Лекция 12 Физика атомного ядра Элементарные частицы

Открытие явления радиоактивности и результаты опытов Резерфорда убедительно доказали, что атомы не являются простейшими частицами. Было установлено, что они состоят из электронов и ядер, а ядра – из протонов и нейтронов. На первом этапе частицы, из которых построены атомы, считались неспособными к превращениям, поэтому их назвали элементарными (простейшими, основными).

В настоящее время известно около 400 элементарных частиц, многие из которых нестабильны.

Элементарными называют частицы, которые на современном уровне развития науки нельзя считать составленными из других частиц, существующих в свободном состоянии.

У всех элементарных частиц имеются античастицы – ее точная копия, но имеющая противоположный заряд.

Специальные единицы в ядерной физике

В ядерной физике и физике элементарных частиц наряду с единицами Международной системы СИ используются специфические внесистемные единицы, поскольку единицы системы СИ здесь не всегда удобны

Элементарный заряд e – наименьший неделимый заряд, равный заряду электрона

е = 1,610^-19 Кл.

Атомная единица массы (а.е.м.) – масса, равная 1/12 массы изотопа углерода :

1 а.е.м. = 1,6605410^-27 кг.

Единицы энергии:

электрон-вольт (эВ) - работа, которую совершает электрическое поле при перемещении элементарного заряда е между точками с разностью потенциалов 1 Вольт:

1 эВ = 1,610^-19 Кл  1В = 1,610^-19 Дж.

Мегаэлектрон-вольт (МэВ) 1 МэВ = 10⁶ эВ = 1,610^-13 Дж.

Согласно теории Эйнштейна, каждая частица обладает энергией, равной произведению ее массы m на квадрат скорости света в вакууме с = 310⁸ м/с. В ядерной и атомной физике используется энергетический эквивалент атомной единицы массы, то есть энергия покоя частицы, масса которой равна 1 а.е.м.:

Е_о = m•c² = 1,6605410^-27кг (310⁸м/с)² = 1,492410^-10 Дж = 931,49410 ⁶ эВ ≈931,5 МэВ.

Киловатт–час (кВт-час) – внесистемная единица энергии

1 кВт-час = 1000 Вт3600с = 3,610⁶ Дж,

1 Дж = 2,7810^-7 кВт-час = 4,4510^-8 МэВ.

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц (домашнее задание: темы для докладов))

Свойства элементарных чатсиц – заряд, масса покоя, время жизни, энергия и тд.

Методы: масс-спектроскопия, газоразрядный счетчик (Гейгера), камера Вильсона, пузырьковая камера, метод толстослойных фотоэмульсий. Ни в одном из этих устройств нельзя увидеть саму частицу, но можно наблюдать результат ее прохождения.

Протонно-нейтронная модель атомного ядра

Атомные ядра различных элементов состоят из двух частиц – протонов и нейтронов.

Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева).

Заряд ядра равен Ze, где e – элементарный заряд.

Число нейтронов обозначают символом N.

Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) в ядре атома называют массовым числом A: A = Z + N.

Ядра химических элементов ( и элементарные частицы) обозначают символом , где X – химический символ элемента.

Например, – изотоп углерода, ядро которого состоит из 6 протонов и 8 нейтронов;

- нейтрон, имеющий нулевой электрический заряд.

В этих обозначениях электрон изображается как , поскольку его масса пренебрежимо мала по сравнению с массой нуклонов, а заряд отрицателен и равен одному элементарному заряду е. Принято также упрощенное обозначение изотопов химических элементов – с указанием только массового числа. Например, изотоп углерода можно назвать просто углеродом – 14, либо С-14, а изотоп урана - ураном–238, либо U-238. В этом случае для определения зарядового числа Z нужно заглянуть в таблицу Менделеева.