Атомное ядро. Элементарные частицы Строение атомных ядер. Массовое и зарядовое числа. Нуклоны

К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп Схема опыта Э. Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер (1919) p = 1, ·10 –19 Кл m p = 1, –27 кг=1, а. е. м. 1 а. е. м. = 1,66057·10 –27 кг. протоны входят в состав ядер атомов

1932 г. Дж. Чедвик Схема установки для обнаружения нейтронов масса нейтрона m n = 1, –27 кг = 1, а. е. м. Открытие нейтрона

Счетчик Гейгера - Мюллера

Камера Вильсона

Строение атомных ядер Российский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно- нейтронном строении атомных ядер.Д. Д. ИваненкоВ. Гейзенберг Протоны и нейтроны - нуклонами. Число протонов Z - зарядовым числом Число нейтронов - N. Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A: A = Z + N

Ядро обозначают тем же символом, что нейтральный атом: Атомное ядро = «нуклид». X- символ химического элемента Частица МассаЗаряд (в единицах заряда электрона) Спин, кгМэВ Электрон9.31· ,51 Протон1.6726· ,25+1 Нейтрон1.6749· ,550 Основные характеристики частиц, входящих в состав атома 1эВ = 1.6· Дж, масса в 1 МэВ рассчитана с использованием формулы на E = mc 2

Всего в природе ~300 устойчивых изотопов, ~50 неустойчивых. Существуют ядра, имеющие большое количество изотопов (Sn – 30 изотопов, 10 из них стабильны ). В ядерных реакциях получено > 1800 изотопов (~100 из них в трансурановой области, лежащей за 92 U) В зависимости от значений Z, A, N различают : «Изотоп» - «то же самое место» - все изотопы данного элемента в одном месте таблицы. ИзотопыИзобарыИзотоны Ядра с одинаковым Z, но разными A Ядра с одинаковыми A, но разными Z Ядра с одинаковым числом нейтронов N

Водород имеет изотопы: - обычный водород или протий (ядро – протон) - стабилен; - тяжелый водород или дейтерий (ядро – дейтрон – 1р и 1n) – стабилен; - тритий (ядро – тритон – 1р и 2n) – радиоактивен.

Взаимодействие нуклонов в ядре, свойства и природа ядерных сил Особенности ядерных сил: 1. Являются специфическими силами притяжения. ~ в 100 раз > электростатических, на десятки порядков силы гравитационного взаимодействия нуклонов. 2. Короткодействующие. Проявляются на расстояниях порядка размеров ядра (~ м – радиус действия ядерных сил). 3. Им присуща зарядовая независимость: ядерные силы между 2-мя р, 2-мя n, или между р и n имеют одинаковую величину. Имеют неэлектростатическую природу, не зависят от заряда нуклонов. 4. Зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов (протон и нейтрон, образуя дейтрон, удерживаются вместе, когда их спины параллельны друг другу). 6. Не являются центральными (в отличие от кулоновских). 7. Обладают свойством насыщения ( каждый нуклон взаимодействует в ядре с ограниченным числом ближайших нуклонов ). Удельная Е связи нуклонов в ядре при числа нуклонов ~ постоянная.

По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено обменом π-мезонов или пионов между нуклонами ( в космическом излучении (Пауэлл и Оккиалини), предсказал Юкава (1935). π + -мезоны, π - - мезоны (׀q׀=׀e׀, m=273m е ), нейтральные π 0 - мезоны (׀q׀=0׀, m=264m е ) Спин π-мезонов =0, нестабильны. Время жизни π+ и π - - 2, с, π 0 -0, с.

В первом приближении ядро можно считать шаром. Размеры атомных ядер ~ ÷ м (

Ни одна модель не дает исчерпывающего описания ядра, каждая рассматривает свою совокупность свойств ядра и свой круг явлений. В теории ядра используют модельный подход – используют различные приближения – ядерные модели, с помощью которых удается объяснить многие свойства атомных ядер. 1. Недостаточность знаний о ядерных силах, действующих между нуклонами. Капельная и оболочечная модели основаны на аналогии свойств атомных ядер со свойствами жидкой капли и электронной оболочки атома. Попытки создать теорию, достаточно точно описывающую многообразие свойств ядер, наталкиваются на : Модели атомного ядра: капельная, оболочечная. 2. Трудность точного решения квантовых уравнений, описывающих движение большого числа нуклонов в ядре. 3. Трудность учета движения нуклонов вследствие сильного взаимодействия между ними.

Капли жидкости – постоянная ρ вещества, не зависящая от числа молекул малая сжимаемость. Ядра – практически одинаковая ρ, не зависящая от числа нуклонов крайне малая сжимаемость ядерного вещества. Модель используют при описании реакций, происходящих при столкновении с ядрами других ядер, нуклонов и других частиц. В капле и ядре – определенная подвижность частиц. Объем капли и ядра ~ числу составных частиц. Капельная – первая простейшая модель ядра (Я.И. Френкель , развита Н.Бором и др.) Аналогия поведения нуклонов в ядре и молекул в капле жидкости. Ядро – как капля заряженной несжимаемой жидкости с плотностью, равной ядерной. Силы между нуклонами короткодействующие (как и между молекулами в жидкости). Позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре, объяснила механизм ядерных реакций, реакций деления ядер. Не смогла объяснить повышенную стабильность некоторых ядер.

Наиболее устойчивы ядра с А=2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 152. Называют магическими, у которых магические числа р и n,- дважды магические – особенно устойчивы (5). При столкновении 2-х нуклонов – обмен их Е кин. Из решения уравнения Шредингера для движущегося в самосогласованном поле нуклона нуклоны в ядре находятся в определенных энергетических состояниях, характеризуемых определенными Ψ и индивидуальными числами n и l. Оболочечная – М. Гепперт-Майер и И. Иенсен Отдельные нуклоны в ядрах движутся независимо в усредненном поле нуклонов. Это поле является сферическим потенциальным (самосогласованным). В ведение этого одинакового для всех нуклонов поля позволяет рассматривать движение отдельного нуклона сводить задачу многих тел к задаче 1-го тела. По модели, нуклоны распределены по дискретным энергетическим уровням, заполняемых согласно принципа Паули, устойчивость ядер связывают с заполнением уровней (ядра с полностью заполненными оболочками наиболее устойчивы).. Модель позволила описать основные свойства ядер в невозбужденном состоянии, объяснить спины и магнитные моменты ядер, периодичность свойств ядер.

Δm = [Zm p + (A – Z)m n ] - m я Разность между суммой масс нуклонов, составляющих ядро, и массой ядра – дефект массы ядра (Δm) E = mc 2 изменению массы соответствует изменение энергии при образовании ядра должна выделяться E = Δmc 2 Измерения массы ядер: m я < Zm p + (A – Z)m n В таблицах обычно не m я, а массы m a атомов для нахождения Δm пользуются Δm = [Zm H + (A – Z)m n ] – m a (m H - масса атома водорода, m a - масса атома исследуемого элемента). Из закона сохранения энергии: для разделения ядра на составляющие его нуклоны необходимо затратить такое количество энергии, которое выделяется при его образовании Энергия связи ядер

Энергия связи ядра – энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны. E св = [Zm p + (A – Z)m n - m я ]с 2 или E св = [Zm H + (A – Z)m n - m]с 2 Удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон. Характеризует устойчивость атомных ядер – с ε уд ядро устойчивее.

Удельная энергия связи ядер Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы, чем ядра средней части таблицы Менделеева.

Зависимость ε уд от А делает энергетически выгодными: 1. Деление тяжелых ядер на более легкие (переходим из конца таблицы в ее середину, разность энергий связи выделяется в виде энергии реакции). 2. Слияние (синтез) легких ядер в более тяжелые - термоядерная реакция переход из начала таблицы в середину, выделяется очень большая энергия реакции синтеза тяжелых ядер из легких энергетически более выгодны. Деление ядер U или Pu под действием захватываемых ядрами нейтронов - в основе действия ядерных реакторов и обычной атомной бомбы. Термоядерные реакции – в недрах Солнца и звезд, при взрывах водородных бомб.

Пример: рассчитаем энергию связи ядра гелия, в состав которого входят два протона и два нейтрона. Масса ядра гелия M я = 4,00260 а. е. м. Сумма масс двух протонов и двух нейтронов составляет 2m p + 2m n = 4, а. е. м. дефект массы ядра гелия равен ΔM = 0,03038 а. е. м. E св = ΔMc 2 = 28,3 МэВ. Образование всего 1 г гелия сопровождается выделением энергии порядка 1012 Дж. Примерно такая же энергия выделяется при сгорании почти целого вагона каменного угля.

Естественная и искусственная радиоактивность. Радиоактивность – превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций. Естественная радиоактивность – радиоактивность у существующих в природе неустойчивых изотопов – А.Беккерель – U-соль испускает лучи, проходящие через бумагу, дерево, тонкие металлические пластинки, ионизируют воздух становится проводником электричества. Э.Резерфорд – Эти лучи содержат минимум 2 компоненты, различающиеся проникающей способностью. Менее проникающее излучение – α-лучи, более – β-лучи П.Виллар – Третий компонент радиоактивного излучения - γ-лучи. Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка.

Радиоактивными являются все химические элементы с Z > 83, у элементов с Z < 83 имеются отдельные радиоактивные изотопы. Радиоактивное излучение является следствием внутриядерных процессов. В 1898г. французские физики М. и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний Ро и радий Rа Установлено: все воздействия (механическое, давление, температура, электрическое и магнитное поля) не влияют на характер радиоактивного излучения.

N – число радиоактивных ядер в данный момент времени; dN – уменьшение их числа за промежуток dt dN = –λ N dt λ - постоянная для данного радиоактивного элемента, определяет вероятность распада каждого отдельного ядра атома за 1 с - постоянная радиоактивного распада; «-» показывает, что число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает. Закон радиоактивного распада

1. Среднее время жизни (τ) – время, в течение которого число нераспавшихся ядер уменьшается в е раз. Для описания радиоактивного распада используют: 2. Период полураспада (Т) – промежуток времени, по истечении которого начальное число N 0 ядер радиоактивного вещества уменьшается вдвое. Т ядер от до лет ( 238 U 4,5 млрд лет, 226 Rа – 1620 лет, 23 Mg – 11,6 с)

- активность радиоактивного вещества в начальный момент времени. Активность радиоактивного вещества – число ядер, распавшихся за единицу времени. Единицей активности в системе СИ являются беккерель (Бк): 1 Бк = 1 распад/секунда - активность нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада. кюри (Кu): 1Кu = 3.7·10 10 Бк (это активность 1г. чистого урана).

Альфа – распад Туннелирование α-частицы сквозь потенциальный барьер Все радиоактивные распады происходят в соответствии с правилами смещения, являющимися следствием законов сохранения электрического заряда и массового числа. Длина пробега (пробег) α-частицы – расстояние, на котором она производит ионизацию. Н.у. в воздухе пробег 4 см, зависит от источника α-частиц (для 238 U – 2,7 см, 226 Rа – 3,3 см, 232 Тh – 2,8 см). В жидкостях и твердых телах – миллионные доли метра.

Бета- распад 1) -распад (электронный): - электронное антинейтрино.

Гипотеза о существовании нейтрино (антинейтрино) была обусловлена: 1. Энергетический спектр электронов (позитронов) при β-распаде непрерывен ( в отличие от α- частиц), с резко обозначенным максимальным значением Е кин. N – число частиц с данной Е. Иногда обозначают dN/dt (dN – число электронов, энергия которых заключена в интервале dЕ). E max E 0 N => Распады, при которых Е электрона < Е max, протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии. Введение ν(ν), обладающих энергией, решает проблему. 2. При β-распаде число нуклонов в ядре не изменяется (не изменяется массовое число А). Не должен меняться спин ядра. Вылет электрона должен изменить спин ядра на ½ħ. Противоречие закону сохранения импульса спина. Введение ν(ν), имеющего спин ½ħ, устраняет кажущееся нарушение закона сохранения спина – Дэвис- экспериментальное доказательство существования ν; Ли, Янг, Ландау – ν и ν имеют нулевую массу покоя, отличаются направлением спинов ( у ν - против движения, у ν - по движению).

Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино при участии тяжёлого W бозона

Нейтрино - это электрически нейтральная элементарная частица с о спином и нулевой (скорее < m e ) массой покоя. Проникающая способность нейтрино столь огромна, что затрудняет удержание этих частиц в приборах. Пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет 1018м. Позитрон. Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г.П. Дираком Бета- распад 2) -распад (или позитронный) : Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

3. Электронный захват (е-захват или К-захват) 1937 Луис Уолтер Альварес Если возникшее ядро в возбужденном состоянии испускание γ- фотона при переходе в более низкое энергетическое состояние. Ядро поглощает К-электрон (реже L- или M-электрон) атома, в результате один из протонов превращается в нейтрон, испуская нейтрино: Для ядер с Z < 100 (без исключения) существуют нестабильные изотопы, обладающие β + -активностью. Выделяемая в процессе распада энергия 0.02 ÷ 16.6 МэВ. α-распад наблюдается только у самых тяжелых ядер, β-активные ядра более многочисленны. Период полураспада β-активных ядер от с до лет. K - оболочка L - оболочка К-захват L-захват ядр о

Alpha source beneath a radiation detector

Схема распада радиоактивной серии Указаны периоды полураспада

γ-излучение - коротковолновое э/м излучение с λ

γ-кванты не несут кулоновского заряда не испытывают влияния кулоновских сил. При прохождении вещества толщиной dх интенсивность излучения меняется на dI Прохождение γ-излучения через вещество сопровождается его поглощением. μ – линейный коэффициент поглощения, зависит от свойств вещества и энергии γ-квантов Зависимость интенсивности γ-излучения I на глубине х от I 0 падающего узкого пучка на вещество и от μ. Ослабление интенсивности γ-излучения – результат взаимодействия γ-квантов с электронной оболочкой атомов вещества и с их ядрами.

Процессы взаимодействия γ-излучения с веществом: 1. Фотоэффект (фотоэлектрическое поглощение γ-излучения) – процесс, при котором атом поглощает γ-квант и испускает электрон. Фотоэффект происходит при взаимодействии γ-квантов со связанными электронами. Электрон выбивается из внутренних оболочек атома, освободившееся место заполняется е из вышележащих оболочек фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект – преобладающий механизм поглощения γ-квантов при Е γ 100 кэВ, т.е. менее 0,1 МэВ. При Е γ 0,5 МэВ вероятность фотоэффекта мала. Основной механизм в этом случае 2. Комптоновское рассеяние – упругое рассеяние коротковолнового э/м излучения (рентгеновского и γ) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны. При Е γ-квантов до Е > 1,02 МэВ (=2m е с 2 ) становится возможно

3. Образование электронно-позитронных пар. Вероятность этого процесса ~ Z 2 и с ростом Е γ. При очень больших энергия (Е γ 10 МэВ) основной процесс взаимодействия γ-излучения с веществом – образование электронно-позитронных пар. При прохождении возникшего электрона через вещество, он может тормозиться : Возникает снова γ-квант, называемый тормозным. Взаимодействует с ядром рождение новой е - е + пары. Электронно-фотонная лавина. Процесс прекращается, когда Е образовавшихся частиц станет меньше критической. 4. Если Е γ превышает энергию связи нуклонов (7-8 МэВ), может наблюдаться ядерный фотоэффект – выброс из ядра одного из нуклонов (чаще протона). α-, β-распады (в том числе электронный захват), γ- излучение, спонтанное деление тяжелых ядер, протонную радиоактивность (ядро испускает 1 или 2 протона – 1969 – Флеров) относят к числу радиоактивных процессов. Фотография пары электрон-позитрон, образованной в камере Вильсона гамма-квантом на ядре криптона. Камера помещена в магнитное поле, которое отклоняет отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный позитрон в противоположные стороны.

Ядерные реакции Взаимодействие частиц – при сближении до расстояний ~ см - благодаря действию ядерных сил. Ядерная реакция – искусственное превращение атомных ядер, вызванное их взаимодействием друг с другом или с частицами a и b – нейтрон, протон, дейтрон, α-частица, γ-фотон Наиболее распространенный вид ядерной реакции – взаимодействие легкой частицы a с ядром X (α, n)-реакции (α, p)-реакции (n, α)-реакции (n, p)-реакции (n, γ)-реакции

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 годуЭ. Резерфордом Ядерные реакции Энергетический выход ядерной реакции: Q = (M X + M а – M Y – M b )c 2 = ΔMc 2 Сумма масс исходных ядер больше суммы масс конечных ядер реакция с выделением энергии (энергия реакции положительная) – экзотермические реакции. С поглощением энергии – эндотермические реакции

Ядерные реакции могут сопровождаться поглощением или выделением энергии – Н. Бор – вызываемые быстрыми частицами ядерные реакции протекают в 2 этапа: С поглощением энергии – эндотермические реакции. Тепловой эффект (энергия реакции) – количество выделяющейся энергии (> 0 или < 0). Промежуточное ядро называют составным ядром или компаунд-ядром. Оно в возбужденном состоянии. 2. Составное ядро испускает частицу b. Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами, протекают без образования промежуточного ядра. Называют прямыми ядерными взаимодействиями. 1. Ядро Х захватывает приблизившуюся к нему частицу а, образуя промежуточное ядро П («ядро-мишень» Х сливается с бомбардирующей частицей а, образуя новое ядро П). Сумма масс исходных ядер больше суммы масс конечных ядер реакция с выделением энергии (энергия реакции положительная) – экзотермические реакции. Время жизни составного ядра ÷ с. При ядерных реакция выполняются закон сохранения: электрического заряда, числа нуклонов, энергии, импульса, момента импульса.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы г. О. Ган и Ф. Штрассман Деление тяжелых ядер Цепная реакция деления

Схема ядерного реактора Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Курчатова.И. В. Курчатова

Взрыв атомной бомбы в Нагасаки (1945) Взрыв советского ядерного устройства на Семипалатинском полигоне 29 августа 1949 года. 10 часов 05 минут.

При подрыве ядерного боеприпаса происходит ядерный взрыв, поражающими факторами которого являются: световое излучение ионизирующее излучение ударная волна радиоактивное заражение электромагнитный импульс психологическое воздействие изменения в половой системе склеротические процессы лучевую катаракту иммунные болезни радиоканцерогенез сокращение продолжительности жизни генетические и тератогенные эффекты Japanese woman suffering burns from thermal radiation after the United States dropped nuclear bombs on Japan in World War II.

ДатаНазваниеМощность, ктГосударствоЗначение 16 июля 1945Тринити 19СШАПервый атомный взрыв 6 августа 1945 Малыш11 СШАБомбардировка Хиросимы 9 августа 1945Толстяк21 СШАБомбардировка Нагасаки 29 августа 1949РДС-122СССРПервый атомный взрыв в СССР 3 октября 1952Ураган25 ВеликобританияПервый атомный взрыв в Великобритании 1 ноября 1952 Иви Майк3100 СШАПервый экспер. взрыв термоядер. устройства 12 августа 1953Джо-4400 СССРПервый взрыв боевого термоядерного устройства 1 марта 1954Касл Браво15 000СШАСамый мощный взрыв в США 8 ноября 1957Схватка X1800 ВеликобританияПервый термояд. взрыв в Великобритании 13 февраля 1960 Голубой тушканчик 60 ФранцияПервый атомный взрыв во Франции 31 октября 1961Царь-бомба СССРВзрыв самой мощной термоядерной бомбы в истории 16 октября КНРПервый атомный взрыв в Китае 17 июня 1967Тест 63300КНРПервый термоядерный взрыв в Китае 24 августа 1968Канопус2600ФранцияПервый термоядерный взрыв во Франции 18 мая 1974Улыбающийся Будда 12ИндияПервый атомный взрыв в Индии 28 мая 1998Чагаи-I~9 ПакистанПервый атомный взрыв в Пакистане 9 октября 2006Квандай-ри1520КНДРПервый атомный взрыв в Северной Корее

Для преодоления потенциального барьера, обусловленного отталкиванием, ядра должны обладать Е кин (~0,35 МэВ), соответствует Т~ К. На поверхности Солнца 6000 К, центральных областей Солнца 1, К. Для осуществления реакции синтеза ядра надо сблизить на расстояние действия ядерных сил (~ ÷ м). Для этого нужно преодолеть кулоновское отталкивание (р и др. легкие ядра заряжены «+»). Слияние легких ядер в одно ядро (ядерный синтез) сопровождается выделением большой энергии. Термоядерный синтез. Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T) Самая легко осуществимая реакция дейтерий + тритий: Недостаток её- выход нежелательной нейтронной радиации.

Термоядерные реакции – источник энергии Солнца и звезд (Т~10 7 ÷10 8 К). 1. При относительно низких температурах (~10 7 К). Протонно-протонный цикл Два пути синтеза ядер водорода в ядра гелия: Идея о термоядерном происхождении звезд – Фридрих Хоутерманс.

2. При высоких температурах (> К) углеродный или углеродно-азотный цикл (Ханс Бете) Энергия, выделяющаяся на одно ядро гелия – 26.8 Мэв. В пересчете на грамм гелия – 700кВт*час

Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем. Особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания полоидального поля, необходимого для равновесия плазмы. Международный экспериментальный термоядерный реактор Использование термоядерных реакций не будет загрязнения окружающей среды (не образуются радиоактивные изотопы, в отличие от реакций деления ядер). Управляемый термоядерный синтез - практически неисчерпаемый источник энергии. Дейтерий для (1) содержится в морской воде (НDО и D 2 О) – хватит на сотни миллионов лет. Тритий путем облучения жидкого лития (запасы велики) нейтронами от ядерного реактора (реакция 2).

Mushroom cloud from the Soviet 50-megaton Tsar Bomba, the largest weapon ever detonated (1961) Взрыв термоядерного заряда мощностью 20 Мт (большинство Н-бомб имеют мощность 10 5 ÷10 6 т) уничтожит все живое на 140 км от эпицентра Н-бомба была создана под руководством И.В.Курчатова и А.Д.Сахарова. Взрыв 12 августа 1953 на Семипалатинском полигоне. В настоящее время накоплено более 50 тысяч Н-бомб

В 50-х годах было открыто примерно столько же частиц новые частицы «посыпались как из рога изобилия». Для объяснения ядерных сил потребовались π-мезоны, для объяснения β-распада – нейтрино. Далее открыли позитроны и мюоны. Число элементарных частиц возросло с 4 до 10. Элементарные частицы – микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц – весь мир можно построить из 4 элементов – света (фотонов), протонов, нейтронов, электронов. Элементарные частицы. Систематика элементарных частиц. «Элементарная частица» – общее название частиц, не являющихся атомами или ядрами (исключение – атом водорода – протон). Ранее атомы считали «кирпичиками», из которых построен мир. Атомы оказались «делимы» поиск основных элементов Вселенной.

На высоте 20 км космическое излучение практически носит вторичный характер. В этом излучении есть все известные в настоящее время элементарные частицы. 1. Общее число элементарных частиц (вместе с античастицами) более 400. Свойства элементарных частиц: 2. Стабильные элементарные частицы – электрон е -, позитрон е +, протон р, нейтрон n, фотон, электронное нейтрино ν е и антинейтрино ν е. Остальные нестабильны, образуются во вторичном космическом излучении или с помощью ускорителей. Космическое излучение Первичное непрерывно падающий на Землю поток атомных ядер (в основном протонов) высокой энергии ~10 ГэВ, отдельных частиц ГэВ. Вторичное при неупругом соударении частиц первичных лучей с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы.

( в космическом излучении (Пауэлл и Оккиалини), предсказал Юкава (1935). π + -мезоны, π - - мезоны (׀q׀=׀e׀, m=273m е ), нейтральные π 0 - мезоны (׀q׀=0׀, m=264m е ) Спин π-мезонов =0, нестабильны. Время жизни π+ и π - - 2, с, π 0 -0, с. μ -, μ + -мезоны, (׀q׀=׀e׀, m=207m е =106 МэВ), Спин мюона =1/2, нестабильны. Время жизни - 2, с

1. Мягкая компонента – сильно поглощается Рb. Состоит из каскадов (или ливней) электронно-позитронных пар. Возникший в результате распада π 0 - мезона или резкого торможения быстрого электрона γ-фотон, пролетая вблизи ядра, создает е - е + - пару. Торможение е - и е + приводит к образованию γ-фотонов. В составе вторичных космических лучей выделяют: Рождение пар и возникновение γ-фотонов идет, пока энергии фотонов достаточно для образования пар. 2. Жесткая компонента – не проникает через большие толщи Рb. Состоит в основном из мюонов. Образуется преимущественно в верхних и средних слоях атмосферы за счет распада заряженных π - мезонов. Фотография пары электрон-позитрон, образованной в камере Вильсона гамма-квантом на ядре криптона. Камера помещена в магнитное поле.

Для описания свойств частиц вводят: Массу частицы (m). Выражают в МэВ или ГэВ в соответствии с Е=mс 2. Среднее время жизни (τ). Мера стабильности частицы. Для е -, р,γ, ν τ=. (τ е > лет, τ р ~ лет, τ n ~898 с). Наиболее короткоживущие частицы - резонансы – имеют τ < с. Спин J – собственный момент импульса частицы, в единицах ħ. Электрический заряд (q) – характеризует способность частиц участвовать в э/м взаимодействии. Вектор собственного магнитного момента характеризует взаимодействие покоящейся частицы с внешним магнитным полем. Магнитные моменты выражают в единицах магнетона Бора

Первая античастица - позитрон е – с помощью камеры Вильсона в космическом излучении. Одинаковая масса m, время жизни τ и спин J. Остальные характеристики равны по модулю, противоположны по знаку (q, p m ). Позитроны образуются при соударении фотонов большой энергии с атомными ядрами. Встречаясь друг с другом аннигилируют. Частицы, не имеющие античастиц, называют абсолютно нейтральными (фотон, π 0 -мезон, η-мезон). Не способны к аннигиляции. У частиц есть античастицы. П. Дирак – Взаимопревращение элементарных частиц – одно из их фундаментальных свойств. Образующиеся частицы не содержатся в исходных, рождаются в процессах их соударения или распада.

СвойстваСильноеЭлектро- магнитное СлабоеГравитационное Интенсивность (в отн. ед.) Радиус действия (м) (неограничен) (неограничен) Время взаимодействия (с) (быстрое) (медленное) Квант -переносчик взаимодействия пионы, глюоны γ-квантыW-бозонG-гравитон Область действия Связь протонов и нейтронов в атомных ядрах Связь кварков в адронах Характерно для всех элементарных частиц, обладает электр. зарядом Распады: β-распад, μ-распад с участием нейтрино Присуще всем частицам, имеющим массу. Элементарные частицы принято классифицировать по типам взаимодействий, в которых они участвуют.

Группа Название частицы Масса (в электронных массах) Электрическ ий зарядСпин Время жизни (с) Символ Анти частицы Фотоны Фотон γ001Стабилен Лептоны Нейтрино электронноеνeνe 001 / 2Стабильно Нейтрино мюонноеνμνμ 001 / 2Стабильно Электрон e – 1–1 11 / 2Стабилен Мю-мезон μ – 206,8–1 11 / 22,210 –6 Адроны Мезоны Пи-мезоны π 0 264,1000,8710 –16 π + 273,11 –102,610 –8 К-мезоны K + 966,41 –101,2410 –8 K 0 974, –10 –10 –8 Эта-нуль- мезон η –18 Барионы Протонp1836,11 –11 / 2Стабилен Нейтронn1838,601 / 2898 Лямбда- гиперон Λ ,101 / 22,6310 –10 Сигма- гипероны Σ ,61 –11 / 20,810 –10 Σ ,601 / 27,410 –20 Σ – 2343,1–1 11 / 21,4810 –10 Кси- гипероны Ξ ,801 / 22,910 –10 Ξ – 2585,6–1 11 / 21,6410 –10 Омега-минус- гиперон Ω – 3273–1 11 / 20,8210 –11 Примеры некоторых элементарные частиц e+e+ μ+μ+ π–π– K –

1) очень много адронов По современным представлениям, 6 лептонов и 6 антилептонов считаются истинно элементарными частицами, адроны – составными частицами, построенными из кварков. Существуют 6 типов кварков, их называют ароматами. Образуют 3 дублета (u, d), (с, s), (t, b). Доказательство составного характера адронов: 2) большинство адронов нестабильны 3) обнаружена внутренняя структура адронов Кварк (антикварк) Электрический заряд, в единицах е Спин, в единицах ħ Верхний u, u Нижний d, d Очарованный с, с Странный s, s Истинный t, t Прелестный b, b Кваркам приписывают дополнительные характеристики – «цвет» (новое квантовое число) – красный (R), зеленый (G), голубой (B). Существует 3 сорта кварков каждого из 6 типов.

This is an artist's concept of the Universe expansion, where space (including hypothetical non- observable portions of the Universe) is represented at each time by the circular sections. Note on the left the dramatic expansion (not to scale) occurring in the inflationary epoch, and at the center the expansion acceleration. The scheme is decorated with WMAP images on the left and with the representation of stars at the appropriate level of development. Image from WMAP press release, 2006 Artist's depiction of the WMAP satellite gathering data to help scientists understand the Big Bang

A pie chart indicating the proportional composition of different energy-density components of the Universe, according to the best ΛCDM model fits – roughly 95% is in the exotic forms of dark matter and dark energy