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:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 8 |

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА ...»

-- [ Страница 5 ] --

Если интервал времени между последовательными захватами нейтронов больше периодов -распада, процесс захвата нейтронов называется s процессом (slow). Таким образом, ядро в результате захвата нейтронов и последующих -распадов становится все тяжелее, но при этом оно не отходит слишком далеко от долины стабильности на N-Z-диаграмме.

6. r-процесс. Если скорость последовательного захвата нейтронов гораздо больше скорости –-распада атомного ядра, то оно успевает захватить сразу большое число нейтронов. В результате r-процесса образуется нейтроноизбыточное ядро, сильно удаленное от долины стабильности.

Лишь затем оно, в результате последовательной цепочки –-распадов, превращается в стабильное ядро. Обычно считается, что г-процессы происходят в результате взрывов Сверхновых.

7. Р-процесс. Некоторые стабильные нейтронодефицитные ядра (так называемые обойденные ядра) образуются в реакциях захвата протона, в реакциях (,n) или в реакциях под действием нейтрино.

Синтез трансурановых элементов. В Солнечной системе сохранились лишь те химические элементы, время жизни которых больше возраста Солнечной системы. Это 85 химических элементов. Остальные химические элементы были получены в результате различных ядерных реакций на ускорителях или в результате облучения в ядерных реакторах. Синтез первых трансурановых элементов в лабораторных условиях был осуществлен с помощью ядерных реакций под действием нейтронов и ускоренных -частиц. Однако дальнейшее продвижение к более тяжелым элементам оказалось таким способом практически невозможным. Для синтеза элементов тяжелее менделевия Md (Z = 101) используют ядерные реакции с более тяжелыми многозарядными ионами – углеродом, азотом, кислородом, неоном, кальцием. Для ускорения тяжелых ионов начали строиться ускорители многозарядных ионов.

Вильям Фаулер (1911–1995) Для определения эффективности ядерных реакций в звездах обычно проводится экстраполяция результатов измерений при больших энергиях в область энергий несколько кэВ. Большое число очень тщательных экспериментов по измерению и расчету реакции нуклеосинтеза было выполнено под руководством В. Фаулера.

Нобелевская премия по физике 1983 г. — В. Фаулер За теоретические и экспериментальные исследования ядерных процессов важных при образовании химических элементов во Вселенной.

Год Химически Z Реакция открытия й элемент U+n U 239 Np 239 Pu 93 238 1936 Np, Pu 93, 94 92 Am + e + e U + 4 He Pu + n, Pu 238 241 241 1945 Am 95 92 2 94 94 Pu + 2 He Cm + n 239 4 1961 Cm 96 94 Am + 4 He Bk + 2n 241 1956 Bk 97 95 2 Cm + 2 He Cf + n 242 4 1950 Cf 98 96 U + 15n U 253 Np 93 253 Es 238 1952 Es 99 92 U + 17 n U 255 Np 93 100 Fm 238 1952 Fm 100 92 Es + 2 He Md + n 253 4 1955 Md 101 99 Cm + 13 C No + 4n 248 1957 No 102 96 6 Cf + 10,11 B Lr + (4-5)n, 249 Cf + 10 B Lr + 3n, 249 1961 Lr Am + 16 O Lr + 4n, 243 Am + 18 O Lr + 5n 243 Pu + Ne Rf + 4n 242 22 1964 Rf 104 94 10 1967 Am + Ne 105 Db, Cf + 15 N Db + 4n 242 22 249 Db 1970 95 10 98 7 Cf + 18 O Sg + 4n 249 1974 Sg 106 98 8 Bi + 54 Cr Bh + n 209 1976 Bh 107 83 24 1984 Pb + Fe Hs + n 208 58 Hs 1987 82 26 Bi + Fe Mt + n 209 58 1982 Mt 109 83 26 Pb + Ni Ds + n 208 62 1994 Ds 110 81 28 Bi + Ni Rg + n 209 64 1994 Rg 111 83 28 Pb + Zn Cn + n 208 70 1996 Cn 112 82 113 + Am + 20 Ca 115 + 3n, 243 48 288 288 113, 115 113 + 115 + 4n, 287 287 Pu + Ca 114 + 4n 244 48 94 1998 114 + 3n Cm + 20 Ca 116 + 3n 248 48 Cm + 20 Ca 116 + 2n 245 48 2000 116 Cm + 20 Ca 116 + 3n 245 48 Bk + 20 Ca 117 + 3n 249 48 2009 Bk + 20 Ca 117 + 4n 249 48 Cf + 20 Ca 118 + 3n 249 48 2006 118 Э.Резерфорд: «Если существуют элементы более тяжелые чем уран, то вполне вероятно, что они окажутся радиоактивными. Исключительная чувствительность методов химического анализа, основанная на радиоактивности, позволит опознать эти элементы, даже если они будут присутствовать в ничтожно малых количествах. Поэтому можно ожидать, что число радиоактивных элементов в незначительных количествах гораздо больше, чем три известных в настоящее время радиоактивных элемента. Чисто химические методы исследования окажутся малопригодными на первом этапе изучения таких элементов.

Основными факторами здесь являются постоянство излучения, их характеристики и существование или отсутствие эманаций или других продуктов распада».

Химический элемент с максимальным порядковым номером Z = был синтезирован в Дубне в сотрудничестве с Ливерморской лабораторией США. Верхняя граница существования химических элементов связана с их нестабильностью относительно радиоактивного распада. Дополнительная устойчивость атомных ядер наблюдается вблизи магических чисел. Согласно теоретическим оценкам должны существовать дважды магические числа Z = 108, N = 162 и Z = 114, N = 184. Период полураспада ядер, имеющих такие числа протонов и нейтронов, может составить сотни тысяч лет. Это так называемые «острова стабильности». Проблема образования ядер «острова стабильности» состоит в сложности подбора мишеней и ускоряемых ионов.

Синтезированные в настоящее время изотопы 108 – 112 элементов имеют слишком малое число нейтронов. Как следует из измеренных периодов полураспада изотопов 108 – 112 элементов увеличение числа нейтронов на 6 – 10 единиц (т.е. приближение к острову стабильности) приводит к увеличению периода -распада в 104 – 105 раз.

Так как число сверхтяжелых ядер Z 110 исчисляется единицами, необходимо было разработать метод их идентификации. Идентификация вновь образованных химических элементов проводится по цепочкам их последовательных -распадов, что увеличивает надежность результатов.

Такой метод идентификации трансурановых элементов имеет преимущество перед всеми другими методами, т.к. основан на измерении коротких периодов -распада. В то же время химические элементы острова стабильности по теоретическим оценкам могут иметь периоды полураспада, превышающие месяцы и годы. Для их идентификации необходима разработка принципиально новых методов регистрации, основанных на идентификации единичного числа ядер в течение нескольких месяцев.

Г. Флеров, К, Петржак: «Предсказание возможного существования новой области в периодической системе элементов Д.И. Менделеева — области сверхтяжелых элементов (СТЭ) — является для науки об атомном ядре одним из самых существенных следствий экспериментального и теоретического исследований процесса спонтанного деления. Сумма наших знаний об атомном ядре, полученная на протяжении последних четырех десятилетий, делает это предсказание достаточно надежным и. что важно, не зависящим от выбора того или иного конкретного варианта оболочечной модели. Ответ на вопрос о существовании СТЭ означал бы, пожалуй, наиболее критическую проверку самой концепции об оболочечной структуре ядра - основной ядерной модели, успешно выдерживавшей до сих пор многие испытания при объяснении свойств известных атомных ядер.

Более конкретно устойчивость самых тяжелых ядер определяется главным образом их спонтанным делением, и потому необходимым условием существования таких ядер является наличие у них барьеров относительно деления. Для ядер от урана до фермия оболочечная составляющая в барьере деления, хотя и приводят к некоторым интереснейшим физическим явлениям, все же не оказывает критического влияния на их стабильность и проявляется в суперпозиции с жидкокапелъной составляющей барьера. В области СТЭ капельная составляющая барьера полностью исчезает, и ста бильность сверхтяжелых ядер определяется проницаемостью чисто оболочечного барьера.

Вместе с тем, если для принципиального существования ядер СТЭ достаточно наличия барьера, то для экспериментальной проверки такого предсказания требуется знание времени жизни ядер СТЭ относительно спонтанного деления, так как при любой конкретной постановке эксперимента по их поиску невозможно охватить весь диапазон времен жизни — от 1010 лет до 10 10 с. Выбор методики эксперимента существенно зависит от того, в каком интервале времен жизни проводится исследование.

Как уже говорилось, неопределенность теоретического расчета периода спонтанного деления TSF слишком велика — не менее 8–10 порядков.

Эта неопределенность априори не исключает ни одной из возможностей получения или обнаружения СТЭ, и в качестве направлений экспериментального решения проблемы можно выбрать как поиск СТЭ в природе (на Земле, в объектах космического происхождения, в составе космического излучения и т.д.), так и искусственное получение элементов на ускорителях (в ядерных реакциях между сложными ядрами).

Очевидно, что поиск СТЭ в земных объектах может привести к успеху только при счастливом стечении двух обстоятельств. С одной стороны, должен существовать эффективный механизм нуклеосинтеза, с достаточной вероятностью приводящий к образованию атомных ядер СТЭ.

С другой стороны, нужно, чтобы существовал хотя бы один нуклид, принадлежащий к новой области стабильности, который имел бы время жизни, сравнимое со временем жизни Земли, — 4, 5 10 9 лет.

Если речь идет о присутствии СТЭ в объектах внеземного происхож дении — в метеоритах, космическом излучении и т.п., то такие поиски могут привести к успеху даже в том случае, если время жизни ядер СТЭ существенно меньше 1010 лет: такие объекты могут оказаться значительно моложе земных образцов ( 107 – 10 8 лет)».

14. Структура нуклона В 1911 г. Э. Резерфорд, анализируя результаты экспериментов выполненных Гейгером и Марсденом по рассеянию -частиц на тонкой золотой фольге установил, что атом не является однородным и состоит из массивного положительно заряженного ядра малого размера R 1012 см, окруженного отрицательно заряженными электронами. Метод рассеяния пробных частиц для определения структуры микрообъемов, предложенный Резерфордом, является универсальным, широко используется и в настоящее время. Современные эксперименты отличаются от опытов Резерфорда в основном своими масштабами – колоссальной энергией пробных частиц, получаемых на ускорителях, гигантскими детекторами, насчитывающими десятки тысяч регистрирующих элементов. Как известно, атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. До сих пор при обсуждении процессов, происходящих в атомных ядрах, исходили из того, что и протон, и нейтрон являются частицами, не имеющими внутренней структуры. Так ли это на самом деле? Уменьшение длины волны пробной частицы меньше чем 10–13 см открыло возможности изучения внутренней структуры протона и нейтрона.

В 1970 г. на ускорителе электронов с энергией 20 ГэВ, построенном в Стэн форде, было получено, что протон и нейтрон имеют размер ~ 0,8 фм и явля ются составными частицами. Оказалось, что электроны сверхвысоких энергий рассеиваются на протонах и нейтронах так, как никто не ожидал. Так же как в случае опытов Резерфорда угловое распределение электронов удалось объяснить, если предположить, что внутри протона имеются более мелкие образования. Фейман назвал эти неизвестные точечные составные части протона и нейтрона, на которых происходит рассеяние электронов «партонами». Внутренняя структура протона зависит от пространственного разрешения, определяемого длиной волны виртуального фотона = h / q, где q — импульс виртуального фотона. Энергии современных ускорителей соответствуют разрешению 0.01 фм. При таком разрешении видны отдель ные составляющие протона – партоны.

Результаты исследований показали, что нуклон это частица, состоящая из трех валентных кварков, виртуальных морских кварков-антикварков и глюонов.

1. Внутри нуклона обнаружены точечные объекты – партоны, в которых сосредоточена вся масса (внутренняя энергия) нуклона. Размер партонов 10–17 см.

2. Заряженные партоны имеют все характеристики кварков – их спин 1/2, а заряды в единицах е либо +2/3, либо –1/3.

3. Нейтральные партоны, отождествляемые с глюонами, несут около половины внутреннего импульса (энергии) нуклона.

4. Валентные кварки окружены испускаемыми и поглощаемыми ими виртуальными глюонами, реализующими межкварковое сильное взаимодействие. Глюоны рождают виртуальные кварк-антикварковые пары, аннигилирующие затем вновь в глюоны. Эти виртуальные пары образуют множество морских кварков.

= 101 фм 102 фм = 1 фм Уменьшение длины волны виртуального фотона.

Знание внутренней структуры нуклонов даёт информацию о природе сильных взаимодействий, за счет которых протоны и нейтроны образуют атомные ядра. При больших значениях длины волн виртуального фотона нуклон выглядит как некий кор, окруженных облаком виртуальных -мезонов, Виртуальные -мезоны реализуют взаимодействие между нуклонами в атомном ядре. При уменьшении длины волны, когда она становится сравнимой с разменом нуклона, проявляется кварковая структура нуклона. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Нейтрон состоит из одного u-кварков и двух d-кварков. При ещё большем уменьшении длины волны виртуального фотона видно, что на самом деле валентные кварки являются сложными образованиями большого числа кварк антикварковых пар связанных глюонами. Как формируется трехкварковая структура нуклона из моря виртуальных кварк-антикварковых пар является одной из фундаментальных проблем современной физики.

Распределения электрического заряда и магнитного момента протона r2E1/2p = (0.86 + 0.01) Фм, r2M1/2p = (0.86 + 0.06) Фм.

Распределения электрического заряда и магнитного момента нейтрона r2E1/2n = (0.10 + 0.01) Фм. r2M1/2n = (0.89 + 0.07) Фм.

• Размер протона ~0.8 Фм. Размер нейтрона приблизительно такой же.

• Протон лишен четкой границы. Плотность заряда в протоне плавно убывает по закону (r) = (0)exp(-r/a), где (0) = 3 е/Фм3, a = 0.23 Фм.

• Средний квадрат радиуса протона 4 r (r )r dr = 0, 62 Фм.

2 = 2 r 4 r (r )dr • Отличие величины r2E1/2n от нуля в случае нейтрона означает, что заряд нейтрона только после усреднения по всему объему нейтрона равен нулю.

• В нейтроне центральная часть (r 0.7 Фм) заряжена положительно, периферийная часть — отрицательно.

• Распределения магнитных моментов протона и нейтрона Распределение электрического совпадают.

заряда в нейтроне и протоне Данные о структуре нуклона свидетельствуют о том, что нуклон имеет сложную внутреннюю структуру. По современным представле ниям он состоит из кварков, взаимодействующих посредством обмена квантами сильного взаимодействия — глюонами.

15. Ядерная физика и естествознание Методы исследований, результаты изучения атомных ядер широко используются в других разделах физики и других областях знаний.

Зародившись в недрах химии — науки о свойствах атомов, исследования структуры материи привели к открытию атомного ядра и открытию ядерной динамики. Первые эксперименты с естественными источниками -излучения сменились экспериментами на ускорителях и реакторах. Изучение строения атомного ядра неизбежно вело к изучению структуры протона, изучению свойств «элементарных» частиц, которые начали в большом количестве рождаться на ускорителях. В недрах ядерной физики зародилось новое направление исследований – физика элементарных частиц. Физика атомного ядра и физика элементарных частиц имеют между собой много общего как по идеологии выполняемых экспериментов, так и по используемым методам наблюдений.

В. Гольданский: «Открытие атомного ядра Резерфордом и исследование рентгеновских спектров Мозли привели к раскрытию физического смысла номера элемента в менделеевской системе как величины положительного заряда ядер атомов этого элемента. Теория Бора связала планетарную модель атома с квантовой теорией, дала теоретическое истолкование периодичности химических свойств элементов, позволила предсказать структуру шестого периода менделеевской системы и свойства не известных в то время гафния и рения. Но особое, неизмеримо важное значение приобрело другое следствие сопоставления Периодической системы с квантовой теорией – выдвинутый в 1925 г. Паули «принцип исключения». От Менделеева – через принцип Паули – пролегла дорога к статистике Ферми – Дирака и далее к теории всех многообразных явлений, связанных с особыми свойствами фермионов, в том числе теории химической связи, атомных ядер, металлов и полупроводников.

Таким образом, на границе физики и химии возникла и получила сильнейшее развитие современная наука о строении вещества, нашедшая к тому же в последние двадцать лет принципиально новые важнейшие приложения и продолжения в молекулярной биологии».

Атомные ядра имеют характерный спектр возбужденных состояний, распад которых происходит с испусканием -квантов. Разность энергий между возбужденными состояниями и соответственно энергии испускаемых -квантов могут составлять величину порядка единиц МэВ, что в 103–104 раз больше энергий -квантов, испускаемых из возбужденных состояний атомов.

Возбужденные состояния атомных ядер могут распадаться также с испусканием лептонов. Испускание электрона всегда сопровождается испусканием электронного антинейтрино, испускание позитрона всегда сопровождается испусканием нейтрино. Распад возбужденных состояний ядер может происходить также с испусканием протонов, нейтронов и более сложных фрагментов.

Резонансное поглощение -квантов 1958 г. Р. Мессбауэр открыл явление ядерного резонанса без отдачи (эффект Мессбауэра) Рудольф Мессбауэр (р. 1929) Благодаря эффекту Мессбауэра стало возможным измерение спектров испускания, поглощения и резонансного рассеяния гамма-квантов с относительной точностью E / E 1017. Уникальные характеристики мессбауэровских спектров используются при анализе физических и химических свойств твердых тел. По смещению линий мессбауэровских спектров изучают молекулярную структуру спектров, обусловленную электрическими квадрупольными и магнитными дипольными моментами ядер. Благодаря очень высокой точности определения энергии -квантов, с помощью эффекта Мессбауэра удалось в лабораторных условиях измерить красное смещение энергии -квантов в гравитационном поле Земли. Эффект Мессбауэра имеет многочисленные применения в медицине и биологии.

Нобелевская премия по физике 1961 г. – Р. Мессбауэр За исследования в области резонансного поглощения гамма-излучения и открытия в этой связи эффекта, носящего его имя.

В нуклоне также обнаружены возбужденные состояния. Энергия возбуждения нуклона составляет сотни МэВ. Возбужденный нуклон также как и атомное ядро может переходить в основное состояние с испусканием -квантов и лептонов. Однако, в большинстве случаев распад возбужденных состояний нуклонов происходит с испусканием мезонов. Чаще всего это -мезоны. В этом проявляется особенность сильных взаимодействий кварков в нуклоне. На смену «элементарным» частицам 40-х годов ХХ столетия – протону и нейтрону – пришли новые фундаментальные частицы – кварки – составные части протона и нейтрона. Атомное ядро – уникальный объект исследований. В атомном ядре были открыты новые типы взаимодействий – сильное и слабое, были открыты новые законы сохранения и симметрии, которые были более детально исследованы во взаимодействиях элементарных частиц. Можно привести множество примеров совместных интересов физики атомного ядра и физики частиц. Один из таких примеров – физика гиперядер – образование ядерной системы из нуклонов и -, - и -гиперонов. Время жизни -, -, -гиперонов ~ 1010 с намного больше характерного ядерного времени t ~ 1023 с.поэтому они могут образовывать связанные состояния с нуклонами атомного ядра.

В настоящее время получено большое число гиперядер со странностью s = 1. Эти гиперядра образуются при замене одного из нуклонов ядра на или -гиперон. Получены гиперядра со странностью s = 2. Эти гиперядра получаются, если в составе гиперядра находятся 2 -гиперона или -гиперон. Гиперядра получены не только для большого числа лёгких ядер, но и для более тяжелых ядер вплоть до 4. Так как время жизни гиперядер ~ 1010 с, поэтому по своим свойствам они могут рассматриваться аналогично свойствам радиоактивных ядер.

То обстоятельство, что на одиночный гиперон в ядре не распространя ется принцип Паули, позволяет ему находиться на любой ядерной оболочке.

Так, например, самой нижней для -гиперона в ядре является 1s-оболочка, затем 1p-оболочка, 1d-оболочка и т.д. Изучение взаимодействия гиперонов в ядре показало, что взаимодействие гиперонов с нуклонами слабее, чем нуклон-нуклонные взаимодействия, поэтому потенциальная яма для гиперонов оказывается менее глубокая и одночастичные состояния расположены при более высоких энергиях. Исследования поведения гиперядер в ядре подтверждают основные положения модели оболочек Наряду с этим гиперядра это уникальная среда для изучения и N взаимодействий, изучения поведения гиперонов в ядерной среде.

Хорошо известно, какую большую роль играет эффект спаривания тождественных нуклонов в атомных ядрах. Изучение реакций перезарядки -мезонов + + ( A, Z ) ( A, Z + 2) +, + ( A, Z ) ( A, Z 2) + + дают интересную информацию о силах спаривания, т.к. в этих реакциях происходит превращение двух нейтронов в два протона и наоборот.

Несомненна связь между астрофизикой и ядерной физикой. Ядерная физика дала ответы на вопросы:

• Почему светят звезды?

• Почему звезды умирают?

• Как устроены нейтронные звезды – объекты, в которых наряду с сильным взаимодействием между нейтронами необходимо учитывать гравитационное взаимодействие?

В настоящее время известно ~ 3500 атомных ядер. По существующим оценкам число атомных ядер может составлять ~ 7500. Большинство из неоткрытых пока ядер – это ядра перегруженные нейтронами. Изучение свойств этих ядер важно для описания г-процесса нуклеосинтеза. В обычных земных условиях атомные ядра окружены электронными оболочками. Однако при высоких температурах в звездах атомы полностью ионизированы, и атомные ядра погружены в плазму. Поведение ядер в этих условиях тоже очень важно для описания процесса нуклеосинтеза.

Атомные ядра играют важную роль в науке о человеке. Все химические элементы, из которых состоит человек, образовались в ядерных реакциях в звездах. А. Беккерель, М. Кюри, П. Кюри были первыми, кто испытал на себе воздействие радиоактивности. А. Беккерель носил в течение нескольких часов в нагрудном кармане радиоактивный изотоп радия, что привело к лучевому ожогу, который не заживал в течение нескольких недель. П. Кюри, узнав об этом, решил проверить этот факт и тоже получил ожог на руке.

Сегодня последствия радиационного облучения изучены. Они могут иметь как отрицательные последствия — лучевая болезнь, так и положительные — в миллионах случаях радиационное облучение используется в лечебных целях и для диагностики различных болезней. Число различных приложений радиоактивных методов огромно. Оно вошло в наш повседневный образ жизни.

Жизнь на Земле возможна благодаря ядерным реакциям, происходящим в недрах Солнца. Солнце дает тепло, согревающее Землю. Но одновременно оно является интенсивным источником радиации, которое могло бы убить все живое на Земле, если бы Земля не имела магнитного поля, защищающего Землю от космического излучения. Магнитное поле обязано разогреву внутренней области Земли за счет распада радиоактивных изотопов, находящихся в Земле.

В 1929 г. Э. Хаббл установил расширение Вселенной, обнаружив красное смещение видимого излучения галактик за счет эффекта Доплера.

Скорость v разлета двух галактик и расстояние R между ними связаны законом Хаббла v = HR, H = 71 ± 4 км/(сек·мегапарсек).

Согласно космологической модели Большого взрыва Вселенная образовалась ~13,7 млрд. лет назад. «Осколки» этого Взрыва представляют собой тысячи миллиардов разлетающихся галактик. Вселенная продолжает расширяться и в настоящую эпоху. В теории Эйнштейна свойства пространства определяются средней плотностью вещества-энергии во Вселенной. Соотношение между средней плотностью вещества-энергии во Вселенной и критической плотностью к определяет судьбу Вселенной.

Критическая плотность вещества во Вселенной к связана с постоянной Хаббла Н и гравитационной постоянной G соотношением 3H k = 1029 г/см3.

8 G Темная материя Барионы Темная энергия Состав Вселенной в настоящее время БАРИОНЫ 0.02-0. в том числе: - звёзды 0.002-0. 4. ФОТОНЫ 3. НЕЙТРИНО ТЁМНАЯ МАТЕРИЯ - неизвестные массивные 0.2-0. частицы (не барионы) ТЁМНАЯ ЭНЕРГИЯ - вакуум 0.6-0. 1.02 ± 0. ПОЛНАЯ ПЛОТНОСТЬ ВЕЩЕСТВА-ЭНЕРГИИ Если к, Вселенная будет постоянно расширяться, и радиус её будет возрастать неограниченно. Если к, гравитационное взаимодействие будет замедлять расширение, и оно сменится ускоряющимся сжатием. Средняя плотность наблюдаемого вещества во Вселенной – (2-5)·10–31 г/см3, что составляет (2-5)% от средней величины критической плотности. Это вещество состоит из оптически ярких звёзд (на их долю приходится лишь около 1/ массы наблюдаемого вещества), межзвёздной пыли и газа, молекулярных облаков, остатков звёздной эволюции (включая чёрные дыры), планет и маломассивных звёзд, массы которых недостаточны для ядерных реакций синтеза. При средней плотности наблюдаемого вещества Вселенная, казалось бы, обречена на замедляющееся расширение. Однако, установлено, что во Вселенной имеется большое количество неизвестной оптически невидимой материи, которую принято называть тёмной материей. Тёмная материя увеличивает массу Вселенной. Тёмная материя не участвует в ядерном синтезе, происходящем в звездах, не излучает свет. Следовательно, её невозможно обнаружить с помощью телескопов. Однако есть неоспоримые доказательства того, что тёмная материя действительно существует. Так, астрономические наблюдения показывают, что скорости движения галактик составляют тысячи километров в секунду и удержать их в наблюдаемых скоплениях галактик можно только при условии, что полная масса вещества в скоплении примерно в десять раз больше видимой звёздной массы. В нашей галактике Млечный путь тёмного вещества также примерно в 10 раз больше видимого. Оно образует обширное гало вокруг диска Млечного пути. Не меньше темной материи и в межгалактическом пространстве. Средняя плотность тёмной материи приближается к критической плотности Вселенной, т.е. составляет 10–29 г/см3, что в несколько раз больше плотности видимого вещества. Природу тёмной материи пока не удалось выяснить. Известно лишь то, что это не барионная материя. Это могут быть новые неизвестные пока массивные частицы, массы которых в тысячи раз больше массы протона, практически не взаимодействующие с известной нам материей.

и вакуума во Вселенной Изменение расстояний Плотность вещества в реальном мире tv=6-8 млрд лет Время, t tv=6-8 млрд лет Время, t Наибольший вклад в вещество Вселенной даёт так называемая тёмная энергия, которую интерпретируют как вакуум. Тёмная энергия — особая форма материи – физический вакуум, т. е. наинизшее энергетическое состоя ние физических полей, заполняющих пространство. В начале 1998 г. было экспериментально доказано, что последние пять млрд. лет расширение Вселенной не замедлялось, как следует из модели Большого Взрыва, а ускорялось. Это открытие было сделано в результате анализа спектров излучения взрывающихся Сверхновых, расположенных от Земли на расстоянии 5–10 млрд. световых лет. Было доказано наличие в космосе гравитационного отталкивания, присущего физическому вакууму. По ускорению космологического расширения удалось измерить плотность энергии вакуума. Средняя плотность энергии вакуума в единицах плотности массы вакуум 0, 7 1029 г/см3.

Эффективная энергия вакуума отрицательна при положительной плотности. Плотность энергии вакуума со временем не изменяется, в то время как плотности обычного вещества и тёмной материи уменьшаются из-за расширения Вселенной. В отличие от сил гравитации силы, обусловленные тёмной энергией, стремятся удалить космические объекты друг от друга.

Вакуум создаёт антигравитацию, которая определяет динамику Вселенной в современную эпоху. В первой половине своего существования Вселенная расширялась вследствие инерции Большого Взрыва. Во Вселенной доминировало вещество, и скорость её расширения замедлялась. Галактики и звезды все дальше удалялись друг от друга. Плотность материи во Вселенной падала. Со временем галактики и звезды стали редкими вкраплениями в космологический вакуум, и Вселенная перешла из состояния доминирования вещества в состояние доминирования вакуума, обеспечившего ей режим дальнейшего ускоренного расширения. Постоянство плотности вакуума приведет к тому, что окружающий мир станет тоже статичным. Но в отличие от статичного мира Эйнштейна, в котором состояние равновесия достигалось уравновешиванием сил гравитации и космологического -члена, теперь равновесие достигается постоянной плотностью вакуума. Как образуется космологический вакуум, и какова его природа ещё предстоит выяснить.

Физический вакуум – особое состояние квантового поля, в котором при нулевых квантовых числах суммарных зарядов, импульсов и других переменных могут возникать виртуальные частицы. Образовавшиеся виртуальные частицы могут создавать в пространстве ненулевую энергию вакуума. Во всех физических взаимодействиях, не связанных с гравитацией, абсолютная величина энергии системы не имеет значения, важна лишь разность энергий состояний. В гравитации, однако, это не так – необходимо учитывать все формы энергии. Однозначного ответа на вопрос о тождественности физического вакуума и тёмной энергии Вселенной пока нет.

Другой причиной обсуждаемых эффектов могут быть дополнительные измерения пространства Вселенной.

Условия, существовавшие в первые мгновения Вселенной, воспроизводятся в релятивистских столкновениях тяжелых ядер на ускорителях RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) и LHC (Large Hadron Collider). В столкновениях ядер Pb+Pb была обнаружена кварк-глюонная плазма – состояние, в котором существовала материя в первые мгновения Вселенной. Характерной особенностью материи в это время было одинаковое число частиц и античастиц. Одним из фундаментальных вопросов является следующий. Если вначале вещество и антивещество присутствовали в одинаковом количестве, почему окружающая нас часть Вселенной состоит из вещества? Куда девалось антивещество? Может быть, отдаленные неисследованные области Вселенной состоят из антивещества и тогда это означает то, что первоначальная симметрия между материей и антиматерией сохранилась и в настоящее время.

Однако существует и другое объяснение преобладания вещества над антивеществом. В результате нарушении CP-четности в нестационарной расширяющейся Вселенной образовалось преобладание вещества над антивеществом на уровне 10–9, т.е. на 109 частиц антивещества было 109 + 1 частица вещества. В результате последующей аннигиляции вещества и антивещества всё антивещество исчезло и образовалось реликтовое излучение. Число фотонов реликтового излучения во Вселенной превосходит число барионов во Вселенной как раз в 109 раз.

Такое объяснение предполагает, что протон должен быть нестабильной частицей и может распадаться с нарушением законов сохранения барионного и лептонного зарядов.

p e+ + 0.

Время жизни протона по оценке должно быть 1032 лет.

Конец XIX века ознаменовался рядом крупных открытий, которые радикально повлияли на развитее науки в XX веке. Аналогичная ситуация складывается в физике и в настоящее время. Оказывается, что наши знания о процессах, происходящих во Вселенной, основываются на законах о свойствах барионной материи, составляющей ~ 5% всей матери во Вселенной. ~ 30% всей матери во Вселенной составляет темная материя, природа которой до сих пор неизвестна. ~ 70% всей матери во Вселенной составляет темная энергия – еще более загадочное состояние материи.

Достаточно надёжно описываемые формы материи, которые хорошо известны, составляют всего несколько процентов от общей плотности космологической материи. Изучение этих новых форм материи, безусловно, важнейшая проблема. Природа бросила очередной вызов человеку.

Космическая шкала времени Время от настоящего Событие момента, млрд. лет 14 Большой Взрыв Рождение частиц, аннигиляция вещества и антивещества Синтез 2H, 4He 13 Образование Галактик 10 Сжатие нашей протогалактики 10 Образование первых звёзд 5 Образование Солнечной системы, планет 4 Образование земных пород 3 Зарождение микроорганизмов 2 Формирование атмосферы Земли 1 Зарождение жизни 0,60 Ранние окаменелости 0,45 Рыбы 0,15 Динозавры 0,05 Первые млекопитающие 2 млн. лет Человек (homo sapiens) ХРОНОЛОГИЯ Ниже приведен неполный список основных событий, которые сформировали современный взгляд на физику атомных ядер.

440 г. до н.э. — Демокрит выдвинул гипотезу о неделимых частицах — «атомах».

1871 г. — Дмитрий Менделеев открыл периодическую систему элементов.

1887 г. — Генрих Герц (Heinrich Hertz) открыл фотоэлектрический эффект.

1895 г. — Вильгельм Рентген (Wilhelm Roentgen) открыл рентгеновские лучи.

1896 г. — Антуан Беккерель (Antoine Becquerel) открыл радиоактивность.

1897 г. — Джозеф Томсон (Joseph Thomson) открыл электрон.

1898 г. — Мария и Пьер Кюри (Marie and Pierre Curie) выделили и изучили радий и полоний.

1899 г. — Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford) открыл, что уран излучает положительно заряженные альфа-частицы и отрицательно заряженные бета-частицы.

1900 г. — Поль Виллард (Paul Villard) открыл гамма-лучи при изучении распада урана.

Макс Планк (Max Planck) выдвинул гипотезу квантов и сформулировал закон излучения черного тела.

1905 г. — Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) объяснил фотоэлектрический эффект и выдвинул специальную теорию относительности.

1908 г. — Ганс Гейгер и Эрнест Резерфорд сконструировали прибор для регистрации отдельных заряженных частиц. В 1928 г. Г. Гейгер и Вальтер Мюллер (Walther Mueller) усовершенствовали его (счетчик Гейгера).

1909 г. — Ганс Гейгер и Эрнест Марсден (Hans Geiger and Ernest Marsden) обнаружили отклонение альфа-частиц на большие углы при их прохождении через тонкие фольги.

Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс (Ernest Rutherford and Thomas Royds) доказали, что альфа-частицы это дважды ионизированные атомы гелия.

1911 г. — Эрнест Резерфорд объяснил эксперимент Гейгера – Марсдена, предложив свою модель атома и вывел формулу для рассеяния заряженных частиц в кулоновском поле.

Ганс Гейгер и Дж. Нэттол (J. Nuttall) установили зависимость между временем жизни и энергией альфа-распада радиоактивных ядер (закон Гейгера – Нэттола).

1912 г. — Чарльз Вильсон (Charles Wilson) изобрел камеру, названную его именем.

Виктор Гесс (Victor Hess) открыл космические лучи.

1913 г. — Нильс Бор (Niels Bohr) предложил квантовую модель атома.

Роберт Милликен (Robert Millikan) измерил элементарный электрический заряд.

1914 г. — Эрнест Резерфорд преположил, что атомное ядро содержит протоны.

1919 г. — Артур Эддингтон (Arthur Eddington) выдвинул предположение, объясняющее энергию Солнца и звезд реакциями превращения водорода в гелий.

Фрэнсис Астон (Francis Aston) построил масс-спектрограф с высокой разрешающей способностью и предложил электромагнитный метод разделения изотопов. (Принцип действия масс-спектрографа предложил в 1907 г. Джозеф Джон Томсон.) Эрнест Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию 14N(,p)17O и доказал наличие в атомных ядрах протонов.

1922 г. — Артур Комптон (Arthur Compton) исследовал рассеяние рентгеновских лучей на электронах и доказал существование фотона.

1923 г. — Луи де Бройль (Louis de Broglie) предположил что электрон может иметь волновые свойства.

1924 г. — Вольфганг Паули (Wolfgang Pauli) предложил принцип Паули.

Сатиендра Бозе (Satyendra Bose) и Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) ввели статистику Бозе–Эйнштейна.

Вальтер Боте (Walther Bothe) разработал метод совпадений.

Александр Фридман выдвинул теорию “разбегающихся” галактик — расширяющейся Вселенной.

1925 г. — Джордж Уленбек и Самуэль Гоудсмит (George Uhlenbeck and Samuel Goudsmit) постулировали спин электрона.

Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Иордан (Werner Heisenberg, Max Born, and Pascual Jordan) сформулировали матричную квантовую механику.

1926 г. — Эрвин Шредингер (Erwin Schrodinger) получил нерелятивист ское волновое уравнение, сформулировал волновую квантовую механику и доказал, что матричная и волновая формулировки квантовой механики эквивалентны.

Энрико Ферми (Enrico Fermi) установил соответствие спина и статистики.

Пол Дирак (Paul Dirac) ввел статистику Ферми-Дирака.

1927 г. — Клинтон Дэвиссон, Лестер Гермер и Джордж Томсон (Clinton Davisson, Lester Germer and George Thomson) подтвердили волновую природу электрона.

Вернер Гейзенберг (Werner Heisenberg) сформулировал принцип неопределенности.

Макс Борн (Max Born) дал вероятностную интерпретацию волновой функции.

Эуген Вигнер (Eugene Wigner) сформулировал закон сохранения пространственной четности.

1928 г. — Дуглас Хартри (Douglas Hartree) разработал метод само согласованного поля, развитый в 1930 г. Владимиром Фоком (метод Хартри – Фока).

1929 г. — Оскар Клейн (Oskar Klein) и Иошио Нишина (Yoshio Nishina) вывели формулу для рассеяния высокоэнергетичных фотонов на электронах.

Невилл Мотт (Nevill Mott) вывел формулу Мотта кулоновского рассеяния релятивистских электронов.

Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) открыл эффект разбегания галактик.

Эрнест Лоуренс (Ernest Lawrence) предложил идею циклотрона.

1931 г. — Вольфганг Паули выдвинул гипотезу нейтрино для объяснения спектра электронов бета-распада.

Роберт Ван де Грааф (Robert Van de Graaff) создал электро статический ускоритель (генератор Ван де Граафа).

1932 г. — Джон Кокрофт и Томас Уолтон (John Cockcroft and Thomas Walton) пучком протонов расщепили ядра бора и лития.

Джеймс Чедвик (James Chadwick) открыл нейтрон.

Вернер Гейзенберг (Werner Heisenberg) и Дмитрий Иваненко предложили протон-нейтронную модель атомного ядра.

Карл Андерсон (Carl Anderson) открыл позитрон.

1933 г. — Отто Штерн (Otto Stern) впервые измерил магнитный момент протона.

1934 г. — Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (Irene and Frederic Joliot-Curie) в результате бомбардировке альфа-частицами алюминия получили первый искусственный радиоактивный изотоп 30P.

Лео Сцилард (Leo Szilard) понял, что возможны цепные ядерные реакции.

Энрико Ферми (Enrico Fermi) сформулировал теорию бета распада и ввел новое понятие — слабое взаимодействие.

Энрико Ферми предложил облучать уран нейтронами, чтобы получать трансурановые элементы.

Павел Черенков сообщил о световом излучении, возникающем при прохождении релятивистских частиц через несцинтиллирующие жидкости (черенковское излучение).

1935 г. — Хидеки Юкава (Hideki Yukava) разработал теорию ядерного взаимодействия и предсказал мезоны — кванты ядерного поля.

Игорь Курчатов, Борис Курчатов, Лев Мысовский, Лев Русинов открыли ядерную изомерию.

1936 г. — Эуген Вигнер (Eugene Wigner) разработал теорию поглощения нейтронов атомными ядрами.

Грегори Брейт (Gregory Breit) и Эуген Вигнер предложили дисперсионную формулу ядерных реакций (формула Брейта Вигнера).

Грегори Брейт, Эдвард Кондон (Edward Condon) и Ричард Презент (Richard Present) выдвинули гипотезу о зарядовой независимости ядерных сил.

Нильс Бор (Nils Bohr) и Яков Френкель создали капельную модель ядра.

Нильс Бор cоздал теорию составного (компаунд) ядра.

1937 г. — Исаак Раби (Isaac Rabi) разработал магнитный резонансный метод определения ядерных моментов.

Игорь Тамм и Илья Франк создали теорию излучения Вавилова–Черенкова.

Эмилио Сегре (Emilio Segre) и Карло Перье (Carlo Perrier) синтезировали первый искусственный элемент — технеций.

1938 г. — Ганс Бете (Hans Bethe) и Чарльз Критчфильд (Charles Critchfield) открыли протон-протонный цикл термоядерных реакций как источник энергии звезд.

Ганс Бете (Hans Bethe) и Карл фон Вайцзеккер (Carl vonWeizsacker) открыли углеродно-азотный цикл термоядерных реакций.

1939 г. — Отто Ган и Фриц Штрассман (Otto Hahn and Fritz Strassman), облучая соли урана тепловыми нейтронами, обнаружили среди продуктов реакций барий.

Лиза Мейтнер и Отто Фриш (Lise Meitner and Otto Frisch) определили, что в эксперименте Гана-Штрассмана происходило деление урана.

Нильс Бор (Nils Bohr) и Джон Уилер (John Wheeler) дали количественную интерпретацию деления ядра, введя параметр деления. Яков Френкель развил капельную теорию деления ядер медленными нейтронами.

Лео Сцилард (Leo Szilard), Эуген Вигнер (Eugene Wigner), Энрико Ферми (Enrico Fermi), Джон Уилер (John Wheeler), Фредерик Жолио-Кюри (Frederic Joliot-Curie), Яков Зельдович, Юлий Харитон обосновали возможность протекания в уране цепной ядерной реакции деления. Идею цепной ядерной реакции выдвинул в 1934 г.

Л. Сцилард.

1940 г. — Георгий Флеров и Константин Петржак открыли явление спонтанного деления ядер урана U.

Дональд Керст (Donald Kerst) построил бетатрон.

1940–1953 гг. — Глен Сиборг (Glen Seaborg) и др. синтезировали трансурановые элементы: плутоний, нептуний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий.

1942 г. — Энрико Ферми (Enrico Fermi) осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомном реакторе.

1944 г. — Владимир Векслер открыл принцип автофазировки, который лег в основу создания новых ускорителей.

Дмитрий Иваненко и Исаак Померанчук предсказали синхротронное излучение.

1946 г. — Георгий Гамов предложил модель Большого взрыва и разработал теорию синтеза химических элементов.

Бруно Понтекорво предложил «хлорный метод» детектирования нейтрино.

Уиллард Либби (Willard Libby) разработал радиоуглеродный метод геохронологии.

1947 г. — Сесил Пауэлл, Чезаре Латес, Джузеппе Оккиалини (Cecil Powell, Cesare Lattes, and Giuseppe Occhialini) открыли пионы, исследуя треки космических лучей.

Ричард Фейнман (Richard Feynman) предложил диаграммный метод в квантовой электродинамике.

1948 г. — Мария Гепперт-Майер (Maria Goeppert-Meyer) и Ханс Йенсен (Hans Jensen) создали оболочечную модель ядра.

1949 г. — Рольф Видерое (Rolf Wideroe) выдвинул идею встречных пучков, в дальнейшем развитую Дональдом Керстом (Donald Kerst) и Гершем Будкером.

1950 г. — Оге Бор (Age Bohr) и Бен Моттельсон (Ben Mottelson) разработали коллективную модель ядра.

1951 г. — Борис Джелепов предсказал протонную радиоактивность.

1953 г. — Вал Фитч (Val Fitch) и Джеймс Рейнуотер (James Rainwater) измерили радиусы ядер в области значений Z от 13 до 83.

Виктор Вайскопф (Victor Weisskopf), Герман Фешбах (Herman Feshbach) и К. Портер (C. Porter) развили оптическую модель ядерных реакций.

1954 г. — Янг Чень-ин и Роберт Милс (Chen Yang and Robert Mills) исследовали теорию адронного изоспина с требованием локальной калибровочной инвариантности в пространстве вращения изоспина — первую не абелеву калибровочную теорию.

1955 г. — Овен Чемберлен, Эмилио Сегре, Клайд Виганд и Томас Ипсилантис (Owen Chamberlain, Emilio Segre, Clyde Wiegand, and Thomas Ypsilantis) открыли антипротон.

Джефри Бербидж, Вильям Фаулер и Фред Хойл (Geoffrey Burbidge, William Fowler and Fred Hoyle) выдвинули теорию образования химических элементов в звездах.

Свен Нильссон (Sven Nilsson) разработал модель деформированных атомных ядер.

1956 г. — Фредерик Райнес и Клайд Коэн (Frederick Reines and Clyde Cowan) зарегистрировали антинейтрино.

Янг Чень-ин и Ли Цзун-дао (Chen Yang and Tsung Lee) предположили нарушение пространственной четности в слабых взаимодействиях.

Ву Цзяньсюн (Chien Shiung Wu) открыла несохранение пространственной четности в бета-распаде.

Роберт Хофштадтер (Robert Hofstadter) впервые измерил электромагнитный радиус протона.

1957 г. — Лев Ландау предложил понятие комбинированной четности.

Герхард Людерс (Gerhart Luders) доказал CPT-теорему.

Ричард Фейнман, Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann), Роберт Маршак (Robert Marshak) и Эннакел Сударшан (Ennackel Sudarshan) создали универсальную теорию слабых взаимодействий.

Бруно Понтекорво выдвинул идею нейтринных осцилляций.

1958 г. — Джеймс Ван Аллен (James Van Allen), Сергей Вернов и Александр Чудаков открыли радиационные пояса Земли.

Рудольф Мессбауэр (Rudolh Moessbauer) открыл явление ядерного гамма-резонанса без отдачи (эффект Мессбауэра).

1959 г. — Спартак Беляев, Вадим Соловьев создали сверхтекучую модель ядра.

1960 г. — Виталий Гольданский предсказал двухпротонную радиоактивность.

1963–1966 г. — Синтезированы изотопы 102-го (No) и 104-го (Rf) элементов (Георгий Флеров и др.).

1963 г. — Мюррей Гелл-Манн и Георг Цвейг (George Zweig) предложили кварковую модель адронов.

1964 г. — Питер Хиггс (Peter Higgs) предложил механизм возникновения массы частиц.

1965 г. — Арно Пензиас (Arno Penzias) и Роберт Вудро Вильсон (Robert Woodrow Wilson) открыли реликтовое излучение.

1966 г. — Леон Ледерман (Leon Lederman) синтезировал ядра антидейтерия.

1967 г. — Эксперимент Рэймонда Дэвиса (Raimond Davis) по регистрации электронных нейтрино от Солнца показал заметный дефицит потока солнечных нейтрино по сравнению с результатами расчетов в рамках стандартной солнечной модели.

1968 г. — Федор Шапиро наблюдал ультрахолодные нейтроны.

1970 г. — Джозеф Черны (Joseph Cerny) обнаружил протонную радиоактивность.

Синтезирован 105 химический элемент – дубний.

Юрий Прокошкин синтезировал ядра антигелия.

1971 г. — Виталий Гольданский предсказал двухнейтронный распад.

1973 г. — Дэвид Политцер (David Politzer) выдвинул концепцию асимптотической свободы кварков.

1974 г. — Синтезирован 106 химический элемент – сиборгий.

1976 г. — Синтезирован 107 химический элемент – борий.

1982 г. — Синтезирован 109 химический элемент – мейтнерий.

1983 г. — Карло Руббиа и Симон ван дер Меер (Carlo Rubbia, Simon van der Meer) с колаборацией CERN UA-1 открыли векторные W- и Z-бозоны.

1984 г. — Роуз (H.J. Rose) и Джонс (G.A. Jones) обнаружили кластерную радиоактивность.

Синтезирован 108 химический элемент – хассий.

1994 г. — Синтезированы 110 и 111 химические элементы – дармштадтий и рентгений.

1996 г. — Синтезирован 112 химический элемент – коперниций.

1998 г. — Обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется.

Синтезирован 114 химический элемент.

2000 г. — Первое наблюдение тау-нейтрино (Лаборатория им. Э. Ферми).

Получена кварк-глюонная плазма при столкновении ультра релятивистских тяжелых ядер (ЦЕРН).

Синтезирован 116 химический элемент.

2001 г. — Измеренные в нейтринной лаборатории в Садбери потоки солнечных нейтрино (установка регистрировала нейтрино всех трех типов) оказались в хорошем согласии с результатами расчетов в рамках стандартной солнечной модели. Проблема солнечных нейтрино была решена. Одновременно были получены сильные аргументы в пользу гипотезы нейтринных осцилляций.

2002 г. — Явление двухпротонной радиоактивности изотопа 45 Fe было одновременно обнаружено в GANIL (Франция) и GSI (Германия).

2004 г. — Синтезированы 113 и 115 химические элементы.

2006 г. — Синтезирован 118 химический элемент.

2009 г. — Синтезирован 117 химический элемент.

НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ ПО ФИЗИКЕ, УДОСТОЕННЫЕ ПРЕМИИ ЗА РАБОТЫ В ОБЛАСТИ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ 1901 г. — В.Рентген За открытие лучей, названных его именем.

1903 г. — А. Беккерель За открытие радиоактивности.

— П. Кюри и М. Кюри-Склодовская За исследования радиоактивности.

1905 г. — Ф. Ленард За работы по катодным лучам.

1906 г. — Дж. Дж. Томсон За большие заслуги в теоретических и экспериментальных исcледованиях электрической проводимости газов.

1917 г. — Ч. Баркла За открытие характеристического рентгеновского излучения элементов.

1918 г. — М. Планк За открытие кванта энергии.

1921 г. — А. Эйнштейн За вклад в теоретическую физику и в особенности за открытие закона фотоэлектрического эффекта.

1922 г. — Н. Бор За работы по исследованию структуры атомов и их излучения.

1923 г. — Р. Милликен За работы по элементарному электрическому заряду и фотоэлектрическому эффекту.

1927 г. — А. Комптон За открытие эффекта, названного его именем.

— Ч. Вильсон За открытие метода, делающего видимыми траектории заряженных частиц, с помощью конденсации пара.

1929 г. — Л. де Бройль За открытие волновой природы электрона.

1932 г. — В. Гейзенберг За создание квантовой механики.

1933 г. — Э. Шредингер и П. Дирак За открытие новых плодотворных формулировок атомной теории.

1935 г. — Дж. Чедвик За открытие нейтрона.

1936 г. — В. Хесс За открытие космического излучения.

— К. Андерсон За открытие позитрона.

1938 г. — Э. Ферми За демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, полученных с помощью нейтронного облучения и за открытие реакций, вызванных медленными нейтронами.

1939 г. — Э. Лоуренс За изобретение и создание циклотрона и за результаты, полученные на нем, в особенности связанные с искусственными радиоактивными элементами.

1943 г. — О. Штерн За вклад в развитие метода молекулярных пучков и открытие магнитного момента протона.

1944 г. — И. Раби За резонансный метод для измерения магнитных свойств атомных ядер.

1945 г. — В. Паули За открытие принципа Паули.

1948 г. — П. Блэкетт За создание метода камеры Вильсона и открытия, сделанные с его помощью в области ядерной физики и космических лучей.

1949 г. — Х. Юкава За предсказание существования мезонов на основе теоретических работ по ядерным силам.

1950 г. — С. Пауэлл За создание фотографического метода и открытия, связанные с мезонами, сделанные с помощью этого метода.

1951 г. — Дж. Кокрофт и Э. Уолтон За пионерскую работу по трансмутации атомных ядер с помощью искусственно ускоренных атомных частиц.


1952 г. — Ф. Блох и Э. Парселл За создание новых методов точных ядерных магнитных измерений и связанные с ними открытия.

1954 г. — М. Борн За фундаментальные исследования в квантовой механике, в особенности за статистическую интерпретацию волновой функции.

— В. Боте За метод совпадений и сделанные с его помощью открытия.

1955 г. — В. Ламб За открытия, связанные с тонкой структурой спектра водорода.

— П. Каш За прецизионное определение магнитного момента электрона.

1957 г. — Янг Чень-ин и Ли Цзун-дао За глубокие исследования так называемых законов четности, которые привели к важным открытиям в области элементарных частиц.

1958 г. — П. Черенков, И. Франк, И. Тамм За открытие и интерпретацию эффекта Черенкова.

1959 г. — Э. Сегре и О. Чемберлен За открытие антипротона.

1961 г. — Р. Хофштатер За пионерские исследования рассеяния электронов атомными ядрами и открытия, связанные со структурой нуклона.

— Р. Мессбауэр За исследования в области резонансного поглощения гамма излучения и открытия в этой связи эффекта, носящего его имя.

1963 г. — Э. Вигнер За вклад в теорию атомного ядра и элементарных частиц, в частности, за открытие и применение фундаментальных принципов симметрии.

— М. Гепперт-Майер и Г. Йенсен За открытия в области ядерной модели оболочек.

1967 г. — Г. Бете За вклад в теорию ядерных реакций, и особенно за открытие источника энергии звезд.

1975 г. — О. Бор, Б. Моттельсон и Дж. Рейнуотер За открытие связи между коллективным и одночастичным движением в атомном ядре и создание на базе этой связи теории структуры атомного ядра.

1978 г. — А. Пензиас и Р. Вильсон За открытие космического микроволнового фонового излучения.

1983 г. — С. Чандрасекар За теоретические исследования физических процессов, важных для структуры и эволюции звезд.

— В. Фаулер За теоретические и экспериментальные исследования ядерных процессов важных при образовании химических элементов во Вселенной.

1994 г. — Б. Брокхаус За создание нейтронной спектроскопии.

— К. Шулл За создание метода нейтронной дифракции.

1995 г. — Ф. Райнес За детектирование нейтрино.

2002 г. — Р. Дэвис, М. Косиба За вклад в астрофизику, в частности за детектирование космических нейтрино.

— Р. Джаккони За вклад в астрофизику, который привел к открытию рентгеновских космических источников.

НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ ПО ХИМИИ ЗА ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТЯХ, СМЕЖНЫХ С ЯДЕРНОЙ ФИЗИКОЙ 1908 г. — Э. Резерфорд За исследования по превращению элементов и за химические исследования радиоактивных веществ.

1911 г. — М. Склодовская-Кюри За открытия радия и полония, изучение свойств радия, получение радия в металлическом состоянии и осуществление экспериментов, связанных с радием.

1921 г. — Ф. Содди За вклад в химию радиоактивных веществ и за исследование явления изотопии.

1922 г. — Ф. Астон За открытие большого количества стабильных изотопов и изучение их свойств.

1935 г. — Ф. Жолио-Кюри, И. Жолио-Кюри За открытие искусственной радиоактивности и синтез новых радиоактивных элементов.

1943 г. — Д. Хевеши За использование изотопов как индикаторов и открытие гафния.

1944 г. — О. Ган За открытие реакции деления ядер урана нейтронами.

1951 г. — Э. Мак-Миллан, Г. Сиборг За открытие плутония.

1960 г. — У. Либби За использование метода использования радиоуглерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других науках.

1991 г. — Р. Эрнст За вклад в развитие метода ЯМР-спектроскопии высокого разрешения.

ДОПОЛНЕНИЕ Э. Резерфорд ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА -ЧАСТИЦ, ИСПУСКАЕМЫХ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ Нобелевская лекция, прочитанная в Королевской Академии наук в Стокгольме 11 декабря 1908 г.

(1908 г.) Исследование свойств -лучей сыграло выдающуюся роль в развитии науки о радиоактивности и привело к пониманию целого ряда фактов и зависимостей первостепенного значения. По мере накопления экспериментальных данных все более обнаруживалось, что значительная часть радиоактивных явлений тесно связана с испусканием -частиц. В этой лекции будет сделана попытка дать краткий исторический обзор развития наших знаний об -излучении и проследить долгий и трудный путь, пройденный экспериментаторами при решении сложной проблемы химической природы -частиц. Впервые -лучи были обнаружены в 1899 г.

виде излучения особого типа, и в течение последних 6 лет проводились настойчивые исследования этой важной проблемы, решение которой пришло тогда, когда казалось, что все силы штурмующих уже иссякли.

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 слоев тонкой алюминиевой фольги, помещенных над поверхностью слоя окиси урана, пришел к выводу о наличии двух видов излучения. Выводы в то время были сформулированы следующим образом [1]:

«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 -излучение, и другое, обладающее большей проникающей способностью, названное -излучением». После того как были открыты другие радиоактивные вещества, оказалось, что их излучения аналогичны - и -лучам урана, а когда Вийяр обнаружил еще более проникающее излучение радия, оно получило название -излучения. Эти названия вскоре стали общепринятыми, как удобные обозначения трех различных видов излучений, 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 магнитным полем 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 и электроны, и что они испускаются со скоростью, сравнимой со скоростью света. Время не позволяет мне остановиться на более поздней работе Кауфмана и других работах по этому вопросу, которые намного расширили наши знания о структуре и массе электронов.

Между тем дальнейшие исследования показали, что ионизация, наблюдаемая вблизи неэкранированного радиоактивного вещества, в основном обусловлена -частицами и что большая часть энергии излучается в виде -лучей. В 1901 г. Резерфорд и Маккланг рассчитали, что 1 г радия излучает большую часть энергии в виде -лучей.

Возрастающее признание значения -лучей в явлениях радиоактивности привело к попыткам выяснить природу этого легко поглощаемого вида излучения. В 1901 г. Стрэтт, а в 1902 г. Вильям Крукс высказали предположение, что -лучи, по-видимому, частицы с положительным зарядом. К тому же выводу пришел независимо от них и я, исходя из рассмотрения многих данных. Если это справедливо, то -лучи должны отклоняться в магнитном поле. Предварительные измерения показали, что отклонение весьма незначительно, если вообще оно существует. Опыты продолжались с перерывами в течение двух лет, только в 1902 г., когда мы получили препарат радия с активностью в 19 000, я смог убедительно показать, что -частицы отклоняются в магнитном поле, хотя и в гораздо меньшей степени, чем -лучи. Это доказало, что -излучение заключается в испускании заряженных частиц, а направление отклонения в магнитном поле показало, что каждая частица несет положительный заряд. Отклонение частиц наблюдалось также в электрическом поле, и по величине отклонения был сделан вывод, что скорость самых быстрых частиц равна около 2,5· см/сек, или 1/12 скорости света, тогда как величина е/m — отношение заряда частицы к ее массе — равна 6000 эл.-магн. ед. Из данных по электролизу воды сейчас известно, что значение е/т для атома водорода равно 9650. Если -частица несет такой же заряд, как и заряд атома водорода, то масса частицы должна быть приблизительно вдвое больше массы атома водорода.

Вследствие сложного состава лучей эти результаты следует считать только приближенными. Но эксперименты ясно показали, что масса -частицы порядка массы атома и они могут в конце концов оказаться либо атомами водорода или гелия, либо атомами какого-то неизвестного элемента с малым весом. Такие опыты повторно провел де Кудр в 1903 г., а Беккерель обнаружит фотографическим методом отклонение -лучей в магнитном поле.

Доказательство того факта, что -частицы действительно представляют собой заряженные атомы вещества, вылетающие с огромной скоростью, сразу же пролило яркий свет на природу радиоактивных процессов и, в частности, на серию других важных исследований, которые велись мною тогда же в лаборатории в Монреале совместно с Ф. Содди. Если бы время позволило, было бы интересно рассмотреть несколько подробнее сущность этих исследований, которые послужили прочным основанием для построения общепринятой теперь «теории превращений» в учении о радиоактивности.

На основе подробного исследования тория, радия и урана Резерфорд и Содди пришли к заключению, что радиоактивные тела находятся в состоянии превращения, в результате чего образуется ряд новых веществ, полностью отличающихся по своим химическим и физическим свойствам от исходного элемента. Из независимости скорости превращения от химических и физических воздействий следует, что превращения носят атомный, а не молекулярный характер. Было показано, что каждое из этих новых тел теряет свои радиоактивные свойства по определенному закону. Даже до открытия материальной сущности -лучей считали вероятным, что излучение, испускаемое любым конкретным веществом, сопровождается разрушением его атомов. Доказательство того, что -частица представляет собой выбрасываемый атом вещества, сразу же подкрепило этот вывод и в то же время дало более конкретное и определенное представление о процессах, происходящих в радиоактивном веществе. Наша точка зрения того времени ясна из следующей цитаты [2], утверждения которой с небольшими изменениями справедливы и сейчас:


«На основе полученных к настоящему времени данных можно сделать вывод, что начало последовательности химических превращений, протекающих в радиоактивных телах, обусловлено испусканием -лучей, т. е.

выбрасыванием из атома тяжелой заряженной массы. Остающаяся часть нестабильна и претерпевает дальнейшие химические изменения, которые в свою очередь сопровождаются испусканием -лучей, в некоторых случаях — также -лучей.

Свойство радиоактивных тел, по-видимому, самопроизвольно испускать большие массы с огромными скоростями подтверждает ту точку зрения, что атомы этих веществ представляют собой, по крайней мере частично, быстро вращающиеся или колеблющиеся системы тяжелых заряженных тел, больших по сравнению с электроном. Внезапный выброс этих масс с орбиты может произойти под действием внутренних или внешних сил, о которых мы в настоящее время ничего не знаем».

Рассмотрим объяснение превращений, происходящих в радии.

Предполагается, что каждую секунду небольшая доля атомов радия становится неустойчивой, распадаясь с силой взрыва. Осколки атома ( частицы) вылетают с большой скоростью, а остаток атома, вес которого уменьшился, становится атомом нового вещества — эманации радия. Атомы этого вещества намного менее устойчивы, чем атомы радия, и снова взрываются, выбрасывая -частицы. В результате получается атом радия А, и, таким образом, процесс распада продолжается по длинной цепи ступеней.

Могу здесь лишь мимоходом сослаться на большое число работ, выполненных различными экспериментаторами для исследования длинного ряда превращений радия, тория и актиния, на связь между радием и ураном и на открытие Болтвудом долго разыскиваемого и неуловимого предшественника радия — иония. Эта сторона вопроса необычайно интересна и важна, но имеет лишь косвенное отношение к предмету моей лекции. Было обнаружено, что огромное большинство переходных элементов, получающихся при превращениях урана и тория, распадается с выбрасыванием -частиц. Однако несколько элементов выбрасывают лишь -частицы, а некоторые оказываются «безлучевыми», т. е. подвергаются изменениям без испускания - и -частиц. Необходимо предположить, что в этих последних случаях атомы распадаются с испусканием -частиц, скорость которых слишком мала, чтобы их можно было обнаружить, или, что более вероятно, процесс атомной перестройки происходит без испускания материальных частиц атомных размеров.

Другое поразительное свойство распада радия, как было вскоре замечено, также связано с испусканием -частиц. В 1903 г. П. Кюри и Лаборд показали, что радий — самонагревающееся вещество и температура его всегда выше температуры окружающего воздуха. С самого начала казалось возможным, что этот эффект должен быть результатом нагревания, вызванного бомбардировкой радия -частицами. Рассмотрим шарик радия, помещенный в трубку. Из всех частей нашего шарика -частицы вылетают в равной степени, и вследствие их малой проникающей способности все застревают в самом радии или в стенках трубки. Энергия движения -частиц превращается в теплоту. С этой точки зрения радий подвергается сильной и непрерывной бомбардировке своими собственными частицами и нагревается своим собственным излучением. Это подтвердила работа Резерфорда и Барнса в 1903 г., которые показали, что 3/4 эффекта нагрева радия обусловлено не непосредственно радием, а продуктом его распада — эманацией и что каждое из различных веществ, образующихся в радии, выделяет тепло пропорционально энергии испускаемых им -частиц. Эти опыты убедительно показали, как огромна по сравнению с содержанием материи энергия, которая выделяется при превращении эманации. Можно легко подсчитать, что 1 кг эманации радия и ее продуктов могут первоначально выделять энергию, отвечающую 14000 л.с., и на протяжении своей жизни выделят энергию, соответствующую 80 000 л.с. в день.

Таким образом, стало ясно, что эффект самонагревания радия — явление главным образом вторичное, обусловленное бомбардировкой собственными -частицами. Стало очевидным, что все радиоактивные вещества должны выделять теплоту пропорционально количеству и энергии -частиц, испускаемых за 1 сек.

Теперь необходимо рассмотреть другое открытие первостепенной важности. Обсуждая следствия теории распада, Резерфорд и Содди обратили внимание на тот факт, что любое стабильное вещество, образующееся в результате превращения радиоактивных элементов, должно присутствовать в радиоактивных минералах, в которых процессы превращения происходят на протяжении всего времени их существования. Это предположение впервые было выдвинуто в 1902 г. [3]. «В свете этих результатов и выдвинутой точки зрения на природу радиоактивности естественно возникают мысли о том, не может ли быть связано присутствие гелия в минералах и его постоянное нахождение совместно с ураном и торием с их радиоактивностью». И еще [4]:

«Поэтому следует предположить, что если какие-либо из неизвестных конечных продуктов превращения радиоактивного элемента газообразны, они должны, вероятно в больших количествах, оказаться поглощенными в естественных минералах, содержащих этот элемент. Это подкрепляет уже высказанное нами ранее [3] предположение, что гелий, по-видимому, конечный продукт распада одного из радиоактивных элементов, поскольку он обнаруживается только в радиоактивных минералах».

В то же время было признано вполне вероятным, что -частицы сами могут оказаться атомами гелия. Так как в то время можно было получить только слабо радиоактивные препараты, не представлялось возможным проверить, действительно ли гелий образуется радием. Примерно через год благодаря доктору Гизелю из Брауншвейга экспериментаторы получили препараты чистого бромида радия. В 1903 г., используя 30 мг препарата Гизеля, Рамзай и Содди смогли убедительно показать, что гелий содержится в радии, полученном несколько месяцев назад, и что эманация образует гелий.

Это открытие представляло величайший интерес, так как оно позволило выяснить, что в дополнение к ряду переходных элементов превращения радия приводят также к устойчивой форме вещества.

Сразу же возникает фундаментальный вопрос о месте гелия в схеме превращений радия. Является ли гелий их последним, конечным продуктом или же он возникает на какой-либо другой стадии? В письме в «Nature» [5] я указал, что гелий, по-видимому, происходит из -частиц, выбрасываемых -активными продуктами распада радия, и сделал приблизительную оценку скорости образования гелия из радия. Было подсчитано, что количество гелия, образованного 1 г радия, должно составлять от 20 до 200 мм3 в год, но, вероятно, ближе к верхней оценке. Имевшихся тогда для расчета данных было недостаточно, но интересно отметить, что недавно установленная Дж. Дьюаром (в 1908 г.) скорость образования гелия 134 мм3 в год ненамного отличается от рассчитанного тогда наиболее вероятного значения.

Эти оценки скорости образования гелия были изменены позднее, когда были получены новые и более точные данные. В 1905 г. я измерил заряд, переносимый -частицами с тонкой пленки радия. Предполагая, что каждая -частица имеет ионный заряд, измеренный Дж. Дж. Томсоном, я показал, что в 1 сек из 1 г собственно радия вылетает 6,2·1010-частиц, и вчетверо больше этого числа, когда радий находится в равновесии со своими тремя -активными продуктами распада. Скорость образования гелия, вычисленная по этим данным, составляла 240 мм3 из 1 г в год.

Между тем благодаря замечательным исследованиям Брэгга, а также Климана в 1904 г. наши познания о характере поглощения -частиц веществом существенно расширились. Давно известно, что по сравнению с -лучами поглощение -частиц веществом во многих отношениях различно.

Брэгг показал, что эти различия возникают потому, что -частицы благодаря большой энергии движения не отклоняются, подобно -частицам, от своего пути, а распространяются почти прямолинейно, ионизуя на своем пути молекулы. С тонкой пленки вещества определенного вида все -частицы вылетают с одной и той же скоростью и теряют свою ионизационную способность внезапно после прохождения конечного расстояния в воздухе. С этой точки зрения скорость -частиц уменьшилась при прохождении через вещество на одинаковую величину. Эти выводы Брэгга были подтверждены моими экспериментами с помощью фотографического метода. В качестве источника лучей была использована тонкая пленка радия С, осажденного из эманации радия на тонкой проволочке. Исследованием отклонения лучей в магнитном поле было установлено, что лучи однородны и выбрасываются с поверхности проволоки с одинаковой скоростью. Было обнаружено, что при прохождении лучей через экран из слюды или алюминия скорость всех -частиц уменьшилась на одну и ту же величину, но прошедший пучок все еще оставался однородным.

Был замечен интересный результат. Все -частицы явно теряют свои характерные свойства — способность ионизовать газы, фосфоресцировать и действовать на фотоэмульсию строго одновременно, хотя все еще продолжают двигаться со скоростью 9000 км/сек. При этой критической скорости -частицы внезапно исчезают из нашего поля зрения, и мы дальше не способны следить за ними с помощью тех методов наблюдения, которыми располагаем.

Применение однородного источника -лучей, подобного радию С, сразу же обеспечило более точное определение величины e/m для -частицы. Тем самым можно было выяснить, согласуется ли эта величина с предположением, что -частицы представляют собой заряженные атомы гелия, В результате ряда экспериментов я доказал, что -частицы независимо от того, чем они испускаются—радием, торием или актинием, тождественны по массе и должны состоять из одного и того же вида вещества.

Скорости -частиц, вылетающих из различных активных веществ, изменяются в сравнительно узких пределах, но значение е/m постоянно и равно 5070. Эта величина незначительно отличается от первоначально найденного значения. Трудность при истолковании полученного результата возникает сразу же. Мы знаем, что для атома водорода е/m = 9650. Если -частица несет такой же положительный заряд, как и атом водорода, то из значения e / m для -частицы следует, что ее масса вдвое больше массы атома водорода, т. е. равна массе молекулы водорода. По-видимому, совершенно неправдоподобно, чтобы в результате атомного взрыва водород вылетал в молекулярном, а не в атомном состоянии. Но если -частица несет вдвое больший заряд, чем атом водорода, то ее масса должна быть около 4, т. е.

примерно совпадать с массой атома гелия.

Я предположил, что -частица, по всей вероятности, атом гелия, несущий две единицы заряда. С этой точки зрения каждое радиоактивное вещество, испускающее -частицы, должно быть источником гелия. Это сразу же объясняет результат, наблюдавшийся Дебьерном, а именно: актиний образует гелий так же, как и радий. Как было отмечено, наличие у атома гелия двойного заряда в силу приведенных ниже причин не совсем неправдоподобно.

Хотя данные в целом решительно подтверждали точку зрения, что -частица есть атом гелия, все же очень трудно было получить убедительное экспериментальное доказательство этого соответствия. Если бы можно было доказать экспериментально, что -частица действительно несет две единицы заряда, то такое соответствие получило бы серьезное подтверждение. С этой целью Резерфорд и Гейгер разработали электрический метод непосредственного подсчета -частиц, испускаемых радиоактивными веществами. Ионизация газов, производимая одной -частицей, чрезвычайно мала, и обнаружить ее электрическим методом можно лишь с помощью очень совершенной методики. Мы прибегли к автоматическому методу увеличения ионизации, производимой -частицей. Для этой цели было создано устройство, позволяющее -частицам пролетать сквозь маленькое отверстие в сосуд с воздухом или другим газом при низком давлении, находящимся под действием электрического поля, напряжение которого близко к тому, при котором происходит искрение. В этих условиях ионы, возникающие при прохождении -частицы через газ, при столкновениях образуют большое число новых ионов. Таким образом, оказалось возможным увеличить в несколько тысяч раз электрический эффект, вызванный -частицей.

Попадание -частиц в сосуд, где производится опыт, затем обнаруживалось по внезапному отклонению стрелки электрометра. Этот прием был развит в точный метод подсчета числа -частиц. пролетающих за известное время через маленькое отверстие сосуда. Так было найдено полное число -частиц, вылетающих в 1 сек из любой тонкой пленки радиоактивного вещества. Так было показано, что 1 г собственно радия и его -активных продуктов, находящихся с ним в равновесии, испускает 3,4·1010 -частиц в 1 сек.

Точность этого метода была доказана с помощью совершенно отличающегося от него другого метода подсчета. Крукс, Эльстер и Гейтель показали, что -частицы, попадая на экран из фосфоресцирующего сернистого цинка, вызывают много вспышек (сцинтилляций). Используя специально приготовленные экраны, Резерфорд и Гейгер при помощи микроскопа подсчитали число этих сцинтилляций в 1 сек. Было установлено, что в пределах ошибки опыта число сцинтилляций на экране в 1 сек равно числу ударяющихся в него -частиц, подсчитанных электрическим методом.

Таким образом, стало ясно, что каждая -частица вызывает видимую вспышку на экране и что как электрический, так и оптический методы могут служить для подсчета -частиц. Кроме той цели, для которой проводились эти эксперименты, их результаты представляют большой интерес, поскольку впервые оказалось возможным обнаружить единичный атом вещества по его электрическому или химическому действию. Конечно, это возможно только благодаря большой скорости -частицы.

Зная из опытов по подсчету -частиц, испускаемых радием, их число, можно определить заряд, переносимый каждой -частицей, путем измерения суммарного положительного заряда, перенесенного всеми выброшенными -частицами. Установлено, что каждая -частица несет положительный заряд в 9,3·10-10 эл.-стат. ед. На основании экспериментальных данных о заряде, переносимом ионами газов, было сделано заключение, что заряд -частицы равен двум единицам заряда и что единичный заряд, переносимый атомом водорода, равен 4,65·10-10 эл.-стат. ед. Из сравнения известных значений е/m для -частицы и для атома водорода следует, что -частица представляет собой выброшенный атом гелия, несущий два заряда, или, говоря иначе, -частица после нейтрализации ее заряда и есть атом гелия.

Данные, полученные при подсчете числа -частиц, позволяют просто определить величины многих важных радиоактивных параметров. Было установлено, что расчетные значения продолжительности жизни радия, объема эманации и теплового эффекта радия превосходно согласуются с экспериментальными данными. Проверка точности этих методов произошла вскоре после опубликования этих результатов. Предполагая, что -частица — это атом гелия, Резерфорд и Гейгер подсчитали, что из 1 г радия, находящегося в равновесии (с его эманацией), за год должно получиться 158 мм3 гелия. Дж. Дьюар в 1908 г. провел длительное экспериментальное измерение скорости образования гелия из радия и показал, что из 1 г радия, находящегося в равновесии (с его эманацией), за год получается около 134 мм3 гелия. Если учесть трудности исследования, экспериментальная и расчетная величины совпадают хорошо, и это весьма убедительно подтверждает тождественность -частицы и атома гелия.

Хотя целый ряд рассмотренных нами данных не оставляет сомнения в том, что -частицы — это выброшенные атомы гелия, все же хотелось иметь решающее и неоспоримое доказательство этого взаимоотношения. Можно было бы, например, предположить, что -частица появляется в результате распада атома радия точно так же, как и атом эманации, и что он не имеет прямой связи с -частицей. Если атом гелия выделяется одновременно с испусканием -частицы, эксперимент и расчет могут совпадать и в том случае, когда -частица представляет собой атом водорода или какого-нибудь неизвестного вещества.

Чтобы опровергнуть это возможное возражение, необходимо показать, что -частицы, собранные совершенно независимо от активного вещества, из которого они вылетают, приводят к гелию. Имея в виду эту цель, недавно (1908 г.) Резерфорд и Ройдс осуществили несколько экспериментов [6]. Они поместили большое количество эманации в стеклянную трубку со столь тонкими стенками, что -частицы легко проходили сквозь них, хотя и были непроницаемы для эманации. Попадая в наружный стеклянный запаянный сосуд, -частицы постепенно заполняли откачанное пространство между трубкой с эманацией и наружным сосудом. Через несколько дней в последнем наблюдался яркий спектр гелия. Однако против опыта имеется возражение.

Возможно, что наблюдаемый гелий диффундировал из эманации сквозь тонкие стеклянные стенки. Это возражение опровергается тем фактом, что замена эманации еще большим объемом самого гелия не дает даже следов гелия. Можно, таким образом, уверенно сделать вывод, что именно -частицы вызывают появление гелия и они-то и есть атомы гелия. Дальнейшие опыты показали, что когда -частицы, проходя сквозь стеклянные стенки, попадают на тонкий лист свинца или олова, то через несколько часов бомбардировки из этих металлов всегда можно выделить гелий.

Сопоставляя все данные, делаем заключение, что -частица — это выброшенный атом гелия, который имеет или каким-то образом приобретает во время полета две единицы заряда положительного электричества.

Несколько неожидан тот факт, что атом одноатомного газа—гелия—может иметь двойной заряд. Однако не следует забывать, что -частица вылетает с высокой скоростью вследствие сильного атомного взрыва и на своем пути проходит через молекулы вещества. Такие условия исключительно благоприятствуют освобождению непрочно присоединенных электронов из атомной системы. Если -частица может на своем пути потерять два электрона, то тем самым объясняется ее двойной положительный заряд.

Мы видели, что есть полное основание считать -частицы, столь свободно вылетающие из огромного большинства радиоактивных веществ, тождественными по массе и строению и что они должны состоять из атомов гелия. Следовательно, мы приходим к выводу, что атомы первичных радиоактивных элементов, таких как уран и торий, должны быть построены, по крайней мере частично, из атомов гелия. Эти атомы высвобождаются на определенных стадиях превращений со скоростью, не зависящей от воздействий, возможных в лабораторных условиях. Есть полное основание считать, что в большинстве случаев в процессе атомного взрыва испускается единичный атом гелия. Так, несомненно, происходит в случае самого радия и ряда его продуктов.

С другой стороны, Бронсон обратил внимание на то, что в некоторых случаях, а именно в случае эманации актиния и тория, по-видимому, одновременно вылетают соответственно два или три атома гелия. Без сомнения, эти исключения станут в будущем предметом тщательных исследований. Интересно отметить, что сам уран, видимо, должен испускать две -частицы, например, из каждого продукта своего распада. Зная число атомов гелия, испускаемых атомом каждого продукта, можно сразу же определить атомный вес этих продуктов. Так, в ряду уран — ионий — радий уран испускает две -частицы, а каждый из шести следующих -активных продуктов — по одной, т. е. всего восемь -частиц. Если атомный вес урана равен 238,5, то атомный вес иония должен составлять 230,5, радия — 226,5, эманации — 222,5 и т. д.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 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.