Какие проблемы стоят перед ядерной физикой в настоящее время.

Полное число ядер, которые могут существовать со временем жизни более 10^-23 сек, оценивается величиной порядка 5000.

Они показаны на карте изотопов.

Из них изучено не более 2000 - установлен факт их существования и получены данные об их массе и энергиях возбужденных состояний. Так что существует обширная область ядер, свойства которых не изучены. Нужно ли их изучать? Все наши сведения о строении ядра получены при изучении стабильных и долгоживущих ядер. Мы не можем быть уверены в том, что существующие представления о строении ядра будут справедливы во всей области существования ядер. Поэтому необходимо продвигаться в неисследованную область ядер. Продвижение в эту область весьма затруднительно - нужно образовать эти ядра, а затем изучить их свойства. Большие трудности возникают из - за того, что время жизни этих ядер мало - оно может составлять микросекунды и даже меньше.

Ведутся исследования по созданию сверхтяжелых ядер, которые не существуют в природе. Сейчас физики приблизились к созданию ядер с Z=120. В этой области ожидается существование области ядер с повышенной стабильностью (см. рис.).

Изучение структуры ядра.

Задача эксперимента получить ядра в достаточных для их изучения количествах и изучить характеристики их распада. В настоящее время эти ядра создают в ядерных реакциях, т.е. необходимо использование ускорителей заряженных частиц разного типа. Экспериментальная установка должна эффективно регистрировать распады образованных ядер. Эти установки одновременно собирают информацию о распадах ядер по многим параметрам - тип распада, энергия распада, время жизни ядра и другие. Объем собираемой информации для каждого события велико, поэтому используется компьютерная техника для обработки в режиме on line, и запись информации для последующей обработки в режиме off line. После того как эти сведения получены решается проблема объяснения строения как основных, так и возбужденных состояний ядер. С этой целью в ядерной физике создано несколько моделей. Каждая из моделей способна описать какой - то тип возбужденных состояний ядра. Например, одночастичная модель описывает состояния ядра, представляющие движение одного нуклона в среднем ядерном потенциале, создаваемых остальными нуклонами. Существует модель коллективного движения ядерного вещества как целого - такое движение может быть вращением ядра, может быть колебаниями ядерного вещества. В теории деления ядер ядро рассматривается как капля ядерной жидкости, т.е. используются такие понятия как энергия отрыва нуклона, поверхностное натяжение. Может создаться впечатление, что основные положения моделей противоречат друг другу. Но это не так. Задача теории ядра и состоит в установлении связей между этими моделями и их развитии.

Изучение механизмов ядерных реакций.

Существует большое разнообразие типов ядерных реакций. Их можно классифицировать по свойствам частицы снаряда - числу протонов и нейтронов в ней, энергии, поляризации и по свойствам ядра - мишени. Используется методика проведения ядерной реакции на ядрах, движущихся навстречу друг другу. Для этого построены специальные ускорители - коллайдеры. Но даже для одного набора ядер снарядов и ядер мишеней число типов происходящих ядерных реакций может быть велико. Изучая вероятность протекания реакции, угловое распределение продуктов можно сделать заключения о механизме протекания реакции и свойствах ядер, участвующих в реакции. Весьма важной реакцией является реакция захвата нейтрона ядром - мишенью. При захвате нейтрона ядром урана ²³⁵U происходит деление ядра. На этой реакции основана вся ядерная энергетика. В течении последних 60 лет с использованием разнообразных ядерных реакций получены знания о строении нашего мира - существовании фундаментальных частиц, из которых создан наш мир, - кварков, глюонов, лептонов. В этих исследованиях открыты фундаментальные свойства нашего мира - природа сильных и слабых взаимодействий, построена теория объединенного электрослабого взаимодействия, получены данные о нарушении казалось бы непоколебимых характеристик нашего мира - нарушение четности.

Изучение строения нашего мира.

Это раздел ядерной физики, который занимается созданием и изучением нестабильных,короткоживущих частиц. Фактически окружающий нас мир построен из трех элементарных частиц - протонов, нейтронов и электронов. Но протоны и нейтроны сложные частицы - они построены из кварков. В ядерных взаимодействиях рождаются несколько сотен микрочастиц различного типа и большим достижением было построение теории строения этих частиц - квантовой хромодинамики, построение которой не завершено до настоящего времени. Одним из ярких достижений физики частиц было открытие в 2012 - 2013 микрочастицы - бозона Хигса, существование которой было предсказано сорок лет тому назад, но открытие ее стало возможным лишь после создания коллайдеров - ускорителей, в которых пучки частиц, движущиеся навстречу друг другу, сталкиваются и порождают ядерные реакции.

Рис. Реконструкция треков, возникших в столкновении ядер Pb – Pb. Эксперименты в этой области настолько сложны и дорогостоящи, что их осуществле\ние под силу только при объединении усилий нескольких стран. Коллективы исследователей, решающих одну задачу, состоят из нескольких сотен физиков и инженеров из разных стран.

Прикладные задачи ядерной физики.

В настоящее время наряду с фундаментальными исследованиями ядерная физика представлена в большом количестве прикладных задач в индустрии, медицине. На первом месте стоит ядерная энергетика. Реальной замене ядерной энергетики на другой способ выработки энергии не существует. Надежды возлагаются на другой ядерный процесс - термоядерная энергетика, в котором энергия выделяется в процессе слияния легких ядер. В настоящее время показана возможность осуществления таких реакций в лабораторных установках. Но появление промышленного термоядерного реактора ожидается через 30 - 50 лет. Ситуация с ядерной энергетикой требует проведения обширных исследовательских работ. По оценкам запасы энергетического урана ²³⁵ U обеспечат ядерную энергетику на основе реакторов на тепловых нейтронов на срок порядка 50 лет. Нужно готовить замену этой технологии. Уже сейчас разработаны принципы и построены реакторы на быстрых нейтронах, которые используют ²³⁸ U и могут создавать новое ядерное топливо в количестве, превышающем сгоревшее. Освоение этого способа выработки энергии способно обеспечивать энергией на период порядка тысячи лет. Однако опыт эксплуатации таких реакторов показал, что для успешной и безопасной их эксплуатации необходимо решить много чисто ядерных проблем. Но пока решаются задачи создания термоядерной энергетики и освоения реакторов на быстрых нейтронах необходимо решать проблемы, порожденные реакторами на тепловых нейтронах. В процессе их работы появляется большое количество радиоактивных ядер - осколков деления ядер урана. Эти отходы представляют большую опасность для всего живого из - за облучения представителей флоры и фауны. Пока защита от этого излучения достигается захоронением этих отходов. Но среди них есть ядра со временем жизни сотни и тысячи лет и нет способа, гарантирующего их хранение без поступления в окружающую среду в течение столь долгого времени. Требуется разработка ядерных процессов, переводящих долгоживущие ядра в стабильные или быстро распадающиеся. Пока такие процессы не созданы и ведется работа по их созданию. Примеры использования методов ядерной физики в индустрии слишком многочисленны и в этом кратком обзоре их невозможно перечислить.

Ядерная медицина.

Применение ядерных методов в медицине имеет два аспекта: первый - использование ионизирующего излучения для диагностики, второй - использование ядерных излучений для непосредственного воздействия на больной орган. Широко используется позитронно - эмиссионый томограф для диагностики заболевания по абсорбции органами человека радиоактивных препаратов и регистрация излучения для установления в каком именно органе находится препарат.

Рис. Изображение мозга пациента, полученное на ПЭТ.

Слева –здоровый пациент, справа - больной Используется терапия и диагностика заболевания, состоящая в введении радиоактивного препарата в орган, подлежащий лечению. Регистрация места накопления препарата в организме используется для диагностики. Воздействие излучения производит терапевтический эффект. Эффективным методом разрушения злокачественных образований является облучение их пучком заряженных частиц, создаваемых ускорителем. Основные источники производства радионуклидов для ядерной медицины следующие: ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц. В мировом объеме производства радионуклидов громадная его часть получается на ускорителях заряженных частиц, которые в большинстве своем являются циклотронами различных типов.

Задача специализации ядерная физика нашего факультета состоит в подготовке высококвалифицированного специалиста, способного решать сложные экспериментальные задачи или работать в области ядерной теории. Фундаментальная подготовка, получаемая в процессе обучения, позволяет выпускникам успешно работать в прикладных областях, использующих ядерные методы.

Наши выпускники работают практически во всех ядерных центрах России -

Объединенном Институте Ядерных Исследований (г.Дубна),

Курчатовский институт,

Петербургский институт ядерной физики,

Радиевый институт,

Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе и другие.

Преподаватели и сотрудники отдела ядерной физики проводят совместные исследования с российскими и зарубежными ядерными центрами. Студенты также имеют возможность участвовать в этих работах.