11. Цепные ядерные реакции.

Схематическое изображение цепной ядерной реакция деления

    Цепные ядерные реакции – самоподдерживающиеся ядерные реакции, в которые последовательно вовлекается цепочка ядер. Это происходит тогда, когда один из продуктов ядерной реакции вступает в реакцию с другим ядром, продукт второй реакции реагирует со следующим ядром и т.д. Возникает цепочка следующих друг за другом ядерных реакций. Наиболее известным примером такой реакции является ядерная реакция деления, вызываемая нейтроном. Продуктами деления являются два более лёгких ядра (осколка деления) и нейтроны (обычно 2-3 нейтрона). Эти образовавшиеся нейтроны могут вызвать деление других ядер с появлением новых нейтронов, также способных осуществить деление, и так далее.
    Таким образом, каждый цикл ядерной реакции создаёт условия для следующего цикла, и реакция может стать самоподдерживающейся. Если количество ядер, вовлекаемых в следующий цикл, больше предыдущего, то количество ядер, участвующих в реакции увеличивается лавинообразно. В реакции деления это отвечает ядерному взрыву. Если количество ядер, участвующих в цепной реакции, удаётся поддерживать на одном уровне, то говорят об управляемой цепной ядерной реакции.
    Теория цепной ядерной реакции создана в 1938 г. Я.Б. Зельдовичем и Ю.Б. Харитоном.

12.Термоядерные реакции.

Термоядерные реакции - реакции слияния (синтеза) лёгких ядер, протекающие при высоких температурах. Эти реакции обычно идут с выделением энергии, поскольку в образовавшемся в результате слияния более тяжёлом ядре нуклоны связаны сильнее, т.е. имеют, в среднем, бoльшую энергию связи, чем в исходных сливающихся ядрах. Избыточная суммарная энергия связи нуклонов при этом освобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции. Название “термоядерные реакции” отражает тот факт, что эти реакции идут при высоких температурах (>10⁷–10⁸ К), поскольку для слияния лёгкие ядра должны сблизиться до расстояний, равных радиусу действия ядерных сил притяжения, т.е. до расстояний 10^-13 см. А вне зоны действия этих сил положительно заряженные ядра испытывают кулоновское отталкивание. Преодолеть это отталкивание могут лишь ядра, летящие навстречу друг другу с большими скоростями, т.е. входящие в состав сильно нагретых сред, либо специально ускоренные.     Наиболее простой термоядерной реакцией является реакция синтеза ядра дейтерия (²Н) из двух протонов:

р + р 2Н + позитрон + нейтрино,

(1)

сопровождающаяся выделением энергии 0.42 МэВ. Однако её вероятность очень мала, поскольку она идёт не за счёт ядерных сил, а за счёт сил другой природы - так называемых слабых сил.     Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии. Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности 100 г/см³ и температуре 10⁷ К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 (⁴Не). При каждом таком превращении выделяется энергия 26,7 МэВ. Эта цепочка реакций (называемая протон-протонной) начинается с реакции (1) и приведена на рисунке.

Протон-протонная цепочка.

    На Земле самоподдерживающиеся термоядерные реакции с выделением огромной энергии осуществлялись в течение очень короткого времени (10^-7–10^-6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной из основных термоядерных реакций, обеспечивающих энерговыделение при таких взрывах, является реакция слияния двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:

²Н + ³Н ⁴Не + n.

При этом освобождается энергия 17.6 МэВ.     В настоящее время ведутся работы по созданию термоядерного реактора, где ядерную энергию в промышленных масштабах предполагается получать за счёт управляемого термоядерного синтеза

13. элементарные частицы и их свойства. Систематика элементарных частиц.

Лучше у кого нить в конспекте почитать

В своем развитии систематика элементарных частиц прошла несколько этапов. До недавнего времени при классификации учитывались следующие их характеристики:

Бозоны и фермионы. Все частицы (включая и неэлементарные и так называемые квазичастицы) подразделяют на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с нулевым или целочисленным спином (фотон, мезоны и др.). Фермионы же – это частицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон и др.).

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

Переносчики взаимодействия. Это особая группа элементарных частиц, в которую входят фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия), родственные им W- и Z- бозоны (переносчики слабого взаимодействия), так называемые глюоны (переносчики сильного взаимодействия) и гипотетические гравитоны.

Все остальные частицы подразделяют по характеру взаимодействий, в которых они участвуют, на лептоны и адроны.

Лептоны. Это частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин ½. К ним относятся электроны, мюоны, таоны и соответствующие им нейтрино. Лептоны принимают участие в слабых взаимодействиях. За исключением нейтрино, лептоны участвуют и в электромагнитных взаимодействиях.

Все лептоны можно отнести к истинно элементарным частицам, поскольку у них, в отличие от адронов, не обнаружена внутренняя структура.

Адроны. Так называют элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Как правило, они участвуют и в электромагнитном, и в слабом взаимодействиях. Эти частицы образуют самую многочисленную группу частиц (свыше 400).

Адроны подразделяют на мезоны и барионы.

Мезоны – это адроны с нулевым или целочисленным спином (т.е. бозоны). К ним относятся π-, Κ- и η- мезоны, а так же множество мезонных

3

резонансов, т.е. мезонов с временем жизни ~ 10^-23 с.

Барионы – это адроны с полуцелым спином (т.е. фермионы) и массами, не меньшими массы протона. К ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и множество барионных резонансов. За исключением протона, все барионы нестабильны. Нестабильные барионы с массами, большими массы протона, и большим временем жизни (сравнительно с ядерным ~ 10^-23 с) называют гиперонами. Это гипероны Λ, Σ, Ξ и Ω. Все гипероны имеют спин ½, за исключением Ω, спин которого 3/2. За время τ ~ 10^-10 ÷ 10^-19 с они распадаются на нуклоны и легкие частицы (π-мезоны, электроны, нейтрино, γ- кванты).

Сведем для наглядности основную систематику элементарных частиц в табл. 1.

Таблица 1

Фотоны	Лептоны	Адроны
		Мезоны	Барионы
			Нуклоны	Гипероны
γ	е, μ, τ, ν	π, Κ, η и резонансы	р, п	Λ, Σ, Ξ, Ω и резонансы

Пояснения к некоторым характеристикам частиц в этой таблице будут даны в дальнейшем по мере надобности.

В соответствии с современной трактовкой все многообразие (около 500) частиц сводится (если не учитывать античастицы) к 12 фермионам – 6 кваркам и 6 лептонам, которые, участвуя в различных взаимодействиях (исключая гравитационное), обмениваются четырьмя бозонами (фотоном γ, глюоном g, бозонами W и Z). Эти 12 вышеупомянутых фермионов, имеющих спин ½, естественным образом делятся на три группы, которые принято называть поколениями. В каждом из поколений 2 кварка и 2 лептона (табл. 2).

Таблица 2

Поколения			1	2		3		Заряд Q
Кварки	верхние нижние	u d		c s	t b		+2/3е -1/3е
Лептоны	нейтрино заряженные	νе е		νμ μ	ντ τ		0 -1е

Кварки и лептоны (их размер < 10^-16 см) на современном уровне знаний точечны (бесструктурны), т.е. не состоят из более элементарных объектов. Их называют фундаментальными фермионами, и из них состоят все более крупные объекты – адроны, ядра, атомы, молекулы и т.д.

Четыре вышеупомянутых бозона (γ, g, W и Z) имеют спин 1 и являются квантами трех фундаментальных полей – электромагнитного, сильного и

4

слабого. Эти частицы называются фундаментальными, или калибровочными бозонами (лагранжиан соответствующих им фундаментальных взаимодействий инвариантен относительно калибровочных преобразований; для описания таких взаимодействий используют калибровочные теории).

Таким образом, наш мир можно свести к фундаментальным фермионам, взаимодействующим посредством обмена фундаментальными бозонами.

Названия (обозначения) кварков происходят от английских слов: u (up), d (down), c (charm), s (strangeness), b (bottom, а так же beauty), t (top, а также truth).

Кварки участвуют во всех видах взаимодействий. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях.

Все протяженные (≈ 10^-13 см) сильновзаимодействующие частицы (включая резонансы), называются адронами и состоят из кварков. Есть два типа адронов:

барионы – состоят из трех кварков (q_i, q_j, q_k), не обязательно разных, имеют барионное квантовое число (заряд) В = 1 и полуцелый спин, т.е. являются фермионами;

мезоны – состоят из кварка и антикварка (q_i, ), имеют барионный заряд В =0 и целый спин, т.е. являются бозонами.

Так, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (p = uud), нейтрон из двух d-кварков и одного u-кварка (n = udd). Протон и нейтрон – барионы. Кварковая структура ⁺ и ^- - мезонов следующая: ⁺ = u , ^- = d (черта сверху обозначает античастицу).

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, фотон, кварки и т. д) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы — протон, нейтрон и т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно.

Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.

Всеми вышеперечисленными типами частиц фундаментальные фермионы и бозоны, андроны (барионы+мезоны) и их античастицами исчерпываются известные элементарные частицы. Полное число частиц меняется, так как открываются новые частицы. Все элементарные частицы делятся на два класса:

• фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

• бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны).

По видам взаимодействий

Элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы

• адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

  • мезоны (адроны с целым спином, то есть бозоны);

  • барионы (адроны с полуцелым спином, то есть фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

Составные частицы
Адроны	Барионы (список): Нуклоны (Протон • Нейтрон) • Антинуклоны (Антипротон • Антинейтрон) • Гипероны • Экзотические барионы • Пентакварки Мезоны (список): Пионы • Каоны • Кварконий • Экзотические мезоны
Разное	Атомные ядра • Атомы (Периодическая система элементов) • Молекулы

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

• лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10⁻¹⁸ м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

• кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

• калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

  • фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

  • восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;

  • три промежуточных векторных бозона W⁺, W⁻ и Z⁰, переносящие слабое взаимодействие;

  • гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.

Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

История

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, то есть не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.

Таким образом, физики продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) применяется термин «фундаментальные частицы».