Ядерная физика Хроника

Физика ядра и частиц Взаимодействие частиц с веществом Электромагнитное взаимодействие Кварки Атомное ядро Магнитный дипольный момент ядра Законы радиоактивного распада ядер. Альфа-распад. Бета-распад Естественная радиоактивность

Хроника

Мир, в котором мы живем, сложен и многообразен. Издавна человек стремился познать окружающий его мир. Исследования шли в трех направлениях:

Поиск элементарных составляющих, из которых образована вся окружающая материя.
Изучение сил, связывающих элементарные составляющие материи.
Описание движение частиц под действием известных сил.

    У философов 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 (Аристотель и его последователи) придерживались прямо противоположной точки зрения. Они считали, что вещество можно делить бесконечно. Вещество считалось непрерывным континуумом. Атомизм Демокрита оказал сильнейшее влияние на физику и химию XIX столетия. Атом Демокрита был неким аналогом точесной массы ньютоновской механики. Он же был в основе классической термодинамики.
    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. Оказывается довольно трудно отказаться от употребления терминов, освященных традицией. Из чего состоит протон или нейтрон? Можно ли разделить электрон на составные части? Что такое фотон? Какова его структура? Из каких частей он состоит? 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. Слово "делимость" утратило свой смысл. Если сравнивать результаты полученные в физике частиц с идеями древних философов, то наиболее адекватной оказывается философия Платона. По его мнению деление приводит к различным математическим формам - правильным пространственным структурам, определяемым их симметрией и треугольниками из которых они состоят. Сами по себе эти формы еще не вещество, но вещество состоит из этих форм. Напрмер для Земли характерной формой является куб, для огня тетраэдр. Частицы современной физики являются представлениями групп симметрии и в этом смысле они напоминают симметричные структуры платоновской философии. Понимание этого сформировалось в процессе изучения физики субатомных явлений.
    Ниже приведен неполный список основных событий и гипотез, которые сформулировали современный взгляд на физику частиц и ядра.

-440: Демокрит выдвинул гипотезу о неделимых частицах - "атомах".
1871: Дмитрий Менделеев открыл периодическую систему элементов
1887: Генрих Герц (Heinrich Hertz) открыл фотоэлектрический эффект.
1895: Вильгельм Рентген (Wilhelm Roentgen) открыл рентгеновские лучи.
1896: Антуан Беккерель (Antoine Becquerel) открыл радиоактивность.
1897: Джозеф Томсон (Joseph Thomson) открыл электрон.
1898: Мария и Пьер Кюри (Marie and Pierre Curie) выделили и изучили радий и полоний.
1899: Эрнст Резерфорд (Ernest Rutherford) открыл, что уран излучает положительно заряженные альфа-частицы и отрицательно заряженные бета-частицы.
1900: Поль Виллард (Paul Villard) открыл гамма-лучи при изучении распада урана.
Макс Планк (Max Planck) выдвинул гипотезу квантов и сформулировал закон излучения черного тела.
1905: Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) объяснил фотоэлектрический эффект и выдвинул специальную теорию относительности.
1908: Ганс Гейгер и Эрнст Резерфорд сконструировали прибор для регистрации отдельных заряженных частиц. В 1928 г. Г. Гейгер и Вальтером Мюллер (Walther Mueller) усовершенствовали его (счетчик Гейгера - Мюллера).
1909.: Ганс Гейгер и Эрнст Марсден (Hans Geiger and Ernest Marsden) обнаружили отклонение альфа-частиц на большие углы при их прохождении через тонкие фольги.
Эрнст Резерфорд и Томас Ройдс (Ernest Rutherford and Thomas Royds) доказали, что альфа-частицы это дважды ионизированные атомы гелия.
1911: Эрнст Резерфорд объяснил эксперимент Гейгера-Марсдена, предложив свою модель атома и вывел формулу для рассеяния заряженных частиц в кулоновском поле.
Ганс Гейгер и Дж. Нэттол (J. Nuttall) установили зависимость между временем жизни и энергией альфа-распада радиоактивных ядер (закон Гейгера – Нэттола).
1912.: Чарльз Вильсон (Charles Wilson) изобрел камеру, названную его именем.
Виктор Гесс (Victor Hess) открыл космические лучи.
1913: Нильс Бор (Niels Bohr) предложил квантовую модель атома.
Роберт Милликен (Robert Millikan) измерил элементарный электрический заряд.
1914: Эрнст Резерфорд преположил, что атомное ядро содержит протоны.
1919: Артур Эддингтон (Arthur Eddington) выдвинул предположение, объясняющее энергию Солнца и звезд реакциями превращения водорода в гелий.
Фрэнсис Астон (Francis Aston) построил масс-спектрограф с высокой разрешающей способностью и предложил электромагнитный метод разделения изотопов. (Принцип действия масс-спектрографа предложил в 1907 г. Джозеф Джон Томсон.)
Эрнст Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию ¹⁴N(,p)¹⁷O и доказал наличие в атомных ядрах протонов.
1922.: Артур Комптон (Arthur Compton) исследовал рассеяние рентгеновских лучей на электронах и доказал существование фотона.
1923: Луи де Бройль (Louis de Broglie) предположил что электрон может иметь волновые свойства.
1924: Вольфганг Паули (Wolfgang Pauli) предложил принцип Паули.
Сатиендра Бозе (Satyendra Bose) и Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) ввели статистику Бозе-Эйнштейна.
Вальтер Боте (Walther Bothe) разработал метод совпадений.
1925: Джордж Уленбек и Самуэль Гоудсмит (George Uhlenbeck and Samuel Goudsmit) постулировали спин электрона.
Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Иордан (Werner Heisenberg, Max Born, and Pascual Jordan) сформулировали матричную квантовую механику.
1926: Эрвин Шредингер (Erwin Schrodinger) получил свое нерелятивистское волновое уравнение, сформулировал волновую квантовую механику и доказал, что матричная и волновая формулировки квантовой механики эквивалентны.
Оскар Клейн и Вальтер Гордон (Oskar Klein and Walter Gordon) получили нелятивистское квантовое волновое уравнение.
Энрико Ферми (Enrico Fermi) установил соответствие спина и статистики.
Пол Дирак (Paul Dirac) ввел статистику Ферми-Дирака.
1927: Клинтон Дэвиссон, Лестер Гермер и Джордж Томсон (Clinton Davisson, Lester Germer, and George Thomson) подтвердили волновую природу электрона.
Вернер Гейзенберг (Werner Heisenberg) установил принцип неопределенности.
Макс Борн (Max Born) дал вероятностную интерпретацию волновой функции.
Эуген Вигнер (Eugene Wigner) сформулировал закон сохранения пространственной четности.
1928: Пол Дирак (Paul Dirac) получил релятивистское квантовое уравнение для электрона, названное его именем.
Чарльз Г. Дарвин (Charles G. Darwin) и Вальтер Гордон (Walter Gordon) решили уравнение Дирака для кулоновского потенциала.
Дуглас Хартри (Douglas Hartree) разработал метод самосогласованного поля, развитый в 1930 г. Владимиром Фоком (метод Хартри – Фока).
1929: Оскар Клейн (Oskar Klein) и Иошио Нишина (Yoshio Nishina) вывели формулу для рассеяния высокоэнергетичных фотонов на электронах.
Невилл Мотт (Nevill Mott) вывел формулу Мотта для кулоновского рассеяния нелятивистских электронов
1930: Эрнест Лоуренс (Ernest Lawrence) построил циклотрон.
1931: Вольфганг Пауливыдвинул гипотезу нейтрино для объяснения спектра электронов бета-распада.
Роберт Ван де Грааф (Robert Van de Graaff) создал электростатический ускоритель (генератор Ван де Граафа).
1932: Джон Кокрофт и Томас Уолтон (John Cockcroft and Thomas Walton) пучком протонов расщепили ядра бора и лития.
Джеймс Чедвик (James Chadwick) открыл нейтрон.
Вернер Гейзенберг (Werner Heisenberg) и Дмитрий Иваненко предложили протон-нейтронную модель атомного ядра.
Карл Андерсон (Carl Anderson) открыл позитрон.
1933: Отто Штерн (Otto Stern) впервые измерил магнитный момент протона.
1934: Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (Irene and Frederic Joliot-Curie) в результате бомбардировке альфа-частицами алюминия получили искусственный радиоактивный изотоп ³⁰P.
Лео Сцилард (Leo Szilard) понял, что возможны цепные ядерные реакции.
Энрико Ферми (Enrico Fermi) сформулировал теорию бета-распада и ввел новое взаимодействие - слабое.
Энрико Ферми предложил облучать уран нейтронами, чтобы получить транурановый элемент.
Павел Черенков сообщил о световом излучении возникающем при прохождении релятивистских частиц через несцинтиллирующие жидкости (черенковское излучение).
1935: Хидеки Юкава (Hideki Yukava) разработал теорию ядерного взаимодействия и предсказал мезоны - кванты ядерного поля.
И. Курчатов, Б. Курчатов, Л. Мысовский, Л. Люсинов открыли ядерную изомерию.
1936: Эуген Вигнер (Eugene Wigner) разработал теорию поглощения нейтронов атомными ядрами.
Грегори Брейт (Gregory Breit) и Эуген Вигнер предложили дисперсионную формулу ядерных реакций (формула Брейта-Вигнера).
Грегори Брейт, Эдвард Кондон (Edward Condon) и Ричард Презент (Richard Present) выдвинули гипотезу о зарядовой независимости ядерных сил.
Нильс Бор (Nils Bohr) и Яков Френкель создали капельную модель ядра.
Нильс Бор cоздал теорию составного (компаунд) ядра.
1937: Сет Недермейер, Карл Андерсон, Джейбс Стрит, Эдвард Стивенсон (Seth Neddermeyer, Carl Anderson, Jabez Street, and Edward Stevenson) открыли мюон в космических лучах, используя камеру Вильсона.
Исаак Раби (Isaac Rabi) разработал магнитный резонансный метод определения ядерных моментов.
Игорь Тамм и Илья Франк создали теорию излучения Вавилова - Черенкова.
Эмилио Сегре (Emilio Segre) и Карло Перье (Carlo Perrier) синтезировали первый искусственный элемент - технеций.
1938: Ганс Бете (Hans Bethe) и Чарльз Критчфильд (Charles Critchfield) открыли протон-протонный цикл термоядерных реакций как источник энергии звезд.; Ганс Бете (Hans Bethe) и Карл фон Вайцзеккер (Carl vonWeizsacker) открыли углеродно-азотный цикл термоядерных реакций.
1939: Отто Ган и Фриц Штрассман (Otto Hahn and Fritz Strassman) облучая соли урана тепловыми нейтронами обнаружили среди продуктов реакций барий.
Лиза Мейтнер и Отто Фриш (Lise Meitner and Otto Frisch) определили, что в эксперименте Гана-Штрассмана происходило деление урана.
Нильс Бор (Nils Bohr) и Джон Уилер (John Wheeler) дали количественную интерпретацию деления ядра, введя параметр деления. Яков Френкель развил капельную теорию деления ядер медленными нейтронами.
Лео Сцилард (Leo Szilard), Эуген Вигнер (Eugene Wigner), Энрико Ферми (Enrico Fermi), Джон Уилер (John Wheeler), Фредерик Жолио-Кюри (Frederic Joliot-Curie), Яков Зельдович, Юлий Харитон обосновали возможность протекания в уране цепной ядерной реакции деления. Идею цепной ядерной реакции выдвинул в 1934 г. Сцилард.
1940: Георгий Флеров и Константин Петржак открыли явление спонтанного деления ядер ²³⁵U.
Дональд Керст (Donald Kerst) построил бетатрон.
1940-1953: Глен Сиборг (Glen Seaborg), и др. синтезировали трансурановые элементы - плутоний, нептуний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий.
1942: Энрико Ферми (Enrico Fermi) осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомном реакторе.
1943: Син-Итиро Томонага (Sin-Itiro Tomonaga) опубликовал статью с основными принципами квантовой электродинамики
1944: Владимир Векслер открыл принцип автофизировки, который лег в основу создания новых ускорителей.
Дмитрий Иваненко и Исаак Померанчук предсказали синхротронное излучение
1946: Георгий Гамов предложил модель "Большого взрыва" и разработал теорию синтеза химических элементов.
Бруно Понтекорво предложил "хлорный метод" детектирования нейтрино.
Уиллард Либби (Willard Libby) разработал радиоуглеродный метод геохронологии.
1947: Сесил Пауэлл, Чезаре Латес, Джузеппе Оккиалини (Cecil Powell, Cesare Lattes, and Giuseppe Occhialini) открыли пионы, исследуя треки космических лучей.
Ричард Фейнман (Richard Feynman) предложил диаграммный метод в квантовой электродинамике.
Джордж Рочестер (George Rochester) и Клиффорд Батлер (Clifford Butler) открыли странные частицы.
1948: Мария Гепперт-Майер (Maria Goeppert-Meyer) и Ханс Йенсен (Hans Jensen) создали оболочечную модель ядра.
1949: Рольф Видерое (Rolf Wideroe) выдвинул идею встречных пучков, в дальнейшем развитую Дональдом Керстом (Donald Kerst) и Гершем Будкером.
1950: Оге Бор (Age Bohr) и Бен Моттельсон (Ben Mottelson) разработали коллективную модель ядра.
1951: Борис Джелепов предсказал протонную радиоактивность.
1953: Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann) и Казухико Нишиджима (Kazuhiko Nishijima) ввели понятие странности и открыли закон сохранения странности, предложили формулу Гелл-Манна - Нишиджимы.
Вал Фитч (Val Fitch) и Джеймс Рейнуотер (James Rainwater) измерили радиусы ядер в области значений Z от 13 до 83.
Виктор Вайскопф (Victor Weisskopf), Герман Фешбах (Herman Feshbach) и К. Портер (C. Porter) развили оптическую модель ядерных реакций.
1954: Янг Чжэньнин и Роберт Милс (Chen Yang and Robert Mills) исследовали теорию адронного изоспина с требованием локальной калибровочной инвариантности в пространстве вращения изоспина - первая не абелева калибровочная теория.
1955: Овен Чемберлен, Эмилио Сегре, Клайд Виганд и Томас Ипсилантис (Owen Chamberlain, Emilio Segre, Clyde Wiegand, and Thomas Ypsilantis) открыли антипротон.
Джефри Бербидж, Вильям Фаулер и Фред Хойл (Geoffrey Burbidge, William Fowler and Fred Hoyle) выдвинули теорию образования химических элементов в звездах.
Свен Нильссон (Sven Nilsson) разработал модель деформированных атомных ядер.
1956: Фредерик Райнес и Клайд Коэн (Frederick Reines and Clyde Cowan) зарегистрировали антинейтрино.
Янг Чжэньнин и Ли Цзундао (Chen Yang and Tsung Lee) предположили нарушение пространственной четности в слабых взаимодействиях.
Ву Цзяньсюн (Chien Shiung Wu) открыла несохранение пространственной четности в бета-распаде.
Роберт Хофштадтер (Robert Hofstadter) впервые измерил электромагнитный радиус протона.
1957: Лев Ландау предложил понятие комбинированной четности
Герхард Людерс (Gerhart Luders) доказал CPT-теорему.
Ричард Фейнман, Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann), Роберт Маршак (Robert Marshak) и Эннакел Сударшан (Ennackel Sudarshan) создали универсальную теорию слабых взаимодействий.
Бруно Понтекорво выдвинул идею нейтринных осцилляций.
1958: Джеймс Ван Аллен (James Van Allen), Сергей Вернов и Александр Чудаков открыли радиационные пояса Земли.
Рудольф Мессбауэр (Rudolh Moessbauer) открыл явление ядерного гамма-резонанса без отдачи (эффект Мессбауэра).
1959: Спартак Беляев, Вадим Соловьев создали сверхтекучую модель ядра.
1960: Луис Альварес (Luis Alvarez) открыл нуклонные резонансы.
Виталий Гольданский предсказал двухпротонную радиоактивность.
1961: Мюррей Гелл-Манн и Ювал Нееман (Yuval Ne'eman) открыли "восьмеричный путь - группу SU(3)
Джеффри Голдстоун (Jeffery Goldstone) сформулировал теорему для определения типа нарушения симметрии.
1962: Леон Ледерман (Leon Lederman) показал, что электронное нейтрино отличается от мюонного нейтрино.
1963-1966: Синтезированы изотопы 102-го (No) и 104-го (Rf) элементов (Георгий Флеров и др.).
1963: Мюррей Гелл-Манн и Георг Цвейг (George Zweig) предложили кварковую модель адронов.
1964: Питер Хиггс (Peter Higgs) предложил механизм возникновения массы частиц.
Вал Фитч и Джеймс Кронин (Val Fitch and James Cronin) обнаружили нарушение CP-четности в распадах K-мезонов.
1965: Арно Пензиас (Arno Penzias) и Роберт Вудро Вильсон (Robert Woodrow Wilson) открыли реликтовое излучение.
1966: Леон Ледерман (Leon Lederman) синтезировал ядра антидейтерия.
1967: Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), Абдус Салам (Abdus Salam) и Шелдон Глэшоу (Sheldon Glashow) развивают модель электрослабого взаимодействия.
1968: Федор Шапиро наблюдал ультрахолодные нейтроны
1970: Шелдон Глэшоу, Джон Илиопулос и Лучиано Майани (Sheldon Glashow, John Iliopoulos, and Luciano Maiani) выдвинули гипотезу о существовании квантового числа - чарм.
Джозеф Черны (Joseph Cerny) обнаружил протонную радиоактивность.
Юрий Прокошкин синтезировал ядра анигелия.
1971: Виталий Гольданский предсказал двунейтронный распад.
1973: Дэвид Политцер (David Politzer) выдвинул концепцию асимптотической свободы кварков.
Экспериментально открыты нейтральные токи.
Открыт глюон.
1974: Бартон Рихтер и Сэмюэль Тинг (Burton Richter and Samuel Ting) открыли -мезон - связанное состояние (с)-кварков.
1975: Мартин Перл (Martin Perl) открыл тау-лептон.
1977: Стив Херб (Steve Herb) обнаружил -мезон - связанное состояние (b)-кварков.
1983: Карло Руббиа и Симон ван дер Меер (Carlo Rubbia, Simon van der Meer) с колаборацией CERN UA-1 открыли векторные бозоны , Z.
1984: Роуз (H.J. Rose) и Джонс (G.A. Jones) обнаружили кластерную радиоактивность.
1989: Измерения ширины резонанса Z-бозона показали, что существует три поколения лептонов и кварков
1995: Открытие t-кварка (Лаборатория им. Э. Ферми).
2000: Первое наблюдение тау-нейтрино (Лаборатория им. Э. Ферми).
2000: Получена кварк-глюонная плазма при столкновении ультрарелятивистских тяжелых ядер (ЦЕРН).