Лекция 8

§§ Стабильные эл. частицы
02
До 1932 г. в физике были известны всего
3 частицы: электрон, протон и фотон
1) Электрон
открытие: 1897, Дж.Дж.Томсон
масса покоя: me = 9,1095·10–31 кг
= 0,511 МэВ/с2
заряд частицы: qe = –1,60219·10–19 Кл
спин: S = ½ время жизни: τ > 1022 лет

03
античастица – позитрон (заряд +, все
остальные характеристики – такие же).
и считается, что электрон – точечный
объект (d < 10–18 м)
2) Нейтрино (с итал. - нейтрончик)
1914, Исследовался β-распад ядер
в настоящее время нет никаких данных
о внутренней структуре электрона

04
Оказалось, что кинетическая энергия
электронов различна и изменяется
от 0 до некоторого Eгр – макс. значения
1930, В.Паули
предположение
1942-1954
экспериментальное
обнаружение
1932, Э.Ферми
название и теория
Eгр

05
Основные свойства:
1) практически не взаимодействует
с веществом
2) спин S = ½
3) масса покоя < 50 эВ/с2
Считается, что все пространство
заполнено фотонным и нейтринным
газом (реликтовое излучение)
и нейтрино также распространено,
как и фотоны (≈ 300 шт/см3).

06
3) протон (греч. protos – первый)
– ядро атома водорода
ввел название Резерфорд, 1920
масса покоя: mp = 1,673·10–27 кг
= 938,28 МэВ/с2
заряд частицы: qp = 1,60219·10–19 Кл
(с точностью до 20 знаков qp = |qe|)
спин: S = ½
время жизни протона в свободном
состоянии: τ > 1025–1031 лет

07
Эксперимент:
1 м3 воды содержит ~1030 протонов.
Пусть время жизни протона 1032 лет.
Тогда есть надежда, что в 100 м3 воды
за 1 год распадется 1 протон.
Внутри атомных ядер протоны
неустойчивы и протекает реакция:
электронное нейтрино

08
т.к. энергия правой части превышает
энергию левой (Ep < En)
в свободном состоянии вероятность
этого события крайне низка,
Для массивных ядер также возможна
реакция K-захвата
Эта реакция – обратная к β-распаду
характерна, например, для поздних
стадий эволюции звезд.

09
4) Нейтрон
внутри ядра происходит процесс
перезарядки
протон и нейтрон представляют собой
два состояния одной частицы – нуклона,
– протон и нейтрон
меняются местами с помощью
«обмена виртуальной частицей»
открыт в 1932 Дж.Чедвиком
масса покоя: mn = 1,675·10–27 кг
= 939,57 МэВ/с2
заряд частицы: qn = 0
спин: S = ½

10
время жизни нейтрона в связанном
состоянии (в ядре) τ > 1032 лет.
происходит реакция β-распада нейтрона
электронное антинейтрино
в свободном состоянии: τ ≈ 917±14 сек.

11
При малых энергиях в продуктах
ядерных реакций только эти частицы.
При увеличении энергии (бомбардировка
ядер) на выходе получаются новые.
Сначала эти частицы называли, потом
обозначали буквами, потом буквами и
цифрами, обозначающими массу ...
70-е ~200
90-е ~400
2000 ~600

§§ Кварки
12
построены из «более элементарных»
частиц – кварков, имеющих спин S = ½ и дробный электрический заряд.
Гипотеза, 1964
все адроны (протоны, нейтроны и др.)

13
Теоретический анализ показал, что
электроны могут рассеиваться
точечными частицами с зарядами
–1/3, +2/3
кварк
расшифровка
заряд
u
s
t
d
c
b
strange
true
charmed
beauty
и рассеивающих центра – три

14
Протон (+1): p = uud
Нейтрон (0): n = udd
В настоящее время
отсутствуют сведения
о внутренней структуре кварков
и, считается, что это точечные частицы
с размером < 10–18 м.

15
В свободном состоянии кварки
не наблюдались, только в парах
кварк-антикварк или в группах из
трех кварков.
Пример: β-распад нейтрона (d → u).
W – бозон, частица, «похожая» на фотон
и переносящая заряд

§§ Состав ядра
16
Атомное ядро состоит из нуклонов
(протонов и нейтронов).
Z – зарядовое число, атомный номер
элемента (число протонов)
N – число нейтронов в ядре
A – массовое число (кол-во нуклонов)

17
Любой элемент в ядерной физике
характеризуется парой чисел A и Z:
Атомные веса
некоторых
элементов
отличаются от
целых значений

18
Это означает, что химически чистое
вещество состоит из смеси атомов
с различным весом:

19
ядра, имеющие одинаковый заряд Z,
но различную массу, называются
изотопами.
Они отличаются
количеством нейтронов.
Для 107 элементов известно около 2000
изотопов, 280 – из них устойчивы.
Изотопы с одинаковыми массовыми
числами называются изобарами.
Например:

20
У легких ядер N ≈ Z,
т.е. А ≈ 2Z,
у тяжелых – N > Z.

§§ Радиоактивный распад
21
Радиоактивность – самопроизвольное
изменение состава ядра.
Различают следующие виды распада:
1) α-распад, при котором из ядра
вылетает группа нуклонов,
формирующих ядро атома гелия

22
2) β-распад
а) β – (электронный) распад
б) β + (позитронный) распад
в) электронный захват
(K-захват)

23
3) спонтанное деление ядер
При радиоактивном распаде выполняется
закон сохранения энергии:
M0 – масса начального ядра
ΣMi – масса продуктов
ΔE > 0 – для самопроизвольно распада

§§ Статистический закон
24
В какой момент распадется конкретное
ядро предсказать невозможно.
Пример. Из 1012 атомов Ra за 1 с
распадается ≈14 атомов.
λ – постоянная радиоактивного распада,
Пусть вероятность того, что в единицу
времени атом испытает превращение –
тогда

25
ΔN – число распавшихся атомов
N0 – число атомов, которые
не распались
N(t) – число не распавшихся атомов

26
Время, за которое распадется половина
атомов, называется временем
полураспада
Среднее время
жизни одного
атома:

§§ Характеристики ядра
27
Ядро представляет собой систему
сильно взаимодействующих частиц –
нуклонов.
Ядерные силы притяжения
намного превосходят электрические
силы отталкивания между протонами
Нуклоны в ядре быстро двигаются.
Средняя энергия нуклона в ядре
составляет ≈ 40 МэВ (скорость ≈ 0,3·c)

28
Основные характеристики ядра:
а) стабильные ядра
1) заряд (Z)
2) масса (A)
3) энергия связи (Eсв)
4) радиус (форма и размеры)
5) энергетический спектр состояний
б) нестабильные (радиоактивные) ядра
6) период полураспада
7) тип превращения
8) энергетический спектр и
поляризация испускаемых частиц

29
В настоящее время нет теории атомного
ядра. При ее создании возникают следу-
ющие трудности:
1) недостаточность знаний
2) громоздкость уравнений
3) необходимость учета
коллективного движения нуклонов
Особенности ядерных сил:
1) близкодействие (≈ 10–15 м)
2) зарядовая симметрия
3) насыщение

§§ Модели атомного ядра
30
1) капельная модель (Нильс Бор, 1936)
В ней принимается, что ядро ведет
себя подобно капле несжимаемой
жидкости.
Основанием для этой модели
стал экспериментальный факт
практически одинаковой плотности
всех ядер.
Как и капля жидкости, ядро может
колебаться и деформироваться.

31
2) оболочечная модель ядра
В основе этой модели –
экспериментальный факт
периодичности свойств ядер,
Такая модель хорошо описывает
основные свойства ядра в основном
или слабо возбужденном состоянии.
аналогично периодичности свойств
атома при заполнении электронных
оболочек.

32
3) Остовая модель
Ядро разделяется на остов –
устойчивую группу нуклонов,
Внешние нуклоны могут деформировать
остов в эллипсоид, этим объясняется
большой квадрупольный момент ядер.
занимающую низшие уровни согласно
принципу Паули
и группу внешних нуклонов,
двигающихся в поле остова.

§§ Современные проблемы
33
1) поиск элементарной частицы и
фундаментального взаимодействия
(факт взаимных превращений всех элементарных частиц)
2) построение теории, имеющей
минимум постоянных
объяснение сильного, слабого,
гравитационного взаимодействия

34
30 актуальных проблем физики
(из лекции Гинзбурга В.Л.)
1. Управляемая термоядерная реакция.
2. Сверхпроводимость при высокой и комнатной температурах.
3. Металлический водород. Другие экзотические субстанции.
4. Двумерные электронные жидкости (аномальный эффект Холла и прочее).
5. Некоторые проблемы твердого тела (гетероструктуры в полупроводниках, квантовые ямы и точки, зарядовые
и спиновые волны, мезоскопия и прочее).
6. Фазовые переходы второго рода и связанные с ними эффекты
7. Поверхностная физика. Кластеры.
8. Жидкие кристаллы. Ферроэлектрики. Ферротороики (Ferrotoroic).
9. Фуллерены. Нанотрубки.
10. Нелинейная физика: турбулентность, солитоны, хаос, странные аттракторы.
11. Разеры (Rasers), гразеры (Grasers) - лазеры на рентгеновских и гамма-лучах.
12. Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра.
13. Спектр масс элементарных частиц. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика. 14. 14. Кварк-глюонная плазма.
15. Единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий.
16. Стандартная модель. Массы нейтрино. Магнитные монополи. Фундаментальная длина.
17. Нелинейные феномены в вакууме и сверхсильных электрических полях.
18. Несохранение CP-инвариантности.
19. Струны. М-теория.
20. Экспериментальная проверка Общей Теории Относительности.
21. Гравитационные волны и их детектирование.
22. Космологические проблемы. Инфляция. Связь космологии и физики высоких энергий.
23. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые.
24. Черные дыры. Космические струны.
25. Квазары и ядра галактик. Образование галактик.
26. Проблема темной материи и ее детектирование.
27. Поиск ультравысокоэнергичных космических лучей.
28. Гамма-всплески (GRB). Гиперновые.
29. Нейтринная физика и астрономия. Осцилляции нейтрино.
30. Свойства вещества в сверхсильных магнитных полях.