Вопрос №19. Понятие об элементарных частицах. Частицы и античастицы.

Мюоны . жесткий компонент вторичного космического излучения сост из мюонов в основном, кот. Образ. В следствие распадаболее тяж. Заряж. Частиц. (π – и К- мезонов)

Ядерно-активные частица π-мезоны – пионы.

Частицы с нулевым спином и с массами ≈970 m_e К – мезоны – каоны.

Выводы релятивистской теории привели в выводу, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица (принцип зарядового сопряжения) . Античастицы были надены для π+- мезона, но сущ. Частицы, которые античастиц не имеют – истинно нейтральные частицы. – фотон π+ -мезон, -мезон.

7.2. Ядерные силы

Это особые силы, которые преобладают между нуклонами в ядре и намного больше F_к и гравитационной силы. Св-ва: 1) Ядерные силы – силы притяжения 2) Они короткодействующие ( на расстоянии примерно 10^-15 м) 3) Им свойственна зарядовая независимость 4) Им свойственно насыщение (Каждый нуклон взаимодействует только с определенным кол-вом нуклонов) 5) Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Например ₁p¹+₀n¹→₁H² только если спины будут антипараллельны 6) Они не являются центральными.

7.8. -распад.

_ZX^A_Z-2Y^A-4+ ₂⁴.

1) Откуда берутся -частицы. -ч. образуется в ядре Х, их образование связано с насыщенностью ядерных сил. Опред. число нуклонов, а именно 2 протона и 2 нейтрона объединяются образуя -ч. Для этой частицы силы кулоновского отталкивания от изолированных протонов преобладают над ядерными силами.

2) Для вылета -ч. из ядра необх. преодолеть потенциальный барьер высотой U₀~8,8 МэВ.

Рис.41 Е_= 4-9 МэВ. D exp{ (-2/ħ)(x₁ to x₂)(2m_(U₀-e)dx) – коэффициент прозрачности. Из этого выражения видно, что при изменении энергии Е_ от 4 до 9 МэВ существенно изменяется коэф. прозрачности. Это объясняет большое различие периода полураспада.

3) Для -ч. экспериментально доказали, что для них справедлив закон Гейгера-Нэттола, который гласит: чем больше постоянная радиактив. распада λ, тем больше длина -ч. lnλ= A+ BlnR_ - формула связывающая

4) У одного и т.ж. -радиоактивного элемента имеется неск. групп -ч. с различными длинами пробега, т.е. с разл. энергиями. Это означает, что выбрасываемые из ядра -ч. обладают дискретными значениями энергии и  ядро обладает дискр. энергетическими уровнями.

5) -распад возм. только тогда, когда сумма масс покоя исходного ядра превышает сумму масс покоя продуктов реакции: M_zXA>M _(z-2)Y(A-4)+M_24. При этом продукты реакции обладают E=Δmc².

7.9. -распад

_ZX^A_Z+1Y^A+ _-1е⁰.

Возник ряд трудностей. 1) невозможно было объяснить непрерывный энергетический спектр электрона, т.е тот факт, что E_max> E_-1eo> E_min.

(РИС.42) E_max= (m_x-m_y)C².

2) при -распаде A=const. Это означает, что суммарные спины, или собственные моменты ядер X и Y равны, а спины электрона S=(1/2)ħ. Поэтому наблюдается нарушение закона сохранения спина. 3) невозможно было объяснить, откуда в ядре Х берутся электроны. Для объяснения этих трудностей Паули предложил ввести новую частицу, которую назвали нейтрино. Свойства нейтрино ₀ν⁰ (с волной на верху): 1) m₀=0; 2) V_ν=C; 3) S_ν=(1/2)ħ; 4) нейтрино не участвует ни в электромагнитных, ни в сильных взаимодействиях; 5) обладает очень малой ионизационной способностью. Один акт ионизации на 500 км пути; 6) обладает колоссальной проникающей способностью напр. Нейтрино с Е_=1 МэВ проходит слой свинца толщиной 10¹⁸ м.

7.10 γ-излучение

 лучи не являются самостоятельным видом излучения, но сопровождая  и  распад, а также возникает при ядерных реакциях и при торможении заряженных частиц.

7.11 Ядерные реакции – это взаимопревращения ядер при взаимодействии друг с другом или с элементарными частицами.

_ZX^A+ _Z2a^A2_Z3Y^A3+ _Z4b^A4; X_Z1^A1(a b)= _Z3Y^A3.

1) Z₁+Z₂= Z₃+Z₄ – следствие закона.

2) A₁+A₂= A₃+A₄ – закон сохранения массы.

3) р₁+р₂= р₃+р₄ – закон сохранения импульса.

4) Е₁+Е₂= Е₃+Е₄ – закон сохранения энергии.

Е= m₀C²+ E_k; (m_n1+ m_n2)C²= (m_n3+ m_n3)C².

5) L=mVr; L₁+L₂= L₃+L₄ – закон сохранения момента импульса.

6) закон сохр. cпина.

7) закон сохр. барионного заряда.

7.12 Реакция деления ядра

Ферми, Ганн и др. обнаружили, что при облучении ядра U нейтронами образуется 2 осколка U, примерно равной массы, и выделяется большое кол-во энергии.

Свойства реакции деления ядра:

Удельное σ_св урана меньше σ_св лантана и бария примерно на 1 МэВ. U₉₂²³⁸200 МэВ. 1г. U²³⁸~Q (3,5 тонны угля).

2) Сопровождающееся испусканием двух-трех вторичных нейтронов, что важно для осуществления цепных ядерных реакций. Это обусловлено тем, что тяжелые ядра перегружены нейтронами N/Z1,6.

3) При дальнейшем делении осколков U этот избыток не ликвидируется. В действительности при делении ядра U образуется примерно 80 осколков.

4) Механизм деления урана 238 объясняется с помощью капельной модели ядра. Ядро – капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Рис.45

7.13 Цепная реакция деления

Это реакция деления, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Коэф-т размножения нейтронов к равен отношению числа нейтронов в данном поколении к числу нейтронов в предыдущем k=N_k+1/N_k; N_k+1=N_kk; (k-1)N – прирост числа нейтронов. dN/dt – скорость цепной реакции; dN/dt=(k-1)N/T, где Т – время жизни одного поколения. (N₀ to N)dN/N= (0 to t)((k-1)/T)dt ln N/N₀= (k-1)t/T; N=N₀e^(k-1)t/T. Если k>1, развивается цепная реакция; если к=1, то самоподдерживающаяся цепная реакция; k<1 – затухающая цепная реакция.

7.14 Термоядерные реакции синтеза легких ядер

₁H²+ ₁H²₁H³+ ₁p¹. ₁H²+ ₁H³₂He⁴+ ₀n¹. Выделяется кол-во теплоты Q4 МэВ.

Свойства термоядерных реакций:

1) Выделяется количество теплоты в несколько раз больше, чем при делении тяжелых ядер. При делении урана 235 выделяется 0,8 МэВ. Для термоядерных – 4 МэВ.

2) Протекание термоядерных реакций возможно при некоторой температуре Е_к (ядерного синтеза) больше или равно Е_n (двух ядер Н²); Е ~ kТ ~ e²/4πε₀r, r≈ размеру ядра 10^-15. r_min=2∙10^-15 м, следовательно Т≈2∙10⁹ К.

Синтез возможен при Т=10⁷ К. Поэтому: а) следствие туннельного эффекта; б) при синтезе ядра, находящегося в состоянии плазмы и распределение числа частиц по энергиям описывается распределением Максвелла.

3) Впервые неуправляемый термоядерный синтез был реализован при взрыве водородной бомбы. ₁H²+₁H³₂He⁴+₀n¹. Реакция сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ. 17,6/5=3,5 МэВ на 1 нуклон.

4) Неуправляемый термоядерный синтез происходит при взрыве бомбы. Управляемая термоядерная реакция возможна при выполнении условии Лоусона. n∙τ>10¹⁴, T>10⁷ K; n – концентрация частиц, τ – время удержания. Выполнение этого условия осуществляется при воздействии сильных МП.

7.15 Элементарные частицы

1. Уровень элементарных частиц.

Атома Δr=10^-10. Е порядка 1÷10 эВ.

Ядра Δr=10^-15. Е порядка 1÷100 МэВ.

ΔpΔr ħ; Δr= ħ/Δp~ ħ/p; Δr= ħ/√(2meE); E_max (на сег.)= 10¹¹ эВ, Δr= 10^-18 м.

2. Свойства элементарных частиц: 1) Общее число элементарных частиц вместе с античастицами равно 400. Почти все они нестабильны. Стабильны: электрон, позитрон, протон, нейтрон, фотон, нейтрино и антинейтрино; τ_p=2∙10²² лет. Остальные частицы нестабильны. Получаются в космическом излучении или ускорителях. 2) Масса частиц определяется либо в МэВ, либо в ГэВ. 1 МэВ=10⁶ эВ. 3) Среднее время жизни – это мера стабильности частиц τ_n=8,99 сек. Наиболее нестабильны τ=10^-23 сек. 4) Любая частица обладает спином (собственным моментом импульса) []=ħ: если целый спин – бозоны, если дробный спин – фермионы. 5) Частицы имеют заряд q, кратный модулю е. 6) Частица характеризуется собственным магнитным моментом . 7) Любая частица имеет античастицу. Кроме фотона и нейтрона. Античастица и частица имеют одинаковое время жизни τ, спин, массу, остальные характеристики: заряд и магнитный момент равны по модулю и противоположны по знаку. 3. Способы получения и наблюдения элементарных частиц.

Основным методом получения элементарных частиц является метод рассеивания.

4. Классификация элементарных частиц. 1) Переносчики взаимодействия. 2) Лептоны. 3) Адроны: а) короткоживущие резонансы. τ=10²³ сек. б) стабильные адроны: мезоны, бозоны (барионы).