4.3. Ядерные реакции. Элементарные частицы

Теоретическое введение

4.3.1. Искусственная радиоактивность, ядерные реакции

Ядерные реакции – это взаимодействие двух или более частиц, которое приводит к появлению новых частиц или новых элементов. Ядерные реакции происходят за счет действия ядерных сил, поэтому для наступления ядерной реакции необходимо сблизить частицы до расстояния 10^-13см.

В настоящее время известно порядка 1000 ядерных реакций. Основные характеристики ядерных реакций:

а) запись ядерных реакций

При взаимодействии легких частиц с ядром в результате получается другое ядро и легкие частицы

Ядерные реакции, идущие в несколько этапов (1936 – Бор) с образованием промежуточных ядер, которые называются компаунд-ядрами, принято записывать в виде

Если а = b, то ядерная реакция называется рассеянием.

Вероятность протекания ядерных реакций принято характеризовать двумя величинами.

1. Ядерное время

Это промежуток времени (ядерное время пролета), который требуется частице с энергией 1МэВ, чтобы пройти расстояние, равное диаметру ядра.

с.

То есть время зависит от массового числа элемента.

2. Эффективное сечение ядерной реакции

- количество падающих частиц на систему ядер,

n – концентрация ядер в пластине толщиной ,

- количество частиц, вышедших из пластины.

(Цепная реакция ядер урана, термоядерная реакция синтеза лёгких ядер и устройство атомного реактора самостоятельно.)

4.3.1. Законы сохранения в ядерных реакциях

1. Закон сохранения электрического заряда

Суммарный электрический заряд продуктов реакции должен равняться суммовому электрическому заряду исходных частиц. Коротко говоря, сумма зарядовых чисел до реакции и после реакции равна.

2. Закон сохранения массового числа.

Суммарное массовое число до реакции и после реакции совпадают.

3. Закон сохранения энергии и импульса

- количество теплоты либо поглощаемое, либо выделяемое в процессе реакции.

> 0 – реакция идет с выделением энергии и называется экзотермической.

> 0 – реакция идет с поглощением энергии и называется эндотермическая.

Обратная реакция, идущая по обратной схеме к экзотермической, всегда является эндотермической.

= 0 – реакция представляет собой упругое рассеяние.

4. Закон сохранения барионного заряда

Суммарное число нуклонов в ядерных реакциях сохраняется.

4.3.2. Основные характеристики элементарных частиц

В настоящее время известно более 150 элементарных частиц, которые участвуют в 3 видах взаимодействий.

1. Электромагнитное взаимодействие – обусловливает существование у частицы электрического заряда и считается в настоящее время, что оно переносится фотонами. Интенсивность этого взаимодействия характеризуется некоторой безразмерной величиной

Время взаимодействия 10^-18-10^-20 с.

Масса покоя и собственная энергия частиц

Как известно из релятивистской физики, энергия частицы связана с массой покоя соотношением

Существуют частицы, для которых масса покоя равна нулю, поэтому , то есть такие частицы в любой среде движутся со скоростью света в вакууме (фотон, и все вида нейтрино).

Массы элементарных частиц выражаются в массах электрона.

2. Электрический заряд

Большинство элементарных частиц имеют электрический заряд, причем почти каждая частица имеет своего двойника – античастицу с противоположным зарядом. (е^- и е⁺).

Электрический заряд выражается в единицах заряда е.

3. Спин S – собственный механический момент элементарной частицы. Известны частицы со спином

0, - бозоны, - фермионы

Сильное взаимодействие проявляется между тяжелыми частицами независимо от их электрического заряда и характерны для ядерных превращений.

Семейство сильно взаимодействующих частиц назвали адронами (α=15)

Время взаимодействия 10^-23 – 10^-22 с.

Исследование сильного взаимодействия потребовало введения новых характеристик элементарных частиц.

Барионный заряд B – специфический заряд элементарной частицы неэлектрического характера, проявляющийся в ядерных взаимодействиях.

Для всех тяжелых частиц, участвующих в ядерных взаимодействиях, барионный заряд полагается равным В = 1, а для их античастиц В = -1.

У протона В = +1, антипротона В = -1,

нейтрона В = +1, антинейтрона В = -1

По современным представлениям ядерные силы между протонами и нейтронами обусловлены обменом квантами ядерного взаимодействия, которыми являются -мезоны.

Существуют ^, ответственные за взаимодействие протон-нейтрон и ^ - ответственные за взаимодействие между одноименными нуклонами.

Существование  -мезонов было предсказано теоретически в 1935 г. японским физиком Юкава. Они были обнаружены в1949 г. космическом излучении.

.

 - мезон в космических лучах распадается на - мезоны и на мюонное нейтрино.

Аналогично

В связи с этим стало необходимо ввести еще одну характеристику.