Ядра атомов одного и того же химического элемента, содержащее различное количество нейтронов, называются изотопами.

Ядра атомов одного и того же химического элемента, содержащее различное количество нейтронов, называются изотопами.

Например: водород имеет три изотопа:

- протий состоит из одного протона;

- дейтерий имеет один протон и один нейтрон;

- тритий имеет один протон и два нейтрона.

В первом приближении ядро можно считать сферой, радиус которой равен:

м = ф,

где ф- ферми – единица длины в ядерной физике.

То есть, плотность вещества в ядрах примерно одинакова, так как их объём пропорционален числу нуклонов в ядре.

Каждый нуклон имеет полуцелый спин, т.е. и протоны и нейтроны являются фермионами.

Спины отдельных нуклонов в ядре складываются в результирующий спин ядра.

Поэтому спиновое квантовое число ядра может быть полуцелым, если число нуклонов в нем нечетное или целым (даже нулевым) при четном массовом числе.

У всех четно-четных ядер, такое ядро содержит четное число протонов и четное число нейтронов, спиновое число равно нулю. Поскольку масса нуклона больше массы электрона примерно в тысячу раз, то общей массой электронной оболочки принято пренебрегать и массу ядра считать равной массе атома.

Существуют частицы, которые могут без каких-либо внешних воздействий (самопроизвольно) делиться на несколько элементарных частиц; это явление называется радиоактивным распадом.

Запишем закон сохранения энергии для такого самопроизвольного распада, в соответствии с теорией относительности:

,

где Т – кинетическая энергия частицы, - её энергия покоя.

Пусть масса распадающейся частицы равна М, а массы n – частиц, на которые она распадается . Согласно закону сохранения энергии энергия покоя исходной частицы должна быть равна сумме энергий частиц-продуктов распада:

,

где - кинетическая энергия i –ой частицы.

Отсюда следует, что самопроизвольный распад частицы возможен только при условии, что ее масса М больше суммы масс продуктов распада.

.

При слиянии частиц должно выполняться обратное условие.

Определим массу ядра атома гелия He, который состоит из 2-х протонов и 2-х нейтронов; т.е. его массовое число А равно 4, а зарядовое Z = 2.

Проводя тривиальные расчеты

В таблице Менделеева указана масса атома гелия равная , что существенно меньше того, что мы получили.

Это обусловлено тем, что при объединении свободных нуклонов возрастает их потенциальная энергия.

Учитывая, что масса покоя любой частицы связана с её энергией законом Эйнштейна

, энергия четырёх свободных нуклонов будет равна: .

Энергия же нуклонов, объединенных в ядро .

Разность энергий свободных нуклонов и ядра называется энергией связи нуклонов в ядре:

.

Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из свободных нуклонов должно выделаться столько же энергии, сколько её нужно затратить при его расщеплении.

Энергия связи нуклонов в ядре численно равна работе, которую надо совершить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны без создания у них начального запаса кинетической энергии.

Величина, равная называется удельной энергией связи нуклонов в ядре.

Учитывая взаимосвязь между энергией и массой, то выделившейся при образовании ядра энергии должна соответствовать эквивалентная масса.

Поэтому для обеспечения стабильности ядра его масса должна быть меньше массы свободных нуклонов на величину:

,

которая называется дефектом массы.

Капельная модель ядра позволила довольно точно рассчитать энергию связи ядра; энергию кулоновского отталкивания протонов; указала на наличие у ядра «поверхностной энергии», аналогичной энергии поверхностного натяжения у капли. Все это позволило оценить полную энергию ядра.

В 1950 году Майером была предложена более детальная модель ядра, называемая «оболочечной». В основе этой модели лежит представление о независимости движения отдельных нуклонов в самосогласованном поле ядра.

а) закон радиоактивного распада.

В 1896 году Анри Беккерель установил, что соли урана дают неизвестное излучение, отличительной особенностью которого была самопроизвольность.

В 1898 году супруги Кюри открыли новые химические элементы (радий и полоний), обладающие аналогичными свойствами. Новое излучение было названо радиоактивным.

Было установлено, что:

- источником радиоактивного излучения являются ядра атомов;

- эти излучения возникают при распаде нестабильного ядра;

-на процесс распада ядра не влияют самые сильные внешние воздействия.

Доза.

1 Рентген– количество рентгеновского или - излучения, при котором 1 кг воздуха поглощает энергию, равную 0,878 Дж. Применяется для определения дозы рентгеновского излучения.

1 Рад – это доза излучения, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию в 1,00 Дж.

1 Грей – это энергия поглощаемая одним граммом вещества.

Однако одинаковые дозы излучений различного типа вызывают разную степень поражения живых тканей.

Так например, 1 рад - излучения причиняет в 10-20 раз больше повреждений живой материи, чем такая же доза - излучения. Это объясняется тем, что - частицы, будучи тяжелыми частицам, двигаются медленнее и производимая ими ионизация клеток оказывается более сильной.

Что бы учесть это вводится коэффициент качества или относительная биологическая эффективность данного типа излучений (ОБЭ), который определяется как доза в радах рентгеновского или - излучений, производящего такой же биологический эффект, что и 1 рад данного излучения.

-излучение ОБЭ =1

медленные нейтроны ОБЭ = 3

быстрые нейтроны ОБЭ < 10

- излучения ОБЭ < 20

Произведение дозы в радах на ОБЭ излучения называется бэр – биологический эквивалент рада.

Мы постоянно подвергаемся слабому облучению естественных радиоактивных источников, космических лучей, естественной радиоактивност горных пород и почвы, попадающих в пищу радиоактивных изотопов. Например сороковой изотоп Калия.

Естественный фон привычный и безопасный для человека для человека составляет в среднем около 0,13 бэр в год.

На рентгеновских установках при флюорографии мы получаем примерно 0,07 бэр в год, при этом интенсивность излучения примерно в один миллиард больше, чем естественный фон. Но при этом флюорография длится доли секунды, а естественный фон постоянен. В Москве он составляет 13-15 мкР/час.

Доза в 10 Грей убивает практически всех млекопитающхся, а вот энергия, соответствующая такой дозе, заключена в стакане горячего чая.

Когда через жвую клетку проходит радиоактивное излучение, оно повреждает в ней биологически важные молекулы, это молекулы ДНК - носители генной информации.

Разрыв молекулы может произойти непосредственно при взаимодействии с излучением – это прямое действие радиации. Но может повреждение получить другие молекулы клетки, например воды, их в клетке около 90%, в результате чего образуются свободные радикалы- агрессивные осколки молекулы. Именно они начинают атаковывать молекулы ДНК – это косвенное действие радиации, но именно на косвенное действие приходится 80-90% все повреждений, полученных клетками при облучении.

Существуют вещества способные перехватывать свободные радикалы – аксиданты. Это витамин Е, меланин.

ЛЕКЦИЯ 14

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ.

1. Виды взаимодействия и классы элементарных частиц.

2. Частицы и античастицы.

3. Кварки.

Элементарными называются мельчайшие частицы материи. Этот термин достаточно условен, так как не существует четкого критерия элементарности частиц. Характерной особенностью элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям.

К 1935 году все выглядело достаточно просто. Основными кирпичиками мироздания являлись три элементарные частицы, из которых состоит атом (протон, нейтрон и электрон) и еще позитрон, нейтрино и - квант.

Однако в последующие десятилетия были открыты сотни других субъядерных частиц.

Начало физики элементарных частиц было положено в 1935 году японским физиком Юкава Хидеки. Он предсказал существование новой частицы, которая являлась бы переносчиком ядерного (сильного взаимодействия).

Вспомним, что к настоящему времени науке известно четыре вида взаимодействий:

Интенсивность каждого взаимодействия принято характеризовать константой взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия.

Гравитационное взаимодействие.Константа этого взаимодействия имеет величину порядка . Радиус действия не ограничен . Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения частицы. Однако в процессах микромира это взаимодействие существенной роли не играет. Существует предположение, что это взаимодействие передается гравитонами (квантами гравитационного поля). Однако к настоящему моменту ни каких экспериментальных фактов, которые подтвердили бы их существование не обнаружено.

Электромагнитное взаимодействие. Константа взаимодействия равна примерно , радиус действия не ограничен . Это взаимодействие ответственно за процессы взаимодействия между молекулами и атомами. Передается оно фотонами.

Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия имеет величину порядка 10. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие, составляет величину порядка м. Передается это взаимодействие посредством - мезона, существование которого было предсказано японским физиком Юкава Хидеки.

Слабое взаимодействие.Это взаимодействие отвечает за все виды - распада ядер, включая электронный К-захват, за процессы распада элементарных частиц и за процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Порядок величины константы этого взаимодействия составляет . Слабое взаимодействие, также как и сильное, является короткодействующим. Частицы, ответственные за слабое взаимодействие, получили название W ,W и Z - частиц, которые были обнаружены в 1983 году Карло Руббиа

при исследования на протон-антипротонном коллайдере, который находится в Женеве в ЦЕРНе ( Европейский центр ядерных исследований).

Вернемся к частице Юкавы. По его теории существует частица, передающая сильное взаимодействие, так же как фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия, её назвали мезоном (промежуточный). Эта частица должна иметь массу промежуточную между массами электрона и протона и составлять . Поскольку фотоны не только передают электромагнитное взаимодействие, но существуют и в свободном состоянии, следовательно, должны существовать и свободные мезоны.

В 1937 году в космических лучах был открыт - мезон (мюон), который, однако не обнаруживал сильного взаимодействия с веществом. Искомую частицу обнаружили в космических лучах через 10 лет Пауэлл и Оккиалини и назвали её - мезоном (пион).

Существуют положительный , отрицательный и нейтральный мезоны.

Заряд и мезонов равен элементарному заряду. Масса заряженных мезонов одинакова и равна 273 , масса электронейтрального - мезона немного меньше и составляет 264 . Спин всех трех мезонов равен нулю; время жизни заряженных мезонов составляет 2,6 с, а время жизни - мезона 0,8 с.

Все три частицы не стабильны.

Элементарные частицы обычно делят на четыре класса:

Фотоны(кванты электромагнитного поля). Они участвуют в электромагнитном взаимодействии, но никак не проявляют себя в сильном или слабом взаимодействиях.

Лептоны. К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны и позитроны , мюоны , а также все виды нейтрино.

Все лептоны имеют спин равный ½. Все лептоны являются носителями слабого взаимодействия. Заряженные лептоны участвуют также в электромагнитном взаимодействии. Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Они не распадаются на составные части, не имеют внутренней структуры и не имеют поддающихся определению размеров верхний предел м).

Последние два класса составляют сложные частицы, имеющие внутреннюю структуру: мезоны и барионы. Их часто объединяют в одно семейство и называют адронами.

К этому семейству относятся все три - мезона, а также К-мезоны. В класс барионов входят нуклоны, которые являются носителями сильного взаимодействия.

Как уже говорилось, уравнение Шрёдингера не удовлетворяет требованиям принципа относительности – оно не является инвариантным по отношению к преобразованиям Лоренца.

В 1928 году англичанин Дирак получил релятивистское квантово-механическое уравнение для электрона, из которого естественным образом вытекало существование спина и собственного магнитного момента электрона. Это уравнение позволило предсказать существование античастицы по отношению к электрону – позитрона.

Из уравнения Дирака получалось, что энергия свободной частицы может иметь как положительные, так и отрицательные значения.

Между наибольшей отрицательной энергией и наименьшей положительной энергией имеется интервал энергий, которые не могут реализоваться. Ширина этого интервала равна . Следовательно, получаются две области собственных значений энергии: одна начинается от простирается до + , другая начинается от и простирается до . Согласно Дираку, вакуум – это пространство, в котором все разрешенные уровни с отрицательными значениями энергии полностью заполнены электронами (согласно принципу Паули), с положительными – свободны. Поскольку заняты все без исключения уровни ниже запрещенной полосы, то электроны, находящееся на этих уровнях никак себя не проявляют. Если одному из электронов на отрицательном уровне сообщить энергию , то этот электрон перейдет в состояние с положительной энергией, то он будет вести себя там как обычная частица с отрицательным зарядом и положительной массой. Вакансия (дырка), образовавшаяся в совокупности отрицательных уровней будет восприниматься как частица с положительными зарядом и массой. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном.

Рождение электронно-позитронной пары происходит при прохождении - фотонов через вещество. Это один из процессов, приводящих к поглощению - излучения веществом. Минимальная энергия - кванта, необходимая для рождения электронно-позитронной пары равна 1,02 МэВ (что совпадало с расчетами Дирака) и уравнение такой реакции имеет вид:

где Х – ядро, в силовом поле которого происходит рождение электронно-позитронной пары; именно оно и принимает избыток импульса - кванта.

Теория Дирака показалась современникам слишком «сумасшедшей» и была признана только после того, как в 1932 году Андерсон обнаружил позитрон в составе космического излучения. При встрече электрона с позитроном происходит аннигиляция, т.е. электрон снова возвращается на отрицательный уровень.

В несколько измененном виде уравнение Дирака применимо к другим частицам с полуцелым спином. Следовательно, для каждой такой частицы существует своя античастица.

Почти все элементарные частицы, как было уже сказано, принадлежат к одному из двух семейств:

1. Лептоны.

2. Адроны.

Основное различие между ними заключается в том, что адроны участвуют в сильном и электромагнитном взаимодействиях, а лептоны – нет.

Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Их всего было четыре: электрон ( ), мюон ( ), электронное нейтрино ( ), мюонное нейтрино . Позже были открыты лептон и его нейтрино . Они не распадаются на составные части; не обнаруживают ни какой внутренней структуры; не имеют поддающихся определению размеров .

Адроны более сложные частицы; они обладают внутренней структурой и участвуют в сильном ядерном взаимодействии. Это семейство частиц можно разделить на два класса:

мезоны и барионы ( протон, нейтрон, -барионы). Последние четыре вида барионов могут распадаться, в конечном счете, на протоны и нейтроны.

В 1963 году Гелл-Манн и независимо от него Цвейг высказали идею, согласно которой все известные адроны построены из трех истинно элементарных частиц – кварков, которые имеют дробный заряд.

u- кварк q = + ; d – кварк q = - ; s – кварк q = - .

До 1974 года все известные адроны удавалось представить как комбинацию этих трех гипотетических частиц, например: нейтрон n = ddu, А антипротон = ,но открытый в этот год тяжелый - мезон не укладывался в трехкварковую схему.

Основываясь на глубокой симметрии природы, часть физиков высказала гипотезу о существовании четвертого кварка, который получил название «очарованный» его заряд равен q = + . Отличается этот кварк от остальных наличием свойства или квантового числа С = +1 - названного «очарованием» или «charm».

Вновь открытый - мезон оказался комбинацией «очарованного» кварка и его антикварка.

Дальнейшие открытия новых адронов потребовало введение пятого (в) и шестого (t) кварка. Различие между кварками стали называть «цветом» и «ароматом».

Ядра атомов одного и того же химического элемента, содержащее различное количество нейтронов, называются изотопами.

Например: водород имеет три изотопа:

- протий состоит из одного протона;

- дейтерий имеет один протон и один нейтрон;

- тритий имеет один протон и два нейтрона.

В первом приближении ядро можно считать сферой, радиус которой равен:

м = ф,

где ф- ферми – единица длины в ядерной физике.

То есть, плотность вещества в ядрах примерно одинакова, так как их объём пропорционален числу нуклонов в ядре.

Каждый нуклон имеет полуцелый спин, т.е. и протоны и нейтроны являются фермионами.

Спины отдельных нуклонов в ядре складываются в результирующий спин ядра.

Поэтому спиновое квантовое число ядра может быть полуцелым, если число нуклонов в нем нечетное или целым (даже нулевым) при четном массовом числе.

У всех четно-четных ядер, такое ядро содержит четное число протонов и четное число нейтронов, спиновое число равно нулю. Поскольку масса нуклона больше массы электрона примерно в тысячу раз, то общей массой электронной оболочки принято пренебрегать и массу ядра считать равной массе атома.

Существуют частицы, которые могут без каких-либо внешних воздействий (самопроизвольно) делиться на несколько элементарных частиц; это явление называется радиоактивным распадом.

Запишем закон сохранения энергии для такого самопроизвольного распада, в соответствии с теорией относительности:

,

где Т – кинетическая энергия частицы, - её энергия покоя.

Пусть масса распадающейся частицы равна М, а массы n – частиц, на которые она распадается . Согласно закону сохранения энергии энергия покоя исходной частицы должна быть равна сумме энергий частиц-продуктов распада:

,

где - кинетическая энергия i –ой частицы.

Отсюда следует, что самопроизвольный распад частицы возможен только при условии, что ее масса М больше суммы масс продуктов распада.

.

При слиянии частиц должно выполняться обратное условие.

Определим массу ядра атома гелия He, который состоит из 2-х протонов и 2-х нейтронов; т.е. его массовое число А равно 4, а зарядовое Z = 2.

Проводя тривиальные расчеты

В таблице Менделеева указана масса атома гелия равная , что существенно меньше того, что мы получили.

Это обусловлено тем, что при объединении свободных нуклонов возрастает их потенциальная энергия.

Учитывая, что масса покоя любой частицы связана с её энергией законом Эйнштейна

, энергия четырёх свободных нуклонов будет равна: .

Энергия же нуклонов, объединенных в ядро .

Разность энергий свободных нуклонов и ядра называется энергией связи нуклонов в ядре:

.

Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из свободных нуклонов должно выделаться столько же энергии, сколько её нужно затратить при его расщеплении.