С
Создание первых ускорителей
момента осуществления в 1919 году Э.
Резерфордом ядерной реакции превращения
ядра
в ядро
с помощью частиц
стало ясно, что для изучения структуры
атомных ядер необходимы пучки частиц
высоких энергий. Еще в 1922 году Резерфорд
указывал, что «если бы в нашем распоряжении
были заряженные атомы с энергией, в
десять раз превосходящей энергию
частицы
радия, то, вероятно, мы могли бы проникнуть
в ядерную структуру всех атомов, а иногда
и вызвать их разрушение». Природные
источники заряженных частиц –
радиоактивные вещества – давали
излучение слишком малой интенсивности,
ограниченное по энергии, и были совершенно
неуправляемы.
Поэтому началась разработка специальных устройств для получения заряженных частиц высоких энергий – ускорителей, выросшая в самостоятельный раздел техники. Идею линейного резонансного ускорителя предложил в 1925 году Г. Изинг. В 1928 году первый успешный эксперимент с таким ускорителем провел Р. Видероэ. В 1930 году в Кембридже Дж. Кокрофт и Э. Уолтон, применив каскадный метод увеличения напряжения, получили водородные ионы, ускоренные до нескольких сотен кэВ. В 1932 году, направляя ускоренные таким образом протоны на литиевую мишень, они осуществили первую ядерную реакцию на ускорителе:
.
(19.5)
В 1951 году за осуществление этой реакции Кокрофту и Уолтону была присуждена Нобелевская премия.
В 1931 году Ван-де-Грааф создал электростатический ускоритель, позволяющий ускорять ионы до нескольких МэВ.
Особенно важным для развития ядерной физики было создание циклотрона – циклического резонансного ускорителя непрерывного действия с постоянным магнитным полем и ускоряющим переменным электрическим полем фиксированной частоты. Заряженные частицы (протоны, ионы) ускорялись в циклотроне от нулевой энергии до максимальной, обращаясь по спиралевидным орбитам все возраставшего радиуса.
Идею циклотрона выдвинули в 1927 году М. Штеенбек и в 1929 году – Л. Сцилард, Э. Лоуренс и Ж. Тибо. В 1932 году под руководством Лоуренса был построен циклотрон, в котором протоны ускорялись до энергии в 1,2 МэВ. В 1939 году за создание циклотрона Лоуренс был удостоен Нобелевской премии.
И
Первые эксперименты по нуклон-нуклонному рассеянию
зучение атомного ядра было гораздо
более сложной задачей, чем изучение
атома. Кроме трудностей принципиального
характера, связанных с незнанием закона
ядерного взаимодействия, существовали
также и методические трудности расчета
квантовомеханических систем, состоящих
из сильно взаимодействующих частиц.
Простейшей формой ядерного взаимодействия является нуклон-нуклонное рассеяние. Поэтому окончательная уверенность в существовании сильного взаимодействия пришла после осуществления первых успешных экспериментов по рассеянию нейтронов на протонах и протон-протонному рассеянию при малых энергиях. Систематическое изучение (p – p)-рассеяния при малых энергиях было начато в 1936 году американским физиком М. Тьювом и др. В этих экспериментах использовались генератор Ван-де-Граафа и высоковольтная трубка, с помощью которых протоны ускорялись до энергий 0,2 – 2,4 МэВ. Коллимированный пучок протонов направлялся в камеру рассеяния, заполненную газообразным водородом. Рассеянные протоны регистрировались ионизационной камерой, устанавливаемой под различными углами к направлению падающего пучка. Интенсивность падающего пучка определялась с помощью упомянутой ионизационной камеры, регистрировавшей рассеянные протоны, а также цилиндра Фарадея, размещенного на пути падающего пучка за выходным окошком.
В результате экспериментов были получены кривые зависимости экспериментального сечения (p – p)-рассеяния от угла рассеяния (для фиксированных энергий падающих протонов) и от энергии (для рассеяния под заданным углом). При этом оказалось, что экспериментальные кривые существенно отличаются от теоретических кривых, рассчитанных по формуле Н. Мотта, учитывающей только кулоновское взаимодействие двух протонов. Экспериментальное значение числа рассеянных протонов совпадало с рассчитанным по формуле Мотта лишь при малых энергиях падающих протонов (Ep < 0,1 МэВ). В области энергий 0,1 < Ep < 0,65 МэВ оно оказывалось значительно меньше рассчитанного, а при Ep > 0,65 МэВ – резко возрастало, в несколько раз превышая рассчитанное по формуле Мотта значение.
Результаты этих экспериментов можно было понять лишь в предположении, что с ростом энергии Ep протоны сближаются до расстояний, на которых начинают действовать ядерные силы притяжения, которые сравниваются с кулоновскими силами отталкивания при энергиях падающих протонов около 0,45 МэВ.
Эксперименты Тьюва и других исследователей позволили оценить величину радиуса действия ядерных сил: R (2 – 3)1013 см.