Фермионы и бозоны.

Все частицы имеют либо целый, либо полуцелый спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами и подчиняются статистике Ферми, согласно которой данное состояние может занимать не более, чем один фермион. Частицы с целым спином называются бозонами и подчиняются статистике Бозе, согласно которой данное состояние может занимать произвольное количество бозонов.

Ядерными реакциями называются процессы взаимодействия ядер между собой или с элементарными частицами с обязательным включением ядерных сил, приводящие к образованию новых ядер или частиц. Схематично в общем случае ядерные реакции записываются в виде:

а – налетающая частица (ядро, элементарная частица),А – мишень,В, в – продукты реакции. Для ядерных реакций выполняются все законы сохранения (закон сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда, спина). Особый интерес представляет закон сохранения энергии: . Если Q>0, то реакции экзоэнергетическая (с выделением теплоты). Если Q<0, то реакции эндоэнергетическая (с поглощением тепла). Минимальная кинетическая энергия, которой должна обладать налетающая частица для того чтобы эта реакция произошла, называется порогом ядерной реакции. . Для ядерных реакций выполняется закон сохранения импульса: .

В середине 30-х годов прошлого века последний элемент, завершающий таблицу Менделеева был уран. Появились идеи согласно которым можно было попытаться получить элемент, следующий за ураном. В результате β-распада урана (электронного), который вызывался бы облучением урана нейтронами. . Однако было обнаружено, что при облучении урана медленными нейтронами происходит другой процесс, а именно: ядро урана делится на осколки, т. о., на ядра из середины таблицы Менделеева соотношение масс у осколков 3:2 Например: Такие реакции получили название реакций деления тяжелых ядер. В результате реакции деления тяжелых ядер происходило выделение энергии (≈200 МэВ). Реакции деления тяжелых ядер имеют 2 особенности: - образуются осколки масс 3:2; - образуются несколько нейтронов, эти нейтроны быстрые. Для реакции синтеза необходимо сблизить ядра легких атомов на расстояние, на котором начинают действовать ядерные силы. При этом необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания. Это возможно, если сообщить ядрам большую кинетическую энергию. Это соответствует температуре порядка 107 К. По этой причине реакция управляемая синтеза пока не была осуществлена.

Ядерная энергетика  — это отрасль энергетики, занимающаяся получением и использованием ядерной энергии . Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

№40 Радиоактивность. Характеристики и виды радиоактивных превращений. Постоянная распада. Периоды полураспада. Нейтрино. Понятие о четности, не сохранение четности в бета-распадах. Источники элементарных часиц.

Радиоактивность— свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Радиоактивностью называют также свойство вещества, содержащего радиоактивные ядра. Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе. Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции. Радиоактивным распадом называется самопроизвольный процесс превращения ядер одного вещества в ядра другого вещества(уран, торий). Остальные элементы получают искусственным путем. Основным свойством радиоактивного распада является то, что это сугубо внутренний процесс, и повлиять на него внешними факторами невозможно. Процесс носит вероятностный характер. Основной характеристикой радиоактивного распада является λ - вероятность распада ядра за единицу времени. У каждого радиоактивного вещества эта величина своя.

,где – число не распавшихся ядер; – постоянная распада; – приращение распавшихся ядер; , , , , , , (*) – изменение числа не распавшихся ядер с течением времени; – изменение числа распавшихся ядер. Рассмотрим вспомогательную задачу: пусть первоначально имелось N₀ не распавшихся ядер. Через какое-то время произойдет распад половины этих ядер. Воспользуемся (*): , , , , , Т – период полураспада - время, за которое происходит полураспад данного вещества, величина постоянная. Воспользуемся законом радиоактивного распада: , .Активность радиоактивного вещества – характеризует способность к радиоактивному распаду данного количества радиоактивного вещества. ; – скорость изменения не распавшихся ядер. Знак «–» означает, что число не распавшихся ядер уменьшается. Скорость этого процесса будет отрицательная.

Альфа-распад:α-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу .К распаду относится процессы которые происходят по схеме: Пример: Особенности: α-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах начиная , энергия вылетающих частиц при распаде содержится в интервале от 4 до 9 МэВ.

Бета-распад. Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. β-распад — это проявление слабого взаимодействия. β-распад— это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино. β-распад является внутринуклонным процессом. при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино: . К β-распаду относятся процессы происходящие по следующей схеме: . Пример: . Существуют также другие типы бета-распада. В позитронном распаде (бета-плюс-распаде) ядро испускает позитрон и нейтрино. Позитронный распад всегда сопровождается конкурирующим процессом — электронным захватом (когда ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино, при этом заряд ядра также уменьшается на единицу). Однако обратное неверно: многие нуклиды, для которых позитронный распад запрещён, испытывают электронный захват. Все типы бета-распада сохраняют массовое число ядра.

Гамма-распад. γ-излучение представляют собой электромагнитные волны с очень маленькой длиной волны. γ-лучи завершают шкалу электромагнитных волн. Особенность γ-лучей – высокая проникающая способность, действия на фотопластинку. По своей физической природе излучение γ-лучей носит квантовый характер. Энергия ядра квантуется. Основной промежуток времени ядро находится в состоянии с наименьшим значением энергии. Если ядро по каким-либо причинам получает энергию извне, то переходит на наиболее высокий уровень. В таком возбужденном состоянии ядро находится с, затем переходит в состояние с меньшим значением энергии. Излишек энергии излучается в виде γ-кванта – каждое ядро имеет свой набор излучения γ-кванта. Излучение γ-кванта сопровождают процессы, связанные с взаимодействием ядра с другими частицами.

Закон сохранения четности. Согласно современным представлениям всякому фундаментальному закону можно поставить в соответствие преобразование системы отчета, не меняющее вида физического закона. При этом закону сохранения энергии соответствует перенос четырехмерной системы отсчета вдоль оси времени. На однородности пространства построено преобразование параллельного переноса вдоль пространственных осей. При таких преобразованиях виды физических законов также не меняются. С изотропностью пространства связан поворот вокруг начала отсчета и этому преобразованию соответствует закон сохранения момента импульса. В природе существует преобразование, которое носит название зеркальной симметрии. Это преобразование превращает правовинтовую систему в левую, а математически оно связано с изменением знака у координат. Такое преобразование называется инверсией. Этому преобразованию соответствует закон сохранения четности. Суть: Волновые функции квантовых частиц могут быть четными и могут быть нечетными. Принято полагать, если волновая функция у частицы четная, то эта частица обладает квантовым свойством четность, значение квантового числа «+1». Если волновая функция нечетная, то ей приписывается квантовое число «–1». Четность системы квантовых частиц определяется как произведение четности частиц системы. Такие представления были до 1956 года. В 1956 году группа американских физиков под руководством Ву провели следующий опыт: создавался круговой ток электронов. Этот ток задавал направление магнитного поля. В центре помещалось ядро кобальта. У кобальта самое большое значение спина. Спин ориентировался вдоль поля. Далее наблюдался процесс β-распада таких ядер. Обнаружили, что в направлении спина электронов излучается больше, чем в обратном направлении. Это отношение 4:3. из опыта вытекало, что слабые взаимодействия, которые определяют природу β-распада не обладают свойством зеркальной симметрии, но тогда получается, что для этих взаимодействий не выполняется закон сохранения четности.