Начальный этап развития ядерной физики

Лекция1

Физика ядра и элементарных частиц

Начальный этап развития ядерной физики

История ядерной физики начинается с 1885 года - в это время были открыты рентгеновские лучи, которые сразу нашил своё применение. Однако, физическая природа рентгеновских лучей была не понята, не выясненной.

На одной из конференций, где выступали ведущие ученые, присутствовал Антуан Беккерель. Ему особенно понравился доклад Пуанкаре, который высказал идею о том, что рентгеновские лучи являются люминесцентными (свечение веществ под действием света). Беккерель брал дома минералы из коллекции своего отца, помещал на подоконник под действие солнечных лучей, а затем в темное место рядом фотопластинкой. В результате оказалось: есть некоторые вещества, которые оставляют след на этой пластинке. Общее у всех этих камней было то, что они все содержали уран. Оказалось, что минералы, содержащие уран, и без воздействия солнца засвечивают фотопластинку, и то, что они ионизируют воздух. А различие состоит в том, что рентгеновские лучи не реагировали на действие электронного и магнитного поля, а лучи открытые Беккерелем реагировали на действие электронного поля.

Далее появилась фигура Марии Складовской-Кюри. Суть ее работ состояла в том, что ей удалось найти элементы, которые вели себя так же, как и уран. Она открыла такие элементы, которые сейчас мы называем полоний и радий (с греческого языка радий -0 лучистый). Это название было связанно с тем, что интенсивность его излучения была очень большая. Отсюда и пошло название радиоактивный луч.

Второй заслугой Марии Складовской-Кюри можно считать доказательство того, что радиоактивное излучение происходит на уровне атома, а не молекулы. Далее исследования связаны с именем Эрнста Резерфорда. Он исследовал действие электронных и магнитных полей на радиоактивный луч.

Резерфорд исследовал действие электрического и магнитного полей на рентгеновский луч. Смотрите на рисунке:

лучи – это оказалось дважды ионизированные атомы Илия

лучи – отрицательным электрическим зарядом – электроном (поток элементов)

лучи – электромагнитные волны с очень малой частотой

Встал вопрос: как устроен атом?

Представления об атоме в школе было связано моделью атома по Томсону – положительно заряженный шарик, внутри которого вкраплены электроны. Объяснялось явление электропроводимость, теплопроводимость все хорошо подтверждалось экспериментами.

Резерфорд решил подтвердить правильность этой модели, и провел опыт, который сейчас называется опыт Резерфорда.

Резерфорд выделил -пучок и направил его на тонкую металлическую пластинку. Всё это поместил внутрь сферы из стекла. А поверхность внутри была покрыта сернистым цинком (ZnS). При попадании -частиц о кристалл ZnS появлялась небольшая световая вспышка, которую хорошо можно было увидеть в микроскоп. Опыт Резерфорда изображен на рисунке:

Результат: большинство -частиц пролетают через фольгу и никак не отклоняются. Однако встречаются частички, которые рассеиваются.

Чем больше угол , тем меньше рассеянных -частиц. Встречались частицы, которые отбрасывались назад 1 из 5 тысяч. Такое поведение -частиц нельзя было описать исходя из представление модели атомов по Томсону. После рассуждения Резерфорд предлагает свою модель строения атома, которая получала название планетарной. Резерфорд вводит понятие ядра. Согласно Резерфорду у любого атома есть ядро, размеры которого намного меньше, чем размеры атома. В этом ядре сосредоточена практически вся масса и весь положительный заряд. Электроны находятся вне ядра на орбитах.

Для доказательства правильности своей планетарной модели Резерфорд строит модель того, что происходит при происхождении -частиц через пластинку (То есть модель процессе рассеивания -частиц).

Лекция№2

В основу модели Резерфорда полагает 3 постулата:

1. атом имеет планетарное строение

2. при прохождении -частицы через пластинку, -частица взаимодействует только с ядром (это взаимодействие носит Кулоновский характер)

3. при взаимодействии -частиц и ядра ядро остается неподвижным (так как его масса много больше массы -частицы). А вот направление движения меняет только -частица под действием возникших сил.

Соответственно такая частица обладает кинетической энергией.

Рассмотрим случай в момент, когда находится в свободном движении. Заряд ядра обозначается через Ze.

При приближении -частиц к ядру возникают электрические силы, под действием которых траектория движения -частицы имеют вид гиперболы. Движение -частицы в поле ядра – это движение в поле центральных сил. А движение такого рода было хорошо изучено еще в XIX веке. Траектория движения в этом случае представляет собой одной из конических сечений (просмотр в разделе теоретической механики).

При движении в центральных полях выполняется сохранение энергии:

В момент вылета из ядра обладает только потенциальной силой:

(по модулю, но по направлению разные)

В данном случае произошло изменение импульса -частиц за счет направления

- угол рассеивания

С другой стороны из курса теоретической механики известно:

Для сведения этого выражения к скалярному виду, запишем выражение проекций на направление

Проведем через ядро прямую, параллельную и угол обозначим через (в принципе -полярный угол в полярной системе координат)

где

при t=0

где и

где rvm - момент импульса

При движении в центральных полях момент импульса остается величиной постоянной.

Эту формулу называют первой формулой Резерфорда. Однако экспериментально проверить это оказалось невозможно. Трудность составило измерить

Вывод второй формулы Резерфорда связан с ответом на вопрос: какова вероятность того, что произвольно взятая частица после прохождения через фольгу попадет в интервал от до

Для ответа на этот вопрос пронаблюдаем за N частицами (чем больше, тем лучше). И какое-то количество попадут в указанный интервал. Тогда ответ – вероятность данного события

Рассеиванью на угол соответствует сове конкретное значение . Если частичка попадет в это кольцо, то она попадет в интервал углов, что мы можем наблюдать на рисунке: