История ядерной физики

Одна из первых моделей атома была предложена в 1904 Дж. Томсоном. Согласно модели Дж. Томсона атом представлял собой нейтральную систему, состоящую из заряженного шара с зарядом +Ze, внутри которого в определенных равновесных положениях находятся Z отрицательно заряженных электронов.

Размер атома ~10−8 см. Прямые экспериментальные исследования строения атома были выполнены в 1911 Э. Резерфордом, который изучал рассеяние б-частиц при прохождении через тонкую фольгу. Угловое распределение б-частиц, рассеянных на золоте, свидетельствовало о том, что положительный заряд атома сосредоточен в пространственной области размером меньше 10−12 см. Это явилось основанием для планетарной модели атома Резерфорда, согласно которой атом состоит из тяжелого положительно заряженного атомного ядра с радиусом меньше 10−12см и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Размер атома определяется размерами его электронной оболочки и составляет ~10−8см, что в десятки тысяч раз превышает размер атомного ядра. Несмотря на то, что атомное ядро занимает лишь небольшую часть объема атома в нем сосредоточено 99,98% его массы.

Предложенная Э. Резерфордом модель атома сыграла решающую роль в развитии квантовой механики.

Дело в том, что на основе классической физики невозможно было объяснить наблюдаемую на опыте устойчивость атома. Вращающиеся на орбите электроны, согласно классической физике, должны были излучать энергию и, потеряв её, упасть на атомное ядро. Поскольку такие явления как фотоэффект и явление дифракции электронов удалось объяснить с помощью квантовых представлений, вполне разумно казалось попытаться с помощью такого подхода объяснить и устойчивость электронных орбит атома.

В 1913 Н. Бор предложил новую квантовую теорию орбит. Согласно этой теории электрон может вращаться вокруг ядра неопределенно долго, не излучая энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волн де Бройля. Атом может перейти из одного состояния в другое, испустив квант энергии — фотон.

Первую искусственную трансмутацию элементов осуществил в 1918;19 Э. Резерфорд. Им проведена первая искусственная реакция — превращение азота в кислород при облучении азота б-частицами (реакция 14N (n, p)17O). Попутно был открыт протон. В дальнейшем Резерфорду удалось вызвать ядерные реакции в 17 легких элементах. В их числе были бор, фтор, натрий, алюминий, литий, фосфор. Во многих продуктах расщепления имелся протон. Резерфорд назвал эту элементарную частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер. С 1925, после создания ускорителя — каскадного генератора (Дж. Кокрофт, Э. Уолтон), ядерные реакции под действием ускоренных протонов стали активно использоваться для трансмутации элементов.

После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят из одних протонов. Однако это предположение оказалось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны. Для более тяжелых ядер это отношение оказывается меньше, чем для легких, т. е. при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра растет быстрее, чем заряд. В 1920 Резерфорд высказал гипотезу о существовании в составе ядер жестко связанной компактной протон-электронной пары, представляющей собой электрически нейтральное образование — частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Он даже придумал название этой гипотетической частице — нейтрон. Эта гипотеза получила название протон-электронной модели ядра. Экспериментальные факты не подтвердили эту модель.

Новый скачок в развитии модели ядра связан с открытием нейтрона. В 1930 Вальтер Боте и Г. Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высосокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием попадают на некоторые легкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они обнаружили, что если это неизвестное излучение направить на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, то образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 английский физик Джеймс Чедвик провел серию экспериментов (по реакции +>+4 92 46211eB eHCn), в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой близкой к массе протона, и произвел серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он).

Измерения масс атомов с помощью масс-спектрографа Ф. Астона показали, что массы всех исследованных атомов с точностью ~10% пропорциональны массе протона — M ~ Amp, где A принимает только целочисленные значения. Этот факт послужил основанием для создания протон-электронной модели атомного ядра. В этой модели предполагалось, что атомное ядро состоит из A протонов и (A-Z) электронов. В этой модели легко объяснялись обнаруженная Астоном пропорциональность массы атомного ядра числу A и величина заряда атомного ядра. Однако, по мере накопления экспериментальных данных по массам атомных ядер, магнитным моментам и спинам атомных ядер, протон-электронная модель ядра начала сталкиваться с трудностями в объяснении экспериментальных данных. Тем не менее, протон-электронная модель ядра продержалась вплоть до 1932 года. К 1932 выяснилось, что гипотеза строении ядра из протонов и электронов, объяснившая такие характеристики ядра, как массовое число, А и заряд Z, находится в противоречии с экспериментальными фактами, относящимися к спинам и магнитным моментам ядер. Ещё в 1924 до открытия спина В. Паули предположил, что ядро обладает магнитным моментом, влияющим на движение орбитальных электронов и тем самым создающим сверхтонкую структуру спектральных линий. Объяснение тонкой структуры спектров наличием обусловленных спином магнитных моментов ядер привело к разделению ядер на два типа. Ядра чётного типа, обладающие целым спином, подчиняются статистике Бозе, ядра нечётного типа, обладающие полуцелым спином, подчиняются статистике Ферми — Дирака. Поэтому по протонно-электронной теории ядра, состоящие из чётного числа электронов и протонов, должны подчиняться статистике Бозе, из нечётного.

— статистике Ферми — Дирака. В 1930 выяснилось, что ядро азота подчиняется статистике Бозе, хотя оно согласно протонно-электронной теории строения ядра состоит из 21 частицы (14 протонов, 7 электронов).

Этот факт получил в науке название азотной катастрофы. Выход нашёл Вернер Гейзенберг, который предположил, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы получили общее наименование нуклонов. С 1932 начинают осуществляться первые ядерные превращения под действием нейтронов (Н. Фезер, Л. Мейтнер, У. Харкинс). В том же году проводится первая ядерная реакция с искусственно ускоренными протонами — трансмутация ядер лития в гелий. Ядерные реакции под действием ускоренных протонов и дейтронов. Первая реакция ядерного синтеза (d-dреакция), открытие трития и гелия-3 (М. Олифант, П. Хартек, Э. Резерфорд). Значительный вклад открытие новых ядерных процессов внесли супруги И. и Ф. Жолио-Кюри, Э. Ферми, О. Хан, Л. Мейтнер и др. Ядерные реакции обеспечивают превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами или друг с другом. В 1933 продемонстрирована возможность получения мощных источников быстрых нейтронов при помощи ускорителей; открыты (d, n) и (р, n) реакций (Ч. Лауритсен). В 1934 предсказаны цепные ядерные реакции (на примере бериллия, Л. Сциллард). В 1934 происходит важное событие — открытие искусственной радиоактивности (И. и Ф. Жолио-Кюри). Облучая б-частицами от мощного источника полония бор и алюминий они обнаружили превращение их в новые изотопы азота и фосфора, оказавшимися позитронными излучателями (например, +>+3 17 22 451 0301lA eHPn радиоактивный 30Р превращался путём позитронного распада в стабильный 30Si с периодом полураспада 3 мин 15 с). Одновременно начинается активное изучение ядерных реакций под действием нейтрона, происходит открытие явления замедления нейтронов в веществе, и намечаются перспективы использования тепловых нейтронов для ядерной трансмутации. (Э. Ферми). В том же году открывается радиационный захват — захват нейтрона протоном с испусканием гамма-кванта (Д. Ли), процесс расщепление бериллия гамма-квантами (Л. Сцилард, Т. Чалмерс) — фотоядерная реакция, ядерный фотоэффект — фоторасщепление дейтрона (Дж. Чэдвик, М. Гольдхабер) и ядерная реакция срыва (Р. Оппенгеймер, М. Филлипс). В 1935 становится ясным резонансный характер взаимодействия медленных нейтронов с ядрами (П. Мун, Дж. Тильман). В 1936 предложена дисперсионная формула ядерных реакций (Г. Брейт, Ю. Вигнер). В 1932 в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица — позитрон. В 1929.

Д.В. Скобельцын применил для исследования космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле и доказал, что в составе космического излучения имеются заряженные частицы — электроны.

Он обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы таких электронов. На его фотографиях были и следы, слабо изогнутые в противоположную электронам сторону, однако с уверенностью сказать что-либо определенное о частицах, оставивших эти следы, Скобельцын не мог. В 1932 американский физик К. Андерсон применил для исследования космических лучей сильное магнитное поле. Он обнаружил изогнутые следы, принадлежащие отрицательно и положительно заряженным частицам: электронам и протонам, как он думал вначале. Чтобы с уверенностью судить о направлении движения частицы, Андерсон разделил камеру на две части свинцовой пластинкой. Частица, пройдя через свинцовую пластинку, замедляется, и ее путь искривляется магнитным полем сильнее. Андерсон получил фотографию частицы, изогнутой в противоположную электронам сторону. Радиус кривизны и характер трека показали, что эта частица обладает массой электрона и положительным зарядом, равным заряду электрона. Эту частицу Андерсон назвал позитрон.

Открытие позитрона заставило вспомнить о теории Дирака. В 1928 Дирак получил релятивистское уравнение для электрона. Это уравнение приводило к выводу о существовании спина у электрона и давало точное значение для тонкой структуры энергетических уровней водорода. Однако в теории Дирака была неприятная вещь, получившая название «плюс-минус трудность»: согласно квантовой теории электрон может перескакивать из состояния с положительной кинетической энергии в состояние с отрицательной кинетической энергией. Теория Дирака предсказывала существование позитрона и других античастиц.

Предсказывала она и аннигиляцию позитрона и электрона с испусканием гамма-квантов. Существует и обратный процесс — «материализация» фотонов, когда фотоны с достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми ядрами могут создавать положительные электроны… фотон, взаимодействуя с ядром, может создать два электрона с противоположными зарядами. Жолио Кюри получил фотографию в камере Вильсона, на которой было зарегистрировано рождение пары электрон — позитрон. В 1934 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри во Франции открыли ещё один источник позитронов — в±радиоактивность. 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? Ответ на этот вопрос был дан в 1932 итальянским физиком Энрико Ферми в разработанной им теории в-распада. в-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 в-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.

Изучение явления в-распада поставило перед физиками серьёзную проблему. Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса и момента количества движения.

Для того, чтобы спасти эти законы В. Паули в 1930 высказал предположение, что в процессе в-распада наряду с электроном, который легко наблюдается, должна рождаться еще одна лёгкая частица с нулевым зарядом, нулевой массой покоя и спином ½. Поскольку нейтрино испускалось вместе с электроном в процессе в-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 её 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. Гипотеза Паули получила блестящее подтверждение. Наличие в атомном ядре нейтронов и протонов поставило перед физиками проблему изучения природы ядерных взаимодействий, связывающих эти частицы в ядре. В 1934 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. В 1937 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 в космических лучах была обнаружена ещё одна частица, которая сильно взаимодействовала с протонами и нейтронами и была той самой частицей, которую предсказал Юкава. Ее назвали р-мезоном или пионом. Пионы, нейтроны и протоны принадлежат к одному классу частиц, называемых адронами. Их отличительная черта — участие в сильных ядерных взаимодействиях. Открытая в 1937 частица тоже была названа мезоном, м-мезоном. Он имеет массу ~106 МэВ и существует в двух разновидностях — отрицательно заряженная частица и положительно заряженная античастица. Сегодня м-мезон предпочитают называть мюоном. На то, что электронные и мюонные нейтрино разные частицы, было указано в 1957 М. Марковым и Ю. Швингером. Эта гипотеза была подтверждена в 1962 в экспериментах на ускорителе в Брукхейвене. Мюоны, электроны и нейтрино относятся к семейству лептонов. Еще одна частица этого семейства — лептон (таон) была открыта М. Перлом в 1979. Она почти в два раза тяжелее протона и может распадаться не только подобно мюону на лептоны, но и на адроны. Гипотеза об осцилляции нейтрино была выдвинута в 1957 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.