Презентация на тему: Физика атомного ядра и элементарных частиц

ГЛАВА V.ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРАИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ НИУ МЭИКафедра физики им. В. А. Фабриканта

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

§1. Атомное ядро II. Состав ядра и его характеристикиЗаряд ядра:(Z – число протонов в ядре – порядковый номер элемента в таблице Менделеева)Масса ядра:(A – массовое число, N – число нейтронов)

§1. Атомное ядро Изобары – ядра одинаковой массы, имеющие разный заряд (разные Z при одинаковом A). Примеры:(_7^15)"N" и (_7^15)O, (_1^3)"H" и (_2^3)"He" III. Размер ядраРадиус ядра

§1. Атомное ядро IV. Спин ядраСпин ядра I равен сумме спинов и орбитальных моментов нуклонов.В основном состоянии стабильных ядер

§1. Атомное ядро Дефект масс∆=Z

§1. Атомное ядро Зависимость удельной энергии связи от массового числа

§1. Атомное ядро VI. Ядерные силыСильное взаимодействиеСвойства ядерных силПритяжение; ядерные силы >> кулоновских сил отталкиванияКороткодействие (

§1. Атомное ядро VII. Виртуальные частицыЧастицы-переносчики – виртуальные π-мезоны.Виртуальные частицы – частицы, испускание и поглощение которых происходит с кажущимся нарушением ЗСЭ.Соотношения неопределённостей Гайзенберга:∆

§1. Атомное ядро VII. Модели атомного ядраАтомное ядро – система многих частиц. Квантовомеханическая задача многих частиц сложна для решения.1. Капельная модельЯдро – капля заряженной несжимаемой жидкости с очень высокой плотностью.Эта модель позволяет вывести формулу для энергии связи ядра; обусловливает процесс деления ядер.2. Оболочечная модельКаждый 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.

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

§2. Радиоактивность

§2. Радиоактивность Активность препарата – число ядер, распадающихся за единичный промежуток времени:Внесистемная единица: кюри (Ки); 1 Ки=〖3,7∙10〗^10 БкУдельная активность – активность в расчёте на единичную массу радиоактивного препарата:Период полураспада T – время, за которое распадается половина первоначального числа радиоактивных ядер.

§2. Радиоактивность Среднее время жизни τ:II. α-распадα-частица – ядро (_2^4)"He" .α-распад – самопроизвольное испускание ядром α-частицы: α-частицы испускают только тяжёлые ядра (

§2. Радиоактивность Покидая ядро, α-частица преодолевает кулоновский потенциальный барьер, высота которого

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

§3. Ядерные реакции 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 реакцииЭффективное сечение реакции σ – площадь сечения ядра X, попадая в которую, налетающая частица вызывает реакцию.Если мишень тонкая, т. е. ядра не перекрывают друг друга, то доля площади S мишени, перекрытая ядрами X, равна

§3. Ядерные реакции II. Типы ядерных реакций1) Реакции, вызываемые медленными частицами:C^∗ – составное (промежуточное) ядро. C^∗ находится в возбуждённом состоянии, время жизни

§3. Ядерные реакции III. Энергия реакции

§3. Ядерные реакции IV. Реакция деленияРеакция типа 1 – ядро проходит через ряд промежуточных состояний.При одном налетающем нейтроне образуются два. Если имеются другие исходные ядра, то возможна цепная реакция с лавинным возрастанием числа нейтронов.Т. к. число выходящих из образца нейтронов пропорционально площади поверхности образца ~

§3. Ядерные реакции V. Реакция синтеза1) Протон-протонный цикл2) Углеродно-азотный циклРезультат обоих циклов – превращение 4 протонов в ядро He с рождением 2 позитронов и γ-излучения. На 1 ядро He

§3. Ядерные реакции Реакция синтеза протекает в плазме.Требования к осуществлению реакции синтеза:минимальная температура;минимальная величина

§4. Элементарные частицы I. Классификация элементарных частицЭлементарные частицы – частицы, ведущие себя как безструктрурные.

§4. Элементарные частицы II. Фундаментальные взаимодействия

§4. Элементарные частицы III. АнтичастицыКаждой (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.Примеры: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 сохраненияЗаконы сохраненияточные(выполняются для всехфундаментальныхвзаимодействий)ЗСЭЗСИЗСМИЗСЭЗЗС лептонных зарядовприближённые(выполняются в некоторыхвзаимодействиях)ЗС барионного зарядаЗС чётностиЗС изоспинаЗС странностиЗС очарования и красоты

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

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

§4. Элементарные частицы 3. СтранностьСтранность S – квантовое число, отличное от 0 для некоторых гиперонов и мезонов, распадающихся за счёт слабого взаимодействия. Закон сохранения странности: в электромагнитном и сильном взаимодействиях странность сохраняется, а в слабом взаимодействии может изменяться на ±1.4. Шарм (очарование) C, красота (прелесть) b, истина tЭти квантовые числа – аналог странности S. Законы сохранения шарма, красоты и истины: в электромагнитном и сильном взаимодействиях шарм, красота и истина сохраняются, а в слабом взаимодействии могут изменяться на ±1.

§4. Элементарные частицы 5. ИзоспинАдроны, близкие по физическим свойствам, можно разбить на группы – изотопические мультиплеты.Характеристики частиц в изотопическом мультиплете:примерно равные mравные B, s, Sразличный Qравный изотопический спин (изоспин) Tразличные проекции изотопического спина

§4. Элементарные частицы V. Стабильные и долгоживущие адроныМезоны

§4. Элементарные частицы Барионы

§4. Элементарные частицы VI. Лептоны

§5. Кварковая модель адронов I. Кварки и их характеристикиВсе адроны состоят из сильновзаимодействующих частиц – кварков.Кварки не наблюдаются в свободном состоянии – конфайнмент.Характеристики кварковДля 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.II. ЦветКаждый кварк характеризуется ещё одним квантовым числом – цвет.Антикварк имеет цвет, дополнительный к цвету кварка.III. Взаимодействие кварков и образование адроновСильное взаимодействие между кварками осуществляется через обмен глюонами.Глюон характеризуется цветом. При испускании и поглощении глюона кварк не меняет аромат, но меняет цвет.Принцип бесцветности адронов: возможны только те сочетания кварков разных цветов, смесь которых бесцветна.

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

Использованная литература Окунь Л. Б. Элементарное введение в физику элементарных частиц. – 2-е изд., испр. и доп. –- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.Джанколи Д. Физика: В 2-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989.Кобзарев И. Ю., Манин Ю. И. Элементарные частицы. Диалоги физика и математика. – 2-е изд., испр. – М.: ФАЗИС, 2000.Мухин К. Н. Занимательная ядерная физика. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985.Савельев И. В. Курс физики: Учеб.: В 3-х т. Т. 3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твёрдого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.Физические величины: Справочник. Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. – М.: Энергоатомиздат, 1991.