Общий курс физики. Ядерная физика

Д.В.Сивухин ОБЩИЙ КУРС ФИЗИКИ. Т.V,Ч.2 ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА Вторая часть пятого, завершающего, тома «Общего курса физики», созданного профессором Московского физико-технического института Д.В.Сивухиным (первая часть «Атомная физика» выпущена в 1986 г.). Главное внимание уделено выяснению физического смысла и содержания основных законов и понятий ядерной физики, установлению границ применимости этих законов, развитию у студентов навыков физического мышления и умения ставить и решать конкретные задачи. Для студентов физических и математических факультетов университетов, физико-технических а инженерно-физических институтов, а также вузов, где физика является основной дисциплиной. ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие 5 ГЛАВА VIII СТАТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АТОМНОГО ЯДРА § 63. Введение 7 § 64. Энергия связи ядра 18 § 65. Размеры ядра 29 § 66. Спин ядра и сверхтонкая структура спектральных липни 35 § 67. Влияние спина ядра на эффект Зеемана 47 § 68. Измерения спинов и магнитных моментов ядер методом магнитного 49 резонанса. Опытные данные о спинах и магнитных моментах ядер § 69. Четность. Закон сохранения четности 52 § 70. Электрические свойства и форма ядра 58 ГЛАВА IX РАДИОАКТИВНОСТЬ § 71. Введение 63 § 72. Законы радиоактивного распада 69 § 73. Альфа-распад 75 § 74. Бета-распад 87 § 75. Гамма-излучение ядер и внутренняя конверсия электронов 105 § 76. Эффект Мёссбауэра 109 ГЛАВА X КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЯДЕРНЫХ МОДЕЛЯХ § 77. Общие сведения 118 § 78. Оболочечная модель ядра 122 ГЛАВА XI ПРОХОЖДЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ГАММА-КВАНТОВ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО § 79. Введение 134 § 80. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество 135

§ 81. Прохождение легких заряженных частиц через вещество § 82. Прохождение гамма-квантов через вещество § 83. Другие проявления взаимодействия ядерных частиц с веществом ГЛАВА XII ИСТОЧНИКИ И МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ § 84. Ускорители § 85. Источники нейтронов и других нейтральных частиц § 86. Детекторы частиц ГЛАВА XIII ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ § 87. Терминология и определении § 88. Законы сохранения в ядерных реакциях § 89. Составное ядро § 90. Ядерные реакции, идущие через составное ядр.> § 91. Дополнительные сведения о ядерных реакциях', ГЛАВА XIV НЕЙТРОНЫ И ДЕЛЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР § 92. История открытия нейтрона § 93. Деление атомных ядер § 94. Трансурановые элементы § 95. Цепная реакция и ядерные реакторы § 96. Природный ядерный реактор в Окло § 97. Использование антинейтрино для контроля ядерного реактора § 98. Термоядерная проблема § 99. Нейтронная оптика ГЛАВА XV НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ АСТРОФИЗИКИ § 100. Источники энергии звезд § 101. Некоторые сведения из астрономии § 102. Краткие сведения об эволюции звезд § 103. Космические лучи ГЛАВА XVI ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ § 104. Что такое элементарные частицы § 105. Классификация элементарных частиц § 106. Античастицы § 107. Законы сохранения энергии и импульса и их приложения § 108. Законы сохранения электрического, лептопных и барионного зарядов § 109. Другие законы сохранения и квантовые числа § 110. Кварковая модель адронов Таблицы Именной указатель Предметный указатель

143 149 155 159 182 187 203 208216 219 224 232 236 248 268 28,5 285 288 304 318 330 335 354 371 374 378 382 389 393 399 407 410 412

Ядерная физика излагается в этой книге как раздел общего курса физики. Книга не ставит целью подробное изложение всех проблем этой науки. Почти все главы и параграфы книги при подробном изложении могли бы составить содержание специальных монографий. К ним и следует обращаться всем специализирующимся в различных областях ядерной физики. Здесь же приводится, да и то часто в общих чертах, только такой материал, в котором должен ориентироваться студент-физик, независимо от того, какую узкую специальность он изберет в дальнейшем. ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ Авогадро 141 Вильсон 141, 156, 199, 355, 356, 379, Алиханов 101, 102 385 Алиханьян 101, 102 Владимирский 317 Аллен 102 Волков 344 Альварец 163, 164, 165 Вульф 306, 317 Андерсон 16, 376, 378, 379 Вустер 94, 781 Арцимович 289, 300 Гайтлер 147, 148 Бак 47 Гамильтон 382 Басов 304 Гамов 79, 81, 82, 87 Беккер 232, 233 Ган 108, 237, 238 Беккерель 7 Гартинг 349 Белл 344 Гейгер 76, 77, 84, 86, 232, 355, 356, Бете 140, 144, 147, 148, 318, 350 357 Блох 140 Гейзенберг 8, 14, 81 Блэккет 379 Гелл-Манн 394, 399 Бозе 374 Гёпперт-Майер 130 Больцман 322, 324 Герке 36 Бор Герлах 49 Нильс 36, 38, 120, 140, 216, 225, 230, Герцшпрунг 333, 334, 336, 337 240, 249, 259 Гесс 354, 355 Бор Оге 133 Гиорсо 255 Боте 232, 233 Глазер 199 Браун 350 Глэшоу 405 Брейт 220 Гоккель 354 Бройль де 119, 207, 230, 225, 304 Гольданский 64 Брэгг 306, 317 Дебай 306 Вавилов 156, 196, 197 Дирак 351, 374, 378 Вайнберг 405 Добрецов 36, 37, 43 Ван-де-Грааф 160, 161, 173, 256, 257 Доплер 111 Бейцзеккер 23, 24, 94, 108, 120, 122, Дэвис 103, 339 239 Жолио-Кюри Фредерик 63, 64, 233, Векслер 169, 172 259 Вигнер 220 Завойский 304 Видерое 161, 163, 164 Зееман 46, 47 Зельдович 310

Иваненко 8, 16 Йенсен 130 Кадомцев 300 Капица 199 Карно 293 Клейн 152 Кокрофт 204, 209 Кольхерстеу 355 Комптоп 151, 152. 154 Кондон 79, 81 Коуэн 102, 104, 196, 285 Кристофилос 178 Крускал 301 Кузьмин 104 Кулон 30, 80, 138 Курант 178 Курчатов 108, 258, 276, 281, 297 Кюри (Жолио) Ирен 63, 64, 233, 237 23Э Кюри Мария 7, 251 Кюри Пьер 7, 251 Лагранж 382 Лаплас 60, 350, 351 Латтес 17 Лауэ 306 Ледерман 381 Лежандр 55 Лейпунский 100, 102 Леонтович 81, 289, 300, 758 Ливипгстон 178 Лоренц 168, 358 Лоуренс 166 Лоусон 295, 296, 297, 303 Луммер 36 Любимов 99 Майкельсон 36 Мак-Миллан 169 Мандельштам 81 Мейтнер Лизе 237, 238 Менделеев 122, 255, 261, 262 Мёссбауэр 69, 109, 113, 115 Милликен 355, 403 Моттельсон 133 Мюллер 355, 356, 357, 1209

Неттол 76. 77, 84, 86 Ниппша 152 Нншинджима 394 Ноддермайер 16, 376 Ньютон 347 Оганесян 259, 260, 261 Оже 107 Оккпалшш 17, 379 Оппенгеймер 344 Паули 35, 36, 38, 95, 96, 99. 120, 126, 128, 342, 352, 378 Паунд 116 Пауэлл 17 Пашен 47 Перл 376 Перо 36, 37 Петржак 64, 243, 244 Планк 38, 81 Понтекорво 104, 338 Прокопткин 381 Пуассон 74 Ребке 116 Резерфорд 7, 30, 80, 81, 156, 159, 189, 232, 235, 258, 403 Рейнес 102, 196, 285 Рейноутер 133 Ресссл 333, 334, 336, 337 Росси 356, 357 Савич 237, 238 Салам 405 Сиборг 255 Скобельцын 19!), 355, 356 Сшшдер 116, 178 Стефан 324 Сгмутиисиий 240, 262 Тамм 16, 152 Тереиин 36, 37, 43 Томсон 152 Третьяков 09 Уилер 240 Уолтон 204, 209 Фабри 37

Ферми 95, 96, 99, 100, 200, 236. 237, 238, 250, 276, 339, 340, 342, 343, 351, 352, 367, 374 Флеров 64, 243, 244, 256, 264 Фок 10 Френель 312 Френкель 120, 240 Фриш Отто 238 Хартри 10 Хелл 306 Хоукиг 347 Хофштаттер 33 Хьюиш 344 Цвейг 399 Чандрасекар 342

Чедвик 8, 94, 232, 234, 235, 238 Черенков 156, 196, 197, 380 Шафранов 301 Шварцшильд 346, 347, 350, 351 Шерер 306 Широков 11 Шкловский 335 Шредингер 52, 53, 82, 128, 130 Штерн 49 Штрассман 237, 238 Шюлер 36 Эйлер 321 Эйнштейн 20, 116, 374 Эллис 94 Юдин 11 Юкава 16, 17

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Автофазировка 169, 170 Ахондриты 268 Адроны 156, 376 Барионныи заряд 214, 390 Азотная катастрофа 50 Барионы 213, 377, 401 Активная зона реактора 271 — очарованные 402 Активность 69 Беккерель (единица) 69 Альфа-распад 63, 75 Белые карлики 335, 342 — необлегченный 87 Бериллиевы лучи 233 — облегченный 87 Берклий 251 Альфа-частицы длиннопробежные 86 Бета-распад 63, 87 Америций 251 — двойной 92 Амплитуда рассеяния 309, 310 — обратный 102 — — магнитного 317 — позитронный 64, 87 Аннигиляционные потери 157 — электронный 64, 87 Аннигиляция 152, 379 — — захват 64, 87 — двухфотонная 157 Бетатрон 173 Антивещество 381 Бланкет 291 Антидейтрон 381 Блеск звезды 330 Антинейтрино электронное 96 Бозоны 374 — мюонное 97 Брегговский скачок 306 — таонное 97 Бустер 177 Антинейтрон 381 Вектор поляризации 208 Антипротон 380 Великое объединение 406 Антицвет 404 Верхняя граница бета-распада 93, 343 Античастицы 378 Взаимодействия гравитационные 12, Аромат 399 373 Атомная единица массы 9 — сильные 12, 373

— слабые 12, 373 — электромагнитные 12, 373 Вилка 385 Вириал и теорема вирнала 319 Виртуальные кванты 15 — частицы 15 Внутренняя конверсия 107 — — коэффициент 107 — — парная 107 Водородный цикл 327 Возраст Земли 74 Волна встречная 164 — попутная 164 Восточно-западная асимметрия космических лучей 212 Вращательные энергетические уровни 62 Время восстановления счетчика 189 — жизни 70 Встречные пучки 181 Входной 205 Вырожденный газ 352 Выход реакции 183, 208 Выходной канал 205 Гамма-излучение 105 Гелиевый цикл 329 Генератор Ван-дер-Граафа 160 — — перезарядный (тандемгенератор) 161 Гигантский резонанс 230 Гиперзаряд 395 Гиперопы 377 Глубоконеупругое рассеяние 403 Глюоны 17, 404 Гравитационное смещение спектральных линий 115 Гравитационный коллапс 344, 346 — радиус 346, 374 Гравитоны Границы Ферми 352 Граничная длина волны нейтрона 315, 316 — энергия нейтрона 315, 316

Двухпротонный распад 63 Деление ядра 236 Детекторы 187 — Гейгера 193 — — Мюллера 188, 193 — импульсные ионизационные камеры 188, 190 — ионизационные 188, 189 — полупроводниковые 188, 198 — пропорциональные 188, 191 — сциптнлляционные 188, 193 — трековые 187, 190 —черенковские 188, 197 — электронные счетчики 187 Дефект массы ядра 19 — — нейтрального атома 20 Диаграмма Гершпрунга —Рессела 334 Дипольный магнитный момент ядра 59 Дифракционное рассеяние 207 Дрейфовые (пролетные) трубки 181 Дуанты 167 Естественная ширина линии 112 Жолиотий 258 Загадка солнечных нейтрино 104 Закон Гейгера —Петтола 76 — сохранения барионного заряда 208, 383, 389 — — изотопического спина 208, 307 — — импульса 208, 383, 387 — — красоты (прелести) 383 — — лептонных зарядов 98, 208, 383, 389 — — момента импульса 208, 383, 389 — — очарования (шарма) 383 — — странности 383, 394 — — четности 53, 208, 395 — — электрического заряда 208, 383, 389 — — энергии 208, 383, 387 — 1/v 220 Запаздывающие нейтроны 65

Запрещенные линии 58 Заряд лептонный 98, 390 — мюонный 390 — таонный 390 Зарядовая независимость ядерных сил 397 — симметрия 9 Зарядовое число (порядковый номер элемента) 8 Зашлаковывание реактора 280 «Звезда» 381 Звездная величина 330 — — абсолютная 331 — — визуальная 332 — — фотовизуальная 332 — — фотографическая (синяя) 332 Звезды главной последовательности 334 Зеркальные ядра 9 Зона воспроизводства 281 Изобары 8 Изомеры 108 Изотоны 8 Изотопическая инвариантность 9, 307 — ось 396 Изотопические мультиплеты 395 Изотопический спин (изоспин) 396 Изотопическое пространство 396 Изотопы 8 Инклюзивное сечение 206 Ионизационные потери 135 Истинно элементарные частицы 376 Источники нейтронов 182 ИТЭР 303 Калифорний 251 Камера Вильсона 188 — диффузионная 199 — дрейфовая 188 — искровая 188, 201 — криогенная 199 — пропорциональная 192 — пузырьковая 188 — стримернал 188 202

Квадрупольный момент внешний 61 — — внутренний 61 Квазинейтральный 292 — магнитный дипольный 57 Квант электрический дипольный 57 — — квадрупольный 57 Квантовая хромодинамика 405 Кварки 399 Кварковая модель адронов 399 Классический радиус электрона 152 Классы звезд 332 Конвертор 316 Конус потерь 298 Конфаймент 404 Космические лучи 354, 355 —— — вторичные 357 Космические лучи галактические 357 — — первичные 357 — — солнечные 357 Коэффициент воспроизводства 281 — газового усиления 191 — размножения нейтронов 272 — теплового использования 273 Красные гиганты 335 — карлики 335 — сверхгиганты 335 Красота (прелесть) 305, 403 Критерий Лоусона 295, 296 —Шафранова —Крускала 301 Критическая масса 274 — энергия 149 Курчатовий 258 Кюри (единица) 69 Кюрий 251 Лептоны 97, 376 Ливни 157 — широкие атмосферные 364 — электронно-протонные каскадные 370 Линейный коэффициент поглощения 150 Ловушки ультрахолодных нейтронов 316 Лоуренсий 258

Магические числа 24, 122 — ядра 24, 122 Магнетон Бора 39 — ядерный 39 Магнитная жесткость 356 Магнитное 2L-поле 57 Магнитные зеркала 317 — квадрупольные линзы 178 — ловушки 298 — моменты ядер 49 — пробки 298 Магнитогидродинамическая модель плазмы двухжидкостная 299 — — — одножидкостная 299 Масса инвариантная (покоя) 383 Массовое число 8 Массовый коэффициент поглощения 150 Мезоны 377, 400 — с явным очарованием 402 Менделевий 255 Метод магнитного резонанса 50 — носителя 104 — сравнения интенсивностей 43 Мпкротрон 172 Модель испарения 223 Мощность реактора 279 Мультиполь 56 Мюоны 34, 376 Накопительные кольца 182 — — нейтронные 317 Насыщение ядерных сил 21 Нейтрино мюонное 97 — таонное 97 — электронное 96 Нейтронные волны 304, 805 — звезды (пульсары) 343, 344 Нейтроны быстрые 269, S05 — вторичные 245 — высокоэнергетичные 305 — запаздывающие 246, 247, 277 — мгновенные 246 — релятивистские 305

— тепловые 269, 305 — ультрахолодные 305 Нейтроновод 316 Неоновый цикл 329 Нептуний 250 Нильсборий 259 Нобелий 257 Нуклид 8 Нуклонное самосогласованное поле 127 Нуклонный потенциал 311 Нулевые матрицы 311 Область Гейгера 193 Оболочка 122 Оператор инверсии 52 Оптимальная температура 295 Остров стабильности 262 Отравление реактора 280 Отражатель 273 Очарование (шарм) 395, 402 Парциальное сечение реакции 215 Переносчики взаимодействия 376 — — W±, Z0-бозоны 376 Период (время) полураспада 71 Пинч-эффект 297 Пионы 97 Плазменный шнур 299 Плутоний 250 Подбарьерный процесс 217 Позитроний 380 Показатель преломления 226 — — нейтронных волн 312, 315 — цвета 332 Поле полоидальное 301 — тороидальное 301 Полуширина линии доплеровская 111 Поляризация нейтрино 110 Поляризованные частицы 206 Порог реакции 210 Постоянная распада 69 — спин-орбитального взаимодействия 130 Потенциальный барьер 80 Пропила отбора 57

Правило (метод) интервалов 41 Предравновесный распад 225 Преоны 372 Пробег 136, 142 — максимальный 145 — средний 149 Протозвезда 318 Протонный распад 63 Радиатор 196 Радиационная длина 148 Радиационные потери 144, 147 Радиоактивность 63 — искусственная 63 — наведенная 158 — основной закон 70 Радиоактивные семейства (ряды) 66, 67 — ядра 63 Радиус ядра 29 Разрешение временное 188, 357 — пространственное 188 Реакторы гетерогенные 276 — гомогенные 276 — исследовательские 280 — экспериментальные 280 — энергетические 280 Реакторы-размножители (бридеры) 281 Режим стационарный 272 — критический 272 — надкритический 272 — подкритический 272 Резерфорд (единица) 69 Резерфордий 258 Резонансные частицы (резонансы) 375 Самоподдерживающаяся реакция 273 Сверхновые звезды 349 Сверхтонкая структура спектральных линий 36 Сверхъядра 263 Сверхэлементы 263 Светимость звезды 330 Симметрия «вперед-назад» 218

Синхротрон 176 Синхрофазотрон 177 Система отсчета лабораторная (ЛС) 205 — — центра масс (ЦМ) 205 Солнечный ветер 364 Составное (промежуточное) ядро (компаунд-ядро) 216 Состояние дипольное 57 — квадрупольное 57 — октуполыюе 57 — смешанное 206 — чистое 206 Спин ядра 35, 38, 49 Сшгралыюсть нейтрино 99 Спонтанное деление 63 Среднее время удержания 294 Странность 394 Странные частицы 393 Стримеры 202 Субгиганты 335 Субкарлики 335 Сфера Шварцшильда (горизонт событий) 346 Схема совпадений 256 Температура вырождения 352 Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) 276 Теплоноситель 279 Термоядерная проблема 288, 290 Токамак 300 Толстослойные фотоэмульсии 188, 200 Томсоновское (классическое) рассеянно 152 Тонкая структура спектра α-частиц 86 Тормозное излучение 147 Трансурановые элементы (трансураны) 248 Туннельный эффект 82 Углеродный цикл 327, 329 Угловое распределение 205 Упаковочный коэффициент 20

Управляемый термоядерный синтез 289 Уровень Ферми 339 Ускоритель Видерое 161 — линейный 161 — на встречных пучках 181 — с бегущей волной 165 — циклический 169 Условие Брэгга —Вульфа 306 — зажигания термоядерной реакции 295 — радиационного равновесия 73 Фазотрон (синхрофазотрон) 169 Фермий 253 Фермионы 374 Фокусировка 168 — Бете 144 — Бора 140 — Брейта и Вигнера 221 — жесткая (сильная) 178 Формула Вейцзеккера 23 — Томсона 152 Фотоядерные реакции 229 Функции нечетные 52 — четные 52 Характер уровня 58 Хондры 268 Цвет 404 Центробежный барьер 85 Цепная реакция 270 Циклотрон 166 — изохронный 180 Чандрасекаровский предел 342 Чармоний 402 Частицы истинно нейтральные 378 — квазистабильные 375 — нечетные 55 — очарованные 401 — резонансные 375 — со скрытым очарованием 402 — стабильные 375 — четные 55

Черная дыра 346 Четность 52 — внутренняя 55 — несохранение при слабых взаимодействиях 53 Ширина спектра масс 375 Эйнштейний 253 Экзосфера 347 Электрическое 2L-поле 57 Электронно-позитронные ливни 379 Электронно-фотонный каскадный ливень 370 Электроны Оже 107 Электрослабое взаимодействие 405 Электроядерные процессы 230 Элементарные частицы 371 Элементарный заряд 8 Энергетический спектр космических лучей дифференциальный 363 — — — — интегральный 363 Энергия активации 243 Энергия нейтронного сродства 293 —— реакции 209 — — экзотермическая 209 — — эндотермическая 209 — связи ядра 18, 20 — — — удельная 20 Эффект долготный 358 —Зеемана 00 Эффект Мёссбауэра 109, 113 — широтный 358 Эффективное сечение дифференциальное' 205 — — интегральное (полное) 205 — — конверсионное 205 Эффективность 188 — конверсионная 195 Ядра бета-стабильные 25 — дважды магические 24 — деформированные 121 — магические 24 — нечетно-нечетные 23 — радиоактивные 11 — четно-четные 23

Ядерная модель капельная 119 — — оболочечная 122 — (атомная) энергия 269 Ядерное время 30 — гиромагнитное отношение 39 — топливо 269 Ядерные модели коллективные (с сильным взаимодействием) 118 — — обобщенные 118, 133 — — одночастичные (независимых частиц) 118

Ядерные реакции передачи 224 — — подхвата 224 — — прямые 224 — — срыва 224 Ядерный магнетон 39 — магнитный резонанс 37 — реактор 269 — — природный 283 — фотоэффект 230 К-захват 64