Ядра атомов и элементарные частицы Ядерные реакции – превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами (в том числе γ – квантами) или друг с другом. Бывают экзо- и эндотермические (с выделением энергии) ядерные реакции. Согласно теории Бора выделяют 2 этапа ядерной реакции. 1й этап: образование промежуточного ядра, которое существует достаточно длительное время (~10-14с) по сравнению с ядерным временем (10-21-10-23 с), характеризующим время пролета частицы через ядро τ = r/V = 10-13 см/108см/с = 10-21 с. За это время система забывает способ своего образования и второй этап ядерной реакции может идти по разным каналам, которые определяются вероятностью того или иного распада. а (снаряд) +А (мишень)→ составное (промежуточное) ядро. 2й этап: распад промежуточного ядра. Выход реакции: отношение числа актов N ядерной реакции к числу частиц, упавших на 1 см3 мишени – w=10-3-10-4, но для нейтронов может достигать единицы. Различают следующие, наиболее часто встречающиеся ядерные реакции: 1. Реакция превращения. В этом случае налетевшая частица остается в ядре, но промежуточное ядро испускает какую-либо другую частицу, поэтому ядро-продукт отличается от ядра-мишени. Примером может служить реакция Резерфорда 147N7(α,p)178O9 превращения азота в кислород или реакция получения нейтрона 9 Ве5 (α, n)12 С . 4 6 6 2. Реакция радиационного захвата. Здесь также налетевшая частица застревает в ядре, но возбужденное ядро испускает избыток энергии, излучая γ-фотон. Таковы реакции типа (n,γ), имеющие большое значение в работе ядерных реакторов (часть нейтронов, необходимая для цепной реакции, теряется в процессе захвата и, кроме того, возникает интенсивное γ -излучение, создающее опасность для окружающих лиц). Примером может служить реакция захвата нейтронов кадмием или фосфором: Cd 65 (n, ) 113 48 114 48 Cd 66 P (n, ) P 81 15 16 32 15 17 В результате реакции захвата ядро-продукт может оказаться: 1) стабильным (например, реакция с кадмием), 2) радиоактивным (реакция с фосфором) с определенным периодом полураспада. Реакции второго типа приводят к образованию искусственно-радиоактивных изотопов (меченых атомов), широко используемых в науке и технике. 3. Рассеяние. В этом случае промежуточное ядро испускает частицу, тождественную с налетевшей, причем может быть: 1) упругое рассеяние, при котором суммарная кинетическая энергия взаимодействующих частиц не меняется, и 2) неупругое рассеяние, при котором суммарная кинетическая энергия соударяющихся частиц уменьшается, и разность энергий излучается в виде энергии γ-фотона. Примером упругого рассеяния служит рассеяние нейтронов углеродом (графитом) или тяжелой водой, которое используется в реакторах для замедления нейтронов: 126 C6 (n, n)126 Cd6 Примером неупругого рассеяния может служить процесс, происходящий при соударении быстрого нейтрона с ядром урана-238, идущий по реакции U146 (n, n, ) 238 92 U 146 238 92 4. Реакция деления. Это реакция, идущая всегда с выделением энергии. При реакции деления возбуждение промежуточного составного ядра столь велико, что оно делится на два примерно равных осколка с выделением нескольких нейтронов. Фундаментальные взаимодействия В настоящее время известны четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия называют иначе ядерным, так как оно обеспечивает связь нуклонов в ядре. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать безразмерной константой взаимодействия G2. Эта же константа характеризует вероятность процессов, обусловленных данным взаимодействием. Для сильных взаимодействий G2=Gs2=1. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r), составляет примерно 10-13 см. Частица, пролетающая со скоростью, близкой к с, в непосредственной близости к другой частице, будет взаимодействовать с ней в течение времени τ=r/с=10-13/ (3х1010)=10-23 сек, соответственно говорят, что сильное взаимодействие характеризуется временем взаимодействия τs порядка 10-23 сек. Электромагнитное взаимодействие. Радиус действия электромагнитного взаимодействия не ограничен (r = ∞). Константа взаимодействия равна G2=Gе2=е2/ћс=1/137, т.е. интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз меньше, чем сильного. Время, необходимое дли того, чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его интенсивности (или вероятности). Поэтому для электромагнитного взаимодействия τе= τs= Gs2/ Gе2 ≈ 10-21 сек Гравитационное взаимодействие. Радиус действия не ограничен (r = ∞). Константа взаимодействия крайне мала: G2=Gg2=10-39, время взаимодействия составляет τg=109 лет. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. Слабое взаимодействие. Слабое или распадное взаимодействие ответственно за все виды βраспадов ядер (включая К-захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Константа взаимодействия G2=Gω2 равна 10-14. Следовательно, время взаимодействия τω: =10-9 сек. Кванты (переносчики) взаимодействий Предельный размер атомного ядра Предельный размер атомного ядра определяется конкуренцией между силой ядерного (сильного ) взаимодействия, «стягивающей» нуклоны и силой электромагнитного взаимодействия, расталкивающей одноименно заряженные протоны Проверка «элементарности» частиц Пусть имеется частица с массой М. Для того, чтобы проверить, является ли эта частица «сложной» или элементарной, окажем на нее внешнее воздействие с некоторой энергией W (например, путем бомбардировки ее другой частицей, которая при ударе о частицу – мишень М теряет энергию W). Допустим, при таком воздействии из частицы М удается извлечь одну частицу с массой m (или несколько с m=Σmi). На основании законов сохранения энергии и массы, можно написать: М+ W/с2= М1+ m+Екин/с2 где М1 – масса частицы после указанной операции. Для простоты будем считать, что Екин (после столкновения) пренебрежимо мала. Проверка «элементарности» частиц Если W/с2<m, т.е. для извлечения частицы m необходимо затратить энергию W<mс2, т.е. меньшую, чем собственная энергия частицы W0=mс2, то полагают, что частица m входит в состав частицы М и, соответственно, частица М не является элементарной. Минимальное значение W, необходимое для извлечения частицы m, называется энергия связи, или работа выхода. При условии W ≥ mс2 полагают, что появившиеся частицы «рождаются» при воздействии, т.е. частица М является элементарной. Способность появляться (рождаться) с затратой энергии W≥mс2 является важнейшей особенностью элементарных частиц. Частицы и античастицы Уравнение Шредингера не удовлетворяет требованиям теории относительности - оно не инвариантно по отношению к преобразованиям Лоренца. В 1928 г. английскому физику П. Дираку удалось найти релятивистское волновое уравнение, из которого вытекает ряд замечательных следствий. Оно позволило также предсказать существование античастицы электрона — позитрона. Из уравнения Дирака получаются для полной энергии свойство частицы не только положительные, но и отрицательные значения. Существуют две области собственных значении энергии: одна начинается с +m0с2 и простирается до +∞, другая начинается с —m0с2 и простирается до -∞. Дирак предположил, что переходы электронов в состояния с отрицательной энергией обычно не наблюдаются по той причине, что все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами (электроны, как и другие частицы с полуцелым спином, подчиняются «принципу Паули» который запрещает находиться в одном и том же состоянии более чем одной частице). Согласно Дираку вакуум есть такое состояние пространства, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с. положительной энергией свободны. Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещенной полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживают. При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают) — электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения. Электрон – позитронная пара возникает при взаимодействии γ-кванта с веществом. γ→ е- + е+ В е- е+ γ Аннигиляция – процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которой они превращаются в γ-кванты (фотоны) или другие частицы. е- + е+→ 2 γ Один γ-квант не образуется т.к. одновременно должны быть выполнены законы сохранения импульса и энергии. Классификация элементарных частиц (по видам взаимодействия в которых они участвуют) Элементарные частицы адроны лептоны Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны – фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии (12 частиц – 6 частиц и 6 античастиц). Все лептоны – фермионы – полуцелый спин. В реакциях слабого взаимодействия лептонов участвуют лептон – нейтринные дублеты. Нейтрино всегда возникает в реакции вместе с определенным лептоном. Для выделения класса лептонов вводят квантовое число – лептонный заряд L. L=1 – для лептонов L=-1 – для антилептонов L=0 – для адронов К классу адронов относится около 300 элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии. В зависимости от значения спина Адроны Мезоны (meso - средний) Барионы (barys - тяжелый) Мезоны – бозоны со спином 0, ħ участвующие в сильном взаимодействии. Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ , участвующие в сильном взаимодействии. (подгруппы) нуклоны гипероны Классификация адронов Адроны Мезоны S = 0, 1 π+ π- Барионы нуклоны π0 S=½ ~ p, р, n, n К+ К- К0 К0 µ0 ~ гипероны λ ~ 0 ~0 λ ~ Σ+ Σ- Σ0 ~0 Σ Ξ0 Ξ0 Ξ+ Ω- Ω+ Время жизни протона (1031 лет) – это стабильная частица, все другие адроны распадаются. Американские физики-теоретики Геллман и Цвейг предположили, что адроны являются составными частицами (т.к. их “m” > чем “m” лептонов). Кварки Нуклоны (p,n) состоят из 3х фундаментальных, электрически заряженных частиц, называемых кварками. Экспериментально подтверждено в 1969г. При рассеянии е- с энергией 20ГэВ на протонах и нейтронах было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в нуклоне; в нуклоне установлено наличие трех точечных зарядов (±). Основные характеристики кварков 1) имеют дробный электрический заряд: +2/3е – называются U-кварками (верх) -1/3е – d-кварк (низ). кварковый состав протона представляет U и d, электрона U и d. т.к. mp≈mn , то близки и массы кварков (mn>mp на 2,5 mе), поэтому d-кварки чуть тяжелее U-кварка. Основные характеристики кварков 2) Барионный заряд Во всех взаимодействиях барионный заряд сохраняется. Массовое число А является барионным зарядом В ядра: В=А, для барионов В=1; для антибарионов В=-1, у частиц, не являющимися барионами В=0. при β-распаде: изменение барионного заряда: 1 = 1+ 0 + 0. Барионный заряд кварков =1/3, что дает для барионов(р,n) В=1. Затем были открыты тяжелые адроны: S – странный (strange) C – очарованный (charm) b – красота (beauty) t – правда (truth) Их массы превышают массы “U” и“d” – кварков. Все кварки – фермионы, полуцелый спин, т.к. адроны являются фермионами. Различные типы кварков называются ароматом. Характеристики кварков и антикварков Кварк (аромат) S=1/2 q B Антикварк S=1/2 q B U, C, t +2/3e 1/3 ~ C, ~ t~ U, -2/3e -1/3 d, S, b -1/3e 1/3 ~ b~ d,~ S, +1/3e -1/3 Цвет кварков Кварки отличаются цветом, т.к. некоторые кварки могут состоять из 3х одинаковых кварков: (каждый тип кварков, U-кварк – либо зеленым, либо красным, либо синим) Реально они не окрашены, но так лучше запомнить. Цветовой заряд является характеристикой взаимодействия кварков. Адроны – цветонейтральны. Мезоны – цветонейтральны. поколение 1 частица Кварк Лептон 2 Кварк Лептон 3 Кварк Лептон цвет q m((ГэВ) U 2/3e 0,330 D -1/3e 0,333 e -e 5,11*10-4 Ve 0 <1,4*10-8 C 2/3e 1,65 S -1/3e 0,486 µ- -e 0,106 Vµ 0 <2,5*10-4 t 2/3e >80 b -1/3e 4,5 τ- -e 1,78 Vτ 0 <0,035 π+- мезон π- - мезон ~ ↑U 2/3е U↑ - 2/3е S↓ - 1/3e ↓d 1/3e барионный заряд = 0 (1/3 – 1/3 = 0) С помощью разноцветных кварков можно построить любой адрон: 6 кварков, 6 антикварков(каждый 3 цвета, полное число кварков - 36) Фундаментальные частицы • 6лептонов и 6 антилептонов • 18 кварков( 6 кварков 3 цветов) и 18 антикварков • 13 переносчиков различных видов взаимодействий