15. Ядерная физика и естествознание

    Методы исследований, результаты изучения атомных ядер широко используются в других разделах физики и других областях знаний. Зародившись в недрах химии — науки о свойствах атомов, исследования структуры материи привели к открытию атомного ядра и открытию ядерной динамики. Первые эксперименты с естественными источниками α-излучения сменились экспериментами на ускорителях и реакторах. Изучение строения атомного ядра неизбежно вело к изучению структуры протона, изучению свойств «элементарных» частиц, которые начали в большом количестве рождаться на ускорителях. В недрах ядерной физики зародилось новое направление исследований – физика элементарных частиц. Физика атомного ядра и физика элементарных частиц имеют между собой много общего как по идеологии выполняемых экспериментов, так и по используемым методам наблюдений.

    В. Гольданский: «Открытие атомного ядра Резерфордом и исследование рентгеновских спектров Мозли привели к раскрытию физического смысла номера элемента в менделеевской системе как величины положительного заряда ядер атомов этого элемента. Теория Бора связала планетарную модель атома с квантовой теорией, дала теоретическое истолкование периодичности химических свойств элементов, позволила предсказать структуру шестого периода менделеевской системы и свойства не известных в то время гафния и рения. Но особое, неизмеримо важное значение приобрело другое следствие сопоставления Периодической системы с квантовой теорией – выдвинутый в 1925 г. Паули «принцип исключения». От Менделеева – через принцип Паули – пролегла дорога к статистике Ферми – Дирака и далее к теории всех многообразных явлений, связанных с особыми свойствами фермионов, в том числе теории химической связи, атомных ядер, металлов и полупроводников.
    Таким образом, на границе физики и химии возникла и получила сильнейшее развитие современная наука о строении вещества, нашедшая к тому же в последние двадцать лет принципиально новые важнейшие приложения и продолжения в молекулярной биологии».

    Атомные ядра имеют характерный спектр возбужденных состояний, распад которых происходит с испусканием γ-квантов. Разность энергий между возбужденными состояниями и соответственно энергии испускаемых γ-квантов могут составлять величину порядка единиц МэВ, что в 10³–10⁴ раз больше энергий γ-квантов, испускаемых из возбужденных состояний атомов. Возбужденные состояния атомных ядер могут распадаться также с испусканием лептонов. Испускание электрона всегда сопровождается испусканием электронного антинейтрино, испускание позитрона всегда сопровождается испусканием нейтрино. Распад возбужденных состояний ядер может происходить также с испусканием протонов, нейтронов и более сложных фрагментов.

    Резонансное поглощение γ-квантов

1958 г. Р. Мессбауэр открыл явление ядерного резонанса без отдачи (эффект Мессбауэра)

Рудольф Мессбауэр (р. 1929)

    Благодаря эффекту Мессбауэра стало возможным измерение спектров испускания, поглощения и резонансного рассеяния гамма-квантов с относительной точностью ΔE/E ≈10^-17. Уникальные характеристики мессбауэровских спектров используются при анализе физических и химических свойств твердых тел. По смещению линий мессбауэровских спектров изучают молекулярную структуру спектров, обусловленную электрическими квадрупольными и магнитными дипольными моментами ядер. Благодаря очень высокой точности определения энергии γ-квантов, с помощью эффекта Мессбауэра удалось в лабораторных условиях измерить красное смещение энергии γ-квантов в гравитационном поле Земли. Эффект Мессбауэра имеет многочисленные применения в медицине и биологии.

Нобелевская премия по физике
1961 г. – Р. Мессбауэр
За исследования в области резонансного поглощения гамма-излучения и открытия в этой связи эффекта, носящего его имя.

    В нуклоне также обнаружены возбужденные состояния. Энергия возбуждения нуклона составляет сотни МэВ. Возбужденный нуклон также как и атомное ядро может переходить в основное состояние с испусканием γ-квантов и лептонов. Однако, в большинстве случаев распад возбужденных состояний нуклонов происходит с испусканием мезонов. Чаще всего это π-мезоны. В этом проявляется особенность сильных взаимодействий кварков в нуклоне. На смену «элементарным» частицам 40-х годов ХХ столетия – протону и нейтрону – пришли новые фундаментальные частицы – кварки – составные части протона и нейтрона. Атомное ядро – уникальный объект исследований. В атомном ядре были открыты новые типы взаимодействий – сильное и слабое, были открыты новые законы сохранения и симметрии, которые были более детально исследованы во взаимодействиях элементарных частиц. Можно привести множество примеров совместных интересов физики атомного ядра и физики частиц. Один из таких примеров – физика гиперядер – образование ядерной системы из нуклонов и Λ-, Σ- и Ξ-гиперонов. Время жизни Λ-, Σ-, Ξ-гиперонов ~10^-10 с намного больше характерного ядерного времени 10^-23 с .поэтому они могут образовывать связанные состояния с нуклонами атомного ядра.

    В настоящее время получено большое число гиперядер со странностью s = -1. Эти гиперядра образуются при замене одного из нуклонов ядра на Λ- или Σ-гиперон. Получены гиперядра со странностью s = -2. Эти гиперядра получаются, если в составе гиперядра находятся 2 Λ-гиперона или Ξ-гиперон. Гиперядра получены не только для большого числа лёгких ядер, но и для более тяжелых ядер вплоть до 4. Так как время жизни гиперядер ~10^-10 с, поэтому по своим свойствам они могут рассматриваться аналогично свойствам радиоактивных ядер.
    То обстоятельство, что на одиночный гиперон в ядре не распространяется принцип Паули, позволяет ему находиться на любой ядерной оболочке. Так, например, самой нижней для Λ-гиперона в ядре является 1s-оболочка, затем 1p-оболочка, 1d-оболочка и т.д. Изучение взаимодействия гиперонов в ядре показало, что взаимодействие гиперонов с нуклонами слабее, чем нуклон-нуклонные взаимодействия, поэтому потенциальная яма для гиперонов оказывается менее глубокая и одночастичные состояния расположены при более высоких энергиях. Исследования поведения гиперядер в ядре подтверждают основные положения модели оболочек Наряду с этим гиперядра это уникальная среда для изучения ΛΛ и ΞN взаимодействий, изучения поведения гиперонов в ядерной среде.
    Хорошо известно, какую большую роль играет эффект спаривания тождественных нуклонов в атомных ядрах. Изучение реакций перезарядки π-мезонов

π⁺ + (A,Z) → (A,Z+2) + π^-,  π^- + (A,Z) → (A,Z+2) + π⁺

дают интересную информацию о силах спаривания, т.к. в этих реакциях происходит превращение двух нейтронов в два протона и наоборот.
    Несомненна связь между астрофизикой и ядерной физикой. Ядерная физика дала ответы на вопросы:

• Почему светят звезды?
• Почему звезды умирают?
• Как устроены нейтронные звезды – объекты, в которых наряду с сильным взаимодействием между нейтронами необходимо учитывать гравитационное взаимодействие?

    В настоящее время известно ~ 3500 атомных ядер. По существующим оценкам число атомных ядер может составлять ~ 7500. Большинство из неоткрытых пока ядер – это ядра перегруженные нейтронами. Изучение свойств этих ядер важно для описания  r-процесса нуклеосинтеза. В обычных земных условиях атомные ядра окружены электронными оболочками. Однако при высоких температурах в звездах атомы полностью ионизированы, и атомные ядра погружены в плазму. Поведение ядер в этих условиях тоже очень важно для описания процесса нуклеосинтеза.
    Атомные ядра играют важную роль в науке о человеке. Все химические элементы, из которых состоит человек, образовались в ядерных реакциях в звездах. А. Беккерель, М. Кюри, П. Кюри были первыми, кто испытал на себе воздействие радиоактивности. А. Беккерель носил в течение нескольких часов в нагрудном кармане радиоактивный изотоп радия, что привело к лучевому ожогу, который не заживал в течение нескольких недель. П. Кюри, узнав об этом, решил проверить этот факт и тоже получил ожог на руке. Сегодня последствия радиационного облучения изучены. Они могут иметь как отрицательные последствия – лучевая болезнь, так и положительные – в миллионах случаях радиационное облучение используется в лечебных целях и для диагностики различных болезней. Число различных приложений радиоактивных методов огромно. Оно вошло в наш повседневный образ жизни.
    Жизнь на Земле возможна благодаря ядерным реакциям, происходящим в недрах Солнца. Солнце дает тепло, согревающее Землю. Но одновременно оно является интенсивным источником радиации, которое могло бы убить все живое на Земле, если бы Земля не имела магнитного поля, защищающего Землю от космического излучения. Магнитное поле обязано разогреву внутренней области Земли за счет распада радиоактивных изотопов, находящихся в Земле.
    В 1929 г. Э. Хаббл установил расширение Вселенной, обнаружив красное смещение видимого излучения галактик за счет эффекта Доплера. Скорость v разлета двух галактик и расстояние R между ними связаны законом Хаббла

v = HR, H = 71 ± 4 км/(сек∙мегапарсек).

    Согласно космологической модели Большого взрыва Вселенная образовалась ~13,7 млрд. лет назад. «Осколки» этого Взрыва представляют собой тысячи миллиардов разлетающихся галактик. Вселенная продолжает расширяться и в настоящую эпоху. В теории Эйнштейна свойства пространства определяются средней плотностью вещества-энергии во Вселенной. Соотношение между средней плотностью ρ вещества-энергии во Вселенной и критической плотностью ρ_к определяет судьбу Вселенной. Критическая плотность вещества во Вселенной ρ_к связана с постоянной Хаббла Н и гравитационной постоянной G соотношением

Состав Вселенной в настоящее время

Если ρ < ρ_к, Вселенная будет постоянно расширяться, и радиус её будет возрастать неограниченно. Если ρ > ρ_к, гравитационное взаимодействие будет замедлять расширение, и оно сменится ускоряющимся сжатием. Средняя плотность наблюдаемого вещества во Вселенной – (2-5)∙10^–31 г/см³, что составляет (2-5)% от средней величины критической плотности. Это вещество состоит из оптически ярких звёзд (на их долю приходится лишь около 1/10 массы наблюдаемого вещества), межзвёздной пыли и газа, молекулярных облаков, остатков звёздной эволюции (включая чёрные дыры), планет и маломассивных звёзд, массы которых недостаточны для ядерных реакций синтеза. При средней плотности наблюдаемого вещества Вселенная, казалось бы, обречена на замедляющееся расширение. Однако, установлено, что во Вселенной имеется большое количество неизвестной оптически невидимой материи, которую принято называть тёмной материей. Тёмная материя увеличивает массу Вселенной. Тёмная материя не участвует в ядерном синтезе, происходящем в звездах, не излучает свет. Следовательно, её невозможно обнаружить с помощью телескопов. Однако есть неоспоримые доказательства того, что тёмная материя действительно существует. Так, астрономические наблюдения показывают, что скорости движения галактик составляют тысячи километров в секунду и удержать их в наблюдаемых скоплениях галактик можно только при условии, что полная масса вещества в скоплении примерно в десять раз больше видимой звёздной массы. В нашей галактике Млечный путь тёмного вещества также примерно в 10 раз больше видимого. Оно образует обширное гало вокруг диска Млечного пути. Не меньше темной материи и в межгалактическом пространстве. Средняя плотность тёмной материи приближается к критической плотности Вселенной, т.е. составляет ≈ 10^–29 г/см³, что в несколько раз больше плотности видимого вещества. Природу тёмной материи пока не удалось выяснить. Известно лишь то, что это не барионная материя. Это могут быть новые неизвестные пока массивные частицы, массы которых в тысячи раз больше массы протона, практически не взаимодействующие с известной нам материей.

    Наибольший вклад в вещество Вселенной даёт так называемая тёмная энергия, которую интерпретируют как вакуум. Тёмная энергия – особая форма материи – физический вакуум, т. е. наинизшее энергетическое состояние физических полей, заполняющих пространство. В начале 1998 г. было экспериментально доказано, что последние пять млрд. лет расширение Вселенной не замедлялось, как следует из модели Большого Взрыва, а ускорялось. Это открытие было сделано в результате анализа спектров излучения взрывающихся Сверхновых, расположенных от Земли на расстоянии 5-10 млрд. световых лет. Было доказано наличие в космосе гравитационного отталкивания, присущего физическому вакууму. По ускорению космологического расширения удалось измерить плотность энергии вакуума. Средняя плотность энергии вакуума в единицах плотности массы

ρвакуум ≈ 0.7·10^-29 г/см³.

    Эффективная энергия вакуума отрицательна при положительной плотности. Плотность энергии вакуума со временем не изменяется, в то время как плотности обычного вещества и тёмной материи уменьшаются из-за расширения Вселенной. В отличие от сил гравитации силы, обусловленные тёмной энергией, стремятся удалить космические объекты друг от друга. Вакуум создаёт антигравитацию, которая определяет динамику Вселенной в современную эпоху. В первой половине своего существования Вселенная расширялась вследствие инерции Большого Взрыва. Во Вселенной доминировало вещество, и скорость её расширения замедлялась. Галактики и звезды все дальше удалялись друг от друга. Плотность материи во Вселенной падала. Со временем галактики и звезды стали редкими вкраплениями в космологический вакуум, и Вселенная перешла из состояния доминирования вещества в состояние доминирования вакуума, обеспечившего ей режим дальнейшего ускоренного расширения. Постоянство плотности вакуума приведет к тому, что окружающий мир станет тоже статичным. Но в отличие от статичного мира Эйнштейна, в котором состояние равновесия достигалось уравновешиванием сил гравитации и космологического Λ-члена, теперь равновесие достигается постоянной плотностью вакуума. Как образуется космологический вакуум, и какова его природа ещё предстоит выяснить. Физический вакуум – особое состояние квантового поля, в котором при нулевых квантовых числах суммарных зарядов, импульсов и других переменных могут возникать виртуальные частицы. Образовавшиеся виртуальные частицы могут создавать в пространстве ненулевую энергию вакуума. Во всех физических взаимодействиях, не связанных с гравитацией, абсолютная величина энергии системы не имеет значения, важна лишь разность энергий состояний. В гравитации, однако, это не так – необходимо учитывать все формы энергии. Однозначного ответа на вопрос о тождественности физического вакуума и тёмной энергии Вселенной пока нет. Другой причиной обсуждаемых эффектов могут быть дополнительные измерения пространства Вселенной.
    Условия, существовавшие в первые мгновения Вселенной, воспроизводятся в релятивистских столкновениях тяжелых ядер на ускорителях RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) и LHC (Large Hadron Collider). В столкновениях ядер Pb+Pb была обнаружена кварк-глюонная плазма – состояние, в котором существовала материя в первые мгновения Вселенной. Характерной особенностью материи в это время было одинаковое число частиц и античастиц. Одним из фундаментальных вопросов является следующий. Если вначале вещество и антивещество присутствовали в одинаковом количестве, почему окружающая нас часть Вселенной состоит из вещества? Куда девалось антивещество? Может быть, отдаленные неисследованные области Вселенной состоят из антивещества и тогда это означает то, что первоначальная симметрия между материей и антиматерией сохранилась и в настоящее время. Однако существует и другое объяснение преобладания вещества над антивеществом. В результате нарушении CP четности в нестационарной расширяющейся Вселенной образовалось преобладание вещества над антивеществом на уровне 10^–9, т.е. на 10⁹ частиц антивещества было 10⁹ + 1 частица вещества. В результате последующей аннигиляции вещества и антивещества всё антивещество исчезло и образовалось реликтовое излучение. Число фотонов реликтового излучения во Вселенной превосходит число барионов во Вселенной как раз в 10⁹ раз. Такое объяснение предполагает, что протон должен быть нестабильной частицей и может распадаться с нарушением законов сохранения барионного и лептонного зарядов.

p → e⁺ + π⁰.

    Время жизни протона по оценке должно быть > 10³² лет.
    Конец XIX века ознаменовался рядом крупных открытий, которые радикально повлияли на развитее науки в XX веке. Аналогичная ситуация складывается в физике и в настоящее время. Оказывается, что наши знания о процессах, происходящих во Вселенной, основываются на законах о свойствах барионной материи, составляющей ~ 5% всей матери во Вселенной. ~ 30% всей матери во Вселенной составляет темная материя, природа которой до сих пор неизвестна. ~ 70% всей матери во Вселенной составляет темная энергия – еще более загадочное состояние материи.
    Достаточно надёжно описываемые формы материи, которые хорошо известны, составляют всего несколько процентов от общей плотности космологической материи. Изучение этих новых форм материи, безусловно, важнейшая проблема. Природа бросила очередной вызов человеку.

Космическая шкала времени