Ядерная физика. Элементарные частицы

В нашем обычном курсе этой теме отводится две лекции, в нынешних условиях, когда две лекции по физике попали на праздничные дни, этот материал выносится на самостоятельную проработку с помощью индивидуальных консультаций и специальных методических указаний [16, 17]. Поводом для такого выбора служит наличие по данным темам хороших учебников, в частности [1, 2, 22, 24], а также подробное изучение данного раздела в школе.

При проработке предлагаемого раздела обратите внимание на следующее:

1. Символика и терминология: ядро - нуклид, нуклоны; обозначение - X, Z-атомный номер или число протонов, А-массовое число или суммарное число протонов и нейтронов; изотопы, изобары.

2. Общая характеристика ядра: R @ 1,2×10^-15 A^1/3 м; r @ 10¹⁴ г/см^3; наличие спина L_я = ћ и собственного магнитного момента; ядерное сильное взаимодействие и основные свойства ядерных сил: короткодействие порядка 10^{-15 м, зарядовая независимость, свойство насыщения, зависимость от ориентации спинов нуклонов, нецентральность; энергия связи ядра и дефект массы} Dm = Z m_p + (A - Z) m_n - M_я; удельная энергия связи ядра и её зависимость от массового числа; деление и синтез ядер, как основа атомной энергетики.

3. Модели атомного ядра: капельная (кратко) и оболочечная (магические числа нейтронов и протонов), модель потенциальной ямы для фермионов ядра (нейтроны и протоны) - основа оболочечной модели.

4. Радиоактивность: естественная и искусственная, закон радиоактивного распада N = N₀ e^{- lt}; a - распад, как туннельное прохождение через кулоновский барьер; g - распад при переходе ядер из возбужденного в основное состояние, бета - распад.

5. Ядерные реакции: энергия реакции, цепная ядерная реакция деления, атомные реакторы, термоядерные реакции, атомная энергетика и проблемы окружающей среды.

6. Элементарные частицы и классы взаимодействий: элементарные частицы - микрочастицы не являющиеся атомными ядрами (исключение протон); подобно фотону имеют способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами; их взаимодействие делится на четыре класса: сильное (S), электромагнитное (E), слабое (W) и гравитационное (G); относительная величина взаимодействий, рассчитанная для сталкивающихся протонов при энергии процесса в системе центра инерции ~ 1 ГэВ, соотносится как 1(S): 10 ^-2 (E): 10 ^-10 (W): 10 ^-38 (G); все элементарные (эл.) частицы обладают гравитационным взаимодействием и далее в зависимости от участия в различных классах делятся на адроны (относительно тяжелые протон, нейтрон и т.д.), у которых имеет место сильное, электромагнитное и слабое взаимодействие и лептоны (электрон, нейтрино и т.д.), для которых сильное взаимодействие исключено; общей характеристикой эл. частиц является масса, время жизни, спин и электрический заряд (m: от 0 до 1,88^.10 ^-26 кг, t: стабильные - электрон с t > 5. 10 ²¹ лет, протон с t > 10 ³¹ лет, фотон и нейтрино; квазистабильные t >10 ^-20 с; резонансы - t @ 10 ^-22 + 10 ^-24 с; измеренный в единицах ћ спин эл. частиц равен I = 0, 1, 2, 3, 4 - бозоны и I = 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, 9/2 - фермионы; электрический заряд соответствует q = 0, ± e, ± 2e и кварков 2e/3 и - e/3).

7. Характеристика взаимодействий: сильное (радиус действия r @ 10 ^-15м; время установления взаимодействия при энергии частиц 1 ГэВ t @ 10 ^-24 c; взаимодействуют адроны, состоящие из кварков; переносчики взаимодействия глюоны), электромагнитное (дальнодействующее взаимодействие; t < 10 ^-21 c; взаимодействуют все тела, имеющие электрический заряд; переносчики - фотоны), слабое (r<2^.10^{-18 м,} t@10^-10 с - медленный процесс, взаимодействуют лептоны, переносчики - тяжелые векторные бозоны), гравитационное (дальнодействующее, взаимодействуют все тела и частицы, переносчики - гравитоны), электрослабое (при r << 10 ^-18 м интенсивность слабого и электромагнитного взаимодействия соизмеримы, в теории электрослабого взаимодействия векторные бозоны (W ^+, W ^- и Z ⁰) и фотоны являются квантами калибровочных векторных полей, эти поля при энергиях взаимодействия Е > 10 ¹¹ эВ - полностью равноправны).

8. Адроны. Лептоны. Кварки: несиловые заряды (барионный и лептонный), лептоны - “истинно” элементарные частицы с линейным размером менее 10^{-18 м, адроны делятся на барионы (имеют барионный заряд) и мезоны (его не имеют), часть адронов имеют заряды типа S (странность), C(очарование) и b(глубина); частицы и античастицы имеют одинаковую массу и время жизни, но противоположные знаки всех известных зарядов; кварки, образующие адроны, не существуют в свободном состоянии, источником их взаимодействия являются цветовые заряды.}

9. Методы регистрации элементарных частиц: камера Вильсона; диффузионная, пузырьковая, искровая и эмульсионная камера, счетчик Гейгера, сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики и т. д.

10. Радиация: виды излучения, дозиметрия, биологическое действие и защита от излучения.

Поиск по сайту: