Ядерная физика

ядерная физика

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА - наука о строении, свойствах и превращениях атомных ядер. В 1911 Э. Резерфорд (Е. Rutherford) установил в опытах по рассеянию а-частиц при их прохождении через вещество, что нейтральный атом состоит из очень компактного положительно заряж. ядра и сравнительно "рыхлого" отрицательного электронного облака; размер ядра ~10^-13-10^-12 см, в то время как размер атома ~10^-8см. Сразу после открытия атомного ядра стали создаваться его модели, в к-рых ядро пытались строить из известных тогда элементарных частиц- протонов и электронов. Однако началом Я. ф. можно считать 1932, когда, вскоре после открытия Дж. Чедви-ком (J. Chadwick) нейтрона, В. Гейзенберг (W. Heisenberg) и Д. Д. Иваненко (независимо) высказали гипотезу о том, что ядро состоит из нейтронов и протонов. При этом заряд ядра Z (в единицах заряда электрона) равен числу протонов, а его масса приближённо равна массе протона, умноженной на массовое число А - полное число протонов и нейтронов (нуклонов) в ядре.

В 30-х гг. шло накопление эксперим. данных об осн. свойствах  ядер: размерах, энергиях связи, магнитных  иквадрупольных моментах ядер. Исследование радиоактивности и простейших ядерных реакций (под воздействием электронов, протонов, a-частиц, нейтронов) позволило получить данные о возбуждённых состояниях ядер. Наиб. долгоживущие из этих состояний получили название ядерных изомеров (см. Изомерия ядерная). В этот период выделились осн. направления эксперим. Я. ф.: ядерная спектроскопия, изучающая g-переходы в ядрах, a- и b-распады, а также энергии, спины и др. свойства основных и низколежащих возбуждённых состояний ядер, и ядерные реакции. В соответствии с этим развивались теоретич. представления, позволяющие объяснить свойства основного и возбуждённых ядерных состояний и описать механизмы взаимодействия частиц с ядрами. К этому же времени относятся и первые реалистич. модели ядра (модель жидкой капли, модель оболочек) и представления об осн. механизмах ядерных реакций: прямые ядерные реакции и реакции, идущие черезсоставное ядро.

Капельная модель ядра отражает осн. свойство ядерных сил - коротко действие и связанное с ним свойство насыщения. Вследствие короткодействия нуклоны в ядре сильно взаимодействуют только с ближайшими соседями, из-за чего энергия связи ядра приближённо пропорциональна массовому числу А. Основанная на этой модели полуэмпирич. Вайцзеккера формула (1935) передаёт осн. зависимости энергии связи от А и Z.

Открытие в 1939 О. Ганном (О. Hahn) деления ядер утвердило капельную модель. Она была успешно применена Н. Бором (N. Bohr) для объяснения деления как результата конкуренции поверхностной и кулоновской энергий деформирующейся, а затем и делящейся капли. Открытие деления послужило мощным толчком для развития Я. ф. Сама же физика деления выделилась в отд. область Я. ф., в к-рой используются специфич. эксперим. и теоретич. методы.

Анализ ядерных масс позволил обнаружить в лёгких ядрах (А < 40) повышенную энергию связи ядер с N=Z = A/2 = 2n (n - целое число), к-рые как бы состоят из a-частиц. Этот факт интерпретировался с помощью возникшей также в 30-х гг. ядерной модели, согласно к-рой такие ядра состоят из a-частиц, взаимодействующих друг с другом. Повышенная энергия связи a-частиц объясняет большую (по сравнению с соседними ядрами) энергию связи a-частичных ядер. Усовершенствованный вариант этой модели наз. нуклонных ассоциаций моделью .Эта модель с успехом применяется, в частности, для объяснения свойств лёгких ядер (⁸Ве, ¹²С и т. д.).

В т. н. магических ядрах, отвечающих нек-рым значениям N и Z (2, 8, 20, 50, 82, 126), наблюдались сильные отклонения от ф-лы Вайцзеккера - аномально большие значения энергии связи. Для объяснения существования магич. ядер была выдвинутаоболочечная модель ядра, согласно к-рой магич. числа отвечают заполнению нуклонных уровней в нек-рой потенц. яме - ср. ядерном поле.

Однако все предложенные варианты ядерной потенц. ямы не давали правильных значений магич. чисел. Они были получены лишь в 40-50-х гг. М. Гёпперт-Майер (М. Goeppert-Mayer) и И. X. Йенсеном (J. Н. Jensen), включившими в это поле спин-орбитальное взаимодействие нуклонов.

Для объяснения прямых ядерных  реакций, идущих с временами 10^-23-10^-22 с, была сформулирована оптическая модель ядра ,описывающая рассеяние частиц на ядрах. При описании ядерных реакций, идущих через составное ядро, использовались теория резонансных ядерных процессов и статистическая теория ядра. Понимание роли ядерных реакций в эволюции звёздпривело к формированию ядерной астрофизики. В качестве осн. источника энергии звёзд рассматриваются реакции синтеза лёгких элементов, а к образованию тяжёлых элементов приводят разнообразные и длинные цепочки ядерных превращений (см.Нуклеосинтез).

Бурное развитие испытала Я. ф. в кон. 40-х и в 50-х гг. в  связи с созданием и усовершенствованием  ядерного оружия и возникновением ядерной энергетики. Появились новые типы ускорителей заряженных частиц, позволяющие получать потоки частиц всё более высоких энергий и имеющие хорошее энергетич. и угл. разрешение. Началось строительствоисследовательских реакторов - источников мощных пучков нейтронов.

Интенсивное накопление эксперим. данных о свойствах ядер стимулировало  их теоретич. осмысление. Оболочеч-ная  модель качественно объясняла наличие  изомерии, магн. и квадрупольные моменты ядер и др. Однако обнаружился ряд низколежащих ядерных состояний, g-пере-ходы между к-рыми имеют интенсивности, во много раз превышающие предсказания теории. Для объяснения этой аномалии было введено представление о коллективных переходах и коллективных возбуждениях ядер, приведшее к созданию О. Бором (A. Bohr) и Б. Моттельсоном (В. R. Mottelson) в 1952 к о л л е к т и в н о й модели ядра. Они же (и независимо Дж. Рейнуотер, J. Rainwater) предположили существование несферич. деформированных ядер, что позволило успешно описать спектры и вероятности переходов в ядрах редкоземельных элементов (150<=A<=180) и актинидов (А>=220). Успешной оказалась модифицированная модель Гёпперт-Майер - Йенсена для деформир. ядер (модель Нильссона).

Успех разл. феноменологич. моделей ядра делал важным их теоретич. обоснование. Так, было неясно происхождение  оболочек в системе с сильным короткодействием, а также как сочетаются столь противоречивые по физ. картине капельная иоболочечная модели ядра. Коллективная модель Бора - Моттельсона опиралась на капельную модель, однако вводимые в ней параметры - жёсткость ядра и т. н. массовый коэф.,- извлекаемые из опыта, сильно отличались от предсказаний капельной модели. Лишь в кон. 50-х - нач. 60-х гг. развитие квантовой теории многих частиц привело к пониманию этих вопросов и к созданию совр. теории ядра. Большую роль в этом сыграли теория ядерной материи К. Бракнера (К. Brueckner) и теория конечных ферми-систем (ТКФС) А. Б. Мигдала. Теория Бракнера была одним из первых примеров практич. применения диаграммной техники (см. Фейнмана диаграммы)к реальным ядрам и позволила рассчитать объёмный член в энергии связи ядра и глубину ср. ядерного потенц. поля, исходя из известного потенциала взаимодействия свободных нуклонов. ТКФС близка к теории ферми-жид-кости (см. Квантовая жидкость ),основанной на концепции квазичастиц и оперирующей эфф. взаимодействием между ними (последнее задаётся с помощью неск. параметров, извлекаемых из опыта). Самосогласованная ТКФС и близкий к ней Хартри - Фока метод с эфф. силами позволяют путём введения неск. констант, универсальных для всех ядер (кроме самых лёгких), рассчитать большое число ядерных явлений с точностью, адекватной точности экспериментов.

Тесные связи  между Я. ф. и физикой твёрдого тела возникали неоднократно. Так, созданная в 1958 Дж. Бардином (J. Bardeen), Л. Купером (L. Cooper) и Дж. Шриффе-ром (J. Schrieffer) теория сверхпроводимости в металлах подтолкнула Бора и Моттельсона, а также (независимо) Дж. Валатина (J. Valatin) выдвинуть гипотезу о сверхтекучести атомных ядер. Созданный в это же время Н. Н. Боголюбовым для описания сверхпроводимости метод и - u-преобразования послужил основой сверхтекучей модели ядра (В. Г. Соловьёв, С. Т. Беляев). Важную роль в понимании значения сверхтекучести и взаимодействия между квазичастицами в коллективных свойствах ядер сыграла микроскопич. теория квадрупольных ядерных возбуждений (С. Т. Беляев, 1959). Коллективная модель интерпретировала эти возбуждения как поверхностные колебания, в то время как микроскопич. теория приводила к объёмным колебаниям - аналогу нулевого звука в фер-ми-жидкости. Это противоречие было устранено в 1972 В. А. Ходелем, показавшим, что согласование между ср. полем ядра и эфф. взаимодействием квазичастиц приводит к тому, что решения микроскопич. ур-ний для коллективных возбуждений имеют вид "квантовых капиллярных волн" - квантовых аналогов классич. колебаний жидкой капли. Их волновая ф-ция сосредоточена в осн. на поверхности ядра, но имеет и большие объёмные компоненты. Эта теория позволяет также правильно рассчитать параметры феноменологич. коллективной модели.

Развитие диаграммной  техники сыграло большую роль и в теории прямых ядерных реакций; оно привело к созданию т. н. диаграммного дисперсионного метода (И. С. Шапиро). В  статистич. теории ядра и в теории резонансных реакций большую роль сыграл подход, развитый Г. Фешбахом (Н. Feshbach) и названный единой теорией ядерных реакций.

Существенно отличается по физ. идеям и методам физика легчайших ядер - малонуклонных систем (А< 4). В этих случаях пытаются точно решить уравнение Шрёдингера для А нуклонов, взаимодействующих посредством известного NN-потенциала (см. Ядерные силы). Теория одного из простейших ядер - дейтрона - была построена ещё в 30-х гг. В 60-х гг. были развиты методы точного решения проблемы 3 тел: ур-ния Фаддеева, метод гиперсферич. ф-ций и др., позволившие построить нерелятивистскую теорию тритона ³Н и ядра ³Не. Незначительные (порядка 5%) отличия рассчитанной энергии связи этих ядер от экспериментальной позволили оценить величину 3-частич-ных ядерных сил. Их вклад в энергии связи более тяжёлых (более плотных) ядер должен быть больше и, по оценкам, может достигать 10-15%. Применение аналогичных методов для более тяжёлых ядер (обобщение ур-ния Фаддеева для систем с А>3 наз. ур-нием Фаддеева-Якубовского) практически осуществлено лишь для a-частицы (ядро ⁴Не).

Новый этап в  теории ядра связан с развитием в 70- 80-х гг. квантовой хромодинамики (КХД) как теории сильных взаимодействий. Согласно этой теории, нуклоны и мезоны не являются истинно элементарными частицами, а состоят из более фундаментальных частиц: кварков (фер-мионов) и глюонов (бозонов), взаимодействующих между собой. Последовательная теория КХД нуклона пока не построена. Поэтому рано говорить о теории ядра, основанной на КХД. Однако мн. представления КХД и квар-ковые модели адронов позволили описать ядерные реакции под воздействием частиц высоких энергий, сопровождающиеся большой передачей энергии и импульса. При этом ожидалось, что ядро должно вести себя как система свободных нуклонов и что трудно найти специфически ядерные эффекты КХД. Но такой эффект был обнаружен в 1982 Европ. мюонной коллаборацией (эффект ЕМС). Он заключается в значительном (до 15 %) отличии сечения глубоко неупругого процессарассеяния мюонов с энергиями порядка 100 ГэВ на ядре Fе (в расчёте на нуклон) от сечения на свободном нуклоне. До сих пор нет однозначной интерпретации этого явления, однако во всех существующих объяснениях решающую роль играют чисто ядерные эффекты. Эффект ЕМС оказался важным тестом для КХД моделей нуклона: оказалось, что нек-рые модели не могут описать этот эффект, не вступая в сильное противоречие с др. ядерными свойствами. Обнаружено неск. ЕМС-подобных эффектов, и возникла новая область-релятивистская ядерная физика, объединяющая Я. ф. с физикой элементарных частиц.

Новая область  Я. ф. возникла в связи с созданием ускорителей тяжёлых ионов-физика я д р о-я д е р н ы х в з аи м о д е й с т в и й. При изучении столкновений ядер низких и ср. энергий ( /А<10-20 МэВ) были обнаружены слияние и квазиделение ядер, мультифрагментация. Последнюю связывают с фазовым переходом жидкость - газ, происходящим при нагревании ядерной материи. При взаимодействии ядер ультрарелятивистских энергий ищут проявления др. гипотетич. фазовых переходов в ядерном веществе: p-конденсатный фазовый переход, переход ад-ронной материи в кварк-глюонную плазму и др.

Капельная модель ядра отражает основное свойство ядерных сил- коротко действие и связанное с ним свойство насыщения. Вследствие короткодействия нуклоны в     ядре сильно взаимодействуют только с ближайшими соседями, из-за чего энергия связи ядра приближённо пропорциональна массовому числу   А.Основанная на этой модели полуэмпирич. Вайцзеккера формула (1935) передаёт осн. зависимости энергии связи от А и Z.

Открытие в 1939 О. Ганном (О. Hahn) деления ядер утвердило капельную модель. Она была успешно применена Н.Бором (N. Bohr) для объяснения деления как ре-    зультата конкуренции поверхностной и кулоновской энергий деформирующейся ,а затем и делящейся капли. Открытие деления послужило мощным толчком для развития Я. ф. Сама же физика деления выделилась в отд. область Я. ф., в которой ис-   пользуются специфические эксперименты и теоретические методы.

Анализ ядерных  масс позволил обнаружить в лёгких ядрах (А < 40) повышенную энергию связи ядер с N=Z = A/2 = 2n (n - целое число), которые как бы состоят из a-частиц. Этот факт интерпретировался с помощью возникшей также в 30-х гг. ядерной модели, согласно которой такие ядра состоят из a-частиц, взаимодействующих друг с другом. Повышенная энергия связи a-частиц объясняет большую (по сравнению с соседними ядрами) энергию связи a-частичных ядер. Усовершенствованный вариант этой модели наз. нуклонных ассоциаций моделью .Эта модель с успехом применяется, в частности, для объяснения свойств лёгких ядер (⁸Ве, ¹²С и т. д.).