Вопрос 1. Исторический очерк.

Ядерная физика — наука о строении, свойствах и превращениях атомного ядра — сравнительно молодая наука. Еще в конце XIX в. ничего не было известно об атомном ядре: атом считался мельчайшей неделимой частичкой вещества. Открытие в 1895 г. катодных и рентгеновских лучей и в 1896 г. естественной радиоактивности показало, что в устройстве атомов всех элементов есть что-то общее. Все они, например, содержат и при известных условиях могут испускать электроны е, а самые тяжелые из них обладают свойствами α-, β- и γ- радиоактивности.

Открытие электрона как частицы принадлежит Дж. Томсону, который в 1897 установил, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника. М. Фарадей ввёл термин «ион» для носителей электричества в электролите и предположил, что ион обладает неизменным зарядом.

Открытию первой элементарной частицы – электрона предшествовало открытие катодных лучей в 1859 г. Ю. Плюккером. В 1895 г. французский физик Ж. Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем.

В 1896 г. французким физиком А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности – свойство некоторых элементов самопроизвольно распадаться. Через два года П.Кюри и М. Кюри открыли радиоактивность тория и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория. Понятие радиоактивности ввела М. Кюри в 1901 г.

После того, как в руках исследователей появились мощные источники радиации, были начаты детальные изучения свойств радиоактивного излучения. В первых исследованиях на эту тему самое активное участие приняли Э.Резерфорд, супруги Мария и Пьер Кюри, А.Беккерель, многие другие. Прежде всего, была изучена проникающая способность лучей, а также действие на излучение магнитного поля. Оказалось, что излучение неоднородно, а представляет собой смесь «лучей». П. Кюри обнаружил, что при действии магнитного поля на излучение радия одни лучи отклоняются, а другие нет. Было известно, что магнитное поле отклоняет только заряженные летящие частицы, причем положительные и отрицательные в разные стороны. По направлению отклонения убедились в том, что отклоняемые β-лучи заряжены отрицательно. Дальнейшие опыты показали, что между катодными и β-лучами нет принципиальной разницы, откуда следовало, что они представляют собой поток электронов. При использовании более сильных магнитных полей оказалось, что некоторые лучи, названные α-лучами, тоже отклоняются, только значительно слабее, чем β-лучи, причем в другую сторону. Отсюда следовало, что они заряжены положительно и имеют значительно бoльшую массу (как потом выяснили, масса α-частиц в 7740 раз больше массы электрона). Впервые это явление обнаружили в 1899 г. А.Беккерель и Ф.Гизель. В дальнейшем Резерфорд с коллегами показал, что α-частицы представляют собой ядра атомов гелия (нуклид ) с зарядом +2 и массой 4 а.е.м.

При более подробном исследовании отклонения α- и β-лучей, в 1900 г. французский физик П. Вийар обнаружил в излучении радия и трития вид лучей, не отклоняющихся в самых сильных магнитных полях. Этот вид излучения был назван гамма-лучами. Гамма-лучи оказались сходными с лучами Рентгена, т.е. они представляют собой электромагнитное излучение, но с более короткими длинами волн и соответственно с большей энергией. Закон взаимосвязи массы и энергии Е=mc² введён Эйнштейном в рамках специальной теории относительности (1905 г.). Эйнштейн первый представил это соотношение как всеобщий закон динамики, относящийся ко всем видам материи и не ограниченный электромагнетизмом. Эйнштейн объединил все виды масс и показал, что инертность любого физического объекта растёт с ростом энергии.

Прямые экспериментальные исследования строения атома были выполнены в 1911 г. Э.Резерфордом, который изучал рассеяние α-частиц при прохождении через тонкую фольгу. Угловое распределение α-частиц, рассеянных на золоте, свидетельствовало о том, что положительный заряд атома сосредоточен в пространственной области размером меньше 10^{-14 м. Это явилось основанием для создания планетарной модели атома Резерфорда, согласно которой атом состоит из тяжелого положительно заряженного атомного ядра с радиусом меньше 10-14 м и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Размер атома определяется размерами его электронной оболочки и составляет ~10-10 м, что в десятки тысяч раз превышает размер атомного ядра. Несмотря на то, что атомное ядро занимает лишь небольшую часть объема атома в нем сосредоточено 99,98% его массы.}

Предложенная Э. Резерфордом модель атома сыграла решающую роль в развитии квантовой механики. Дело в том, что на основе классической физики невозможно было объяснить наблюдаемую на опыте устойчивость атома. Вращающиеся на орбите электроны, согласно классической физике, должны были излучать энергию и, потеряв её, упасть на атомное ядро. Поскольку такие явления как фотоэффект и явление дифракции электронов удалось объяснить с помощью квантовых представлений, вполне разумно, казалось, попытаться с помощью такого подхода объяснить и устойчивость электронных орбит атома.

В 1913 г. Н. Бор предложил новую квантовую теорию орбит. Согласно этой теории электрон может вращаться вокруг ядра неопределенно долго, не излучая энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волн

де Бройля. Атом может перейти из одного состояния в другое, испустив квант энергии – фотон.

В 1918-19 г.г. Э.Резерфордом проведена первая искусственная ядерная реакция – превращение азота в кислород при облучении азота α-частицами, в результате чего был открыт протон. В дальнейшем Резерфорду удалось вызвать ядерные реакции в 17 легких элементах. В их числе были бор, фтор, натрий, алюминий, литий, фосфор. Во многих продуктах расщепления ядра имелся протон. Резерфорд назвал эту элементарную частицу протоном. С 1925 г., после создания ускорителя – каскадного генератора (Дж. Кокрофт, Э. Уолтон), ядерные реакции под действием ускоренных протонов стали активно использоваться для превращения химических элементов.

В 1932 г. английский физик Д. Чедвик, проведя серию экспериментов по облучению химических элементов α – частицами, открыл незаряженную частицу, названную нейтроном, с массой, очень близкой к массе протона.

В 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица, обладающая массой, равной массе электрона и положительным зарядом, численно равным заряду электрона. Эту частицу американский физик К. Андерсон назвал позитроном. Теория Дирака предсказывала ранее не только существование позитрона и других античастиц, но и аннигиляцию позитрона и электрона с испусканием гамма-квантов. Существует и обратный процесс - «материализация» фотонов, когда фотоны с достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми ядрами создают пару электрон – позитрон: Ж. Кюри получил фотографию в камере Вильсона, на которой было зарегистрировано рождение этой пары. В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри во Франции открыли ещё один источник позитронов – β⁺- радиоактивность.

Следующая элементарная частица − нейтрино также вначале была предсказана теорией. Открытие нейтрона, казалось, внесло ясность в строение вещества. Все элементарные частицы, необходимые для построения атома: протон, нейтрон, электрон - были известны. Если в составе атомного ядра нет электронов, то откуда же берутся электроны, которые наблюдаются при радиоактивном распаде ядер?

Ответ на этот вопрос был дан в 1932 итальянским физиком Э. Ферми в разработанной им теории β-распада. β-распад в определенном смысле аналогичен испусканию фотонов возбужденными атомами. До момента излучения ни электронов в ядре, ни фотонов в атоме нет, и фотон, и электрон образуются в процессе распада. Изучение процесса β-распада показало, что испускание электронов вызвано не электромагнитным взаимодействием и не ядерным взаимодействием, а новым типом взаимодействия до сих пор неизвестным в физике. Это взаимодействие было названо слабым взаимодействием.

В.Паули в 1930 г. высказал предположение, что в процессе β-распада наряду с электроном, который легко наблюдается, должна рождаться еще одна лёгкая частица с нулевым зарядом, нулевой массой покоя и спином 1/2. Эта частица, названная нейтрино, была зарегистрирована экспериментально лишь в 1953 г.

Наличие в атомном ядре нейтронов и протонов поставило перед физиками новую проблему− изучение природы ядерных взаимодействий, связывающих эти частицы в ядре. В 1934 г. Х. Юкава предсказал новую частицу − квант ядерного поля. Cогласно гипотезе Юкава взаимодействие между нуклонами возникает в результате испускания и поглощения этих частиц. Они определяют ядерное поле по аналогии с электромагнитным полем, которое возникает как следствие обмена фотонами. После предсказания свойств мезонаначались энергичные поиски этой частицы. В 1937 в космических лучах с помощью камеры Вильсона была обнаружена частица с массой покоя равной примерно 200 массам покоя электрона. Вначале считалось, что это и есть предсказанный Юкавой мезон. Однако более детальное исследование свойств этой частицы показало, что обнаруженные в космических лучах мезоны взаимодействуют с нейтронами и протонами недостаточно сильно, как это должно было быть для переносчиков ядерного взаимодействия.

Наконец в 1947 г. в космических лучах была обнаружена ещё одна частица, которая сильно взаимодействовала с протонами и нейтронами и была той самой частицей, которую предсказал Юкава. Ее назвали π-мезоном или пионом.

Пионы, нейтроны и протоны принадлежат к одному классу частиц, называемых адронами. Их отличительная черта − участие в сильных ядерных взаимодействиях.

Открытая в 1937 частица тоже была названа мезоном, μ-мезоном. Он имеет массу ~106 МэВ и существует в двух разновидностях - отрицательно заряженная частица и положительно заряженная античастица. В настоящее время μ-мезон называют мюоном. На то, что электронные и мюонные нейтрино являются разными частицами, было указано в 1957 г. М. Марковым и Ю. Швингером. Эта гипотеза была подтверждена в 1962 г. в экспериментах на ускорителе в Брукхейвене. Мюоны, электроны и нейтрино относятся к семейству лептонов. Еще одна частица этого семейства - лептон (таон) была открыта М. Перлом в 1979 г. Она почти в два раза тяжелее протона и может распадаться не только подобно мюону на лептоны, но и на адроны. Гипотеза об осцилляции нейтрино была выдвинута в 1957 г. Б. Понтекорво. В настоящее время интенсивно проводятся эксперименты по измерению массы покоя нейтрино. Если окажется, что масса нейтрино отлична от нуля, то масса вещества во Вселенной должна в основном определяться массой нейтрино.

Новый этап развития ядерной физики начался с открытием нейтрона. Вскоре во многих научных лабораториях мира начали изучать процессы взаимодействия этих частиц с ядрами. В 1938 г. при бомбардировке урана нейтронами немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман получили важный результат: образуется барий, масса которого вдвое меньше массы урана, т.е. было показано, что ядра урана могут делиться. Из результатов следовало, что для деления ядра урана достаточно сообщить ему энергию в 6 МэВ, а не сотни МэВ, как предполагалось ранее. Через два года после открытия Гана и Штрассмана, в 1940 г. Г. Флеров и К. Петржак обнаружили, что ядра урана могут делиться самопроизвольно (спонтанно). Период полураспада спонтанного деления ²³⁸U оказался равным 8·10¹⁵ лет. Вскоре было обнаружено испускание вторичных нейтронов при делении, а затем введено понятие критической массы урана, при достижении которой начинается неуправляемый цепной процесс деления.

Открытие цепного деления урана превратило ядерную физику в основу мощной промышленности, которую еще не знало человечество. Началось активное строительство атомных реакторов, сначала исследовательских, потом промышленных (наработка оружейного плутония), а затем и энергетических. В короткие сроки было создано атомное, водородное и нейтронное оружие, а публикации по ядерной физике надолго прекратились.

В истории ядерной физики существенную роль сыграло развитие экспериментальной техники, включая методы регистрации радиоактивных излучений (с помощью детекторов, счётчиков и спектрометров радиоактивных излучений), точные методы регистрации зарядов и масс элементарных частиц, атомов и ионов (например, с помощью масс-спектрометров).

Увеличение энергий частиц, задействованных в ядерной физике и физике элементарных частиц, привёло к созданию новых типов детекторов. В 1948 г. был изобретен искровой счетчик, а затем пузырьковая и искровая камеры. Развитие техники эксперимента по исследованию ионизирующих излучений привело к открытию новых эффектов, существенно продвинувших исследование структуры вещества. В качестве примеров следует отметить открытие 1958 г. явления ядерного гамма-резонанса без отдачи (эффектМессбауэра), создание электронного и туннельного микроскопов, разработка метода нейтронографии и др.

Лауреаты Нобелевских премий по физике за создание методов и приборов регистрации частиц:

1907 г. — А. Майкельсон: За прецизионные оптические приборы и за спектроскопические и метрологические исследования, выполненные с их помощью.

1927 г. — Ч. Вильсон: За открытие метода, делающего видимыми траектории заряженных частиц, с помощью конденсации пара.

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

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

1954 г. — В. Боте: За метод совпадений и сделанные с его помощью открытия.

1960 г. — Д. Глезер: За изобретение пузырьковой камеры.

1992 г. — Г. Чарпак: За открытие и создание детекторов частиц, в частности, многопроволочной пропорциональной камеры.

Важное направление развития техники эксперимента связано с созданием ускорителей заряженных частиц и ионов. Ускорители являются также источниками пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов), получаемых при взаимодействии первичных частиц с веществом.

Современные ускорители это комплексы, состоящие из нескольких ускорителей.

Ускорительный комплекс на встречных пучках, в котором планируется сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (14· 10¹² эВ) в системе центра масс и изучать продукты их соударений, носит название LHC (Large Hadron Collider; сокр. БАК). Основная задача регистрирующей установки ATLAS - поиск бозонов Хиггса, частиц, способствующих превращению энергии в массу. Электронная система установки способна выделять 100 "интересных" событий в секунду из 1 миллиарда. В проекте ATLAS более полутора тысяч участников из 47 стран. БАК является крупнейшей экспериментальной установкой из когда-либо существовавших в мире.