Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Розвиток фізики атомного ядра

Розвиток фізики атомного ядра

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

17.1. Розвиток фізики атомного ядра

У 1896 р. А. Беккерель відкрив перше суто ядерне явище – радіоактивність урану. П. Кюрі та М. Кюрі провели ряд досліджень, результатом яких стало відкриття нових радіоактивних елементів – радію і полонію, які мають значно більшу активність, ніж уран. За допомогою методів сцинтиляцій, йонізаційної камери, камери Вільсона М. Кюрі, П. Кюрі, Е. Резерфорд, Ф. Содді та інші дослідники зробили важливі відкриття.

Вони встановили три типи радіоактивних випромінювань (α, β, γ), довели, що α- і β-випромінювання пов’язані з перетворенням атомів одного хімічного елемента в інший (перехід Z -> Z – 2 при α-випромінюванні; Z -> Z +1 при β-випромінюванні). Внаслідок спостереження радіоактивних перетворень з’ясувалось, що існують речовини, які мають різні радіоактивні властивості (тобто їхній розпад відбувається по-різному), але абсолютно тотожні за своїми хімічними властивостями. їх не можна розділити жодним з відомих хімічних методів. На цій підставі Ф. Содді 1911 р. припустив можливість існування елементів з однаковими

хімічними властивостями, але таких, що відрізняються за іншими ознаками, зокрема радіоактивністю. Ці елементи мають перебувати в одній і тій самій клітинці періодичної системи Д. І. Менделєєва. Ф. Содді назвав їх ізотопами, (тобто такими, що займають однакові місця). Припущення Ф. Содді дістало блискуче підтвердження через рік, коли Дж. Томсон виміряв маси iонів неону за методом відхилення їх в електричному та магнітному полях.

На підставі дослідів з розсіяння α-частинок Е. Резерфорд дійшов висновку (1911 р.), що позитивний заряд атома концентрується в дуже малому порівняно з розмірами атома об’ємі. Цим було доведено безпідставність статичної моделі атома Дж. Томсона. Е. Резерфорд запропонував планетарну модель атома. Її доповнив Н. Бор, який на основі планківської ідеї про кванти енергії сформулював відомі постулати, які визначили основні властивості електронної оболонки атома.

У 1919 р. Е. Резерфорд вперше перетворив одне стабільне ядро в інше. Він спостерігав, зокрема, опромінюючи α-частинками азот, ядерне перетворення азоту в кисень, що супроводжується викидом протона. Ці роботи Е. Резерфорда поклали початок штучного перетворення атомів. Такі перетворення називають ядерними реакціями.

Визначною подією в фізиці атомного ядра було відкриття (1932 р.) учнем Е. Резерфорда Дж. Чедвіком нової елементарної частинки – нейтрона. Ця частинка має масу, яка практично дорівнює масі протона, але позбавлена електричного заряду. Д. Д. Іваненко і В. Гейзенберг (незалежно) запропонували тоді само протонно-нейтронну модель атомного ядра. На противагу раніш запропонованим моделям ядра з протонів і електронів, які не давали правильного пояснення властивостей атомного ядра, нова модель узгоджувалась з дослідними фактами. Згодом для пояснення стійкості ядер припустили існування специфічних ядерних сил, які мають обмінний характер. Важливим кроком в розвитку теорії ядерних сил була робота японського фізика X. Юкави, який у 1935-1938 рр. розвинув цю теорію, грунтуючись на уявленні про те, що взаємодія частинок, з яких складаються ядра протонів і нейтронів, зумовлена обміном мезонами. Американські фізики К. Андерсон і С. Недермейєр 1937 р. при вивченні космічного випромінювання відкрили μ-мезони (мюони). Проте пізніше з’ясувалось, що відкриті ними частинки (мюони) не вступають в ядерні взаємодії і, отже, не можуть бути носіями цієї взаємодії. І лише 1948 р. були відкриті ядерно-активні частинки – π-мезони (піони), існування яких передбачив X. Юкава.

Ще з моменту відкриття радіоактивності і з’ясування її природи стало зрозуміло, що атомні ядра містять у собі величезну енергію.

У 1939 р. було зроблено відкриття, яке поставило проблему практичного використання енергії атомних ядер. Німецькі вчені O. Ган і Ф. Штрассманн відкрили реакцію поділу ядер урану на дві майже однакові частини (осколки). Ця реакція відбувається при попаданні нейтрона всередину ядра урану. Реакція поділу супроводжується виділенням величезної кількості енергії – близько 200 МеВ. Другою важливою особливістю цієї реакції є те, що при розпаді ядра урану з нього вилітає кілька нейтронів. Нові нейтрони можуть спричинити реакцію поділу і, отже, привести до ланцюгової реакції. Це започаткувало використання ядерної енергії.

Порівняно з атомом, теоретичне обгрунтування якого має міцну основу, а труднощі мають лише математичний характер, ядро в багатьох відношеннях залишилося загадковим. Численні експерименти, проведені в ядерній фізиці, дали змогу встановити досить багато фактів, що пояснюють властивості окремих атомних ядер, особливості взаємодії і перетворення їх. Накопичена інформація дає змогу широко використовувати в промислових масштабах як ядерну енергію, так і ядерні процеси, незважаючи на те що сьогодні теорія атомного ядра розвинена набагато гірше, ніж теорія багатоелектронних атомів. Енергія ядер у мільярди разів перевищує хімічну, у стільки само разів є калорійнішим і ядерне паливо.

Відсутність в теорії ядра єдиного підходу якоюсь мірою компенсується багатьма ядерними моделями, які будуються таким чином, щоб якомога повніше описати певне коло явищ.

Ядро – складний об’єкт. У різних випадках воно виявляє неоднакові властивості. Тому серед ядерних моделей трапляються такі, які, на перший погляд, взаємно виключають одна одну. Проте всі ці моделі характеризують певне коло явищ не лише якісно, а й кількісно.

Однією з перших у фізиці ядра було розвинено краплинну модель, яка відіграла важливу роль у розвитку уявлень про закономірності ядерних перетворень. В оболонковій моделі ядра припускається, що нуклони створюють спільне ядерне поле, яке має центр і тому діє на кожний нуклон із силою, яка залежить від відстані до цього центра. Більш загальною, ніж краплинна і оболонкова, є узагальнена модель, яку запропонував О. Бор. Оптичну модель ядра використовують, описуючи взаємодію ядер з частинками, які бомбардують їх. У різних моделях фігурують різні поняття і величини, за допомогою яких пояснюють уже відомі експериментальні факти і передбачають нові, але зв’язку цих понять з вихідними уявленнями про ядро як систему, що складається з багатьох частинок, або немає, або простежується якісно.

Нині закладено основи нової теорії сильної (ядерної) взаємодії. Вона побудована за зразком квантової електродинаміки, але на більш фундаментальному кварково-глюонному рівні (див. підрозділ 18.11).