- •Ярославский государственный университет
- •2. Геометрическая (лучевая) оптика
- •3. Законы отражения и преломления света
- •4. Явление полного внутреннего отражения
- •1. Линзы. Ход лучей и построение изображений
- •2. Аберрации (погрешности) линз
- •3. Устройство и ход лучей в микроскопе
- •1. Волновые явления. Принцип Гюйгенса
- •2. Интерференция света
- •3. Дифракция света на круглом отверстии. Зоны Френеля
- •4. Дифракция Фраунгофера от щели
- •5. Дифракционная решетка
- •6. Дисперсия света
- •7. Поглощение света
- •1. Поляризованный свет
- •2. Методы получения поляризованного света
- •3. Явление вращения плоскости поляризации
- •Квантовая оптика
- •1. Тепловое излучение
- •2. Формулы Рэлея-Джинса и Планка
- •1. Фотоэффект
- •2. Тормозное рентгеновское излучение
- •3. Опыт Боте. Фотоны. Давление света
- •4. Эффект Комптона
- •6. Фотолюминисценсия
- •Квантовая физика и физика атома
- •1. Модели атома
- •1.1. Закономерности атомных спектров
- •1.2. Модель атома Томсона
- •1.3. Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома
- •1.4. Постулаты Бора. Опыт Франка-Герца
- •Элементарная боровская теория атома водорода
- •1. Гипотеза де-Бройля. Волновые свойства вещества
- •2. Уравнение Шредингера
- •3. Квантово-механическое описание движения микрочастиц
- •4. Свойства волновой функции. Квантование
- •5. Частица в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме. Прохождение частиц через потенциальный барьер
- •6. Прохождение частицы через барьер
- •Квантово механическая теория атома водорода
- •Ядерная физики и физика элементарных частиц
- •1. Состав и характеристика атомного ядра
- •2. Масса и энергия связи ядра
- •3. Природа ядерных сил
- •4. Радиактивность
- •5. Ядерные реакции
- •Фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы
5. Ядерные реакции
Ядерной реакцией называется процесс интенсивного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояний порядка 10-13 см благодаря действию ядерных сил.
Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы а с ядром X, в результате которого образуется легкая частица b и ядро Y:
. (15)
Обычно реакции такого вида записываются сокращенно в виде:
Х(а, b)Y. (16)
В скобках указываются участвующие в реакции легкие частицы, сначала исходная, затем конечная.
В качестве частиц а и b могут фигурировать нейтрон (n) протон (p), ядро тяжелого водорода – дейтрон (d), -частица () и -фотон ().
Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии называется тепловым эффектом реакции. Он определяется разностью масс покоя (выраженных в энергетических единицах) исходных и конечных ядер. Если сумма масс образующихся ядер превосходит сумму масс исходных ядер, реакция идет с поглощением энергии и тепловой эффект ее будет отрицательным.
Реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап заключается в захвате приблизившейся к ядру X на достаточно малое расстояние (такое, чтобы могли вступить в действие ядерные силы) посторонней частицы а и в образовании промежуточного ядра П, называемого составным ядром или компаунд-ядром. Энергия, привнесенная частицей а (она слагается из кинетической энергии частицы и энергии ее связи с ядром), за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоянии.
На втором этапе составное ядро испускает частицу b. Символически такое двустадийное протекание реакции можно представить следующим образом:
. (17)
Может случиться, что испущенная частица тождественна с захваченной (a b). Тогда процесс называют рассеянием, причем в случае, если энергия частицы b равна энергии частицы а, рассеяние будет упругим, в противном случае – неупругим. Ядерная реакция имеет место, если частица b не тождественна с а.
Промежуток времени я, который требуется нуклону с энергией порядка 1 Мэв (что соответствует скорости нуклона ~109 см/сек) для того, чтобы пройти расстояние, равное диаметру ядра (~10-12 см), принимается в качестве естественной ядерной единицы времени. Эта единица имеет величину 10-21 сек. Среднее время жизни составного ядра (равное 10-12…10-14 сек) на много порядков превосходит ядерное время.
Лекция 12
Фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы
Как уже отмечалось ранее, при изучении механики, в природе существует четыре вида фундаментальных взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все элементарные частицы.
В слабом взаимодействии участвуют все частицы, кроме фотона.
Электромагнитное взаимодействие связывает только заряженные частицы и фотоны.
Сильное взаимодействие определяет связь между адронами.
Таблица 1. Основные характеристики фундаментальных взаимодействий
Взаимодействие |
Участвующие частицы |
Радиус действия, м |
Относительная интенсивность |
Время жизни, с |
Гравитационное |
Все |
|
1 (10-32) |
– |
Слабое |
Все, кроме фотона |
10-17 |
1032 (10-10) |
10-8 |
Электромагнитное |
Заряженные |
|
1036 (10-2) |
10-16 |
Сильное |
Адроны |
10-15 |
1038 (1) |
10-23 |
В таблице 1 условно представлены важнейшие элементарные частицы, принадлежащие к основным группам (адроны, лептоны, переносчики взаимодействия), и показаны типы
Фундаментальные взаимодействия принято изображать в виде диаграмм.
а) гравитационное, б) слабое, в) электромагнитное, г) сильное.
Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части, всего их открыто более 400.
У каждой элементарной частицы (а) есть античастица (а), имеющая равную массу покоя, спин, время жизни и противоположный заряд. При взаимодействии частицы и античастицы происходит их аннигиляция с образованием фотонов.
По величине спина все элементарные частицы делят на бозоны – частицы с целым спином: 0, h, 2h … и фермионы, спин которых полуцелый: ½h, 3½h … . На фермионы распространяется принцип Паули: в одном энергетическом состоянии могут находиться не более двух фермионов с противоположными спинами.
По видам взаимодействия элементарных частиц в фундаментальных взаимодействиях все элементарные частицы принято условно делить на 4 класса. К одному из них относится только одна частица – фотон. Второй класс образуют лептоны (легкий), третий барионы и четвертый – мезоны (средний). Барионы и мезоны часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц называемых адронами (крупный, массивный).
Деление по массе условно, так как в настоящее время обнаружены лептоны по массе превосходящие адроны.
1. Фотоны или кванты электромагнитного поля участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействием.
2. К лептонам относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны (е-, е+), мюоны (-, +), электронные и мюонные нейтрино. Все лептоны имею спин, равный ½, и, следовательно являются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют заряд (электроны и мюоны) обладают электромагнитным взаимодействием. Для выделения класса вводится квантовое число – лептонный заряд L. Справедлив закон сохранения лептонного заряда: сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется.
3. Барионы объединяют в себе нуклоны (p, n) и нестабильные частицы гипероны с массой больше нуклонов (, +, 0, -, 0, -, -). Все они участвуют в сильном взаимодействии. Спин барионов равен ½, следовательно они являются фермионами. При распаде барионов всегда образуется барион, поэтому говорят о законе сохранения барионного заряда.
4. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не обладающие барионным зарядом. К ним относятся -мезоны или пионы (+, 0, -), К-мезоны или каоны и -мезон. Мезоны могут участвовать в сильных, слабых и электромагнитных (если заряжены) взаимодействиях. Спин мезонов равен нулю, следовательно они являются бозонами.
В целом, тот факт, что адроны имеют большие массы по сравнению с лептонами, позволил предположить, что они являются составными. В частности состав нейтрона и протона был представлен в виде двух кварков: u и d. Заряды этих кварков дробные: qu = +(2/3)е, qd = –(1/3)е. Спин обоих кварков равен ½. В этом случае кварковый состав протона можно представить как uud, а нейтрона udd. Нейтрон немного тяжелее протона, следовательно d-кварк немного тяжелее u-кварка.
Барионный заряд кварков принят равным 1/3.