авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
-- [ Страница 1 ] --

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В.ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

Б. С. Ишханов

ИСТОРИЯ

АТОМНОГО ЯДРА

Рекомендовано

УМО по классическому университетскому образованию

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению 011200 – «Физика»

и по специальности 010701 – «Физика»

Москва 2011 УДК 53917 ББК 22.38 Ишханов Б.С.

История атомного ядра: учебное пособие. – М.: Университетская книга, 2011.

ISBN Открытое 100 лет назад Э.Резерфордом атомное ядро является связанной системой взаимодействующих протонов и нейтронов. Каждое атомное ядро по-своему уникально. Для описания атомных ядер разработаны различные модели, описывающие отдельные специфические особенности атомных ядер. Изучение свойств атомных ядер открыло новый мир – субатомный квантовый мир, привело к установлению новых законов сохранения и симметрии. Полученные в ядерной физике знания широко используются в естествознании от изучения живых систем до астрофизики.

Учебное пособие «История атомного ядра» написано на основе лекций, которые автор читает на Физическом факультете МГУ.

В учебном пособии рассмотрены основные этапы эволюции наших представлений об атомных ядрах. В учебном пособии содержится богатый иллюстративный и справочный материал. Для студентов-физиков, аспирантов и научных работников.

Работа поддержана Федеральным агентством по науке и инновациям (контракт 02.740.11.0242 по мероприятию 1.1 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров»), грантом поддержки ведущих научных школ 02.120.21.485-НШ, Госконтрактом 2009 1.1-125-055 и грантом РФФИ № 09-02-00368.

Учебное издание Борис Саркисович Ишханов ИСТОРИЯ АТОМНОГО ЯДРА Техническая подготовка учебного пособия выполнена Д. В. Лосевым.

Работа поступила в ОНТИ 1 сентября 2011 г.

© МГУ, © НИИЯФ МГУ, © Ишханов Б.С., © Ван Гог, рисунок на обложке ISBN Посвящается 100-летию открытия атомного ядра Э. Резерфордом СОДЕРЖАНИЕ 1. 1911 г. Резерфорд открывает атомное ядро................................................. 2. Начало новой физики.......................................................................................

3. Приборы ядерной физики................................................................................

4. Состав атомного ядра.......................................................................................

5. Радиоактивность...............................................................................................

6. 1932 г. Год открытий........................................................................................

7. Модель атома Бора...........................................................................................

8. Начало ядерной спектроскопии......................................................................

9. Квантовая физика.............................................................................................

10. Модели атомных ядер......................................................................................

11. Ядерные реакции..............................................................................................

12. Деление ядер.....................................................................................................

13. Образование атомных ядер.............................................................................

14. Структура нуклона...........................................................................................

15. Ядерная физика и естествознание..................................................................

Хронология.......................................................................................................

Нобелевские лауреаты.....................................................................................

Дополнение Резерфорд…...........................................................................................................

Резерфорд Первая страница статьи Э. Резерфорда в журнале Philosophical Magazine, 6, 21 (1911), в которой впервые водится понятие «атомное ядро».

Открытое 100 лет назад Э.Резерфордом атомное ядро является связанной системой взаимодействующих протонов и нейтронов. Каждое атомное ядро по-своему уникально. Для описания атомных ядер разработаны различные модели, описывающие отдельные специфические особенности атомных ядер. Изучение свойств атомных ядер открыло новый мир – субатомный квантовый мир, привело к установлению новых законов сохранения и симметрии. Полученные в ядерной физике знания широко используются в естествознании от изучения живых систем до астрофизики.

1. 1911 г. Резерфорд открывает атомное ядро.

В июньском 1911 г. номере журнала «Philosophical Magazine» была опубликована работа Э.Резерфорда «Рассеяние - и -частиц веществом и строение атома», в которой впервые было введено понятие «атомное ядро».

Э.Резерфорд проанализировал результаты работы Г.Гейгера и Э.Марсдена по рассеянию -частиц на тонкой золотой фольге, в которой совершенно неожиданно было обнаружено, что небольшое число -частиц отклоняется на угол больше 90°. Этот результат противоречил господствовавшей в то время модели атома Дж. Дж. Томсона, согласно которой атом состоял из отрицательно заряженных электронов и равного количества положительного электричества равномерно распределенного внутри сферы радиуса R 108 см. Для объяснения результатов, полученных Гейгером и Марсденом, Резерфорд разработал модель рассеяния точечного электрического заряда другим точечным зарядом на основе закона Кулона и законов движения Ньютона и получил зависимость вероятности рассеяния -частиц на угол от энергии E налетающей -частицы d Z Z ядро e =.

d 4 E sin Измеренное Гейгером и Марсденом угловое распределение -частиц можно было объяснить только в том случае, если предположить, что атом имеет центральный заряд, распределенный в области размером 1012 см.

Результирующий заряд ядра приблизительно равен Ae, где A – вес атома в атомных единицах массы, e – фундаментальная единица заряда. Точность определения величины заряда ядра золота составила 20%. Так возникла планетарная модель атома, согласно которой атом состоит из массивного положительно заряженного атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так как в целом атом электрически нейтрален – положительный заряд ядра компенсировался отрицательным зарядом электронов. Число электронов в атоме определялось величиной заряда ядра Z.

1909–1911 г. Опыты Г. Гейгера и Э. Марсдена В 1910 г. к Резерфорду в лабораторию приехал работать молодой ученый по имени Марсден. Он попросил Резерфорда дать ему какую-нибудь очень простую задачу. Резерфорд поручил ему считать -частицы, проходящие через материю, и найти их рассеяние. При этом Резерфорд заметил, что по его мнению Марсден ничего заметного не обнаружит. Свои соображения Резерфорд основывал на принятой в то время модели атома Томсона. В соответствии с этой моделью атом представлялся сферой размером 10–8 см с равнораспределенным положительным зарядом, в которую были вкраплены электроны. Гармонические колебания последних определяли спектры лучеиспускания. Легко показать, что -частицы должны были легко проходить через такую сферу, и особенного рассеяния их нельзя было ожидать. Всю энергию на пути своего пробега -частицы тратили на то, чтобы выбрасывать электроны, которые ионизировали окружающие атомы.

Марсден под руководством Гейгера стал делать свои наблюдения и скоро заметил, что большинство -частиц проходит через материю, но все же существует заметное рассеяние, а некоторые частицы как бы отскакивают назад. Когда это узнал Резерфорд, он сказал:

— Это невозможно. Это так же невозможно, как для пули невозможно отскочить от бумаги.

Эта фраза показывает, как конкретно и образно он видел явление.

Марсден и Гейгер опубликовали свою работу, а Резерфорд сразу решил, что существующее представление об атоме неправильно и его надо в корне пересмотреть.

Изучая закон распределения отразившихся -частиц, Резерфорд постарался определить, какое распределение поля внутри атома необходимо, чтобы определить закон рассеивания, при котором -частицы могут даже возвращаться обратно. Он пришел к выводу, что это возможно тогда, когда весь заряд сосредоточен не по всему объему атома, а в центре.

Размер этого центра, названного им ядром, очень мал: 10–12—10–13 см в диаметре. Но куда же тогда поместить электроны? Резерфорд решил, что отрицательно заряженные электроны надо распределить кругом — они могут удерживаться благодаря вращению, центробежная сила которого уравновешивает силу притяжения положительного заряда ядра.

Следовательно, модель атома есть не что иное, как некая солнечная система, состоящая из ядра — солнца и электронов — планет. Так он создал свою модель атома.

Эта модель встретила полное недоумение, так как она противоречила некоторым тогдашним, казавшимся незыблемыми, основам физики.

П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде»

1909–1911 г. Опыты Г. Гейгера и Э. Марсдена 1 – источник -частиц, 3 – золотая фольга, 5 – микроскоп для наблюдения сцинтилляций, 7 – сцинтиллятор ZnS Г. Гейгер и Э. Марсден увидели, что при прохождении через тонкую фольгу из золота большинство -частиц, как и ожидалось, пролетает без отклонения, но неожиданно было обнаружено, что часть -частиц отклоняется на очень большие углы. Некоторые -частицы рассеивались даже в обратном направлении. Расчеты напряженности электрического поля атомов в моделях Томсона и Резерфорда показывают существенное различие этих моделей.

Напряжённость поля положительного заряда распределенного по поверхности атома в случае модели Томсона ~ 1013 В/м. В модели Резерфорда положительный заряд, находящийся в центре атома в области R 1012 см создаёт напряженности поля на 8 порядков больше. Только такое сильное электрического поле массивного заряженного тела может отклонить -частицы на большие углы, в то время как в слабом электрическом поле модели Томсона это было невозможно.

Э. Резерфорд, 1911 г. «Хорошо известно, что - и -частицы при столкновении с атомами вещества испытывают отклонение от прямолинейного пути. Это рассеяние гораздо более заметно у -частиц нежели у -частиц, т.к. они обладают значительно меньшими импульсами и энергиями. Поэтому нет сомнения в том, что столь быстро движущиеся частицы проникают сквозь атомы, встречающиеся на их пути, и что наблюдаемые отклонения обусловлены сильным электрическим полем, действующим внутри атомной системы. Обычно предполагалось, что рассеяние пучка - или -лучей при прохождении через тонкую пластинку вещества есть результат многочисленных малых рассеяний при прохождении атомов вещества. Однако наблюдения проведенные Гейгером и Марсденом показали, что некоторое количество -частиц при однократном столкновении испытывают отклонение на угол больше 90°. Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле, чтобы при однократном столкновении создавалось столь большое отклонение».

1911 г. Э. Резерфорд. Атомное ядро + 197 Au + 197 Au 79 Z1Z2e tg = 2 2bE d Z1Z2e 2 = d 4E (sin 4 ) Эрнест Резерфорд (1871-1937) Исходя из планетарной модели атома, Резерфорд вывел формулу описывающую рассеяние -частиц на тонкой фольге из золота, согласующуюся с результатами Гейгера и Марсдена. Резерфорд предполагал, что -частицы и атомные ядра с которыми они взаимодействуют можно рассматривать как точечные массы и заряды и что между положительно заряженными ядрами и -частицами действуют только электростатические силы отталкивания и что ядро настолько тяжелое по сравнению с -частицей, что оно не смещается в процессе взаимодействия. Электроны вращаются вокруг атомного ядра на характерных атомных масштабах ~ 108 см и из-за малой массы не влияют на рассеяние -частиц.

Вначале Резерфорд получил зависимость угла рассеяния -частицы с энергией E от величины прицельного параметра b столкновения с точечным массивным ядром. b — прицель ный параметр — минимальное расстояние на которое -частица подошла бы к ядру, если бы между ними не действовали силы отталкивания, — угол рассеяния -частицы, Z1e — электрический заряд -частицы, Z 2e — электрический заряд ядра.

Затем Резерфорд рассчитал, какая доля пучка -частиц с энергией E рассеивается на угол в зависимости от заряда ядра Z 2e и заряда -частицы Z1e. Так исходя из классических законов Ньютона и Кулона была получена знаменитая формула рассеяния Резерфорда. Основным при получении формулы было предположение, что в атоме находится массивный положительно заряженный центр, размеры которого R 1012 см.

Э. Резерфорд, 1911 г.: «Наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему, и что большие однократные отклонения обусловлены центральным зарядом в целом, а не его составными частями. В то же время экспериментальные данные недостаточно точны, чтобы можно было отрицать возможности существования небольшой части положительного заряда в виде спутников, находящихся на некотором расстоянии от центра … Следует отметить, что найденное приближенное значение центрального заряда атома золота (100e) примерно совпадает с тем значением, который имел бы атом золота, состоящий из 49 атомов гелия, несущих каждый заряд 2e. Быть может, это лишь совпадение, но оно весьма заманчиво с точки зрения испускания радиоактивным веществом атомов гелия, несущих две единицы заряда».

Дж. Дж. Томсон и Э. Резерфорд Э. Резерфорд, 1921 г.: «Представление о нуклеарном строении атома первоначально возникло из попыток объяснить рассеяние -частиц на большие углы при прохождении через тонкие слои материи. Так как -частицы обладают большою массою и большою скоростью, то эти значительные отклонения были в высшей степени замечательны;

они указывали на существование весьма интенсивных электрических или магнитных полей внутри атомов. Чтобы объяснить эти результаты, необходимо было предположить, что атом состоит из заряженного массивного ядра, весьма малых размеров по сравнению с обычно принятой величиной диаметра атома. Это положительно заряженное ядро содержит большую часть массы атома и окружено на некотором расстоянии известным образом распределенными отрицательными электронами;

число которых равняется общему положительному заряду ядра. При таких условиях вблизи ядра должно существовать весьма интенсивное электрическое поле и -частицы, при встрече с отдельным атомом проходя вблизи от ядра, отклоняются на значительные углы. Допуская, что электрические силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния в области, прилегающей к ядру, автор получил соотношение, связывающее число -частиц, рассеянных на некоторый угол с зарядом ядра и энергией -частицы.

Вопрос о том, является ли атомное число элемента действительной мерой его нуклеарного заряда, настолько важен, что для разрешения его должны быть применены все возможные методы. В настоящее время в кавендишевской лаборатории ведется несколько исследований с целью проверки точности этого соотношения. Два наиболее прямых метода основаны на изучения рассеяния быстрых - и -лучей. Первый метод применяется Chadwick'oм, пользующимся новыми приемами;

последний – Crowthar'oм. Результаты, полученные до сих пор Chadwick'oм, вполне подтверждают тождество атомного числа с нуклеарным зарядом в пределах возможной точности эксперимента, которая у Chadwick'a составляет около 1%».

Несмотря на то, что комбинация двух протонов и двух нейтронов исключительно устойчивое образование, в настоящее время считается, что -частицы не входит в состав ядра в качестве самостоятельного структурного образования. В случае -радиоактивных элементов энергия связи -частицы больше, чем энергия которую необходимо затратить на то, чтобы по отдельности удалить из ядра два протона и два нейтрона, поэтому -частица может быть испущена из ядра, хотя она не присутствует в ядре как самостоятельное образование.

Предположение Резерфорда о том, что атомное ядро может состоять из какого-то количества атомов гелия или о положительно заряженных спутниках ядра, было вполне естественным объяснением открытой им -радиоактивности. Представления о том, что частицы могут рождаться в результате различных взаимодействий, в это время еще не существовало.

Открытие атомного ядра Э. Резерфордом в 1911 г. и последующее изучение ядерных явлений радикально изменило наше представление об окружающем мире. Обогатило науку новыми концепциями, явилось началом исследования субатомной структуры материи.

2. Начало новой физики Открытию Резерфорда предшествовали неожиданные и удивительные результаты экспериментов, полученные в конце XIX – начале XX веков, затрагивающие фундаментальные основы физики. Теория относительности Эйнштейна потребовала кардинального пересмотра представления о пространстве и времени. Возникла проблемы с описанием физической природы излучения и вещества, описания строения атома, явления радиоактивности. Законы классической механики и классической электродинамики оказались не в состоянии описать свойства атомов, молекул, атомных ядер. Возникла новая физика — квантовая физика.

Э.Резерфорд, 1936 г.: «В результате проведенных в течение столетий усердных работ химики преуспели в разделении и очистке подавляющего большинства элементов, и возникло представление о том, что атомы данного типа вещества все сделаны по одному образцу. Атомы были неизменяемы и неразрушаемы, и такими они должны были оставаться навечно или до тех пор, пока будет существовать наука химия. И хотя от старого представления об атоме, как о твердом «биллиардном шаре», в конце прошлого столетия полностью отказались, химики все еще были уверены, что с точки зрения имеющихся в их распоряжении методов атомы неизменны и определенно неразрушаемы. Случалось, что кто-нибудь воображал, что превратил один тип атома в другой, но всегда можно было доказать, что он ошибся.

Тогда же было развито замечательное обобщение, известное как периодический закон, на основе которого свойства элементов связывались с их положением в ряду по атомным весам. Наиболее мыслящие из химиков инстинктивно чувствовали, что этот закон соответствует представлению о том, что все атомы либо схожи по своей структуре, либо каким-то образом все сделаны из более элементарного материала. Но эти представления были очень смутны, и истинное значение периодического закона было понято лишь через 10 или 15 лет».

Конец XIX столетия был богат неожиданными открытиями, которые изменили существовавшее представление о строении вещества. В конце 1895 г., экспериментируя с излучением, возникающим вблизи анода разрядной трубки, Рентген обнаружил, что излучение, которое он назвал X-лучами, свободно проходит сквозь непрозрачные для света предметы. В настоящее время более употребительный термин обнаруженного излучения – рентгеновское излучение. Большая проникающая способность рентгеновского излучения объясняется их короткой длиной волны. Видимый свет имеет длину волны (8 – 4)·10–5 см, в то время как длина волны рентгеновского излучения 3·10–7 – 10–8 см. Открытие рентгеновского излучения имело большой общественный резонанс. Всем хотелось увидеть чудо – собственные кости или увидеть предмет за непроницаемой для обычного света перегородкой.

В 1896 г. А.Беккерель обнаружил, что соли урана тоже испускают излучение, которое чем-то было похоже на рентгеновское излучение – оно также проходило через непрозрачные предметы и слабо поглощалось в веществе. Но в отличие от рентгеновского излучения для его получения не нужен был источник высокого напряжения. Соли урана излучали непрерывно, самопроизвольно. На излучение солей урана не влияли никакие внешние воздействия. Излучение урана было вначале названо лучами Беккереля.

В 1897 г. Дж. Томсон, изучая излучение различных газов, заполняющих разрядную, трубку, показал, что независимо от состава газа, заполняющего разрядную трубку, в результате разряда образуются одинаковые мельчайшие частицы, которые имеют отрицательный электрический заряд. Частица была названа электроном. Электрон имеет массу примерно в 2000 раз меньше, чем масса самого легкого атома водорода. 1897 год стал годом рождения новой элементарной частицы – электрона.

Томсон считал, что отрицательно заряженные корпускулы катодных лучей являются первичными частицами, из которых состоит вся материя.

Дж. Томсон, 1898 г.: «Катодные лучи представляют собой новое состояние материи, состояние, в котором делимость материи идёт много дальше, чем в случае обычного газообразного состояния;

состояние, в котором вся материя, т.е. материя, полученная от различных источников, таких как водород, кислород и углерод, одного и того же рода, эта материя представляет собой то вещество, из которого построены все химические элементы».

Обнаружение в составе атома электронов, которые можно было отделить от атома, разрушило существовавшее в течение 2,5 тысяч лет со времен Демокрита представление об элементарном и неделимом атоме.

Изучением природы лучей Беккереля, их отличием от рентгеновского излучения, активно занимались многие физики. Резерфорд, воздействуя на излучение урана магнитным полем, исследуя поглощение излучения в фольгах различной толщины, в 1899 г. установил, что оно состоит из двух типов частиц. Короткопробежные положительно заряженные частицы он назвал -частицами. Отрицательно заряженные частицы, которые имели больший пробег в веществе, были названы им -частицами.

Нейтральное -излучение урана было открыто в 1900 г. П. Виллардом.

Обнаруженная способность излучения урановых солей ионизировать воздух была использована для определения источников излучения Беккереля. Вскоре было обнаружено, что соединения тория также самопроизвольно испускают лучи Беккереля.

Э. Резерфорд, 1908 г.: «Вскоре после того, как Беккерель открыл фотографическим методом излучательную способность урана, он показал, что урановое излучение, как и рентгеновские лучи, обладает свойством разряжать наэлектризованное тело. При подробном исследовании этого свойства я, изучая зависимость скорости разряда от числа слоёв тонкой алюминиевой фольги помещенных над поверхностью слоя окиси урана, пришёл к выводу о наличии двух видов излучения. Вывод в то время были сформулированы следующим образом.

«Эти эксперименты показывают, что урановое излучение имеет сложный состав и что существует, по крайней мере, два вида излучения:

одно, легко поглощающееся, которое мы будем для удобства называть -излучением, и другое, обладающее большей проникающей способностью, называемое -излучением». После того как были открыты другие радиоактивные вещества оказалось, что их излучения аналогичны - и -лучам урана, а когда Вийяр обнаружил ещё более проникающее излучение радия, оно получило называние -излучения. Эти названия вскоре стали общеприняты, как удобные обозначения трёх различных видов излучения, испускаемых ураном, радием, торием и актинием. На первых порах -лучам, вследствие их незначительной проникающей способности, не придавали большого значения, главное внимание было направлено на более проникающие -лучи. После появления активных препаратов радия Гизель в 1899 г.

показал, что -лучи, испускаемые этими препаратами, легко отклоняются в магнитном поле в том же направлении, что и поток катодных лучей., несущих отрицательный заряд;

следовательно, -лучи представляют собой также поток отрицательно заряженных частиц. Доказательство тождественности -частиц и электронов, образующих катодные лучи, завершил в 1900 г. Беккерель, который показал, что -частицы, испускаемые радием, имеют почти такую же малую массу, как электроны, и что они испускаются со скоростью сравнимой со скоростью света».

По предложению М.Кюри, вещества, испускающие лучи Беккереля, стали называть радиоактивными. А само явление – радиоактивностью.

Считалось, что радиоактивность – атомное свойство. П. Кюри обнаружил, что радиоактивные вещества имеют температуру выше окружающей среды.

Испускание радиоактивного излучения веществом приводит к его нагреванию.

Изучая радиоактивность урана, М. Кюри обнаружила, что химически чистый уран имеет гораздо меньшую радиоактивность, чем соли урана.

Оказалось, что соли урана содержат два новых неизвестных ранее химических элемента, которые также обладают свойством радиоактивности.

Это были полоний Po и радий Ra. Содержание этих химических элементов в радиоактивных минералах составляло 10–7 от содержания урана.

В физике появился новый термин – активность радиоактивного источника. В качестве единиц активности источника были выбраны Кюри и Беккерель:

1 Беккерель = 1 распад/с, 1 Кюри = 3,7·1010 распад/с.

Активность 1 Кюри соответствует распаду 1 грамма радия вместе с продуктами его распада.

Исследуя радиоактивность урана, тория, радия, Резерфорд показал, что радиоактивные вещества, испуская -частицы, превращаются в другие химические вещества, отличающиеся от исходных по своим физическим и химическим свойствам. Так, при распаде радия образовывался радиоактивный газ – эманация радия (радон Rn), который также испускал -частицы. Однако радиоактивность радона Rn полностью пропадала в течение нескольких часов. Это противоречило всем случаям неизменной радиоактивности, которая наблюдалась до этого. Оказалось, что радиоактивность вещества может уменьшаться и совсем исчезать. Очень скоро стало ясно, что уменьшение радиоактивности различных веществ происходит с разной скоростью. Число частиц, испускаемых радиоактивным веществом, уменьшается со временем экспоненциально. Для описания этого свойства радиоактивного вещества была введена новая характеристика – период полураспада.

Период полураспада – время, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается в 2 раза. Период полураспада разных радиоактивных веществ изменяется в очень широких пределах от 10–17 с до 1022 лет.

Изучая распад радия, Резерфорд доказал, что -частицы – это атомы гелия, у которых оторвано два электрона. Для этого он собрал образующиеся в результате распада эманации радия -частицы в разрядной трубке и показал, что при разряде в трубке видны спектральные линии гелия. Так было доказано, что -частицы – это ионизированные атомы гелия.

В результате экспериментов, выполненных Резерфордом, было впервые показано, что одни химические элементы могут спонтанно превращаться в другие химические элементы.

Химический элемент радий Ra превращался в химические элементы радон Rn и гелий He. Эти результаты коренным образом изменили существовавшие до Резерфорда взгляды на неизменную природу химических элементов.

Э.Резерфорд: «На основании полученных в настоящее время данных можно сделать вывод, что начало последовательности химических превращений, протекающих в радиоактивных телах, обусловлено испусканием -лучей, т.е. вырыванием из атома тяжелой заряженной массы. Остающаяся часть нестабильна и претерпевает дальнейшие химические изменения, которые в свою очередь сопровождаются испусканием -лучей … Хорошо известный элемент радий происходит от урана и является пятым продуктом в ряду его превращений».

Ф.Содди сформулировал закон радиоактивного смещения, согласно которому при излучении -частицы один химический элемент превращается в другой, расположенный на два места ниже в Периодической таблице, а -излучение вызывает смещение химического элемента на одно место выше. На основе закона смещения была получена последовательность распада многих радиоактивных элементов. Например, цепочка последовательных распадов U :

U 234 Th 234 Pa 234 U 230 Th 226 Ra 90 91 92 90 88 238 Rn 218 Po 218 At 218 Rn 214 Po 210 Pb 84 85 86 84 82 210 Bi 210 Po 206 Pb.

83 84 -излучение непосредственно не связано с превращением элементов.

Оно возникает, если в результате - и -распада образуется возбужденное ядро, которое после испускания -кванта, переходит в более низкорасполо женное по энергии состояние. Этот процесс аналогичен испусканию излучения атомом.

Первые экспериментальные данные о существовании изотопов были получены в 1910 г. при изучении продуктов распада радиоактивных ядер.

Было обнаружено, что существует несколько различных веществ, которые имеют одинаковые химические свойства, но различаются атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. По предложению Ф. Содди такие вещества были названы изотопами.

Фотоэффект h = U + Ee h - энергия фотона, U - работа выхода, Ee - кинетическая энергия электрона.

А. Ф. Иоффе: «Для физиков же, и в особен ности для физиков моего поколения — современни ков Эйнштейна, незабываемо появление Эйнштейна на арене науки. В 1905 г. в «Анналах физики» Альберт Эйнштейн появилось три статьи, положившие начало трём (1897 – 1955) наиболее актуальным направлениям физики XX века. Это были: теория броуновского движения, фотонная теория света и теория относительности. Автор их — неизвестный до тех пор чиновник патентного бюро в Берне Эйнштейн. He приходится тратить много слов на теорию относительности — её историю знает каждый физик. Переход от преобразований Лорентца и от гипотезы Лорентца–Фицжеральда к частной теории относительности Эйнштейна, законы сложения скоростей, проблема одновременности, знаменитое соотношение между массой т и запасом энергии тела E :

E = mc где с — скорость света, которая становится предельной скоростью распространения энергетических процессов, — все это вошло в кровь и плоть современной физики.

Известно так же как за частной теорией последовало в 1911 г.

обобщение её на ускоренное движение, а в 1915 г. общая теория относительности, включившая теорию тяготения и связь геометрии с наличием массы.

Эйнштейн поставил перед собою дальнейшую задачу — единую теорию поля, сочетающую электромагнитное поле с тяготением. Одна за другой следовали попытки создать единую теорию, но все они одна за другой оказывались несостоятельными и отвергались критикой».

Нобелевская премия по физике 1921 г. А. Эйнштейн За вклад в теоретическую физику и, в особенности, за открытие закона фотоэлектрического эффекта.

1900 г. М. Планк выдвинул гипотезу квантов и сформулировал закон излучения черного тела Энергия кванта E = h, - частота излучения.

Спектральная плотность излучения черного тела нагретого до температуры T 8 h 3 ( ) = 3 h / kT c e h = 6,58 1022 МэВсек.

= 1, 05 1034 Джсек = Макс Планк 2 (1858 – 1947) Л. Д. Ландау: «В чем заключалась суть того преобразования физики, которое сделал Макс Планк в своей знаменитой классической работе в 1900 г.? Она заключалась в том, что с совершенно новой точки зрения рассматривался вопрос о взаимодействии между излучением, т.е.

электромагнитными волнами, и веществом. Вещество в то время представляли обычно в виде совокупности совершающих колебания зарядов, иначе говоря, в виде системы осцилляторов. Планк решительно изменил обычную трактовку характера взаимодействия осцилляторов с электромагнитным полем. Именно он пришёл к выводу, что вопреки классической электродинамике, согласно которой всякий осциллятор, как и всякое другое тело, излучает электромагнитные волны непрерывно, необходимо допустить, что излучение электромагнитных волн происходит скачками, порциями, которые Планк назвал знаменитым теперь термином — квантами. Величина одного кванта равна некоторой постоянной h, умноженной на частоту колебаний осцилляторов. При помощи этого с современной точки зрения сугубо кустарного допущения Планк сумел получить правильную формулу для черного излучения – формулу, которая осталась без всяких изменений до сегодняшнего дня».

Нобелевская премия по физике 1918 г. М. Планк За открытие кванта энергии.

Дж. Дж. Томсон 1897 г. Открытие электрона 1904 г. Модель атома Э. Резерфорд, 1936 г.: «Это было в 1897 г., когда из экспериментов, проведенных в основном нашим руководителем Дж. Дж. Томсоном, вытекало, что так называемые катодные лучи Крукса состоят из потока частиц очень малой массы, движущихся с очень большой скоростью.

Я полагаю, что мы вправе приписать преимущественную роль в этом открытии Джозеф Томсон Дж. Дж. Томсону, поскольку он был первым, кто (1856-1940) отклонил эти частицы как в электрическом, так и в магнитном полях, и первым понял, что электрон должен быть составной частью всех атомов, а также придумал методы определения числа электронов в aтоме»

Дж. Томсон, 1898 г.: «Я считаю, что атом состоит из большого числа… корпускул [т.е. электронов]… В нормальном атоме это собрание корпускул образует систему, которая электрически нейтральна. Хотя отдельные корпускулы ведут себя подобно отрицательным ионам, однако, когда они собраны в нейтральном атоме, отрицательный эффект уравновешивается чем-то, что заставляет пространство, в котором находятся корпускулы, действовать так, как если бы оно обладало зарядом положительного электричества, равным по величине сумме отрицательных зарядов корпускул».

Дж. Томсон, 1904 г.: «Мы предполагаем, что атом состоит из некоторого числа [отрицательных корпускул, движущихся внутри сферы с однородной положительной электризацией… Корпускулы располагаются по ряду концентрических оболочек. Постепенное изменение свойств, которое имеет место при перемещении вдоль горизонтальных рядов [периодической] системы элементов, иллюстрируется свойствами, которыми обладают эти группы корпускул».

Нобелевская премия по физике 1906 г. – Дж. Дж. Томсон За большие заслуги в теоретических и экспериментальных исследованиях электрической проводимости газов.

1895 г. В. Рентген открыл X-лучи, позже названные его именем – рентгеновские лучи Вильгельм Рентген (1845 – 1923) Изучая катодные лучи, В. Рентген открыл новый вид излучения – X-лучи и описал их свойства.

• Многие материалы оказались прозрачными для X-лучей.

• X-лучи не отклоняются в электрическом и магнитном полях.

• Тела, наэлектризованные положительно или отрицательно, разряжаются под действием X-лучей.

• X-лучи вызывают почернение фотографических пластинок.

• Многие вещества флюоресцируют под действием X-лучей.

• Длины волн рентгеновского излучения ~ 3 108 –107 см, что гораздо меньше длин волн видимого света = (4 8) 105 см.

Нобелевская премия по физике 1901 г. – В. Рентген За открытие лучей, названных его именем.

1896 г. А. Беккерель.

Открытие радиоактивности Анри Беккерель (1852 – 1908) А. Беккерель дважды в начале 1896 г. выступал на заседании Парижской академии наук с сообщением об открытии им нового явления — радиоактивности. 24 февраля 1896 г. А. Беккерель сообщил о методе регистрации радиоактивности. 2 марта 1896 г. А. Беккерель впервые сообщил, что открытое им явление принципиально отличается от искусственной фосфоресценции, вызываемой облучением некоторых кристаллов под действием солнечного света.

Из выступлений А.Беккереля на заседании Парижской академии наук.

Заседание 24 февраля 1896 г.

«Фотографическую бромосеребряную пластинку Люмьера обертывают двумя листками очень плотной черной бумаги… Сверху накладывают какое нибудь фосфоресцирующее вещество (бисульфат урана и калия), а затем всё это выставляют на несколько часов на солнце. При проявлении фотопластинки на черном фоне появляется силуэт фосфоресцирующего вещества».

Заседание 2 марта 1896 г.

«Я особенно настаиваю на следующем факте, кажущемся мне весьма многозначительным… Те же кристаллы, содержащиеся в темноте, в условиях когда возникновение радиации под действием солнечного света исключается, дают, тем не менее, фотографические отпечатки. В среду 26-го и в четверг 27 февраля 1896 г. солнце появлялось лишь с большими перерывами. Я отложил совсем подготовленные опыты и, не трогая кристаллов соли урана, установил кассеты в ящике стола в темноте. В следующие дни солнце не появлялось вовсе, но, проявив пластинки 1 марта, я обнаружил на них совершенно отчетливые контуры».

Нобелевская премия по физике 1903 г. - А. Беккерель За открытие радиоактивности М. Кюри: «Анри Беккерель производил опыты с солями урана, так как некоторые из них обладают свойством флуоресцировать [H. Becquerel, Comptes Rendus, 1896]. Он получил фотографические оттиски сквозь черную бумагу при помощи флуоресцирующего двойного сульфата уранила и калия.

Дальнейшие опыты показали, однако, что наблюдаемое явление никак не связано с флуоресценцией. Оказалось, что освещение соли не является необходимым условием и что на фотографические пластинки действуют и уран и все его, как флуоресцирующие, так и нефлуоресцирующие, соединения, причем наиболее сильно действует металлический уран. Беккерель обнаружил затем, что соединения урана, в течение нескольких лет находившиеся в полной темноте, продолжают действовать на фотографические пластинки сквозь черную бумагу. Тогда он пришел к заключению, что уран и его соединения испускают особые урановые лучи.

Эти лучи обладают способностью проходить сквозь тонкие металлические экраны. Проходя через газы, урановые лучи ионизируют их и делают их проводниками электричества. Излучение урана самопроизвольно и постоянно, оно не зависит от таких внешних условий, как освещение и температура.

Лучи тория. Исследования, произведенные одновременно В. Шмидтом и Марией Кюри, показали, что соединения тория испускают лучи, подобные урановым. Такие лучи часто называют лучами Беккереля. Вещества, испускающие лучи Беккереля, назвали радиоактивными, а новое свойство вещества, обнаруженное по этому лучеиспусканию, — радиоактивностью (Мария Кюри). Элементы, обладающие этим свойством, называются радиоэлементами».

1898 г. М. Кюри-Склодовская, П. Кюри. Открытие радиоактивности элементов полония Po (Z=84) и радия Ra (Z=88) М. и П. Кюри: «Исследования соединений урана и тория показали...

что свойство испускать лучи, которые делают воздух проводящим и действуют на фотографические пластинки, является специфическим свойством урана и тория, обнаруживающимся во всех соединениях этих металлов, причем это свойство слабее, когда доля активного металла в соединении меньше: Физическое состояние вещества, по-видимому, не имеет существенного значения... Следовательно, очень вероятно, что некоторые минералы, более активные, чем уран и торий, содержат вещество, более активное, чем эти металлы... Мы попытались изолировать это вещество в урановой смолке, и эксперименты подтвердили предыдущее заключение...

Урановая смолка была примерно в 2,5 раза активнее [по производимой ею ионизации], чем уран... Она была подвергнута действию кислот, и полученный раствор был обработан сернистым водородом. Уран и торий остались в растворе, [однако] осажденный сульфид содержал очень активное вещество вместе со свинцом, висмутом, медью, мышьяком и сурьмой… При проведении таких операций получаются все более и более активные продукты. Наконец, мы получили вещество, активность которого оказалась в 400 раз больше активности урана... Поэтому мы думаем, что вещество, которое мы выделили из урановой смолки, содержит неизвестный до сих пор металл... Если существование этого нового металла подтвердится, мы предлагаем назвать его полонием в честь родины одного из нас (Мария Кюри)».

В ходе дальнейших исследований супруги Кюри нашли, что урановая смолка содержит «второе сильно радиоактивное вещество, совершенно отличное от полония по своим химическим свойствам. Это новое радиоактивное вещество... имеет все химические свойства бария.

Растворяя осадок в воде, вновь осаждая его в спирте и повторяя эту процедуру несколько раз, удалось, наконец, получить продукт с активностью, превосходящей в 900 раз активность урана. Полученные результаты объяснялись присутствием нового элемента, который был назван радием. Так как наиболее активный продукт все еще содержал большую долю бария, был сделан совершенно правильный вывод, что «радиоактивность радия должна быть огромной» по сравнению с радиоактивностью урана.

1898 г. М. Кюри-Склодовская, П. Кюри. Открытие радиоактивности элементов полония Po (Z=84) и радия Ra (Z=88) Мария Кюри-Склодовская (1867—1934) и Пьер Кюри (1859— 1906) Супруги Пьер Кюри и Мария Кюри-Склодовская подвергли систематическому исследованию все известные химические элементы в отношении радиоактивности (термин «радиоактивность» был впервые введен ими). Они нашли её также у тория… Но в миллионы раз сильнее она оказалась у двух новых элементов: полония и радия. Аналитико-химическая методика, примененная супругами Кюри при исследовании элементов на радиоактивность, привела в течение двух следующих десятилетий в руках многочисленных исследователей к открытию других «естественных»

радиоактивных элементов.

М. Лауэ «История физики»

Нобелевская премия по физике 1903 г. – П. Кюри и М. Кюри-Склодовская За исследования радиоактивности Нобелевская премия по химии 1911 г. - М. Кюри-Склодовская За открытие элементов радия и полония, изучение свойств радия, получение радия в металлическом состоянии и осуществление экспериментов, связанных с радием -частицы — ионизованные атомы 4He 1 – разрядная трубка, 2 – радиоактивные источники Th, Ra, 3 – трубка для накопления -частиц Работа Резерфорда в Канаде ознаменовалась целым рядом крупнейших открытий. Во-первых, им была открыта эманация тория. Вместе с Резерфордом там же работал в то время молодой химик Содди, и с ним Резерфорд начал изучать химический характер элементов, получаемых от радиоактивного распада, так как было очень важно установить наряду с физическими и химические особенности радиоактивного процесса. В то время радиоактивность еще не была понята, и Резерфорд вместе с Содди были первыми, кто доказал, что это есть спонтанный переход одних элементов в другие, называемый теперь радиоактивным распадом. При этом испускаются либо -лучи, состоящие из быстро летящих атомов гелия с положительным зарядом, либо -лучи — быстро летящие электроны. На основании этого Резерфорд предполагал, что эманация тория есть элемент, отличный от самого тория. Вместе с Содди он по диффузии определил атомный вес эманации и показал, что она соответствует благородному газу. Теория радиоактивного распада, выдвинутая Резерфордом и Содди в 1903 г., произвела революцию.

П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде»

-частицы — ионизованные атомы 4He Уже в 1897 г. Э. Резерфорд различал по проникающей способности два вида радиоактивного излучения: легче поглощаемые -лучи и более проникающие -лучи. В то время как последние, благодаря их легкой отклоняемости в электрическом и магнитном полях, были вскоре отождествлены с электронами, над природой первых Резерфорду пришлось потрудиться более долгое время. Но в 1903 г. он нашел, наконец, посредством опытов с отклонением этих лучей, что отношение их заряда к массе по знаку и величине соответствует дважды ионизованным атомам гелия. Вильям Рамзай (1852—1916) и Фр. Содди установили в 1904 г. поразительное появление гелия в соединениях радия;

единственным объяснением могло быть возникновение гелия из радия. Резерфорд и Т. Ройдс подтвердили в 1909 г.

идентичность -частиц и ионов гелия, так как они обнаружили в собранных нейтрализованных -частицах характерную желтую линию спектра гелия.

Так было доказано возникновение элемента гелия из других элементов. В то же самое время постепенно установили, что за небольшими исключениями радиоактивное тело посылает либо -лучи, либо -лучи;

обнаруженное в 1900 г. Паулем Виллардом неотклоняемое -излучение может быть связано с обоими.

М. Лауэ «История физики»

Нобелевская премия по химии 1908 г. - Э. Резерфорд За исследования по превращению элементов и за химические исследования радиоактивных веществ.

3. Приборы ядерной физики Детекторы. Результаты любого эксперимента определяются возможностями детекторов, которые используются для регистрации ядерных процессов. История ядерной физики – это история создания новых методов регистрации частиц и постоянного совершенствования уже надежно зарекомендовавших себя детекторов. Создание новых методов детектирова ния частиц нередко отмечалось Нобелевскими премиями.

Первые детекторы создавались для того, чтобы можно было изучать изменения, происходящие в отдельных атомах вещества. Для этого Э.Резерфордом с сотрудниками было разработано два метода, с помощью которых можно было регистрировать отдельные -частицы:

• Метод сцинтилляций, позволяющий наблюдать вспышки от удара отдельной -частицы в сцинтиллирующие экраны. Одним из первых детекторов -частиц был экран, покрытый сернистым цинком. Метод счета сцинтилляций был использован Гейгером и Марсденом в эксперименте по рассеянию -частиц на тонких золотых фольгах, который привел к открытию атомного ядра.

• Гейгером был разработан метод газоразрядного счетчика. При прохождении заряженной частицы в счетчике возникал электрический разряд, который можно было зарегистрировать электронными устройствами. Электронные методы счета частиц значительно повысили точность и надежность наблюдений, избавили от утомительного чисто субъективного визуального метода регистрации сцинтилляций.

Возможности проведения различных экспериментов расширились в результате разработанного В.Боте метода совпадений.

Первым прибором, в котором можно было наблюдать следы заряженных частиц, была изобретенная в 1912 г. Ч. Вильсоном камера, названная его именем. Действие камеры Вильсона основано на конденсации пара в виде мелких капелек жидкости на ионах, образованных пролетающей через камеру заряженной частицей. Возникающий след капелек жидкости можно увидеть и сфотографировать. Тип частицы, следы которой наблюдают в камере Вильсона, определяется по величине пробега и импульсу частицы.

Эксперименты с камерой Вильсона, помещенной в магнитное поле, выполненные П. Капицей и Д. Скобельцыным, значительно расширили знания о ядерных процессах, происходящих как под действием радиоактивных источников, так и под действием космических лучей.

С помощью камеры Вильсона был сделан ряд фундаментальных наблюдений, сыгравших важную роль в понимании процессов, происходящих в микромире, – впервые наблюдалось расщепление атомных ядер, были открыты позитрон, мюон, переносчик ядерного взаимодействия -мезон и другие частицы, изучена природа космического излучения.

Впервые возможность регистрации ядерных излучений фотографическим методом использовал А. Беккерель, открывший с помощью фотопластинок радиоактивность урана. Эффективно этот метод начал использоваться после создания С. Пауэллом специальных фотопластинок с толстым слоем эмульсии. Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы вдоль траектории движения. После проявления эмульсии по характеру следа можно идентифицировать частицу. С помощью ядерных фотоэмульсий впервые наблюдались многие частицы в составе космических лучей.

Современные детекторные системы, как правило, представляют собой комбинацию различных типов детекторов, число которых может составлять несколько тысяч включенных в логические системы совпадений и антисовпадений импульсов отдельных детекторов.

Фотография в фотоэмульсии расщепление ядра углерода при захвате -мезона.

Совершенствование метода визуального наблюдения сцинтилляций, вызванных частицей, привело к разработке электронных методов счета сцинтилляций. Различные конструкции фотоэлектронных умножителей позволяют усиливать электрический сигнал и получать на выходе легко регистрируемые электрические импульсы. Пропорциональность световой вспышке энергии, потерянной частицей в сцинтилляторе, позволяет не только регистрировать частицу, но и определять её энергию. Большие объёмы сцинтиллятора позволяют создавать детекторы для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия. Так, например, в первом эксперименте по регистрации нейтрино в качестве сцинтиллятора использовались три объёма жидких сцинтилляторов по 1200 литров каждый. Световые вспышки регистрировались с помощью 100 фотоумножителей.

Схема детектора, с помощью которого Райнес и Коуэн обнаружили реакторное антинейтрино.

+ p n + e+ Детекторы служат как для регистрации частиц, так и для определения их энергии, импульса, траектории движения частицы и других характеристик.

Для регистрации частиц часто используют детекторы, которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон создаваемый другими частицами.

Часто в экспериментах приходится выделять «нужные» события на гигантском фоне «посторонних» событий, которых может быть в миллиарды раз больше. Для этого используют различные комбинации счётчиков и методов регистрации, применяют схемы совпадений или антисовпадений между событиями, зарегистрированными различными детекторами, отбор событий по амплитуде и форме сигналов и т. д. Часто используется селекция частиц по времени пролёта ими определённого расстояния между детекторами, магнитный анализ и другие методы, которые позволяют надёжно выделить различные частицы.

Детекторы Счетчик Гейгера Камера Вильсона Фотоумножитель и сцинтиллятор Детектор ATLAS Большого Адронного Коллайдера 1924 г. В. Боте разработал метод совпадений Вальтер Боте (1891-1957) Исследования квантовых свойств частиц, проблема дуализма волна частица была одним из приоритетных направлений первой четверти XX века.

Эксперименты Комптона убедительно показали, что рентгеновские лучи рассеиваются на электронах вещества, так как если бы рентгеновские лучи были потоком частиц. Существовала проблема выполнения законов сохранения энергии и импульса в каждом акте взаимодействия.


Существовало предположение, что они выполняются лишь при усреднении по большому числу взаимодействий. Для проверки этой гипотезы, используя два счетчика Гейгера, Боте создал метод одновременной регистрации рассеянного рентгеновского фотона и электрона, образующихся в результате эффекта Комптона – метод совпадений. В результате было показано, что законы сохранения выполняются в каждом акте взаимодействия. В 1930 г.

Боте исследуя взаимодействие -частиц с мишенью из бериллия обнаружил новое излучение, имеющее большую проникающую способность, которое привело затем к открытию нейтрона. Боте использовал метод совпадений для изучения природы космических лучей, в результате которых было установлено, что космическое излучение состоит из заряженных частиц, а не высокоэнергетических -квантов, как предполагалось ранее.

Нобелевская премия по физике 1954 г. – В. Боте За метод совпадений и сделанные с его помощью открытия.

1912 г. Ч. Вильсон изобрёл камеру, названную его именем Чарльз Вильсон (1869 – 1959) След -частицы, испытавшей два столкновения в камере Вильсона.

Н. Бор: «Вильсон, применив остроумный метод, использующий камеру, наполненную насыщенными парами, получил свои первые фотографии треков -частиц, на которых были отчетливо видны резкие изломы, хотя обычные треки -частиц представляли собой замечательно прямые линии. Конечно, Резерфорд очень хорошо понимал, что это за явление, так как всего лишь за несколько месяцев до того именно оно привело его к открытию, положившему начало новой эпохи, - открытию атомного ядра. Однако возможность увидеть собственными глазами столь тонкие детали поведения -лучей оказалась удивительной даже для него и доставила ему необыкновенную радость».

Нобелевская премия по физике 1921 г. Ч. Вильсон.

За открытие метода, делающего видимыми траектории заряженных частиц с помощью конденсации пара Патрик Блэкетт (1897-1974) П. Блэкетт широко использовал и в значительной мере способствовал внедрению камеры Вильсона в физических измерениях. П. Блэкетт, изучив 25000 фотографий, полученных с помощью камеры Вильсона, показал, что в результате взаимодействия -частиц с ядрами азота 14 N образуются протон и изотоп 17 O, что явилось подтверждением предположения, выдвинутого Э. Резерфордом о превращении одного химического элемента в другой.

П. Блэкетт совместно с Д. Оккалини создали управляемую камеру Вильсона с помощью двух счетчиков Гейгера, расположенных над и под камерой Вильсона и включенных в схему совпадений. В результате было получено большое количество фотографий, вызванных космическими лучами, и в частности впервые наблюдалось образование электрон позитронных пар под действием космических лучей.

Нобелевская премия по физике 1948 г. – П. Блэкетт За создание метода камеры Вильсона и его открытия с его помощью в области ядерной физики и космических лучей.

1919 г. Ф. Астон построил масс-спектрограф с высокой разрешающей способностью и предложил электромагнитный метод разделения изотопов Фрэнсис Астон (1877–1945) С помощью своего первого масс-спектрометра Астон подтвердил, что существуют два изотопа неона, атомные массы которых почти в точности равны 20 и 22. Исследуя затем элемент хлор, имеющий атомный вес 35, Астон показал, что хлор даёт спектр масс, в котором наблюдаются две линии 35 и 37, и не видно никаких линий с дробным атомным весом. Поэтому хлор подобно неону состоит из двух изотопов с массовыми числами A = 35 и 37. К концу 1920 г. Астон исследовал на сконструированном им масс-спектрографе 19 элементов и обнаружил, что 9 из них состоят из двух и более изотопов, массы которых близки к целым числам.

Ф.Астон: «Очевидные отступления от правильной последователь ности атомных весов элементов, расположенных соответственно их химическим свойствам, указывают на то, что даже у устойчивых элементов не следует ожидать однозначной связи зарядов с их массой».

Нобелевская премия по химии 1922 г. — Ф. Астон.

За открытие большого количества стабильных изотопов и изучение их свойств.

Ускорители. Одним из первых ускорителей частиц была обычная разрядная трубка. За счёт приложенного к ней напряжения электроны ускорялись и в результате торможения на аноде возникало образовалось рентгеновское (тормозное) излучение.

В качестве пробных частиц -частицы сыграли уникальную роль в изучении структуры атомных ядер. С их помощью • в 1911 г. было открыто атомное ядро, • в 1919 г. было доказано, что протоны входят в состав атомного ядра и осуществлено первое искусственное превращение химического элемента, • в 1932 г. был открыт нейтрон, • в 1934 г. был получен первый искусственный радиоактивный изотоп 30 P.

Однако -источники имели существенный недостаток — -частицы вылетали из источника во всех направлениях, число их было мало и было невозможно изменять их энергию. Было очевидно, что для дальнейшего продвижения в изучении атомных ядер нужны различные высокоэнергичные пробные частицы, которые могли бы проникать в атомные ядра и вызывать их различные превращения, была необходимость создания интенсивных источников контролируемой энергии.

В 1930 г. Э. Лоуренс построил первую модель циклотрона. В 1931 г.

Ван де Граф создал первый электростатический ускоритель протонов.

В 1932 г. Д. Кокрофт и Т. Уолтон создали высоковольтный ускоритель и с помощью ускоренного пучка протонов расщепили ядра бора и лития. В г. Д. Керст построил ускоритель электронов – бетатрон. В 1944 г. В. Векслер открыл принцип автофазировки, который лёг в основу создания ускорителей высоких энергий.

Э. Резерфорд, 1932 г.: «Делая это обозрение, я был поражен сравнительно быстрым прогрессом, который произошел со времени нашей последней дискуссии в овладении этой центральной проблемой физики [расщепления атомных ядер]. Прогресс был бы много ускорен, если бы мы могли получить в лаборатории мощные, но контролируемые источники быстрых атомов и радиации высокой частоты для бомбардировки материи.

В экспериментах Тюва, Хофстеда и Дэля в Отделении земного магнетизма в Вашингтоне и Кокрофта и Уолтона в Кэвендишевской лаборатории было найдено возможным посредством высоких потенциалов создать искусственный поток протонов с индивидуальной энергией около 1 млн.

вольт-электронов и изучить их свойства. Некоторые другие методы получения быстрых атомов испытываются другими исследователями, я мог бы особенно сослаться на исключительно остроумный метод, развитый Лауренсом и Ливингстоном в Калифорнском университете, где посредством многократных ускорений были получены протоны с энергией, отвечающей примерно 1 млн. вольт. В недавно опубликованной статье они приходят к заключению, что этим методом возможно получить поток быстрых атомов еще большей энергии. Таким образом, здесь открывается полная надежд перспектива на то, что в близком будущем мы сможем получить источники быстрых атомов и высокочастотной радиации и вместе с тем расширить наши знания о структуре ядра.

Опыты были сделаны и с другими элементами. Бор, фтор и алюминий все дают частицы, похожие на -частицы с характеристичным пробегом для каждого элемента. Наблюдались также сцинтилляции от бериллия и углерода, некоторые яркие, другие – слабые, и есть указания, что азот дает немного ярких сцинтилляции. Кислород и медь не дают сцинтилляции для протонов с энергией до 400 тысяч вольт».

Э. Резерфорд сообщает Н. Бору о первых результатах расщепления атомных ядер на ускорителе Кокрофта-Уолтона.

21 апреля 1932 г.

Дорогой Бор!

… у меня есть для вас интересные новости, краткое сообщение о которых должно появиться в “Nature” на следующей неделе. Вы знаете, что у нас есть лаборатория высоких напряжений, где устойчивое постоянное напряжение может быть доведено до 600000 вольт и выше. Там недавно исследован эффект бомбардировки легких элементов протонами. Протоны падали на поверхность материала, расположенного под 45° к оси трубки, а вызываемые эффекты наблюдались сбоку сцинтилляционным методом, экран из сернистого цинка был покрыт достаточно толстым слоем слюды, чтобы задержать протоны. В случае лития наблюдались яркие сцинтилляции, начиная примерно с 125000 вольт, которые быстро нарастали с увеличением напряжения вплоть до многих сотен в минуту при значении протонного тока в несколько миллиампер. По-видимому, -частицы имели определенную длину пробега, практически не зависимую от напряжения и равную в воздухе около 8 см. Самое простое предположение, которое можно было сделать, состояло в том, что литий 7, захватывая протон, разламывается и при этом испускает пару обычных -частиц. Принимая эту точку зрения, можно показать, что полное значение высвобождаемой энергии составляет около 16 миллионов электроновольт, и это дает правильный порядок для происходящих изменений в массах, если допустить справедливость закона сохранения энергии.

Позже будут поставлены специальные опыты, чтобы проверить природу частиц, но по яркости сцинтилляций и следам в камере Вильсона представляется весьма вероятным, что это -частицы. В опытах, проведенных в самые последние дни, аналогичные эффекты наблюдались у бора и фтора, однако пробег частиц меньше, хотя они также похожи на -частицы. Возможно, бор-11 захватывает протон и раскалывается на три -частицы, тогда как фтор разламывается на кислород и -частицу.

Баланс энергии находится примерно в соответствии с этими выводами. Я не сомневаюсь, что вас очень заинтересуют эти новые результаты, которые мы надеемся в ближайшем будущем расширить».

Необходимость использования ускорителей для исследования структуры микромира очевидна. Во-первых, атомные ядра и частицы занимают очень малые области пространства. Исследование таких масштабов требует высокой разрешающей способности зондирующего пучка, обеспечивающей взаимодействие пробной частицы с отдельным микрообъектом. Во-вторых, чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует большей энергии.


Зная размеры изучаемого объекта, легко оценить энергию E пробных частиц, необходимую, для его изучения. Длина волны пробных частиц зависит от импульса и дается формулой де Бройля h 2 с 2 200 МэВ Фм =.

p E Е (МэВ) В эксперименте по рассеянию структура объекта становится «видимой», если длина волны де Бройля пробной частицы сравнима или меньше размера объекта R, т. е. при R. При использовании в качестве пробных частиц электронов внутрь ядра можно «заглянуть», если энергия электрона будет превышать 100 МэВ. Для наблюдения структуры нуклона энергия электрона должна уже исчисляться гигаэлектронвольтами (1 ГэВ = 109 эВ). Современные ускорители позволяют ускорять частицы до энергии нескольких ТэВ (1 ТэВ = 1012 эВ).

Рождение частиц происходит в результате преобразования кинетических энергий сталкивающихся частиц в массы и кинетические энергии образующихся частиц. Чем больше масса частицы, которую необходимо получить в столкновении, тем больше должна быть энергия сталкивающихся частиц.

Рис. Зависимость длины волны от энергии частицы.

Ускоритель позволяет сформировать пучок пробных частиц с требуемыми для эксперимента характеристиками (энергией, интенсивностью, пространственными размерами и т. д.).

В 2009 г. начались эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК). Протоны ускоряются в кольцевом тоннеле протяженностью 27 км, расположенном под землей на глубине ~100 м. БАК состоит из нескольких ускорителей, на которых происходит последовательное ускорение протонов, которые достигают в конце ускорения энергии 7 ТэВ. В кольцевом тоннеле ускоряются два пучка в противоположных направлениях. Поэтому суммарная энергия столкновения протонов составляет 14 ТэВ. Кроме протонных пучков в БАК будут ускоряться ионы свинца Pb.

Протонный пучок LHC.

Энергия пучка протонов 7 ТэВ.

Длина основного кольца 26,7 км.

Пучок протонов разбит на отдельные сгустки:

продольный размер 20-40 см;

поперечный размер ~1 мм;

поперечный размер в точках столкновения 10–2 мм.

Число сгустков в максимумах интенсивности – 2808.

Время одного цикла работы ускорителя 10–50 часов.

Инжекция протонов в LHC происходит порциями.

Время заполнения основного кольца 4-5 мин.

Время ускорения протонов 0,45–7,0 ТэВ — 20 мин.

В конце каждого цикла работы LHC высокоэнергичный пучок протонов сбрасывается и коллайдер подготавливается к приёму новых сгустков протонов.

В коллайдере LHC происходит 109 столкновений протонных пучков в секунду.

2010 г. Большой адронный коллайдер LHC. Large Hadron Collider SPS. Super Proton Synchrotron AD. Antiproton Decelerator ISOLDE. Isotope Separator OnLine DEvice PSB. Proton Synchrotron Buster PS. Proton Synchrotron LINAC. LInear ACcelerator LEIR. Low Energy Ion Ring CNGS. CERN Neutrinos to Gran Sasso 1932 г. Д. Кокрофт и Э. Уолтон ускоренными протонами расщепили ядра бора и лития Эрнест Уолтон Джон Кокрофт (1903 – 1995) (1897 – 1967) 1930 г. Ускоритель Кокрофта-Уолтона Нобелевская премия по физике 1951 г. Д. Кокрофт и Э. Уолтон.

За пионерскую работу по трансмутации атомных ядер с помощью искусственно ускоренных атомных частиц.

1929 г. Первый циклотрон Э. Лоуренса Эрнест Лоуренс (1901 – 1958) 1933 г. С. Ливингстоун и Э. Лоуренс у 27-дюймового циклотрона Нобелевская премия по физике 1939 г. Э. Лоуренс.

За изобретение и создание циклотрона и за результаты, полученные на нём, в особенности, связанные с искусственными радиоактивными элементами.

4. Состав атомного ядра Благодаря новым методам регистрации радиоактивности стало возможным изучать новые явления, которые раньше не поддавались исследованию, и, в частности, попытаться ответить на вопрос, как устроено атомное ядро. Для ответа на этот вопрос Резерфорд решил использовать столкновение -частиц с ядрами легких химических элементов.

Обстреливая -частицами атомы водорода, Резерфорд обнаружил что нейтральные атомы водорода превращаются в положительно заряженные частицы. Резерфорду было известно, что легчайший атом Периодической системы водород состоит из ядра, имеющего единичный положительный заряд, и электрона. Следовательно, при столкновении с атомом водорода -частица подходила достаточно близко к ядру водорода и передавала ему часть энергии и импульса. Резерфорд назвал эти положительно заряженные частицы H -атомами. Позже за ними укрепилось название «протоны».

Одновременно Резерфорд установил, что взаимодействие между -частицей и ядром водорода не подчиняется обнаруженному им ранее закону рассеяния -частиц на ядрах золота. При сближении -частицы с ядром водорода силы взаимодействия между -частицей и ядром водорода резко возрастали.

Э. Резерфорд, 1920 г.: «В случае атомов с большим ядерным зарядом даже самая быстрая -частица не может проникнуть в саму структуру ядра, так что мы можем лишь оценить его максимальные размеры. Однако в случае лёгких атомов, когда заряд ядра мал, при прямом столкновении -частица приближается так близко к ядру, что мы можем оценить его размеры и составить некоторое представление о действующих силах.

Наилучшим образом это видно в случае прямого столкновения -частицы с атомом водорода. В этом случае H -атом приходит в столь быстрое движение, что он проходит в четыре раза больший путь, чем сталкивающаяся с ним -частица, и может быть зарегистрирован по сцинтилляции, вызываемой им на экране из сернистого цинка… Я показал, что эти сцинтилляции обусловлены атомами водорода, несущими единичный положительный заряд… Соотношение между числом и скоростью этих H -атомов совершенно отлично от того, которое следовало ожидать, если рассматривать -частицу и H -атом как точечные заряды. В результате столкновения с быстрыми -частицами получаются H -атомы, которые почти с одинаковыми скоростями летят по направлению налетающих -частиц. Отсюда было выведено, что закон обратной пропорциональ ности квадрату расстояния становится несправедливым, когда ядра приближаются друг к другу на расстояние меньшее 3 10 13 см. Это служит указанием на то, что ядра имеют размеры этого порядка величины и что силы между ядрами очень быстро меняются по величине и направлению на расстояниях, сравнимых с обычно принятыми размерами диаметра электрона. Было указано, что при таких близких столкновениях между ядрами развиваются огромные силы и что, возможно, при столкновении структура ядер претерпевает значительную деформацию. Тот факт, что ядро гелия, которое, как можно предполагать, состоит из четырех H -атомов и двух электронов, выдерживает это столкновение свидетельствует о чрезвычайной устойчивости его структуры.»

В результате изучения взаимодействия -частиц с атомами водорода был обнаружен протон – ядро атома водорода. Резерфорд продолжает эксперименты по исследованию взаимодействия -частиц с лёгкими атомами и в 1919 г. обнаруживает, что при облучении -частицами атомов азота из атома вылетают протоны. Следовательно, протоны входят в состав атомных ядер. Но при этом под действием -частиц должно было произойти изменение ядра атома азота. Его заряд должен увеличиться на единицу – ядро азота должно превратиться в ядро кислорода.

Впервые Резерфорд сделал то, что на протяжении веков не удавалось алхимикам – он искусственно превратил один химический элемент в другой.

В течение нескольких последующих лет Резерфорд с учениками осуществил искусственное превращение около десяти лёгких химических элементов – бора, фтора, лития, натрия, фосфора и других.

Э. Резерфорд: «Атомы нескольких легких элементов были подвержены бомбардировке очень большим количеством -частиц. Выполнив эти опыты, я в 1919 г. получил экспериментальные доказательства того, что небольшое число атомов азота при бомбардировке распалось, испустив быстрые ядра водорода, известные теперь под названием протонов … 7 N + 2 He 9 F 8 O + 1 H + E.

14 4 18 17 Всего лишь одна -частица из 50000 приближается к ядру достаточно близко, чтобы быть им захваченной… В более ранних статьях, loc. cit., я описал явления, происходящие при тесных столкновениях быстрых -частиц с легкими атомами вещества, с целью определить, не могут ЛИ подвергаться разложению ядра некоторых легких атомов под влиянием огромных сил, развивающихся при таких тесных столкновениях. В этих статьях было дано доказательство того, что при прохождении -частиц через сухой азот возникают быстрые частицы, весьма напоминающие по яркости сцинтилляций и дальности проникновения атомы водорода, приведенные в движение под влиянием столкновения с -частицами. Далее было показано, что эти быстрые атомы, которые появляются только в сухом азоте, но не в кислороде или в угольной кислоте, не могут быть приписаны присутствию водяного пара или другого вещества, содержащего водород, но что они должны возникать при столкновении -частиц с атомами азота… В предыдущей работе я показал, что частицы с большим пробегом, наблюдавшиеся в сухом воздухе и в чистом азоте, должны возникать из самих атомов азота. Таким образом ясно, что некоторые атомы азота разрушаются при столкновениях с быстрыми -частицами и что при этом возникают быстрые атомы положительно заряженного водорода. Отсюда надо заключить, что заряженный атом водорода является одним из компонентов ядра азота».

1919 г. Э. Резерфорд. Ядерная реакция. 14N(,p)17O 1 – микроскоп для наблюдений сцинтилляций, 2 – серебряная пластинка для поглощения -частиц, 3 – экран из сернистого цинка, 7 – источник -частиц Н-лучи. Из корпускулярных лучей, возникающих при столкновении -лучей с лёгкими атомами, наиболее изучены лучи водорода, так как они обладают наибольшей проникающей способностью. Эти лучи образуются атомами водорода, потерявшими свой электрон, т.е. протонами. Их обозначают символом H … Чтобы наблюдать H -лучи, сначала пользовались их общим с -лучами свойством вызывать сцинтилляции на экране с серистым цинком… В качестве источника H -лучей можно вместо водорода пользоваться веществом богатым водородом, например, парафином, в виде очень тонкой плёнки, обычно накладываемой прямо на источник.

М.Кюри. «Радиоактивность. Лучи водорода и других лёгких атомов».

Наполняя камеру азотом, Резерфорд наблюдал, что при некотором давлении большинство сцинтилляции пропадает. Это происходит тогда, когда -лучи, испускаемые радиоактивным источником, тратят всю энергию на ионизацию воздуха и не доходят до экрана. Но остающиеся сцинтилляции указывали на присутствие очень малого количества H -лучей с пробегом в несколько раз большим, чем испускалось источником. Если вместо азота взять другой газ, например углекислоту или кислород, то таких остаточных сцинтилляций не появляется. Единственное объяснение — в том, что они появляются из азота. Так как энергия остаточных H -лучей больше, чем первичных, то они могут появляться только за счет разложения ядра атома азота. Так было доказано разложение азота и принципиально решена задача алхимии.

П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде»

1919 г. Э. Резерфорд. Ядерная реакция. 14N(,p)17O Фотография в камере Вильсона следов -частиц в азоте.

Открытие радиоактивного распада атомов оживило алхимическую идею превращения одного элемента в другой. До 1930 г. в течение десятилетий проводились многочисленные опыты этого рода, особенно посредством вольтовой дуги. Но эти мнимые превращения не устояли перед критикой.

Превращение достигается, как мы теперь знаем, только методом концентрации необходимого количества энергии на отдельном атоме при бомбардировке его другими атомами или -квантами. Но и при этих экспериментах вначале (1907 г.) были ошибочные результаты. Первое действительное искусственное превращение атомов удалось в 1919 г.

Резерфорду. Он облучал азот -частицами и получил при этом протоны с большой длиной пробега. Фотографии этого явления в камере Вильсона, сделанные П. Блэкеттом, ясно показали, наряду с длинным следом протона, короткий след возникшего кроме него изотопа кислорода с атомным весом 17. В период от 1921 г. до 1924 г. Резерфорд и Чадвик смогли доказать существование этой реакции – поглощение -частицы и испускание протона – также у всех элементов от бора (порядковое число 5) до калия (порядковое число 19), за исключением углерода и кислорода. Кроме протона в этих реакциях постоянно возникает элемент, следующий по порядку в периодической системе.

М. Лауэ «История физики»

Обнаружив в составе атомного ядра протоны, Резерфорд предложил протон-электронную модель ядра. Протоны определяли массу атомного ядра, а электроны частично компенсировали электрический заряд протонов, что приводило к нужному значению заряда ядра. Так, например, считалось, что ядро, имеющее заряд +2e, состоит из 4 протонов и 2 электронов. Важным аргументом в пользу протон-электронной модели был -распад атомных ядер. Это явление можно было легко объяснить, если считать, что электроны входят в состав атомного ядра. Протон-электронная модель ядра встречала определенные возражения, основным из которых было то, что она не могла объяснить значение спинов атомных ядер. Однако она просуществовала до открытия нейтрона в 1932 г.

Э. Резерфорд, 1920 г.: «Из изучения радиоактивности известно, что ядра радиоактивных элементов частично состоят из ядер гелия с зарядом 2e. Кроме того, у нас имеются серьёзные основания считать, что ядра атомов наряду с положительно заряженными частицами содержат также и электроны и что положительный заряд ядра соответствует избытку общего положительного заряда над отрицательным. Интересно отметить совершенно различную роль, которую играют электроны вне атома и внутри него. В первом случае они располагаются на расстоянии от ядра, которое, несомненно, определяется, главным образом, зарядом ядра и взаимодейст вием их собственных полей. Внутри ядра электроны образуют очень тесное и прочное объединение с положительно заряженными единицами и, насколько нам известно, именно вне ядра они находятся в неустойчивом состоянии. Каждый внешний электрон, несомненно, взаимодействует с ядром как точечный заряд, тогда как о внутреннем электроне этого сказать нельзя. По-видимому, внутренние электроны под влиянием огромных сил сильно деформируются, и силы в этом случае могут совершенно отличаться от тех сил, которые можно ожидать от недеформированного электрона, как, например, вне ядра. Быть может, поэтому электрон может играть столь различную роль в этих двух случаях и даже образовывать стабильные системы».

Дискуссия о структуре атомного ядра. В феврале 1929 г. в Лондонском королевском обществе была проведена дискуссия о структуре атомного ядра. Ниже приведены сокращенные выступления Э. Резерфорда, Дж. Чадвика и Р. Фаулера.

Э. Резерфорд: «Теперь мы уже можем составить себе картину постепенного построения атомных ядер. Вероятно, у легких элементов ядро состоит из комбинации -частиц, протонов и электронов, причем отделение части ядра сильно притягивают друг другу, отчасти вследствие возмущающих, отчасти вследствие магнитных сил. О природе этих сил мы пока что, можем только строить то или иное предположение. Прежде всего образуется сильно сконцентрированное и крепко связанное ядро, причем процесс этот сопровождается излучением энергии. Для атомного веса, примерно равного 120, мы имеем наименьшую массу, что означает наиболее тесную связь. При дальнейшем возрастании атомных номеров, добавляемые частицы оказываются связанными все менее и менее плотно.

Таким образом, можно предположить, что ядро имеет очень плотную структуру около центра, причем плотность постепенно убывает с удалением от центра. Вся эта система окружена силовым барьером, обычно мешающим вылету -частиц. Может бить, эта статическая точка зрения не нравится моим друзьям-теоретикам, которые хотели бы представлять -частице полную свободу передвижения внутри ядра. Тем не менее, эта точка зрения вполне законна и находится в полном согласии с изложенными мною идеями. Другими словами, если бы мы могли сделать моментальный снимок с ядра – с выдержкой около 10–28 секунды, – мы увидели бы в центре как бы плотно упакованные, крепко связанные -частицы, причем плотность убывала бы с увеличением расстояния от центра. Без сомнения, все -частицы находятся в движении, и волны их отражаются от силовых барьеров, а иногда и проникают за пределы системы. Мне кажется, что развитая мною точка зрения вполне обоснована, и я надеюсь, что наши друзья-теоретики смогут описать более детально всю картину. Мы должны не только объяснить построение ядра из -частиц, – нам приходится найти еще место и для электронов, а запереть электроны в одну клетку с -частицей не так-то легко. Однако я настолько уверен в изобретательности наших друзей-теоретиков, что я твердо верю, что они превзойдут каким-нибудь образом и эту трудность.

Изложенная мною точка зрения объясняет, мне кажется, почему не могут существовать атомы тяжелого урана. С увеличением массы ядро получало бы все больше и больше энергии и стало бы настолько радиоактивным, что исчезло бы. По-видимому, чем больше был бы у ядер запас энергии, тем скорее они исчезали бы, и, вероятно, уран и торий не случайно являются единственными выжившими представителями тяжелых ядер. Здесь не место затрагивать в высшей степени спекулятивный вопрос о том, как образовались ядра элементов. Прежде чем браться за решение этого вопроса, нам нужно узнать гораздо больше о деталях структуры самого ядра».

Дж. Чадвик: «При бомбардировке некоторых элементов -частицами, из них выбиваются ядра водорода, или протоны, которые можно обнаружить по сцинтилляции, вызываемой ими на экране из сернистого цинка. Эти протоны появляются вследствие искусственного разложения ядер этих элементов. Мы полагаем, что разложение ядра происходит когда -частица проникает внутрь ядра и задерживается там, в результате чего вылетает протон. Вероятность разложения мала;

так, например, в благоприятном случае, когда бомбардируется азот, разлагается 20 ядер на каждый 106 -частиц. Вследствие редкости этого эффекта, а также из-за различных экспериментальных трудностей, сведения, добытые нами по сих пор, еще довольно скудны. За исключением углерода и кислорода, все элементы от бора до калия включительно разлагаются при бомбардировке их -частицами и испускают при этом протон, обладающий значительной энергией. Это значит, что ядра всех этих элементов содержат протоны.

Углерод и кислород, если они вообще разлагаются, не испускают частиц с энергией, превышающей энергию рассеянных -частиц. Возможно, что они разлагаются на ядра гелия, но доказательств для этого пока нет.

Некоторые протоны, освободившиеся при искусственном разложении, имеют очень большие энергии, например, энергия протонов, выбитых из алюминия -частицами радия G, на 40% превышает энергию ударяющих -частиц. Таким образом в некоторых случаях при разложении освобождается энергия. Существует резкая разница в поведении элементов с четным и нечетным атомным номером. Протоны, вылетающие из нечетных элементов, имеют гораздо большую максимальную энергию, нежели протоны из четных элементов. При разложении, состоящем только в уловлении -частицы и испускании протона, элемент с нечетным номером переходит в элемент с четным номером, и наоборот. Рассматривая различное поведение четных и нечетных элементов, а также их сравнительное изобилие в природе и их атомные массы, можно сделать заключение, что четные элементы более устойчивы, чем нечетные».



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.