История ядерной физики

Содержание

 

1. Вступление. История ядерной физики……………………………………2
2. Биография Эрнеста Резерфорда…………………………………………...5
3. Закон радиоактивного распада…………………………………………..11
4. Ядерная модель атома…………….………………………………………14
5. Достижения резерфорда………………………………………………….18
6. Вывод………………………………………………………………………20
7. Список литературы……………………………………………………….21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступление. История ядерной физики.

 

В начале XX века физика столкнулась с серьёзными проблемами. Начали возникать противоречия между  старыми моделями и эмпирическим опытом. Так,  например, наблюдались  противоречия между классической механикой  и  электродинамикой при попытках измерить скорость света. Выяснилось, что она не зависит от системы  отсчёта. Физика того времени также  была неспособна описать некоторые  микроэффекты, такие как атомные спектра излучений, фотоэффект, эффект Комптона, энергетическое равновесие электромагнитного излучения и вещества. Таким образом, была необходима новая физика.[1]

В ядерной физике (как  и во всей современной физике) существует резкое разделение эксперимента и теории. Арсенал экспериментальных средств  ядерной физики разнообразен и технически сложен. Его основу составляют ускорители заряженных частиц (от электронов до многозарядных  ионов), ядерные реакторы, служащие мощными источниками нейтронов, и детекторы ядерных излучений, регистрирующие продукты ядерных реакций. Для современного ядерного эксперимента характерны большие интенсивности  потоков ускоренных заряженных частиц или нейтронов, позволяющие исследовать  редкие ядерные процессы и явления, и одновременная регистрация  нескольких частиц, испускаемых в  одном акте ядерного столкновения. Множество данных, получаемых в одном  опыте, требует использования ЭВМ, сопрягаемых непосредственно с  регистрирующей аппаратурой. Сложность  и трудоёмкость эксперимента приводит к тому, что его выполнение часто  оказывается посильным лишь большим  коллективам специалистов.

Для теоретической  ядерной физики характерна необходимость  использования аппаратов разнообразных  разделов теоретической физики: классической электродинамики, теории сплошных сред, квантовой механики, статистической физики, квантовой теории поля. Центральная  проблема теоретической ядерной физики - квантовая задача о движении многих тел, сильно взаимодействующих друг с другом. Теорией ядра и элементарных частиц были рождены и развиты новые направления теоретической физики (например, в теории сверхпроводимости, в теории химической реакции), получившие впоследствии применение в других областях физики и положившие начало новым математическим исследованиям (обратная задача теории рассеяния и её применения к решению нелинейных уравнений в частных производных) и др. Развитие теоретических и экспериментальных ядерных исследований взаимозависимо и тематически связано. Стоящие перед ядерной физикой проблемы слишком сложны и лишь в немногих случаях могут быть решены чисто теоретическим или эмпирическим путём. Ядерная физика оказала большое влияние на развитие ряда других областей физики (в частности, астрофизики и физики твёрдого тела) и других наук (химии, биологии, биофизики).

Прикладное значение ядерной физики в жизни современного общества огромно, её практические приложения фантастически разнообразны - от ядерного оружия и ядерной энергетики до диагностики  и терапии в медицине. Вместе с  тем она остаётся той фундаментальной  наукой, от прогресса которой можно  ожидать выяснения глубоких свойств  строения материи и открытия новых  общих законов природы.[2]

Эрнеста Резерфорда заслуженно называют отцом ядерной физики и величайшим физиком-экспериментатором ХХ столетия. Резерфорд первым понял, как устроен атом, первым идентифицировал протон как самостоятельную элементарную частицу (и дал ему имя) и первым же осуществил искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород. Исследования его учеников и сотрудников привели к изобретению ионизационного счетчика заряженных частиц (Иоганнес Гейгер), выявлению взаимосвязи между местом элемента в таблице Менделеева и спектром его рентгеновского излучения (Генри Гвин Мозли), созданию линейного ускорителя протонов и использованию его для расщепления атомного ядра и искусственного получения радиоактивных изотопов (Джон Кокрофт и Томас Уолтон), открытию нейтрона (Джеймс Чедвик), выделению гелия-3 и трития (Маркус Олифант и Пауль Хартек), получению сверхсильных магнитных полей (Петр Капица) – и это далеко не полный список. И хотя в старости Резерфорд не избежал тревог и разочарований, в молодые и зрелые годы он с полным правом мог считаться баловнем фортуны. [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биография Эрнеста Резерфорда

 

Английский физик  Эрнест Резерфорд родился в Новой  Зеландии, неподалеку от г. Нельсона. Он был одним из 12 детей колесного  мастера и строительного рабочего Джеймса Резерфорда, шотландца по происхождению, и Марты (Томпсон) Резерфорд, школьной учительницы из Англии. Сначала  Резерфорд посещал начальную  и среднюю местные школы, а  затем стал стипендиатом Нельсон-колледжа, частной высшей школы, где проявил  себя талантливым студентом, особенно по математике. Благодаря успехам  в учебе Резерфорд получил  ещё одну стипендию, которая позволила  ему поступить в Кентербери-колледж  в Крайстчерче, одном из крупнейших городов Новой Зеландии.

В колледже на Резерфорда оказали большое влияние его  учителя: преподававший физику и  химию Э. У. Бикертон и математик  Дж. Х. Х. Кук. После того как в 1892 г. Резерфорду была присуждена степень  бакалавра гуманитарных наук, он остался  в Кентербери-колледже и продолжил  свои занятия благодаря полученной стипендии по математике. На следующий  год он стал магистром гуманитарных наук, лучше всех сдав экзамены по математике и физике. Его магистерская работа касалась обнаружения высокочастотных  радиоволн, существование которых  было доказано около десяти лет назад. Для того чтобы изучить это  явление, он сконструировал радиоприемник (за несколько лет до того, как  это сделал Гульельмо Маркони) и  с его помощью получал сигналы, передаваемые коллегами с расстояния полумили.

 В 1894 г. Резерфорду  была присуждена степень бакалавра  естественных наук. В Кентербери-колледже  существовала традиция: любой студент,  получивший степень магистра  гуманитарных наук и оставшийся  в колледже, должен был провести  дальнейшие исследования и получить  степень бакалавра естественных  наук. Затем Резерфорд в течение  недолгого времени преподавал  в одной из мужских школ  Крайстчерча. Благодаря своим  необыкновенным способностям к науке Резерфорд был удостоен стипендии Кембриджского университета в Англии, где он занимался в Кавендишской лаборатории, одном из ведущих мировых центров научных исследований.

 В Кембридже  Резерфорд работал под руководством  английского физика  Дж. Дж. Томсона.  На Томсона произвело глубокое  впечатление проведенное Резерфордом  исследование радиоволн, и он  в 1896 г. предложил совместно  изучать воздействие рентгеновских  лучей (открытых годом ранее   Вильгельмом Рёнтгеном) на электрические  разряды в газах. Их сотрудничество  увенчалось весомыми результатами, включая открытие Томсоном электрона  – атомной частицы, несущей  отрицательный электрический заряд.  Опираясь на свои исследования, Томсон и Резерфорд выдвинули  предположение, что, когда рентгеновские  лучи проходят через газ, они  разрушают атомы этого газа, высвобождая  одинаковое число положительно  и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы они назвали ионами. После этой работы Резерфорд  занялся изучением атомной структуры. 

 В 1898 г. Резерфорд  принял место профессора Макгиллского  университета в Монреале (Канада), где начал серию важных экспериментов,  касающихся радиоактивного излучения  элемента урана. Вскоре он открыл  два вида этого излучения: испускание  альфа-лучей, проникающих только  на короткое расстояние, и бета-лучей,  которые проникают на значительно  большее расстояние. Затем Резерфорд  обнаружил, что радиоактивный  торий испускает газообразный  радиоактивный продукт, который  он назвал «эманация» (испускание).

Дальнейшие исследования показали, что два других радиоактивных  элемента – радий и актиний  – также производят эманацию. На основании этих и других открытий Резерфорд пришел к двум важным для  понимания природы радиации выводам: все известные радиоактивные  элементы испускают альфа- и бета-лучи, и, что еще более важно, радиоактивность  любого радиоактивного элемента через  определённый конкретный период времени уменьшается. Эти выводы дали основание предполагать, что все радиоактивные элементы принадлежат к одному семейству атомов и что в основу их классификации можно положить период уменьшения их радиоактивности.

 Опираясь на  дальнейшие исследования, проведенные  в Макгиллском университете в  1901-1902 гг., Резерфорд и его коллега   Фредерик Содди изложили основные  положения созданной ими теории  радиоактивности. В соответствии  с этой теорией радиоактивность  возникает тогда, когда атом  отторгает частицу самого себя, которая выбрасывается с огромной  скоростью, и эта потеря превращает  атом одного химического элемента  в атом другого. Выдвинутая  Резерфордом и Содди теория  вступала в противоречие с  рядом ранее существовавших представлений,  включая признаваемую всеми долгое  время концепцию, согласно которой  атомы являются неделимыми и  неизменяемыми частицами. Резерфорд  провел дальнейшие эксперименты  для получения результатов, которые  подтвердили выстраиваемую им  теорию. В 1903 г. он доказал, что  альфа-частицы несут положительный  заряд. Поскольку эти частицы  обладают измеримой массой, «выбрасывание»  их из атома имеет решающее  значение для превращения одного  радиоактивного элемента в другой. Созданная теория позволила Резерфорду  также предсказать, с какой  скоростью различные радиоактивные  элементы будут превращаться  в то, что он называл дочерним  материалом. Ученый был убежден,  что альфа-частицы неотличимы  от ядра атома гелия. Подтверждение  этому было получено, когда Содди,  работавший тогда с английским  химиком  Уильямом Рамзаем,  открыл, что эманация радия содержит  гелий, предполагаемую альфа-частицу. 

В 1907 г. Резерфорд, стремясь находиться ближе к центру научных  исследований, занял пост профессора физики в Манчестерском университете (Англия). С помощью  Ганса Гейгера, который впоследствии прославился  как изобретатель счётчика Гейгера, Резерфорд создал в Манчестере школу  по изучению радиоактивности.

 В 1908 г. Резерфорду  была присуждена Нобелевская  премия по химии «за проведенные  им исследования в области  распада элементов в химии  радиоактивных веществ». В своей  вступительной речи от имени  Шведской королевской академии  наук К. Б. Хассельберг указал  на связь между работой, проведенной  Резерфордом, и работами Дж. Дж. Томсона,  Анри Беккереля,  Пьера  и  Марии Кюри. «Открытия привели  к потрясающему выводу: химический  элемент... способен превращаться  в другие элементы», – сказал  Хассельберг. В своей Нобелевской  лекции Резерфорд отметил: «Есть  все основания полагать, что альфа-частицы,  которые так свободно выбрасываются  из большинства радиоактивных  веществ, идентичны по массе  и составу и должны состоять  из ядер атомов гелия. Мы, следовательно,  не можем не прийти к заключению, что атомы основных радиоактивных  элементов, таких, как уран  и торий, должны строиться,  по крайней мере частично, из  атомов гелия».

После получения Нобелевской  премии Резерфорд занялся изучением  явления, которое наблюдалось при  бомбардировке пластинки тонкой золотой фольги альфа-частицами, излучаемыми  таким радиоактивным элементом, как уран. Оказалось, что с помощью  угла отражения альфа-частиц можно  изучать структуру устойчивых элементов, из которых состоит пластинка. Согласно принятым тогда представлениям, модель атома была подобна пудингу с  изюмом: положительные и отрицательные  заряды были равномерно распределены внутри атома и, следовательно, не могли  в значительной мере изменять направление  движения альфа-частиц. Резерфорд, однако, заметил, что определенные альфа-частицы  отклонялись от ожидаемого направления  в значительно большей степени, чем это допускалось теорией. Работая с  Эрнестом Марсденом, студентом  Манчестерского университета, ученый подтвердил, что довольно большое  число альфа частиц отклоняется  дальше, чем ожидалось, причем некоторые  под углом более чем 90 градусов.

 

 Размышляя над  этим явлением, Резерфорд в 1911 г. предложил новую  модель  атома. Согласно его теории, которая  сегодня стала общепринятой, положительно  заряженные частицы сосредоточены  в тяжелом центре атома, а  отрицательно заряженные (электроны)  находятся на орбите ядра, на  довольно большом расстоянии  от него. Эта модель, подобна крошечной  модели Солнечной системы, подразумевает,  что атомы состоят главным  образом из пустого пространства. Широкое признание теорий Резерфорда  началось с 1913 г., когда к работе  учёного в Манчестерском университете  подключился датский физик   Нильс Бор. Бор показал, что  в терминах предлагаемой Резерфордом  структуры могут быть объяснены  общеизвестные физические свойства  атома  водорода, а также атомов  нескольких более тяжёлых элементов. 

Когда разразилась  первая мировая война, Резерфорд  был назначен членом гражданского комитета Управления изобретений и исследований британского Адмиралтейства и изучал проблему определения местонахождения  подводных лодок с помощью  акустики. После войны он вернулся в манчестерскую лабораторию  и в 1919 г. сделал еще одно фундаментальное  открытие. Изучая структуру атомов водорода с помощью бомбардировки  их альфа-частицами, обладающими высокой  скоростью, он заметил на своем детекторе  сигнал, который можно было объяснить  как результат того, что ядро атома  водорода пришло в движение вследствие столкновения с альфа частицей. Однако точно такой же сигнал появлялся  и когда ученый заменил атомы  водорода атомами азота. Резерфорд  объяснил причину этого явления  тем, что бомбардировка вызывает распад устойчивого атома. Т.е. в  процессе, аналогичном естественно  происходящему распаду, который  вызывается радиацией, альфа частица  выбивает единственный протон (ядро атома  водорода) из устойчивого при нормальных условиях ядра атома азота и придает  ему чудовищную скорость. Еще одно свидетельство в пользу такого толкования этого явления было получено в 1934 г., когда  Фредерик Жолио и  Ирен Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.