Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Энергия связи ядер

Нуклоны в ядре связаны сильным (ядерным) взаимодействием.

Энергия связи Е_св - минимальная энергия, которую нужно сообщить ядру, чтобы расщепить его на нуклоны. При образовании ядра из свободных нуклонов та же энергия Е _св. выделяется; соответствующая этой энергии покоя

масса - это дефект массы A m:

Е св. =A m • c ^2 (СИ)                              (26.1)

Чаще используются атомные единицы массы (а.е.м.); тогда

Е _св (МэВ) = А т (а.е.м.) • 931f ^М’^В                               (26.1а)

'                                                        у а.е.м. 0

Масса ядра всегда меньше суммарной массы свободных нуклонов, составляющих ядро. Дефект массы - это разница между ними:

А т = Z • m_p +(A - Z)• m_n - т_я                            (26.2)

Вместо массы ядра и массы протона можно использовать массу атома т_атома и атома водорода 1 H ¹:

D m = Z ■ ^m (1 h i) + ⁽ A ^{- Z})• ^m _n - ^т атома

 

максимумы - для 2 He^ и ₈ O ¹⁶, например. Устойчивы ядра с числом протонов или нейтронов:

А или Z = 2, 8, 20, 50, 82, 126 и др.

Это - магические числа. Ядра тоже называются магическими. Если и число протонов, и число нейтронов в ядре - магическое, то ядра - дважды магические и особенно устойчивые. Такая закономерность позволила создать оболочечную модель ядра, в соответствии с которой устройство ядра похоже на строение электронной оболочки атома. Нуклоны, имеющие полуцелый спин и подчиняющиеся запрету Паули, распределяются по соответствующим дискретным ядерным энергетическим состояниям. Если очередная ядерная оболочка целиком укомплектована, то ядро устойчиво, аналогично тому, что заполненная электронами оболочка атомов инертных газов также оказывается устойчивой. Нейтроны и протоны заполняют оболочки независимо друг от друга: у них разное зарядовое квантовое число.

Ядерные силы

Ядерное (сильное) взаимодействие - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Его свойства:

1) Короткодействие.   Действует   на   расстояниях   порядка

^Г ядерн.сил ~ ^{10 м} .

2) Насыщение. Удельная энергия связи почти одинакова для всех ядер: около 8:9 Мэв/нуклон (рис.26.1). Это значит, что при добавлении нуклона к ядру энергия связи увеличивается на одну и ту же величину. Каждый нуклон в ядре взаимодействует не со всеми остальными нуклонами, а только с ближайшими соседями. А кулоновское отталкивание будет у всех протонов со всеми протонами. Поэтому с увеличением числа протонов в ядре число нейтронов должно расти быстрее, чтобы ядерные силы притяжения нуклонов доминировали над силами отталкивания протонов. Если в лёгких ядрах число нейтронов и протонов примерно одинаково (пример - гелий 2 He 4), то в более тяжёлых ядрах

п,207

нейтронов больше, чем протонов (у свинца 82 Pb 82 протона и 125 нейтронов).

3) Зарядовая независимость. Протон с протоном взаимодействует так же, как и с нейтроном, как и нейтрон с нейтроном.

4) Силы не являются центральными, поскольку

5) зависят от ориентации спинов нуклонов. Например, дейтрон может образоваться из нейтрона и протона только в том случае, если их спины параллельны.

В 1935 году Х. Юкава предложил теорию ядерных сил. Взаимодействие нуклонов происходит в результате обмена мезонами - частицами с массой около 300 электронных масс, которые были обнаружены в 1947 экспериментально. В 1949 г. Юкава получил Нобелевскую премию «за предсказание существования мезонов на основе теоретической работы по ядерным силам».

Итак, по этой теории, два нуклона взаимодействуют, обмениваясь

виртуальными пионами p ^0, p ^+ или p. Пион испускается одним нуклоном и поглощается другим; при этом происходят превращения:
p ® п" + p;	n + p ^0 ® n
p ®p ^+ + n;	n + p ^+ ® p
n ® p~ + p;	p + p~ ® n
Закон сохранения энергии при этом не нарушается: неопределённостей позволяет виртуальному пиону существовать времени т, если t-D E > h.		принцип в течение (26.4)

2

Здесь D E = m _p - c - энергия покоя пиона.

Виртуальная частица имеет малое время жизни. Виртуальную частицу нельзя обнаружить.

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Альфа-распад

Альфа-распад - это испускание ядром а-частицы, то есть ядра атома гелия 2 He 4 При а-распаде 4 нуклона материнского ядра обособляются и покидают ядро. Превращений самих нуклонов при этом не происходит. В соответствии с капельной моделью ядра, а-распад можно представить так, как будто капелька- ядро в процессе колебаний разрывается на две части (рис.26.3).

Уравнение смещения для а-распада: _zX'ⁱ®2He^A+ z -2^'ⁱ^⁴ (26.9)

При а-распаде массовое число ядра уменьшается на 4, зарядовое число - на 2; в результате в таблице элементов Менделеева элемент смещается на две клеточки к началу таблицы (отсюда и название уравнения - уравнение смещения).

Рис.26.4

Спектр а-излучения при распаде - дискретный, линейчатый; при этом имеются группы а-частиц с близкими энергиями. Дискретность спектра подтверждает оболочечную модель ядра: набор энергетических состояний ядра дискретен, и а- частица может унести тоже только определённую дискретную порцию энергии.

Энергия а-частиц при распаде около Е '_(/ 5: 6 МэВ. Для того, чтобы а-частица покинула ядро, она должна преодолеть притяжение оставшихся нуклонов, то есть преодолеть потенциальный барьер. Его высота больше, чем Е_а (рис.26.4). Этот барьер а-частица преодолевает за счёт туннельного эффекта.

Бета-распад

Бета-распад - это проявление одного из четырёх фундаментальных взаимодействий - слабого взаимодействия. Его виды:

1) бета-минус-распад (Р^--распад) - испускание электронов

_z X^A ®_0 e “ + _{Z + 1} Y^A +_o ~^o                        (26.10)

2) бета-плюс-распад (Р⁺-распад) - испускание позитронов e ⁺ - античастиц по отношению к электрону:

Z X^A + ■ ■ + ' ■ / -1 Y^A +o n ⁰                                 (26.11)

3) электронный захват (К-захват) - захват ядром электрона из ближайшей к нему электронной оболочки атома - К-оболочки:

z X^A +_? e -® z _1 Y^A +o V ⁰                                          (26.12)

Спектр бета-излучения, в отличие от альфа, - сплошной, имеет границу E_max (рис.26.5). Это объясняется тем, что при бета-распаде появляется ещё одна частица - нейтрино 0 п ⁰                                                                                                                    (или

антинейтрино 0V⁰); она и уносит часть энергии:

E max = E e + E _v.

Нейтрино не имеет заряда, масса нейтрино очень мала и до сих пор точно не измерена. Эта частица практически не взаимодействует с веществом и поэтому её трудно обнаружить. Но бета-распад без участия нейтрино не согласуется с законом сохранения момента импульса: спин всех нуклонов - полуцелый, электрона и позитрона - тоже. При бета- распаде, в отличие от альфа-распада, происходят превращения на уровне элементарных частиц: в ядре протон превращается в нейтрон при захвате электрона или испускании позитрона (с испусканием нейтрино); либо нейтрон испускает электрон и превращается в протон, испуская антинейтрино:

p ®₊⁰ e ⁺ + п + 0 п ⁰

p +_⁰ e ® п + ₀ п ⁰

0 -,   , ~0

n ®_1 e + p + 0 п

К-захват сопровождается характеристическим рентгеновским излучением, поскольку при этом освобождается место электрона в К-оболочке атома.

Дозиметрические единицы

Все виды радиоактивных распадов сопровождаются гамма-излучением, так как дочернее ядро сразу после распада возникает в возбуждённом энергетическом состоянии, и, возвращаясь в основное, испускает у-лучи.

у-лучи обладают наибольшей проникающей способностью (это очень энергичные фотоны - кванты электромагнитного излучения, безмассовые частицы). У Р-лучей проникающая способность меньше (заряженные электроны легко захватываются веществом), а у а-лучей проникающая способность ещё меньше, поскольку это тяжёлые частицы (ядра гелия) и также хорошо задерживаются веществом. Однако если а-радиоактивный препарат попадает непосредственно на кожу или внутрь организма с пищей, то последствия будут печальными.

Радиоактивные излучения ионизируют вещество. Единицы:

Рентген (Р) - внесистемная единица экспозиционной дозы. Это такое количество гамма- или рентгеновского излучения, которое в 1 см³ сухого воздуха образует 2,082'109 пар ионов. Или:

1 Р = 2.58'10^-4 Кл/кг.

Рад (рад) - внесистемная единица поглощённой дозы. Соответствует энергии излучения 100 эрг (1 Джоуль=107 эрг), поглощённой веществом массой 1 грамм.

Грэй (Гр.) - единица поглощённой дозы в системе единиц СИ. Соответствует энергии излучения в 1 Дж, поглощённой 1 кг вещества.

1 Гр. = 1 Дж/кг =100 рад.

Зиверт (Зв) - единица эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ. 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение величины поглощённой дозы в Грэях (в биологической ткани) на коэффициент качества К будет равно 1 Дж/кг. Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж.

Бэр - биологический эквивалент рентгена. Внесистемная единица измерения эквивалентной дозы. Можно считать, что (приблизительно):

1 бэр = 1 рад=0.01 Гр.= 0,01 Зв

1 Зв=100 бэр

Коэффициент качества К - относительная биологическая эффективность. Для a-излучения К=20, для у-, R-, 0-лучей К=1. Характеризует вредность излучения для живых тканей.

Есть ещё переходный коэффициент f. Он зависит от структуры объекта поглощения (вида ткани). Его определяют экспериментальным путем. Так, для воздуха f=0.88. То есть, 1 Р=0.88 рад. Для воды и мягких биологических тканей f=0.93; 1 Р = 0.93 рад «1 рад.

Естественное излучение 2.4 мЗв/год.

Смертельная однократная доза - 3:5 Зв. Смерть наступает в течение 30-60 суток от поражения костного мозга.

При 5:15 Зв. - поражение желудка и лёгких, 10-20 суток

Больше 15 Зв. - поражение нервной системы, 1-5 суток.

Ядерные реакции

Ядерные реакции - превращения атомных ядер, вызванные взаимодействием их друг с другом или с частицами.

Модель любой ядерной реакции (по Бору):

X + a ® C * ® Y + b,

*

,2      4

где а и b - частицы (n, p, а, у,...) или ядра (1 H,2 He,...); С - промежуточное возбуждённое ядро с малым временем жизни: t» 10^-19 c.

Условная запись реакции: X (a, b)Y.

Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 году:

¹4 У +^ He ®¹^ ®¹7 O +1 р.                                (26.13)

В любых ядерных реакциях выполняются законы сохранения:

1) импульса

2) заряда

3) энергии

4) момента импульса

5) массовых чисел (не массы!)

Энергетический эффект ядерной реакции:

D E = Am ■ c ²,                                     (26.14)

где A m - изменение суммарной массы при реакции:

A m = (m x + m_a)-(m y + m ^)                (26.15)

Пример: термоядерный синтез

2 И + H ® 4 He + 0 n + 17.6МэВ                      (26.16)

Классификация ядерных реакций:

1) по роду участвующих частиц (n, p, а, у, заряженные, нейтральные,...)

2) по их энергиям (например, реакция на быстрых нейтронах, на медленных, на тепловых нейтронах,.)

3) по роду участвующих в реакции ядер (лёгкие, средние, тяжёлые)

4) по характеру превращений (распад, рассеяние, синтез, захват, испускание заряженных частиц, нейтронов.).

Цепная реакция

Очень важный пример - цепная реакция. В тяжёлых ядрах есть избыток нейтронов над протонами, поэтому при распаде таких ядер освобождаются лишние нейтроны. Они могут «расколоть» следующие ядра (рис.26.6). Реакции с нейтронами замечательны тем, что нет кулоновского отталкивания нейтрона от заряженного ядра.

² 35 U + 1 n ® ¹ 40 Xe + 94 Sr + 2 } n + (» 200 МэВ) (26.17)

235     1„ J40     94р_А,₀1

92 ^{U +}0 ^п ® 55 ^Cs +37 ^{Rb +2}0 ^п

Возможны и другие пути реакции с получением других изотопов.

В природном уране содержание изотопа U-235 составляет менее процента, в отличие от U-238 (~99%).

^238        1     239 / / ^b \ ^239 \Tr> ^b                 \ ^239 92 U + 0 n ® 92 U — ® 93 Np — ® 94 PU 239      235  4 94 Pu ® 92 U + 2 He 239 Плутоний 94 Pu делится под действием тепловых нейтронов на два осколка примерно равной массы; при этом также получаются «лишние» нейтроны. Это позволяет использовать плутоний, наработанный в больших количествах как начинка для атомного оружия, в ядерных реакторах. В ядерных реакторах (рис.26.7) используются замедлители нейтронов: парафин, тяжёлая вода D2O, бериллий Be, графит. Медленные нейтроны легче захватываются ядром. Поглотители нейтронов (кадмий, бор) используются для управления реакцией. Коэффициент размножения нейтронов, равный отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем, должен поддерживаться равным единице: К=1. Такая реакция - самоподдерживающаяся. При К>1 реакция развивающаяся (взрыв); при К<1 - затухающая.

R~           R~

Характер реакции зависит от массы делящегося вещества и формы активной зоны. При большой площади поверхности активной зоны (сравнительно с массой) нейтроны покидают её, не вызывая деление следующих ядер. Существует критическая масса - минимальная масса вещества, необходимая для реакции.

Рис.26.7

Без           ядерной

энергетики современное общество уже обходиться не может, несмотря на общественные протесты, связанные с опасностью для окружающей среды: ядерные    реакторы

производят радиоактивные отходы, требующие

переработки и хранения в течении десятков тысяч лет.

Термоядерный синтез

2 И + { И ®^ He + 0 n + 17.6МэВ

Термоядерный синтез по сравнению с ядерными реакциями деления имеет явные преимущества, которые позволяют надеяться на широкомасштабное развитие термоядерной энергетики. Основное и принципиальное отличие заключается в отсутствии долгоживущих радиоактивных отходов, которые характерны для ядерных реакторов деления.

Наведённая активность будет снижаться до полностью безопасного уровня за тридцать лет после остановки реактора. Это означает, что выработавший ресурс реактор нужно будет законсервировать всего на 30 лет, после чего материалы могут быть переработаны и использованы в новом реакторе синтеза. Кроме низкой радиоактивности, термоядерная энергетика имеет огромные, практически неисчерпаемые запасы топлива и других необходимых материалов, достаточных для производства энергии в течении многих сотен, если не тысяч лет.

Именно эти преимущества побудили основные ядерные страны начать в середине 50-х годов XX века широкомасштабные исследования по управляемому термоядерному синтезу. В Советском Союзе и США к этому времени уже были проведены первые успешные испытания водородных бомб, которые подтвердили принципиальную возможность использования энергии ядерного синтеза в земных условиях. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 г. исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества. Водородная бомба была создана всего за несколько лет, и в то время казалось, что цель близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце 50-х годов, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более 40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение
термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В 1997 г. самая крупная термоядерная установка - Европейский ТОКАМАК (от слов: ТОроидальная Камера, МАгнитные Катушки) получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу. Для удержания плазмы в ТОКАМАКе используется магнитное поле (рис.26.8).

Рис.26.8

С чем связаны трудности термоядерного синтеза? Дело в том, что из-за наличия                                                                                                 кулоновского

отталкивания при обычной температуре    реакция

термоядерного синтеза не идёт. Расчёты показывают, что температура должна быть порядка 10 К для того, чтобы кинетической энергии  сталкивающихся

ядер      хватило     на

Преодоление кулоновских

сил. Реально реакция идёт при температурах, несколько более низких: «всего лишь» порядка 10⁷ К. Понижение требуемой температуры связано с:

1) распределением ядер по энергиям;

2) туннельным эффектом.

Чтобы запустить управляемый термоядерный синтез, необходимо научиться разогревать плазму до таких температур и удерживать её достаточное время.

Для достижения этого физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых и не догадывались в начале пути. В течение этих 40 лет была создана наука - физика плазмы, которая позволила понять и описать сложные физические процессы, происходящие в реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить не менее сложные проблемы, в том числе, научиться создавать глубокий вакуум в больших объемах, подобрать и испытать подходящие конструкционные материалы, разработать большие сверхпроводящие магниты, мощные лазеры и источники рентгеновского излучения, разработать импульсные системы питания, способные создавать мощные пучки частиц, разработать методы высокочастотного нагрева смеси и многое другое.

Сейчас термоядерная программа развивается за счёт государственного финансирования, которое составляет в сумме по всем странам около 1.3 млрд. долларов в год. Есть мнение, что термоядерные исследования - это очень дорогая программа. В действительности получается, что средний налогоплательщик стран, активно участвующих в термоядерных исследованиях (США, Япония, Европа, Россия), платит на эти исследования 2-3 доллара в год. И хотя цена электроэнергии, производимой термоядерным реактором, в полтора-два раза выше, чем энергии, производимой при сжигании органического топлива, в
долговременной перспективе для термоядерной энергетики альтернатив нет из-за исчерпания ископаемых запасов и загрязнения окружающей среды.

Первая опытная термоядерная электростанция на основе ТОКАМАКа может быть построена к 2030 году.

Материя. Вещество и поле

Вещество и поле - формы существования материи, известные в настоящее время. В классической физике вещество и поле противопоставляются друг другу: например, вещество дискретно, поле - непрерывно. В квантовой физике нет непроходимой пропасти или чёткого разграничения между ними, потому что:

1) частицы взаимодействуют посредством полей;

2) частицы обладают волновыми свойствами, а поля - квантуются, то есть в природе имеет место корпускулярно-волновой дуализм;

3) частицы и поля могут превращаться друг в друга, например, при аннигиляции позитрона и электрона (26.18), или при рождении электронно­позитронной пары из фотона - кванта электромагнитного поля (26.19):

e ^- + e ⁺ ® 2 g;                                       (26.18)

g + X ® e ^-+ e ⁺+ X.                                    (26.19)

Поля квантуются, а квантом поля является частица. Частицы вещества имеют полуцелый спин, а кванты поля - целый.

Античастицы

Поль Дирак получил релятивистское уравнение квантовой механики. Оно имеет два корня для полной энергии частицы:

E = ±y/ m'²c⁴ + p²c².

Для частицы с массой m разрешены значения энергии:

E > mc² и E < - mc²;

запрещены

22

- mc < E < mc.

По этой теории существуют частицы с отрицательной массой и энергией: (- m)<0, E <0. Схема уровней энергии показана на рис.26.9.

Возникает вопрос: почему частицы с m>0, E>0 не сваливаются в область с отрицательной массой и энергией? Не сваливаются потому, что все уровни с E <0 заняты: работает запрет Паули. А если состояние с E <0 оказывается свободным, это - «дырка», вакантное место, отсутствие частицы. Отсутствие частицы с отрицательной массой означает присутствие частицы с положительной массой. Отсутствие частицы (электрона) с отрицательным зарядом эквивалентно присутствию частицы с положительным зарядом. Имеем: m 0, q>0 а это - позитрон е⁺, античастица по отношению к электрону.

Процесс (26.18) аннигиляции электронно-позитронной пары - это переход 1 (рис.26.9) электрона на свободное место в области энергий E<0 с испусканием фотонов. Процесс (26.19) рождения электронно-позитронной пары за счёт энергии фотона изображён стрелкой 2 на рис.26.9.

Физический вакуум

В теории Дирака не всё ясно. Например, непонятно, как быть с частицами с целым спином? Ведь на них не распространяется запрет Паули. Ещё одна трудность теории Дирака состоит в том, что физический вакуум должен иметь бесконечно большой заряд, так как в нём полно частиц с массой (- m)<0.

По Дираку, в вакууме непрерывно рождаются и исчезают виртуальные частицы (например, пары электрон-позитрон). Принцип неопределённостей это разрешает, если время жизни т таких частиц удовлетворяет условию:

t ■ DE > h, D E = 2mc ².

То есть, вакуум не является пустым пространством, где ничего не происходит. При наличии сильного внешнего поля виртуальные частицы могут стать реальными (26.19); поле расходует энергию на «растаскивание» частиц с противоположным зарядом в разные стороны. Закон сохранения энергии выполняется.

Экспериментальные подтверждения теории Дирака:

Обнаружена поляризация вакуума, приводящая к сдвигу в энергетических уровнях атома водорода (Лэмбовский сдвиг). Суть: заряд, внесённый в вакуум, частично экранируется виртуальными частицами, потому что заряд притягивает к себе виртуальные частицы с противоположным зарядом и отталкивает одноимённо заряженные; в результате эффективный заряд частицы оказывается меньше.

Теория Дирака предсказала существование многих частиц до их экспериментального открытия.

Античастицы есть у многих частиц. Но некоторые - истинно нейтральные (совпадают со своими античастицами), например, нейтральный пион п⁰.

Характеристики частиц

К фундаментальным характеристикам частиц относятся:

масса m;

заряд q;

среднее время жизни т;

спин s;

лептонный заряд L;

барионный заряд B;

странность S;

очарование С;

красота b;

изотопический спин (изоспин) T;

p и момент «-», если

спиральность (положительная «+»» или отрицательная «-»).

Спиральность частицы положительна «+», если её импульс импульса L направлены одинаково: p -- L, и отрицательна антипараллельно: p -Ф L. Если частица имеет массу, то спиральность ей приписывать нельзя: частица не может двигаться со скоростью света. В системе отсчёта, движущейся быстрее частицы, её импульс меняет направление, а момент импульса - нет; спиральность разная получается в разных системах отсчёта.

Изоспин T приписывается частицам, которые можно объединить в группу (мультиплет) и считать различными состояниями одной и той же частицы.

Примеры:

1. Пион л⁰, л”, л⁺. Число частиц в этом мультиплете равно трём (триплет). Число частиц в мультиплете определяется величиной изоспина; оно равно в общем случае (2Т+1). Таким образом, изоспин для пиона Т=1: (2Т+1)=2'1+1=3. Соответственно, возможны три «проекции» изоспина и три частицы: для л⁰ проекция изоспина Т₂=0; для л^- проекция Т₂=(-1); для л⁺ проекция Т₂=(+1).

2. Нуклон. Мультиплет состоит из двух частиц (дублет): протона p и нейтрона п. Изоспин равен T = 2. Возможны 2 проекции: T_z =- 2 (нейтрон п) и

T_z = + 2 (протон p).

Изоспин приписывается только адронам (частицам, участвующим в сильном взаимодействии).

Между характеристиками частиц существует соотношение: электрический заряд (отнесённый к элементарному е) равен:

q = T z + 2 (B + S + C - b).

Адроны

Мезоны Состоят из 2-х кварков

s=0 L =0 B =0

Барионы

Состоят из 3-х кварков s - полуцелый

L =0 B =±1

Гипероны

Q^-

Нуклоны p протон p антипротон

n нейтрон

n антинейтрон

Кварки

Класс лептонов состоит из шести частиц (12 вместе с античастицами). Класс адронов - большой (несколько сотен частиц). Многие частицы превращаются друг в друга. В 1964 г. Гелл-Манн и Цвейг предположили, что адроны состоят из ещё более фундаментальных частиц - кварков. Для построения всех открытых в настоящее время адронов потребовалось 6 кварков (12 вместе с антикварками). Получилась симметрия: 12 кварков и 12 лептонов (вместе с античастицами).

Примеры:

Протон состоит из двух кварков и и одного d: p = (uud);

нейтрон n = (udd);

омега-минус-гиперон Q = (sss);

пионы n⁰ = (uu, dd); n± = (ud, du).

Таблица 26.2. Кварки и лептоны

Поколения		1	2	3	Заряд q (в единицах элементарного q/e)
Кварки	Верхние	u (up)	c (charmed)	t (true)	+2/3
	Нижние	d (down)	s (strange)	b (beauty)	-1/3
Лептоны	нейтральные	Электронное нейтрино V e	Мюонное нейтрино ^V P	Таонное нейтрино V t	0
	заряженные	электрон — e-	мюон p	таон T	-1

 

Любой кварк или антикварк может находиться в одном из трёх состояний (соответствующее квантовое число назвали цветом ): R (красный), G (жёлтый), B (синий). Соответствующие антикварки имеют дополнительные цвета R, G, B (зелёный, фиолетовый, оранжевый).

Мезоны построены из 2-х кварков или антикварков с дополнительными цветами, например, R и R, или G и G. В результате получается белый (нейтральный) цвет. Барионы построены из 3-х кварков или антикварков, имеющих цвета R, G и B или R, G, B, тогда суммарный цвет - тоже белый. Вообще, могут существовать только «белые» частицы. В свободном виде кварки существовать не могут. По теории асимптотической свободы, внутри частицы кварки свободны, но с увеличением расстояния до кварка силы растут бесконечно. Кварки удерживаются внутри частицы: ещё одно название теории - теория конфайнмента (пленения).

Ядерное взаимодействие нуклонов в ядре - лишь след, проявление сильного взаимодействия между кварками, которое осуществляется посредством обмена особыми частицами - глюонами (от англ. glue - клей). Глюоны склеивают кварки воедино. Подобно фотонам, глюоны не имеют массы и электрического заряда.

На основании гипотезы о кварках предсказали, а затем открыли существование новых частиц. Подтверждение гипотезы о кварках получили и в

протонах есть три рассеивающих центра с зарядами

опытах по рассеянию быстрых электронов на протонах: в опытах получили, что в

5)

X ³ 2

На ускорителе в Чикаго получены, но пока не подтверждены, опыты, на

основе которых высказано предположение, что кварк имеет внутреннюю скоростью света. Это и проявляется как масса. Бозон Хиггса - квант этого поля (все поля квантуются). Спин бозона Хиггса равен нулю:

Ферчччны   Есэот-ы Кварки и WpXML’fl С С-4*00- ванный t ИСТИННЫЙ   У tjxno.H ЧИНИ ьеДйимкЭ- Д0ЙС1ВНЯ   d ни.жниг и ст ранний и лралест-   Z и™   Пвпточь- ve ЭЛВ^трда. «йи МЮСЧНОВ iiQ^rrwnig к тау- нийпринд   W W fioltui     е V Г T4V   «Зии

структуру. Итак, сейчас считается, что существуют следующие «кирпичики», из чего всё состоит (рис.26.10): - кварки (6 без античастиц); - лептоны (тоже 6); - переносчики взаимодействий: векторные бозоны W±, Z^0, фотон у, глюон g, гравитон G (пока не открыт). Совсем     недавно     получено подтверждение     экспериментального обнаружения бозона Хиггса H - частицы, ответственной за появление массы частиц. Масса у частиц появляется при взаимодействии с полем Хиггса: поле их замедляет, и они не могут двигаться со

s(H)=0.

Бозон Хиггса был единственным неоткрытым элементом Стандартной модели (современной теории элементарных частиц). Тем не менее многие (хотя и не все) теоретики считают, что необходим выход за рамки Стандартной модели: у ней есть свои трудности. Какой могла бы быть «новая физика»? - это вопрос открытый. Нужны новые эксперименты.

Иерархия форм материи

Кварки способны только к двойным и тройным объединениям; в результате получаются адроны.

Протоны и нейтроны состоят из трёх кварков.

Протоны, нейтроны и электроны образуют атомы, способные к объединению и образованию новых структур - молекул.

Атомы и молекулы образуют макроскопические тела, свойства которых не сводятся к свойствам атомов.

Следующая, высшая форма материи - живые организмы - имеют совершенно новые качества; им свойственны:

о избирательный обмен веществ, о саморегуляция, о эволюция, о размножение.

Библиографический список

1. Калашников, Н. П. Основы физики: учебник для техн. специальностей вузов: в 2 т. Т. 2 / Н. П. Калашников, М. А. Смондырев. - 2-е изд., перераб. - М.: Дрофа, 2004. - 431 с.: ил.

2. Детлаф, А. А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. - 8-е изд., стер. - М.: Academia, 2009. - 719 с.: ил.

3. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие для вузов по техн. специальностям: в 4 т. Т. 2: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика / И. В. Савельев; под общ. ред. В. И. Савельева. - М.: КНОРУС, 2009. - 570 с.: ил.

4. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие для вузов по техн. специальностям: в 4 т. Т. 3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц / И. В. Савельев; под общ. ред. В. И. Савельева. - М.: КнОрУС, 2009. - 359 с.: ил.

5. Курс физики: учеб. для вузов: в 2 т. Т. 2 / под ред. В.Н.Лозовского. - СПб.: Лань, 2000. - 592 с.

6. Трофимова, Т. И. Курс физики: учеб. пособие для инженер.-техн. специальностей вузов / Т. И. Трофимова. - 18-е изд., стер. - М.: Academia, 2010. - 557 с.: ил.

следовательно параллелен колебаниям первой компоненты (^). Из электромагнитной теории Максвелла известно, что колеблющийся электрический заряд не излучает электромагнитных волн вдоль направления своего движения. Поэтому колеблющийся в диэлектрике излучатель типа (^) не даёт вклада в отражённый луч. То есть, в направлении отражённого луча распространяется свет, посылаемый излучателями только типа (•), направления колебаний которых перпендикулярны плоскости падения.

Энергия связи ядер

Нуклоны в ядре связаны сильным (ядерным) взаимодействием.

Энергия связи Е_св - минимальная энергия, которую нужно сообщить ядру, чтобы расщепить его на нуклоны. При образовании ядра из свободных нуклонов та же энергия Е _св. выделяется; соответствующая этой энергии покоя

масса - это дефект массы A m:

Е св. =A m • c ^2 (СИ)                              (26.1)

Чаще используются атомные единицы массы (а.е.м.); тогда

Е _св (МэВ) = А т (а.е.м.) • 931f ^М’^В                               (26.1а)

'                                                        у а.е.м. 0

Масса ядра всегда меньше суммарной массы свободных нуклонов, составляющих ядро. Дефект массы - это разница между ними:

А т = Z • m_p +(A - Z)• m_n - т_я                            (26.2)

Вместо массы ядра и массы протона можно использовать массу атома т_атома и атома водорода 1 H ¹:

D m = Z ■ ^m (1 h i) + ⁽ A ^{- Z})• ^m _n - ^т атома

 

максимумы - для 2 He^ и ₈ O ¹⁶, например. Устойчивы ядра с числом протонов или нейтронов:

А или Z = 2, 8, 20, 50, 82, 126 и др.

Это - магические числа. Ядра тоже называются магическими. Если и число протонов, и число нейтронов в ядре - магическое, то ядра - дважды магические и особенно устойчивые. Такая закономерность позволила создать оболочечную модель ядра, в соответствии с которой устройство ядра похоже на строение электронной оболочки атома. Нуклоны, имеющие полуцелый спин и подчиняющиеся запрету Паули, распределяются по соответствующим дискретным ядерным энергетическим состояниям. Если очередная ядерная оболочка целиком укомплектована, то ядро устойчиво, аналогично тому, что заполненная электронами оболочка атомов инертных газов также оказывается устойчивой. Нейтроны и протоны заполняют оболочки независимо друг от друга: у них разное зарядовое квантовое число.

Ядерные силы

Ядерное (сильное) взаимодействие - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Его свойства:

1) Короткодействие.   Действует   на   расстояниях   порядка

^Г ядерн.сил ~ ^{10 м} .