Измерения в атомной и ядерной физике

Объекты микромира – атомы, ядра и элементарные частицы подчиняются законам в значительной мере отличающимся от законов макромира.

Все законы, действующие в микромире, распространяются и на макромир. Однако, благодаря другому масштабу физических объектов форма и особенности этих законов изменяется и принимают вид хорошо известных законов макромира. Таким образом, квантово механические законы микромира являются более общими. Однако для объектов макромира они дают уточняющие поправки к классической механике, которые являются очень малыми и несущественными.

Представление о порядке величин, встречающихся при изучении различных объектов, даёт рисунок 1.1 (а, б, в).

Рисунок 1.1(а). Характерые расстояния. Область расстояний, меньших примерно 10− 17 м, не исследована. В настоящее время неизвестно, будут ли открыты новые типы сил и новые явления в этой области.

Рисунок 1.1(б). Характерые величины значения энергии. Также приведены значения температур, соответствующих указанным энергиям.

Рисунок 1.1(в). Характерые значения плотностей.

Рассмотрим масштабы и единицы величин, характерных для ядерной физики.

Длина. Радиус атома имеет величину порядка 10^{− 8} см. Эта величина характеризует радиус орбиты наружных электронов. Радиус ядра имеет величину порядка 10^{− 12} − 10^{− 13} см. Расстояние 10^{− 13} см получило название 1 ферми (фм).

Энергия. В качестве единицы энергии широко используется электронвольт (эВ). 1 эВ представляет собой энергию, приобретаемую электроном, ускоренным разностью потенциалов в 1 вольт. Энергия связи протонов и нейтронов в ядре равна в среднем 8× 10⁶ эВ = 8 МэВ.

Масса. Масса отражает инерционные и гравитационные свойства частиц. Массой определяется также имеющийся в частице запас энергии. Согласно специальной теории относительности, энергия E, масса m и импульс свободной частицы p связаны следующим соотношением:

Е2 = р2с2 + m2c2.

(1.1)

Связ между энергией, массы и импульсом показывает, что полная энергия частицы состоит из двух частей: независимой от движения (энергии покоя mc ²) и зависящей от импульса. Если частица не имеет массы покоя, то связь между энергией и импульсом имеет вид:

Е = рс.

(1.2)

Если частица с неравной нулю массой покоя покоится, то мы имеем знаменитую формулу:

Е = mc2.

(1.3)

Именно из рассмотрения последних трех формул ясно, почему в ядерной физике удобны единицы эВ/с² для массы и эВ/с для импульса.

Масса ядра и атома в ядерной физике часто измеряется в атомных единицах массы. За одну атомную единицу массы (а.е.м.) принимается ¹/₁₂ часть массы атома углерода.