8. Ядерные реакции. Связь энергии и массы. Дефект масс.

Любое ядро заряжено положительно, и величина заряда определяется количеством протонов в ядре Z (зарядовое число). Количество протонов и нейтронов в ядре определяет массовое число ядра А. Символически ядро записывается так: , где X — символ химического элемента. Ядра с одинаковыми X Aзарядовым числом Z и разными массовыми числами А, т.е. отличающиеся только количеством нейтронов называются изотопами. Изотопы обладают одинаковыми химическими свойствами и разными физическими. Все изотопы можно разделить на стабильные (устойчивые) т.е. не подверженные самопроизвольному распаду ядер атома на части (распад в таком случае называется радиоактивным) и нестабильные - радиоактивные. Помимо радиоактивности ядерные реакции (превращения ядер) могут происходить при бомбардировке вещества другими частицами (например α-частицами). Особенно удачной оказывается бомбардировка нейтронами, которые электрически нейтральны и поэтому не отталкиваются протонами атомного ядра. Даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приблизиться к ядру на расстояние, при котором начинают действовать ядерные силы. Нейтрон придает ядру дополнительную энергию, после чего ядро может стать нестабильным и «развалиться» на более простые составляющие, которые отталкиваются друг от друга кулоновскими (электрическими) силами. При этом осколки ядра приобретают высокую энергию. Такие ядерные реакции называются реакциями деления.

Построив зависимость энергии связи на один нуклон от числа нуклонов в ядре А, мы сразу увидим нелинейный характер этой зависимости.

В отношении легких ядер (водород, гелий и т.д.) более характерной является реакция ядерного синтеза. Если сложить массы всех нуклонов (протонов и нейтронов), образующих атомное ядро, то получим число, большее, чем действительная масса данного ядра, приведенная в таблице Менделеева. То есть масса ядра оказывается меньше суммарной массы компонентов, из которого состоит ядро на величину ∆m, называемую дефектом масс. Дефект масс объясняется тем, что для связи нуклонов в ядре (для организации сильного взаимодействия) требуется энергия связи Е. Каждый нуклон, попадая в ядро выделяет часть своей массы для формирования внутриядерного сильного взаимодействия, которое «склеивает» нуклоны в ядре. При этом, согласно теории относительности, между энергией связи Е_св и массой т существует соотношение Е = mc², где с – скорость света в вакууме. Так что формирование энергии связи нуклонов в ядре Е_св приводит к уменьшению массы ядра на так называемый дефект массы Δm = Е_св / с².

9. Элементарные частицы

Сначала, особенно когда число известных элементарных частиц ограничивалось электроном, нейтроном и протоном, господствовала точка зрения, что атом состоит из этих элементарных «кирпичиков». А дальнейшая задача в исследовании структуры вещества заключается в том, чтобы разыскивать новые, еще не известные «кирпичики», из которых состоит атом, и в определении того, не являются ли эти «кирпичики» (или некоторые из них) сами сложными частицами, построенными из еще более тонких «кирпичиков». Эксперименты, проведенные в 1968 г. на Стэнфордском линейном ускорителе и использовавшие возросшую мощь технологий для изучения глубин микромира, продемонстрировали, что ни протоны, ни нейтроны не являются фундаментальными. Эти эксперименты показали, что они состоят из частиц меньшего размера, названных кварками. Экспериментаторы установили, что сами кварки делятся на два типа, которые несколько менее изысканно были названы u-кварками и d-кварками. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из двух d-кварков и одного u-кварка. Позднее были открыты еще 4 вида кварка.

Все, что мы видим на Земле и в небесах, по-видимому, состоит из комбинаций электронов, u-кварков и d-кварков. Не существует экспериментальных данных, указывающих на то, что какая-либо из этих трех частиц состоит из элементов меньшего размера. Однако имеется масса данных, свидетельствующих о том, что Вселенная содержит дополнительные компоненты. В середине 1950-х гг. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн получили решающее экспериментальное доказательство существования четвертого типа фундаментальных частиц, названных нейтрино. Существование этих частиц было предсказано в начале 1930-х гг. Вольфгангом Паули. Нейтрино оказалось очень трудно обнаружить: это частица-призрак, которая чрезвычайно редко взаимодействует с другими видами материн. Нейтрино средней по величине

энергии легко проникает сквозь многие триллионы миль свинца, которые не оказывают ни малейшего влияния на его движение. Масса покоя нейтрино равна нулю.

В конце 1930-х гг. физики, исследующие космические лучи, открыли еще одну частицу, названную мюоном. Эта частица идентична электрону, за исключением того, что она примерно в 200 раз тяжелее.

Используя все более мощную технику, физики продолжали сталкивать крошечные частицы материи все более высокой энергии. При этом в течение коротких промежутков времени воссоздавались условия, не существовавшие со времен Большого взрыва. Среди образовавшихся осколков ученые искали новые фундаментальные частицы, чтобы добавить их к растущему списку элементарных частиц. Вот что они обнаружили: еще четыре кварка — с, s, b и t, еще одного, даже более тяжелого, родственника электрона, названного тау-лептоном, а также еще две частицы, свойства которых схожи со свойствами нейтрино (они получили название мюонного нейтрино и тау-нейтрино, чтобы отличить их от первого нейтрино, которое стало называться электронным нейтрино). Эти частицы образуются в соударениях при высокой энергии, они существуют только в течение коротких промежутков времени и не входят в состав обычной материи. Каждая из этих частиц имеет соответствующую ей античастицу, обладающую такой же массой, но являющейся противоположной в некоторых других отношениях.