branduolio fizika

bránduolio fzika, fizikos šaka, tirianti atomų branduolių sandarą ir savybes (atomo branduolys, branduolio modeliai), virsmus (branduolio skilimas, branduolio dalijimasis, branduolinės reakcijos), branduolines jėgas. Branduolio fizika kuria tyrimo būdus ir įrenginius, branduolio fizikos reiškinių praktinio naudojimo pagrindus. Branduolio fizikos šakos yra branduolio spektroskopija ir neutronų fizika. Plėtojantis branduolio fizikai iš jos išsirutuliojo naujos fizikos ir technikos šakos: elementariųjų dalelių fizika, elektringųjų dalelių greitintuvų fizika, branduolinė energetika. Pagal tyrimo metodus skiriama teorinė ir eksperimentinė branduolio fizika. Teorinė branduolio fizika paaiškina ir susieja žinomus branduolio fizikos reiškinius bei eksperimentinius faktus, nuspėja dar neatrastas branduolių savybes, nurodo ir iš anksto apskaičiuoja branduolinių vyksmų eigą. Remiasi branduolio modeliais, kvantine mechanika, kvantine chromodinamika. Branduolio fizikos eksperimentiniai prietaisai ir įrenginiai labai įvairūs, dažnai labai sudėtingi. Tai elektringųjų dalelių greitintuvai, dalelių detektoriai, branduoliniai reaktoriai, spektrometrai ir kiti. Atliekant eksperimentus naudojami įvairūs elektroniniai įtaisai ir įrenginiai, dozimetriniai ir radiometriniai prietaisai. Sudėtingi branduolio fizikos eksperimentai valdomi, o gaunama informacija apdorojama kompiuteriais, sujungtais su matavimo aparatūra. Branduolio fizikos tyrimai suteikė daug žinių apie medžiagos sandarą ir jėgas, lemiančias atomo branduolio sandarą ir stabilumą, paaiškino Saulės ir žvaigždžių energijos šaltinius (termobranduolinė sintezė), žvaigždžių evoliuciją. Remiantis gamtinio radioaktyvumo tyrimais aiškinama geologinė Žemės istorija ir dabartinės jos gelmių būsenos klausimai, naudojant radioaktyviuosius izotopus tiriami kai kurie meteorologiniai procesai (branduolinė meteorologija). Branduolio fizikos metodais ir prietaisais tiriamos radioaktyviųjų elementų cheminės savybės (radiochemija). Plėtojantis branduolio fizikai buvo sukurtas branduolinis reaktorius, atominė bomba, termobranduolinė bomba, pradėta įgyvendinti valdomoji termobranduolinė sintezė, gaminami radioaktyvieji izotopai, kurie plačiai naudojami aktyvacinėje analizėje, gama defektoskopijoje, radioaktyviajame karotaže, radiografijoje.

Istorija

Branduolio fizikos priešistorė prasidėjo 1869 atradus elementų periodinį dėsnį, kuris išreiškia elementų fizinių ir cheminių savybių periodinę priklausomybę nuo tada dar nežinoto atomo branduolio elektros krūvio (ir masės). 1896 A. H. Becquerelis atrado urano radioaktyvumą, 1898 P. Curie ir M. Curie – 2 naujus radioaktyvius elementus (radį ir polonį). Elektrono atradimas 1897, radioaktyvumo, šviesos spektrų, fotoefekto tyrimai įrodė, kad medžiagos atomas susideda iš smulkesnių dalelių. 1911 E. Rutherfordas, tirdamas alfa dalelių sklaidą plonose metalo folijose, atrado atomo branduolį. Po šio atradimo buvo pradėti kurti branduolio modeliai (iš pradžių buvo manoma, kad jis susideda iš protonų ir elektronų). 1919 E. Rutherfordas atrado pirmąją branduolinę reakciją. 1918 Arthuras Jeffreyʼis Dempsteris (Jungtinės Amerikos Valstijos) ir 1919 F. W. Astonas sukonstravo masės spektrografus izotopų masėms matuoti. Iki 1931 atrasta ir ištirta apie 180 stabiliųjų izotopų. 1928 P. A. M. Diracas sukūrė reliatyvistinę elektrono teoriją (pirmą kartą pavartojo antidalelės terminą). 1931 W. E. Paulis iškėlė neutrino hipotezę, R. J. Van de Graaffas sukūrė pirmąjį elektringųjų dalelių elektrostatinį greitintuvą, E. O. Lawrence’as – ciklotroną. Branduolio fizikos, kaip mokslo, pradžia laikomi 1932, kai J. Chadwickas atrado neutroną, W. K. Heisenbergas ir Dmitrijus Ivanenka (SSRS) iškėlė hipotezę, kad atomo branduolys susideda iš protonų ir neutronų. 20 a. 4 dešimtmetyje gauta daug eksperimentinių duomenų apie branduolių svarbiausias savybes: matmenis, ryšio energiją, branduolių magnetinius ir kvadrupolinius momentus. Buvo tiriamas radioaktyvumas – 1934 I. Joliot-Curie ir F. Joliot-Curie atrado dirbtinį radioaktyvumą, E. Fermi sukūrė beta skilimo teoriją. Sukeltos paprasčiausios branduolinės reakcijos – 1932 J. D. Cockcroftas ir E. T. S. Waltonas sukėlė branduolinę reakciją veikdami ${}_3{}^7\mathrm{Li}$ pagreitintais protonais, 1938 pabaigoje O. Hahnas ir Fritzas Strassmannas (Vokietija) nustatė neutronais paveiktų urano branduolių dalijimosi reakciją, 1940 G. Fliorovas ir Konstantinas Petržakas (SSRS) atrado savaiminį urano branduolių dalijimąsi. Šie tyrimai suteikė žinių apie branduolių sužadintąsias būsenas. O. Hahno ir Fritzo Strassmanno atradimas pagrindė atomo branduolio lašelinį modelį, kurį 1939 sukūrė N. Bohras ir J. A, Wheeleris. 1942 Jungtinėse Amerikos Valstijose E. Fermi (su kitais) pastatė atominį reaktorių, kuriame sukėlė valdomąją grandininę branduolinę reakciją. 1943 Jungtinėse Amerikos Valstijose pradėta kurti atominė bomba – išbandyta 1945. Nuo 1946 Jungtinėse Amerikos Valstijose, Didžiojoje Britanijoje, SSRS buvo kuriami įvairių tipų elektringųjų dalelių greitintuvai. 1947 atrasti pirmieji hiperonai (Λ° dalelės), π ir Κ mezonai. 1949 sukurtas atomo branduolio sluoksninis modelis (M. Goeppert‑ Mayer ir atskirai nuo jos J. D. Jensenas, Hansas Eduardas Suessas), 1952 – apibendrintasis (kolektyvinis) modelis (A. Bohras ir B. R. Mottelsonas). Nuo 1950 buvo tobulinami dalelių registravimo prietaisai. 1953 atrasti hiperbranduoliai. 1954 pradėjus veikti pirmajai pasaulyje atominei elektrinei (SSRS, Obninske) prasidėjo branduolinės energijos naudojimo laikotarpis. 1955 atrastas antiprotonas ir neutrinas, 1956 – antineutronas; 1955 M. Gellis-Mannas suklasifikavo tuomet žinomas elementariąsias daleles. 1958 A. Bohras, B. R. Mottelsonas ir Davidas Pinesas (Jungtinės Amerikos Valstijos) iškėlė supertakiojo branduolio modelio idėją. 1960 atrastos rezonansinės dalelės. Naujas branduolio fizikos tarpsnis 20 a. 7–8 dešimtmetyje siejamas su kvantinės chromodinamikos raida. Pagal šią teoriją, nukleonai ir mezonai susideda iš sąveikaujančių kvarkų (fermionų) ir gliuonų (bozonų). Atrasta savitų reiškinių, kuriuos tiria naujai susikūrusi reliatyvistinė branduolio fizika, siejanti klasikinę branduolio fiziką su elementariųjų dalelių fizika. Dar viena branduolio fizikos atšaka – branduolių tarpusavio sąveikų fizika, tirianti branduolių susidūrimus. Buvo atrastas branduolių susiliejimas, kvazidalijimasis, multifragmentacija.

Lietuvoje

Branduolio fizikos pradžia sietina su K. Baršausko darbais. Jis 1933–36 Vytauto Didžiojo universitete pagamino Geigerio ir Müllerio skaitiklius, jais tyrė kosminius spindulius. 1947 B. Styra pradėjo tirti atmosferos radioaktyvumą (tie darbai lėmė naujos mokslo krypties – branduolinės meteorologijos – sukūrimą). 1956 įsteigtame Fizikos ir matematikos institute P. Brazdžiūno iniciatyva pradėti planuoti branduolio fizikos eksperimentiniai tyrimai. Nuo 1961 K. Makariūnas su bendradarbiais plėtojo branduolio spektroskopijos metodus; pradėta tyrinėti sužadintųjų branduolių hipersmulkioji sąveika. 1964 didelės skyros beta spektrometru atlikti vidinės konversijos elektronų spektroskopijos eksperimentai, 1971 išmatuota radioaktyviųjų atomų chem. aplinkos įtaka vidinei konversijai atomo elektronų valentiniame sluoksnyje (Regimantas Liucijus Kalinauskas, K. Makariūnas, Rimantas Davidonis). Nuo 20 a. 7 dešimtmečio vidurio atmosferos radioaktyvumui tirti pradėti taikyti branduolio spektroskopijos metodai (V. Lujanas, Rimvydas Jasiulionis). 20 a. pabaigoje ir 21 a. pradžioje Lietuvoje plėtojami branduolio fizikos tyrimai, susiję su branduoline sauga (V. Remeikis ir kiti). Nuo 20 a. 7 dešimtmečio pradžios, be eksperimentinių branduolio fizikos tyrimų, buvo ir teorinių darbų. Vadovaujant V. E. Vanagui plėtoti grupių teorijos metodai branduolių savybėms tirti. Tarptautinį pripažinimą pelnė V. E. Vanago pasiūlytas daugiadalelės Schrödingerio lygties sprendimo metodas. Branduolio fizikos teoriniai tyrimai tęsiami Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos institute (S. Ališauskas ir kiti), Fizinių ir technologijos mokslų centre (Romas Kalinauskas), Vytauto Didžiojo universitete (G. P. Kamuntavičius ir kiti).

2489