Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / ОНУЧИН_ЭМЯФ

§ 5.3. КВАРКИ. АДРОНЫ

Существует шесть кварков, их обозначения, электрический заряд и приблизительная масса приведены в табл. 5.3. Перечислим основные свойства кварков.

1.Заряд у кварков дробный и равен +23 либо −13 .

2.Сильное взаимодействие кварков осуществляется посредством обмена глюонами, всего существует восемь глюонов. Их спин равен 1.

3.Сила притяжения кварков увеличивается с ростом расстояния между ними. Это свойство сильного взаимодействия объясняет ненаблюдение кварков в свободном состоянии и называется конфайнментом (удержанием) кварков. Когда при больших расстояниях между двумя кварками энергия их взаимодействия становится достаточно большой, рождается кварк-антикварковая пара, что приводит к образованию новых связанных кварковых состояний.

Т а б л и ц а 5.3

Кварки

Приведем примеры адронов и их кварковый состав. Мезоны — это частицы, состоящие из кварка и антикварка:

+ ~ — без странности;

=

+ = ~ — со странностью.

Спин у мезонов целый. Схема распада -мезона показана на рис. 5.3. Барионы — это частицы, которые состоят из трех

кварков:

= ;

= .

Рис. 5.3. Распад -мезона

Спин барионов полуцелый.

§ 5.5. -МЕЗОН. ЯДЕРНЫЙ ПРОБЕГ

В целом картина взаимодействия -мезонов с протонами похожа на протонпротонные взаимодействия. Примеры реакций:

адронов — область плато на рис. 5.4 и 5.6, где сечение практически постоянно. Для разных материалов я составляет 50 − 100 смг2 [2].

§ 5.6. НЕЙТРОН

Нейтрон — это наиболее яркий представитель адронов. Поскольку у него нет электрического заряда, то он даже при малых энергиях может подойти к ядру на малое расстояние, где вступают в игру сильные взаимодействия. С этим свойством нейтрона связана целая эпоха в истории человечества — эпоха ядерных бомб и атомных электростанций.

5.6.1. Основные свойства нейтрона

Нейтрон был открыт в 1932 году английским физиком Дж. Чедвиком. Масса нейтрона равна 939.6 МэВ/ 2, что примерно на 2.5 больше, чем масса протона. Нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино посредством слабого взаимодействия:

−→ + − + ~ .

Период полураспада 1/2 ≈ 10 мин. Отношение магнитного момента протона к магнитному моменту нейтрона составляет 1.46. В лабораторных условиях нейтроны получают в радий-бериллиевом источнике — -частицы от распада радия падают на бериллиевую пластинку:

42 + 84Be −→ + 116 C .

В этой реакции поток нейтронов составляет 3 · 107 с−1 на 1 г радия. Она является весьма удобной для изучения свойств нейтронов.

5.6.2. Классификация нейтронов

Классификация нейтронов производится по их кинетической энергии, которая связана с температурой соотношением

= ,

где постоянная Больцмана ≈ 10−4 эВK . Выделяют следующие классы нейтронов:

1)тепловые нейтроны. При обычной температуре = 20 C ≈ 300 K энергия нейтрона = 0.03 эВ;

2)холодные нейтроны. Это нейтроны с энергией < 0.03 эВ;

3)медленные нейтроны. Энергия таких нейтронов 0.3 эВ < < 1 МэВ;

4)быстрые нейтроны. В этом случае > 1 МэВ.

5.6.3. Реакции с нейтронами

Реакции захвата (радиационный захват)

+ ( , ) −→ ( + 1, )* −→ ( + 1, ) + .

Часто такая реакция нежелательна, так как приводит к ослаблению потока нейтронов. Иногда это может принести пользу, например, если необходимо понизить мощность атомного реактора, то в активную зону вводят специальные стержни из материала с высоким сечением поглощения нейтронов, в результате чего мощность реактора падает.

Образование заряженных частиц

Эта реакция имеет прямое отношение к нашему курсу, поскольку позволяет детектировать нейтроны:

+ 63Li −→ 42 + 31H , = 4.5 МэВ .

Образуются две сильно ионизирующие частицы. Сечение этой реакции зависит

Эта реакция очень удобна для регистрации нейтронов, особенно тепловых, для которых ≈ 900 барн.

Сечение здесь также обратно пропорционально скорости нейтрона. Для тепловых нейтронов ≈ 4000 барн. Это рекордно высокое значение сечения.

Рассмотренные реакции выделяются на фоне других процессов с точки зрения плотности ионизации продуктов реакции и большого энерговыделения.

ния 23592 U идет на нейтронах любых энер-

гий. Сечение реакции зависит от скорости как (5.9) и для тепловых нейтронов составляет 600 барн. Среднее число нейтронов, образуемых при делении ядра, составляет 2.5. В случае изотопа 23892 U ядерное деление начинается при энергии нейтрона > 1 МэВ. На рис. 5.7 показана зависимость сечения реакции деления 23892 U от энергии нейтрона.

Неупругое рассеяние

+ ( , ) −→ + ( 1, 1) + ( 2, 2) .

+ −→ + .

Поскольку протон и нейтрон имеют равные массы, то происходит рассеяние, подобное упругому столкновению двух шариков (рис. 5.8). Этот процесс очень

Рис. 5.9. Спектр энергии протонов в Рис. 5.10. Сечение упругого рассеяния нейтрона реакции упругого рассеяния нейтрона на протоне [4] на протоне

удобен для регистрации нейтрона и для определения его энергии. Спектр энергии протонов отдачи показан на рис. 5.9. По краю спектра определяется энергия нейтронов. Зависимость сечения от энергии нейтрона приведена на рис. 5.10. В очень широком диапазоне энергий сечение постоянно.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Tau mass measurement at KEDR / A. G. Shamov [et al.] // Nucl. Phys. Proc. Suppl. — 2008. — Vol. 181–182. — P. 311–313.

2. Review of particle physics / C. Amsler [et al.] // Phys. Lett. — 2008. — Vol. B667. — 1340 p.

3.Мухин К. Н. Физика атомного ядра. Т. 1. / К. Н. Мухин // Экспериментальная ядерная физика. В 3 т. — 3-е изд. — М. : Атомиздат, 1974. — 584 с.

4.Фрауэнфелдер Г. Адронные взаимодействия / Г. Фрауэнфелдер, Э. Хенли // Субатомная физика : пер. с англ. / под ред. В. В. Толмачева — М. : Мир, 1979. — С. 419–462.

ЧАСТЬ II

ПРИБОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ