Эволюция оптики и ядерной физики

Размещено на http://allbest.ru

Введение

Оптика - учение о природе света, световых явлениях и взаимодействии света с веществом. И почти вся ее история - это история поиска ответа: что такое свет?

Одна из первых теорий света - теория зрительных лучей - была выдвинута греческим философом Платоном около 400 г. до н. э. Данная теория предполагала, что из глаза исходят лучи, которые, встречаясь с предметами, освещают их и создают видимость окружающего мира. Взгляды Платона поддерживали многие ученые древности и, в частности, Евклид (3 в до н. э.), исходя из теории зрительных лучей, основал учение о прямолинейности распространения света, установил закон отражения.

В те же годы были открыты следующие факты:

- прямолинейность распространения света;

- явление отражения света и закон отражения;

- явление преломления света;

- фокусирующее действие вогнутого зеркала.

Древние греки положили начало отрасли оптики, получившей позднее название геометрической.

Наиболее интересной работой по оптике, дошедшей до нас из средневековья, является работа арабского ученого Альгазена. Он занимался изучением отражения света от зеркал, явления преломления и прохождения света в линзах. Альгазен впервые высказал мысль о том, что свет обладает конечной скоростью распространения. Эта гипотеза явилась крупным шагом в понимании природы света.

В эпоху Возрождения было совершено множество различных открытий и изобретений; стал утверждаться экспериментальный метод, как основа изучения и познания окружающего мира.

На базе многочисленных опытных фактов в середине XVII века возникают две гипотезы о природе световых явлений:

- корпускулярная, предполагавшая, что свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростью светящимися телами;

- волновая, утверждавшая, что свет представляется собой продольные колебательные движения особой светоносной среды - эфира - возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела.

Все дальнейшее развитие учения о свете вплоть до наших дней - это история развития и борьбы этих гипотез, авторами которых были И. Ньютон и Х. Гюйгенс.

Основные положения корпускулярной теории Ньютона:

1) Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям, или лучам, светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник.

2) Световые корпускулы имеют разные размеры. Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самые мелкие - фиолетового.

3) Белый цвет - смесь всех цветов: красного, оранжевого, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

4) Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютного упругого удара.

5) Явление преломления света объясняется тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем среда плотнее, тем угол преломления меньше угла падения.

6) Явление дисперсии света, открытое Ньютоном в 1666 г., он объяснил следующим образом. Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет - смесь разнообразных корпускул - испытывает преломление, пройдя через призму. С точки зрения механической теории, преломления обязано силам со стороны частиц стекла, действующим на световые корпускулы. Эти силы различны для разных корпускул. Они наибольшие для фиолетового и наименьшие для красного цвета. Путь корпускул в призме для каждого цвета будет преломляться по- своему, поэтому белый сложный луч расщепится на цветные составляющие лучи.

7) Ньютон наметил пути объяснения двойного лучепреломления, высказав гипотезу о том, что лучи света обладают "различными сторонами" - особым свойством, обуславливающим их различную преломляемость при прохождении двоякопреломляющего тела.

Корпускулярная теория Ньютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известные в то время. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и в скоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах.

1. Основные положения волновой теории света Гюйгенса

1) Свет - это распространение упругих периодичных импульсов в эфире. Эти импульсы продольны и похожи на импульсы звука в воздухе.

2) Эфир - гипотетическая среда, заполняющая небесное пространство и промежутки между частицами тел. Она невесома, не подчиняется закону всемирного тяготения, обладает большой упругостью.

3) Принцип распространения колебаний эфира таков, что каждая его точка, до которой доходит возбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы, и эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая поверхность - фронт волны (принцип Гюйгенса).

Чем дальше волновой фронт от источника, тем более плоским он становится.

Световые волны, приходящие непосредственно от источника, вызывают ощущение видения.

Очень важным пунктом теории Гюйгенса явилось допущение конечности скорости распространения света. Используя свой принцип, ученому удалось объяснить многие явления геометрической оптики:

- явление отражения света и его законы;

- явление преломления света и его законы;

- явление полного внутреннего отражения;

- явление двойного лучепреломления;

- принцип независимости световых лучей.

Теория Гюйгенса давала такое выражение для показателя преломления среды:

Из формулы видно, что скорость света должна зависеть обратно пропорционально от абсолютного показателя среды. Этот вывод был противоположен выводу, вытекающему из теории Ньютона. Невысокий уровень экспериментальной техники XVII века исключал возможность установить, какая из теорий верна.

Многие сомневались в волновой теории Гюйгенса, но среди малочисленных сторонников волновых взглядов на природу света были М. Ломоносов и Л. Эйлер. С исследований этих ученых теория Гюйгенса начала оформляться как теория волн, а не просто апериодических колебаний, распространяющихся в эфире.

Взгляды на природу света в XIX-XX столетиях.

В 1801 году Т. Юнг выполнил эксперимент, который изумил ученых мира: S - источник света; Э - экран; В и С - очень узкие щели, отстоящие друг от друга на 1-2 мм.

По теории Ньютона на экране должны появиться две светлые полоски, на самом деле появились несколько светлых и темных полос, а прямо против промежутка между щелями В и С появилась светлая линия Р. Опыт показал, что свет явление волновое. Юнг развил теорию Гюйгенса представлениями о колебаниях частиц, о частоте колебаний. Он сформулировал принцип интерференции, основываясь на котором, объяснил явление дифракции, интерференции и цвета тонких пластинок.

Французский физик Френель соединил принцип волновых движений Гюйгенса и принцип интерференции Юнга. На этой основе разработал строгую математическую теорию дифракции. Френель сумел объяснить все оптические явления, известные в то время.

Основные положения волновой теории Френеля.

- Свет - распространение колебаний в эфире со скоростью , где модуль упругости эфира, r - плотность эфира;

- Световые волны являются поперечными;

- Световой эфир обладает свойствами упруго-твердого тела, абсолютно несжимаем.

При переходе из одной среды в другую упругость эфира не меняется, но меняется его плотность. Относительный показатель преломления вещества .

Поперечные колебания могут происходить одновременно по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространению волны.

Работа Френеля завоевала признание ученых. Вскоре появился целый ряд экспериментальных и теоретических работ, подтверждающих волновую природу света.

В середине XIX века начали обнаруживаться факты, указывающие на связь оптических и электрических явлений. В 1846 г. М. Фарадей наблюдал вращения плоскостей поляризации света в телах, помещенных в магнитное поле. Фарадей ввел представление об электрическом и магнитном полях, как о своеобразных наложениях в эфире. Появился новый "электромагнитный эфир". Первым на эти взгляды обратил внимание английский физик Максвел. Он развил эти представления и построил теорию электромагнитного поля.

Электромагнитная теория света не зачеркнула механическую теорию Гюйгенса- Юнга- Френеля, а поставила ее на новый уровень. В 1900 г. немецкий физик Планк выдвинул гипотезу о квантовом характере излучения. Суть ее состояла в следующем:

- излучение света носит дискретный характер;

- поглощение происходит тоже дискретно-порциями, квантами.

Энергия каждого кванта представляется по формуле E=hn , где h - постоянная Планка, а n - это частота света.

Через пять лет после Планка вышла работа немецкого физика Эйнштейна о фотоэффекте. Эйнштейн считал:

- свет, еще не вступивший во взаимодействие с веществом, имеет зернистую структуру;

- структурным элементом дискретного светового излучения является фотон.

В 1913 г. датский физик Н. Бор опубликовал теорию атома, в которой объединил теорию квантов Планка-Эйнштейна с картиной ядерного строения атома.

Таким образом, появилась новая квантовая теория света, родившаяся на базе корпускулярной теории Ньютона. В роли корпускулы выступает квант.

Основные положения.

- Свет испускается, распространяется и поглощается дискретными порциями - квантами.

- Квант света - фотон несет энергию, пропорциональную частоте той волны, с помощью которой он описывается электромагнитной теорией E=hn .

- Фотон, имеет массу ( ), импульс и момент количества движения ( ).

- Фотон, как частица, существует только в движении скорость которого - это скорость распространения света в данной среде.

- При всех взаимодействиях, в которых участвует фотон, справедливы общие законы сохранения энергии и импульса.

- Электрон в атоме может находиться только в некоторых дискретных устойчивых стационарных состояниях. Находясь в стационарных состояниях, атом не излучает энергию.

- При переходе из одного стационарного состояния в другое атом излучает (поглощает) фотон с частотой , (где Е 1 и Е 2 - энергии начального и конечного состояния).

С возникновением квантовой теории выяснилось, что корпускулярные и волновые свойства являются лишь двумя сторонами, двумя взаимосвязанными проявлениями сущности света. Они не отражают диалектическое единство дискретности и континуальности материи, выражающейся в одновременном проявлении волновых и корпускулярных свойств. Один и тот же процесс излучения может быть описан, как с помощью математического аппарата для волн, распространяющихся в пространстве и во времени, так и с помощью статистических методов предсказания появления частиц в данном месте и в данное время. Обе эти модели могут быть использованы одновременно, и в зависимости от условий предпочтение отдается одной из них.

Достижения последних лет в области оптики оказались возможными благодаря развитию, как квантовой физики, так и волновой оптики. В наши дни теория света продолжает развиваться.

2. Волновые свойства света и геометрическая оптика

Оптика - раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом.

Простейшие оптические явления, например возникновение теней и получение изображений в оптических приборах, могут быть понятны в рамках геометрической оптики, которая оперирует понятием отдельных световых лучей, подчиняющихся известным законам преломления и отражения и независимых друг от друга. Для понимания более сложных явлений нужна физическая оптика, рассматривающая эти явления в связи с физической природой света. Физическая оптика позволяет вывести все законы геометрической оптики и установить границы их применимости. Без знания этих границ формальное применение законов геометрической оптики может в конкретных случаях привести к результатам, противоречащим наблюдаемым явлениям. Поэтому нельзя ограничиваться формальным построением геометрической оптики, а необходимо смотреть на нее как на раздел физической оптики.

Понятие светового луча можно получить из рассмотрения реального светового пучка в однородной среде, из которого при помощи диафрагмы выделяется узкий параллельный пучок. Чем меньше диаметр этих отверстий, тем уже выделяемый пучок, и в пределе, переходя к отверстиям сколь угодно малым, можно казалось бы получить световой луч как прямую линию. Но подобный процесс выделения сколь угодно узкого пучка (луча) невозможен вследствие явления дифракции. Неизбежное угловое расширение реального светового пучка, пропущенного через диафрагму диаметра D, определяется углом дифракции j ~l /D . Только в предельном случае, когда l =0, подобное расширение не имело бы места, и можно было бы говорить о луче как о геометрической линии, направление которой определяет направление распространения световой энергии.

Таким образом, световой луч - это абстрактное математическое понятие, а геометрическая оптика является приближенным предельным случаем, в который переходит волновая оптика, когда длина световой волны стремится к нулю.

3. Глаз как оптическая система

Органом зрения человека являются глаза, которые во многих отношениях представляют собой весьма совершенную оптическую систему.

В целом глаз человека -- это шарообразное тело диаметром около 2,5 см, которое называют глазным яблоком. Непрозрачную и прочную внешнюю оболочку глаза называют склерой, а ее прозрачную и более выпуклую переднюю часть -- роговицей. С внутренней стороны склера покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносных сосудов, питающих глаз. Против роговицы сосудистая оболочка переходит в радужную оболочку, неодинаково окрашенную у различных людей, которая отделена от роговицы камерой с прозрачной водянистой массой.

В радужной оболочке имеется круглое отверстие, называемое зрачком, диаметр которого может изменяться. Таким образом, радужная оболочка играет роль диафрагмы, регулирующей доступ света в глаз. При ярком освещении зрачок уменьшается, а при слабом освещении -- увеличивается. Внутри глазного яблока за радужной оболочкой расположен хрусталик, который представляет собой двояковыпуклую линзу из прозрачного вещества с показателем преломления около 1,4. Хрусталик окаймляет кольцевая мышца, которая может изменять кривизну его поверхностей, а значит, и его оптическую силу.

Сосудистая оболочка с внутренней стороны глаза покрыта разветвлениями светочувствительного нерва, особенно густыми напротив зрачка. Эти разветвления образуют сетчатую оболочку, на которой получается действительное изображение предметов, создаваемое оптической системой глаза. Пространство между сетчаткой и хрусталиком заполнено прозрачным стекловидным телом, имеющим студенистое строение. Изображение предметов на сетчатке глаза получается перевернутое. Однако деятельность мозга, получающего сигналы от светочувствительного нерва, позволяет нам видеть все предметы в натуральных положениях.

Когда кольцевая мышца глаза расслаблена, то изображение далеких предметов получается на сетчатке. Вообще устройство глаза таково, что человек может видеть без напряжения предметы, расположенные не ближе 6 метра от глаза. Изображение более близких предметов в этом случае получается за сетчаткой глаза. Для получения отчетливого изображения такого предмета кольцевая мышца сжимает хрусталик всё сильнее до тех пор, пока изображение предмета не окажется на сетчатке, а затем удерживает хрусталик в сжатом состоянии.

Таким образом, "наводка на фокус” глаза человека осуществляется изменением оптической силы хрусталика с помощью кольцевой мышцы. Способность оптической системы глаза создавать отчетливые изображения предметов, находящих на различных расстояниях от него, называют аккомодацией ( от латинского "аккомодацио” - приспособление). При рассматривании очень далёких предметов в глаз попадают параллельные лучи. В этом случае говорят, что глаз аккомодирован на бесконечность.

Аккомодация глаза не бесконечна. С помощью кольцевой мышцы оптическая сила глаза может увеличиваться не больше чем на 12 диоптрий. При долгом рассматривании близких предметов глаз устает, а кольцевая мышца начинает расслабляться и изображение предмета расплывается.

Глаза человека позволяют хорошо видеть предметы не только при дневном освещении. Способность глаза приспосабливаться к различной степени раздражения окончаний светочувствительного нерва на сетчатке глаза, т.е. к различной степени яркости наблюдаемых объектов называют адаптацией.

Сведение зрительных осей глаз на определенной точке называется конвергенцией. Когда предметы расположены на значительном расстоянии от человека, то при пере воде глаз с одного предмета на другой между осями глаз практически не изменяется, и человек теряет способность правильно определять положение предмета. Когда предметы находятся очень далеко, то оси глаз располагаются параллельно, и человек не может даже определить, движется предмет или нет, на который он смотрит. Некоторую роль в определении положения тел играет и усилие кольцевой мышцы, которая сжимает хрусталик при рассматривании предметов, расположенных недалеко от человека.

4. Спектроскоп

Для наблюдения спектров пользуются спектроскопом.

Наиболее распространенный призматический спектроскоп состоит из двух труб, между которыми помещают трехгранную призму.

В трубе А, называемой коллиматором имеется узкая щель, ширину которой можно регулировать поворотом винта. Перед щелью помещается источник света, спектр которого необходимо исследовать. Щель располагается в плоскости коллиматора, и поэтому световые лучи из коллиматора выходят в виде параллельного пучка. Пройдя через призму, световые лучи направляются в трубу В, через которую наблюдают спектр. Если спектроскоп предназначен для измерений, то на изображение спектра с помощью специального устройства накладывается изображение шкалы с делениями, что позволяет точно установить положение цветовых линий в спектре.

Оптический измерительный прибор - средство измерения, в котором визирование (совмещение границ контролируемого предмета с визирной линией, перекрестием и т.п.) или определение размера осуществляется с помощью устройства с оптическим принципом действия. Различают три группы оптических измерительных приборов: приборы с оптическим принципом визирования и механическим способом отчета перемещения; приборы с оптическим способом визирования и отчета перемещения; приборы, имеющие механический контакт с измерительным прибором, с оптическим способом определения перемещения точек контакта.

Из приборов первой распространение получили проекторы для измерения и контроля деталей, имеющих сложный контур, небольшие размеры.

Наиболее распространенный прибор второй - универсальный измерительный микроскоп, в котором измеряемая деталь перемещается на продольной каретке, а головной микроскоп - на поперечной.

Приборы третьей группы применяют для сравнения измеряемых линейных величин с мерками или шкалами. Их объединяют обычно под общим названием компараторы. К этой группе приборов относятся оптиметр (оптикатор, измерительная машина, контактный интерферометр, оптический дальномер и др.).

Оптические измерительные приборы также широко распространены в геодезии (нивелир, теодолит и др.).

Теодолит - геодезический инструмент для определения направлений и измерения горизонтальных и вертикальных углов при геодезических работах, топографической и маркшейдерских съемках, в строительстве и т.п.

Нивелир - геодезический инструмент для измерения превышений точек земной поверхности - нивелирования, а также для задания горизонтальных направлений при монтажных и т.п. работах.

В навигации широко распространён секстант - угломерный зеркально-отражательный инструмент для измерения высот небесных светил над горизонтом или углов между видимыми предметами с целью определения координат места наблюдателя. Важнейшая особенность секстанта - возможность совмещения в поле зрения наблюдателя одновременно двух предметов, между которыми измеряется угол, что позволяет пользоваться секстантом на самолёте и на корабле без заметного снижения точности даже во время качки.

Перспективным направлением в разработке новых типов оптических измерительных приборов является оснащение их электронными отсчитывающими устройствами, позволяющими упростить отсчет показаний и визирования, и т.п.

Практическое значение оптики и её влияние на другие отрасли знания исключительно велики. Изобретение телескопа и спектроскопа открыло перед человеком удивительнейший и богатейший мир явлений, происходящих в необъятной Вселенной. Изобретение микроскопа произвело революцию в биологии. Фотография помогла и продолжает помогать чуть ли не всем отраслям науки. Одним из важнейших элементов научной аппаратуры является линза. Без неё не было бы микроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоаппарата, кино, телевидения и т.п. не было бы очков, и многие люди, которым перевалило за 50 лет, были бы лишены возможности читать и выполнять многие работы, связанные со зрением.

Область явлений, изучаемая физической оптикой, весьма обширна. Оптические явления теснейшим образом связаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным. Поэтому неудивительно, что оптике на протяжении длительного времени принадлежала ведущая роль в очень многих фундаментальных исследованиях и развитии основных физических воззрений. Достаточно сказать, что обе основные физические теории прошлого столетия - теория относительности и теория квантов - зародились и в значительной степени развились на почве оптических исследований. Изобретение лазеров открыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и в её приложениях в различных отраслях науки и техники.

5. 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-d- реакция), 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 224510301lA 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 1/2. 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.

6. Практическое применение ядерной физики

Долгое время идеи ядерной физики представлялись некоторой игрой ума, интересной для небольшой кучки исследователей. Ситуация коренным образом изменилась после открытия в 1939 вынужденного деления урана (О. Хан, Ф. Штрассман и Л. Мейтнер). Новый этап развития ядерной физики начался с открытием Дж. Чадвиком нейтрона в 1932 году Вскоре во многих научных лабораториях начали изучать процессы их взаимодействия с ядрами. В Италии Энрико Ферми обнаружил, что замедление нейтронов до тепловых скоростей приводит к резкому увеличению выхода ядерной реакции с участием нейтронов (Позднее для замедления нейтронов были отработаны способы использования графита и тяжёлой воды). Ферми, бомбардируя уран нейтронами, обнаружил возрастание в сотни раз радиоактивности мишени. Он был уверен (и не без оснований!), что при этом создаются трансурановые элементы. Эти трансурановые элементы тогда идентифицировать не удалось (нептуний и плутоний Сиборг обнаружил через 5 лет). Ида Ноддак 1934 году выдвинула гипотезу о том, что "при бомбардировке тяжёлых ядер исследуемое ядро распадается на несколько крупных кусков, которые, несомненно, должны быть изотопами известных элементов, подвергнутых облучению". Никто эту гипотезу всерьёз не принял. В Берлине Отто Ган и Лиза Мейтнер в течение нескольких лет тоже изучали "трансурановые" элементы Ферми, но и они не обращали внимание на замечание Ноддак.

Интенсивно занялись исследованием последствий нейтронной бомбардировки урана в Париже. Ирен Жолио-Кюри, проводившая эксперименты в соавторстве с югославом Павле Савичем, объявили, что в уране появляется вещество, подобное лантану. Проверить неожиданное сообщение взялись Отто Ган и Фриц Штрассман в Германии. Более точные анализы, проведенные ими, дали совершенно неожиданный результат: при бомбардировке урана нейтронами образуется барий, масса которого вдвое меньше массы урана. Это для них было настолько обескураживающим, что в статье, посвященной проведённым исследованием, они написали: "Как химики, мы должны подтвердить, что это новое вещество является не радием, а барием... Как физики, знакомые со свойствами ядра, мы не можем, однако, решиться на такое утверждение, противоречащее предшествующему опыту ядерной физики". Это событие произошло в конце 1938 года. О результатах своих экспериментов Ган сообщил тотчас же бывшей соратнице Лизе Мейтнер, которая вынуждена была эмигрировать в Швецию, опасаясь преследования за свое неарийское происхождение. Там в результате обсуждений с Отто Фришем, её племянником, работавшим в Институте Нильса Бора в Копенгагене, родилась опубликованная в феврале 1939 года в журнале "Nature" статья, в которой впервые появилось выражение "деление ядер". Поводом к этому послужило поразительное сходство картины перестройки ядра с процессом деления, которым размножаются бактерии. Сообщение Гана и Штрассмана было встречено вначале недоверчиво, а сами результаты вызывали недоумение. Действительно, до этого экспериментаторы бомбардировали ядра частицами из ускорителей и обнаружили, что для вырывания из ядра одного или двух нуклонов требуется энергия в миллионы электронвольт. Казалось бы, для того чтобы вызвать деление тяжелого ядра, потребуются сотни миллионов электронвольт, а из результатов Гана и Штрассмана следовало, что для деления ядра урана достаточно сообщить ему энергию в 6 МэВ, которую легко получить добавлением одного нейтрона. Это все равно, что твердый камень раскалывался бы от постукивания карандашом. Через два года после открытия Гана и Штрассмана, в 1940 Г.Н. Флеров и К.А. Петржак обнаружили, что ядра урана могут делиться самопроизвольно (спонтанно). Период полураспада спонтанного деления 238U оказался равным 8*1015 лет. Узнав об открытии деления ядер, Нильс Бор, находившийся в то время в США, вместе с Джоном Уиллером из Принстонского университета задумались над объяснением этого явления, и через несколько месяцев они опубликовали работу, в которой предложили детальную модель, удовлетворительно объясняющую первоначальные наблюдения. Независимо аналогичные соображения были высказаны тогда же Я.И. Френкелем. Так возникла ныне широко известная аналогия между делением ядра и делением капли жидкости при деформации - капельная модель ядра.

С этого момента начинается бурное развитие ядерной физики - открытия пошли одно за другим. И.Нишина открыл деление тория-232 быстрыми нейтронами. А Уэллс и Хэксби - деление урана под

действием г-излучения с энергией 6 МэВ, получающихся при расщеплении фтора протонами. Р, Роберте, Р, Мейер, П. Ванг открыли запаздывающие нейтроны, а Л. Сцилард, Э. Ферми, Г. Андерсон, В. Зинн, Ф. Жолио-Кюри, X. Халбан, Л. Коварски - испускание вторичных нейтронов при делении, Френсис Перрен ввёл понятие критической массы урана, при достижении которой начинается неуправляемый цепной процесс деления. К важнейшим достижениям всё того же 1939-го года следует отнести Сцилард, Ю. Вигнер, Э. Ферми, Дж. Уилер, Ф. Жолио-Кюри, Я.Б. Зельдович, Ю.Б. демонстрацию возможности протекания в уране цепной ядерной реакции деления (Л. Харитон). В следующем году Ю. Бут, Дж. Даннинг и А. Гросс открывают деление урана-235 медленными нейтронами. К этому моменту уже открыто явление деления под действием нейтронов следующих ядер: 29325U, 29326U, 29328, 29329U, 239, 30Th ,29301Th,29312Pa Наконец, в . 1941 Дж. Кеннеди и Г. Сиборг демонстрируют, что один изотоп синтезированного недавно нового элемента - плутоний-239 - хорошо делится медленными нейтронами. В 1941 вводится единица ядерного сечения - барн. Открытие цепного деления урана превратило ядерную физику в идеологическую основу мощной промышленности - самой мощной, которую знало человечество. Началось активное строительство атомных реакторов, сначала исследовательских, потом промышленных (наработка оружейного плутония), а затем и энергетических. В короткие сроки было создано атомное, водородное и нейтронное оружие. А публикации по ядерной физике надолго прекратились… В эту эпоху помимо прикладных исследований, ядерная физика развивала и свои фундаментальные основы, в частности создавались теории ядерных реакций. Резерфорд впервые наблюдал ядерную реакцию 1919, а первая модель ядерной реакции появилась лишь в 1935. 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 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. Широкое распространение в расчетах сечений ядерных реакций получила феноменологическая модель испарения, предложенная В. Вайскопфом в 1937. 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 расчётов 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.

После появления в 1966 пионерской работы Дж.Гриффина наметился рост экспериментальных и теоретических работ, посвященных 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 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 лёгкими ионами. В основе этого взаимодействия лежат процессы формирования, эволюции и распада специфического ядерного комплекса - двойной ядерной системы. За счёт кинетической энергии сталкивающиеся ядра проникают друг в друга, возрастает зона перекрытия их поверхностей. Из-за большой язкости 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. Исследуя атомное ядро, ядерная физика использует различные теоретические модели, которые могут показаться противоречащими друг другу. Немецкий физик М. Борн предложил в 1936 гидродинамическую модель атомного ядра, согласно которой ядро уподобляется капле заряженной плотной жидкости, состоящей из интенсивно взаимодействующих между собой нуклонов (нейтронов и протонов). Как и в капле обычной жидкости, поверхность капли -ядра может колебаться, что при некоторых условиях приводит к развалу ядра. Американский физик М. Гепперт-Майер и одновременно немецкий физик И. Йенсен разработали в 1950 оболочечную модель атомного ядра, в которой нуклоны ядра движутся независимо друг от друга в некоем усредненном поле ядерной силы. Подобно электронам в атоме, нуклоны заполняют различные оболочки, каждая из который характеризуется определённым значением энергии.

Стремясь примирить взаимно исключающие исходные положения гидродинамической и оболочечной моделей, датские физики О. Бор и Б. Моттельсон, а также американский физик Дж. Рейнуотер разработали в начале 1950-х гг. обобщенную модель атомного ядра. Согласно этой модели, ядро состоит из сердцевины - устойчивой внутренней части (нуклоны целиком заполненных оболочек) и «внешних» нуклонов, движущихся в поле, создаваемом нуклонами сердцевины. Под влиянием внешних нуклонов сердцевина ядра может деформироваться, принимая форму вытянутого или, напротив, сплюснутого эллипсоида; может испытывать колебания. 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 - б, в, г и спонтанным делением были обнаружены новые типы радиоактивности. В 1962 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 209Pb + 14C.

7. Развитие методов регистрации излучений

В истории ядерной физики существенную роль сыграло развитие экспериментальной техники, включая методы регистрации радиоактивных излучений (детекторы, счётчики и спектрометры радиоактивных излучений), точные методы регистрации зарядов и масс элементарных частиц, атомов и ионов (например, масс-спектрометры).