Государственное бюджетное образовательное учреждение “Волгоградский колледж управления и новых технологий имени Юрия Гагарина” ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ Тема проекта: Элементарные частицы. Работу выполнил: Федоров Александр, Студент 1 курса группы АДТ-212 Руководитель: Мирзоян Лилиана Руслановна, преподаватель физики Г. Волгоград, 2022 Введение 1. История открытия 2. Классификация элементарных частиц 2.1 Лептоны 2.2 Адроны 2.3 Кварки 2.4 Фотоны 2.5 Мезоны 2.6 Барионы 3. Взаимодействия частиц 4. Приборы регистрации элементарных частиц 5. Состав атомных ядер 6. Производные характеристики элементарных частиц 7. Радиоактивность 8. Деление ядер 2 1.-История открытия О наименьших частицах, составляющих всю материю, было известно еще в древности. Однако, основоположниками так званого «атомизма» принято считать философа Древней Греции Левкиппа и его более известного ученика — Демокрита. Предполагается, что второй и ввел термин «атом». С древнегреческого «atomos» переводится как «неделимый», что определяет взгляды древних философов. Позднее стало известно, что атом все же можно разделить на два физических объекта – ядро и электрон. Последний впоследствии и стал первой элементарной частицей, когда в 1897-м году англичанин Джозеф Томсон провел эксперимент с катодными лучами и выявил, что они представляют собой поток одинаковых частиц с одинаковыми массой и зарядом. Параллельно с работами Томсона, занимающийся исследованием рентгеновского излучения Анри Беккерель проводит опыты с ураном и открывает новый вид излучения. В 1898 году французская пара физиков – Мария и Пьер Кюри изучают различные радиоактивные вещества, обнаруживая то же самое радиоактивное излучение. Позже будет установлено, что оно состоит из альфа (2 протона и 2 нейтрона) и бетачастиц (электроны), а Беккерель и Кюри получат Нобелевскую премию. Проводя свои исследования с такими элементами как уран, радий и полоний, Мария Склодовская-Кюри не предпринимала никаких мер безопасности, в том числе не использовала даже перчатки. Как следствие в 1934 году ее настигла лейкемия. В память о достижениях великого ученого, открытый парой Кюри элемент, полоний, был назван в честь родины Марии – Polonia, с латинского – Польша. Начиная с 1905-го года, Альберт Эйнштейн посвящает свои публикации несовершенству волновой теории света, постулаты которой расходились с результатами экспериментов. Что впоследствии привело выдающегося физика к идее о «световом кванте» — порции света. Позже, в 1926-м году, он был назван как «фотон», в переводе с греческого «phos» («свет»), американским физиохимиком — Гилбертом Н. Льюисом. В 1913 году Эрнест Резерфорд, британский физик, основываясь на результатах уже проведенных на то время экспериментов, отметил, что массы ядер многих химических элементов кратны массе ядра водорода. Поэтому он предположил, что ядро водорода является составляющей ядер других элементов. В своем эксперименте Резерфорд облучал альфа3 частицами атом азота, который в результате излучил некую частицу, названную Эрнестом как «протон», с др. греческого «протос» (первый, основной). Позже было экспериментально подтверждено, что протон – это ядро водорода. Очевидно, протон, не единственная составная часть ядер химических элементов. К такой мысли приводит тот факт, что два протона в ядре отталкивались бы, и атом мгновенно распадался. Поэтому Резерфорд выдвинул гипотезу о наличии еще одной частицы, которая имеет массу, равную массе протона, но является незаряженной. Некоторые опыты ученых по взаимодействию радиоактивных и более легких элементов, привели их к открытию еще одного нового излучения. В 1932-м году Джеймс Чедвик определил, что оно состоит из тех самых нейтральных частиц, которые назвал нейтронами. Таким образом, были открыты наиболее известные частицы: фотон, электрон, протон и нейтрон. Далее открытия новых субъядерных объектов становились все более частым событием, и на данный момент известно около 350 частиц, которые принято полагать «элементарными». Те из них, которые до сих пор не удалось расщепить, считаются бесструктурными и называются «фундаментальными». 2.-Классификация элементарных частиц Чтобы упростить себе жизнь, физики сгруппировали все частицы в зависимости от особенностей их строения и прочих характеристик. Классификация бывает по следующим признакам: Время жизни. 1. Стабильные. В их числе протон и антипротон, электрон и позитрон, фотон, а также гравитон. Существование стабильных частиц не ограничено временем, до тех пор, пока они находятся в свободном состоянии, т.е. не взаимодействуют с чем-либо. 2. Нестабильные. Все остальные частицы спустя некоторое время распадаются на свои составные части, потому называются нестабильными. Масса. 4 1. Безмассовые элементарные частицы, которых всего три: фотон, глюон и гравитон. 2. Массивные частицы – все остальные. Значение спина. 1. Целый спин, в т.ч. нулевой, имеют частицы, которые называются бозоны. 2. Частицы с полуцелым спином — фермионы. Участие во взаимодействиях. 1. Адроны (структурные частицы) – субъядерные объекты, что принимают участие во всех четырех типах взаимодействий. Ранее упоминалось, что они складываются с кварков. Адроны делятся на два подтипа: мезоны (целый спин, являются бозонами) и барионы (полуцелый спин — фермионы). 2. Фундаментальные (бесструктурные частицы). К ним относятся лептоны, кварки и калибровочные бозоны 2.1-Лептоны Лептоны (от греч. leptos – лёгкий, мелкий) – группа точечных частиц со спином 1/2ћ, не участвующих в сильном взаимодействии. Размер лептона (если он существует) <10-17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов: электрон (е–) и электронное нейтрино (νe), мюон (μ–) и мюонное нейтрино (νμ), тау-лептон (τ–) и тау-нейтрино (ντ), а также соответствующие им три пары антилептонов. Нейтрино и электрон стабильны. Мюон и тау-лептон нестабильны и распадаются на более лёгкие частицы. Электрон, мюон и тау-лептон имеют одинаковый отрицательный электрический заряд, но разные массы: m(e) = 0.511 МэВ/с2 (9.1·10-28 г), m(μ) = 105.7 МэВ/с2, m(τ) = 1777 МэВ/с2. Все нейтрино электрически нейтральны и имеют нулевые (или очень малые) массы. Причина существования трёх пар лептонов (трех лептонных ароматов) не ясна. Каждая пара характеризуется своим лептонным квантовым числом (своим лептонным ароматом) – электронным лептонным квантовым числом Lе = + 1 для электрона и электронного нейтрино, мюонным лептонным числом Lμ = + 1 для мюона и мюонного нейтрино, тау-лептонным числом 5 Lτ = + 1 для тау-лептона и тау-нейтрино. Для антилептонов знаки лептонных чисел противоположны. Эти лептонные квантовые числа во всех наблюдавшихся реакциях и распадах сохранялись. Наблюдение осцилляций нейтрино является первым свидетельством возможного несохранения лептонных ароматов. Лептоны (J=1/2) Частиц а Масса, МэВ Время жизни e < 2·10-6 νμ Лептонный заряд Основные моды распада Le Lμ Lτ Стабильно +1 0 0 < 0.19 Стабильно 0 +1 0 ντ < 18 Стабильно 0 0 +1 e– 0.511 > 4.3·1023 лет +1 0 0 μ– 105.66 2.2·10-6 с 0 +1 0 eν τ– 1777 2.9·10-13 с 0 0 +1 адроны + , μν , eν 2.2.-Адроны К середине шестидесятых годов XX столетия, когда наряду с протоном и нейтроном было открыто несколько десятков «элементарных» частиц, стало ясно, что эти «элементарные» частицы состоят из более фундаментальных частиц. В 1964 г. Независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили составную кварковую модель адронов. Кварки объединяются в частицы, называемые адронами. Термин «адрон» происходит от греческого «хадрос» – сильный и отражает свойство адронов участвовать в сильных взаимодействиях. Адроны – связанные системы кварков и антикварков. Адроны существуют двух типов – барионы и мезоны. Барионы (барионный заряд В = +1) - частицы, состоящие из трёх кварков (qqq), и являющиеся фермионами (J = 1/2, 3/2, …). К числу барионов относятся, например, протон и нейтрон. Антибарионы (В = -1) состоят из трех антикварков ( антинейтрон входят с группу антибарионов. ). Антипротон и Мезоны (В = 0), состоящие из кварка и антикварка (q ), занимают промежуточное положение. Мезоны имеют целочисленное значение спина и являются бозонами (J = 0, 1, 2, …). 6 Квантовые числа кварков, образующих адрон, определяют квантовые числа адронов. Адроны имеют определенные значения электрического заряда Q, спина J, чётности P, изоспина I. Квантовые числа s (странность), c (очарование или шарм), b (bottom) и t (top) разделяют адроны на обычные нестранные частицы (р, n, π, …), странные частицы (K, Λ, Σ, …), очарованные (D, Λc, Σc, …) и боттом-частицы (B, Λb, Ξb ). t-кварк имеет время жизни ≈ 10-25 с, поэтому за такое короткое время он не успевает образовать адрон. Всё многообразие адронов возникает в результате различных сочетаний u-, d-, s-, c-, b-кварков, образующих связанные состояния. Квантовые характеристики кварков приведены в табл. 11.1. Каждый кварк имеет еще три цветные степени свободы (красный, синий, зеленый). Цветные степени свободы в таблице не указаны. Античастицы кварков антикварки.Характеристики кварков Характеристика Электрический заряд Q, в единицах е Барионное число B Спин J Четность P Изоспин I Проекция изоспина I3 Странность s Очарование (charm) c Bottom b Top t Масса конституэнтного кварка mс2, ГэВ d Тип кварка (аромат) u s c b -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 t -1/3 +2/3 +1/3 1/2 +1 1/2 -1/2 +1/2 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 +1 0.33 0.51 1.8 5 180 0.33 7 0 0 4-8 МэВ Масса токового кварка 1.5-4 МэВ 80-130 1.1-1.4 4.1-4.9 174±5 МэВ ГэВ ГэВ ГэВ 2.3.-Кварки В Стандартной Модели существует три поколения фундаментальных фермионов, принимающих участие во всех взаимодействиях, – кварков. В каждом поколении есть верхний кварк – это u (up), очарованный c (charm) и t (top)–кварки, и нижний кварк – d(down), странный s(strange) и b (bottom). Все кварки имеют спин J = 1/2 и четность Р = +1. Верхние кварки имеют электрический заряд Qq = +2/3e, нижние – Qq = -1/3e. Кварки имеют барионное число B = 1/3. Каждый кварк характеризуется ароматом, который определяется соответствующим квантовым числом. Согласно формализму Стандартной Модели данные квантовые числа нижних кварков отрицательны. Основные характеристики кварков приведены в таблице: Характеристика Тип кварка d u s c b t Электрический заряд Q -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 Проекция изоспина I3 -1/2 +1/2 0 0 0 0 Странность s 0 0 -1 0 0 0 Charm c 0 0 0 +1 0 0 Bottom b 0 0 0 0 -1 0 Top t 0 0 0 0 0 +1 Масса в составе адрона, ГэВ 0.33 0.33 0.51 1.8 5 173 Токовая масса, МэВ 4.8 2.3 95 1.3·103 (4.24.7)·103 173·103 Масса токового кварка – это масса кварка, не взаимодействующего с глюонами и другими кварками, то есть «голого» кварка. Каждому кварку соответствует античастица – антикварк. Антикварки обладают такими же массами, что и кварки, имеют спин 1/2, но отрицательную четность. Знак всех зарядов: электрического, барионного, ароматов, – у антикварков меняется на противоположный.\ 8 2.4.-Фотон Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться т олько в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движен ия (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как элементар ной частице свойственен корпускулярноволновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Ф отоны обозначаются буквой , поэтому их часто называют гаммаквантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически син онимичны. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочн ым бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитн ого взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами. Фотон — безмассовая нейтральная частица. Спин фотона равен 1 (частица является бо зоном), но изза нулевой массы покоя более подходящей характеристикой является спирал ьность, проекция спина частицы на направление движения. Фотон может нах одиться только в двух спиновых состояниях со спиральностью, равной . Этому свойству в классической электродинамике соответствует поперечнос ть электромагнитной волны. Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте и т еоретических обоснованиях, описанных выше. Поэтому скорость фотона, как и любой другой безмассовой частицы, равна скорости света. По этой причин е (не существует системы отсчета, в которой фотон покоится) внутренняя чет ность частицы не определена. Фотон — истинно нейтральная частица (тождественен своей античастице), поэтому его зарядовая чётность отрицательна и равна −1. Фотон относится к калибровочным бозонам. Он участвует в электромагнитно м и гравитационном взаимодействии. Фотон не имеет электрического заряда и не распадается спонтанно в вакууме, стабилен. Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации и описыв ается тремя пространственными параметрами — составляющими волнового вектора, который определяет его длину волны и направление распространения. 9 Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движен ии электрического заряда с ускорением, при переходе атома или ядра из возб уждённого состояния в состояние с меньшей энергией, или при аннигиляции пары электрон-позитрон. При обратных процессах — возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар — происходит поглощение фотонов. Если энергия фотона равна , то импульс связан с энергией соотношением , где — скорость света (скорость, с которой в любой момент времени движется фото н как безмассовая частица). Для сравнения, для частиц с ненулевой массой по коя связь массы и импульса с энергией определяется формулой , как показано в специальной теории относительности. В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты (или, что эквивалентно, от длины волны ): , , и, следовательно, величина импульса есть: , где — постоянная Дирака, равная ; — волновой вектор и — его величина (волновое число); — угловая частота. Волновой вектор указывает направление движения фотона. Спин фотона не зависит от частот ы. Классические формулы для энергии и импульса электромагнитного излучени я могут быть получены исходя из представлений о фотонах. К примеру, давле ние излучения осуществляется за счет передачи импульса фотонов телу при и х поглощении. Действительно, давление — это сила, действующая на единицу площади поверхности, а сила равна измен ению импульса, отнесенному ко времени этого изменения. 2.5-Мезоны В физика элементарных частиц, мезоны (/ˈмяzɒпz/ или же /ˈмɛzɒпz/) находятся адронный субатомные частицы состоит из одного кварк и один антикварк, связанные вместе сильные взаимодействия. Поскольку 10 мезоны состоят из кварковых субчастиц, они имеют значительный физический размер - диаметр примерно в один дюйм. фемтометр (1×10−15 м), что примерно в 1,2 раза больше протон или же нейтрон. Все мезоны нестабильны, а самый долгоживущий длится всего несколько сотых микросекунды. Заряженные мезоны распадаются (иногда через посреднические частицы) с образованием электроны и нейтрино. Незаряженные мезоны могут распадаться на фотоны. Оба этих распада означают, что цвет больше не является собственностью побочных продуктов. Вне ядра мезоны появляются в природе только как короткоживущие продукты столкновений очень высоких энергий между частицами, состоящими из кварков, такими как космические лучи (протоны и нейтроны высоких энергий) и барионная материя. Мезоны часто создаются искусственно в циклотрон при столкновении протонов, антипротоны, или другие частицы. Мезоны более высоких энергий (более массивные) были созданы мгновенно в Большой взрыв, но сегодня считается, что они не играют роли в природе. Однако такие тяжелые мезоны регулярно рождаются в ускоритель частиц эксперименты, чтобы понять природу более тяжелых типов кварков, из которых состоят более тяжелые мезоны. Мезоны входят в состав адрон семейство частиц, и определяются просто как частицы, состоящие из двух или более кварков. Остальные члены семейства адронов - это барионы: субатомные частицы, состоящие из нечетного числа валентных кварков (не менее 3), и некоторые эксперименты показывают доказательства экзотические мезоны, которые не имеют обычного содержания валентных кварков двух кварков (одного кварка и одного антикварка), но 4 или более. Потому что у кварков есть спин 1/2, разница в количестве кварков между мезонами и барионами приводит к тому, что обычные двухкварковые мезоны бозоны, а барионы фермионы. Каждому типу мезонов соответствует античастица (антимезон), в котором кварки заменены соответствующими им антикварками, и наоборот. Например, положительный пион (π+) состоит из одного верхнего кварка и одного нижнего антикварка; и соответствующая ему античастица отрицательный пион (π−), состоит из одного верхнего антикварка и одного нижнего кварка. Поскольку мезоны состоят из кварков, они участвуют как в слабый и сильные взаимодействия. Мезоны с сеткой электрический заряд также участвовать в электромагнитное взаимодействие. Мезоны классифицируются в зависимости от их кваркового содержания: полный 11 угловой момент, паритет и различные другие свойства, такие как Cчетность и G-паритет. Хотя ни один из мезонов не является стабильным, более низкие масса тем не менее более стабильны, чем более массивные, и, следовательно, их легче наблюдать и изучать в ускорители частиц или в космический луч эксперименты. Мезоны также обычно менее массивны, чем барионы, а это означает, что они легче производятся в экспериментах и, таким образом, демонстрируют определенные явления с более высокой энергией более легко, чем барионы. Например, очаровательный кварк впервые был замечен в Дж / пси-мезон (Дж / ψ) в 1974 г., и нижний кварк в ипсилон-мезон (ϒ) в 1977 году. Мезоны делятся на группы по их изоспин (я), полный угловой момент (J), паритет (п), G-паритет (грамм) или же C-четность (C) если применимо, и кварк (q) содержание. Правила классификации определяются Группа данных о частицах, и довольно запутаны. Правила представлены ниже в табличной форме для простоты. Мезоны подразделяются на типы в зависимости от их спиновой конфигурации. Некоторым конкретным конфигурациям даны специальные имена, основанные на математических свойствах их спиновой конфигурации. Тип Псевдоскалярный мезон Типы мезонов[22] S L п J Jп 0 0 − 0 0− Псевдовекторный мезон 0, 1 1 + 1 1+ Векторный мезон 1 0, 2 − 1 1− Скалярный мезон 0 1 + 0 0+ Тензорный мезон 1 1, 3 + 2 2+ 2.6.-Барионы Барио́ны (от греч. βαρύς — тяжёлый) — семейство элементарных частиц, сильно взаимодействующие фермионы, состоящие из трёх кварков (предполагается, но не доказано существование барионов из 5 и большего числа кварков, см. Пентакварк) или трех антикварков (Антибарионы). Барионы вместе с мезонами (последние 12 состоят из двух кварков) составляют группу элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и называемых адронами. К основным барионам относятся (по мере возрастания массы): протон, нейтрон, ламбда-гиперон, сигма-гиперон, ксигиперон, омега-гиперон. Масса омега-гиперона (3278 масс электрона), почти в 1,8 раз больше массы протона. Наиболее стабильными барионами являются протон и нейтрон (вместе они составляют группу нуклонов). Первый из них, насколько это сегодня известно, абсолютно стабилен, второй испытывает бета-распад с временем жизни, близким к 1000 с. Более тяжёлые барионы распадаются за время от 10−23 до 10−10 с. Нуклоны имеют кварковый состав uud (протон) и udd (нейтрон). Их спин равен 1/2, странность нулевая. Масса близка к 940 МэВ. Вместе со своими короткоживущими возбуждёнными состояниями нуклоны относятся к группе N-барионов. Барионы, содержащие как минимум один странный кварк (но не содержащие более тяжелых кварков), называются гиперонами. В семействе барионов, кроме нуклонов, выделяют группы Δ-, Λ-, Σ-, Ξ- и Ωбарионов. Δ-барионы (Δ++, Δ+, Δ0, Δ−), как и нуклоны, состоят из u- и d-кварков, но, в отличие от нуклонов, их спин равен 3/2. Распадаются они главным образом на нуклон и пион. Время жизни Δ-барионов близко к 10−23 с. Λ-барионы (Λ0) — нейтральные (но не истинно нейтральные) частицы со спином 1/2 и странностью −1 (то есть их можно называть Λ-гиперонами), состоящие из u-, d- и s-кварка. В них u- и d-кварки находятся в синглетном по изоспину состоянии (I=0). Масса 1117 МэВ. Распадаются преимущественно на протон и отрицательный пион или на нейтрон и нейтральный пион с временем жизни 2,6×10−10 с. Открыты также тяжёлые Λбарионы (Λ+c и Λ0b), в которых странный кварк заменён очарованным (cкварком) или красивым (b-кварком). Σ-барионы (Σ+, Σ0, Σ−) имеют спин 1/2, странность −1. Как и Λ-барион, состоят из u-, d- и s-кварка, но триплетны по изоспину (I=1). Нейтральный Σ0барион имеет тот же кварковый состав, что и Λ0-барион (uds), но тяжелее, в связи с этим он очень быстро распадается в Λ0 с вылетом фотона (время жизни составляет лишь 6×10−20 с, поскольку распад происходит за счёт электромагнитного взаимодействия). Σ+ (uus) и Σ− (dds) распадаются за примерно 10−10 с на пион и нуклон. Следует отметить, что Σ+ и Σ− не являются частицей и античастицей — это самостоятельные частицы, каждая 13 из них (как, кстати, и Σ0) имеет свою античастицу. Массы Σ-гиперонов составляют около 1200 МэВ. Обнаружены также тяжёлые Σ-барионы, не являющиеся гиперонами (то есть содержащие вместо s-кварка более тяжёлый кварк). Ξ-барионы (Ξ0 и Ξ−) имеют спин 1/2, странность −2. Они содержат по два странных кварка; кварковый состав uss (Ξ0) и dss (Ξ−). Их масса близка к 1,3 ГэВ. Распадаются (с временем жизни около 10−10 с) на пион и Λ0-гиперон. Существуют тяжёлые Ξ-барионы, не являющиеся гиперонами (один из странных кварков заменен c- или b-кварком). Ω-барионы (существует лишь один тип этих частиц, Ω−-гиперон) имеют спин 3/2 и странность −3, состоят из 3 странных кварков (sss). Масса частицы 1,672 ГэВ. Преимущественные моды распада — на Λ0-гиперон и отрицательный каон или на Ξ0 и отрицательный пион (время жизни около 10−10 с). Открыты некоторые тяжёлые Ω-барионы, отличающиеся заменой одного из s-кварков на тяжёлый кварк. Декуплет барионов со спином 3/2 Октет барионов со спином 1/2 Существует также широкий спектр короткоживущих возбуждённых состояний этих барионов. Большинство лёгких барионов в основном состоянии распадаются за счёт слабого взаимодействия, поэтому их время жизни относительно велико (исключение составляет, как было отмечено выше, Σ0-гиперон). Лёгкие барионы (гипероны, Δ-барионы и нуклоны) в зависимости от спина входят в состав одного из двух мультиплетов: декуплета со спином 3/2 (Δ14 барионы, Ω-гипероны и возбуждённые состояния Σ- и Ξ-гиперонов) и октета со спином 1/2 (нуклоны, Σ-, Λ- и Ξ-гипероны). Барионное число Барионы подчиняются эмпирически установленному закону сохранения барионного числа: в замкнутой системе величина, равная разности количества барионов и количества антибарионов, сохраняется. Эта величина называется барионным числом. Причины сохранения барионного числа пока неизвестны (во всяком случае, с ним не связано какое-либо калибровочное поле, как с электрическим зарядом), однако во многих вариантах современных (пока не подтверждённых) теорий, расширяющих Стандартную Модель, этот закон может нарушаться. Если барионное число не сохраняется, то протон (самый лёгкий из барионов) может распадаться; однако пока распад протона не обнаружен — установлено только нижнее ограничение на время жизни протона (от 1029 до 1033 лет, в зависимости от канала распада). Предсказываются и другие процессы, не сохраняющие барионное число, например, нейтрон-антинейтронные осцилляции. Список барионов Нужно заметить, что все барионы имеют барионное число +1. Античастицы барионов (не указаны) состоят из антикварков к тем кваркам, из которых состоят барионы, а их барионное число, странность, очарование и прелесть (квантовые числа) имеют обратный знак по отношению к этим параметрам барионов. Барионы Частица Врем Ма Проду Кварк я Сим сса, Сп кты Изос Проекция S C B жизни овый вол Мэ ин распад пин изоспина состав , 2 В/c а c Протон uud Не 938, Стаби 1/2 0 0 0 наблюд 1/2 3 лен[1] ались −1/2 +3/2 p +1/2 − Нейтрон n ddu 939, 885,7± p + e + 1/2 0 0 0 1/2 6 0,8[2] Дельта Δ++ uuu 123 3/2 0 0 0 6×10−2 π + p + 15 3/2 4 2 Дельта Δ+ uud π+ + n 123 6×10−2 3/2 0 0 0 4 или π0 3/2 2 +p +1/2 π0 + n или π− 3/2 +p −1/2 −2 Дельта Δ0 udd 123 6×10 3/2 0 0 0 4 2 Дельта Δ− ddd 123 6×10−2 − 3/2 0 0 0 4 π +n 2 Λ0 uds π− + p 111 − 2.60×1 1/2 0 0 −10 или π0 0 5,7 1 0 +n 0 очарованна + Λc я Лямбда udc 228 + 2,0×10 1/2 0 0 −13 5 1 0 0 прелестная Λ0 b Лямбда udb 562 − 1,2×10 1/2 0 0 −12 4 1 0 0 +1 Лямбда 3/2 −3/2 Сигма Σ+ uus π0 + p 118 − 0,8×10 1/2 0 0 −10 или π+ 1 9,4 1 +n Сигма Σ0 uds 119 − 6×10−2 0 1/2 0 0 0 Λ +γ 2,5 1 1 0 Сигма Σ− dds 119 − 1,5×10 − 1/2 0 0 −10 π +n 7,4 1 1 −1 прелестная Σ+b Сигма uub 1/2 0 0 − 1 Λ0 b + π 1 +1 прелестная Σ−b Сигма ddb 1/2 0 0 − 1 Λ0 b + π 1 −1 Кси Ξ0 uss 131 − 2,9×10 0 1/2 0 0 −10 Λ + π0 1/2 5 2 +1/2 Кси Ξ− dss 132 − 1,6×10 0 1/2 0 0 −10 Λ + π− 1/2 1 2 −1/2 16 + − Ω− sss Λ0 + K− 167 − 0,82×1 3/2 0 0 −10 или Ξ0 0 2 3 0 + π− очарованна Ω0 c я Омега ssc 269 8 − + 7×10−1 0 2 1 4 0 +1 очарованна + Ξc я Кси usc 246 6 − + 4,4×10 0 1 1 −13 1/2 +3/2 ? очарованна 0 Ξc я Кси dsc 247 2 − + 1,1×10 0 1 1 −13 1/2 +1/2 Каскад-b dsb 562 9,6 − - - - - - Омега Ξb J/Ψ + Ξ - 0 3.-Взаимодействие частиц Процессы, в которых участвуют элементарные частицы, бесчисленны и разнообразны. Но за всеми процессами, которые наблюдались до сих пор, кроются фундаментальные взаимодействия всего лишь четырех типов: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Также называются и силы, обеспечивающие эти типы взаимодействия. Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все частицы, имеющие массы. Но поскольку массы элементарных частиц малы, влияние гравитационных сил обычно не учитывается. Слабые силы действуют между всеми известными элементарными частицами. Сильные взаимодействия существуют только между кварками. Электромагнитные взаимодействия испытывают тольке электрически заряженные частицы. Хотя природа этих сил различна, механизм взаимодействия частиц одинаков − взаимодействие частиц происходит благодаря обмену другими частицами, которые называются переносчиками взаимодействия или квантами соответствующего поля. Так, при электромагнитных взаимодействиях происходит обмен фотонами (квантами электромагнитного поля), при слабых − W± и Z -бозонами (квантами слабого поля). Все три бозона − тяжелые частицы: mW = 80.8 ГэВ, mZ = 92.9 ГэВ. При сильных взаимодействиях происходит обмен глюонами (8 типов глюонов), при гравитационном − обмен гравитонами. Из-за слабости гравитационного взаимодействия до сих пор гравитоны не обнаружены. Расстояние r, на котором две частицы "чувствуют" присутствие друг друга, определяется массой переносчика взаимодействия m. Эта масса может быть 17 определена из соотношения неопределенности: ΔEΔt ~ ћ, где ΔE = mc2, a Δt = r/c. Отсюда r ~ ћ/mc . Поскольку массы гравитона, фотона и глюона равны нулю, гравитационные, электромагнитные и сильные взаимодействия должны были бы обладать бесконечным радиусом взаимодействия. Слабые взаимодействия имеют малый радиус взаимодействия: rW ~ h/mWc ~ 2·1016 см. На расстояниях г << 10-16 см, по-видимому, все силы ведут себя одинаково − они обратно пропорциональны квадрату расстояния: F ~ r-2. Поэтому величина Fr-2 характеризует интенсивность взаимодействия, независимую от расстояния (для r < 10-16 см). В случае электромагнитного взаимодействия электронов удобнее интенсивность взаимодействия выражать в безразмерных величинах α =е2/ћc =l /137. Тогда вероятность любого акта электромагнитного взаимодействия пропорциональна α. Для кварков с дробным зарядом q вероятность электромагнитного взаимодействия будет пропорциональна αq2. Теория электромагнитных взаимодействий -квантовая электродинамика (КЭД). В случае сильных взаимодействий по аналогии с электродинамикой вводится константа сильного взаимодействия αs= gs2/ћc, где gs − сильный (или цветовой) заряд является источником этих сил. Теория сильных взаимодействий строится аналогично КЭД, но называется квантовой хромодинамикой (КХД), и вот почему. В электродинамике имеется лишь один заряд е, отличающийся только знаком (+, −) для частиц и античастиц. Сильный заряд gs кварков имеет три значения, т.е. кварки каждого аромата существуют в трех разновидностях. Принято говорить, что эти разновидности отличаются друг от друга своими цветами. Обычно говорят, что кварки бывают трех цветов: желтого, синего и красного. "Цвет" в этом случае − просто удобный термин для обозначения квантовых чисел, характеризующих кварки1. Выбор трех основных оптических (желтого, синего, красного) цветов для обозначения зарядов кварков позволяет пользоваться наглядной оптической аналогией. Цветовые заряды антикварков сопряжены зарядам кварков. Иногда их называют антижелтым, антисиним, антикрасным, иногда − фиолетовым, оранжевым и зеленым в соответствии с известной последовательностью дополнительных цветов в оптическом спектре. Сумма одинаковых заряда и антизаряда равна нулю. Сумма трех зарядов взаимно дополнительных цветов также равна нулю. При таком подборе кварковых цветов адроны естественно называть бесцветными, белыми частицами. Барионы бесцветны, так как состоят из трех кварков взаимно дополнительных цветов. Мезоны представляют собой бесцветные суперпозиции кварков и антикварков. Таким образом, было принято называть заряды сильного взаимодействия − цветными, а теорию сильного 18 взаимодействия − хромодинамикой. Итак, каждый кварк с определенным ароматом может иметь один из трех цветных зарядов: красный (к), желтый (ж), синий (с), и взаимодействие их сводится к обмену цветом. Поэтому переносчик сильного взаимодействия − глюон − должен быть двухцветным, т.е. он имеет цветной заряд. В этом заключается существенное отличие от электромагнитного взаимодействия, где переносчик взаимодействия фотон не имеет электрического заряда. Это обстоятельство имеет свои важные последствия. Явление поляризации вакуума приводит в КЭД к экранировке электрического заряда. Поясним это. Электрический заряд непрерывно испускает и поглощает виртуальные фотоны, которые могут порождать виртуальные электрон-позитронные пары. Заряд поляризует эти пары так, что исходный заряд оказывается частично экранированным распределенным в окружающем пространстве облаком виртуальных пар. На макроскопических расстояниях мы наблюдаем некоторый эффективный заряд е. По мере приближения к центру экранирующее действие пар ослабевает, что эквивалентно увеличению заряда, т.е. возрастанию "константы взаимодействия". Действительно, на расстоянии r = 1017 см константа электромагнитного взаимодействия α оказывается равной 1/129, а не 1/137 как при r >10-13. Аналогичное влияние на цветные заряды оказывают виртуальные q -пары, образующиеся около сильного заряда, они также поляризуются исходным кварком и в результате уменьшают его заряд. Но возникающие вместе с q -парами цветные глюоны тоже поляризуются и иначе, чем кварки. Кроме того, их − восемь видов, и, благодаря своим цветовым зарядам, глюоны сильно взаимодействуют друг с другом. В результате этого исходный заряд как бы "распухает" из-за виртуальных глюонов, и с увеличением расстояния суммарный заряд кварка и облака виртуальных глюонов возрастает. На больших расстояниях при r >10-13 см цветные силы становятся постоянными F ~ αsr-2 + k, а потенциал (т.е. энергия взаимодействия) V возрастает с расстоянием: V ~ F·r ~ αsr--1 + k·r. Образно говоря, между кварками как бы "натянута" струна. На малых расстояниях струна "провисает", энергия их взаимодействия мала и кварки свободны, а на больших расстояниях струна натянута и стягивает кварки с силой 10 тонн. При уменьшении расстояния, по мере проникновения в глубь глюонного облака, окружающего кварк, цветовой заряд его уменьшается. Это означает, что в пределе бесконечно малых расстояний между кварками цветовое взаимодействие между ними выключается. Константа сильного 19 взаимодействия становится очень малой, и кварки почти не взаимодействуют между собой. Это явление получило название асимптотической свободы. Таким образом "константа" сильного взаимодействия меняется с расстоянием, поэтому ее называют бегущей константой. На расстоянии r ~1013 см αs = 1 , а на расстоянии r ~10-17 см αs = 0.1 Поскольку переносчиками слабого взаимодействия также являются заряженные частицы − W±- бозоны, то константа слабого взаимодействия, как и сильного, уменьшается с уменьшением расстояния. На расстоянии r ~10-17 см. αw ≈ l/27. Итак, константы всех трех взаимодействий при расстояниях порядка 1017 см не так уж далеки друг от друга по величине и проявляют тенденцию к дальнейшему сближению. Экстраполяция всех бегущих констант в область очень малых расстояний приводит к тому, что на расстояниях r ~10-28 см. все они становятся одинаковыми αGU ≈1/40. Индекс GU происходит от английских слов grand unification и означает великое объединение трех фундаментальных взаимодействий. Возможно, что при таких расстояниях исчезает различие между лептонами и кварками и существует один тип частиц − лептокварки. Ранее отмечалось, что слабые взаимодействия испытывают все частицы: и лептоны и кварки. Однако опыт показал, что в слабых взаимодействиях участвуют только некоторые пары частиц, образующие слабо взаимодействующие дублеты. Причиной этого является зависимость слабого взаимодействия от спиралъности частицы, т.е. от того, совпадает или нет направление проекции спина частицы с направлением ее движения. Если направление проекции спина совпадает с направлением движения частицы, то такая частица называется правополяризованной, если нет, - то левополяризованной. Если масса частицы равна нулю, то ее спиральность не может быть изменена. Частицы с m > 0 могут менять свою спиральность. Оказывается, в слабых взаимодействиях участвуют только частицы с левой поляризацией и античастицы с правой поляризацией. Эти частицы могут переходить друг в друга в результате обмена W-бозонами, они и образуют дублеты первого поколения. 20 4.-Приборы регистрации элементарных частиц Пpинцип дeйcтвия пpибopoв для peгиcтpaции элeмeнтapныx чacтиц Peгиcтpиpующий пpибop — этo бoлee или мeнee cлoжнaя мaкpocкoпичecкaя cиcтeмa, кoтopaя мoжeт нaxoдитьcя в нeуcтoйчивoм cocтoянии. Пpи нeбoльшoм вoзмущeнии, вызвaннoм пpoлeтeвшeй чacтицeй, нaчинaeтcя пpoцecc пepexoдa cиcтeмы в нoвoe, бoлee уcтoйчивoe cocтoяниe. Этoт пpoцecc и пoзвoляeт peгиcтpиpoвaть чacтицу. B нacтoящee вpeмя иcпoльзуeтcя мнoжecтвo paзличныx мeтoдoв peгиcтpaции чacтиц. B зaвиcимocти oт цeлeй экcпepимeнтa и уcлoвий, в кoтopыx oн пpoвoдитcя, пpимeняютcя тe или иныe peгиcтpиpующиe уcтpoйcтвa, oтличaющиecя дpуг oт дpугa пo ocнoвным xapaктepиcтикaм. Гaзopaзpядный cчeтчик Гeйгepa Cчeтчик Гeйгepa — oдин из вaжнeйшиx пpибopoв для aвтoмaтичecкoгo пoдcчeтa чacтиц. Cчeтчик cocтoит из cтeкляннoй тpубки, пoкpытoй изнутpи мeтaлличecким cлoeм (кaтoд), и тoнкoй мeтaлличecкoй нити, идущeй вдoль ocи тpубки (aнoд). Tpубкa зaпoлняeтcя гaзoм, oбычнo apгoнoм. Дeйcтвиe cчeтчикa ocнoвaнo нa удapнoй иoнизaции. Зapяжeннaя чacтицa (элeктpoн, αчacтицa и т. д.), пpoлeтaя в гaзe, oтpывaeт oт aтoмoв элeктpoны и coздaeт пoлoжитeльныe иoны и cвoбoдныe элeктpoны. Элeктpичecкoe пoлe мeжду aнoдoм и кaтoдoм (к ним пoдвoдитcя выcoкoe нaпpяжeниe) уcкopяeт элeктpoны дo энepгий, пpи кoтopыx нaчинaeтcя удapнaя иoнизaция. Boзникaeт лaвинa иoнoв, и тoк чepeз cчeтчик peзкo вoзpacтaeт. Пpи этoм нa нaгpузoчнoм peзиcтope R oбpaзуeтcя импульc нaпpяжeния, кoтopый пoдaeтcя в peгиcтpиpующee уcтpoйcтвo. Для тoгo чтoбы cчeтчик мoг peгиcтpиpoвaть cлeдующую пoпaвшую в нeгo чacтицу, лaвинный paзpяд нeoбxoдимo пoгacить. Этo пpoиcxoдит aвтoмaтичecки. Taк кaк в мoмeнт пoявлeния импульca тoкa пaдeниe нaпpяжeния нa нaгpузoчнoм peзиcтope R вeликo, тo нaпpяжeниe мeжду aнoдoм и кaтoдoм peзкo умeньшaeтcя — нacтoлькo, чтo paзpяд пpeкpaщaeтcя. Cчeтчик Гeйгepa пpимeняeтcя в ocнoвнoм для peгиcтpaции элeктpoнoв и γ-квaнтoв (фoтoнoв бoльшoй энepгии). B нacтoящee вpeмя coздaны cчeтчики, paбoтaющиe нa иныx пpинципax. Kaмepa Bильcoнa Cчeтчики пoзвoляют лишь peгиcтpиpoвaть фaкт пpoxoждeния чepeз ниx чacтицы и фикcиpoвaть нeкoтopыe ee xapaктepиcтики. B кaмepe жe Bильcoнa, coздaннoй в 1912 г., быcтpaя зapяжeннaя чacтицa ocтaвляeт cлeд, кoтopый мoжнo нaблюдaть нeпocpeдcтвeннo или cфoтoгpaфиpoвaть. Пpинцип дeйcтвия кaмepы Bильcoнa ocнoвaн нa кoндeнcaции пepeнacыщeннoгo пapa нa иoнax c oбpaзoвaниeм кaпeлeк вoды. Эти иoны coздaeт вдoль cвoeй тpaeктopии движущaяcя зapяжeннaя чacтицa. Kaмepa Bильcoнa пpeдcтaвляeт coбoй гepмeтичecки зaкpытый cocуд, зaпoлнeнный пapaми вoды или cпиpтa, близкими к нacыщeнию. Пpи peзкoм oпуcкaнии пopшня, вызвaннoм умeньшeниeм дaвлeния пoд ним, пap в кaмepe aдиaбaтнo pacшиpяeтcя. Bcлeдcтвиe этoгo пpoиcxoдит oxлaждeниe, и пap cтaнoвитcя 21 пepeнacыщeнным. Этo — нeуcтoйчивoe cocтoяниe пapa: oн лeгкo кoндeнcиpуeтcя, ecли в cocудe пoявляютcя цeнтpы кoндeнcaции. Цeнтpaми кoндeнcaции cтaнoвятcя иoны, кoтopыe oбpaзуeт в paбoчeм пpocтpaнcтвe кaмepы пpoлeтeвшaя чacтицa. Ecли чacтицa пpoникaeт в кaмepу cpaзу пocлe pacшиpeния пapa, тo нa ee пути пoявляютcя кaпeльки вoды. Эти кaпeльки oбpaзуют видимый cлeд пpoлeтeвшeй чacтицы — тpeк. Зaтeм кaмepa вoзвpaщaeтcя в иcxoднoe cocтoяниe, и иoны удaляютcя элeктpичecким пoлeм. B зaвиcимocти oт paзмepoв кaмepы вpeмя вoccтaнoвлeния paбoчeгo peжимa вapьиpуeтcя oт нecкoлькиx ceкунд дo дecяткoв минут. Инфopмaция, кoтopую дaют тpeки в кaмepe Bильcoнa, знaчитeльнo бoгaчe тoй, кoтopую мoгут дaть cчeтчики. Пo длинe тpeкa мoжнo oпpeдeлить энepгию чacтицы, a пo чиcлу кaпeлeк нa eдиницу длины тpeкa — ee cкopocть. Чeм длиннee тpeк чacтицы, тeм бoльшe ee энepгия. A чeм бoльшe кaпeлeк вoды oбpaзуeтcя нa eдиницу длины тpeкa, тeм мeньшe ee cкopocть. Чacтицы c бoльшим зapядoм ocтaвляют тpeк бoльшeй тoлщины. Coвeтcкиe физики П. Л. Kaпицa и Д. B. Cкoбeльцын пpeдлoжили пoмeщaть кaмepу Bильcoнa в oднopoднoe мaгнитнoe пoлe. Maгнитнoe пoлe дeйcтвуeт нa движущуюcя зapяжeнную чacтицу c oпpeдeлeннoй cилoй (cилoй Лopeнцa). Этa cилa иcкpивляeт тpaeктopию чacтицы, нe измeняя мoдуля ee cкopocти. Tpeк имeeт тeм бoльшую кpивизну, чeм бoльшe зapяд чacтицы и чeм мeньшe ee мacca. Пo кpивизнe тpeкa мoжнo oпpeдeлить oтнoшeниe зapядa чacтицы к ee мacce. Ecли извecтнa oднa из этиx вeличин, тo мoжнo вычиcлить дpугую. Haпpимep, пo зapяду чacтицы и кpивизнe ee тpeкa мoжнo нaйти мaccу чacтицы. Пузыpькoвaя кaмepa B 1952 г. aмepикaнcким учeным Д. Глeйзepoм былo пpeдлoжeнo иcпoльзoвaть для oбнapужeния тpeкoв чacтиц пepeгpeтую жидкocть. B тaкoй жидкocти нa иoнax (цeнтpax пapooбpaзoвaния), oбpaзующиxcя пpи движeнии быcтpoй зapяжeннoй чacтицы, пoявляютcя пузыpьки пapa, дaющиe видимый тpeк. Kaмepы дaннoгo типa были нaзвaны пузыpькoвыми. B иcxoднoм cocтoянии жидкocть в кaмepe нaxoдитcя пoд выcoким дaвлeниeм, пpeдoxpaняющим ee oт зaкипaния, нecмoтpя нa тo, чтo тeмпepaтуpa жидкocти нecкoлькo вышe тeмпepaтуpы кипeния пpи aтмocфepнoм дaвлeнии. Пpи peзкoм пoнижeнии дaвлeния жидкocть oкaзывaeтcя пepeгpeтoй, и в тeчeниe нeбoльшoгo вpeмeни oнa будeт нaxoдитьcя в нeуcтoйчивoм cocтoянии. Зapяжeнныe чacтицы, пpoлeтaющиe имeннo в этo вpeмя, вызывaют пoявлeниe тpeкoв, cocтoящиx из пузыpькoв пapa. B кaчecтвe жидкocти иcпoльзуютcя глaвным oбpaзoм жидкий вoдopoд и пpoпaн. Длитeльнocть paбoчeгo циклa пузыpькoвoй кaмepы нeвeликa — oкoлo 0,1 c. Пpeимущecтвo пузыpькoвoй кaмepы пepeд кaмepoй Bильcoнa oбуcлoвлeнo бoльшeй плoтнocтью paбoчeгo вeщecтвa. Пpoбeги чacтиц вcлeдcтвиe этoгo oкaзывaютcя дocтaтoчнo кopoткими, и чacтицы дaжe бoльшиx энepгий зacтpeвaют в кaмepe. Этo пoзвoляeт нaблюдaть cepию пocлeдoвaтeльныx пpeвpaщeний чacтицы и вызывaeмыe eю peaкции. Tpeки в 22 кaмepe Bильcoнa и пузыpькoвoй кaмepe — oдин из глaвныx иcтoчникoв инфopмaции o пoвeдeнии и cвoйcтвax чacтиц. Meтoд тoлcтocлoйныx фoтoэмульcий Для peгиcтpaции чacтиц нapяду c кaмepaми Bильcoнa и пузыpькoвыми кaмepaми пpимeняютcя тoлcтocлoйныe фoтoэмульcии. Иoнизиpующee дeйcтвиe быcтpыx зapяжeнныx чacтиц нa эмульcию фoтoплacтинки пoзвoлилo фpaнцузcкoму физику A. Бeккepeлю oткpыть в 1896 г. paдиoaктивнocть. Meтoд фoтoэмульcии был paзвит coвeтcкими физикaми Л. B. Mыcoвcким, Г. Б. Ждaнoвым и дp. Фoтoэмульcия coдepжит бoльшoe кoличecтвo микpocкoпичecкиx кpиcтaлликoв бpoмидa cepeбpa. Быcтpaя зapяжeннaя чacтицa, пpoнизывaя кpиcтaллик, oтpывaeт элeктpoны oт oтдeльныx aтoмoв бpoмa. Цeпoчкa тaкиx кpиcтaлликoв oбpaзуeт cкpытoe изoбpaжeниe. Пpи пpoявлeнии в этиx кpиcтaлликax вoccтaнaвливaeтcя мeтaлличecкoe cepeбpo и цeпoчкa зepeн cepeбpa oбpaзуeт тpeк чacтицы. Пo длинe и тoлщинe тpeкa мoжнo oцeнить энepгию и мaccу чacтицы. Из-зa бoльшoй плoтнocти фoтoэмульcии тpeки пoлучaютcя oчeнь кopoткими (пopядкa 10-З cм для α-чacтиц, иcпуcкaeмыx paдиoaктивными элeмeнтaми), нo пpи фoтoгpaфиpoвaнии иx мoжнo увeличить. Пpeимущecтвo фoтoэмульcий в тoм, чтo вpeмя экcпoзиции мoжeт быть cкoль угoднo бoльшим. Этo пoзвoляeт peгиcтpиpoвaть peдкиe явлeния. Baжнo и тo, чтo блaгoдapя бoльшoй тopмoзящeй cпocoбнocти фoтoэмульcий увeличивaeтcя чиcлo нaблюдaeмыx интepecныx peaкций мeжду чacтицaми и ядpaми. 5.-Состав атомных ядер Благодаря новым методам регистрации радиоактивности стало возможным изучать новые явления, которые раньше не поддавались исследованию, и, в частности, попытаться ответить на вопрос, как устроено атомное ядро. Для ответа на этот вопрос Резерфорд решил использовать столкновение α-частиц с ядрами легких химических элементов. Обстреливая α-частицами атомы водорода, Резерфорд обнаружил что нейтральные атомы водорода превращаются в положительно заряженные частицы. Резерфорду было известно, что легчайший атом Периодической системы водород состоит из ядра, имеющего единичный положительный заряд, и электрона. Следовательно, при столкновении с атомом водорода αчастица подходила достаточно близко к ядру водорода и передавала ему часть энергии и импульса. Резерфорд назвал эти положительно заряженные частицы H атомами. Позже за ними укрепилось название «протоны». Одновременно Резерфорд установил, что взаимодействие между α-частицей и ядром водорода не подчиняется обнаруженному им ранее закону рассеяния α частиц на ядрах золота. При сближении α-частицы с ядром водорода силы взаимодействия между α-частицей и ядром водорода резко возрастали. В 23 результате изучения взаимодействия α-частиц с атомами водорода был обнаружен протон – ядро атома водорода. Резерфорд продолжает эксперименты по исследованию взаимодействия α-частиц с лёгкими атомами и в 1919 г. обнаруживает, что при облучении α-частицами атомов азота из атома вылетают протоны. Следовательно, протоны входят в состав атомных ядер. Но при этом под действием α-частиц должно было произойти изменение ядра атома азота. Его заряд должен уменьшиться на единицу – ядро азота должно превратиться в ядро кислорода. Впервые Резерфорд сделал то, что на протяжении веков не удавалось алхимикам – он искусственно превратил один химический элемент в другой. В течение нескольких последующих лет Резерфорд с учениками осуществил искусственное превращение около десяти лёгких химических элементов – бора, фтора, лития, натрия, фосфора и других. По мере того, как появлялись новые экспериментальные данные по спинам и магнитным моментам атомных ядер, трудности протон-электронной модели в описании этих характеристик атомных ядер нарастали. Особенно ярко это проявилось в так называемой «азотной катастрофе». Суть её состояла в следующем. Согласно протон-электронной модели ядро 14N должно состоять из 14 протонов и 7 электронов. Так как и протон, и электрон имеют собственное значение спина J = 1/2, полный спин ядра 14N должен иметь полуцелое значение, в то время как экспериментально измеренное значение спина ядра J(14N) = 1. Были и другие примеры расхождений предсказаний протонэлектронной модели ядра с результатами эксперимента. Так, например, все атомные ядра, имеющие четное значение массового числа A, имели нулевое или целочисленное значение спина J, в то время как протон-электронная модель ядра в большинстве случаев предсказывала полуцелое значение спина. Измеренные значения магнитных моментов ядер оказались почти в 1000 раз меньше, чем предсказывала протон-электронная модель ядра. Стало ясно, что протон-электронная модель ядра содержит какую-то неправильную компоненту. Определенные неудобства создавали электроны, находящиеся в ограниченном объёме атомного ядра. Заточение электронов в ядре противоречило принципу неопределенности ΔpΔx = ћ. 6.- Производные характеристики элементарных частиц К производным характеристикам следует отнести: энергию частицы, быстроту, заменяющую скорость для релятивистских частиц, магнитный момент и др. 24 Энергия покоящейся частицы Е = mс2; энергия движущейся частицы Е2 = m2с4 + р2с2. Для нерелятивистских частиц Е = mс2 + р2/2m; для релятивистских частиц с массой m = 0 Е = ср. Единицы измерения энергии - эВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ... 1 эВ = 1.6·10-12 эрг. Скорость частицы β = v/c, где с = 3·1010 см/с − скорость света. Скорость частицы определяет такую важнейшую характеристику как Лоренц-фактор частицы γ = (1 − β2)-1/2 = E/mc2. Для нерелятивистских частиц 1 < γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2. В физике высоких энергий скорость частицы (β близка к 1 и для релятивистских частиц ее трудно определить. Поэтому вместо скорости используется быстрота у, которая связана со скоростью соотношением . Быстрота изменяется от 0 до ∞. Функциональная связь между скоростью частицы и быстротой показана на рис. 30. Для релятивистских частиц при β → 1, Е → р, тогда вместо быстроты можно использовать псевдобыстроту η, которая определяется углом вылета частицы . Магнитный момент μ = Jπr2/c возникает из-за вращения электрического заряда. Таким образом, любая заряженная частица имеет магнитный момент. При рассмотрении магнитного момента электрона используется магнетон Бора μB = eћ/2mec = 0.5788·10-14 МэВ/Гс, магнитный момент электрона = g·μB · . Коэффициент g называется гиромагнитным отношением. Для электрона , т.к. J= ћ/2, а = μB. В ядерной физике используется ядерный магнетон μя = eћ/2mpc, где mp – масса протона. 7.-Радиоактивность Радиоактивностью называется способность атомного ядра самопроизвольно распадаться с испусканием частиц. Радиоактивный распад ядра возможен тогда, когда он энергетически выгоден, т.е. сопровождается выделением энергии. Условием этого является превышение массы M исходного ядра суммы масс mi продуктов распада, которому соответствует неравенство M > ∑mi. Это условие является необходимым, но не всегда достаточным. Распад может быть запрещен другими законами сохранения – сохранения момента количества движения, 25 электрического заряда, барионного заряда и т.д. Радиоактивный распад характеризуется временем жизни радиоактивного изотопа, типом испускаемых частиц, их энергиями. Основными видами радиоактивного распада являются: α-распад – испускание атомным ядром α-частицы; β-распад – испускание атомным ядром электрона и антинейтрино, позитрона и нейтрино, поглощение ядром атомного электрона с испусканием нейтрино; γ-распад – испускание атомным ядром γ-квантов; спонтанное деление – распад атомного ядра на два осколка сравнимой массы. К более редким видам радиоактивного распада относятся процессы испускания ядром двух электронов, одного или двух протонов, а также кластеров – лёгких ядер от 12C до 32S. Во всех видах радиоактивности (кроме γ-распада) изменяется состав ядра – число протонов Z, массовое число A или и то и другое одновременно. На характеристики радиоактивного распада существенное влияние оказывает тип взаимодействия, вызывающего распад ядра. Для того чтобы происходил α-распад, необходимо, чтобы масса исходного ядра M(A,Z) была больше суммы масс конечного ядра M(A-4, Z-2) и αчастицы mα: M(A,Z) > M(A-4, Z-2) + mα. Энергия α-распада Qα = [M(A,Z) - M(A-4, Z-2) - mα]c2. Энергия, освобождающаяся при α-распаде, обычно заключена в интервале 2 – 9 МэВ, и основная её часть (» 98%) уносится α-частицей в виде её кинетической энергии. Оставшиеся 2% - это кинетическая энергия конечного ядра. Периоды полураспада α-излучателей изменяются в очень широких пределах: от 5·10-8 с до 8·1018 лет. Столь широкий разброс периодов полураспада, а также огромные значения этих периодов для многих αрадиоактивных ядер объясняется тем, что α-частица не может «мгновенно» покинуть ядро, несмотря на то, что это энергетически выгодно. Для того чтобы покинуть ядро, α-частица должна преодолеть потенциальный барьер Главной особенностью β-распада является то, что он обусловлен слабым взаимодействием. Бета-распад - процесс внутринуклонный. В ядре распадается одиночный нуклон. Происходящие при этом внутри ядра превращения нуклонов и энергетические условия соответствующего типа β-распада выглядят так (масса νe, e считается нулевой): β--распад (n ® p + e- + e), M(A,Z) > M(A, Z+1) + me, 26 β+-распад (p ® n + e+ + νe), M(A,Z) > M(A,Z-1) + me, e-захват (p + e- ® n + νe), M(A,Z) + me > M(A, Z-1). 8.-Деление ядер Деление атомных ядер – их распад на две части (осколка) сравнимой массы. Деление может быть самопроизвольным (спонтанным) или вынужденным, вызванным взаимодействием ядра с внешней частицей. Деление энергетически выгодно, т.е. сопровождается освобождением энергии, для тяжёлых ядер и является основным источником ядерной энергии. При этом энерговыделение составляет величину 1 МэВ на один нуклон делящегося вещества или 1014 Дж/кг, что намного порядков превосходит энерговыделение всех других освоенных человеком источников энергии. Энергия деления используется в атомных электростанциях (ядерные реакторы) и атомном оружии. Процесс деления можно проиллюстрировать, рассматривая ядро как каплю заряженной ядерной жидкости (рис. 1). В процессе деления ядро последовательно проходит через следующие стадии: шар (а), деформация (б), гантель (в), образование "шейки" (г), два осколка (д). В стадии (б) силы поверхностного натяжения, направленные внутрь ядра, стремятся уменьшить площадь поверхности ядра и вернуть его в исходное сферическое состояние, тем самым, препятствуя дальнейшему развитию процесса деления. Для того чтобы ядро “проскочило” стадию (б) и оказалось в стадии (в), когда деление становится необратимым, ему нужно сообщить энергию извне. Эта энергия может быть передана ядру любой внешней частицей, но практически наиболее выгодно использовать для этой цели лишённые электрического заряда нейтроны, так как их сближению с ядром не препятствуют кулоновские силы отталкивания. Ядро может разделиться на два осколка с близкими (и даже равными) массами. Но это происходит редко. Чаще один из осколков тяжелее другого (примерно в 1.5 раза). Одна из наиболее типичных реакций деления ядра урана-235 выглядит так: Она протекает за время не более, чем 10-12 сек и сопровождается испусканием трёх нейтронов. Увеличение числа нейтронов в процессе деления открывает возможность протекания цепной ядерной реакции деления. 27 То, что в реакции деления должна освобождаться энергия, следует из зависимости удельной энергии связи ядра (средней энергии связи нуклона в ядре) от массового числа А (рис. 2). Так в делящемся ядре урана (А = 236) средняя энергия связи нуклона 7.6 МэВ, а у ядер-осколков эта энергия примерно 8.5 МэВ. Избыток энергии связи освобождается. Для одного нуклона этот избыток равен (8.5 - 7.6) МэВ = 0.9 МэВ. Учитывая, что число нуклонов в ядре урана равно 236, получаем для энергии, выделяющейся в одном акте деления, величину 0.9 МэВ . 236 212 МэВ. Эта энергия выделяется в основном в виде кинетической энергии разлетающихся осколков. Энергия деления распределяется примерно следующим образом. Кинетическая энергия осколков 167 МэВ Энергия нейтронов деления 5 МэВ Энергия мгновенных -квантов 7 МэВ Энергия -частиц продуктов деления 8 МэВ Энергия -излучения продуктов деления 7 МэВ Энергия антинейтрино продуктов деления 10 МэВ Всего 200 МэВ Выводы: Моя работа в рамках проекта позволяет сделать вывод о том, что такое элементарные частицы, какие они бывают, их взаимодействие, способы обнаружения, состав и радиоактивность. 28 Список литературы: 1. https://spacegid.com/elementarnyie-chastitsyi.html#i-6 2. https://studopedia.ru/5_115968_klassifikatsiya-elementarnihchastits.html 3. http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e085.htm 4. http://nuclphys.sinp.msu.ru/antimatter/ant11.htm 5. http://nuclphys.sinp.msu.ru/sem2/sem06.html 6. https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1169116 7. https://wikidea.ru/wiki/Meson#Types_of_meson 8. https://vlab.fandom.com/ru/wiki/Барион 9. http://nuclphys.sinp.msu.ru/ihem/ihem01.htm 10. http://class-fizika.ru/11_72.html 11. http://nuclphys.sinp.msu.ru/histan/histan04.htm 12. http://nuclphys.sinp.msu.ru/fi/fi04.htm 13. http://nuclphys.sinp.msu.ru/anuc/anuc07.htm 14. http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e048.htm 29
