АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА — нобелевские премии.

Изменено: 29.04.2015 Posted on

Атомы. Нобелевская премия.

В начале 20-го века, периодическая таблица элементов еще была не завершена. Ранняя история Нобелевских премий включает открытие недостающих элементов.

Lord Rayleigh, Лорд Рэли (Джон Уильям Тратт), нобелевская премия 1904 г.

Lord Rayleigh, Лорд Рэли (Джон Уильям Тратт), нобелевская премия 1904 г.

 Лорд Рэли (Джон Уильям Тратт, Нобелевская премия 1904 г.) заметил аномалии относительных атомных масс кислорода и азота, полученного  непосредственно из воздуха, нас окружающего, а не из химических соединений. Он пришел к выводу, что атмосфера должна содержать до сих пор неизвестную составляющую, которой оказался элемент аргон с атомной массой 20. Он получил премию в 1904 году по физике, когда

Sir-William-Ramsay, сэр Уильям Рамсей, нобелевская премия 1904 г.

Sir-William-Ramsay, сэр Уильям Рамсей, нобелевская премия 1904 г.

сэр Уильям Рамсей (Нобелевская премия 1904 г.) получил хим. премию за выделение элемента гелия (ред- связанного с ядерным распадом – радиоактивности, как показали Резерфорд и Содди, отмеченные Нобелевской премией по химии в  1908 и 21 гг.).

Marie Curie, née Sklodowska, Мари Кюри, Нобелевская премия 1911 г.

Marie Curie, née Sklodowska, Мари Кюри, Нобелевская премия 1911 г.

Мари Кюри (Нобелевская премия 1911 г.) к тому времени уже получила вторую Нобелевскую премию (на этот раз по химии в 1911 году), за ее открытия радия химических элементов и полония. Работы Беккереля с Кюри и Резерфорда породили новые вопросы: Что является источником энергии радиоактивных ядер, которые могли бы поддерживают эмиссиюиизлучение в очень больших временных интервалах, как у некоторых из них, и из чего тяжелыечастицы и ядра сами в действительности состоят?

Frederick Soddy, Фредерик Содди, нобелевская премия.

Frederick Soddy, Фредерик Содди, нобелевская премия.

Первая из этих проблем (которые, казалось, нарушают закон сохранения энергии, один из самых важных принципов физики) нашла свое решение в теории трансмутации, сформулированной Резерфордом и Фредериком Сойди (Нобелевская премия по химии 1921 года, присуждена в 1922 году). Они исследовали в деталях несколько различных серий радиоактивного распада и сравнили энергию, излучаемую с массовыми различий между «родителя» и «дочерних» ядер.

Микрокосмос и Макрокосмос

«От классики до квантовой физики», от явлений макромира,  встречающихся в нашей повседневной жизни, мы идем в квантовый мир атомов, электронов и ядер.  С атомов, как отправной точки, дальнейшее проникновение в субатомный микромир и его микро-составляющие  иллюстрировано работами других лауреатов Нобелевской премии. В первой половине 20-го века уже поняли, что такое дальнейшее путешествие в микромир новых частиц и взаимодействий  необходимо и для понимания состава и эволюции очень больших структур нашей Вселенной, «макрокосмоса «. На современном этапе физика элементарных частиц, астрофизики и космологии необходимо связаны друг с другом, как показывают несколько примеров здесь — и еще одна связь, соединяющая наименьшее и наибольшее объекты в нашей Вселенной — Альберт Эйнштейн (Нобелевская премия 1921 г.)  впервые разработал свою специальную теорию относительности (ТО) в 1905 году,  в масс-энергетических отношениях. Затем, в течение следующего десятилетия, не отходил от его общей теории относительности (ОТО), которая соединяет гравитационные силы со структурой пространства и времени. Расчеты эффективных масс для частиц высокой энергии, энергетических преобразований в радиоактивном распаде, а также предсказания Дирака, что могут существовать античастицы, все они основаны на его специальной теории относительности. Общая теория является основой для расчетов крупных движений во Вселенной, в том числе обсуждения свойств черных дыр. Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году (присуждена в 1922 г.), за работы по теории и фотоэлектрического эффекта, идею частиц света.

Было также установлено, что ядра того же химического элемента могут иметь разные массы; такие разные виды были названы «изотопы». Хим-премию следующего 1922 года получил Фрэнсис У. Астон (Нобелевская премия 1922 г.) за его масс-спектроскопические разделения большого количества изотопов нерадиоактивных элементов.

Все изотопные массы оказались почти  кратны массе протона, — частиц, которые впервые увидел Резерфорд, когда  облучал ядра азота с частицами. Но различные изотопы не могли полностью состоять из протонов,  каждый отдельный химический элемент должен быть иметь одно значение для общего ядерного заряда. Протоны (Заряд) на самом деле  составляли менее половины массы ядра, а это означало, что некоторые нейтральные компоненты должны были присутствовать в ядрах. Джеймс Чедвик  (Нобелевская премия 1935 г.) убедительно доказал наличие таких частиц, нейтронов, когда изучил ядерные реакции в 1932 году. Он получил физ-премию в 1935 году.

Вскоре после открытия нейтроны дали работу Энрико Ферми (Нобелевская премия 1938 г.) и др. в качестве средства, чтобы вызвать ядерные реакции, — новый «искусственный» вид радиоактивности. Ферми обнаружил, что вероятность нейтронных реакций (которые не связаны элементов преобразования), увеличивается при замедлении нейтронов, одинаково хорошо для тяжелых элементов и для легких, в отличие от заряженных частиц и индуцированных ими реакции. Он получил физ-премию в 1938 году (и уехал с ней от фашистов Италии в США, где занялся упущенным им делением и сделал атомные реактор и бомбу).

С нейтронов и протонов, как основных строительных блоков атомных ядер, можно было бы создать филиал ОАО «ядерной физики» и несколько ее основных достижений для Нобелевских премий. Эрнест О. Лоуренс (Нобелевская премия 1939 г.), который получил физ-премию в 1939 году, построил первый циклотрон, с ускорением последовательным добавлением небольших количеств энергии частиц, циркулирующих в магнитном поле. С помощью этих машин, для ускорения заряженных ядерных частиц до таких высоких энергий, что вызывали ядерные реакции, он получил новые важные результаты. Сэр Джон Д. Кокрофт (Нобелевская премия 1951 г.)  и Эрнест Уолтон TS (Нобелевская премия 1951 г.) вместо этого ускоряли частицы путем прямого применения очень высоких электростатических напряжений и были награждены за свои исследования трансмутации элементов в 1951 году.

Электромагнитные свойства, общие для электронов – атомов и ядер- ред.

Электронные оболочки атомов, если их рассматривать как системы многих тел, более просты в обращении, чем у ядер (которые на самом деле содержат не только протоны и нейтроны, но и больше других, короткоживущих «виртуальных» частиц, чем атомы). Это связано со слабостью и простотой электромагнитных сил по сравнению с «сильными», удерживающими ядра. С квантовой механикой Шредингера, Гейзенберга и Паули, и релятивистским расширением Дирака, основные свойства атомных электронов можно достаточно хорошо описать. Квантовое описание микромира имеет еще одно главное приложение: Расчет химических свойств молекулярных систем (и биомолекул) и структуры конденсированных сред, которые отмечают ряд призов  в физике, а также в химии. Тем не менее,  проблема  решения математических задач, связанных с взаимным действием между электронами и  положительными ядрами  рассматривалась до самых последних премий химии, лауреатов (1998, ред.- и 2013 гг., где после Ферми и Томаса Вальтер Кон  (Нобелевская премия 1998 г.) разработал метод «функциональной плотности» для свободных атомов, а также электронов в молекулах и твердых телах, а Карплюс – ссыл.Басов).

Отто Штерн (Нобелевская премия 1943 г.) получил физ.премию в 1943 году (присуждена в 1944 году), за его экспериментальные методы исследования магнитных свойств ядер, и измерения магнитного момента самого протона. Исидор И. Раби (Нобелевская премия 1944 г.) повысил точность определений магнитного момента для ядер более чем на два порядка, с техникой его радио-частотного резонанса, за которую он был удостоен премии по физике за 1944 год. Магнитные свойства ядер дают важную информацию для понимания деталей заполнения ядер из протонов и нейтронов. Позже, во второй половине века, несколько теоретиков были вознаграждены за  теории моделей этой сложной системы многих тел: Евгений П.Вигнер (Нобелевская премия 1963 г., половина премии), Мария Гепперт-Mayer (Нобелевская премия 1963 г.)  и Дж. Ханс Д. Йенсен (по четверти) в 1963 году и Оге Бор Н. , Бен Р. Моттельсон и Л. Джеймс Рейнуотер в 1975 году. Мы вернемся к этим работам под заголовком «от простого к сложному систем»:

Атомные ядра. Нобелевская премия.

Первые сложные системы с редукционистской точки зрения — нуклоны, то есть нейтроны и протоны состоят из кварков и глюонов. Вторые — атомные ядра, которые в первом приближении состоят из отдельных нуклонов. Первая продвинутая модель строения ядра была модель ядерных оболочек в конце 1940-х годах —  Мария Гепперт-Майер и Йоханнес Д. Йенсен поняли, что … внешние нуклоны заполняют энергетические уровни, как электроны в атомах. Однако порядок отличается,  определяется другим общим потенциалом и  сильного спин-орбитального взаимодействия ядерных сил. Их модель объясняет, почему ядра с так называемым «магическим числом» протонов или нейтронов практически стабильны. Они поделили физическую премию 1963  с Юджин Вигнером, который сформулировал фундаментальность принципов симметрии как ядерных, так и физики элементарных частиц.

Ядра с номерами далекими от магических не сферические.  Бор уже работал с моделью жидкой капли для таких деформированных ядер, которые могут иметь эллипсоидальные формы, и в 1939 году было обнаружено, что возбуждение определенных сильно деформированных ядер может дойти до ядерного деления, т.е. распада таких ядер до двух тяжелых фрагментов. Отто Ган получил Нобелевскую премию по хим.  1944 (присуждена в 1945 году) за открытие этого нового процесса. Не-сферическая форма деформированных ядер дает возможности новых коллективных, вращательных степеней свободы, как и коллективные колебания нуклонов. Модели, описывающие такие возбуждения ядер разработали Джеймс Рейнуотер, Оге Бор (сын Нильса Бора) и Бен Моттельсон, которые совместно получили физ.премию в 1975 году.

Ядерные модели, упомянутые выше, были основаны не только на общих, руководящих принципов, но и на все возрастающей информации от ядерной спектроскопии. Гарольд С. Юри (Нобелевская премия 1934 г.) открыл дейтерий, тяжелый изотоп водорода, за что был награжден премией по химии в 1934 году . Ферми, Лоуренс, Коккрофт, и Уолтон упоминались в предыдущем разделе за методы  производства нестабильных ядерных изотопов. За расширение ядерной изотопии для тяжелых элементов, Эдвин М. Макмиллан и Гленн Сиборг были награждены, опять же Нобелевской премией по химии (в 1951 году). В 1954 году Вальтер Боте получил половину физ. премии (Макс Борн упоминался ранее) за  метод совпадений, что позволило спектроскопистам выбрать  соответствующие последовательности ядерного излучения от распада ядер, было важно, особенно для изучения возбужденных состояний ядер и их электромагнитных свойств.

Еще в 1912 году, Виктор Ф.Hess (разделивший Нобелевскую премию в 1936 году с Карлом D. Anderson) открыл, что высоко проникающая радиация  доходит до нас постоянно и из космоса. Эти «космические лучи» были впервые обнаружены с помощью ионизационной камеры, а затем и камеры Вильсона, о которых говорится выше. Свойства частиц в космическом излучении выводились из изогнутых треков частиц, образующихся в сильном магнитном поле. Таким образом, CD Андерсон открыл позитрон, как и Патрик MS Блэкетт (Нобелевская премия 1948 г.), показав, что электрон-позитронные пары могли получаться  из у-лучей (фотонов энергией по крайней мере 2мс2), и что электроны и позитроны могли уничтожиться, производяу-лучи, когда исчезли. Блэкетт получил физ-премию в 1948 году за его дальнейшее развития камеры Вильсона и открытий, сделанных с ней.

Хотя ускорители получили дальнейшее развитие, космическое излучение в течение нескольких десятилетий было основным источником очень энергичных частиц (и до сих пор превосходит самые мощные ускорители на Земле, хотя и с очень низкой интенсивностью), как первые проблески из совершенно неизвестного субъядерного мира. Новый вид частиц, называемый мезоны, был замечен в 1937 году,  с массой примерно в 200 электронных (но в 10 раз легче протонов). В 1946 году Сесил Ф. Пауэлл (Нобелевская премия 1950 г.) прояснил ситуацию, показав, что на самом деле не один вид таких частиц, а один из них, «п-мезон «, распадается до другого,  «μ -мезона «. Пауэлл был награжден в 1950 году.

К тому времени, теоретики уже думали о силах, удерживающих вместе протоны и нейтроны в ядрах. Хидеки Юкава (Нобелевская премия 1949 г.) предложил в 1935 году, что эти «сильные» силы  должны осуществляться с помощью обменной частицы, так же, как электромагнитная сила  осуществляется путем обмена виртуальными фотонами в новой квантовой теории поля. Юкавская теория утверждает, что такие частицы должны иметь массу около 200 электронных масс для объяснения малого радиуса больших сил, обнаруженных в экспериментах. Пауэлла п-мезоны могли действовать как «частицы Юкавы».  Другие частицы, оказалось, имеют совершенно иной характер (и их имя было изменено с » μ -мезона «до» мюонов «). Юкава получил физ-премию в 1949 году. Хотя позже прогресс показал, что механизм  сильных является более сложным, чем юкавы, тот по-прежнему следует рассматривать как первый, который привел к идее носителей силы в  плодотворном направлении.

Космическое пространство можно сравнить с большой ареной для взаимодействия частиц, где экстремальные условия, не достижимые в лаборатории, создаются спонтанно. Частицы могут быть ускорены до более высоких энергий, чем в любом ускорителе на земле, в ядерных реакций синтеза размножаться в недрах звезд, и гравитация может сжимать системы частиц до сверхвысокой плотности. Ханс А. Бете впервые описал цикл водорода и углерода, в котором энергия выделяется в звездах путем слияния протонов в ядро гелия. За это достижение он получил физ-премию в 1967 году.

Субраманьян Чандрасекар описал теоретически эволюцию звезд, в частности и  «белых карликов». При определенных условиях конечной  может быть и «нейтронная звезда», чрезвычайно компактный объект, где все протоны  преобразованы в нейтроны. Во взрывах сверхновых, тяжелые элементы, созданные в процессе эволюции звезд, разбрасываются в пространстве. Детали некоторых из наиболее важных ядерных реакций в звездах и формирование тяжелых элементов  осветил William A. Fowler как в теории, так и в экспериментах на ускорителях. Фаулер и Чандрасекар получили в 1983 премию по физике (ред- также важны не отмеченные НП из-за  конфликтов работы Гамова и Хойла, авторов теории происхождения Вселенной, «горячего начала» и «большого Взрыва»)

Видимый свет и космическое фоновое излучение не единственные формы электромагнитных волн, которые достигают нас из космоса. Более длинные волны, радиоастрономии дают информацию о астрономических объектов, не известную оптической спектроскопии. Сэр Мартин Райл развил метод, где сигналы от нескольких разделенных телескопов объединяют, чтобы увеличить разрешение  радио-карт неба. Хьюиш и его группа (не отмеченная НПФ аспирантка Белл) сделала неожиданное открытие в 1964 году с помощью телескопов Райла: радио частотные импульсы с очень четко определенной частотой повторения некоторых неизвестных объектов, названных пульсары. Они вскоре были идентифицированы как нейтронные звезды, действуя как быстро вращающиеся маяки, излучающие радиоволны, потому что они также являются сильными магнитами. Райл и Хьюиш поделили физ.премию в 1974 году, когда Рассел А. Халс и Джозеф Х. Тейлор-младший заметили периодические модуляции  частот модуляции  открытого пульсара PSR 1913 +16 — первый двойной потому, излучающая нейтронная звезда была компонентом тесной двойной звездной системы – они поделили физ.премию в 1993)

*Наш перевод истории с нобелевского сайта

См. рынок ядерных технологий, материалов и энергетики, проекты по изотопам, КС1, 1, НЗТ, Приложения – Таблицы НП по Физике и Химии

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *