элементарности» частиц

Ядра атомов
и
элементарные
частицы
Ядерные реакции – превращение атомных ядер при взаимодействии
с частицами (в том числе γ – квантами) или друг с другом. Бывают
экзо- и эндотермические (с выделением энергии) ядерные реакции.
Согласно теории Бора выделяют 2 этапа ядерной реакции.
1й этап: образование промежуточного ядра, которое существует
достаточно длительное время (~10-14с) по сравнению с ядерным
временем (10-21-10-23 с), характеризующим время пролета частицы
через ядро τ = r/V = 10-13 см/108см/с = 10-21 с. За это время система
забывает способ своего образования и второй этап ядерной реакции
может идти по разным каналам, которые определяются вероятностью
того или иного распада.
а (снаряд) +А (мишень)→ составное (промежуточное) ядро.
2й этап: распад промежуточного ядра. Выход реакции: отношение
числа актов N ядерной реакции к числу частиц, упавших на 1 см3
мишени – w=10-3-10-4, но для нейтронов может достигать единицы.
Различают следующие, наиболее часто встречающиеся ядерные
реакции:
1. Реакция превращения. В этом случае налетевшая частица
остается в ядре, но промежуточное ядро испускает какую-либо
другую частицу, поэтому ядро-продукт отличается от ядра-мишени.
Примером может служить реакция Резерфорда 147N7(α,p)178O9
превращения азота в кислород или реакция получения нейтрона
9 Ве5 (α, n)12 С .
4
6 6
2. Реакция радиационного захвата. Здесь также налетевшая
частица застревает в ядре, но возбужденное ядро испускает избыток
энергии, излучая γ-фотон. Таковы реакции типа (n,γ), имеющие
большое значение в работе ядерных реакторов (часть нейтронов,
необходимая для цепной реакции, теряется в процессе захвата и,
кроме того, возникает интенсивное γ -излучение, создающее
опасность для окружающих лиц).
Примером может служить реакция захвата нейтронов кадмием или
фосфором:
Cd 65 (n,  )
113
48
114
48
Cd 66
P (n,  ) P
81
15 16
32
15 17
В результате реакции захвата ядро-продукт может оказаться: 1) стабильным
(например, реакция с кадмием), 2) радиоактивным (реакция с фосфором) с
определенным периодом полураспада. Реакции второго типа приводят к
образованию искусственно-радиоактивных изотопов (меченых атомов), широко
используемых в науке и технике.
3. Рассеяние. В этом случае промежуточное ядро испускает частицу,
тождественную с налетевшей, причем может быть:
1) упругое рассеяние, при котором суммарная кинетическая энергия
взаимодействующих частиц не меняется, и
2) неупругое рассеяние, при котором суммарная кинетическая
энергия соударяющихся частиц уменьшается, и разность энергий
излучается в виде энергии γ-фотона.
Примером упругого рассеяния служит рассеяние нейтронов углеродом
(графитом) или тяжелой водой, которое используется в реакторах для
замедления нейтронов:
126
C6 (n, n)126 Cd6
Примером неупругого рассеяния может служить процесс, происходящий при
соударении быстрого нейтрона с ядром урана-238, идущий по реакции
U146 (n, n,  ) 238
92 U 146
238
92
4. Реакция деления. Это реакция, идущая всегда с выделением
энергии. При реакции деления возбуждение промежуточного
составного ядра столь велико, что оно делится на два примерно
равных осколка с выделением нескольких нейтронов.
Фундаментальные взаимодействия
В настоящее время известны четыре вида фундаментальных
взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и
гравитационное.
Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия называют иначе
ядерным, так как оно обеспечивает связь нуклонов в ядре. Интенсивность
взаимодействия принято характеризовать безразмерной константой
взаимодействия G2. Эта же константа характеризует вероятность процессов,
обусловленных данным взаимодействием. Для сильных взаимодействий
G2=Gs2=1. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное
взаимодействие (радиус действия r), составляет примерно 10-13 см. Частица,
пролетающая со скоростью, близкой к с, в непосредственной близости к другой
частице, будет взаимодействовать с ней в течение времени τ=r/с=10-13/
(3х1010)=10-23 сек, соответственно говорят, что сильное взаимодействие
характеризуется временем взаимодействия τs порядка 10-23 сек.
Электромагнитное взаимодействие. Радиус действия электромагнитного
взаимодействия не ограничен (r = ∞). Константа взаимодействия равна
G2=Gе2=е2/ћс=1/137, т.е. интенсивность электромагнитного взаимодействия
примерно в 100 раз меньше, чем сильного. Время, необходимое дли того,
чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его
интенсивности (или вероятности). Поэтому для электромагнитного
взаимодействия τе= τs= Gs2/ Gе2 ≈ 10-21 сек
Гравитационное взаимодействие. Радиус действия не ограничен (r = ∞).
Константа взаимодействия крайне мала: G2=Gg2=10-39, время взаимодействия
составляет τg=109 лет. Гравитационное взаимодействие является
универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные
частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие
ощутимой роли не играет.
Слабое взаимодействие. Слабое
или распадное взаимодействие
ответственно за все виды βраспадов ядер (включая К-захват),
за многие распады элементарных
частиц, а также за все процессы
взаимодействия нейтрино с
веществом. Слабое взаимодействие,
как и сильное, является
короткодействующим. Константа
взаимодействия G2=Gω2 равна 10-14.
Следовательно, время взаимодействия
τω: =10-9 сек.
Кванты (переносчики) взаимодействий
Предельный размер атомного ядра
Предельный размер атомного
ядра определяется
конкуренцией между силой
ядерного (сильного )
взаимодействия,
«стягивающей» нуклоны и
силой электромагнитного
взаимодействия,
расталкивающей одноименно
заряженные протоны
Проверка «элементарности» частиц
Пусть имеется частица с массой М. Для того, чтобы проверить,
является ли эта частица «сложной» или элементарной, окажем на
нее внешнее воздействие с некоторой энергией W (например,
путем бомбардировки ее другой частицей, которая при ударе о
частицу – мишень М теряет энергию W). Допустим, при таком
воздействии из частицы М удается извлечь одну частицу с массой
m (или несколько с m=Σmi).
На основании законов
сохранения энергии и
массы, можно написать:
М+ W/с2= М1+ m+Екин/с2
где М1 – масса частицы после указанной операции. Для простоты
будем считать, что Екин (после столкновения) пренебрежимо мала.
Проверка «элементарности» частиц
Если W/с2<m, т.е. для извлечения частицы m необходимо
затратить энергию W<mс2, т.е. меньшую, чем собственная
энергия частицы W0=mс2, то полагают, что частица m входит в
состав частицы М и, соответственно, частица М не является
элементарной.
Минимальное значение W, необходимое для извлечения частицы
m, называется энергия связи, или работа выхода.
При условии W ≥ mс2 полагают, что появившиеся частицы
«рождаются» при воздействии, т.е. частица М является
элементарной.
Способность появляться (рождаться) с затратой энергии
W≥mс2 является важнейшей особенностью элементарных
частиц.
Частицы и античастицы
Уравнение Шредингера не удовлетворяет требованиям теории относительности
- оно не инвариантно по отношению к преобразованиям Лоренца. В 1928 г.
английскому физику П. Дираку удалось найти релятивистское волновое
уравнение, из которого вытекает ряд замечательных следствий. Оно позволило
также предсказать существование античастицы электрона — позитрона. Из
уравнения Дирака получаются для полной энергии свойство частицы не только
положительные, но и отрицательные значения.
Существуют две области
собственных значении энергии:
одна начинается с +m0с2 и
простирается до +∞, другая
начинается с —m0с2 и
простирается до -∞.
Дирак предположил, что переходы электронов в состояния с отрицательной
энергией обычно не наблюдаются по той причине, что все имеющиеся уровни с
отрицательной энергией уже заняты электронами (электроны, как и другие
частицы с полуцелым спином, подчиняются «принципу Паули» который
запрещает находиться в одном и том же состоянии более чем одной частице).
Согласно Дираку вакуум есть такое состояние пространства, в котором все
уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с.
положительной энергией свободны.
Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещенной
полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживают. При встрече
позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают) — электрон переходит с
положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия,
соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения.
Электрон – позитронная пара
возникает при взаимодействии γ-кванта
с веществом.
γ→ е- + е+
В
е-
е+
γ
Аннигиляция – процесс
взаимодействия элементарной частицы
с ее античастицей, в результате которой
они превращаются в γ-кванты (фотоны)
или другие частицы.
е- + е+→ 2 γ
Один γ-квант не образуется т.к.
одновременно должны быть выполнены
законы сохранения импульса и энергии.
Классификация элементарных частиц
(по видам взаимодействия в которых они участвуют)
Элементарные частицы
адроны
лептоны
Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.
Лептоны – фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии
(12 частиц – 6 частиц и 6 античастиц).
Все лептоны – фермионы – полуцелый спин.
В реакциях слабого взаимодействия лептонов участвуют лептон – нейтринные
дублеты. Нейтрино всегда возникает в реакции вместе с определенным лептоном.
Для выделения класса лептонов вводят квантовое число – лептонный заряд L.
L=1 – для лептонов
L=-1 – для антилептонов
L=0 – для адронов
К классу адронов относится около 300
элементарных частиц, участвующих в
сильном взаимодействии.
В зависимости от значения спина
Адроны
Мезоны (meso - средний)
Барионы (barys - тяжелый)
Мезоны – бозоны со спином 0, ħ участвующие в сильном
взаимодействии.
Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ , участвующие
в сильном взаимодействии.
(подгруппы)
нуклоны
гипероны
Классификация адронов
Адроны
Мезоны
S = 0, 1
π+
π-
Барионы
нуклоны
π0
S=½
~
p, р, n, n
К+ К- К0 К0 µ0
~
гипероны
λ
~
0
~0
λ
~
Σ+
Σ-
Σ0
~0
Σ
Ξ0 Ξ0 Ξ+ Ω- Ω+
Время жизни протона (1031 лет) – это
стабильная частица, все другие адроны
распадаются.
Американские физики-теоретики
Геллман и Цвейг предположили, что
адроны являются составными
частицами (т.к. их “m” > чем “m”
лептонов).
Кварки
Нуклоны (p,n) состоят из 3х фундаментальных,
электрически заряженных частиц, называемых
кварками.
Экспериментально подтверждено в 1969г.
При рассеянии е- с энергией 20ГэВ на
протонах и нейтронах было обнаружено
пространственное распределение
электрического заряда в нуклоне; в нуклоне
установлено наличие трех точечных зарядов
(±).
Основные характеристики кварков
1) имеют дробный электрический заряд:
+2/3е – называются U-кварками (верх)
-1/3е – d-кварк (низ).
кварковый состав протона представляет
U и d, электрона U и d.
т.к. mp≈mn , то близки и массы кварков
(mn>mp на 2,5 mе), поэтому d-кварки
чуть тяжелее U-кварка.
Основные характеристики кварков
2) Барионный заряд
Во всех взаимодействиях барионный
заряд сохраняется.
Массовое число А является барионным
зарядом В ядра: В=А, для барионов
В=1; для антибарионов В=-1, у частиц,
не являющимися барионами В=0.
при β-распаде:
изменение барионного заряда:
1 = 1+ 0 + 0.
Барионный заряд кварков =1/3, что дает
для барионов(р,n) В=1.
Затем были открыты тяжелые адроны:
S – странный (strange)
C – очарованный (charm)
b – красота (beauty)
t – правда (truth)
Их массы превышают массы “U” и“d” –
кварков.
Все кварки – фермионы, полуцелый спин, т.к.
адроны являются фермионами.
Различные типы кварков называются
ароматом.
Характеристики кварков и
антикварков
Кварк
(аромат)
S=1/2
q
B
Антикварк
S=1/2
q
B
U, C, t
+2/3e
1/3
~ C,
~ t~
U,
-2/3e
-1/3
d, S, b
-1/3e
1/3
~ b~
d,~ S,
+1/3e
-1/3
Цвет кварков
Кварки отличаются цветом, т.к. некоторые кварки
могут состоять из 3х одинаковых кварков:
(каждый тип кварков, U-кварк –
либо зеленым, либо красным, либо синим)
Реально они не окрашены, но так лучше
запомнить.
Цветовой заряд является характеристикой
взаимодействия кварков.
Адроны – цветонейтральны.
Мезоны – цветонейтральны.
поколение
1
частица
Кварк
Лептон
2
Кварк
Лептон
3
Кварк
Лептон
цвет
q
m((ГэВ)
U
2/3e
0,330
D
-1/3e
0,333
e
-e
5,11*10-4
Ve
0
<1,4*10-8
C
2/3e
1,65
S
-1/3e
0,486
µ-
-e
0,106
Vµ
0
<2,5*10-4
t
2/3e
>80
b
-1/3e
4,5
τ-
-e
1,78
Vτ
0
<0,035
π+- мезон
π- - мезон
~
↑U 2/3е
U↑ - 2/3е S↓ - 1/3e
↓d 1/3e
барионный заряд = 0 (1/3 – 1/3 = 0)
С помощью разноцветных кварков можно
построить любой адрон: 6 кварков, 6
антикварков(каждый 3 цвета, полное число
кварков - 36)
Фундаментальные частицы
• 6лептонов и 6 антилептонов
• 18 кварков( 6 кварков 3 цветов) и 18
антикварков
• 13 переносчиков различных видов
взаимодействий