'

ГЛАВА V. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Понравилась презентация – покажи это...





Слайд 0

ГЛАВА V. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ НИУ МЭИ Кафедра физики им. В. А. Фабриканта


Слайд 1

§1. Атомное ядро 2 Ядро атома состоит из протонов и нейтронов – нуклонов. Это одна частица в разных квантовых состояниях. I. Нуклон


Слайд 2

§1. Атомное ядро 3 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: ?? 1 = ?? 6 12 C 12 =1 а. е. м. =1,6606• 10 ?27 кг = 931,50 МэВ – атомная единица массы Обозначение ядра: ?? ?? X Пример: 19 40 K : ??=40, ??=19, ??=40?19=21. Изотопы – ядра одного химического элемента, имеющие разную массу (разные A при одинаковом Z). Пример: Изотопы водорода 1 1 H – протий, ??>? 1 2 H= 1 2 D – дейтерий, ??>? 1 3 H= 1 3 T – тритий, ??=12 лет


Слайд 3

§1. Атомное ядро 4 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 ядра Радиус ядра ?? 0 = 1,2?1,3 3 ?? фм .


Слайд 4

5 §1. Атомное ядро IV. Спин ядра Спин ядра I равен сумме спинов и орбитальных моментов нуклонов. В основном состоянии стабильных ядер ??? 9 2 . Моменты импульса большинства нуклонов в ядре компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех ядер с чётными числами нуклонов в основном состоянии ??=0. V. Масса и энергия связи ядра ?? ?? – масса нуклона, m – масса ядра, ?? H – масса атома водорода; ??? ?? ?? ! Энергия связи ?? св – работа, которую нужно совершить для полного разделения ядра на свободные нуклоны. Полная энергия ядра ??=?? ?? 2 ; или ?? св = ?? ?? H + ????? ?? ?? ??? ?? 2 с учётом массы электронов. ?? св = ?? ?? ?? 2 ??? ?? 2 = ?? ?? ?? + ????? ?? ?? ??? ?? 2


Слайд 5

6 §1. Атомное ядро Дефект масс ?=Z ?? ?? + ????? ?? ?? ??? Удельная энергия связи – энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон: ?? св = ?? св ?? Тяжёлым ядрам энергетически выгодно делиться (атомная энергия), а лёгким – сливаться (термоядерная энергия). Примеры: При делении ядра 92 235 U выделяется ~ 200 МэВ. При синтезе ядер гелия 1 2 D + 1 3 T ? 2 4 He выделяется ~ 17,6 МэВ.


Слайд 6

7 §1. Атомное ядро ?? св , МэВ/нуклон


Слайд 7

VI. Ядерные силы Сильное взаимодействие 8 §1. Атомное ядро


Слайд 8

Если поблизости от нуклона нет других сильновзаимодействующих частиц, то все испущенные нуклоном ?-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 ?-мезоны. Виртуальные частицы – частицы, испускание и поглощение которых происходит с кажущимся нарушением ЗСЭ. Соотношения неопределённостей Гайзенберга: ??????? ? 2 ????~ ? ?? , ??= ?? ?? ?? 2 , где ?? ?? – масса ?-мезона; ?? ?? ~270 ?? ?? . VII. Виртуальные частицы 9 §1. Атомное ядро


Слайд 9

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. 10 §1. Атомное ядро


Слайд 10

11 I. Закон радиоактивного распада Радиоактивность – явление самопроизвольного распада атомных ядер с испусканием одной или нескольких частиц. Самопроизвольно распадающиеся ядра называются радиоактивными. Радиоактивный распад происходит с выделением энергии: ?? X > ?? Y + ?? ?? . Радиоактивность естественная искусственная Число ядер ???, распадающихся за малый промежуток времени ???, пропорционально числу ядер N и ???: ????=???????, ? – постоянная распада – характеристика радиоактивного вещества; ?? = с ?1 §2. Радиоактивность


Слайд 11

12 ??= ?? 0 ?? ????? – основной закон радиоактивного распада ?? 0 – число ядер при ??=0; N – число нераспавшихся ядер в момент времени t §2. Радиоактивность


Слайд 12

13 Активность препарата – число ядер, распадающихся за единичный промежуток времени: ??? ??? =???? ?? =Бк беккерель = распад с Внесистемная единица: кюри (Ки); 1 Ки= 3,7•10 10 Бк Удельная активность – активность в расчёте на единичную массу радиоактивного препарата: §2. Радиоактивность


Слайд 13

14 Среднее время жизни ?: ??= 1 ?? 0 0 ? ????? ?? =? 1 ?? 0 0 ? ??????? =? ?? 0 ?? 0 0 ? ?? ?? ????? ????? = 1 ?? 0 ? ?? ?? ?? ??? = 1 ?? (здесь ??=?????) II. ?-распад ?-частица – ядро 2 4 He . ?-распад – самопроизвольное испускание ядром ?-частицы: ?-частицы испускают только тяжёлые ядра ??>82 . Энергия ?-частицы ?? к?? ~1 МэВ. Пример: §2. Радиоактивность


Слайд 14

15 Покидая ядро, ?-частица преодолевает кулоновский потенциальный барьер, высота которого ?? c > ?? к?? . ?-распад происходит благодаря туннельному эффекту. §2. Радиоактивность


Слайд 15

16 III. ?-распад ?-распад – самопроизвольный процесс, в котором материнское ядро превращается в другое ядро с тем же массовым числом, но с зарядовым числом, отличающимся от исходного на ±1. §2. Радиоактивность


Слайд 16

3) K-захват – захват ядром электрона K-оболочки Пример: 17 ?-распад – внутринуклонный, а не внутриядерный процесс. Он обусловлен следующими процессами: ? ? -распад: ?????+ ?? ? + ?? ?? ? + -распад: ?????+ ?? + + ?? ?? K-захват: ??+?????+ ?? ?? IV. ?-радиоактивность ?-радиоактивность – испускание ?-квантов возбуждённым ядром при переходе его в основное состояние. ?? ?? =10 кэВ?5 МэВ Спектр ?-излучения – дискретный. §2. Радиоактивность


Слайд 17

Ядерная реакция – процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, сопровождающийся преобразованием ядер: a, b – чаще всего n, p, d, ?, ?. Ядерная реакция может иметь несколько каналов, которым соответствуют разные вероятности. I. Выход ядерной реакции Эффективное сечение реакции ? – 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 ?????? ?? , где n – число ядер на единицу площади мишени. Вероятность реакции - выход реакции 18 ??+X???+Y или X ??,?? Y ??? ?? =??=???? Если мишень не тонкая, то ??=1? ?? ????? . ??~ 10 ?28 м 2 ; ?? =барн=1• 10 ?28 м 2 . §3. Ядерные реакции


Слайд 18

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


Слайд 19

20 III. Энергия реакции ??= ?? ?? + ?? A ? ?? ?? + ?? B ?? 2 ? ?? + ? A ? ? ?? + ? B §3. Ядерные реакции


Слайд 20

21 IV. Реакция деления Реакция типа 1 – ядро проходит через ряд промежуточных состояний. 92 235 U + 0 1 n ? 55 140 Cs + 37 94 Rb +2 0 1 n +?? (один из каналов), ???200 МэВ 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 ~ ?? 2 (R – радиус образца), а число рождающихся нейтронов пропорционально объёму образца ( ?? 3 ), то существует критический радиус (а также критическая масса): при ??> ?? кр начинается цепная реакция. Для 92 235 U ?? кр =6 см, ?? кр =20 кг. При превышении этих параметров происходит неуправляемая реакция, т. е. взрыв. Для осуществления управляемой реакции нужно поддерживать число нейтронов внутри образца постоянным. §3. Ядерные реакции


Слайд 21

22 V. Реакция синтеза 1) Протон-протонный цикл 2) Углеродно-азотный цикл Результат обоих циклов – превращение 4 протонов в ядро He с рождением 2 позитронов и ?-излучения. На 1 ядро He ??=26,8 МэВ. §3. Ядерные реакции


Слайд 22

23 3) Реакция синтеза протекает в плазме. Для реакции 3) ????> 10 16 , ??> 10 9 К. Требования к осуществлению реакции синтеза: минимальная температура; минимальная величина ????, где n – концентрация исходных частиц , ? – время удержания плазмы §3. Ядерные реакции


Слайд 23

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


Слайд 24

25 II. Фундаментальные взаимодействия §4. Элементарные частицы


Слайд 25

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. 26 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


Слайд 26

27 IV. Законы сохранения §4. Элементарные частицы


Слайд 27

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


Слайд 28

§4. Элементарные частицы 29 2. Барионный заряд Закон сохранения барионного заряда: для всех процессов барионный заряд системы сохраняется:


Слайд 29

30 3. Странность Закон сохранения странности: в электромагнитном и сильном взаимодействиях странность сохраняется, а в слабом взаимодействии может изменяться на ±1. 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 Законы сохранения шарма, красоты и истины: в электромагнитном и сильном взаимодействиях шарм, красота и истина сохраняются, а в слабом взаимодействии могут изменяться на ±1. Эти квантовые числа – аналог странности S. §4. Элементарные частицы


Слайд 30

31 5. Изоспин Адроны, близкие по физическим свойствам, можно разбить на группы – изотопические мультиплеты. Характеристики частиц в изотопическом мультиплете: примерно равные m равные B, s, S различный Q равный изотопический спин (изоспин) T различные проекции изотопического спина ?? ?? Общее число частиц в мультиплете: 2??+1 Частице с большим Q соответствует большее ?? ?? . §4. Элементарные частицы


Слайд 31

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


Слайд 32

33 Барионы §4. Элементарные частицы


Слайд 33

§4. Элементарные частицы 34 VI. Лептоны (Лептонные заряды указаны на слайде 28.)


Слайд 34

35 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 = ?, барионный заряд B = 1/3 §5. Кварковая модель адронов


Слайд 35

36 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


Слайд 36

37 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.


Слайд 37

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.


×

HTML:





Ссылка: