Ядерная физика и физика элементарных частиц. Часть 1. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский педагогический государственный университет»

М. А. МИХАЙЛОВ

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА И ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

В 2-х частях

Учебное пособие

Часть первая Физика атомного ядра

МПГУ

Москва – 2011

ЧАСТЬ 1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

1.ВВЕДЕНИЕ В ЯДЕРНУЮ ФИЗИКУ

ИФИЗИКУ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

1.1. Фундаментальные взаимодействия

Все силы и взаимодействия между материальными объектами в природе сводятся к проявлению четырех типов фундаментальных взаимодействий: сильного (ядерного), электромагнитного, слабого и гравитационного. Эти взаимодействия обеспечивают существование окружающего нас мира и существование различных частиц вещества: молекул, атомов, атомных ядер, элементарных частиц.

Сильное взаимодействие обеспечивает существование атомных ядер. Примерами проявления электромагнитного взаимодействия служат кулоновские силы взаимодействия электрических зарядов, магнитные силы взаимодействия электрических токов. Слабое взаимодействие проявляет себя при β-распадах радиоактивных ядер и элементарных частиц. Примером проявления гравитационного взаимодействия служит сила тяжести.

Фундаментальные взаимодействия характеризуются своим радиусом действия, то есть размером той области, в которой они проявляются заметным образом, и своей интенсивностью, что определяет их поведение на различных уровнях строения материи – мега-, макро- и микромир.

Сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими. Их силы сравнительно быстро убывают с расстоянием. Сильное взаимодействие проявляет себя значи-

5

тельным образом на расстояниях до 10–15 м – размер порядка радиуса атомных ядер. Слабое взаимодействие имеет еще меньший радиус действия – порядка 10–18 м. Таким образом, данные взаимодействия проявляют себя лишь в микромире. Силы электромагнитного и гравитационного взаимодействий сравнительно медленно убывают с расстоянием (как 1/r2). Они являются дальнодействующими и, в принципе, могут проявлять себя на всех структурных уровнях материи.

Сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий и их основные проявления приведены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики фундаментальных взаимодействий

В атомной физике можно учитывать лишь электромагнитное взаимодействие (гравитационное взаимодействие обладает сравнительно малой интенсивностью и поэтому им можно пренебречь; гравитационные заряды – массы частиц – малы). Сильное и слабое взаимодействия проявляют себя заметным образом только на расстояниях много меньших размеров атома и в атомной физике ими можно пренебречь.

Протоны и нейтроны в ядрах атомов связаны между собой силами сильного и электромагнитного взаимодействий, превращения ядер и элементарных частиц могут быть обусловлены слабым взаимодействием (бета-распад). Поэтому в ядерной физике и физике элементарных частиц необходимо учитывать три типа фундаментальных взаимодействий (гравитационное взаимодействие в силу его малости, как правило, не учитывается).

Кэтому следует добавить, что теория атомного ядра

иэлементарных частиц изначально должна строиться на основе квантовой теории. Следует заметить, что она, в общем

6

случае, должна базироваться и на релятивистской теории, разработанной А. Эйнштейном.

Таким образом, теория ядерной физики и элементарных частиц, в общем случае, должна быть релятивистской квантовой теорией.

Физические системы и физические теории в зависимости от числа частиц, входящих в систему, можно разделить на два класса: динамические (малое число частиц) и статистические (большое число частиц). Теория атомного ядра занимает между ними промежуточное положение. Число час-тиц в ядрах, как правило, достаточно велико, чтобы к ним оказался неприменим динамический подход, и недостаточно для использования статистических методов исследования. Это ведет к очередным трудностям построения теории атомных ядер. В ядерной физике на данный момент используется несколько различных моделей ядра, каждая из которых описывает свой определенный спектр экспериментальных данных по исследованию атомных ядер.

1.2. Классификация элементарных частиц

Под элементарной частицей мы будем понимать частицу, которая способна испытывать взаимопревращения в различных типах взаимодействий и при этом не может быть представлена в виде суммы каких-либо других частиц, которые способны существовать в свободном виде.

Внастоящее время открыто несколько сотен элементарных частиц. Такое количество элементарных частиц нуждается в их определенной классификации.

Те частицы, которые способны принимать участие во всех типах фундаментальных взаимодействий, носят название адронов. Те частицы, которые не участвуют в сильном взаимодействии, называются лептонами. Класс лептонов состоит из шести элементарных частиц (электрон, мюон, тау-лептон, соответствующие им нейтрино) и шести античастиц.

Вотличие от лептонов, адронов существует очень много. Все адроны состоят из кварков, которые не встречаются

7

в свободном виде (подробно этот вопрос будет изложен при обсуждении кварковой модели адронов). Класс кварков, как и класс лептонов, состоит из шести частиц и шести античастиц. Адроны образуются комбинацией трех или двух кварков. Адроны, образуемые комбинациями трех кварков, носят название барионов (протоны, нейтроны). Адроны, состоящие из двух кварков (кварка и антикварка) получили название мезонов.

К отдельной группе частиц следует отнести частицы –

переносчики фундаментальных взаимодействий. Так, электромагнитное взаимодействие передается нейтральным фотоном, не имеющим массы, что обусловливает большой радиус действия этого взаимодействия.

Все частицы можно классифицировать и по их спину. Под спином частицы понимается собственный механический момент импульса частицы, который всегда присущ данному виду частиц, определяет их свойства и обусловлен их квантовой природой. В отличие от классического момента импульса, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только определенные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности – спиновое квантовое число – у одних частиц имеет только целочисленные значения (бозоны – мезоны, частицы переносчики взаимодействий), а у других – полуцелые (фермионы – барионы и лептоны).

Частицы можно классифицировать и по их времени жизни:

1)стабильные (электрон, протон, нейтрино, фотон);

2)квазистабильные – распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимодействий (нейтрон);

3)нестабильные – распадающиеся вследствие сильного взаимодействия.

Фундаментальными называют частицы, которые по современным представлениям не имеют внутренней структуры. К ним относят 12 фундаментальных фермионов (со спином 1/2 в единицах ), которые приведены в табл. 2. Последний столбец таблицы 2 – электрические заряды фундаментальных фермионов в единицах величины заряда электрона e.

8

Таблица 2

Фундаментальные фермионы

Фундаментальные фермионы

12 фундаментальным фермионам соответствуют 12 антифермионов.

Взаимодействие частиц осуществляется за счет четырех типов взаимодействий: гравитационного, сильного, электромагнитного и слабого. Квантами соответствующих полей являются 12 фундаментальных бозонов.

9

2. СТАБИЛЬНЫЕ ЯДРА И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1. Состав ядра

Опыты Э. Резерфорда и его сотрудников по измерению упругого рассеяния α-частиц на атомах золота и других металлов (1906–1912 гг.) показали, что атом представляет собой систему из отрицательно заряженных электронов (образующих электронную оболочку) и положительно заряженного атомного ядра. Источником α-частиц служили радиоактивные элементы радия, полония.

Из анализа экспериментов следовало, что размеры ядра (~10–15 м) много меньше размеров самого атома (~10–10 м), при этом практически вся масса атома сосредоточена в его ядре.

Все атомные ядра можно разделить на стабильные и радиоактивные. Стабильные ядра остаются неизменными неограниченно долго, радиоактивные ядра испытывают самопроизвольные превращения.

Состав атомного ядра был установлен в 1932 г. (Гапон, Иваненко, Гейзенберг). Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов (протонно-нейтронная модель ядра). Массы протона и нейтрона практически равны друг другу (масса нейтрона mn = 1,67495 × 10–24 г, масса протона mp = 1,672265 × 10–24 г). Протон является электрически заряженной частицей, его заряд по абсолютной величине равен заряду электрона. Заряд электрона принимается отрицательным, заряд протона – положительным. Электрический заряд нейтрона равен нулю.

Состав атомного ядра может быть описан следующей формулой:

Zp + (A – Z)n = A.

Здесь Z – зарядовое число, равное числу протонов в ядре, А – массовое число ядра, равное числу частиц в ядре (сумма

10