Реакции с тяжелыми ионами предоставляют уникальную возможность получить ядра вблизи границ стабильности и проникнуть в область химических элементов второй сотни. В курсе рассматриваются основы физики тяжелых ионов, а также современные тенденции в исследовании ядерных реакций. Предметом курса является одно из новых направлений ядерной физики — физика тяжелых ионов, занимающаяся исследованием ядерных реакций, переходом одних ядер в другие, синтезом новых ядер. Физика тяжелых ионов позволяет изучать коллективные ядерные процессы, характеризуемые предельно большими изменениями ядерной формы, сильным перераспределением энергии между различными степенями свободы систем. Дана классификация ядерных реакций с тяжелыми ионами и их анализ с точки зрения новых изотопов у границ ядерной стабильности. Рассматриваются возможности современных ускорителей для синтеза ядер с использованием ядерных реакций с тяжелыми ионами. На примерах показана связь исследований в области физики тяжелых ионов с прикладными исследованиями: ядерная медицина, радиационная физика твердого тела. Отдельный модуль курса посвящен вопросам истории образования Вселенной с точки зрения физики элементарных частиц, ядерной физики. Обсуждается проблема нуклеосинтеза и непосредственная связь ядерно-физических экспериментов, с астрофизическими явлениями.
Ускорители тяжелых ионов. Понятия и определения
Loading...
Do curso por National Research Nuclear University MEPhI
Физика тяжелых ионов
classificação
Conheça os instrutores
Пенионжкевич Юрий ЭрастовичДоктор физико-математических наук
Кафедра экспериментальных методов ядерной физики
Сегодняшнюю лекцию мы посвятим
современным ускорителям тяжелых ионов.
Ускоритель тяжелых ионов — это основной инструмент,
основные установки, на которых, в общем-то,
и делается вся физика, связанная
с ядро-ядерными взаимодействиями,
с получениями новых ядер, новых экзотических, необычных
состояний ядерной материи и так далее и тому подобное.
Поэтому сами ускорители тяжелых ионов,
техника ускорения, последнее время очень сильно развивается,
и давайте сделаем некий экскурс
от начальных ускорителей тяжелых ионов,
с которых и начиналась физика тяжелых ионов,
до последних, современных, крупных установок
и фабрик тяжелых ионов.
Для начала некоторые понятия и определения.
В физике ускорителей одни и те же единицы
используются для массы частиц,
их потенциальной и кинетической энергии
и их скорости, —
это электрон-вольт, основная единица
массы частиц и энергии.
В этом случае, это единица, является
как бы фундаментальной единицей массы и энергии.
В ускорительной физике используются следующие единицы —
1 килоэлектронвольт — это 1 КэВ или 10 в 3 эВ,
1 мегаэлектронвольт — это 1 МэВ или 10 в 6 эВ,
1 гигаэлектронвольт — это 1 ГэВ или 10 в 9 эВ
и наконец 1 тераэлектронвольт — это 1 ТэВ или 10 в 12 эВ.
В соответствии с этими единицами
в принципе и ускорители разделяются на категории:
ускорители тяжелых ионов низких энергий,
ускорители средних энергий,
ускорители высоких и ускорители сверхвысоких энергий,
вот которые ускоряют тяжелые ионы вплоть до энергии
несколько сотен тераэлектронвольт.
Еще несколько, таких общих положений.
В соответствии с законами квантовой механики
линейный размер или длина волны частицы
с массой — m и скоростью — v, определяется
вот таким выражением — λ обратно пропорциональна
на массу и скорость частицы.
Для тяжелых ионов с массовым числом А —
это достаточно большое массовое число
и энергии Е в Мэв на нуклон.
Это выражение имеет вот такой приображенный вид,
уже в мегаэлектронвольт,
где энергия мегаэлектронвольт в массовых единицах,
а длина волны — это в единицах Ферми, то есть 10 в –13 см.
Видно отсюда хорошо, что длина волны,
соответствующей ускоряемой частицы, ее импульсу,
ее скорости, обратно пропорциональна ее энергии,
поэтому для исследования микрообъектов
необходимо иметь энергии частиц,
сравнимые с размером этого объекта.
Ну вот для наглядности я хочу показать такую таблицу,
где левая шкала — это шкала линейного размера объекта
в метрах,
а справа — это энергия частицы,
энергия ускоряемого иона в электронвольтах.
Посмотрите, что мы имеем в соответствии с этой таблицей,
в соответствии с соотношением длина объекта,
размер объекта и энергия частицы.
Достаточно крупный микрообъект — это вирус,
который имеет размер 10в –6, 10 в –5 метров,
он соответствует энергии 1 эВ.
Вот для того чтобы исследовать такой объект,
изучать его свойства, характеристики, нам достаточно иметь
частицы с энергией 1 эВ.
Что это за ускоритель?
Это электронный микроскоп.
Вот в электронном микроскопе энергия несколько электронвольт
позволяет исследовать такие объекты.
Дальше идем в сторону более мелких объектов —
это молекулы и атомы, 10 в –11, 10 в –9 метров.
Вот атомной физике соответствуют энергии
несколько КэВ, несколько десятков килоэлктронвольт.
Это обычные, простые линейные ускорители,
которые позволяют исследовать вот такие объекты,
которые позволяют заниматься атомной физикой.
Не обязательно линейные, есть малогабаритные циклотроны
с такой энергией, я покажу их дальше в разделе циклотроны,
с помощью которых исследуются вот такие объекты.
Наконец, наша область — это ядерная физика,
ядро и соответственно его компоненты — это нуклоны.
Вот размер ядра несколько единиц Ферми.
Ферми мы уже сказали, это 10 в –13см или 10 в –15 метров,
а энергия от несколько десятков мегаэлектронвольт
до гигаэлектронвольт.
Вот это обычные ускорители, разного типа,
от линейных до циклотронов, которые используются,
для того чтобы изучать объекты, изучать ядра,
изучать ядерную материю и нуклоны,
с помощью заряженных частиц тяжелых ионов.
И наконец, более мелкие образования — это кварки,
из которых состоят нуклоны.
Кварки самые различные, размер их, как считается, равен 10 в –18 метров,
а энергия — это несколько тераэлектронвольт
до нескольких сотен тераэлектронвольт.
Отсюда совершенно понятно, что, для того чтобы заниматься
проблемами ядерной физики, нам не нужны ускорители
тераэлектронвольт и наоборот, чтобы заниматься
элементарными частицами, кварками и более мелкими образованиями,
мы должны иметь энергии тераэлектронвольт,
мощные ускорители, такие, как LHC, накопительные кольца,
будущая установка NICA в Дубне и так далее и тому подобное.
Еще два важных понятия, при использовании тяжелых ионов.
Первое, это мы должны, для того чтобы
пошла ядерная реакция, чтобы реализовался процесс
ядро-ядерного взаимодействия,
мы должны преодолеть некий кулоновский барьер,
чтобы началась ядерная реакция,
чтобы началось ядерное взаимодействие.
Естественно, для тяжелых ионов этот барьер достаточно высок.
Ну для примера надо сказать, что в реакции
свинец плюс кальций,
свинец 82 заряд, у кальция 20,
кулоновский барьер составляет где-то 180–200 МэВ.
Таким образом, чтобы преодолеть кулоновский барьер
и чтобы начать реализовывать ядерную реакцию,
ядерный процесс, мы должны превысить, вот эту энергию 200 МэВ.
Это нижний предел энергии ускорителя,
вот с этой энергией мы начинаем исследовать ядерную реакцию.
Кулоновский барьер здесь записан простым выражением,
произведение зарядов мишени бомбардирующей частицы
и обратно пропорциональна радиусам этих ядер.
И еще одна величина — это порог реакции.
Кроме того что надо преодолеть кулоновский барьер,
мы должны еще и преодолеть или привысить
некий порог реакций, который определяется некой величиной,
энергия реакции, это Q — реакция и разностью масс,
получаемых в процессе взаимодействия частиц.
То есть в связи с тем, что ядро имеет перестройку,
оно перестраивается, получаются новые частицы,
появляется некий порог, который необходимо
создать в условиях ускорителя,
в условии ускорения частиц для начала ядерной реакции.
Вот этот порог записывается вот таким простым выражением,
это разница масс, двух взаимодействующих ядер
и конечного ядра, и сумме масс,
обратно пропорциональна массе частицы.
В случае нерелятивистского случая,
это выражение упрощается и имеет вот такую форму.
Вот две вещи.
Первое, мы должны преодолеть кулоновский барьер,
и второе, мы должны, несмотря на то, что
мы преодолели кулоновский барьер,
реакция не всегда может идти, это зависит
от энергии самой реакции,
от энергии перестройки продукта в этой реакции.
Для примера, я хочу показать
базовые установки Дубны, Объединенного Института,
вот в принципе мы имеем весь набор
тех ускорителей по энергиям, о которых я сказал ранее.
Это — нуклотрон, который в 2012 году работал, уже
был запущен, который позволяет ускорять
тяжелые ионы, вплоть до энергии в несколько гигаэлектронвольт.
Это целый ряд циклотронов в Лаборатории Ядерных Реакций,
которые имеют энергию от 10 МэВ на нуклон до 100 МэВ на нуклон,
которые в принципе работают,
функционируют, на которых происходят исследования новых ядер,
синтез новых сверхтяжелых ядер.
Это реактор, импульсный реактор,
Лаборатории Нейтронной Физики, где получаются
потоки нейтронов в широком диапазоне энергии,
от тепловых до быстрых
и их развития, их развития от установки, как
вы видите уже функционировали в 10 году,
но у каждой из этих установок,
у каждого ускорителя есть будущее.
Нуклотрон преобразуется в установку NICA,
это коллайдер, который будет запущен в 20 году,
это ускорители, циклотроны Лаборатории Ядерных Реакций,
которые будут развиваться
и преобразовываться в новую установку,
в так называемую тяжелую ионовую фабрику,
с высокой интенсивностью, с широким набором частиц,
которые в 17 году, то есть в следующем году,
должна уже заработать, это развитие
и реактора, и нуклотрона, вот как я сказал установка NICA.
Установка NICA — это международный проект,
это мегапроект страны, с 13 по 20 годы
будет реализовываться, и получать финансирование не только от института,
но и по грантам Российской Федерации.
Это очень важный, интересный проект,
я думаю, что физика этого проекта должна
обсуждаться отдельно, поскольку он занимает некое промежуточное
место между LHC и ускорителями
сверхвысоких энергий других лабораторий.
Explore nosso catálogo
Registre-se gratuitamente e obtenha recomendações, atualizações e ofertas personalizadas.
O Coursera proporciona acesso universal à melhor educação do mundo fazendo parcerias com as melhores universidades e organizações para oferecer cursos on-line.
© 2018 Coursera Inc. Todos os direitos reservados.
