ЛЕКЦИЯ № 10
Ядерная физика
Ядро атома: размер ~ 10-15 м, положительный заряд.
Z – порядковый номер атома = зарядовое число ядра,
M – массовое число ядра = масса ядра в а.е.м.
(1 а.е.м. = 1,67×10-27 кг)
Изотопы: 
, 
, 
и т. д.
(водород: 
- протий, 
– дейтерий (дейтон), 
– тритий).
Водород ® гелий 
® в ядре есть положительно заряженные частицы и нейтральные частицы.
Российский физик Д. Д. Иваненко ® модель ядра:
В любом ядре атома находятся нуклоны: положительно заряженные протоны p и нейтральные нейтроны n.
Протон: 
= 1,6×10-19 Кл = 1 е, mp = 1,67×10-27 кг.
Нейтрон: qn = 0, mn = 1,67×10-27 кг.
За счет каких сил?
1. Гравитационное притяжение нуклонов (радиус действия – неограничен)
Н.
2. Электромагнитное отталкивание протонов (радиус действия – неограничен)
Н.
Отношение Fe / FG ~ 1036.
3. Особое внутриядерное (сильное) взаимодействие между нуклонами – носит характер притяжения,
- оно короткодействующее (радиус действия ~10-15 м),
– не зависит от заряда нуклонов,
– обладает свойством насыщения (каждый нуклон взаимодействует с ограниченным числом нуклонов в ядре),
– ядерные силы не являются центральными (не направлены по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов).
Типы фундаментальных взаимодействий
| № п/п | Взаимодействие | Радиус действия, м | Интенсивность | Характерное время взаимодействия |
| Гравитационное | 0 ÷¥ | 10-38 | - | |
| Электромагнитное | 0 ÷¥ | 10-2 | 10-20 | |
| Сильное | ~ 10-15 | 10-23 |
Обменный характер: гравитационное ® гравитоны
электромагнитное ® фотоны
сильное ® японский физик Юкава выдвинул гипотезу о существовании частиц с массой, в 200-300 раз превышающей массу электрона. Эти частицы выполняют роль носителей ядерного взаимодействия.
Эксперимент подтвердил модель Д. Д. Иваненко и предположение Юкавы! ® это p -мезоны.
Z – количество протонов в ядре,
N = M – Z –количество нейтронов в ядре.
Масса ядра 
в ядре
(10-1)
– дефект массы ядра.
(10-2)
– энергия связи нуклонов в ядре = энергия, которую нужно сообщить ядру, чтобы развалить его на составные части – нуклоны.
 |
Легкие ядра ® к синтезу
Тяжелые ядра ® радиоактивный (р/а) распад.
Закон радиоактивного распада:
(10-3)
где N 0 – первоначальное количество р/а ядер,
N - количество ядер к моменту времени t,
l – постоянная р/а распада,
– период полураспада р/а ядер – время, за которое распадается половина (50%) р/а ядер.
При р/а распаде ® a, b и g -излучения!
a -частица = ядро атома гелия 
,
поэтому при вылете a -частицы Z уменьшается на 2 единицы, а массовое число М уменьшается на 4 единицы.
b -частица = электрон 
,
поэтому при вылете b -частицы Z возрастает на единицу, а массовое число М остается прежним.
Электронов в ядре нет! Протон – стабилен, нейтрон – распадается:
– электронное антинейтрино. = 14 мин.
g -излучение = фотон Z = 0, M = 0 – ядро из возбужденного состояния переходит в менее возбужденное.
При р/а распаде выполняются законы сохранения электрического заряда и массового числа:
(10-4)
Алхимики ® «железо» ® золото!
Ядерные реакции
(10-5)
при этом
(10-6)
если 
и т. п.
® можно идентифицировать из (10-6) и (10-5) ядро 
.
Физика элементарных частиц
Кроме уже известных частиц – электрон, протон, нейтрон, в космических лучах и в экспериментах на ускорителях заряженных частиц было обнаружено большое количество новых частиц, которые назвали элементарными частицами.
На сегодня строгой классификации элементарных частиц (типа таблицы Менделеева) не существует.
Элементарные частицы можно объединить в три группы: фотоны, лептоны и адроны. Элементарные частицы, отнесенные к каждой из этих групп, обладают общими свойствами и характеристиками, которые отличают их от частиц другой группы.
К группе фотонов относится единственная частица – фотон, кото-
рый переносит электромагнитное взаимодействие, хотя в эл/м взаи-
модействии участвуют в той или иной степени все частицы, как заря-
женные, так и нейтральные (кроме нейтрино). Спин фотона равен 1.
К группе лептонов относятся электрон, мюон, таон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы. Все лептоны имеют спин, равный 1/2.
Лептонам приписывают, так называемый лептонный заряд:для лептонов он равен +1, для антилептонов он равен –1, для всех остальных элементарных частиц он равен 0.
Для лептонного заряда существует закон сохранения: в замкнутой системе при любых процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонный заряд сохраняется.
Таблица
| Группа | Название частицы | Заряд, в ед. е | Масса покоя, в ед. mе | Cпин,
в ед. 
| Лептон- ный заряд | Барион- ный заряд |
| Фотоны | Фотон | |||||
| Лептоны | Электрон | ½ | +1 | |||
| Эл. нейтрино | ½ | +1 | ||||
| Мюон | 206,8 | ½ | +1 | |||
| Мюон.нейтрино | ½ | +1 | ||||
| Таон | ½ | +1 | ||||
| Таон. нейтрино | ½ | +1 | ||||
| Адроны | Мезоны | 264,1- | ||||
| -1074 | ||||||
| Барионы | Протон | ½ | +1 | |||
| Нейтрон | ½ | +1 | ||||
| Гиперон | 2183- | 
| +1 | |||
Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К этой группе относятся мезоны, нуклоны (протон, нейтрон) и гипероны, а также их античастицы (нуклоны и гипероны часто объединяют в группу барионов). Мезоны имеют спин равный 0, спин барионов равен 1/2 или 3/2.
Адронам приписывают барионный заряд:для всех барионов он равен +1, для антибарионов он равен –1, для мезонов и их античастиц он равен 0.
Для барионного заряда существует закон сохранения: в замкнутой системе при любых процессах взаимопревращаемости элементарных частиц барионный заряд сохраняется.
В последние годы увеличение числа элементарных частиц происходит в основном вследствие расширения группы адронов.
Поэтому развитие работ по их классификации все время сопровождалось поисками новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для построения всех частиц.
Гипотеза о существование таких «суперэлементарных» частиц, названных кварками, была высказана в 1964 году Цвейгом и Гелл-Маном. Согласно кварковой модели фотон и лептоны являются элементарными частицами, а все адроны состоят из трех кварков, имеющих дробные электрический 
и барионный 
заряды. (Каждому из этих четырех кварков соответствует свой антикварк).
В настоящее время признана точка зрения, что между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов должно быть равно числу типов кварков. В 1977 г. был открыт еще один кварк с зарядом +1/3, предполагается, что существует и шестой кварк с зарядом +2/3.
Является ли схема из шести лептонов и шести кварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти, покажут дальнейшие исследования.
