Билет №5 Ядерные силы. Дефект массы. Энергия связи атомных ядер.

Ядерные силы - силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре. Ядерные силы действуют только на расстояниях не более 10-13 см и достигают величины, в 100-1000 раз превышающей силу взаимодействия электрических зарядов. Ядерные силы не зависят от заряда нуклонов. Они обусловлены сильным взаимодействием. ; Ядерные силы относятся к так называемым сильным взаимодействиям и существенно отличаются по своим свойствам от электромагнитных и гравитационных. В полной мере природа ядерных сил до настоящего времени не выяснена. Даже для простейшей системы из двух нуклонов неизвестна зависимость ядерных сил от расстояния между нуклонами. Короткодействие ядерных сил и свойство насыщения, многообразие свойств ядерных сил не позволяют создать законченную теорию, подобную квантовой электродинамики для расчета свойств атомов.

Свойства ядерных сил:

1.Огромная энергия связи нуклонов в ядре свидетельствует о том, что между нуклонами действуют силы притяжения, что подтверждается существованием стабильных ядер. Эти силы самые интенсивные в природе.

2.Уже первые опыты Резерфорда показали, что ядерные силы – короткодействующие. Это свойство ядерных сил подтверждается многочисленными данными по измерению размеров атомных ядер.

3. На расстояниях, где между протонами действуют ядерные силы притяжения, они превосходят кулоновские силы отталкивания приблизительно в 100 раз, действие которых на этих расстояниях также очень велико. Короткодействие ядерных сил приводит к резкому разграничению областей, где действуют только дальнодействующие кулоновские силы, или только ядерные, которые подавляют кулоновские силы на малых расстояниях.

Нуклоны в атомном ядре связаны между собой ядерными силами; поэтому чтобы разделить ядро на составляющие его отдельные протоны и нейтроны, необходимо затратить большую энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра.

Такая же по величине энергия освобождается, если свободные протоны и нейтроны соединяются и образуют ядро. Следовательно, согласно специальной теории относительности Эйнштейна масса атомного ядра должна быть меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, из которых оно образовалось. Эта разность масс m, соответствующая энергии связи ядра Е_св, определяется соотношением Эйнштейна:

Энергия связи атомных ядер настолько велика, что эта разность масс вполне доступна непосредственному измерению. С помощью масс-спектрографов такая разность масс действительно обнаружена для всех атомных ядер.

Разность между суммой масс покоя свободных протонов и нейтронов, из которых образовано ядро, и массой ядра называется дефектом массы ядра.

Билет №6 Элементарные частицы. Частицы и античастицы. Взаимное превращение вещества и поля.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ- общее название мельчайших частиц материи на следующем (после ядер) уровне строения материи (субъядерные частицы). К элементарным частицам относятся протон (p), нейтрон (n), электрон (e), фотон (g), нейтрино (n) и др. и их античастицы.

Некоторые частицы нейтральны, другие обладают положительным или отрицательным электрическим зарядом, равным по величине заряду электрона. Заряд входит в обозначение всех заряженных частиц, кроме протона. Почти все элементарные частицы нестабильны. В свободном состоянии стабильны только протон, электрон и частицы, не имеющие массы покоя (фотон и нейтрино). Остальные-частицы самопроизвольно распадаются и все, кроме нейтрона, имеют очень непродолжительное среднее время жизни.

Элементарные частицы делятся на четыре класса:

1) ф о т о н ы (Y-кванты); фотоны не имеют массы покоя и заряда; спин равен 1; 2) лептоны — легкие частицы; у лептонов спин равен 1/2; 3) мезоны — промежуточные частицы; спин мезонов равен 0; 4) барионы — тяжелые частицы; самый легкий барион -протон; у всех барионов, кроме -частицы, спин равен 1/2.

Частицы различных классов отличаются не только массой и значением спина. Так, фотоны и лептоны не участвуют в ядерных взаимодействиях, а мезоны и барионы участвуют. У лептонов и барионов внутри класса действуют законы сохранения числа частиц. Когда, например, исчезает один барион, вместо него появляется другой. Закон сохранения числа барионов делает протон стабильным: он самый легкий барион и поэтому не может самопроизвольно распадаться с образованием другого бариона. Законы сохранения числа барионов и числа лептонов многократно проверены на опыте. У класса мезонов и фотонов закон сохранения не выполняется; и они могут возникать и исчезать в любом количестве.

Из релятивистской квантовой теории следует, что для каждой частицы должна существовать античастица, т. е. сходная с ней частица, с такой же массой, спином, временем жизни, но отличающаяся от нее знаком заряда, взаимным расположением вектора магнитного момента и спина и некоторыми другими характеристиками.

Электромагнитное излучение, частицы которого (фотоны) не имеют массы покоя, может превращаться в частицы вещества и обратно. Материя существует в виде вещества и поля и эти два вида материи могут превращаться друг в друга. Это превращение может происходить с участием кинетической энергии. Например, протон может приобрести энергию в электрическом поле ускорителя, а затем при его столкновении с другим протоном за счет кинетической энергии могут образоваться новые частицы.