Учебное пособие Алматы 2013 ббк удк номер
§2.10 Эффект Мёесбауэра и его применение в физике и технике
жүктеу/скачать 1,73 Mb.
|
treatise11751
- Бұл бет үшін навигация:
- Г лава III. Модели ядер 80 §3.1 Капельная и оболочечная модели ядер
- Глава IV. Ядерные реакции 87 §4.1 Механизмы ядерных реакций (модели)
- Глава V. Деление ядер
- §5.2 Замедление и диффузия нейтронов
- §6.1 Возможность использования энергии деления ядер. Цепная реакция деления. Ядерные реакторы
- Глава VII. Синтез легких ядер. Ядерные реакции в звездах. Проблемы управляемого термоядерного синтеза
- §7.1 Термоядерные реакции в лабораторных условиях 121 §7.2 Ядерные реакторы
- Глава VIII. Элементарные частицы 125 §8.1 Классификация элементарных частиц
- Глава IX. Космические лучи 138 §9.1 Взаимодействие КЛ с атмосферой Земли
- ВВЕДЕНИЕ Основные этапы развития физики ядра и элементарных частиц. Масштабы явлений микромира
ВВЕДЕНИЕ Основные этапы развития физики ядра и элементарных частиц. Масштабы явлений микромира Ядерная физик – наука о строении ядра, свойствах ядерных сил, измерений и превращений ядер при распаде и ядерных реакциях, о взаимодействии ядерного излучения с веществом и о элементарных частицах – одна из самых молодых наук. Это наука XX века. Ее предистория начинается с 1896 г., когда французский ученый Беккерель открыл естественную радиоактивность. Исследуя характер отклонения излучения в магнитном поле. Резерфорд показал, что они состоят из 3-х различных компонент: α, β, γ-лучей. В 1904 г. английский физик Джозеф Джон Томсон предложил первую модель атома, согласно которой атом представляет собой положительно заряженный шар размером 10-10 м со взвешенными внутри него электронами. В модели Томсона предполагалось, что вещество в атоме распределено равномерно по сфере диаметром Å. Это вещество заряжено положительно в нем «плавают» элементы. Колебательное движение элементов возбуждает в пространстве электромагнитные волны. Эта модель казалась более или менее удовлетворительной до тех пор, пока в 1909г. она не вступила в противоречие с результатами опытов по рассеянию α-частиц на тонких металлических фольгах (Резерфорд). В 1911 г. Резерфорд предложил новую модель атома, согласно которой атом представлял собой центральное положительное заряженное ядро очень малых размеров ( 10-14 м) с распределенными вокруг него на относительно больших расстояниях ( 10-10 м) электронами. Так как, масса электронов очень мала, то вся масса атома сосредоточена в ядре. Год создание ядерной модели атома можно считать годом рождения ядерной физики. Однако с точки зрения классической физики ядерная модель имеет существенный недостаток, она противоречит двум очень существенным экспериментальным результатам: устойчивости атомов и дискретному характеру атомных спектров. Для устранения противоречия датский ученый Н.Бор в 1913 г. предложил новую квантовую теорию атомных процессов. Постулаты Бора: Электрон в атоме может находиться только в некоторых определенных устойчивых состояниях, которые называются стационарными. Находясь в стационарных состояниях, атом не излучает (этим постулатом утверждается неприменимость классической теории). hν=En – Em. Атом излучает только при переходе из одного стационарного состояния в другое ( условие частот Бора). Из всех возможных состояний в атоме осуществляются только те, для которых момент количества движения равен целому числу (условие квантования орбит). Однако в самой основе теории Бора оставалась трудность: почему при описании атома нужно отказываться от классических представлений. Эта трудность была преодолена только в 1926 г. после создания Гейзенбергом и Шредингером последовательной теории – квантовой механики. Согласно квантовой механике нельзя говорить о траекториях элементов и других микрочастиц, так как нельзя одновременно точно знать положение и скорость частиц – положение элемента в атоме определяется с некоторой вероятностью, которая задается волновой функцией, являющейся решением волнового уравнения. 1919 г. – расщепление ядер – Резерфорд открытие протона. Модель ядра: A протонов, (A-Z) электронов. Вокруг ядра вращаются Z электронов в пределах расстояния 10-10 м. Однако предположения о существовании в ядре электронов наталкивались на непреодолимые теоретические трудности. Известно, что кроме массы и заряда элементарные частицы характеризуются и другими свойствами, в частности собственным моментам количества движения (спином), который измеряется в единицах , и магнитным моментом. Существование спина и магнитного момента у элементарной частицы, например у электрона, можно условно представить виде заряженного волчка, вращающегося вокруг собственной оси. При этом в отличие от классического волчка, который может иметь любое значение механического момента, спин электрона имеет только одно значение . собственный магнитный момент электрона также имеет только одно значение (магнетон Бора). Знак магнитного момента электрона отрицателен, то есть его направление противоположно направлению спина. Понятие спина элемента было введено в 1925 г. для объяснения тонкой структуры атомного излучения. В дальнейшем для объяснения сверхтонкой структуры оптических спектров было высказано предложение о существовании спина и магнитного момента у ядер. При этом ввиду чрезвычайной малости сверхтонкого расщепления магнитный момент ядра должен быть примерно в 103 меньше магнитного момента электрона. Последующие измерения показали, что протон имеет спин и положительный магнитный момент = , где . Измерения показали, что магнитный момент других ядер близки по абсолютному значению к значению и сильно отличаются от значения магнитного момента электрона. Это серьезный аргумент против протон - электронного модели ядра. Значения спинов ядер также противоречат этой модели. Например, дейтон (2p, 1e) может иметь только полуцелое значение спина ( ). Опыт же дает для спина дейтона значение По этим и некоторым другим соображениям стало ясно, что в составе ядра атома не может быть электронов. Однако, ядро не может состоять из одних протонов. В 1932 г. были открыты нейтроны. Сразу же после этого открытия независимого Гейзенбергом и Иваненко была высказана гипотеза о протонно-нейтронном строении ядра, которая полностью разрешила трудности протон - электронной модели. 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 кулоновских 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 Милликеном был открыт позитрон. Его существование было предсказано Дираком в 1928 г. в результате анализа релятивистского квантово механического уравнения для электрона. В лабораторных условиях e+ впервые наблюдал Жолио-Кюри, который в 1934 г. обнаружил возникновение искусственной позитронной радиоактивности при облучении легких ядер α-частицами. Искусственную электрическую радиоактивность вскоре после этого ( в том же 1934 г.) обнаружил Ферми при облучении ядер нейтронами. В 1931 г. Паули теоретически предсказал существование ν ( ). Необходимость существование этой частицы вытекает из энергий рассмотрения процесса β-распада. Ввиду особых свойств (z=0, m=0, µ=0) нейтрино чрезвычайно трудно наблюдать, поэтому очень долго физики располагали лишь косвенными доказательствами существования этой частицы. Прямой опыт на регистраций ν был поставлен только в 1953 г. Рейнесом и Коуэном. 1938 г. – e-захват, Альварец. Для того, чтобы на основе гипотезы о нейтрино построить последовательную теорию β-распада. Ферми предложил наличие нового типа взаимодействия частиц – так называемого β-взаимодействия (слабое взаимодействие). n→p+e-+π. В 1934 г. советский физик Тамм И.В. показал, что из факта существования такого распадного взаимодействия должно вытекать существование некоторого потенциала между n и p. Казалось естественным считать, что механизм обмена зарядами заключается в передаче некоторых частиц – квантов ядерного поля от одного нуклона к другому. Однако, как показал сам Тамм, известные в то время легкие частицы – e- и ν не могли быть квантами ядерного поля. В 1935 г. идея Тамма была развита японским физиком, Юкавой, который показал, что для объяснения малого радиуса действия ядерных сил и других их свойств нужно предположить, что при взаимодействии нуклоны обмениваются заряженными или нейтральными частицами с массой (200-300) . В 1938 г. при изучении состава космических лучей был открыт мюон частица с массой 207 и временем жизни 2∙10-6 с. Изучение свойств мюона показал, что он является ядернопассивной частицей и поэтому не может быть ядерным квантом. Только в 1947 г. Пауэллом в космических лучах были обнаружены ядерно-активные частицы – π-мезоны. Они встречаются в виде π+ , π- и π0 –мезонов. Масса -мезонов 273 , спин = 0, время жизни около 10-8 с. Для π0 –мезона масса 246 , время жизни 10-16с. Очень важное направление ядерной физики родилось в самом начале 30-х годов. В это время Ван де грааф изобрел электростатический генератор, Лоурене-циклотрон, а Кокрофт и Уолтон – каскадную ускорительную трубку. В 1932 г. Кокрофт и Уолтон впервые наблюдали расщепление ядер лития под действием искусственно ускоренных частиц (протонов). Открытие в 1944 г. советским ученым Векслером и независимо в 1945 г. американским ученым Мак-Милланом принципа автофазировки позволило существенно повысить максимально энергию ускорения. В настоящее время построены и действуют ускорители на сотни тысячи ГэВ, построены ускорители, работающие по принципу встречных пучков. Развитие ускорительной техники позволило физикам взяться за решение трудностей задачи ядерной физики – изучение проблемы ядерных сил. Пятидесятые годы были ознаменованы крупнейшими достижениями в области методики регистраций частиц, которые позволили сделать много важных открытии. При помощи изобретенных эмульсионной и пузырьковой камер были обнаружены (сначала в космических лучах, а затем на ускорителях) новые нестабильные частицы: К-мезоны, гипероны. При помощи жидкого сцинтиллятора большого объема было зарегистрировано взаимодействие нейтрино с протонами, то есть экспериментально доказано существование этой частицы. Наконец с помощью черенковских и сцинтилляционных счетчиков были открыты антипротон (1955 г.) и антинейтрон (1956 г.). Открытие нейтрона и изучение его взаимодействия с веществом привели к одному из величайших достижений ядерной физики – открытию деления урана (1938 г. Ган и Штрассман). Процесс деления сопровождается испусканием вторичных нейтронов и освобождением большого количества энергий. Вторичные нейтроны создают возможность получить цепную реакцию, сопровождающуюся получением огромного количества энергии. Первый ядерный реактор был запущен в США под руководством итальянского физика Э.Ферми в декабре 1942 г. Через 4 года в СССР аналогичная проблема была совершенно независимо решена заново: 25 декабря 1946 г. в Москве был запущен первый на материке Европы и Азии ядерный реактор. В настоящее время атомная энергия широко применяется в народном хозяйстве. Задачей ближайших лет является основание еще более мощных ресурсов энергий, заключенных не в тяжелых, а в легких ядрах H, H2, H3 и других – термоядерной энергии. Мир элементарных частиц непрерывно расширял свои границы: были открыты гипероны, было обнаружено существование двух различных типов нейтрино: нейтрино электронных и нейтрино мюонных. Огромное значение для науки имело открытие несохранение 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 10-22 - 10-23 с, 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 представление об элементарной частице, как о чем-то вечном, неизменном, неразделимом. Оказалось, что все элементарные частицы могут 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. В области теорий наиболее выдающимися результатами 70-годов является дальнейшее развитие единой теорий электрослабых взаимодействий, создание 4-х кварковой модели и успешное развитие квантовой хромодинамики (сильное взаимодействие между кварками). Сейчас предпринимаются попытки построения так называемого «великого объединения» - теории, объединяющий сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Масштабы физических величин в микромире Исследования явлений в микромире показывают, что атомы и элементарные частицы подчиняются закономерностям, в значительной мере отличающимся от закономерностей макромира. В ядерной физике изучаются явления, происходящиеся на очень малых расстояниях и при очень больших энергиях, приходящихся на одну частицу. Вместе с тем не следует думать, что макромир и микромир разделены строгой и нерушимой границей, по одну сторону которой действуют одни законы, а по другую – другие. Законы микромира распространяются и на макромир, законы макромира являются частными или предельными случаями более общих законов микромира. Рассмотрим масштабы величин, характерных для мира элементарных частиц. Длина. Поперечник атома 10-10 м=1Å. Эта величина характеризует радиус орбиты наружных электронов. Размеры ядра в 104÷105 раз ˂ размеров атома и по порядку величины равны 10-14 - 10-15 м. 1 Ферми = 10-15 м. В проведенных до настоящего времени экспериментах удалось различать расстояние до 0,1 Ферми. Энергия и масса. Для энергий во всей ядерной физике используется только одна, причем внесистемная, единица – эВ. 1 эВ = 1,6∙10-19 Дж = 1,6∙10-22 эрг Энергии 1эВ характерны для атомной физики, а для ядерной слишком малы. Поэтому используются производные единицы кэВ, МэВ, ГэВ (гигаэлектронвольт, встречаются также старое обозначение БэВ биллиэлектронвольт), ТэВ (тэраэлектронвольт). 1 кэВ = 103 эВ, 1 МэВ = 106 эВ, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 ТэВ= 1012 эВ Для ядер атомов наиболее характерны энергии 1МэВ. Например, энергия в несколько МэВ (около 10) обычно нужна для того, чтобы вырвать из ядра протон или нейтрон. В отдельных случаях приходиться иметь дело с более низкими энергиями, так, вылетающие из ядра γ-кванты часто имеют энергию сотни и даже десятка кэВ, а иногда и ниже. При энергий столкновения ˃ 1 МэВ становится возможным, рождение электронов (в паре с позитронами). При энергиях до 150 МэВ происходит энергичное разрушение ядер, но составляющие их элементарные частицы остаются неизменными. При энергиях ˃ 150 МэВ начинается рождение новых частиц, сначала сравнительно легких (пионы), а затем все более и более тяжелые. Масса отражает инертные и гравитационные свойства частиц. массой определяется также имеющийся в частице запас энергии. Согласно теории относительности полная энергия тела, движущийся со скоростью V, равна При V˂˂c,разложив по степеням V/c, получим Тело с массой покоя обладает запасом так называемой собственной энергии . Масса ядра и атома измеряется в а.е.м. 1 а.е.м.= Массы элементарных частиц часто измеряются в энергетических единицах. Самым главным для приложений выводом из теории относительности является знаменитое соотношение Эйнштейна: , которое отражает эквивалентность массы и энергии. В таблицах массы элементарных частиц приводятся всегда в энергетических единицах (МэВ). Переход к энергетическим единицам здесь не является прихотью, а обусловлен тем, что при столкновениях частиц высоких энергий происходит рождение и взаимопревращение частиц, а необходимая для таких превращений энергия как раз определяется соотношением . Если в таблице для элементарных частиц для пиона стоит цифра 140 МэВ, то это и есть энергия, необходимая для его рождения. А если в таблице поставить массу в г, то ее каждый раз надо будет пересчитывать на энергию. Скорость. Абсолютным пределом скоростей всех движений является скорость света в вакууме: никакие сигналы, никакие тела не могут обладать скоростью, превышающий скорость света в вакууме: с=3∙108 м/с. С такой скоростью распространяются электромагнитные волны и не имеющие массу нейтроны. Другие элементарные частицы, обладающие массой, могут иметь скорость, сколь угодно близкую с с, но всегда меньше её. Скорости элементарных частиц могут быть сравнимы со скоростью света, с чем никогда не приходится встречаться в макромире. Скорость света и выбирают в качестве величины, характеризующей масштаб скоростей в микромире β=V/c. Вычисления в ядерной физике существенно упрощаются при введении двух весьма удобных численных констант. Одна из них – постоянная тонкой структуры (в системе СИ это безразмерная величина) ; другая величина Время. В мире, где расстояние измеряется в единицах Ферми, а скорости в долях скорости света, масштаб времени протекания явлений должен существенно отличатся от привычного нам. Важнейшим масштабным понятием в ядерной физике является характерное время или что то же самое время пролета. Например, Rядра 5∙10-14 м, скорость p и n в нем 107 м/с (1/30 с) , , Время с называют ядерным временем, им определяется временной масштаб в мире элементарных частиц. Момент количества движения. Квантовой единицей момента количества движения является величина ħ. ħ=1,054∙10-27эрг∙с=1,054∙10-34Дж∙с. Изменение момента всегда должно быть кратно ħ. жүктеу/скачать 1,73 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|