Физика элементарных частиц

Ядерный синтез, т е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается, как и деление тяжелых ядер, выделением огромных количеств энергии. Поскольку для синтеза ядер необхо­димы очень высокие температуры, этот процесс называется термоядерной реакцией.

Чтобы преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием ядра с порядковыми номерами и , должны обладать энергией:

, (30.1)

где г_я - радиус действия ядерных сил, равный ~ см.

На долю каждого сталкивающегося ядра приходится 0,35 МэВ. Средней энергии теплового движения, равной 0,35 МэВ, соот­ветствует температура порядка 2·10⁹К. Однако синтез легких ядер может протекать и при значительно меньших температу­рах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия кото­рых значительно превышает среднее значение. Кроме того, что особенно существенно, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта. Поэтому некоторые термоядерные реакции протекают с заметной интенсивностью уже при темпе­ратурах порядка 10⁷ К.

Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития, так как реакция между ними носит резонансный характер. Именно эти вещества образуют заряд водородной (или термоядерной бомбы. Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает температура порядка 10⁷ К. Реакция синтеза дейтрона (d) и ядра трития ()

(30.2)

сопровождается выделением энергии, равной 17,6 МэВ, что составляет ~3,5 МэВ на нуклон.

На пути осуще­ствления управляемой термоядерной реакции стоят огромные трудности. Наряду с необходимостью получить чрезвычайно высокие температуры, возникает проблема удержания плазмы взаданном объеме. Соприкосновение плазмы со стенками со­суда приведет к ее остыванию. Кроме того стенка из любого вещества при такой температуре немедленно испарится. В связи с этим для удержания плазмы в заданном объеме приходится использовать магнитное поле. Силы, действующие в этом поле на движущиеся заряженные частицы, заставляют их двигаться по траекториям, расположенным в ограниченной части пространства.

Классификация элементарных частиц. Основные характеристики элементарных частиц таковы: 1) масса m; 2) спин J; 3) электрический заряд Q; 4) барионный заряд B; 5) лептонные заряды ; 6) странность S; 7) шарм C; 8) изотопический спин T; 9) четность P; 10) время жизни τ; 11) статистика. Для полноты отметим, что у элементарных частиц существует и ряд других характеристик, таких как: 12) G-четность; 13) CP-четность; 14) зарядовая четность; 15) магнитный момент; 16) средне-квадратичный радиус распределения электрического заряда и т.д.

Космическими лучами называются заполняющие космическое пространство высокоэнергичные стабильные микрочастицы-протоны, α-частицы и т.д. с энергией от десятка МэВ до ~ эВ и выше. На пути к поверхности Земли космические лучи должны пройти толстый слой вещества - атмосферу, в которой они претерпевают сложную цепь превращений. Вследствие этого на поверхность Земли падает излучение, по своему составу не имеющее ничего общего с существующим в космическом пространстве. Позитрон, мюоны, π-мезоны и многие странные частицы были обнаружены в составе космических лучей.

Различают первичные и вторичные космические лучи. Первичные лучи представляют собой непрерывно падаю­щий на Землю поток атомных ядер (в основном протонов) вы­сокой энергии (в среднем ~ 10 ГэВ, энергия отдельных частиц достигает 10¹⁰ ГэВ. Частицы первичных космических лучей претерпевают неупругие столкновения с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы, в результате чего возникает вторичное излучение. На высотах ниже 20 км космические лучи практиче­ски полностью носят вторичный характер. Во вторичном излуче­нии встречаются все известные в настоящее время элементарные частицы.

В составе вторичных космических лучей имеются две компоненты. Одна из них сильно поглощается свинцом и поэтому была названа мягкой; вторая же проникает через большие толщи свинца и получила название жесткой.

Мягкая компонента состоит из каскадов или ливней электронно-позитронных пар. Возникший в результате распада π°-мезона или резкого торможения быстрого электрона γ-фотон, пролетая вблизи атомного ядра, создает электронно-позитронную пару. Торможение этих частиц снова приводит к образованию γ-фотонов, и т.д. Процессы рождения пар и возникновения γ-квантов чередуются друг с другом до тех пор, пока энергия γ-фотонов не станет недостаточной для образования пар. Поскольку энергия первоначального фотона бывает очень большой, успевает возникнуть много поколений вторичных частиц, прежде чем прекращается развитие ливня.

Жесткая, проникающая компонента космических лучей состоит в основном из мюонов. Ее образование происходит преимущественно в верхних и средних слоях атмосферы за счет распада заряженных π-мезонов.

С появлением ускорителей, позволяющих ускорять частицы до энергий в сотни ГэВ, космические лучи утратили свое исключительное значение при изучении элементарных частиц. Однако они по - прежнему остаются единственным источником частиц сверхвысоких энергий.

Поиск по сайту: