Теория относительности и квантовая теория на рубеже веков

Ядерная Физика

Содержание

Введение

1.Теория относительности и квантовая теория на рубеже веков

2.Открытие атомного ядра Резерфордом

3.Нерелятивистская квантовая теория. Уравнение Шредингера

4.Радиоактивность

5.Первая ядерная реакция

6.Из чего состоит атомное ядро и его размеры?

7.Парадоксы бета - распада. Нейтрино

8.Взаимные превращения элементарных частиц

9.Новые горизонты ядерной физики.
Радиоактивные пучки

9.1.Ядерные реакции

9.2.Деление ядер

9.3.Пионы - кванты ядерного поля

9.4.Детекторы. Ускорители

10.Лептоны

16.Заключение

Введение

Изучением структуры атомного ядра, процессов радиоактивного распада и механизма ядерных реакций занимается ядерная физика. К ядерной физик е часто относят также физику элементарных частиц. Иногда разделами ядерной физик и продолжают считать направления исследований, ставшие самостоятельными ветвями техники, например ускорительную технику, ядерную энергетику.

Современная ядерная физик а представляет собой некоторую общую науку и ее деления на более узкие области и направления не существует. Обычно различают ядерную физик у низких, промежуточных и высоких энергий. К ядерной физик е низких энергий относят проблемы строения ядра, изучение радиоактивного распада ядер, а также исследования ядерных реакций, вызываемых частицами с энергией до 200 Мэв. Энергии от 200 Мэв до 1 Гэв называются промежуточными, а свыше 1 Гэв - высокими. Это разграничение в значительной мере условно и сложилось в соответствии с историей развития ускорительной техники. В современной ядерной физик е структуру ядра исследуют с помощью частиц высоких энергий, а фундаментальные свойства элементарных частиц устанавливают в результате исследования радиоактивного распада ядер

Важной составной частью ядерной физик и низких энергий является нейтронная физика, охватывающая исследования взаимодействия медленных нейтронов с веществом и ядерные реакции под действием нейтронов. Молодой областью ядерной физик и является изучение ядерных реакций под действием многозарядных ионов. Эти реакции используются как для поиска новых тяжёлых ядер, так и для изучения механизма взаимодействия сложных ядер друг с другом. Отдельное направление ядерной физик и - изучение взаимодействия ядер с электронами и фотонами. Все эти разделы ядерной физик и тесно переплетаются друг с другом и связаны общими целями

Как и во всей науке в ядерной физик е существует резкое разделение эксперимента и теории. В набор экспериментальных средств ядерной физик и входят ускорители заряженных частиц (от электронов до многозарядных ионов), ядерные реакторы, служащие мощными источниками нейтронов, и детекторы ядерных излучений, регистрирующие продукты ядерных реакций. Современный ядерный эксперимент характеризуется большой интенсивностью потоков ускоренных заряженных частиц или нейтронов, позволяющие исследовать редкие ядерные процессы и явления, и одновременная регистрация нескольких частиц, испускаемых в одном акте ядерного столкновения. Использование ЭВМ позволяет регистрировать множество данных, получаемых в одном опыте. Подчас лишь большим коллективам специалистов по силам справиться со сложным и трудоёмким экспериментом

Характерной чертой теоретической ядерной физик и является необходимость использования аппаратов разнообразных разделов теоретической физики: классической электродинамики, теории сплошных сред, квантовой механики, статистической физики, квантовой теории поля. Главная проблема теоретической ядерной физик и - 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 физик ой 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)

Ядерная физик а оказывает многостороннее влияние на жизнь современного общества, её практические приложения многообразны - 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

Издавна человек стремился познать окружающий его мир, он манил своей сложностью и многообразием. Исследования шли в нескольких направлениях:

Попытка найти элементарные составляющие, из которых образована вся окружающая материя

Выявление сил, связывающих элементарные составляющие материи

Описание движения частиц под действием известных сил

В древней Греции существовало два противоположных взгляда на природу материи. Сторонники одной школы (Демокрит, Эпикур) утверждали, что нет ничего, кроме атомов и пустоты, в которой движутся атомы. Они рассматривали атомы как мельчайшие неделимые частицы, вечные и неизменные, пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и величиной. Сторонники другого направления придерживались прямо противоположной точки зрения. Они считали, что вещество можно делить бесконечно. Сегодня мы знаем, что мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства - это молекулы и атомы. Однако мы также знаем, что атомы в свою очередь имеют сложную структуру и состоят из атомного ядра и электронов. Атомные ядра состоят из нуклонов - нейтронов и протонов. Нуклоны в свою очередь состоят из кварков. Но разделить нуклоны на составляющие их кварки уже нельзя. Что вовсе не означает, что кварки "элементарны". Понятие элементарности объекта в значительной мере определяется уровнем наших знаний. Поэтому привычное для нас утверждение "состоит из …" на субкварковом уровне может оказаться лишенным смысла. Понимание этого сформировалось в процессе изучения физики субатомных явлений

Теория относительности и квантовая теория на рубеже веков

В результате изучения строения вещества физикой в конце 19 века было открыто атомное ядро и элементарные частицы. Исследования электрических явлений в жидкостях и газах, оптических спектров атомов, рентгеновских лучей, фотоэффекта показали, что вещество имеет сложную структуру. 20 век принес много неожиданностей в физику. Именно в это время классическая физика оказалась несостоятельной в объяснении новых экспериментальных фактов. Уменьшение временных и пространственных масштабов, в которых разыгрываются физические явления, привели к "новой физике", столь непохожей на привычную традиционную классическую физику. Развитие физики в начале 20 века привело к полному пересмотру классических представлений. В основе "новой физики" лежат две фундаментальные теории:

1. теория относительности
2. квантовая теория.

Данные теории являются фундаментом, на котором построено описание явлений микромира

А. Эйнштейном в 1905 году была создана теория относительности, что привело к радикальному пересмотру представлений о свойствах пространства и времени, взглядов на характер электромагнитного поля. Стало ясно, что невозможно создание механических моделей для всех физических явлений

В основу теории относительности положены две физические концепции

1. Согласно принципу относительности равномерное и прямолинейное движение тел не влияет на происходящие в них процессы
2. Существует предельная скорость распространения взаимодействия - скорость света в пустоте. Скорость света является фундаментальной константой современной теории.

На связь между пространственными и временными интервалами указывает существование предельной скорости распространения взаимодействия

В 1900 г. была опубликована работа М. Планка, посвященная проблеме теплового излучения тел. М. Планк моделировал вещество как совокупность гармонических осцилляторов различной частоты. Предположив, что излучение происходит не непрерывно, а порциями - квантами, он получил формулу для распределения энергии по спектру теплового излучения, которая хорошо согласовывалась с опытными данными

,

где h - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана, T - температура, - частота излучения

Так, впервые в физике появилась новая фундаментальная константа - постоянная Планка. Гипотеза Планка о квантовой природе теплового излучения противоречит основам классической физики и показала границы ее применимости

Через пять лет А. Эйнштейн, обобщив идею М. Планка, показал, что квантованность является общим свойством электромагнитного излучения. Согласно идеям А. Эйнштейна электромагнитное излучение состоит из квантов, названных позднее фотонами. Каждый фотон имеет определенную энергию и импульс:

E = h, = (h/),

где и - длина волны и частота фотона, - единичный вектор в направлении распространения волны

Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили объяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментально Г. Герцем и А. Столетовым. На основе квантовой теории А. Комптоном в 1922 году было объяснено явление упругого рассеяния электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны света. Открытие двойственной природы электромагнитного излучения - корпускулярно-волнового дуализма оказало значительное влияние на развитие квантовой физики, объяснение природы материи. В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе не только фотоны, но и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц те же, что были установлены ранее для фотонов

E =, =, |p| = h/ /,

где h = 2, = 2 - длина волны, которую можно сопоставить с частицей. Волновой вектор ориентирован по направлению движения частицы. Прямыми опытами, подтверждающими идею корпускулярно-волнового дуализма, были опыты, выполненные в 1927 году К. Дэвиссоном и Л. Джермером по дифракции электронов на монокристалле никеля. Позднее наблюдалась дифракция и других микрочастиц. Метод дифракции частиц в настоящее время широко используется в изучении строения и свойств вещества.
Подтверждение идеи корпускулярно-волнового дуализма экспериментально привело к пересмотру привычных представлений о движении частиц и способа описания частиц. Для классических материальных точек характерно движение по определенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой момент времени точно известны. Для квантовых частиц это утверждение неприемлемо, так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. Поэтому для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса. Если частица занимает точно определенное положение в пространстве, то ее импульс полностью не определен и наоборот, частица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату. Неопределенность в значении координаты частицы x и неопределенность в значении компоненты импульса частицы p _x связаны соотношением неопределенности, установленным В. Гейзенбергом в 1927 году

x· p _x

Date: 2015-09-22; view: 356; Нарушение авторских прав