Заключение 4 страница

Некоторые тяжелые ядра после захвата нейтрона становятся нестабильными и делятся на две части с выделением большого количества энергии. При этом освобождается несколько нейтронов. Если каждый из нейтронов деления взаимодействует с соседними ядрами и вызывает в них реакцию деления, происходит лавинообразное нарастание числа делений - цепная реакция. Такая реакция используется в атомной бомбе. При делении одного ядра урана выделяется огромная энергия -около 200 МэВ.

Практическое осуществление цепной реакции - непростая задача. При поглощении нейтронов делятся лишь ядра изотопа урана , на долю которого приходится лишь 0, 7% всего природного урана. Остальную часть составляет изотоп , ядра которого не испытывают реакции деления, а просто захватывают нейтроны.

Отношение числа нейтронов, возникших на некоторой стадии реакции, к числу нейтронов в предшествующей стадии называют коэффициентом размножения К. Необходимым условием цепной реакции является значение К³ 1. Необходимым условием является также наличие достаточно большого количества урана, так как в образцах малых размеров большинство нейтронов вылетает из образца, не попав ни в одно ядро. Минимальная масса вещества, при которой цепная реакция идет с коэффициентом К=1, называется критической массой. Для урана-235 она составляет около 50 кг.

Управляемая ядерная реакция при К=1 с постоянным выделением энергии осуществляется в ядерном реакторе (Рис. 5. 14). В качестве ядерного горючего используется естественный уран, обогащенный изотопом . Медленные нейтроны, обладающие скоростями около 10³ м/с, почти не поглощаются ядрами урана-238, поэтому в активную зону реактора вносят замедлитель нейтронов - обычно графит. Для уменьшения утечки нейтронов активную зону окружают отражателем нейтронов (графит, бериллий). Управление реактором осуществляется с помощью специальных регулирующих стержней, вводимых в активную зону реактора для поглощения избыточных нейтронов.

Рис. 5. 14 Устройство ядерного реатора

Выделение энергии наблюдается также при термоядерной реакции синтеза легких ядер. Возможные реакции:

, .

Слияние одноименно заряженных ядер дейтерия и трития возможно при высокой скорости сталкивающихся частиц, поэтому термоядерные реакции протекают при высоких температурах плазмы порядка 10⁷ - 10⁸ К. Выделяемая энергия на один нуклон при термоядерной реакции в 5 раз больше, чем при реакции деления. В природных условиях термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и звезд. В водородной бомбе высокая температура для начала термоядерной реакции получается за счет взрыва атомной бомбы.

Работы, проводимые по осуществлению управляемой термоядерной реакции, в случае успеха могут решить энергетическую проблему, поскольку запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы.

Вопросы

1. Охарактеризуйте частицы, из которых состоят атомные ядра.

2. От чего зависят заряд ядра и его масса? Какими числами определяются эти величины?

3. Почему заряд ядра определяет химические свойства элемента?

4. Что общего у различных изотопов одного и того же химического элемента? Чем они различаются?

5. Почему массы атомов многих элементов отличаются от целых чисел?

6. Какие элементы обозначены здесь символами X: , , ? Сколько протонов и сколько нейтронов в ядре каждого из этих элементов?

7. Как зависит объем ядра от его массы?

8. Почему не могут существовать ядра, не обладающие дефектом массы?

9. Что такое энергия связи? Как ее вычислить для определенного ядра?

10. Что произойдет с энергией связи, если два легких ядра (например ) объединить в одно более тяжелое?

11. Что произойдет с энергией связи, если тяжелое ядро (например ) разделить на две части?

12. Какие данные свидетельствуют о существовании сильного (ядерного) взаимодействия?

13. Каковы свойства сильного (ядерного) взаимодействия?

14. Почему в природе не существует ядер с Z > 92?

15. Чем обусловлена нестабильность некоторых ядер?

16. Какие частицы выбрасываются ядрами при радиоактивном распаде?

17. Как изменяется положение элемента в таблице Менделеева при a-распаде? при b-распаде?

18. Изменяются ли заряд и масса ядра при испускании g-квантов?

19. Существуют ли в ядре электроны, вылетающие из него при b-распаде?

20. Перечислите существующие в природе радиоактивные семейства.

21. Чем отличаются ядерные реакции от радиоактивного распада?

22. Почему нейтроны могут вызывать ядерные реакции при любых энергиях, а протоны и a-частицы - только при их большой кинетической энергии?

23. Какие законы сохранения выполняются при ядерных реакциях?

24. В чем различие реакций, происходящих под действием быстрых и медленных нейтронов?

25. Каковы необходимые условия для осуществления цепной ядерной реакции деления?

26. Зачем в активную зону ядерного реактора вносят замедлитель нейтронов?

27. Какие условия необходимы для осуществления термоядерной реакции синтеза?

Лекция 5. 3 Элементарные частицы

В середине 30-х годов ХХ в. было установлено, что все атомы построены из нейтронов, протонов и электронов. Именно они, а не атомы стали «кирпичами мироздания». Помимо этих трех элементарных частиц, как их можно назвать, было известно и несколько других: позитрон, нейтрино и g-квант (фотон), т. е. всего шесть элементарных частиц. В эти годы все выглядело очень просто, но в последующие десятилетия были открыты сотни других субъядерных частиц. Изучением их свойств и взаимодействий, а также выяснением того, какие из них следует считать «элементарными», и стала заниматься область физики, получившая название физики элементарных частиц.

5. 3. 1 Классификация элементарных частиц

В середине ХХ в. было обнаружено, что если в ядерной реакции налетающая частица обладает достаточной энергией, то при этом могут рождаться новые типы частиц. Для получения частиц с высокой энергией были построены различные типы ускорителей частиц. Ускорители используются для более глубокого проникновения в детали строения атомных ядер, для определения и исследования свойств новых частиц, а также для получения новой информации о фундаментальных взаимодействиях и частицах вещества.

Чем больше энергия ускоряемых частиц, тем больше деталей они позволяют обнаружить. Длина волны налетающих частиц, согласно формуле де Бройля, равна , откуда видно, что чем больше импульс налетающей частицы, тем меньше длина волны и, следовательно, тем больше деталей удастся различить.

Принято называть элементарными такие частицы, которые нельзя считать соединением других более простых частиц, существующих в свободном состоянии. Понятие элементарности носит в некотором роде относительный характер. С более глубоким проникновением в глубь материи понятие элементарности меняется.

Все элементарные частицы имеют исключительно малые массы. У большинства из них массы меньше массы нейтрона (1, 67× 10^-27кг). Размеры элементарных частиц меньше 10^-15м. К настоящему времени обнаружено более 400 элементарных частиц. Все они, за исключением протона, электрона и нейтрино и их античастиц, нестабильны. Нейтрон в свободном состоянии также нестабилен. Его период полураспада T составляет около 15 мин. Все другие частицы имеют еще меньшие периоды полураспада.

По «времени жизни» частицы делятся на стабильные (Т®¥ ), квазистабильные (T> 10^-20 c) и резонансы (T~10^-20 c). Время 10^-20 c является достаточно большим по ядерным масштабам. Это есть время, затрачиваемое светом на прохождение диаметра ядра. За это время может произойти много внутринуклонных процессов.

В силу малости времени жизни, резонансы не обладают определенной энергией и массой. Это видно из соотношения неопределенностей (5. 21). Резонансы описываются непрерывным спектром энергий и масс. Положение максимума этого спектра и называется массой резонанса. Отсюда и название таких частиц.

Все частицы по значению спина делятся на бозоны (частицы с нулевым или целым спином) и фермионы (частицы с полуцелым спином). Из известных вам частиц к бозонам относится фотон, а к фермионам относятся электрон, нуклоны, нейтрино и их античастицы.

Одним из наиболее важных свойств элементарных частиц является их взаимопревращаемость. Так, нейтрон превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино:

По такой же схеме нейтрон распадается в ядре при b-распаде. Именно при исследовании этого распада была предложена гипотеза о существовании нейтрино. Э. Ферми в 1933 г. создал количественную теорию b-распада. Основная идея этой теории заключалась в том, что электроны и нейтрино не существуют в атомных ядрах, а рождаются в процессе b-распада. Ферми ввел гипотезу о существовании особого типа короткодействующих сил, которые и вызывают процесс распада нейтрона или процесс преобразования протона в нейтрон внутри ядра. Эти силы называют слабыми силами, а взаимодействия, осуществляемые ими, – слабыми взаимодействиями.

Установлено, что у всех частиц имеются античастицы. Заряженные частицы отличаются от своих античастиц знаком заряда. Позитрон (антиэлектрон) имеет положительный заряд такой же величины, как и электрон. Нейтральные частицы, например нейтрон и антинейтрон, отличаются знаками собственного момента импульса и магнитного момента. При столкновении частицы с античастицей они исчезают (аннигилируют), превращаясь в два (редко три) фотона, например:

Существует малое число частиц, которые совпадают со своими античастицами, например фотон.

Из античастиц могут возникать атомы. В атоме антиводорода, например, вокруг отрицательно заряженного антипротона обращается положительно заряженный позитрон. Физические и химические свойства атомов, построенных из античастиц, совершенно тождественны свойствам соответствующих атомов, построенных из частиц.

Все элементарные частицы по типу взаимодействия делят на три группы: переносчики взаимодействия (в эту группу из известных вам входит фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия), лептоны (в эту группу входят 6 частиц и 6 античастиц, в том числе электрон, нейтрино и их античастицы), адроны (большая группа тяжелых частиц, включающая нейтрон, протон и их античастицы).

Лептонами называют частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин ½. Фотон и все лептоны на современном уровне знаний можно назвать истинно элементарными частицами, так как у них в отличие от адронов не обнаружено внутренней структуры.

Адронами называют частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Они, как правило, участвуют также и во всех других типах взаимодействий – электромагнитном и слабом. Естественно, что все частицы подвержены гравитационному взаимодействию.

5. 3. 2 Фундаментальные взаимодействия

Фундаментальными называются такие взаимодействия, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействия. Их в настоящее время известно четыре.

Гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения (см. раздел «Механика»). Гравитационные силы действуют между любыми телами, в том числе и между элементарными частицами. Однако в физике элементарных частиц, массы которых ничтожно малы, гравитационные силы никакой роли не играют.

В электромагнитном взаимодействии участвуют любые электрически заряженные частицы и тела, а также фотоны - кванты электромагнитного поля. Электромагнитные силы обеспечивают возможность существования атомов, молекул, кристаллов и определяют свойства твердых тел, жидкостей, газов и плазмы. В макромире они могут проявляться как силы упругости и трения. Кулоновские силы отталкивания вызывают деление ядер с большими массовыми числами, возникновение фотонов при аннигиляции электронно-позитронной пары, а также излучение и поглощение фотонов атомами и молекулами.

Сильное (ядерное) взаимодействие характерно для адронов. Лептоны и фотоны в сильном взаимодействии не участвуют. Сильное взаимодействие - короткодействующее, оно проявляется на расстояниях менее 10^-15 м. Но на этих расстояниях оно значительно больше электромагнитного и тем более гравитационного. Ядерные силы обеспечивают существование атомных ядер.

В слабом взаимодействии участвуют любые элементарные частицы, кроме фотонов. Радиус действия слабых сил весьма мал - примерно 10^-18 м. Примером слабого взаимодействия является распад нейтрона.

В современной квантовой теории взаимодействие рассматривается как результат обмена частицами. Так, ковалентная химическая связь (например связь двух атомов водорода в молекуле Н₂) является результатом того, что атомы обмениваются валентными электронами, объединяющимися на незаполненных электронных оболочках. Точно так же фундаментальные взаимодействия рассматриваются как следствие обмена специфическими частицами.

Так, электромагнитное взаимодействие есть следствие обмена фотонами между частицами, обладающими электрическим зарядом. Такое взаимодействие называется обменным. Поясним механизм обменного взаимодействия. Как известно, покоящийся или движущийся равномерно и прямолинейно электрический заряд не может излучать или поглощать фотоны, поскольку его энергия не меняется. Однако согласно квантовой теории такой процесс возможен. В соответствии с соотношением неопределенностей для энергии и времени (5. 19) электрон, на короткое время изменив свою энергию покоя, может выбросить фотон с энергией DW. Затем электрон поглотит такой же фотон из окружающего его электромагнитного поля, и баланс энергии восстановится. Соответственно другой электрон, взаимодействующий с первым, тоже выбрасывает и почти одновременно поглощает фотон. В поле, окружающем оба электрона, непрерывно излучаются и поглощаются виртуальные фотоны, которые и обеспечивают электрическое взаимодействие. Словом «виртуальный» (от лат. virtualis - возможный) подчеркивается тот факт, что эти фотоны отличаются от «настоящих», свободных фотонов, которые могут существовать сколь угодно долго, если они не поглотятся веществом. Виртуальные фотоны могут проявить себя лишь на то малое время, которое позволяет соотношение неопределенностей.

Подобный обменный механизм справедлив и для других видов взаимодействия. Сильное взаимодействие обеспечивается обменом особыми квантами соответствующего поля - глюонами (см. следующий раздел); слабое взаимодействие есть следствие обмена весьма массивными частицами — векторными бозонами.

Согласно теории обменного взаимодействия, гравитация также должна являться результатом обмена квантами гравитационного поля - гравитонами. Однако до сих пор в эксперименте такие частицы не обнаружены.

5. 3. 3 Кварковая модель адронов

Адроны – самый многочисленный класс элементарных частиц, участвующих во всех видах фундаментальных взаимодействий. За исключением протона все адроны распадаются. Адроны делятся на подклассы (рис. 8. 1). Мезоны имеют нулевые и целочисленные значения спина и являются бозонами, барионы – частицы с полуцелым спином являются фермионами. Барионы в свою очередь подразделяются на нуклоны и гипероны. Гипероны отличаются от нуклонов несколько большей массой покоя (в 1. 2-1. 7 раза) и очень малым временем жизни.

Рис. 5. 15 Классификация адронов

Всем барионам приписывается барионный заряд +1 (для анитибарионов заряд -1). Лептоны и мезоны имеют барионный заряд, равный 0. Во всех превращениях элементарных частиц барионный заряд сохраняется. Алгебраическая сумма барионных зарядов всех частиц до и после различных превращений остается той же самой. Так, в реакции распада нейтрона (5. 23) барионный заряд +1 имеет нейтрон, а после распада таким зарядом обладает протон1.

Обилие открываемых адронов (в том числе резонансов) навело физиков на мысль, что все они построены из каких-то других, более элементарных частиц. Рассеяние электронов очень больших энергий на протонах и нейтронах выявило наличие у последних внутренней структуры. Был высказан ряд гипотез, из которых наиболее плодотворной оказалась кварковая гипотеза, выдвинутая М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом в 1964 г. Кварки, из которых предположительно состоят все адроны, имеют дробный (относительно заряда электрона) отрицательный заряд.

В первоначальной кварковой теории было достаточно трех кварков. Предполагалось, что все барионы состоят из трех кварков, а мезон из пары кварк-антикварк. В табл. 5. 3 представлены некоторые характеристики этих кварков.

Таблица 5. 3

Обозначение кварка	Электрический заряд, в долях е	Барионный заряд
u (от up – вверх)	+2/3	1/3
d (от down – вниз)	-1/3	1/3
s (от strange – странный)	-1/3	1/3
(антикварк)	-2/3	-1/3
(антикварк)	1/3	-1/3
(антикварк)	1/3	-1/3

Кварковый состав некоторых частиц приведен в табл. 5. 4.

Первым успехом кварковой модели оказалось открытие частицы гиперон W^-, существование которой было предсказано этой моделью.

Все кварки обладают спином ½, поэтому подчиняются принципу Паули (см. раздел 5. 1. 9). В некоторых частицах содержится по три одинаковых кварка, которые должны отличаться каким-либо квантовым числом (или свойством). Это новое свойство условно назвали цветом (цветовым зарядом). Существует три разных цветовых заряда, которые опять-таки условно назвали красным, синим и желтым. В оптике эти три цвета «нейтрализуют» друг друга, создавая ощущение белого цвета. Все реально существующие частицы должны быть белыми, т. е. содержать либо три кварка разных цветов, либо содержать цветной кварк и кварк с антицветом (антикварк). Именно такой кварковый состав имеют частицы, представленные в табл. 5. 4.

Таблица 5. 4

Частица	Состав	Суммарный электрический заряд, е	Суммарный барионный заряд
Протон p	u u d	+1
Нейтрон n	u d d
Гиперон W^-	s s s	-1
Мезон p⁺	u	+1
Мезон p^-	u	-1

К настоящему времени установлено, что существует шесть типов кварков в трех различных цветовых состояниях и у каждого кварка есть антикварк. Сильное взаимодействие между кварками, удерживающее их в области размером менее 10^-15м, достигается за счет обмена глюонами - безмассовыми электрически нейтральными частицами. В эксперименте кварки с дробным электрическим зарядом не обнаружены, но ученые не сомневаются в их существовании внутри адронов, так как кварковая теория доказала свою эффективность. Весьма вероятно, что кварки принципиально не могут существовать в свободном состоянии. С другой стороны, некоторые физики считают, что лептоны и кварки не являются фундаментальными частицами, а состоят из еще более фундаментальных частиц.

5. 3. 4 Теории великого объединения

В последние десятилетия ХХ в. физики приложили немало усилий в попытках найти основу для объединения четырех фундаментальных взаимодействий. Над созданием единой теории в свое время работал великий физик А. Эйнштейн, которому так и не удалось осуществить свои замыслы. В начале 60-х годов ХХ в. Вайнберг, Глэшоу и Салам разработали так называемую калибровочную теорию, объединившую слабое и электромагнитное взаимодействия. В этой электрослабой теории слабое и электромагнитное взаимодействия рассматриваются как два различных проявления единого, более фундаментального взаимодействия.

Электрослабая теория достигла немалых успехов, к числу которых помимо прочего относится предсказание векторных бозонов W⁺-частиц как переносчиков слабого взаимодействия с энергией 82 ± 2 ГэВ, которое блестяще подтвердилось в 1983 г. экспериментально измеренным значением 81±5 ГэВ.

Успехи единой электрослабой теории стимулировали в последнее время попытки создания так называемой теории великого объединения. В одном из вариантов теории великого объединения, включающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, существует только один класс частиц - лептоны и кварки, принадлежащих единому семейству и способных свободно превращаться друг в друга, а три типа сил представляют собой различные аспекты единого фундаментального взаимодействия. Но такое объединение происходит в масштабах, меньших чем 10^-31 м. Если две элементарные частицы (лептоны или кварки) сближаются на расстояние меньше этого масштаба объединения, то между ними перестает существовать какое-либо различие и кварк может легко превращаться в лептон или наоборот. Барионный и лептонный заряды при этом не сохраняются. Лептоны и кварки принадлежат единому семейству. Слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия сливаются в единое взаимодействие. Гравитационное взаимодействие включить в единую теорию пока не удается.

Вопросы

1. Какие частицы называются элементарными?

2. Почему для исследования элементарных частиц создают ускорители заряженных частиц на как можно более высокие энергии?

3. По каким признакам элементарные частицы делят на группы?

4. Какое свойство частиц-резонансов определило их название?

5. Чем античастицы отличаются от частиц? Могут ли частицы существовать вместе с античастицами?

6. Какие взаимодействия называются фундаментальными? Перечислите их.

7. Какие элементарные частицы участвуют в различных видах фундаментальных взаимодействий?

8. Какие частицы называются адронами? лептонами?

9. В чем суть обменного взаимодействия?

10. Чем виртуальные частицы отличаются от реальных?

11. Назовите частицы - переносчики электромагнитного, сильного, слабого и гравитационного взаимодействий.

12. В каких видах взаимодействия участвуют адроны?

13. Чем отличаются мезоны от барионов? нуклоны от гиперонов?

14. Означает ли, что по закону сохранения барионного заряда число барионов до реакции равно числу барионов после реакции? Пояснить аналогичную ситуацию с лептонным зарядом.

15. Чему равны электрические заряды, спины и барионные заряды кварков?

16. Объясните, как из одних и тех же кварков строятся столь разные частицы - мезоны и барионы.

17. Что означает «цвет» кварков? Какой «цвет» должны иметь реально существующие частицы?

18. Какие частицы служат переносчиками сильного взаимодействия?

Заключение

1. Физика атома ведет свое начало от гипотезы квантов, которая утверждает, что излучение является дискретным: свет испускается и поглощается частицами, получившими название фотонов, причем энергия каждого фотона равна .

Планетарная (ядерная) модель атома Резерфорда, созданная для объяснения рассеяния a-частиц, исходит из предположения о том, что атом состоит из очень малого массивного, положительно заряженного ядра, окруженного электронами. Для объяснения стабильности атомов и линейчатых спектров излучения Бор предложил теорию, которая постулировала, что: 1) атом в стационарном состояниине излучает; 2) при переходе на более низкую орбиту электрон испускает фотон, энергия которого равна разности энергий начального и конечного состояний; 3) электроны в атоме могут двигаться только по определенным орбитам с квантованным моментом импульса.

Гипотеза де Бройля о том, что электрону и другим частицам соответствует длина волны , позволила объяснить квантование боровских орбит: разрешенные орбиты соответствуют стоячим волнам, длина волны которых укладывается на круговой орбите целое число раз. К числу наиболее важных особенностей квантовой механики принадлежит принцип неопределенности Гейзенберга.

В 1925 г. Шредингер и Гейзенберг независимо друг от друга разработали новую теорию, получившую название квантовой механики, которая ныне считается основной теорией явлений микромира. Согласно современным представлениям электроны в атоме не имеют вполне определенных орбит, а образуют своего рода «облако». Это электронное облако можно интерпретировать как распределение вероятности нахождения электрона в той или иной области.

Согласно принципу Паули, состояние каждого электрона в атоме характеризуется индивидуальным набором четырех квантовых чисел: п, l, т_l, т_s. Энергетические уровни атома водорода зависят от п, а у атомов других элементов могут зависеть от п и l. Электроны группируются в оболочки (с одинаковым п) и подоболочки (с одинаковым l). Оболочечная структура атомов приводит к периодичности свойств химических элементов.

2. Ядра состоят из протонов и нейтронов, называемых общим термином нуклоны. Полное число нуклонов А в ядре называется массовым числом. Число протонов Z называется зарядовым числом и является порядковым номером элемента в таблице Менделеева. Число нейтронов равно N=А-Z. Изотопы - это ядра с одинаковым Z, но различным числом нейтронов. Радиус ядра пропорционален А^1/3, что свидетельствует о примерно одинаковой плотности всех ядер. Нуклоны в ядре удерживаются сильным (ядерным) взаимодействием, обладающим малым радиусом действия.

Масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Разность этих масс, умноженная на с², равна полной энергии связи ядра. Эта величина характеризует энергию, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны.

Нестабильные ядра претерпевают радиоактивныйраспад; при испускании a- или b-частиц они превращаются в ядра других элементов.

Ядерная реакцияпроисходит при столкновении двух ядер с частицей или другим ядром и приводит к образованию двух или большего числа новых ядер (частиц). В результате ядерных реакций, как и при радиоактивном распаде, происходит превращение одних элементов в другие. При радиоактивном распаде и ядерных реакциях сохраняются электрический заряд, импульс, момент импульса, энергия и число нуклонов.

При делениитяжелое ядро, например ядро урана, расщепляется на два ядра средних размеров. Изотоп делится медленными нейтронами, в то время как некоторые ядра делятся только быстрыми нейтронами. При делении выделяется много энергии. Деление ядра сопровождается испусканием нейтронов, что делает возможной цепную реакцию.

⇐ Предыдущая 1 2 345 Следующая ⇒