречных электрон-позитронных пучков 2х0,7 и 2х5,5 ГэВ соответственно. В Станфордском ускорнтельном центре работают электрон-позитронные накопительные кольца 8РЕАК на энергию 2 х4,2 ГэВ и РЕР на энергию 2х18 ГэВ, инжектором для которых служит линейный ускоритель БЬАС.
В Гамбургском (ФРГ) ускорительном центре ДЕЗИ работают е е"-кольца 0ОК18 на энергию 2 х 5,4 ГэВ и РЕТКА на энергию 2 х 23 ГэВ и сооружается электрон-протонная установка НЕКА на энергию 800 ГэВ для протонов и 30 ГзВ для электронов. В конце 80-х годов в ЦЕРНе (Швейцария) введен в строй кольцевой электрон-позитронный коллайдер ЬЕР на энергию 2х50 ГэВ, а в Станфорде (США) — на такую же энергию линейный электрон-позитронный коллайдер 8ЬС.
На еще более высокую * В 1983 г. в туннеле этого ускорителя было закончено сооруиенне и осушестален запуск нового (сверхпроволяпгего) ускорителя протонов 1ХН)ВЫЕВ на энергню 1000 ГэВ. Введение 23 энергию (2 х 500 ГэВ) рассчитан линейный электрон-позитронный коллайдер ВЛЭПП, сооружение которого планируется в СССР на 90-е годы. В 1971 г. в ЦЕРНе запущен первый ускоритель со встречными протонными, а позднее — с протон-анти протонными пучками на энергию 2х31 ГэВ. В 1981 г.
там же запущен ускоритель со встречными протон-антипротонными пучками на энергию 2х270 ГэВ, которая позднее была доведена до 2х310 ГэВ. В США (Ватавия) на базе ООЫВЬЕВ сооружен и в настоящее время уже работает Теватрон — ускоритель со встречными протон-антипротон ными пучками на энергию 2х1000 ГэВ. В СССР (Серпухов) строится сверхпроводящий ускорительно-накопительный комплекс (УНК) со встречными протон-антипротонными пучками на энергию" 2 х3 ТэВ.
Вместе с развитием техники ускорения протонов отрабатывались методы их вывода из ускорительной камеры и использования для получения других частиц во вторичных процессах. В настоящее время таким способом получают быстрые нейтроны, антипротоны, антидейтроны, я- и К-мезоны, у-кванты, мюоны, нейтрино и другие частицы. Развитие ускорительной техники позволило физикам взяться за решение труднейшей задачи ядерной физики — изучение проблемы ядерных сил. Существование стабильных ядер, состоящих из нейтронов и протонов, говорит о том, что кроме кулоновского расталкивания протонов должны существовать мощные ядерные силы притяжения между любой парой нуклонов.
Сведения о взаимодействии двух нуклонов можно получить, изучая рассеяние одного из них на другом. Такие эксперименты проводились при разных энергиях протонов и нейтронов. Опыты с нейтронами и протонами сравнительно небольших энергий показали„ что радиус действия ядерных сил чрезвычайно мал и по порядку равен 10 ез см, что ядерные силы зависят от спина частицы и что (л-р)-, (р-р)-, а также (л-л)-силы при рассмотрении их в эквивалентных условиях равны между собой (принцип зарядовой независимости ядерных сил). Очень существенные свойства ядерных сил получены в результате анализа углового и энергетического распределений л — р)- и (р — р)-рассеяний при больших кинетических энергиях Тъ 100 МэВ). В частности, анализ углового распределения рассеянных нейтронов при (и — р)-взаимодействии показал, что наблюдается слишком большое количество протонов, летящих вперед, чтобы его можно было объяснить только при помощи законов сохранения энергии и импульса без дополнительных предположений относительно механизма Веедеиие взаимодействия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
