Строение вещества элементарные частицы

1)Элементарные частицы – частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя представить как совокупность более маленьких частиц.

Источники элементарных частиц: 1) радиоактивные элементы, которые произвольно выбрасывают элементарные частицы; 2) взаимодействие между собой; 3)космические лучи.

Излучение, приходящее непосредственно из космоса, называют первичным космическим излучением. Первичное излучение представляет собой поток элемен­тарных частиц высокой энергии, причем более 90% из них составляют протоны с энергией примерно 10⁹—10¹³ эВ, около 7%—a-частицы и лишь небольшая доля (около 1%) приходится на ядра более тяжелых элементов (Z>20).

С приближением к Земле интенсивность космического излучения возрастает, что свидетельствует о появлении вторичного космического излучения, которое образуется в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов земной атмосферы. Во вторичном космическом излучении встречаются практически все известные элементарные частицы.

Биологическое воздействие частиц высоких энергий В результате прямого и косвенного воздействия излучений не только изменяются сами молекулы живого вещества, но в значительной степени меняется также скорость реакций, протекающих с участием ферментов, и наряду с этим нарушается и подвижное равновесие. Указанные явления наблюдаются в живых клетках и тканях.

Античастица — частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от неё знаками некоторых характеристик взаимодействия. Рождение античастиц происходит в столкновениях частиц вещества, разогнанных до энергий, превосходящих порог рождения пары частица-античастица.

Классификация элементарных частиц:1)  фотоны; эта группа состоит всего лишь из одной частицы - фотона - кванта электромагнитного излучения; 2) лептоны ,участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К лептонам относятся электронное и мюонное нейтрино, электрон, мюон, таон, а также соответствующие им античастицы. Название лeптонов связано с тем, что массы первых известных лептонов были меньше масс всех других частиц. 3) aдроны. Адроны обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым. Из рассмотренных выше частиц к ним относятся протон, нейтрон и другие.

Четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. 1)Сильное, или ядерное, взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

2)Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона.

3)Слабое взаимодействие - наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино (например, b-распад, m-распад), а также за безнейтринные процессы распада.

4)Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно.

При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.

2 ) Опыты Резерфорда

Экспериментальная установка позволяла наблюдать α-частицы, отклоненные золотой фольгой под разными углами.

В опыте обнаружилось, что некоторые α-частицы отклонялись на большие углы, до 180º. Резерфорд понял, что такое отклонение возможно лишь при встрече с положительно заряженной частицей большей массы. А малая вероятность отклонения на большие углы говорила, что эта положительная частица имеет малые размеры, порядка 10^–14 м. Электроны, по мнению Резерфорда, движутся вокруг ядра

Р езерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

С огласно ядерной модели почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, занимающем лишь ничтожную часть

Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра. Дефект масс равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:

где Мя – масса ядра ( из справочника) Z – число  протонов в ядре m_p – масса  покоя свободного протона (из справочника) N – число нейтронов в ядре m_n – масса покоя свободного нейтрона (из справочника) Уменьшение массы при образовании ядра означает, что при этом уменьшается энергия системы нуклонов.

Э нергией связи называют энергию, равную работе, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на свободные нуклоны. Е св = - А

По закону сохранения энергия связи одновременно равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных свободных нуклонов. Удельная энергия связи - это энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

Размеры ядер атомов, определенные по формуле (1.4), есть величины порядка 10^-13см. Отсюда первое свойство ядерных сил - короткодействие: ядерные силы действуют только на малых расстояниях, сравнимых по порядку величины с размерами самих нуклонов.

Из короткодействия ядерных сил вытекает второе их свойс­тво, кратко именуемое насыщением. Это означает, что любой нуклон ядра взаимодействует не со всеми другими нуклонами, а лишь с ограниченным числом нуклонов, являющихся его непосредственными соседями.

Третье свойство ядерных сил - их равнодействие. Поскольку предполагается, что силы взаимодействия между нуклонами обоих видов являются силами одной природы, то тем самым постулируется, что на равных расстояниях по­рядка 10^-13 см два протона, два нейтрона или протон с нейтроном взаимо­действуют одинаково.

3)Явление самопроизвольного испускания химическими элементами излучения, обладающего значительной проникающей способностью и ионизирующими свойствами, получило название радиоактивности. Элементы, испускающие такое излучение называются радиоактивными. Радиоактивными являются все элементы с порядковым номером более 83 в таблице Менделеева.(Z >83).

Состав радиоактивного излучения Излучение радиоактивных веществ состоит из трех компонент: излучения. Обнаружено, что лучи отклоняются магнитным полем в разные стороны, а лучи не отклоняются совсем.

 лучи -поток полностью ионизированных атомов гелия;

лучи - поток быстрых электронов

лучи - жесткое электромагнитное излучение (l=10^-2 нм)

Радиоактивный распад— спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов

З акон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце.

Дифференциальное уравнение означает, что число распадов , произошедшее за короткий интервал времени , пропорционально числу атомов в образце .

 — постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с⁻¹.

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:

,

где  — начальное число атомов, то есть число атомов для .

Т аким образом, число радиоактивных атомов уменьшается со временем по экспоненциальному закону. Скорость распада, то есть число распадов в единицу времени, также падает экспоненциально.

,

где  — скорость распада в начальный момент времени .

Период полураспада, промежуток времени, в течение которого количество радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое.

, где λ - постоянная радиоактивного распада, N – число не распавшихся ядер.

Величина t = 1/ λ называется средним временем жизни радиоактивных ядер.. T1/2 связан с λ и t соотношением: