4.5 Состав ядер атомов. Радиоактивность ядер. Реакции деления и синтез ядер.

Состав ядер атомов.

Физики Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели, ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Общее название протонов и нейтронов — нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу.

Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изотопов отличаются числом нейтронов. Например, водород имеет три изотопа: протии — ядро состоит из одного протона, дейтерий — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.

Радиоактивность ядер.

Лишь небольшая часть нуклидов являются стабильными. В большинстве случаев ядерные силы оказываются неспособны обеспечить их постоянную целостность, и ядра рано или поздно распадаются. Это явление получило название радиоактивности. Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82. α-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома ⁴He). β-распад (точнее, бета-минус-распад, -распад) — это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино. β-распад является внутринуклонным процессом. Он происходит вследствие превращения одного из d-кварков в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.

Реакции деления и синтез ядер.

Деление представляет собой распад (расщепление) атомного ядра на две приближённо равные части (осколки), сопровождающийся выделением энергии и, в отд. случаях, испусканием одной или нескольких частиц, например, нейтронов. Некоторые тяжелые ядра могут делиться самопроизвольно (спонтанно), более легкие - в случае соударения с другими ядрами, обладающими большой энергией. Кроме того, тяжелые ядра, например, атомов урана, способны делиться под воздействием бомбардировки нейтронами, а поскольку при этом испускаются новые нейтроны, процесс может стать самоподдерживающимся, т.е. возникает цепная реакция. В ходе такой реакции деления происходит высвобождение большого количества энергии. Синтезом называется слияние ядер двух легких атомов с образованием нового ядра, соответствующего более тяжелому атому. Если это новое ядро стабильно, то при синтезе выделяется энергия, поскольку связи в нем оказываются более прочными, чем в исходных ядрах. От химических реакций ядерный синтез отличается участием в нем не только электронов атомов, но и их ядер. энергии, чем в реакциях деления. Синтез ядер идет в центр, области Солнца и других звезд, являясь источником их энергии.

4.6 Элементарные и фундаментальные частицы. Обменный механизм взаимодействия.

Элементарная частица — 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. Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц. Все элементарные частицы делятся на два класса:

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

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

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 являющиеся бозонами; барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон. 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.

Фундаментальная частица — бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. В настоящее время термин применяется преимущественно для лептонов и кварков (по 6 частиц каждого рода, вместе с античастицами, составляют набор из 24 фундаментальных частиц) в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Обменный механизм взаимодействия.

4.7 Молекулярно-кинетические представления о строении вещества в различных агрегатных состояниях. Статический метод описания состояния и поведения системы многих частиц. Функция распределения частиц по состояниям. Молекулярно-кинетическая теория строения вещества дает стройное объяснение существованию трех агрегатных состояний - твердого, жидкого и газообразного, а также перехода вещества из одного состояния в другое, основываясь на различных силах притяжения и отталкивания, действующих между молекулами. Основное положение молекулярно-кинетической теории строения вещества, вытекающее из опытных фактов, заключается в том, что атомы и молекулы, из которых состоят все макроскопические тела, находятся в состоянии непрерывного хаотического теплового движения. Статический метод описания систем большого числа частиц основан на большом многообразии законов природы, которые не проявляют себя при анализе поведения нескольких частиц (если частицы не являются квантовыми!), однако великолепно (с большой точностью!) работают, если число частиц велико. Для квантовых частиц статистический метод необходимо применять даже для изучения небольшого количества частиц. Статистический метод рассматривает параметры движения частиц(например, координата, направление и модуль скорости частицы) как случайные величины, оперирует с усредненными характеристиками системы частиц, с функциями распределения, с вероятностями обнаружения частицы в том или ином состоянии.

Функция распределения частиц по состояниям. Основное понятие статистической физики; характеризует плотность вероятности распределения частиц статистической системы по фазовому пространству (т. е. по координатам (q_i и импульсам p_i) в классической статистической физике или вероятность распределения по квантовомеханическим состояниям в квантовой статистике.

В классической статистической физике Ф. р. f (p, q, t) определяет вероятность dω = f (p, q, t) dp dq обнаружить систему из N частиц в момент времени t в элементе фазового объёма dpdq = dp₁dq₁... dp_N ×dq_N вблизи точки p₁, q₁,..., p_N, q_n. Учитывая, что перестановка тождественных (одинаковых) частиц не меняет состояния, следует уменьшить фазовый объём в N! раз; кроме того, удобно перейти к безразмерному элементу (Базового объёма, заменив dpdq на dpdq/N! h^3N, где Планка постоянная h определяет минимальный размер ячейки в фазовом пространстве.