54.Ядерные реакции

В зависимости от частиц, вызывающих реакции, их можно классифицировать на три больших класса: реакции под действием нейтронов, заряженных частиц и -квантов. С точки зрения механизма взаимодействия реакции делятся на два класса: реакции, идущие через промежуточную стадию образования составного ядра, и прямые взаимодействия.Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные взаимодействием их друг с другом или с элементарными частицами.Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояний порядка 10^-15 м благодаря действию ядерных сил.

При ядерных реакциях соблюдаются законы сохранения: суммарного электрического заряда, массового числа, энергии, импульса и момента импульса (спина).Все ядерные реакции характеризуются энергией, выделяемой или поглощаемой при протекании реакции. Реакции, протекающие с выделением энергии, называются экзотермическими (экзоэнергетической), а с поглощением энергии – эндотермическими (эндоэнергетической). Если суммарная масса исходной пары больше, чем суммарная масса конечной, реакция будет экзотермической, в противном случае – эндотермической. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие частицыа с ядром Х, в результате которого образуется частица b и ядро Y: ,Частицы Х и а называются исходной парой, а частицы Y и b – конечной парой, ядро Х – мишенью, частица а – исходной или налетающей, ядро Y – продуктом, частица b – испускаемой.Частицы, рожденные в результате ядерной реакции, могут быть не только b и Y, но вместе с ними и другие b^/, Y^/. В этом случае говорят, что ядерная реакция имеет несколько каналов, причем каждому каналу соответствует своя вероятность.В качестве частиц a и b чаще всего фигурируют нейтрон n, протон p, ядро тяжелого водорода ₁²H – дейтрон (d), -частица и -фотон.

В настоящее время существуют модели, которые описывают основные черты ядерного процесса и допускают проведение их приближенного расчета.

1. Механизм составного (компаунд) ядра Бора. Основан на предположении о том, что реакция протекает в две стадии, с образованием промежуточного возбужденного ядра:

X + a СY + bНа первом этапе налетающая частица а «застревает» в ядре мишени Х, и ее энергия быстро распределяется между всеми нуклонами ядра С, так что ни один их них не получает энергии, достаточной для вылета из ядра. Компаунд-ядро при этом оказывается в возбужденном состоянии. В результате случайных отклонений от равномерного распределения энергии возбуждения между частицами компаунд-ядра, на какой-либо из них концентрируется энергия, достаточная для вылета из ядра. Этот этап длится 10^-13 – 10^-14 с, что в 10⁷ – 10⁸ раз больше того времени, которое необходимо нуклону с энергией ~1 МэВ, чтобы пролететь сквозь ядро. За это время компаунд-ядро как бы «забывает» причину своего образования, и его распад может идти различными путями (по различным выходным каналам), независимо от причины его образования. Возможны в том числе и такие каналы, для которых a = b, то есть ядроС, превращаясь в ядро продукт Y, испускает частицу, идентичную налетающей. Такая ядерная реакция называется рассеянием. Если при этом и энергии частиц равны, то есть , рассеяние является упругим, если – неупругим. Ядерная реакция имеет место, только еслиа не тождественнаb.2. Механизм прямого ядерного взаимодействия. Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами, протекающие без образования промежуточного ядра, называются прямыми. В таких реакциях взаимодействие быстрого нуклона с ядром происходит как столкновение частицы лишь с одним – двумя нуклонами ядра. Прямые реакции протекают за времена, сравнимые с характерным ядерным временем ≈ 10^-22с. 3. Механизм кулоновского возбуждения. Пролетающая заряженная частица может взаимодействовать с ядром только своим электрическим полем. Иногда, этого бывает достаточно, чтобы возбудить ядро и вызвать реакцию.4. Механизм множественного рождения частиц. При сверхвысоких энергиях налетающих частиц(>10⁹эВ)наблюдается множественное рождение мезонов, а иногда барион-антибарионных пар. Это явление играет существенную роль при взаимодействии космических лучей с веществом.

Ядерные реакции классифиц по энергиям вызывающих их частиц: малые, ср и большие. ПО виду учавств ядер: на легких, на средних, на тяжелый. По виду бомбардирующ частиц: под действием нейтр и протона и заряж частиц. По характеру превращ : кулон возбуждение, радиац захват, рассеяние, деление ядер, синтез ядер.

55.Элементарные частицы. Определение.

В ядерной физике элементарные частицы - общее название всех субатомных частиц, отличных от атомов и атомных ядер. Элементарными следовало бы называть все микрочастицы, относительно которых нет доказательств, что они являются составными (электрон, позитрон, фотон). Систематизация элементарных частиц.

Бозоны и фермионы. Все частицы подразделяются на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с нулевым или целочисленным спином (фотон, мезоны и другие). Фермионы – это частицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон и другие).

Время жизни τ. Практически все элементарные частицы являются нестабильными. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и резонансы. Резонансами называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия с временем жизни ~10^-23 с. Нестабильные частицы – с временем жизни превышающем 10^-20с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. По сравнению с характерным ядерным временем (10^-23 с), время 10^-20 с следует считать большим. По этой причине их называют квазистабильными. Стабильными частицами (τ → ∞) являются только фотон, электрон, протон и нейтрино.

Переносчики взаимодействия. Это группа элементарных частиц, в которую входят фотоны (переносчики электромагн взаимодействия), W- иZ- бозоны (переносчики слабого взаимодействия), глюоны (переносчики сильного взаимодействия) и гипотетические гравитоны. Все остальные частицы подразделяются по характеру взаимодействий, в которых они участвуют, на лептоны и адроны.Лептоны – это частицы, не участвующие в сильных взаимодействия и имеющие спин ½. К ним относятся электроны, мюоны, таоны и соответствующие им нейтрино. Лептоны принимают участие в слабых взаимодействиях. Все лептоны можно отнести к истинно элементарным частицам, поскольку у них не обнаружена внутренняя структура.

Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Как правило, они участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействиях. Эти частицы образуют самую многочисленную группу частиц (свыше 400). Адроны подразделяются на мезоны и барионы.

Мезоны – это адроны с нулевым или целочисленным спином. К ним относится π-, К- и η- мезоны, а также множество мезонных резонансов, т.е. мезонов с временем жизни 10^-23 с. Имеют массу промежуточную между массами электрона и протона.Барионы – это адроны с полуцелым спином и массами не меньшими массы протона. (нуклоны, гипероны и множество барионных резонансов)). За исключением протона, все барионы не стабильны. Нестабильные барионы с массами большими массы протона и большим временем жизни (сравнительно с ядерным временем) называют гиперонами. Это гипероны Λ, Σ, Ξ и Ω. Все гипероны имеют спин 1/2, за исключением Ω, спин которого равен 3/2. За время 10^-10 – 10^-19c они распадаются на нуклоны и легкие частицы.Все элементарные частицы делятся на частицы и античастицы. В некоторых случаях частица совпадает со своей античастицей. В таких случаях элементарные частицы называют истинно нейтральными частицами. К ним относятся фотон , ⁰-мезон, ⁰-мезон.Частицы и античастицы. Существование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица. Электрону е^– – позитрон е⁺, протону р⁺ – антипротон р^– –, нейтрону n – антинейтрон n^. Электрон и протон отличаются от позитрона и антипротона знаком электрического заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента.В общем случае частица отличается от античастицы только знаками зарядов (электрический, барионный, лептонный, странности), с которыми связаны определенные законы сохранения.Законы сохранения.

Законы делятся на точные и приближенные. Точные законы сохранения выполняются во всех взаимодействиях, приближенные только в некоторых(законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и законы сохранения зарядов: электрический Q, барионный B, и три лептонных L_eL_L_.) У всех элементарных частиц эти заряды имеют целочисленные значения. Каждый из этих зарядов характеризует некое внутреннее свойство частиц.Барионный заряд. Если барионам и антибарионам приписать барионный зарядВ такой, чтоВ = +1 для барионов,В = 1 для антибарионов,В = 0 для всех остальных частиц,

то во всех процессах с участием барионов и антибарионов суммарный барионный заряд будет сохраняться. Это и есть закон сохранения барионного заряда.антибарион может рождаться только в паре со своим барионом. Напримерp + p  p + p + p + p^Лептонные заряды. Существует три вида лептонных зарядов: электронный L_e (для е и _е), мюонный L_ (для  и _) и таонныйL_ (для  и _). Условились считать, что

L_e = L_ = L_ = +1 для лептонов ( e^, _е ; ^, _; ^_ ) / L_e = L_ = L_ =1 для антилептонов(e⁺, _е^; ⁺, _^; ⁺_^) / L_e = L_ = L_ = 0 для всех остальных частиц.Во всех процессах с участием лептонов и антилептонов суммарный лептонный заряд будет сохраняться. Это и есть закон сохранения лептонного заряда.