ВВЕДЕНИЕ

К началу XX в. стало ясно, что атомное ядро имеет сложную структуру, и после открытия протона и нейтрона (нуклонов) была предложена его протонно-нейтронная модель. Установлено, что между нуклонами внутри ядра действуют ядерные силы, переносчиками которых являются пионы. Созданы модели, описывающие свойства ядер. Открыта радиоактивность, излучения которой влияют на живой организм, на экосистему в целом. К 1940 году физикам удалось расщепить атомные ядра и предсказать возможность использования ядерной энергетики. В это время создан

ипервый атомный реактор.

Кначалу 1950 года получен термоядерный синтез и созданы установки для управляемого термоядерного синтеза.

С 1898 г. по 1970 г. было открыто большое количество элементарных частиц, включая кварки, калибровочные бозоны и др. А также создана единая теория взаимодействия (объединение трех взаимодействий: электромагнитного, слабого и сильного).

Элементарная частица – собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые, как считается в настоящее время, невозможно расщепить на составные части. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Некоторые элементарные частицы считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные. Другие имеют сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Со времени открытия элементарной частицы (электрона) их обнаружено уже более 400.

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что, по крайней мере, адроны обладают внутренними степенями свободы, т.е. не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.

Таким образом, самыми элементарными частицами вещества считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) и применяется термин «фундаментальные частицы».

3

Открытие Дж. Томсоном электрона (е-) при исследовании катодных лучей в 1897 г. вплотную приблизило ученых к пониманию строения атома. Тот же ученый в 1901 году предложил одну из первых его моделей. Согласно модели Томсона атом представлял собой нейтральную систему, состоящую из положительно заряженного шара с зарядом +Ze (e = 1,6 · 10-19Кл – элементарный заряд), внутри которого в определенных равновесных положениях находятся Z отрицательно заряженных электронов. Размер атома ~10-8см. Однако исследования, выполненные в 1911 году Э. Резерфордом по изучению рассеяния α -частиц при прохождении через тонкую фольгу, показали несостоятельность модели Томсона. Угловое распределение α -частиц, рассеянных на тонкой золотой

фольге (θ = 0 ÷180 ) , свидетельствовало о том, что положительный

заряд атома сосредоточен в пространственной области размером меньше 10-12 см. Это явилось основанием для создания планетарной (ядерной) модели атома Резерфорда, согласно которой атом состоит из тяжелого положительно заряженного атомного ядра с радиусом меньше 10-12см с зарядом +Ze и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Размер атома определяется размерами его электронной оболочки и составляет ~10-8 см, что в десятки тысяч раз превышает размер атомного ядра. Несмотря на то что атомное ядро занимает лишь небольшую часть объема атома, в нем сосредоточено 99,98 % его массы.

Предложенная Э. Резерфордом модель атома сыграла решающую роль в развитии квантовой механики.

В 1919 г., продолжая эксперименты по рассеянию α -частиц на различных мишенях, Э. Резерфорд обнаружил, что при бомбардировке частицами ядер азота, из него вылетают частицы положительно заряженные. Величина их заряда по абсолютной величине была равна величине заряда электрона, но противоположна по знаку. Масса частицы почти в 2000 раз больше массы электрона. Повторение опыта на других мишенях показало, что положительно заряженные частицы вылетают и из других атомных ядер. Обнаруженные частицы были названы протонами (р).

В 1930 г. при облучении α -частицами тонкой фольги из бериллия В. Боте и Г. Беккер обна ружили сильное проникающее излучение, состоящее из нейтральных частиц, а в 1932 г. английский физик Д. Чедвик показал, что это – новая, до сих пор неизвестная нейтральная частица с массой, приблизительно равной

4

массе протона. Обнаруженная частица была названа нейтроном (п). Сразу после этого открытия Д. Иваненко и В. Гейзенберг создали протонно-нейтронную модель атомного ядра. Протоны и нейтроны в атомном ядре связаны особыми силами, для которых характерна большая величина и малый радиус действия: ~10-13 см. Ядерные силы существенно превосходят силы электростатического кулоновского отталкивания протонов и обуславливают большую плотность вещества ядра: ~1014 г/см3. Этот новый тип взаимодействия, связывающий нейтроны и протоны, назвали ядерным или сильным взаимодействием.

Из выражения релятивистской энергии свободной частицы

E= ± p2c2 + m2c4

в1928 г. П. Дираком было предсказано существование античастицы – позитрона (e+ ).

Эта энергия может принимать как положительные (E ≥ mc2 ),

так и отрицательные (E ≤ −mc2 ) значения, которые разделены щелью шириной

∆ = 2mc2 .

Позитрон экспериментально открыт в 1932 г. К. Андерсоном

вкосмических лучах с помощью камеры Вильсона.

В1933 г. Ф. Жолио-Кюри, Ирэн Кюри, а также К. Андерсон, П. Блэкетт и Дж. Оккиалини наблюдали образование электронно-

позитронных пар при взаимодействии γ −лучей с веществом. В

том же году Ф. Жолио-Кюри и Ж. Тибо зарегистрировали процесс двухфотонной аннигиляции электрона и позитрона.

Таким образом, теория Дирака получила всеобщее признание и стало ясно, что у каждой частицы должна быть своя античастица.

Итак, к 1932 г. были открыты: фотон ( γ , в квантовой теории

света А. Эйнштейна), электрон, протон, нейтрон и позитрон.

В том же году Э. Ферми разработал теорию β-распада, согласно которой β-электроны при распаде принимают различные значения энергии. Паули предположил, что при распаде вместе

5

с β-электроном вылетает нейтрино νе со спином и массой покоя,

составляющими s = 12 , mυ = 0 .

В 1956 г. К. Коуэном и Ф. Райнесом было открыто нейтрино при помощи реакции

νe + p → n + e+ ,

где νe – антинейтрино.

При исследовании атомного ядра ученые пришли к выводу, что между нуклонами действуют ядерные силы. Переносчиками

вкосмических лучах.

В1937 г. К. Андерсоном и С. Недермайером открыта частица

µ-мезон (мюон), а в 1975 г. группой М. Перен открыт тяжелый

лептон – тау-мезон. Позднее стало ясно, что электроны, мюоны, τ-мезоны, вместе с ними нейтрино (νe , νµ , ντ ) не участвуют

в сильных взаимодействиях и образуют обособленный класс – так называемые лептоны, которые участвуют в слабых и электромаг-

нитных взаимодействиях. Размер их меньше 10−16 см.

Всередине 50-х годов были открыты странные частицы каоны K + , K 0 и гипероны, например Λ -гиперон. В последующие годы

открыты резонансные частицы, а также промежуточные бозоны и тяжелые мезоны.

Это был краткий экскурс в историю открытия элементарных частиц.

Вданном пособии изложена часть разделов курса общей физики, который состоит из механики, молекулярной физики и термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, физики атомного ядра и элементарных частиц, элементов квантовой теории твердого тела, а также современного представления Вселенной.

Раздел физики атомного ядра и элементарных частиц для

освоения студентами является трудоемким и сложным. Поэтому авторы, опираясь на многолетний опыт чтения лекций курса физики, а также дисциплины «Радиационная экология», пытались излагать на максимально доступном для студентов языке с использованием простейшей математики.

6

В первом разделе пособия описана физика атомного ядра: состав, характеристики, энергия связи, масса, радиоактивность и модели атомных ядер, деление ядер, цепная реакция ядер, ядерный реактор и использование ядерной энергии.

Во втором разделе пособия даны классификация и систематика, характеристики и свойства элементарных частиц.

Содержание пособия соответствует ГОСТу для технических специальностей, в частности для специальностей АПП (220200),

УТС (220400), ТК (550400), ЭП, ЭС (650900), Экология (013100)

и других.

Авторы будут признательны всем за использование материала и учтут в дальнейшем все замечания по данному пособию.

1.АТОМНОЕ ЯДРО

1.1.Состав атомного ядра

После открытия протона и построения Резерфордом и Бором ядерной модели атома ученые поставили перед собой задачу выяснить состав атомного ядра. Известно, что ядро атома водорода состоит из одного протона, а ядро гелия – приблизительно из четырех масс протона с электрическим зарядом +2е. Можно было предположить, что атомное ядро состоит: 1) из протонов; 2) из протонов и электронов; 3) из протонов и нейтральных частиц.

Правильность предположенных моделей ядра могут подтвердить только эксперименты. Экспериментальные исследования показали, что среди совокупности атомов, образующих тот или иной химический элемент, имеются атомы с разной массой. Например, среди атомов хлора Cl встречаются атомы с массой 35 и 37 а.е.м. Среди атомов германия Ge встречаются атомы с массой 72, 73, 74, 76 а.е.м. Хотя массы атомов различны, однако химические свойства их одинаковы. Одинаковость химических свойств означает, что электронные оболочки их одинаковы, одинаков и заряд ядра. Элементы с одинаковыми химическими свойствами и разными массами называются изотопами. Эти данные позволяют предположить, что ядро состоит из протонов и электронов. Протонэлектронная модель ядра была предложена Гейзенбергом в 1926 г. Его модель не имела успеха. Это объясняется следующей оценкой

7

энергии электрона в ядре: E~ћ/Rc≈40 МэВ, исходя из соотношения неопределенностей

С другой стороны, энергия электронов, выбрасываемых ядрами в виде β-частиц, не превышает 5 МэВ. Поэтому электрону с энергией 40 МэВ невозможно удержаться в ядре. Кроме того, электрон с такой энергией должен локализоваться в пределах размера ~ 10-13 м, тогда как радиусы ядер меньше чем 10-15 м. Следовательно, электроны должны находиться вне ядра. Есть и другие трудности, доказывающие несостоятельность протон-электронной модели ядра.

После открытия английским физиком Чедвиком в 1932 г. нейтрона советский физик Д. Иваненко и независимо от него немецкий физик В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, которые называются нуклонами.

Протон

Масса протона (р) mp = 1836,2me = 1,672 · 10-27кг = 938,3 МэВ = 1,00728 а.е.м., где me≈9,1 10-31 кг = 0,511 МэВ = 0,00055 а.е.м.

– масса электрона. 1 а.е.м. = mC12/12 = 1,66·10-27кг = 931,44МэВ, где mC12 – масса атома углерода C12 .

Заряд протона приблизительно qp =1,6 10−19 Кл.

Протон – стабильная частица, время ее жизни более 1032 лет. Спин протона s = 12 ; проекция момента импульса Ls = 12 ;

магнетон, R p ≈10−15 м – радиус протона.

Нейтрон

Масса нейтрона (n) mn = 939,55 МэВ = 1,675 10-27 кг = 1,00866

а.е.м.; заряд нейтрона qn = 0 ; спин нейтрона s = 12 ; магнитный

момент µn = −1,91µя ; время жизни τ ≈15мин.

Нейтрон – нестабильная частица, распад которой происходит по схеме n → p + − e + ν(антинейтрино).

8

1.2. Характеристики атомного ядра

Одной из важнейших характеристик атомного ядра является зарядовое число Z , которое определяет количество протонов (p) в ядре, порядковый номер химического элемента в таблице Мен-

делеева и заряд ядра в условных единицах qя = Zе, где е – заряд

позитрона (элементарный заряд).

Массовое число А определяет число протонов (p) и нейтронов (n) в ядре и массу ядра в атомных единицах.

Число нейтронов N = A − Z .

Любое атомное ядро условно обозначается Z X A . Например,

ядро кислорода – 8 О16 , т.е. оно состоит из 8 протонов и 8 нейтро-

нов (Z = 8, A = 16, N = 8).

Ядра с одинаковыми массовыми числами A называются изо-

барами (18 Ar40 , 20 Co40 , где А = 40).

Ядра с одинаковым зарядовым числом Z, но разными массовыми числами A называются изотопами ( 8 O16 , 8 O17 , 8 O18 , где

Z = 8, A = 16; 17; 18).

Ядра с одинаковым числом нейтронов называются изотонами ( 6 C13 , 7 N14 , где число нейтронов A – Z = 7).

Ядра с одинаковыми массовыми и зарядовыми числами (A и Z), но разными периодами полураспада называются изомера-

ми (например, 35 Br80 – существуют радиоактивные ядра брома с периодами полураспада T1 =18мин, T2 = 4,4ч).

В природе существуют атомные ядра (нуклеиды) с зарядовым числом Z =1 – 92. Исключением является ядро технеция (Z = 43),

полученное искусственным путем. Так же искусственно получено большое количество ядер, начиная с Z = 93 по Z = 118. Число нуклонов в таких ядрах достигает 300. Всего известно около 3000 атомных ядер. Среди них – необычные, искусственно полученные

изотопы, такие как 2 He10 , 6 C8 , 8 O12 , 8 O26 .Условно все известные

ядра можно разделить на две группы:

1) стабильные и долгоживущие ядра (всего их 285). Стабильных ядер – 264. Долгоживущими принято считать ядра с периодом

полураспада T12 > 5 108 лет;

9

2) радиоактивные ядра (их около 2700). Для этой категории ядер T12 < 5 108 лет .

Из анализа таблицы нуклидов можно выявить следующие закономерности атомных ядер:

1.Не существует стабильных ядер со значениями Z=0 (нейтрон, технеций (43), прометий (61)) и с Z ≥84 .

2.Можно прогнозировать существование острова стабильных ядер с Z =110 – 114 и N=178 – 184 (число нейтронов).

3.У каждого элемента имеется сравнительно небольшое число устойчивых изотопов. В среднем на каждое значение Z приходится около трех изотопных нуклидов.

4.При сравнительно малых A ≤ 40 стабильные ядра содержат

нейтронов возрастает. Например, у урана 92 U238 число нейтронов составляет более 60 % от общего числа нуклонов.

5.Ядра с четными значениями Z встречаются чаще и являются более стабильными по сравнению с ядрами с нечетными Z.

6.Свойства ядер зависят от четности чисел Z и N. Больше всего стабильных ядер с четными числами Z и N (А – четное) (четночетные ядра, условное обозначение – ЧЧ). Затем идут четнонечетные ядра (Z – четное, N – нечетное или наоборот, А – нечетное) и нечетно-нечетные ядра – НН (N и Z – нечетные, А – четное).

Последних всего четыре: дейтерий 1H2 , литий 3 Li6 , бор 5 B10 и азот 7 N14 .

7. Наиболее устойчивыми являются магические ядра, у которых число протонов или число нейтронов равно одному из магиче-

ских чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Например, с N = 20 –

16S36 , 17 Cl37 , 18 Ar38 , 19 K39 с N = 50 – 38Sr88 и с N = 82 –

56 Ba138 , 57 La139 , 58 Ce140 .

Особенно стабильны дважды магические ядра, у которых магическими являются и число протонов, и число нейтронов. К ним

относятся гелий 2 He4 , кислород 8 O16 , кальций 20 Ca40 и 20 Ca48 , сви-

нец 82 Pb208 .

10