1.3. Лептоны, мезоны, резонансы

Минимальная часть вещества, сохраняющая его химические свойст­ва, называется структурной единицей данного вещества. Количество структурных единиц в данном количестве вещества определяется по зако­ну Авогадро, согласно которому в одном моле вещества содержится N_A = 6,02∙10²³ структурных единиц.

Используя закон Авогадро, найдем общее количество ядер калия в одном килограмме оксалата калия (щавелевокислого калия) К₂С₂О₄.

1. Найдем молярную массу исследуемого вещества по таблице Д.И.Менделеева.

= 39 ∙ 2 + 12 ∙ 2 + 16 ∙ 4 = 166 г.

2. Найдем количество вещества в массе, равной 1 кг.

= m / М = 1000 / 166  6 (моль),

где  – количество вещества в молях;

М – молярная масса;

m – масса, кг.

3. Найдем количество структурных единиц в данном количестве ве­щества.

=  ∙ N_A= 6 ∙ 6.02 ∙ 10²³  3,6 ∙ 10²⁴ молекул.

4. Найдем общее число ядер калия в данном количестве структурных единиц

N_K = n · = 2 ∙ 3,6 ∙ 10²⁴ = 7,2 ∙ 10²⁴ (ядер),

где n – количество ядер калия в одной молекуле вещества.

Таким образом, все вещества независимо от состава и строения мож­но рассматривать как совокупность атомов с некоторыми изменениями в электронных оболочках (избыток либо недостаток электронов у ионов, общие молекулярные орбитали у молекул). Поэтому протон, нейтрон и электрон, входящие в состав атома, являются материообразующими эле­ментарными частицами.

Частица называется элементарной, если не доказана возможность ее деления на составляющие.

Элементарная частица называется фундаментальной, если доказана невозможность ее деления на составляющие.

В составе первичного космического излучения обнаружено около 200 различных элементарных частиц. Фундаментальными из них являются только 12 частиц (6 лептонов и 6 кварков). Все элементарные частицы де­лятся на несколько основных видов.

1. Лептоны – самые легкие элементарные частицы. Масса покоя их считается равной нулю либо близка к нулю.

Формальный признак: m_ч < m_e Масса частицы меньше, чем масса электрона. К этой группе относятся ν – нейтрино, – антинейтрино.

Эти частицы не имеют заряда. Масса покоя считается равной 0, рас­пространяются в пространстве со скоростью, равной скорости света, обла­дают максимальной проникающей способностью и не имеют ионизирую­щей способности. Образуются в различных β – распадах, отличаются друг от друга поляризацией, при взаимодействии аннигилируют.

Аннигиляция – это взаимное уничтожение частицы и античастицы с выделением энергии.

– электрон;

– позитрон.

Они обладают одинаковой массой покоя, аналогичными квантомеха–ническими свойствами, одинаковой проникающей и ионизирующей спо­собностью. Отличаются по заряду, образуются в различных β – распадах. При взаимодействии аннигилируют по уравнению (2 кванта γ–излучений)

+ —> 2h .

2. Мезоны – элементарные частицы, масса покоя которых больше, чем у электронов, но меньше, чем у прото­нов.

m_е < m_ч < m_p .

К этой группе относятся все кварки:

μ– «мю» и π – «пи» – мезоны.

3. Барионы, гипероны – тяжелые элементарные частицы, масса по­коя которых больше массы протона: m_ч > m_p .

Протон и нейтрон относятся к барионам. Гипероны обозначают большими буквами греческого алфавита. Они обладают максимальной массой, максимальной энергией и максимальной ионизирующей способностью.

4. Резонансы – самые короткоживущие элементарные частицы, ко­торые образуются при взаимном превращении других частиц и обусловли­вают эти превращения.

Среднее время жизни резонансов порядка 10^–21 сек.

Среднее время жизни большинства элементарных частиц порядка 10^–8сек и меньше. За это время частица либо вступает во взаимодействие, либо рас­падается с образованием цепочки взаимных превращений элементарных частиц. Конечными продуктами в таких цепочках являются устойчивые в свободном состоянии протоны и электроны. В процессе таких превраще­ний именно протоны и электроны преобладают в составе первичного кос­мического излучения. Среднее время жизни нейтронов в свободном со­стоянии составляет порядка 10^–3сек, благодаря чему возможна ядерная энергетика, так как в энергетических ядерных реакторах деление ядерного топлива (урана–238, обогащенного ураном–235) происходит под действием свободных нейтронов.

В первичном космическом излучении нейтроны, как и другие неус­тойчивые частицы, участвуют в основных цепочках превращений (цепные реакции).