30. Ядро. Элементарные частицы

В центральной части атома, занимая небольшой объем и обладая его основной массой, находится положительно заряженное ядро. Неверным является утверждение, что …

			масса ядра равна сумме масс образующих ядро нуклонов
			ядерные силы, удерживающие ядро, обладают зарядовой независимостью
			наиболее устойчивы ядра с четными числами протонов и нейтронов
			ядра с одинаковыми зарядовыми, но разными массовыми числами называются изотопами

Решение: Экспериментально установлено, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), а его заряд равен суммарному положительному заряду протонов: , где  – число протонов в ядре (зарядовое число),  заряд протона. Ядерные силы, удерживающие ядро, обладают зарядовой независимостью – пары нуклонов одинаково притягиваются. Ядерные силы не являются центральными силами. Ядерное взаимодействие возникает в условиях обмена виртуальными мезонами между нуклонами. Чтобы разбить ядро на составляющие части – протоны и нейтроны, нужно совершить работу по преодолению ядерных сил, то есть сообщить ядру энергию, называемую энергией связи. По закону сохранения энергии такая же энергия связи выделится при соединении свободных нуклонов в ядро. Таким образом, при образовании ядра в результате выделения энергии должна уменьшиться и масса нуклонов. Масса ядра всегда меньше  суммы масс нуклонов, из которых оно состоит:  (дефект массы). Следовательно, масса ядра не является аддитивной величиной. У разных атомов число протонов и нейтронов в ядре различно. Ядра с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов называются изотопами. Среди них имеются стабильные ядра (с большой энергией связи). Наиболее устойчивы ядра с четными числами протонов и нейтронов ( и др.). В одной из существующих моделей ядра – оболочечной – имеют место дискретные энергетические уровни, заполненные нуклонами с учетом принципа Паули. Уровни объединены в оболочки, которые, будучи полностью заполненными, образуют устойчивые структуры.

Для ядерных сил не характерно (-а) …

			действие по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов, что характерно для центральных сил
			короткодействие
			насыщение
			зависимость от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов

Решение: Ядерные силы являются короткодействующими: их действие проявляется только на расстояниях примерно  Ядерным силам свойственно насыщение, то есть удельная энергия связи нуклонов в ядре (если не учитывать легкие ядра) при увеличении числа нуклонов не растет, а остается приблизительно постоянной. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Ядерные силы не являются центральными силами. Их нельзя представить действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

5. В ядре изотопа углерода  содержится …

	6 протонов и 8 нейтронов		6 протонов и 14 нейтронов
	14 протонов и 6 нейтронов		8 протонов и 6 нейтронов

Решение: Зарядовое число  определяет число протонов в ядре. Массовое число  определяет число нуклонов, то есть суммарное число протонов и нейтронов. Следовательно, число нейтронов равно: .

6. Взаимодействие -мезона с протоном в водородной пузырьковой камере идет по схеме Если спин -мезона , то характеристиками -мезона будут …

	;	;
	;	;

Решение: При взаимодействии элементарных частиц и их превращении возможны только такие процессы, в которых выполняются законы сохранения, в частности законы сохранения электрического заряда и спина. -мезоны имеют спин , а электрический заряд  в единицах элементарного заряда. Спин протона  в единицах постоянной Планка  равен , а заряд . Гиперон имеет спин , заряд . В соответствии с законами сохранения у-мезона спин равен  , заряд .

7. В центральной части атома, занимая небольшой объем и обладая его основной массой, находится положительно заряженное ядро. Верным является утверждение, что …

	ядерные силы, удерживающие ядро, обладают зарядовой независимостью
	масса ядра равна сумме масс образующих ядро нуклонов
	наименее устойчивы ядра с четными числами протонов и нейтронов
	ядра с одинаковыми массовыми числами, но разными зарядовыми называются изотопами

Решение: Экспериментально установлено, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), а его заряд равен суммарному положительному заряду протонов: , где  – число протонов в ядре (зарядовое число),  заряд протона. Ядерные силы, удерживающие ядро, обладают зарядовой независимостью – пары нуклонов одинаково притягиваются. Ядерные силы не являются центральными силами. Ядерное взаимодействие возникает в условиях обмена виртуальными мезонами между нуклонами. Чтобы разбить ядро на составляющие части – протоны и нейтроны, нужно совершить работу по преодолению ядерных сил, то есть сообщить ядру энергию, называемую энергией связи. По закону сохранения энергии такая же энергия связи выделится при соединении свободных нуклонов в ядро. Таким образом, при образовании ядра в результате выделения энергии должна уменьшиться и масса нуклонов. Масса ядра всегда меньше  суммы масс нуклонов, из которых оно состоит:  (дефект массы). Следовательно, масса ядра не является аддитивной величиной. У разных атомов число протонов и нейтронов в ядре различно. Ядра с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов называются изотопами. Среди них имеются стабильные ядра (с большой энергией связи). Наиболее устойчивы ядра с четными числами протонов и нейтронов ( и др.). В одной из существующих моделей ядра – оболочечной – считается, что имеют место дискретные энергетические уровни, заполненные нуклонами с учетом принципа Паули. Уровни объединены в оболочки, которые, будучи полностью заполненными, образуют устойчивые структуры.

8. На рисунке показана кварковая диаграмма распада -гиперона. Эта диаграмма соответствует реакции …

Решение: Кварковый состав -гиперона – , заряд равен нулю, спин полуцелый. -гиперон относится к странным барионам, которые входят в класс адронов. Кварковый состав соответствует протону  с зарядом  +1, полуцелым спином. Протон относится к обычным барионам класса адронов. Распад -гиперона сопровождается образованием пиона с кварковым составом , зарядом  –1, целым спином. Пион относится к обычным мезонам класса адронов. При превращении элементарных частиц выполняются законы сохранения, в частности закон сохранения электрического заряда. Этот закон выполняется в реакции  

9. Заряд в единицах заряда электрона равен +1, масса в единицах массы электрона равна 1836,2, спин в единицах  равен 1/2. Это основные характеристики

протона

нейтрона

мюона

позитрона

Решение: Электрический заряд протона и позитрона равен +1 в единицах заряда электрона. Заряд мюона  –1 (античастицы мюона +1), нейтрон заряда не имеет. Масса мюона составляет 206,8 масс электрона. Масса протона составляет 1836,2 масс электрона, а нейтрона – 1838,7 масс электрона. Масса позитрона равна массе электрона. Все представленные частицы имеют полуцелый спин, равный 1/2 , и являются фермионами. Следовательно, указанные характеристики имеет протон.

10. Если через интервал времени  осталось 25% нераспавшихся радиоактивных ядер, то это время равно …

	двум периодам полураспада
	периоду полураспада
	половине периода полураспада
	четырем периодам полураспада

Решение: Период полураспада  это время, в течение которого первоначальное количество ядер данного радиоактивного вещества распадается наполовину. Через время, равное одному периоду полураспада, останется 50% нераспавшихся радиоактивных ядер, а еще через такой же промежуток времени – 25%. Следовательно, интервал времени равен двум периодам полураспада.

11. На графике в полулогарифмическом масштабе показана зависимость изменения числа радиоактивных ядер изотопа от времени. Среднее время жизни данного изотопа в  равно

Решение: Число радиоактивных ядер изменяется со временем по закону , где  начальное число ядер,  постоянная радиоактивного распада. Прологарифмировав это выражение, получим , или . Среднее время жизни радиоактивного ядра –  это промежуток времени, за который число нераспавшихся ядер уменьшается  в  раз: . Следовательно, .