Физика атомного ядра и элементарных частиц

§1. Атомное ядро
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов – нуклонов.
Это одна частица в разных квантовых состояниях.
I. Нуклон

§1. Атомное ядро
II. Состав ядра и его характеристики
Заряд ядра:
(Z – число протонов в ядре – порядковый номер элемента в таблице Менделеева)
(A – массовое число, N – число нейтронов)
Масса ядра:
Пример:
Изотопы – ядра одного химического элемента, имеющие разную массу (разные A при одинаковом Z).
Пример:

§1. Атомное ядро
Изобары – ядра одинаковой массы, имеющие разный заряд (разные Z при одинаковом A).
Примеры:
III. Размер ядра

§1. Атомное ядро
IV. Спин ядра
V. Масса и энергия связи ядра

§1. Атомное ядро
Тяжёлым ядрам энергетически выгодно делиться (атомная энергия),
а лёгким – сливаться (термоядерная энергия).
Примеры:

§1. Атомное ядро

VI. Ядерные силы
Сильное взаимодействие
§1. Атомное ядро

Если поблизости от нуклона нет других сильновзаимодействующих частиц, то все испущенные нуклоном π-мезоны поглощаются этим же нуклоном. Одиночный нуклон окружён т. н. «нуклонной шубой». Когда два нуклона сближаются и их мезонные шубы начинают соприкасаться, создаются условия для обмена виртуальными мезонами.
Частицы-переносчики – виртуальные π-мезоны.
Виртуальные частицы – частицы, испускание и поглощение которых происходит с кажущимся нарушением ЗСЭ.
VII. Виртуальные частицы
§1. Атомное ядро

VII. Модели атомного ядра
Атомное ядро – система многих частиц. Квантовомеханическая задача многих частиц сложна для решения.
1. Капельная модель
Ядро – капля заряженной несжимаемой жидкости с очень высокой плотностью.
Эта модель позволяет вывести формулу для энергии связи ядра; обусловливает процесс деления ядер.
2. Оболочечная модель
Каждый нуклон движется в поле остальных нуклонов ядра. Энергетические уровни системы заполняются с учётом принципа Паули и группируются в оболочки.
Эта модель объясняет спины и магнитные моменты основных и возбуждённых с состояний ядер.
Полностью заполненные оболочки образуют особо устойчивые структуры:
Z, N или оба этих числа = 2, 8, 20, 50, 82, 126 – магические числа.
§1. Атомное ядро

I. Закон радиоактивного распада
Радиоактивность – явление самопроизвольного распада атомных ядер с испусканием одной или нескольких частиц. Самопроизвольно распадающиеся ядра называются радиоактивными.
Радиоактивность
естественная
искусственная
§2. Радиоактивность

§2. Радиоактивность

Активность препарата – число ядер, распадающихся за единичный промежуток времени:
Удельная активность – активность в расчёте на единичную массу радиоактивного препарата:
§2. Радиоактивность

Среднее время жизни τ:
II. α-распад
Пример:
§2. Радиоактивность

§2. Радиоактивность

3) K-захват – захват ядром электрона K-оболочки
Пример:
β-распад – внутринуклонный, а не внутриядерный процесс. Он обусловлен следующими процессами:
IV. γ-радиоактивность
γ-радиоактивность – испускание γ-квантов возбуждённым ядром при переходе его в основное состояние.
Спектр γ-излучения – дискретный.
§2. Радиоактивность

Ядерная реакция – процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, сопровождающийся преобразованием ядер:
a, b – чаще всего n, p, d, α, γ. Ядерная реакция может иметь несколько каналов, которым соответствуют разные вероятности.
I. Выход ядерной реакции
§3. Ядерные реакции

II. Типы ядерных реакций
Пример:
Синтез трансурановых химических элементов
Здесь имеет место резонансный захват теплового нейтрона.
§3. Ядерные реакции

III. Энергия реакции
§3. Ядерные реакции

IV. Реакция деления
Реакция типа 1 – ядро проходит через ряд промежуточных состояний.
§3. Ядерные реакции

V. Реакция синтеза
1) Протон-протонный цикл
2) Углеродно-азотный цикл
§3. Ядерные реакции

3)
Реакция синтеза протекает в плазме.
§3. Ядерные реакции

I. Классификация элементарных частиц
Элементарные частицы – частицы, ведущие себя как безструктрурные.
Элементарные частицы
источники взаимодействий
переносчики взаимодействий
адроны
барионы
мезоны
нуклон
гипероны
§4. Элементарные частицы

II. Фундаментальные взаимодействия
§4. Элементарные частицы

III. Античастицы
Каждой (почти каждой) частице соответствует своя античастица.
Античастица отличается от частицы только знаками зарядов (электрического, лептонного, барионного, странности). Масса, спин и время жизни частицы и античастицы одинаковы.
Истинно нейтральная частица – та, которая совпадает со своей античастицей.
Аннигиляция – превращение пары частица-античастица в истинно нейтральные частицы.
Обратный процесс – рождение пары.
Процессы аннигиляции и рождения пары происходят с соблюдением законов сохранения.
§4. Элементарные частицы

IV. Законы сохранения
§4. Элементарные частицы

1. Лептонные заряды
§4. Элементарные частицы
Закон сохранения лептонных зарядов: для всех процессов лептонные заряды системы сохраняются:

§4. Элементарные частицы
2. Барионный заряд
Закон сохранения барионного заряда: для всех процессов барионный заряд системы сохраняется:

3. Странность
Странность S – квантовое число, отличное от 0 для некоторых гиперонов и мезонов, распадающихся за счёт слабого взаимодействия.
4. Шарм (очарование) C, красота (прелесть) b, истина t
Эти квантовые числа – аналог странности S.
§4. Элементарные частицы

5. Изоспин
Адроны, близкие по физическим свойствам, можно разбить на группы – изотопические мультиплеты.
§4. Элементарные частицы

V. Стабильные и долгоживущие адроны
Мезоны
§4. Элементарные частицы

Барионы
§4. Элементарные частицы

§4. Элементарные частицы
VI. Лептоны
(Лептонные заряды указаны на слайде 28.)

I. Кварки и их характеристики
Все адроны состоят из сильновзаимодействующих частиц – кварков.
Кварки не наблюдаются в свободном состоянии – конфайнмент.
Характеристики кварков
Для всех кварков: спин s = ½, барионный заряд B = 1/3
§5. Кварковая модель адронов

Антикварки отличаются от кварков знаками Q, B, S, C, b, t.
Каждый кварк характеризуется ещё одним квантовым числом – цвет.
Антикварк имеет цвет, дополнительный к цвету кварка.
II. Цвет
III. Взаимодействие кварков и образование адронов
Сильное взаимодействие между кварками осуществляется через обмен глюонами.
Глюон характеризуется цветом. При испускании и поглощении глюона кварк не меняет аромат, но меняет цвет.
Мезон = кварк + антикварк
Барион = 3 кварка
Принцип бесцветности адронов: возможны только те сочетания кварков разных цветов, смесь которых бесцветна.
§5. Кварковая модель адронов

Примеры:
§5. Кварковая модель адронов
Распад лептонов и кварков, несохранение ароматов и вследствие этого нарушение закона сохранения барионного заряда, странности и др. происходит благодаря слабому взаимодействию.