2. Радиоактивные вещества и радиохимические процессы

1.1. Элементарные частицы

Элементарными частицами называются мельчайшие составные части материи, которые на современном уровне знаний не могут быть разложены на более мелкие [1].

К общим свойствам элементарных частиц, качественно отличающим их от сложных частиц или от макроскопических тел, относятся:

1. Основные характеристики (заряд, масса покоя, механический момент (спин) и магнитный момент) и дополнительные (время жизни и тип распада для нестабильных элементарных частиц).

2. Существование двойников - частица и античастица, имеющие одинаковые значения массы, спина и других характеристик, но отличаются знаком электрического заряда (электрон-позитрон, протон- антипротон).

3. Способность аннигилировать - одновременно исчезать при столкновениях с превращением всей их энергии покоя в энергию других частиц или фотонов. Например, при столкновении электрона с позитроном обе частицы исчезают и появляются два фотона, которые обычно разлетаются в разных направлениях,

eˉ + e+ =2 γ

1.1.

Элементарные частицы делят на три группы в зависимости от массы покоя (таблица 1.1). Масса покоя легчайшей частицы - электрона, эквивалентна энергии 0,52 МэВ. Ее массу принимают за единицу измерения массы покоя других частиц. Массы покоя всех известных в настоящее время частиц лежат в интервале от 0 до 2600 m_e (1330 МэВ). Масса покоя наиболее тяжелых частиц превышает 2·10³ МэВ.

Масса электрона m_e = 5,48·10^-4а.е.м(0,52 МэВ). Атомная единица массы (1 а.е.м.) равна 112 массы изотопа углерода¹² и составляет [(1,660350,0003)10^-24г].

1. До сих пор нет сведений о существование внутренней структуры у лептонов. Все лептоны кроме мюонов абсолютно устойчивы. Самыми тяжелыми лептонами являются мюоны. Мюоны распадаются со средним временем жизни около 2·10ֿ⁶ с на другие лептоны (электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино).

μˉ → eˉ + ν̃е + νμ,	1.2.
μ+ → e+ + νе + ν̃μ,	1.3.

где ν_е и ν_μ – электронное и мюонное нейтрино, а ν̃_е и ν̃_μ – электронное и мюонное антинейтрино.

Таблица 1.1.

Элементарные частицы

Груп-па	Элементарные частицы		Обозна- чение	Заряд	Масса покоя (МэВ)	Распад	Среднее время жизни, с
Лептоны	Фотоны		γ	0	0	–	∞
	Нейтрино		ν	0	<2·10-4	–	∞
	Антинейтрино		ν̃	0	0	–	∞
	Электрон	негатрон	eˉ, ˉ	e–	0,511	–	∞
		позитрон	e+, +	e+		–	∞
	Мюоны		μ+	e+	105,7	e++ ν + ν̃	2,20·10-6
			μˉ	e+		eˉ+ ν + ν̃
Мезоны	Пионы		π+	e+	139,6	μ++ ν	2,55·10-8
			πˉ	e–		μˉ+ ν̃
			π0	0	135,0	2γ	1,1·10-16
	К- частица, Каоны		К+	е+	493,8	μ++ ν, π+ π0, π+ π+ πˉ	1.24·10-8
			К-	е-
				0	497,8	π+ πˉ π0 π0	0,89·10-10
				0		π± e± eπ± ± , π+ πˉ π0	5.2·10-8
Барионы	Нуклоны	Протон	р+	e+	938,25	–	∞
		Антипротон	рˉ	e–
		Нейтрон	n	0	939,55	р++eˉ+ ν̃	1,013·103
		Антинейтрон	ֿn	0		рˉ+ e++ ν
	Гипероны	Лямда-частица	Λ0	0	1115,4	р++ πˉ(65%) n+ π0(35%)	2,4·10-10
		Сигма-частица	Σ+	+e	1189,2	р++ π0(~50%) n+ π+ (~50%)	0,77·10-10
			Σ0	0	1192,4	Λ0+ ν	<10-11
			Σ ˉ	e+	1197,3	n+ πˉ	1,61·10-10
		Кси-частица	Ξ ˉ	e–	1321,0	Λ0+ πˉ	1,7·10-10
			Ξ0	0	1314,7	Λ0+ π0	2,7·10-10
		Омега-частица	Ωˉ	e–	1675	Ξ+ π Λ+Кчаст.	1,3·10-10

Электронные и мюонные нейтрино, не имея массы покоя и не взаимодействуя электрическими и ядерными силами с другими частицами, обладают исключительной проникающей способностью.

При энергии выше 1,8 МэВ антинейтрино попав на протон, может вызвать реакцию обратную β-распаду

ν̃е+ p+ →n + e+

1.4.

Образовавшиеся позитроны аннигилируют с электронами с образованием двух гамма-квантов.

2. Мезоны - частицы с массой покоя m_e<m<1000∙m_e. Они взаимодействуют между собой и нуклонами частицы. Мезоны рождаются при столкновении нуклонов или при распаде «возбужденных» состояний нуклонов.

3. Барионы (адроны) обладают массой покоя m >1000∙m_e. Различают нуклоны с массой покоя m≈1836-1839 m_e и гипероны m > 2000∙m_e.

Нуклоны (т.е. ядерные частицы nucleus) протон и нейтрон основные составляющие ядра. Стабильная частица протон представляет собой ядро атома водорода и не изменяет своих свойств во времени. Нейтрон - вне ядра не стабилен и самопроизвольно

n = p+ + e- +

1.5.

превращается в протон, электрон и антинейтрино с периодом полураспада 750 с. В ядре нейтроны устойчивы.

Элементарные частицы способны к взаимным превращениям. Они подвержены фундаментальным взаимодействиям: электромагнитное сильное и слабое гравитационное. Самым интенсивным и наиболее симметричным является сильное взаимодействие. Проявляется на расстояниях меньше или равном 10^-15 м. Оно лежит в основе ядерных сил, действующих между частицами, входящими в состав атомных ядер,– протонами и нейтронами.

Электромагнитному взаимодействию подвержены все заряженные частицы и фотоны [3].

Предполагается существование бесструктурных частиц - кварков, из которых возможно, состоят все известные элементарные частицы.