Атомная (ядерная) физика – это, пожалуй, один из самых молодых разделов физики. Она изучает атомные ядра, а точнее их структуру, свойства и их взаимодействие (ядерные реакции). Будучи относительно новой отраслью, она уже располагает достаточно обширными знаниями о предмете своего изучения. Стоит начать с того, что само атомное ядро состоит из двух мельчайших частиц – протонов и нейтронов (общее название – нуклоны). Их главное различие – это заряд. Заряд протона равен 1,602⋅10−19 Кл, и по модулю он равен заряду другой заряженной частицы – электрона. Нейтрон же, соответственно названию, нейтрален. Сходство же частиц состоит в практически одинаковой массе, равной примерно 1837 массам электрона. Несмотря на то, что из этих двух частиц состоит подавляющая часть всего, что есть во Вселенной, они не являются фундаментальными, то есть они имеют свою структуру. Они представляют собой соединение двух видов кварков — d-кварка и u-кварка. Более того, нейтрон, отделенный от атома, — это нестабильная частица. Через 885 секунд свободного нахождения в пространстве он начинает распад, в результате которого образовываются протон, электрон и фундаментальная частица под названием антинейтрино. Протоны, находящиеся в составе ядра атома не могут начать распад в соответствии с законами сохранения. Все это стало известно благодаря атомной физике. Ее история будет полезна для изучения науки.
Предыстория атомной физики
Людей с древнейших времен волновал вопрос строения всего, что есть на планете. Первые догадки о том, что все состоит из мельчайших неделимых частиц, были озвучены древнегреческими философами-атомистами, первым из которых был Левкипп. Самым известным атомистом, тем не менее, считается его последователь Демокрит. Он говорил, что в мире ничего нет, кроме пустоты и так называемых атомов (от греческого – «неделимый»). Эти идеи были подхвачены и римскими философами, в частности широко известным Эпикуром. Он аргументировал свою позицию обычными примерами из быта, например, высыханием одежды, распространением запахов; по его словам, все это происходило в результате взаимодействия и видоизменения атомов.
Демокрит и атомная физика
Независимо от древнегреческой школы философии, подобные представления об устройстве Вселенной появлялись и у восточных мудрецов. Учение «Вайшешика» транслировало буквально ту же идею, что и атомизм – все состоит из сочетаний крошечных неделимых частиц. Единственным отличием от учения Левкиппа была допустимость высших сил («адришты»), которые и были причиной движения атомов. К сожалению, идеи атомистов не получили широкого распространения, и к началу Средневековья были практически полностью забыты.
После почти тысячелетнего времени научной темноты и торжества религиозной схоластики наступила эпоха Возрождения. Государственный деятель и философ Нового времени Фрэнсис Бэкон заново открыл атомистику. В своих работах он часто ссылался на труды атомистов, в частности Анаксагора. Его современник, известный философ Рене Декарт, представлял материю как состоящую из «элементов» трех классов (огня, воздуха и земли). В то же время происходит закат псевдонауки алхимии и на ее останках создалось новое, полноценное и точное учение, химия, важную роль в становлении которой сыграл английский физик и философ Роберт Бойль. Неделимыми составляющими материи он считал химические элементы.
Новое время стало временем расцвета и стремительного развития как для точных наук, так и для философии. Важнейшую роль конкретно для физики сыграл выдающийся ученый Исаак Ньютон, законы которого считаются фундаментальными. Он постулировал, что все вещества состоят из твердых неделимых и постоянных частиц, такого же мнения была основная часть ученого общества того времени. Таким образом, к середине Нового времени античные идеи о том, что все состоит из атомов, прочно вошли в науку, однако их изучением ученые начали заниматься только к XIX веку.
Открытие атомной физики
Первым экспериментально доказанным фактом существования атомов считается закон Пруста, более известный как закон постоянства составов, который гласит, что массовый состав любого вещества всегда неизменен. Из этого произошло желание ученых найти эту мельчайшую неделимую частицу, о существовании которой подозревали еще в незапамятные времена. Таким образом, вследствие множества экспериментов было установлено, что некоторые вещества можно разложить на простые, а некоторые — нет. Единые неделимые вещества стали называть «химическими элементами». Первые буквенные обозначения им дал ученый Берцелиус, взяв первые буквы латинского названия элементов. Большую роль для развития атомной физики сыграл Амедео Авогадро, который ввел понятие «молекула» и открыл основополагающий химический закон – закон Авогадро. Примерно в то же время, в начале XIX века, были введены два понятия – атомная и молекулярная масса.
Амедео Авогадро
Но началом истории ядерной физики как непосредственной науки можно считать начало XX века. В 1904-м году Томсоном была предложена одна из первых достоверных моделей атома, а спустя 7 лет Резерфордом были проведены первые научные исследования строения атома, и модель, предложенная им, сыграла ключевую роль в развитии науки. Он же в 1918-м году провел первую трансмутацию элементов, то есть превратил атомы одного вещества в атомы другого. В опыте Резерфорда метаморфозы произошли с азотом, и он стал кислородом под воздействием α-частиц (вместе с тем был открыт протон). Позже подобные эксперименты ученый проводил еще на 17 элементах из первой половины таблицы Менделеева.
За несколько лет до опыта Резерфорда другой физик, Бор, предложил квантовую теорию орбит. Согласно ей, электрон может инертно вращаться вокруг ядра неопределенное количество времени, с условием, что на его орбите будет помещаться целое количество так называемых волн де Бройля. Однако такой атом все же сможет перейти из одного состояния в другое, с условием, что от него отделится фотон.
Развитие науки
Однако все совершенные открытия в области ядерной физики до середины XX века считались не более чем интересными фактами о свойствах ядер химических элементов, не имеющих ничего общего с применением в реальности. Ситуация изменилась в 1932-м году, когда учеными был открыт нейтрон. В связи с этим во всех физических лабораториях стали изучать взаимодействия обособленных частиц с атомами. Множество исследований проводил Энрико Ферми. В частности он бомбардировал уран свободными нейтронами, что приводило к высокому возрастанию радиоактивности у элемента.
Энрико Ферми
Спустя два года, другая ученая, Ида Ноддак, выдвинула впоследствии подтвердившуюся гипотезу о том, что при бомбардировке происходит распад тяжелого элемента на несколько частей, каждая из которых является изотопом какого-либо элемента, подверженного радиации. Тогда к этому заявлению относились крайне скептически, как жизнеспособную теорию не рассматривали. Но в 1948-м году в журнале «Nature» появилась первая статья посвященная делению ядра. Ее авторами стали немецкие ученые Отто Ган, Фриц Штрассман и Лиза Мейтнер, которые обнаружили, что при нейтронной бомбардировке урана образуется барий, как и предполагала Ида Ноддак. Такое ошеломляющее заявление произвело фурор в научном обществе, и привлекло к ядерной физике множество ученых. Так, например, Нильс Бор совместно с Джоном Уиллером создали свою первую сверхточную модель деления ядра, которая объясняла все предыдущие наблюдения.
Начиная с 50-х годов XX века, открытия в области ядерной физики совершались стремительно. Производились искусственные нейтронные деления различных элементов, например, тория-239 или путония-239. Во время Второй Мировой войны исследования не прекращались, и в 1941-м году была введена единица ядерного сечения – барн.
Современная ядерная физика – это одна из мощнейших отраслей в науке, имеющая огромный потенциал в науке и широкое практическое применение. В настоящее время физики-ядерщики преследуют несколько целей, такие как нахождение и дальнейшее изучение сверхтяжелых ядер, исследования атомных ядер в экстремальных и неординарных условиях (низкой или высокой температуры, в состоянии с большим спином, вдали от пространства стабильности и т.д.), изучение разнообразных типов радиоактивного распада.
атомная реакция
В настоящее время атомная физика – это активно развивающаяся отрасль, которая имеет практическое значение не только для ядерной и термоядерной энергетики, но и для других ответвлений физики, например, астрофизики. Так, в ближайшем будущем физики-ядерщики могут заняться изучением термоядерных реакций в звездах или нуклеосинтеза (процесса натурального образования химических элементов). Но в настоящее время перед учеными стоят несколько иные задачи. В первую очередь это так называемые задачи нескольких тел (задачи N тел), которые решались еще до XX века, в классической механике и динамике. Основной проблемой в современной ядерной физике считается количество содержащихся в ядрах нуклонов, которое охватывает промежуток от нескольких единиц до нескольких сотен. Это приводит к тому, что точно решать задачи не получится, но и использовать методы статистической физики также будет неверным.
Автор: Ксения Бирюкова