Состав ядра и его основные характеристики.

Согласно планетарной (ядерной) модели атома по Резерфорду, атом состоит из положительно заряженного ядра, сосредоточенного в очень малом объеме и содержащем в себе почти всю массу атома и вращающихся вокруг ядра легких отрицательно заряженных электронов. Радиус ядра примерно в 100000 раз меньше радиуса атома и составляет величину порядка 10^-15 м.

В соответствии с протонно-нейтронной моделью строения ядра, предложенной В. Гейзенбергом и Д. Д. Иваненко (1939 г.), ядро является сложным образованием и состоит из более мелких частиц - положительно заряженных протонов и незаряженных (электрически) нейтронов. Этим частицам дают общее название - нуклоны (ядерные частицы; nucleus (лат.) - ядро)

Заряд протона численно равен заряду электрона (1,6×10^-19 Кл), а масса протона чуть меньше массы нейтрона (наличие заряда и электрического взаимодействия как бы "съедают" часть массы, "снимают стружку" с частицы) и почти в 2000 раз больше массы электрона:

В отличие от протона, являющегося стабильной частицей, нейтрон в свободном состоянии нестабилен и распадается с периодом полураспада порядка 10 минут.

Заряд (электрический) ядра определяется числом протонов в ядре. Это число обозначается Z и называется зарядовым. Оно же является порядковым номером соответствующего химического элемента в таблице Менделеева. Если число нейтронов в ядре обозначить за N , то сумма нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре выразится числом A = Z + N, называемым массовым числом. Этому числу пропорциональна масса ядра.

Используя зарядовое Z и массовое А числа, вводят следующее условное обозначение ядер: , где за Х обозначен химический символ соответствующего элемента в таблице Менделеева.

Ядра атомов с одинаковыми зарядовыми, но разными массовыми числами называются изотопами. Примерами изотопов являются обычный , тяжелый (дейтерий) и сверхтяжелый (тритий) - водород. Изотопы есть почти у всех химических элементов.

В природе, в естественном состоянии, встречаются ядра с зарядовыми числами до 93, исключая технеций (Z = 43) и прометий (Z = 61).

Плотность ядерного вещества составляет величину порядка[18] и она примерно одинакова для всех ядер. Это означает, что ядерное вещество несжимаемо, подобно капле жидкости. Этот вывод справедлив для всех ядер за исключением самых легких, т. е. с малыми А. Капельная модель - наиболее простая модель ядра.

Объем ядра оказывается пропорциональным числу нуклонов А, а радиус ядра (считая его сферическим V = 4pR³/3) выражается формулой: м. Четко очерченной границы ядра нет, поэтому размер ядра имеет приближенный характер, в частности, поэтому величина R_о представлена диапазоном значений.

Что удерживает (склеивает) нуклоны в ядре? Ведь нейтроны не заряжены, а протоны должны электрически отталкиваться друг от друга! Для объяснения опытного факта устойчивости существования ядра, устойчивости соединения протонов и нейтронов в ядре, было выдвинуто предположение о наличии в природе нового, дополнительного к известным гравитационному и электромагнитному взаимодействиям - ядерного, являющегося гораздо более сильным в сравнении с гравитационным и электромагнитным. На малых расстояниях (внутриядерных, порядка 10^-15 м) это взаимодействие носит характер притяжения, причем оно не зависит от электрического заряда частиц и является одинаковым для протонов и нейтронов[19]. На еще меньших расстояниях ядерное взаимодействие-притяжение сменяется отталкиванием и таким образом, возможно состояние и положение динамического равновесия. Для сравнения можно сказать, что в маленьком ядре составные части - нуклоны связаны сильными, но короткодействующими ядерными силами, а в "большом" атоме частицы (электроны и ядра) связаны более дальнодействующими, но и более слабыми электрическими силами.

Вследствие короткодействующего характера ядерные силы обладают свойством насыщения. Оно проявляет себя в том, что каждый нуклон способен эффективно взаимодействовать лишь с небольшим числом (2-3) близких к нему нуклонов. Например, два протона и два нейтрона, образующие так называемую a - частицу, практически не взаимодействуют с другими нуклонами ядра.

Связанное (в ядре) состояние нуклонов отвечает минимуму потенциальной (ядерной) энергии взаимодействия нуклонов, поэтому полная энергия (и масса соответственно) их в ядре оказывается меньшей их полной энергии и массы в состоянии, когда нуклоны разведены на расстояния, при котором они не взаимодействуют друг с другом. Поэтому на расщепление ядра требуется затратить работу против сил связи (ядерных), удерживающих нуклоны в ядре. Эта работа равна разности энергий нуклонов связанных в ядре и тех же нуклонов, но не взаимодействующих друг с другом. Иначе говоря, эта работа и выражает собой энергию связи нуклонов в ядре:

Е_св = [Zm_р + (А - Z)m_n - М_я]с² = DМ×с²,

где за DМ = Е_св/c² = [Zm_р + (А - Z)m_n - М_я] обозначена разность масс нуклонов и ядра, называемая дефектом массы[20] ядра.

В соответствии с зависимостью Е_{св уд} (А), имеем две возможности выделения внутренней энергии ядерного взаимодействия нуклонов (ядерной энергии). Первая - путем синтеза легких ядер в более тяжелые (на левом участке кривой Е_{св уд} (А). Вторая - обратным путем - делением более тяжелых ядер на легкие (на правом участке кривой Е_{св уд} (А). И в том, и в другом случае, продукты ядерных превращений должны обладать большей удельной энергией связи. Разница же в энергиях связи исходных ядер и продуктов реакций синтеза или деления ядер и есть выделяемая в виде кинетической энергии продуктов и/или излучения, внутриядерная энергия.

Процессы взаимодействия ядра с частицей или другим ядром, сопровождающиеся взаимопревращениями ядер, называются ядерными реакциями. Символическая запись ядерной реакции:

А + а = В + в или А(а, в)В,

где А и В - исходное и конечное ядра, а и в - исходная
и конечная частицы в ядерной реакции. В качестве примеров приведем реакции синтеза и деления ядер:

и .

В ядерных реакциях выполняются законы сохранения зарядового Z и массового А чисел: сумма соответствующих чисел слева (до реакции) и справа (после реакции) должна оставаться неизменной.

Реакция синтеза легких ядер в более тяжелое ядро требует преодоления потенциального барьера - кулоновского отталкивания положительно заряженных ядер. Обычно это преодоление достигается нагревом ядер до высоких температур, при которых они приобретают высокие скорости движения и кинетическую энергию, достаточную для преодоления кулоновского отталкивания. Поэтому реакции синтеза называют еще термоядерными. Они, по-видимому, являются источниками энергии звезд, компенсирующими их излучение.

В термоядерной реакции синтеза тяжелого и сверхтяжелого водорода: выделяется теплота в виде кинетической энергии продуктов реакции, равная 17,6 МэВ, или, в расчете на один нуклон - 3,5 МэВ. Такого рода реакция осуществлена пока в неуправляемом, взрывном виде - в так называемой водородной (или термоядерной) бомбе. Высокая температура, необходимая для протекания термоядерной реакции синтеза легких ядер, получается здесь за счет "обычной" атомной бомбы, действующей на принципе быстрой цепной реакции деления тяжелых ядер. Примерами таких реакций являются реакции деления ядер урана. Внешнее влияние, оказываемое на ядра, ускоряет процесс их деления. Изотоп урана ²³⁶₉₂ U образуется при захвате ядром урана ²³⁵₉₂U нейтрона, который в отличие от положительно заряженного протона нейтрален и способен приблизиться к ядру урана, двигаясь даже с малой скоростью. Образующийся изотоп урана находится в сильно возбужденном состоянии. Согласно капельной модели ядра, форма изотопа урана становится далекой от сферической и может принять гантелеобразную форму. В итоге вследствие кулоновских сил отталкивания между протонами ядро делится на два осколка. Помимо ядер-осколков образуется несколько (2 или 3)свободных нейтронов.

В природе существует два изотопа урана: и . Первый из них делится на два или более мелких (легких) ядра под действием облучения медленными нейтронами. Ядро урана оказывается перегруженным нейтронами и при поглощении еще одного делится на более легкие ядра. Примечательно, что в качестве продуктов этого деления оказываются еще два - три нейтрона, которые при соответствующих условиях могут вызвать деление других ядер. Таким образом, возникает возможность лавинообразного нарастания числа делящихся ядер. Для этого, правда, необходимо еще обеспечить условия замедления получающихся в результате реакции деления нейтронов (вторичных) до тепловых скоростей, при которых они бы успевали прореагировать с ядрами урана, вызвать их деление. Для этого в активную зону реакции деления вводят специальный замедлитель (графит, бериллий, тяжелая вода D₂О), при столкновении с ядрами которого, быстрые нейтроны (вторичные) замедляются до скоростей, при которых они эффективно поглощаются ядрами урана . Ядра же урана эффективно делятся и быстрыми нейтронами. Коэффициент размножения нейтронов зависит от объема и массы взаимодействующего вещества.

Существует некоторая масса урана, называемая критической, ниже которой число вторичных нейтронов (коэффициент размножения нейтронов меньше единицы). Поэтому в урановой (атомной) бомбе ядерная взрывчатка состоит из двух частей, масса которых меньше критической. Для чистого урана ²³⁵₉₂U, имеющего форму шара, критическая масса примерно равна 50 кг, если возвращать нейтроны, уходящие во внешнюю среду, в делящееся вещество путем отражения от оболочки из бериллия и использовать замедлитель, то критическая масса снижается до 0,25 кг.

Соединение этих двух кусков в один с массой большей критической, обеспечивается с помощью обычной бомбы, разрывающей перегородку между двумя кусками и соединяющей их в одно целое. При этом возникает неуправляемая лавинно нарастающая реакция деления ядер урана, сопровождающаяся выделением внутриядерной энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции и жесткого электромагнитного излучения ( - излучения).

Реакция деления ядер может быть осуществлена в регулируемом, управляемом виде. Для этого в активную зону реакции вводят специальные стержни из вещества, сильно поглощающего нейтроны. Регулируя уровень погружения этих стержней в активной зоне реакции, добиваются обеспечения коэффициента воспроизводства нейтронов, равного единице. Реакция выходит при этом на стационарный режим с выделением энергии, определяемой количеством загруженного в реактор урана. Скорость протекания цепной реакции определяется коэффициентом размножения k , который представляет собой отношение числа нейтронов в каком-то одном поколении N_i к числу нейтронов предшествующего поколения N_i-1. k = N_i / N_i-1. Необходимое условие протекания цепной реакции: k ³ 1.

При k = 1 число нейтронов каждого поколения одинаково, реакция неизменна во времени.

При k > 1 число нейтронов растет, возникает лавинообразный рост делящихся ядер. Как показывает детальный расчет при k >1,006 ядерная реакция неуправляема, при k =1,01 происходит взрыв.

В качестве поглотителя обычно используется графит или соединения бора с кадмием, а в качестве замедлителя - углерод или обычная вода.

Радиоактивность. Механизм и характеристики - и - распада ядер. Особенности - излучения. Закон радиоактивного распада ядер и его основные характеристики.

Под радиоактивностью понимают явление самопроизвольного превращения ядер (неустойчивых изотопов) одних элементов в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием разного рода частиц. Радиоактивность может быть искусственной (для ядер, получаемых искусственно, в результате ядерных реакций). С выявлением ядерных превращений реализовалась вековая мечта алхимиков, и в принципе, только высокие энергетические затраты не позволяют пока в достаточных масштабах превращать в золото менее благородные вещества.

Явление радиоактивности, открытое А. Беккерелем в 1896 г. сопровождается, как показали исследования П. и М. Кюри, испусканием трех видов излучений, названных ими a -, b -, g - лучами. Сейчас мы знаем, что a - лучи это поток так называемых a - частиц, представляющих собой ядра атома гелия - очень устойчивые образования из двух протонов и двух нейтронов (дважды магическое ядро).

В тяжелых ядрах a - частицы (образованные из 4 нуклонов) находятся в потенциальной яме, где их энергия квантуется. Будучи в ядерном отношении самонасыщенными, a - частицы испытывают ослабленное ядерное притяжение к другим нуклонам и повышенное кулоновское отталкивание от ядра.

Из опытов известно, что a - частицы вылетают из тяжелых ядер (с Z > 82) с энергиями, меньшими глубины потенциальной ямы. Поэтому вылет a - частиц объясняют туннелированием, "просачиванием" их через потенциальный барьер. Энергия a - частиц в потенциальной яме квантуется: Е_a » 6 МэВ.

При b - распаде из ядра вылетают b - частицы, под которыми понимают электроны и позитроны. Позитроны, представляя собой античастицы по отношению к электронам, являются неустойчивыми, и в опыте при b - распаде наблюдается лишь поток электронов. Откуда же берутся b - частицы, выбрасываемые ядром, состоящим из протонов и нуклонов? Принцип неопределенности Dх×Dр_х ³ запрещает электронам находиться в ядре. При Dх » 10^-15 м, Du_х > с, чего быть не может.

b - распад есть следствие взаимопревращения нуклонов в ядре, протекающего по следующей схеме:

и , где символами n и обозначены элементарные частицы, названные нейтрино и антинейтрино, соответственно. К представлению об этих частицах пришел Паули, пытавшийся объяснить непрерывный характер энергии b - частиц, испускаемых радиоактивными ядрами. Уменьшение энергии вылетающих электронов в сравнении с Е_макс (- энергией, теряемой ядром) - кажущееся нарушение закона сохранения энергии, было объяснено Паули тем, что часть энергии уносится некоторой дополнительной незаряженной частицей, названной им на итальянский манер - нейтрино (нейтрончиком). Электрону же остается неопределенная энергия, точнее, определенная лишь сверху – значением Е_макс. Таким образом, в отличие от a - частиц, энергетический спектр b - частиц является сплошным.

g - лучи, представляющие собой жесткое (с очень высокой частотой) электромагнитное излучение, обычно сопровождают все типы радиоактивного распада ядер. Ядро в целом, как и атом, его электронная оболочка, может находиться в различных квантовых состояниях с дискретными (квантованными) значениями энергии. Разнос этих уровней в тысячи раз превышает значения, характерные для атомов, составляя тысячи и десятки тысяч электроновольт. При распаде так называемого материнского ядра, получающееся дочернее ядро оказывается в разных возбужденных состояниях, из которых оно может перейти в основное состояние путем испускания g - квантов.

- излучение - основная форма уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Дискретный линейчатый спектр g - излучения является подтверждением дискретного характера энергетических уровней ядра, как квантовой системы.

Получим закон радиоактивного распада ядер. Пусть из N имеющихся радиоактивных ядер за время dt распадается dN ядер. Число ядер, оставшихся нераспавшимися, уменьшится на dN. Так как ядра распадаются независимо, то dN будет прямо пропорционально начальному общему числу N ядер и интервалу времени dt, то есть: dN = - lNdt, где l - характеристика (константа) сорта ядер. l = - dN/Ndt - вероятность распада 1 ядра за 1 с называется постоянной распада. Знак минус отражает то, что dN < 0, то есть число ядер N убывает со временем.

Проинтегрируем имеющееся дифференциальное соотношение:

- закон радиоактивного распада ядер (ЗРРЯ).

Получили экспоненциальный характер убывания числа N ядер, оставшихся нераспавшимисяк моменту времени t. Характерным параметром этого распада являются среднее время t жизни ядер, представляющее собой такое время, за которое число ядер оставшихся нераспавшимися, уменьшается в е = 2,72 раз. Постоянная распада l оказывается обратной среднему времени жизни ядер l = 1/t. Действительно, при t = 1/t = 1/l , N(t) = N_ое^-t/t = N_о/е.

Чаще используется такая временная характеристика распада ядер, как период полураспада Т - время, за которое число нераспавшихся ядер уменьшается в 2 раза.

При t = Т, N(Т) = N_ое^-lТ = N_о/2 Þ Т = ln2/l = t ln2 » 0,7t.

Быстроту распада ядер характеризуют величиной А, называемой активностью, измеряемой числом распадов в секунду.

Единица активности - беккерель - один распад в секунду, или кюри: 1 Кю = 3,7×10¹⁰ Бк (расп/с).

Элементарные частицы.

На макроуровне физическая реальность подразделялась на дискретное в пространстве (локализованное) вещество и непрерывное (континуальное) поле. В микромире, то есть при расстояниях меньших 10^-8 м, в строении физической реальности выделяются три уровня:

1. Атомно-молекулярный;

2. Ядерный;

3. Субъядерный (уровень элементарных частиц).

Атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, окружено сравнительно рыхлой и легко перестраиваемой электронной оболочкой, свойства которой ответственны за химические, оптические и другие физические свойства вещества.

Электрон - родоначальник класса элементарных частиц, называемых лептонами (от греч. leptos - легкий), в который входят и другие частицы.

Протоны и нейтроны являются типичными представителями другого класса микрообъектов - адронов (adros - с греч. - крупный, сильный).

При переходе атома (и/или ядра) из возбужденного в основное состояние порождается – квант электромагнитного поля – (фотон, g - квант), который обладает всеми свойствами частиц. Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством обмена фотонами между заряженными частицами (телами). Фотон есть типичный представитель нового важнейшего класса микрообъектов - переносчиков фундаментальных взаимодействий.

Сравнительно недавно нуклоны, электроны и фотоны размещались на едином уровне элементарных частиц и рассматривались как его полноправные члены. Однако постепенно выяснилось, что протон и нейтрон (и вообще все адроны) являются составными микрообъектами. Они построены из некоторых более "мелких" частиц, которые обозначают символами u и d . Эти частицы принадлежат к еще одному (четвертому) классу элементарных частиц – классу кварков.

Сейчас, по традиции, к элементарным частицам относят все субъядерные микрообъекты, хотя многие из них являются составными, а не элементарными. Здесь повторилась ситуация с термином "атом" - неделимый (с греческого).

Согласно современным воззрениям, единый ранее уровень элементарных частиц, на самом деле, оказывается расщепленным на два уровня. На верхнем уровне - адронном - расположены составные частицы, включая протон и нейтрон. На нижнем уровне располагаются истинно элементарные частицы, часто называемые фундаментальными. Именно на нем находится электрон (лептоны), фотон (переносчики взаимодействий), а также частицы u и d (кварки).

Существуют ли более глубокие уровни строения материи, в настоящее время неизвестно, хотя такие возможности обсуждаются и даже строятся конкретные модели (субкварки, преоны и др.).

Проникнуть внутрь, вглубь (на малые расстояния) физической реальности для выяснения строения элементарных частиц можно с помощью пучков заряженных частиц. Современные ускорители обеспечивают ускорение до энергий порядка 10¹² эВ, что отвечает расстояниям . На таких расстояниях электрон еще не обнаруживает внутренней структуры.

В настоящее время общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. И актуальной является проблема классификации этого разнообразия, проблема наведения порядка в этом «зоопарке» элементарных частиц.

Классификация элементарных частиц может проводиться по разным основаниям – характеристикам частиц – времени жизни, массе, спину, заряду, магнитному моменту и др.

Почти все элементарные частицы крайне нестабильны и, образуясь во вторичном космическом излучении (или на ускорителях), быстро распадаются, превращаясь в конечном итоге в стабильные частицы. Абсолютно стабильны - электрон, протон, фотон и нейтрино

( )

У наиболее коротко живущих частиц, называемых резонансами, среднее время жизни составляет (10^-24 ¸ 10^-23) с.

Для нестабильных частиц в таблицах наряду с временами жизни указываются также типы распадов, например, для нейтрона среднее время жизни которого около 15 мин, схема распада:

n ® р + е^- + .

Наиболее тяжелая из известных сейчас элементарных частиц - промежуточный бозон - почти в 100 раз тяжелее протона.

По спину, обычно выражаемому в единицах , различают частицы с целым спином, называемые бозонами (фотон со спином 1, до мезонного резонанса со спином 6) и фермионы - с полуцелым спином.

Электрический заряд у частиц изменяется от нуля до 2е (е = 1,6×10^-19 Кл). Магнитные моменты элементарных частиц выражают в магнетонах . Причем различают электронный магнетон, называемый магнетоном Бора ( ) и ядерный магнетон , для m = m_р;

.

У фотона и нейтрино магнитный момент равен нулю, у электрона равен магнетону Бора, у протона равен m_р = 2,8m_я, у нейтрона m_n = - 1,9 m_я (знак минус говорит о направлении магнитного момента, противоположном спину частицы).

Практически у каждой элементарной частицы имеется античастица, обозначаемая тем же символом, но с тильдой (волнистой линией) сверху. Античастицы отличаются от частиц противоположными знаками зарядов (электрического, барионного, лептонного и др.) и магнитного момента. При встрече частицы с античастицей происходит их аннигиляция, то есть взаимоуничтожение с выделением огромного количества энергии в виде излучения. Наша Вселенная замкнута, изолирована от антиматерии.

У некоторых частиц, называемых истинно нейтральными, все "заряды", равны нулю, и они тождественны своим античастицам. Таков, например, фотон.

Первая античастица - позитрон - была зарегистрирована в 1932 году Андерсоном (предсказана же - в 1928 году Дираком) в космическом излучении с помощью камеры Вильсона со свинцовой пластинкой в сильном магнитном поле.

Встречаясь, друг с другом, электрон и позитрон (медленные) аннигилируют, порождая 2 (реже 3) фотона:

.

При соударении g - квантов с заряженной частицей Х (обычно ядром - для выполнения обоих законов сохранения - энергии и импульса) рождается электрон-позитронная пара:

Всякая содержательная систематика элементарных частиц основывается на их отношении к фундаментальным взаимодействиям. В настоящее время различают 4 типа фундаментальных взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы:

- сильное взаимодействие - свойственно адронам (например, протону и нейтрону). Наиболее известное его проявление - внутриядерные силы. Примеры процессов, вызываемых сильным взаимодействием - реакции рождения антипротона и антинейтрона;

- электромагнитное взаимодействие - свойственно электрически заряженным частицам и фотону. Одно из его проявлений - кулоновские силы, обусловливающие существование атомов;

- слабое взаимодействие - присуще всем элементарным частицам кроме фотонов. Наиболее известное его проявление - - превращение атомных ядер. Оно же обеспечивает нестабильность многих элементарных частиц, например, нейтрона. Только в слабом взаимодействии (не считая гравитационного) участвует нейтрино и антинейтрино;

- гравитационное взаимодействие - предельно слабое и в микромире заметной роли не играет.

По отношению к фундаментальным взаимодействиям можно выделить 4 класса элементарных частиц: лептоны, адроны, кварки и переносчики фундаментальных взаимодействий.

Лептоны - не участвуют в сильном взаимодействии; все они имеют полуцелый спин, то есть являются фермионами. Этот класс включает в себя всего 6 частиц, разбитых на три семейства (дублета, пары): 1) электронный дублет ( - электрон с электронным нейтрино), 2) мюонный дублет ( - мюон с мюонным нейтрино), 3) таонный дублет ( - таон с таонным нейтрино). Каждому из дублетов этих лептонов соответствует дублет антилептонов. Для того, чтобы выделить класс лептонов из всего многообразия элементарных частиц и различить лептоны и антилептоны (прежде всего - нейтрино и антинейтрино) была введена новая физическая величина - лептонный заряд (или число) L. По определению, у всех лептонов L = 1, у антилептонов L = -1, у прочих элементарных частиц L = 0. Как и электрический заряд, лептонный заряд сохраняется в любом взаимодействии. Поэтому при b - распаде вместе с электроном появляется антинейтрино, а с позитроном - нейтрино.

Мюон в 200, а таон в 3500 раз тяжелее электрона, то есть лептоны - не легчайшие (как это следует из этимологии слова) частицы.

Адроны - составные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, а также и в трех остальных физических взаимодействиях. Класс адронов является самым многочисленным классом; он насчитывает вместе с античастицами более 300 частиц.

Различают стабильные (точнее, метастабильные) адроны с временем жизни большим 10^-23 с и так называемые резонансы, живущие менее 10^-23 с. Адроны с целым спином называют мезонами (глюоны, каоны, -мезон), а с полуцелым спином - барионами (гипероны и нуклоны). Для характеристики этого внутреннего различия вводят барионный заряд В, который у всех барионов равен В = 1, у антибарионов В = -1, у всех прочих частиц (включая и мезоны) В = 0. Барионный заряд, как и лептонный, и электрический - сохраняется во всех взаимодействиях.

В настоящее время можно считать практически доказанным, что все адроны состоят из кварков - необычных фундаментальных частиц, у которых есть свои античастицы. Электрические заряды кварков и антикварков имеют дробные (в единицах q_e) значения электрического заряда, кратные одной трети q_e = 1,6×10^-19 Кл. Различают 6 кварков: u - верхний, d - нижний, s - странный, c - очарованный, b - прелестный, t - истинный. Они образуют три дублета или поколения: (u, d); (c, s); (t, b). Это схоже с тремя дублетами лептонов.

Каждый мезон строится из одного кварка q и одного антикварка , а каждый барион В из трех кварков; M = q ; B = qqq (протон p = uud; нейтрон n = udd). Заряд верхнего кварка q_u = (2/3)|q_е|, а нижнего q_d = - (1/3)½q_е½.

Кваркам приписывают 3 цвета: красный, зеленый, и голубой; антикваркам - антицвета. Барионы, состоящие из трех кварков разного цвета, оказываются бесцветными (белыми) частицами. Кварки же, будучи цветными частицами, могут находиться только внутри белых частиц - адронов. Это трактуется как пленение (конфайнмент) кварков и объясняет их невозможность существования и наблюдения в свободном состоянии.

К частицам, переносящим фундаментальные взаимодействия, относят фотон, глюон, промежуточный векторный бозон и гравитон. Последний пока экспериментально не обнаружен.

[1] Спектром какой либо величины называют совокупность значений, которые может принимать эта величина.

[2] С латинского сorpuskulum - частица

[3] Формулу Планка Е = hn записывают и через циклическую частоту w = 2pn: Е = hn = hw/2p = w, где константу

= h/2p » 1,05×10^-34 Дж×с, тоже называют постоянной Планка.

[4] С латинского lokus – место.

[5] Под световым потоком Ф понимают величину, равную энергии излучения, падающего на поверхность за единицу времени.

[6] Красную границу фотоэффекта часто выражают через максимальную длину волны света l_о = с/n_о; для многих веществ она

лежит в красном диапазоне света.

[7] При достаточно высокой частоте n света, облучающего фотокатод, скорость u фотоэлектронов может приближаться к ско-

рости света в вакууме с = 3×10⁸ м/с, и тогда от классического выражения для кинетической энергии Е_к = mu²/2 необходимо

переходить к релятивистскому выражению: Е_к = mс²/Ö(1 – u²/с²) - mс².

[8] Световой поток Ф представляет собой мощность излучения, падающего на поверхность, а интенсивность излучения есть поверхностная плотность светового потока, то есть мощность излучения, приходящаяся на единицу площади.

[9] Из L_е = h/mc Þ hс/L_е = mс², откуда комптоновская длина волны L_е для электрона равна длине волны фотона, при которой его энергия Е_ф = hс/L_е равна энергии покоя mс² электрона.

[10] В релятивистском случае, при u » с, необходимо использовать более общее выражение для импульса: р = (1/с)Ö(Е² – m²с⁴).

[11] У микрообъектов дебройлевская длина волны оказывается много больше, а у макрообъектов много меньше их собственных размеров.

[12] Величина в соотношениях неопределенности носит не строгий, а оценочный характер. У разных авторов можно встре-

тить и /2, и 2p.

[13] Все меняется столь часто, что практически ничего не меняется.

[14] Стационарное состояние с наименьшей энергией называется основным.

[15] Возможны переходы электрона в атоме «сверху вниз» и без излучения кванта света. В этом случае энергия возбуждения отдается обычно решетке твердого тела, то есть в виде внутренней, тепловой энергии.

[16] Обычно соударения легкого электрона с массивным атомом ртути носят упругий характер – без изменения энергии электрона.

[17] В квантовой механике принцип соответствия будет выражаться иным, нежели n ® ¥ условием, а именно ® 0.

[18] Для сравнения, у железа r » 10⁴ кг/м³.

[19] В связи с этим протон и нейтрон можно считать двумя состояниями одной и той же частицы – нуклона.

[20] При соединении нуклонов в ядро, с них за счет взаимодействия, как бы "снимается стружка", и в результате масса ядра оказывается меньшей, чем масса составляющих его, но не взаимодействующих нуклонов.