ЛЕКЦИЯ 1
Содержание
Введение в курс.
Открытие атомного ядра. Общие понятия о ядре.
Опыт Резерфорда. Модель атома Томсона и Резерфорда.
Эффективное сечение.
Формула Резерфорда. Рассеяние -частиц на ядре 208Pb.
Волны де Бройля. Дифракционная картина рассеяния.
Рассеяние электронов на ядрах. Опыты Хофштадтера.
Формула Мотта. Форм-фактор. Распределение заряда в ядре.
Распределение заряда в нуклоне и размер нуклона.
1. Введение в курс
“Физика ядра и частиц” - заключительный раздел общего курса физики. Изучаемые объекты изображены на рис.1.1. Это атомные ядра и элементарные частицы, т.е. объекты более мелкие, чем атом. Специфика курса и связанные с этим трудности следующие:
- много нового фактического материала, подчас непривычного,
- это раздел формирующейся науки, теория которой далека от завершения,
- необходимо знать квантовую механику. Без не¸ нельзя изложить и понять курса, описывающего явления на сверхмалых расстояниях.
Однако и квантовой механики недостаточно. Она скорее необходимый язык. Е¸ достаточно на уровне атома, но недостаточно для ядра и элементарных частиц. В случае ядра необходима ещ¸ теория многих сильно взаимодействующих тел. Пока строго может быть решена задача не более чем четырех таких тел. В случае частиц нужна универсальная квантовая теория поля, объединяющая все типы взаимодействий. Обе теории в процессе создания. Т.е. квантовая механика и теория поля должны быть дополнены физикой взаимодействий (которая недостаточно понята) и соответствующей математикой.
До сих пор знания студентов ограничивались двумя типами фундаментальных взаимодействий - электромагнитным и гравитационным. В этом курсе добавятся остальные два - сильное (его проявлением является межнуклонное, ядерное) и слабое. Их ненаблюдаемость в повседневной жизни связана с их короткодействием. Мы ощущаем их лишь апосредовано. Без них мир был бы совершенно другим. Солнце и звезды не могли бы существовать даже и без слабого взаимодействия.
Ðèñ. 1.1
В процессе изучения курса мы дойд¸м (в последних лекциях) до фантастических расстояний, энергий и интервалов времени (10-33ñì, T=1033Ê, t=10-43сек). Уже есть представления о том, что при этом происходит.
Весьма впечатляющим является то, что микромир объединяется с космосом. Происходящее во Вселенной, по-существу, объясняется законами микромира и гравитацией.
Итак, основное отличие данного раздела общего курса физики от других в том, что невозможно последовательно его изложить, выводя все соотношения из малого числа основных положений. Во-первых, в силу неосвоенности слушателем довольно сложной квантовой теории, и, во-вторых, в силу незавершенности как процесса получения важнейшей фактической информации, так и самой теории микромира. Многое пока придется брать на веру. Что можно просто вывести, будет выводиться. Психологически нужно быть готовым к тому, что многое до конца не будет ясным. Это неизбежно. Однако, к концу курса у читателя должно возникнуть некое замкнутое представление о предмете.
2. Открытие атомного ядра. Общие понятия о ядре.
В 1909 г. Гейгер и Марсден (сотрудники Резерфорда) установили, что отклонение -частиц, рассеянных тонкими золотыми и платиновыми фольгами (рис.1.2), не согласуется с общепринятой в то время моделью атома Томсона, которая трактовала атом как в целом нейтральную сферу размером 10-8 см с равномерным распределением заряда (положительный заряд распределялся на поверхности, а отрицательные электроны - внутри). Для разрешения проблемы Резерфорд предложил в 1911 г. “планетарную” модель атома с центральным положительно заряженным ядром малого размера (10-12ñì).
Ðèñ. 1.2
Долгое
время (около 20 лет) считалось, что ядро
состоит из протонов и электронов: А
протонов и A-Z электронов. При этом, т.к.
масса протона много больше массы
электрона, удавалось объяснить не только
заряд, но и массу ядра. Но были и
противоречия, например, угловой момент
(спин) ядра азот-14 (
).
Он был целочисленным (1), в то время как
протон-электронная модель предсказывала
полуцелое значение (как и для всякой
системы из нечетного числа фермионов).
В 1932 г. Чадвик открыл нейтрон и было признано, что ядро состоит из протонов и нейтронов (Иваненко, Гейзенберг). Для ядерщиков протон (p) и нейтрон (n) - два состояния одной частицы - нуклона. Некоторые свойства протона, нейтрона и электрона (е) даны в таблице 1.1.
Таблица 1.1