Ядерная физика

редактировать
Эта статья об изучении атомных ядер. Для использования в других целях, см Ядерная физика (значения).

Ядерная физика - это область физики, которая изучает атомные ядра, их составные части и взаимодействия, в дополнение к изучению других форм ядерной материи.

Не следует путать ядерную физику с атомной физикой, которая изучает атом в целом, включая его электроны.

Открытия в ядерной физике нашли применение во многих областях. Это включает ядерную энергетику, ядерное оружие, ядерную медицину и магнитно-резонансную томографию, промышленные и сельскохозяйственные изотопы, ионную имплантацию в материаловедении и радиоуглеродное датирование в геологии и археологии. Такие приложения изучаются в области ядерной техники.

Физика элементарных частиц возникла из ядерной физики, и эти две области обычно преподаются в тесной взаимосвязи. Ядерная астрофизика, приложение ядерной физики к астрофизике, имеет решающее значение для объяснения внутреннего устройства звезд и происхождения химических элементов.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 История
    • 1.1 Резерфорд открывает ядро
    • 1.2 Эддингтон и звездный ядерный синтез
    • 1.3 Исследования ядерного спина
    • 1.4 Джеймс Чедвик открывает нейтрон
    • 1.5 Уравнения Прока для поля массивных векторных бозонов
    • 1.6 Постулируется, что мезон Юкавы связывает ядра
  • 2 Современная ядерная физика
    • 2.1 Ядерный распад
    • 2.2 Ядерный синтез
    • 2.3 Ядерное деление
    • 2.4 Производство «тяжелых» элементов
  • 3 См. Также
  • 4 ссылки
  • 5 Библиография
  • 6 Внешние ссылки

История

Анри Беккерель С 1920-х годов камеры Вильсона играли важную роль в качестве детекторов частиц и в конечном итоге привели к открытию позитронов, мюонов и каонов.

История ядерной физики как дисциплины, отличной от атомной физики начинается с открытия радиоактивности по Анри Беккерель в 1896 году, сделал при исследовании фосфоресценции в урановых солей. Открытие электрона по Томсон через год был признаком того, что атом имел внутреннюю структуру. В начале 20 века общепринятой моделью атома была модель «сливового пудинга» Дж. Дж. Томсона, в которой атом представлял собой положительно заряженный шар с меньшими по размеру отрицательно заряженными электронами, встроенными в него.

В последующие годы радиоактивность широко исследовалась, особенно Мари Кюри, Пьером Кюри, Эрнестом Резерфордом и другими. К началу века физики также открыли три типа излучения, исходящего от атомов, которые они назвали альфа-, бета- и гамма- излучением. Эксперименты Отто Хана в 1911 году и Джеймса Чедвика в 1914 году обнаружили, что спектр бета-распада был непрерывным, а не дискретным. То есть электроны выбрасывались из атома с непрерывным диапазоном энергий, а не с дискретными количествами энергии, которые наблюдались в гамма- и альфа-распадах. В то время это было проблемой для ядерной физики, потому что это, казалось, указывало на то, что энергия не сохраняется в этих распадах.

Нобелевская премия по физике 1903 года была присуждена совместно Беккерелю за его открытие и Мари и Пьеру Кюри за их последующие исследования радиоактивности. Резерфорд был удостоен Нобелевской премии по химии в 1908 году за «исследования распада элементов и химии радиоактивных веществ».

В 1905 году Альберт Эйнштейн сформулировал идею эквивалентности массы и энергии. Хотя работа Беккереля и Марии Кюри по радиоактивности предшествовала этому, объяснение источника энергии радиоактивности должно было подождать открытия, что само ядро ​​состоит из более мелких компонентов, нуклонов.

Резерфорд обнаруживает ядро

В 1906 году Эрнест Резерфорд опубликовал «Отставание α-частицы от радия при прохождении через вещество». Ганс Гейгер расширил эту работу в сообщении Королевскому обществу с экспериментами, которые он и Резерфорд провели, пропуская альфа-частицы через воздух, алюминиевую фольгу и сусальное золото. Еще больше работ было опубликовано в 1909 году Гейгером и Эрнестом Марсденом, а в 1910 году Гейгер опубликовал еще более расширенную работу. В 1911–1912 годах Резерфорд предстал перед Королевским обществом, чтобы объяснить эксперименты и выдвинуть новую теорию атомного ядра в том виде, в котором мы ее теперь понимаем.

Ключевой упреждающий эксперимент, опубликованный в 1909 году, вместе с окончательным классическим анализом Резерфорда, опубликованным в мае 1911 года, был проведен в 1909 году в Манчестерском университете. Ассистент Эрнеста Резерфорда, профессор Йоханнес «Ганс» Гейгер, и студент Марсден провели эксперимент, в котором Гейгер и Марсден под руководством Резерфорда стреляли альфа-частицами ( ядра гелия-4 ) в тонкую пленку золотой фольги. Модель сливового пудинга предсказывала, что альфа-частицы должны выходить из фольги, причем их траектории, самое большее, слегка изогнуты. Но Резерфорд поручил своей команде найти то, что его шокировало: несколько частиц рассеялись под большими углами, а в некоторых случаях даже полностью назад. Он сравнил это с выстрелом пули в папиросную бумагу и отскоком от нее. Это открытие, с анализом данных Резерфордом в 1911 году, привело к модели атома Резерфорда, в которой атом имел очень маленькое и очень плотное ядро, содержащее большую часть его массы и состоящее из тяжелых положительно заряженных частиц с внедренными электронами. чтобы уравновесить заряд (поскольку нейтрон был неизвестен). Например, в этой модели (которая не является современной) азот-14 состоял из ядра с 14 протонами и 7 электронами (всего 21 частица), а ядро ​​было окружено еще 7 вращающимися электронами.

Эддингтон и звездный ядерный синтез

Примерно в 1920 году Артур Эддингтон в своей статье «Внутреннее строение звезд» предвосхитил открытие и механизм процессов ядерного синтеза в звездах. В то время источник звездной энергии оставался полной загадкой; Эддингтон правильно предположил, что источником был синтез водорода в гелий, высвобождающий огромную энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна E = mc 2. Это было особенно выдающимся достижением, поскольку в то время синтез и термоядерная энергия, и даже то, что звезды в основном состоят из водорода (см. Металличность ), еще не были обнаружены.

Исследования ядерного спина

Модель Резерфорда работала достаточно хорошо, пока исследования ядерного спина не были выполнены Франко Разетти в Калифорнийском технологическом институте в 1929 году. К 1925 году было известно, что протоны и электроны имеют спин, равный ±+1 ⁄ 2. В модели Резерфорда азот-14, 20 от общего количества 21 ядерных частиц должны былипаручтобы отменить вращение друг друга, а окончательная нечетная частица должна была оставить ядро с чистым спином 1 / 2. Однако Разетти обнаружил, что азот-14 имеет спин, равный 1.

Джеймс Чедвик открывает нейтрон

Основная статья: Открытие нейтрона

В 1932 году Чедвик понял, что излучение, которое наблюдали Вальтер Боте, Герберт Беккер, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, на самом деле было вызвано нейтральной частицей примерно такой же массы, как и протон, которую он назвал нейтроном (по предложению Резерфорда). о необходимости такой частицы). В том же году Иваненко предположил, что не было никаких электронов в ядре - только протоны и нейтроны - нейтроны, и что были спин 1 / 2 частицы, которые объясняются массу не за счет протонов. Спин нейтрона сразу решил проблему спина азота-14, поскольку один неспаренный протон и один неспаренный нейтрон в этой модели каждый внесли спин 1 ⁄ 2 в одном и том же направлении, давая окончательный общий спин 1.

С открытием нейтрона ученые смогли, наконец, вычислить, какую долю энергии связи имеет каждое ядро, сравнив ядерную массу с массой протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Таким образом были рассчитаны разности ядерных масс. При измерении ядерных реакций было обнаружено, что они согласуются с расчетом Эйнштейна эквивалентности массы и энергии с точностью до 1% по состоянию на 1934 год.

Уравнения Прока для поля массивных векторных бозонов

Александру Прока был первым, кто разработал и представил уравнения массового векторного бозонного поля и теорию мезонного поля ядерных сил. Уравнения Прока были известны Вольфгангу Паули, который упомянул уравнения в своем Нобелевском обращении, а также они были известны Юкаве, Вентцелю, Такетани, Сакате, Кеммеру, Гейтлеру и Фрёлиху, которые оценили содержание уравнений Прока для разработки теории атомной энергии. ядра в ядерной физике.

Постулируется, что мезон Юкавы связывает ядра

В 1935 году Хидеки Юкава предложил первую значительную теорию сильного взаимодействия, чтобы объяснить, как ядро ​​удерживается вместе. В юкавском взаимодействии виртуальная частица, позже называется мезонами, опосредованной сила между всеми нуклонами, в том числе протонов и нейтронов. Эта сила объясняет, почему ядра не распадаются под действием отталкивания протонов, а также объясняет, почему сильная сила притяжения имеет более ограниченный диапазон, чем электромагнитное отталкивание между протонами. Позже открытие пи-мезона показало, что он обладает свойствами частицы Юкавы.

Благодаря работам Юкавы современная модель атома была завершена. В центре атома находится плотный шар из нейтронов и протонов, который удерживается вместе сильной ядерной силой, если только он не слишком велик. Нестабильные ядра могут подвергаться альфа-распаду, при котором они испускают энергичное ядро ​​гелия, или бета-распаду, при котором они выбрасывают электрон (или позитрон ). После одного из этих распадов образовавшееся ядро ​​может остаться в возбужденном состоянии, и в этом случае оно распадается до своего основного состояния, испуская фотоны высокой энергии (гамма-распад).

Изучение сильных и слабых ядерных взаимодействий (последнее объяснил Энрико Ферми через взаимодействие Ферми в 1934 году) привело физиков к столкновению ядер и электронов при все более высоких энергиях. Это исследование стало наукой о физике элементарных частиц, жемчужиной которой является стандартная модель физики элементарных частиц, описывающая сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия.

Современная ядерная физика

Основные статьи: капельная модель, модель ядерной оболочки и ядерная структура

Тяжелое ядро ​​может содержать сотни нуклонов. Это означает, что в некотором приближении ее можно рассматривать как классическую систему, а не как квантово-механическую. В получившейся модели жидкой капли ядро имеет энергию, которая частично возникает из-за поверхностного натяжения, а частично из-за электрического отталкивания протонов. Модель жидкой капли способна воспроизвести многие особенности ядер, включая общую тенденцию зависимости энергии связи от массового числа, а также явление ядерного деления.

Однако на эту классическую картину накладываются квантово-механические эффекты, которые можно описать с помощью модели ядерной оболочки, разработанной в значительной степени Марией Гепперт Майер и Дж. Хансом Д. Йенсеном. Ядра с определенными « магическими » числами нейтронов и протонов особенно стабильны, потому что их оболочки заполнены.

Были предложены и другие более сложные модели ядра, такие как модель взаимодействующих бозонов, в которой пары нейтронов и протонов взаимодействуют как бозоны.

Ab initio методы пытаются решить ядерную проблему многих тел с нуля, начиная с нуклонов и их взаимодействий.

Большая часть текущих исследований в области ядерной физики связана с изучением ядер в экстремальных условиях, таких как высокая энергия спина и возбуждения. Ядра также могут иметь экстремальную форму (похожую на мяч для регби или даже грушу ) или экстремальное соотношение нейтронов и протонов. Экспериментаторы могут создавать такие ядра, используя искусственно вызванные реакции синтеза или передачи нуклонов, используя ионные пучки от ускорителя. Пучки с еще более высокими энергиями могут быть использованы для создания ядер при очень высоких температурах, и есть признаки того, что эти эксперименты произвели фазовый переход от нормальной ядерной материи к новому состоянию, кварк-глюонной плазме, в которой кварки смешиваются с одним другое, а не разделение на триплеты, как в нейтронах и протонах.

Ядерный распад

Основные статьи: Радиоактивность и Долина стабильности

Восемьдесят элементов имеют по крайней мере один стабильный изотоп, распад которого никогда не наблюдается, что составляет в общей сложности около 252 стабильных нуклидов. Однако тысячи изотопов были охарактеризованы как нестабильные. Эти «радиоизотопы» распадаются с течением времени от долей секунды до триллионов лет. Отмеченная на диаграмме как функция атомного числа и числа нейтронов, энергия связи нуклидов образует так называемую « долину стабильности». Стабильные нуклиды располагаются вдоль дна этой энергетической долины, в то время как все более нестабильные нуклиды лежат на стенках долины, то есть имеют более слабую энергию связи.

Наиболее стабильные ядра попадают в определенные диапазоны или балансы состава нейтронов и протонов: слишком мало или слишком много нейтронов (по отношению к количеству протонов) вызовет их распад. Например, в бета - распаде, А азот -16 атом (7 протоны, нейтроны 9) превращают в кислород -16 атома (8 протонов, 8 нейтронов) в течение нескольких секунд создается. В этом распаде нейтрон в ядре азота превращается слабым взаимодействием в протон, электрон и антинейтрино. Элемент превращается в другой элемент с другим числом протонов.

При альфа-распаде, который обычно происходит в самых тяжелых ядрах, радиоактивный элемент распадается с испусканием ядра гелия (2 протона и 2 нейтрона), давая еще один элемент, плюс гелий-4. Во многих случаях этот процесс продолжается через несколько этапов такого рода, включая другие типы распадов (обычно бета-распад), пока не образуется стабильный элемент.

При гамма-распаде ядро распадается из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией, испуская гамма-излучение. Элемент не изменяется на другой элемент в процессе ( ядерная трансмутация не происходит).

Возможны и другие, более экзотические распады (см. Первую основную статью). Например, при распаде внутренней конверсии энергия возбужденного ядра может выбрасывать один из внутренних орбитальных электронов из атома в процессе, который производит высокоскоростные электроны, но не является бета-распадом и (в отличие от бета-распада) не трансмутирует один элемент. к другому.

Термоядерная реакция

В ядерном синтезе два ядра с малой массой вступают в очень тесный контакт друг с другом, так что сильная сила сливает их. Это требует большого количества энергии для сильных или ядерных сил, чтобы преодолеть электрическое отталкивание между ядрами и слить их; поэтому ядерный синтез может происходить только при очень высоких температурах или высоких давлениях. Когда ядра сливаются, высвобождается очень большое количество энергии, и объединенное ядро ​​принимает более низкий уровень энергии. Энергия связи на нуклон увеличивается с массовым числом до никеля -62. Звезды, подобные Солнцу, получают энергию за счет слияния четырех протонов в ядро ​​гелия, два позитрона и два нейтрино. Неконтролируемый синтез водорода в гелий известен как термоядерный побег. Границей текущих исследований в различных учреждениях, например Joint European Torus (JET) и ITER, является разработка экономически жизнеспособного метода использования энергии контролируемой реакции термоядерного синтеза. Ядерный синтез - это источник энергии (в том числе в форме света и другого электромагнитного излучения), производимой ядрами всех звезд, включая наше собственное Солнце.

Ядерное деление

Ядерное деление - это процесс, обратный синтезу. Для ядер тяжелее никеля-62 энергия связи на нуклон уменьшается с массовым числом. Следовательно, возможно высвобождение энергии, если тяжелое ядро ​​распадется на два более легких.

Процесс альфа-распада - это, по сути, особый тип спонтанного деления ядер. Это очень асимметричное деление, потому что четыре частицы, составляющие альфа-частицу, особенно тесно связаны друг с другом, что делает образование этого ядра при делении особенно вероятным.

Из нескольких самых тяжелых ядер, при делении которых образуются свободные нейтроны, а также которые легко поглощают нейтроны, инициируя деление, в цепной реакции может быть получен самовоспламеняющийся тип деления, инициируемого нейтронами. Цепные реакции были известны в химии до физики, и на самом деле многие знакомые процессы, такие как пожары и химические взрывы, являются цепными химическими реакциями. Деление или «ядерная» цепная реакция с использованием нейтронов, образующихся при делении, является источником энергии для атомных электростанций и ядерных бомб делительного типа, таких как бомбы, взорванные в Хиросиме и Нагасаки, Япония, в конце Второй мировой войны.. Тяжелые ядра, такие как уран и торий, также могут подвергаться спонтанному делению, но с большей вероятностью они будут распадаться в результате альфа-распада.

Для возникновения цепной реакции, инициируемой нейтронами, должна существовать критическая масса соответствующего изотопа, присутствующего в определенном пространстве при определенных условиях. Условия наименьшей критической массы требуют сохранения испускаемых нейтронов, а также их замедления или замедления, чтобы было большее поперечное сечение или вероятность того, что они инициируют другое деление. В двух регионах Окло, Габон, Африка, реакторы естественного ядерного деления работали более 1,5 миллиарда лет назад. Измерения естественного нейтринного излучения показали, что около половины тепла, исходящего от ядра Земли, возникает в результате радиоактивного распада. Однако неизвестно, является ли это результатом цепных реакций деления.

Производство «тяжелых» элементов

Основная статья: нуклеосинтез

Согласно теории, когда Вселенная остыла после Большого взрыва, в конечном итоге стало возможным существование обычных субатомных частиц в том виде, в каком мы их знаем (нейтроны, протоны и электроны). Наиболее распространенными частицами, образовавшимися в результате Большого взрыва, которые все еще легко наблюдать сегодня, были протоны и электроны (в равных количествах). В конечном итоге протоны образуют атомы водорода. Почти все нейтроны, образовавшиеся в результате Большого взрыва, были поглощены гелием-4 в первые три минуты после Большого взрыва, и этот гелий составляет большую часть гелия во Вселенной сегодня (см. Нуклеосинтез Большого взрыва ).

Некоторые относительно небольшие количества элементов помимо гелия (литий, бериллий и, возможно, некоторое количество бора) были созданы во время Большого взрыва, когда протоны и нейтроны столкнулись друг с другом, но все «более тяжелые элементы» (углерод, элемент номер 6, и элементы с большим атомным номером ), которые мы видим сегодня, были созданы внутри звезд во время ряда стадий слияния, таких как протон-протонная цепочка, цикл CNO и процесс тройной альфа. В процессе эволюции звезды создаются все более тяжелые элементы.

Поскольку энергия связи на нуклон достигает пика около железа (56 нуклонов), энергия высвобождается только в процессах синтеза с участием более мелких атомов, чем это. Поскольку создание более тяжелых ядер путем синтеза требует энергии, природа прибегает к процессу захвата нейтронов. Нейтроны (из-за отсутствия заряда) легко поглощаются ядром. Тяжелые элементы создаются либо медленным захват нейтронов процесса (так называемый s -Process ) или быстрым, или г -процессом. S процесс происходит в термически пульсирующие звезды ( так называемые AGB, или асимптотический гигантские ветви звезд) и занимает от сотен до тысяч лет, чтобы достичь самых тяжелых элементов свинца и висмута. Г -процесса, как полагают, происходит в взрывов сверхновых, которые обеспечивают необходимые условия высокой температуры, высокой потока нейтронов и выброшенного вещества. Эти звездные условия делают последовательные нейтронные захваты очень быстрыми с участием очень богатых нейтронами частиц, которые затем бета-распад на более тяжелые элементы, особенно в так называемых точках ожидания, которые соответствуют более стабильным нуклидам с закрытыми нейтронными оболочками (магические числа).

Смотрите также

использованная литература

Библиография

  • Общая химия Линуса Полинга (Dover 1970) ISBN   0-486-65622-5
  • Введение в ядерную физику Кеннета С. Крейна (3-е издание, 1987 г.) ISBN   978-0471805533 [Учебник для бакалавриата]
  • Теоретическая ядерная и субъядерная физика Джона Д. Валека (2-е издание, 2004 г.) ISBN   9812388982 [Учебник для выпускников]
  • Ядерная физика в двух словах, Карлос А. Бертулани (Princeton Press 2007) ISBN   978-0-691-12505-3

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-03-21 05:09:59
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте