Глава 1. Место и значение ядерной физики

А | Б | В | Г | Д | Е | Ж | З | И | К | Л | М | Н | О | П | Р | С | Т | У | Ф | Х | Ц | Ч | Ш | Щ | Э | Ю | Я

 
 
 

Предмет ядерной физики

Ядерная физика изучает:

  • структуру и свойства ядер;
  • законы изменения и превращения ядер;
  • свойства ядерных сил;
  • закономерности ядерных реакций;
  • взаимодействие ядерного излучения с веществом;
  • физику элементарных частиц.

Ядерная физика обогатила науку новыми знаниями и позволила глубже проникнуть в тайны природы. Идеи и факты, полученные при изучении ядерных процессов, меняют наши представления об окружающем мире. Концепции, развитые в ядерной физике, позволили понять образование химических элементов и их изотопов, процессы энергетики Солнца, параметры нейтронных звезд и многое другое. Ядерная физика нашла широкое применение в энергетике, в различных областях науки, ускорила научно-технический прогресс.

Ядерная физика оказала существенное влияние на мировоззрение людей. Наличие арсенала ядерного оружия оказывает влияние на внешнюю и внутреннюю политику государств.

Ядерная физика проникла в различные области знаний и должна быть известна не только физикам. Знания основных закономерностей ядерной физики обогатят инженеров и научно-технических работников многих специальностей. Химик и геолог, использующие ядерные методы анализа; медик, применяющий радиоактивные препараты в диагностике или лечении заболеваний, или инженер, проектирующий АЭС, не испытывают необходимости в понятии изоспинового пространства или электронн-мюонной универсальности. Однако их работа будет более плодотворной, если они будут знакомы с основами ядерной физики.

Основные этапы развития ядерной физики:

Последующие годы посвящены построению единой теории, объединяющей сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия.

Масштабы и единицы измерений физических величин

Объекты микромира – атомы, ядра и элементарные частицы подчиняются законам в значительной мере отличающимся от законов макромира.

Все законы, действующие в микромире, распространяются и на макромир. Однако, благодаря другому масштабу физических объектов форма и особенности этих законов изменяется и принимают вид хорошо известных законов макромира. Таким образом, квантово механические законы микромира являются более общими. Однако для объектов макромира они дают уточняющие поправки к классической механике, которые являются очень малыми и несущественными.

Представление о порядке величин, встречающихся при изучении различных объектов, даёт рисунок 1.1 (а, б, в).

Рисунок 1.1(а). Характерые расстояния. Область расстояний, меньших примерно 10−17 м, не исследована.
В настоящее время неизвестно, будут ли открыты новые типы сил и новые явления в этой области.

Рисунок 1.1(б). Характерые величины значения энергии. Также приведены значения температур, соответствующих указанным энергиям.

Рисунок 1.1(в). Характерые значения плотностей.

Рассмотрим масштабы и единицы величин, характерных для ядерной физики.

Длина. Радиус атома имеет величину порядка 10−8 см. Эта величина характеризует радиус орбиты наружных электронов. Радиус ядра имеет величину порядка 10−12 −10−13 см. Расстояние 10−13 см получило название 1 ферми (фм).

Энергия. В качестве единицы энергии широко используется электронвольт (эВ). 1 эВ представляет собой энергию, приобретаемую электроном, ускоренным разностью потенциалов в 1 вольт. Энергия связи протонов и нейтронов в ядре равна в среднем 8×106 эВ = 8 МэВ.

Масса. Масса отражает инерционные и гравитационные свойства частиц. Массой определяется также имеющийся в частице запас энергии. Согласно специальной теории относительности, энергия E, масса m и импульс свободной частицы p связаны следующим соотношением:

Е2 = р2с2 + m2c2. (1.1)

Связ между энергией, массы и импульсом показывает, что полная энергия частицы состоит из двух частей: независимой от движения (энергии покоя mc2) и зависящей от импульса. Если частица не имеет массы покоя, то связь между энергией и импульсом имеет вид:

Е = рс. (1.2)

Если частица с неравной нулю массой покоя покоится, то мы имеем знаменитую формулу:

Е = mc2. (1.3)

Именно из рассмотрения последних трех формул ясно, почему в ядерной физике удобны единицы эВ/с2 для массы и эВ/с для импульса.

Масса ядра и атома в ядерной физике часто измеряется в атомных единицах массы. За одну атомную единицу массы (а.е.м.) принимается 1/12 часть массы атома углерода.

"О специальной теории относительности и о том, как Эйнштейн получил свою знаменитую формулу"

Время. В ядерной физике, где действуют законы микромира, и масштабы времен отличаются от привычных нам. Характерным или ядерным временем принято считать время, за которое частица, движущаяся со скоростью света, пересечет ядро по диаметру. Оно принимается равным 10−23 с.

Особенности физических явлений в микромире

Дискретность. Основные параметры элементарных частиц, такие как масса и заряд, для каждого рода частиц являются неизменными и строго определенными. Принцип тождественности частиц является характерной чертой микромира и атомизма.

Атомы и ядра являются сложными частицами. Однако, поскольку они состоят из вполне определенных элементарных частиц, их параметры также обладают квантовыми (дискретными) свойствами. Ядро, состоящее из протонов и нейтронов, характеризуется рядом параметров. Изменяться эти параметры могут только скачкообразно (дискретно). Это совершенно понятно для таких параметров как масса и заряд. Однако и внутренне энергетическое состояние ядра изменяется только дискретно. Состояние с наименьшей возможной энергией называется основным или нормальным (основным). Остальные состояния с большими энергиями называются возбужденными. Дискретность состояний сложных частиц является одной из важнейших особенностей микромира. Она доказана прямыми опытами Франка и Герца по упругому и неупругому рассеянию электронов, опытами Штерна и Герлаха по измерению магнитных моментов атомов и другими.

Корпускулярно-волновой дуализм. Новым отличительным свойством, обнаруженным у частиц микромира, является одновременное наличие у одной и той же частицы как корпускулярных, так и волновых свойств. Впервые дуализм был обнаружен у квантов электромагнитного излучения, а позднее у электронов и других элементарных частиц. Более подробную информацию, вы можете скачать здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ).

Согласно теории М. Планка энергия кванта электромагнитного излучения определяется соотношением:

E = hν, (1.4)
где ν – частота излучения, h – постоянная Планка.

С позиций классической механики свойства частицы и свойства волны несовместимы. В поисках выхода Луи де Бройль выдвигает гипотезу, согласно которой каждой частице с импульсом p можно поставить в соответствие некоторую волну с длиной λ, частотой и волновым числом k = 2π / λ. Соотношение де Бройля можно записать в следующем виде:

λp = h. (1.5)

Дальнейшее развитие вопроса о дуализме привело к созданию квантовой теории поля, которая обобщает выводы о корпускулярной и волновой природе частиц. Более подробную информацию вы можете посмотреть здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ).

Соотношения неопределенностей. Доказанный экспериментально корпускулярно волновой дуализм проявил сложности в описании состояния системы частиц. По законам классической механики всякая частица в любой момент времени занимает строго определенное место в пространстве и обладает определенным импульсом. Волновые свойства вносит значительные ограничения в возможность такого описания системы микрочастиц. Эти свойства вносят неопределенность в описание параметров частиц.

Квантовая механика показала, что неопределенности в координате (Δx) и в импульсе (Δp) связаны соотношением неопределенности Гейзенберга:

Δx∙Δp ≥ ћ. (1.6)

Это соотношение показывает, что в квантовой механике утрачивается привычное представление о траектории.

Кроме соотношения неопределенности для координаты и импульса, в квантовой физике существует связанное с ним соотношение неопределенности для энергии E и времени t:

ΔE∙Δt ≥ ћ. (1.7)

Энергия системы, находящейся в возбужденном состоянии в течение времени Δt, не может иметь точного значения. Неопределенность величины энергии ΔE называется шириной возбужденного уровня. Время Δt, в течение которого атом находится в возбужденном состоянии, называется средним временем жизни. Чем меньше среднее время жизни атома в данном состоянии, тем больше неопределенность в энергии этого состояния. Более подробную информацию, вы можете скачать здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ).

Связь ядерной физики и квантовой механики очевидна.

"Об обитателях микромира и о законах, которым подчиняются микрочастицы"
 

А | Б | В | Г | Д | Е | Ж | З | И | К | Л | М | Н | О | П | Р | С | Т | У | Ф | Х | Ц | Ч | Ш | Щ | Э | Ю | Я