18. Заключение

    Основная цель исследований в области ядерной физики состоит в изучении природы взаимодействия системы конечного числа нуклонов, понимании того, как соотносятся силы взаимодействия между нуклонами с более фундаментальными взаимодействиями, как отличаются свойства и взаимодействия свободных нуклонов и нуклонов в ядерной среде. Одним из первых замечательных открытий было обнаружение некоторых регулярностей в поведении атомных ядер − магических чисел, получивших достаточно адекватное описание в модели оболочек. Другим открытием было обнаружение сил спаривания. Одним из проявлений сил спаривания является нулевой спин основных состояний у всех четно-четных ядер. Значительное расширение числа изотопов, которые стали в настоящее время доступны для экспериментальных исследований, за счет ядер, удаленных от долины стабильности, позволяет не только более детально исследовать те явления, которые уже были обнаружены ранее, но и изучать новые явления, проявляющиеся в ядрах, находящихся в экстремальных условиях. Ядра, удаленные от долины стабильности, имеют другое среднее поле, обусловленное интерференцией кулоновского и ядерного взаимодействий.
    Ответы на какие вопросы мы ожидаем получить, изучая ядра, удалённые от полосы β-стабильности?

1. Какова область существования атомных ядер? С этой целью исследуются наиболее тяжелые из полученных в настоящее время сверхтяжелых ядер. Исследуются ядра вблизи границ энергий отделения протона B_p = 0 и нейтрона B_n = 0. Исследование атомных ядер вблизи этих границ позволяет ответить на вопрос: существуют ли компактные области устойчивых ядер вне этих границ и каковы возможные причины существования таких областей? Сверхтяжелые ядра получаются в лабораторных условиях и пока не обнаружены в природе. Возрастающее кулоновское взаимодействие должно приводить к развалу ядер с Z > 120, однако большой нейтронный избыток и отличие формы ядра от сферической являются факторами, которые могут стабилизировать ядро − увеличить энергию связи ядра и увеличить период полураспада сверхтяжелых ядер. Возможно существование сверхтяжелых ядер, период полураспада которых может измеряться часами.
2. Существуют ли в области экзотических ядер те же самые магические числа, как и для ядер долины стабильности? Ответ на этот вопрос особенно важен, т.к. позволит получить дополнительную информацию о форме атомных ядер и, в частности, о супердеформированных ядрах в основном состоянии. До сих пор супердеформированнные ядра были обнаружены лишь в возбужденных состояниях. Для удалённых от полосы β-стабильности ядер возможно появление новых магических чисел, обусловленное сильно деформированными состояниями. Наблюдаются отдельные ядра, имеющие повышенную стабильность по сравнению с соседними ядрами.
3. Как изменяются свойства атомных ядер в том случае, когда соотношение между числом нейтронов и протонов отличается от равновесных значений для ядер долины стабильности? В настоящее время твердо установлено существование нейтронного гало и нейтронного слоя у легких нейтроноизбыточных ядер. Это породило, в свою очередь, дополнительные вопросы

• Насколько это свойство расслоения протонной и нейтронной материй может проявиться в экзотических ядрах с сильно неравновесным отношением N/Z?
• Каково распределение масс и зарядов в экзотических ядрах?
• Изменяется ли величина спин-орбитального взаимодействия с изменением величины N/Z?
• Хорошо известно явление спаривания тождественных нуклонов, находящихся на одной подоболочке. Как зависит величина сил спаривания от полного момента подоболочки, на которой находятся пары нуклонов? Существует ли n-p-спаривание?
• Существует ли нейтронное гало в возбужденных состояниях ядер? Нейтронное гало атомных ядер должно приводить к новым типам возбуждений атомных ядер – колебаниям нейтронного слоя относительно внутреннего протон-нейтронного кора.
• Существуют ли эффекты кластеризации ядерных состояний в области малой нейтронной плотности?
• Какую форму имеют атомные ядра в областях с различными значениями N/Z?
• Исследования ядер с большим избытком нейтронов позволяет продвинуться в построении моделей нейтронных звезд – гигантских источников нейтронной материи.

4. Какие качественно новые явления ожидаются при распаде удалённых от полосы β-стабильности ядер? Если основными модами радиоактивного распада ядер вблизи полосы β-стабильности являются α- и β-распады, то при приближении к границам нуклонной стабильности меняется энергия Ферми для протонов и нейтронов. Вследствие этого появляются новые моды распада − испускание запаздывающих нейтронов, протонов, дейтронов, тритонов и испускание двух и трех нейтронов из возбужденных состояний ядер, образующихся в результате предшествующего β-распада.
5. Как изменятся наши представления об эволюции Вселенной с появлением новой информации о свойствах ядер, удалённых от полосы β-стабильности? Исследование свойств нейтроноизбыточных ядер должно существенно расширить наше понимание динамики r процесса нуклеосинтеза. Экстремально высокие температуры и давление при взрывах сверхновых, интенсивные потоки нейтронов, нейтрино и γ-квантов необходимо учитывать при описании механизма образования ядер не только в r-процессе, но и в процессах быстрого захвата протонов − 2p-процесс, в фотоядерных реакциях.
6. Атомные ядра являются лабораториями, в которых исследуются фундаментальные взаимодействия. Наличие массы нейтрино показывает необходимость расширения Стандартной Модели. Одной из фундаментальных нерешенных проблем является асимметрия между материей и антиматерией во Вселенной. Нарушение СР четности порождает новые проблемы и новые идеи о возможных причинах её нарушения. Одной их возможных причин асимметрии между материей и антиматерией может быть отличный от нуля электрический дипольный момент частиц и основных состояний ядер.

    Подавляющее большинство изотопов являются радиоактивными. Изучение свойств радиоактивных ядер позволило продвинуться в понимании природы материи.
    За открытия в области радиоактивности атомных ядер были присуждены Нобелевские премии по физике и по химии.

1903 г. − А. Беккерель. За открытие спонтанной радиоактивности.П. Кюри, М. Склодовская-Кюри. За исследование радиоактивности.

1935 г. − Дж. Чедвик. За открытие нейтрона.

1936 г. − К. Андерсон. За открытие позитрона.

1938 г. − Э. Ферми. За демонстрацию существования новых радиоактив­ных элементов, полученных с помощью нейтронного облучения и за открытие ядерных реакций, вызванных медленными нейтронами.

1939 г. − Э. Лоуренс. За изобретение и создание циклотрона и за результаты, полученные на нём, в особенности связанные с искусственными радиоактивными элементами.

1948 г. − П. Блэккетт. За создание метода камеры Вильсона и открытия, сделанные с его помощью, в области ядерной физики и космических лучей.

1951 г. − Дж. Кокрофт и Э. Уолтон. За пионерскую работу по трансмута­ции атомных ядер с помощью искусственных атомных ядер.

1954 г. − В. Боте. За метод совпадений и сделанные с его помощью открытия.

1957 г. − Янг Чень-Ин, Ли Цзун-Дао. За глубокие исследования так назы­ваемых законов четности, которые привели к важным открытиям в области элементарных частиц.

1961 г. − Р. Мессбауэр. За исследования в области резонансного поглоще­ния гамма-излучения и открытия в этой связи эффекта, носящего его имя.

1975 г. − О. Бор, Б. Моттельсон, Дж. Рейноутер. За открытие связи между коллективным и одночастичным движением в атомном ядре и создание на базе этой связи теории структуры атомного ядра.

1983 г. − Р. Фаулер. За теоретические и экспериментальные исследования ядерных процессов важных при образовании химических элементов во Вселенной.

1994 г. − Б. Брокхаус. За создание нейтронной спектроскопии. К. Шулл. За создание метода нейтронной дифракции.

Нобелевские премии по химии

1908 г. − Э. Резерфорд. За исследования по превращению элементов и химии радиоактивных веществ.

1911 г. − М. Склодовская-Кюри. За открытие элементов радия и полония, изучение свойств радия, получение радия в металлическом состоянии и осуществление экспериментов, связанных с радием.

1921 г. − Ф. Содди. За вклад в химию радиоактивных веществ и за иссле­дования процессов образования и природы изотопов.

1922 г. − Ф. Астон. За сделанное им с помощью им же изобретенного масс-спектрографа открытие большого количества стабильных изотопов и формулирование правила целых чисел.

1935 г. − Ф. Жолио-Кюри, И. Жолио-Кюри. За открытие искусственной радиоактивности и синтез новых радиоактивных элементов.

1943 г. − Д. Хевеши. За использование изотопов как индикаторов при изучении химических процессов.

1944 г. − О. Ганн. За открытие деления ядер тяжелых элементов.

1951 г. − Э. Макмиллан, Г. Сиборг. За открытия в области химии трансура­но­вых элементов.

1960 г. − У. Либби. За метод использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других науках.

Принципы симметрии
Чень-Ин Янг

Соотношение между законами сохранения и симметрией

    Существование законов симметрии находится в полном соответствии с нашим жизненным опытом. Понятия о простейших симметриях – изотропности и однородности пространства – появились на заре человеческого сознания.
    Инвариантность законов механики при переходе к равномерно движущейся системе координат (известная также как инвариантность относительно преобразования Галилея) явилась примером первой лишенной простоты симметрии. Эта симметрия является одним из исходных принципов ньютоновской механики. Следствия, вытекающие из этого принципа симметрии, интенсивно разрабатывались физиками в прошлом веке и привели к ряду важных результатов. Хорошим примером из этой области служит теорема, гласящая, что в изотропном твердом теле могут быть только два модуля упругости.
    Другого типа следствиями из законов симметрии являются законы сохранения. В настоящее время общеизвестно, что, вообще говоря, принцип симметрии (или, что то же самое, принцип инвариантности) приводит к закону сохранения. Например, инвариантность физических законов относительно пространственных трансляций приводит к закону сохранения импульса, а инвариантность относительно пространственных вращений приводит к сохранению момента. В то время как важность этих законов сохранения была полностью понята, их тесная связь с законами симметрии не была полностью установлена вплоть до начала XX века.

(продолжение)

    В связи с созданием специальной и общей теории относительности законы симметрии приобрели новое значение: между законами симметрии и динамическими законами физика связь оказалась значительно более тесной и взаимоопределяющей, чем в классической механике, где, по существу, законы симметрии явились только следствиями динамических законов, случайно обладавших симметрией. В релятивистской теории также было существенно расширено число законов симметрии путем включения таких законов, которые на основе обыденных представлений явились отнюдь не очевидными: скорее их справедливость выводилась на основании сложных экспериментов (или в дальнейшем подтверждалась сложными экспериментами).
    Позвольте мне подчеркнуть, что для физиков являлась могучим источником вдохновения идейная простота и внутренняя красота симметрии, обнаруживаемой в сложных экспериментах. Появлялась надежда, что природа таит в себе определенную упорядоченность, которую можно постигнуть.
    Однако вплоть до появления квантовой механики принципы симметрии были распространены в физике не очень широко. Квантовые числа, которые определяют состояния системы, часто совпадают с квантовыми числами, определяющими симметрию системы. Действительно, трудно переоценить ту роль, которую играют принципы симметрии в квантовой механике. Сошлемся на два примера: общее строение периодической системы элементов по существу является прямым следствием изотропности закона Кулона; существование античастиц – а именно позитрона, антипротона и антинейтрона – теоретически предсказывалось как следствие инвариантности физических законов по отношению к преобразованию Лоренца. В обоих случаях кажется, что природа использует преимущество простоты математического представления законов симметрии. Чувство глубочайшего уважения к мощи законов симметрии никогда не ослабевает у того, кто обдумывал изящество и красоту безупречных математических доказательств и сопоставлял это со сложными и далеко идущими физическими следствиями.

УФН, т. 66, вып. 1, стр. 79 (1958)