Тема №87
Смотрим и слушаем https://www.youtube.com/watch?v=XG4Ks7RAY6A
«Чудеса науки современной далеко
превосходят чудеса древней мифологии»
Ральф Эмерсон
В 1932 году была предложена протонно-нейтронная модель атомного ядра. Тогда возник вопрос о том, какие силы удерживают нуклоны в ядре, несмотря на кулоновские силы отталкивания? Ученые пришли к выводу, что это фундаментально новый вид сил, который назвали ядерными силами. Ядерные силы являются самыми мощными силами в природе, но действуют только в пределах атомного ядра. Из этого следовало, что в ядре заключена энергия, которую впоследствии назвали энергией связи. Выяснилось, что суммарная масса всех нуклонов, из которых состоит ядро, больше массы самого ядра. Такую разницу назвали дефектом масс. Именно с этим связано понятие энергии связи. Оказалось, что часть массы нуклонов превращается в энергию связи в соответствии с уравнением Эйнштейна. Тогда ученые немедленно задались вопросом: а нельзя ли получить энергию при расщеплении ядра? Именно об этом будет идти речь в данной теме.
Итак, ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом. Ранее приводилисьпримеры ядерных реакций, когда изучали открытие протона и нейтрона. Напомним, что для стимуляции этих реакций использовалась бомбардировка a-частицами. Надо сказать, что есть более эффективные методы для осуществления ядерных реакций: например, сообщать большую кинетическую энергию частицам с помощью ускорителей. В частности, вместо a-частицы можно использовать ускоренный протон. Во-первых, он будет обладать энергий примерно в 10 тысяч раз большей, чем a-частица, а во-вторых, на него будет действовать вдвое меньшая сила отталкивания со стороны ядра, поскольку заряда протона вдвое меньше, чем заряд a-частицы. Наконец, можно ускорять и другие частицы, имеющую массу, значительно превышающую массу a-частицы.
|
|
В 1932 году удалось провести такого рода реакцию: при бомбардировке ядра атома лития протонами возникало две a-частицы. Было установлено, что кинетическая энергия этих a-частиц на 7,3 МэВ превышала кинетическую энергию протона.
Дело в том, что удельная энергия связи в ядрах гелия больше, чем удельная энергия связи в ядре лития. Именно поэтому, часть энергии ядра лития превратилась в кинетическую энергию a-частиц. Из этого следует, что изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц. Разность энергий покоя ядер и частиц до и после реакции называется энергетическим выходом.
Энергетический выход ядерной реакции может быть как положительным, так и отрицательным (то есть, энергия может выделяться, а может поглощаться). В связи с этим, реакции делятся на экзотермические и эндотермические.
Рассмотрим еще один тип ядерных реакций – реакции на нейтронах. С помощью нейтронов гораздо удобнее осуществлять ядерные реакции, поскольку нейтроны не имеют заряда, а, следовательно, ядро их не отталкивает. Первым, кто начал изучать такие реакции, был Энрико Ферми. Например, при попадании нейтрона в ядро алюминия, из него выбивается a-частица и образуется ядро натрия.
Но самое главное, что обнаружил Ферми – это то, что нейтроны не обязательно должны быть быстрыми. Медленные нейтроны в определенных случаях оказались ещё более эффективными, поэтому нейтроны целесообразно замедлять до реакции. Под медленным нейтроном подразумевается нейтрон, скорость которого сравнима со скоростью теплового движения, поэтому такие нейтроны иногда называют тепловыми.
|
|
Рассмотрим важный вопрос: деление ядер урана. Впервые это явление было открыто Фрицем Штрассманом и Отто Ганом в 1938 году. Они обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами образуются такие элементы как барий и криптон. Правильно истолковать этот факт смогли Лиза Мейтнер и Отто Фриш, которые в 1939 году пришли к выводу, что ядра урана делятся. Происходит это следующим образом: в ядро урана попадает нейтрон, который дестабилизирует его. Энергия, которую добавляет нейтрон в ядро, приводит к неким пульсациям, то есть движению нуклонов. В результате ядро деформируется и становится немного продолговатым. И тут возникает следующее: ядерные силы еще продолжают действовать, сжимая ядро, то есть, стараясь удержать нуклоны вместе. В то же время, в продолговатых концах ядра кулоновские силы начинают его еще больше растягивать. В результате, ядро разделяется на два осколка, каждый из которых содержит избыточное число нейтронов. Поэтому, каждый осколок испускает один или два нейтрона. Было вычислено, что при делении ядра урана выделяется энергия примерно равная 200 МэВ. Если подсчитать, какая энергия выделиться при делении ядер урана, содержащихся в одном моле вещества, то получим просто громадное число. Для выделения такого количества энергии, нужно сжечь десятки тонн такого топлива, как бензин или керосин, в то время как масса одного моля урана составляет менее 250 г.
|
|
Сразу следует заметить, что деление ядра урана вызвано нейтроном, но после деления ядра урана возникает минимум два нейтрона. Значит, эти нейтроны, могут вызвать деление уже двух ядер? А потом, четырех, восьми, шестнадцати и так далее. Такие реакции называются цепными реакциями. То есть, цепная реакция – это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию образуются как продукты этой реакции.
Рассмотрим теперь цепные реакции более подробно. Начнем с того, что естественный уран состоит из двух изотопов: уран 235 (U-235) и уран 238 (U-238). При этом, U-235 составляет всего 0,7 % от общего количества урана. Ядра этого изотопа делятся под влиянием любых нейтронов: как быстрых, так и медленных. Ядра U-238 делятся только при условии, что нейтроны обладают энергией не менее 1 МэВ. Такой энергией обладают примерно 60% нейтронов, образующихся при делении, при этом только 20% нейтронов производят деление U-238. Остальные нейтроны просто захватываются ядрами. Таким образом, используя чистый U-238, невозможно получить цепную реакцию. В связи с подобными рассуждениями вводится понятие «коэффициент размножения нейтронов ». Это отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции. Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества. Очевидно, что, коэффициент размножения зависит от количества делящегося вещества. Также, коэффициент размножения зависит от объёма, занимаемого вещества и от его геометрической формы. Дело в том, что некоторые нейтроны могут вылететь наружу, не испытав соударения с ядрами. В связи с этим, коэффициент размножения будет максимален, если вещество имеет шарообразную форму.
При коэффициенте размножения меньше единицы, реакция очень быстро затухает, поскольку число нейтронов, захваченных ядрами, превышает число появляющихся нейтронов. При коэффициенте размножения равным единице устанавливается стабильное течение цепной реакции (поскольку образуется ровно столько же нейтронов, сколько захватывается). Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения, равным единице, называется критической массой. Если же коэффициент размножения хоть чуть-чуть превысит единицу, реакция станет неуправляемой. Количество нейтронов будет расти с огромной скоростью, в результате чего все больше и больше ядер урана будут подвергнуты делению. Это приведет к выбросу огромного количества энергии, то есть к ядерному взрыву. Именно такая неуправляемая реакция используется для создания ядерного оружия.
Известно, что сегодня активно развивается ядерная энергетика. Рассмотрим схему работы ядерного реактора. Ядерный реактор – это устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.
Часто в качестве ядерного горючего используется U-235, поскольку он наиболее эффективно захватывает медленные нейтроны. Итак, в активной зоне находится ядерное топливо в виде урановых стержней, и замедлитель нейтронов (во многих случаях – это тяжелая вода). Проходя через замедлитель, тепловые нейтроны вновь участвуют в делении ядер урана. Если нейтрон попадает в ядро U-235, то реакция повторяется, а если в ядро U-238 – то образуется радиоактивный изотоп U-239. В результате b-распада образуется ядро нептуния, который тоже радиоактивен. Нептуний также испускает b-частицу и превращается в плутоний, который тоже используется в качестве ядерного горючего.
Активная зона реактора посредством труб соединяется с теплообменником, образуя так называемый первый замкнутый контур. Насосы обеспечивают циркуляцию воды в этом контуре. При этом вода, нагретая в активной зоне за счет внутренней энергии атомных ядер, проходя через теплообменник, нагревает воду в змеевике второго контура, превращая ее в пар. Таким образом, вода в активной зоне реактора служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло.
Основные выводы:
– Ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.
– Любая ядерная реакция характеризуется энергетическим выходом, то есть разностью энергий покоя ядер и частиц до и после реакции.
– Цепная реакция – это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию образуются как продукты этой реакции.
– Важнейшей характеристикой цепной реакции является коэффициент размножения нейтронов. Он определяется как отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции.
– Если коэффициент размножения нейтронов меньше единицы, то реакция практически сразу затухает.
– При определенном значении массы делящегося вещества (которое называется критической массой), коэффициент размножения равен единице. В этом случае цепная реакция протекает стационарно.
– Если же коэффициент размножения превышает единицу, то это приводит к неуправляемой реакции и выбросу огромного количества энергии в виде взрыва.
– Для осуществления управляемой реакции деления ядер нужно специальное устройство. Такое устройство называется ядерным реактором.
https://videouroki.net/video/59-iadiernyi-rieaktor-iadiernaia-enierghietika-ekologhichieskiie-probliemy-raboty-atomnykh-eliektrostantsii.html
«Если вы преуспеете в использовании
открытий ядерной физики на благо мира,
это распахнет дверь в новый земной рай».
Альберт Эйнштейн
В данной теме разговор пойдёт о таком важном вопросе, как ядерная энергетика и экологических проблемах связанных с ее использованием.
Ядерная реакция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением большого количества энергии.
Любая ядерная реакция характеризуется энергетическим выходом реакции, равной разности энергий покоя ядра и частиц до реакции и после нее.
Цепная реакция — это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие эту реакцию, образуются как продукты этой реакции.
Так как любая цепная ядерная реакция сопровождается большим выделением энергии, то возникает идея взять ее под контроль, что бы использовать в своих целях. Устройство, позволяющее осуществить это технически, называется ядерным реактором.
Управление ядерной реакцией заключается в регулировании скорости размножения свободных нейтронов в делящемся веществе (например, в уране), чтобы их число оставалось неизменным. При этом цепная реакция будет продолжаться столько времени, сколько это необходимо, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.
В настоящее время существует очень много различных типов ядерных реакторов разной мощности, которые различаются по величине энергии используемых нейтронов, по типу используемого ядерного топлива, по структуре активной зоны реактора, по типу замедлителя, теплоносителя и т.д.
Критические размеры активной зоны реактора и, соответственно, критическая масса делящегося вещества определяются видом используемого в нем ядерного топлива, типом замедлителя и конструктивными особенностями реактора.
Реакторы, работающие на тепловых нейтронах (их скорости порядка двух километров в секунду), состоят из следующих основных частей:
а) делящегося вещества, в качестве которого используют изотопы урана, тория или плутония;
б) замедлителя нейтронов, которым служит графит, тяжелая или обычная вода;
в) отражателя нейтронов, в качестве которого обычно используют те же вещества, что и для замедления нейтронов;
г) теплоносителя, предназначенного для отвода теплоты из активной зоны реактора. В качестве теплоносителя используют воду, жидкие металлы, некоторые органические жидкости;
д) регулирующих стержней;
е) системы дозиметрического контроля и биологической защиты окружающей среды от потоков нейтронов и гамма-излучения, возникающих в активной зоне реактора.
Рассмотрим устройство и принцип действия уран-графитового реактора, используемого на атомных электростанциях, в котором в качестве делящегося вещества используется в основном уран-235.
В природном уране этого изотопа недостаточно для протекания цепной реакции (всего около 0,7%), поэтому природный уран обогащают, т. е. доводят содержание урана-235 до 5%.
Реактор, работающий на этом изотопе урана, называется реактором на медленных нейтронах. Он назван так, потому что уран-235 наиболее эффективно делится под действием медленных нейтронов. Поскольку при делении ядер образуются в основном быстрые нейтроны, их необходимо замедлять. Для этого в реакторе с таким ядерным топливом используется замедлитель нейтронов.
На рисунке изображены основные части реактора на медленных нейтронах. В активной зоне находится ядерное топливо в виде урановых стержней, их еще называют ТВЭЛами и замедлитель нейтронов — в данном случае тяжелая вода.
Масса каждого уранового стержня значительно меньше критической, поэтому в одном стержне цепная реакция происходить не может (это делается специально из соображений безопасности). Она начинается после погружения в активную зону всех урановых стержней, т. е. когда масса урана достигнет критического значения.
Активная зона окружена слоем вещества, отражающего нейтроны (отражатель), и защитной оболочкой из бетона, задерживающей нейтроны и другие частицы.
Для управления реакцией служат регулирующие стержни, эффективно поглощающие нейтроны. При их полном погружении в активную зону цепная реакция идти не может. Для запуска реактора регулирующие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока не начнется цепная реакция деления ядер урана.
Образующиеся в процессе этой реакции нейтроны и осколки ядер, разлетаясь с большой скоростью, попадают в воду, сталкиваются с ядрами атомов кислорода и водорода, отдают им часть своей кинетической энергии и замедляются. Вода при этом нагревается, а замедленные нейтроны через какое-то время опять попадают в урановые стержни и участвуют в делении ядер.
Активная зона реактора посредством труб соединяется с теплообменником, образуя так называемый первый замкнутый контур. Насосы обеспечивают циркуляцию воды в этом контуре. При этом вода, нагретая в активной зоне за счет внутренней энергии атомных ядер, проходя через теплообменник, нагревает воду в змеевике второго контура, превращая ее в пар. Таким образом, вода в активной зоне реактора служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло.
На рисунке схематично показаны устройства, в которых энергия пара, образовавшегося в змеевике, преобразуется в электроэнергию. Посредством этого пара вращается турбина, которая, в свою очередь, приводит во вращение ротор генератора электрического тока. Отработанный пар поступает в конденсатор и превращается в воду. Затем весь цикл повторяется.
Таким образом, при получении электрического тока на атомных электростанциях происходят следующие преобразования энергии: часть внутренней энергии атомных ядер урана → кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер → внутренняя энергия воды → внутренняя энергия пара → кинетическая энергия пара → кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора → электрическая энергия.
По своему назначению ядерные реакторы делятся на следующие типы:
исследовательские, с их помощью получают мощные пучки нейтронов для научных целей;
энергетические — предназначены для получения электрической энергии в промышленных масштабах;
теплофикационные — в них получают теплоту для нужд промышленности и теплофикации;
воспроизводящие — служат для получения из урана 238 и тория делящихся материалов плутония и урана 233;
транспортные — их используют в двигательных установках кораблей и подводных лодок;
реакторы для промышленного получения изотопов различных химических элементов, обладающих искусственной радиоактивностью.
Одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством, является проблема источников энергии. Потребление энергии растет столь быстро, что известные в настоящее время запасы топлива окажутся исчерпанными в сравнительно короткое время.
Например, надежно подтверждаемых запасов угля может хватить примерно на 350 лет, нефти — на 40 лет, природного газа — на 60 лет.
Проблему «энергетического голода» не решает и использование энергии так называемых возобновляемых источников (энергии рек, ветра, солнца, морских волн, глубинного тепла Земли), так как они могут обеспечить в лучшем случае только 5—10% наших потребностей. В связи с этим в середине XX в. возникла необходимость поиска новых источников энергии.
В настоящее время реальный вклад в энергоснабжение вносит ядерная энергетика. До 1940 г. многие ученые считали, что ядерная физика представляет чисто научный интерес, не имея при этом никакого практического применения. Так, в 1937 г. Резерфорд утверждал, что получение ядерной энергии в более или менее значительных количествах, достаточных для практического использования, никогда не будет возможным.
Однако уже в 1942 г. в США под руководством Энрико Ферми был построен первый ядерный реактор.
Первый европейский реактор был создан в 1946 г. в Советском Союзе под руководством Игоря Васильевича Курчатова.
В 1954 г. в нашей стране (в г. Обнинске) была введена в действие первая в мире атомная электростанция. Ее мощность была невелика — всего 5000 кВт. Современные же АЭС имеют в сотни раз большую мощность.
АЭС имеют ряд преимуществ перед другими видами электростанций. Основное их преимущество заключается в том, что для работы АЭС требуется очень небольшое количество топлива (вспомните, что энергия, заключенная в 1 грамме урана, равна энергии, выделяющейся при сгорании 2,5 тонн нефти). В связи с этим эксплуатация атомных электростанций обходится значительно дешевле, чем тепловых (для работы которых необходимы большие затраты на добычу и транспортировку топлива).
Однако, строительство тепловых станций (ТЭС) обходится дешевле, чем атомных. Поэтому на сегодняшний день стоимость тепловых и атомных станций сопоставима. Но в перспективе атомная энергетика станет более выгодной.
Второе преимущество АЭС (при правильной их эксплуатации) заключается в их экологической чистоте по сравнению с ТЭС. Конечно, в выбросах АЭС содержатся радиоактивные газы и частицы. Но большая часть радиоактивных ядер (так называемых радионуклидов), содержащихся в выбросах АЭС, довольно быстро распадается, превращаясь в нерадиоактивные. А количество долгоживущих радионуклидов и мощность их излучения сравнительно невелики. Поэтому для населения, проживающего в районах размещения АЭС, дополнительная радиационная нагрузка не превышает нескольких десятых процента от естественного радиационного фона.
Что же касается электростанций, работающих на угле, то именно они являются одним из основных источников поступления в среду обитания человека долгоживущих радионуклидов. Дело в том, что в угле всегда содержатся микропримеси радиоактивных элементов, которые выносятся с продуктами сгорания, осаждаясь на прилегающей местности и накапливаясь на зольных полях возле ТЭС.
Например, на зольных полях Рефтинской ТЭС, расположенной в 80 километрах от Екатеринбурга, за время ее работы накопилось до 7 килограмм урана, тория, радия и других радиоактивных изотопов. Кроме того, используемое на ТЭС природное органическое топливо (уголь, нефть, газ) содержит от полутора до четырех с половиной процента серы. Образующийся при сгорании топлива сернистый ангидрид, даже пройдя через фильтры и системы очистки, частично выбрасывается в атмосферу. Вступая в контакт с атмосферной влагой, он образует раствор серной кислоты и вместе с дождями выпадает на землю. Такие кислотные дожди наносят огромный ущерб растительности, разрушают структуру почвы и значительно меняют ее состав, для восстановления которого необходима не одна сотня лет.
Неблагоприятные экологические последствия связаны и с использованием энергии рек. Эти последствия заключаются в отчуждении больших площадей земли (в связи со строительством водохранилищ и образованием вследствие этого болот), гибелью рыбы в результате перекрытия рек и т. д.
Для строительства электростанций достаточной мощности, преобразующих энергию солнца и ветра, тоже требуются, как оказалось, огромные территории.
Что же касается ядерной энергетики, то она не сопровождается вышеперечисленными негативными явлениями. Но это вовсе не означает, что АЭС не порождают серьезных проблем. В настоящее время квалифицированная критика ядерной энергетики концентрируется вокруг трех ее принципиальных проблем: содействие распространению ядерного оружия, радиоактивные отходы и возможность аварий.
Первая проблема может быть решена только в рамках мирового сообщества. Большой вклад в ее решение вносит, в частности, деятельность Международного агентства по атомной энергии при ООН (МАГАТЭ), созданного в 1957 году для контроля за нераспространением ядерного оружия и безопасным применением ядерной энергии в мирных целях.
Обезвреживание радиоактивных отходов сводится в основном к трем задачам:
– к совершенствованию технологий с целью уменьшения образования отходов при работе реакторов;
– к переработке отходов для их консолидации (т. е. скрепления, связывания) и уменьшения опасности от распространения в окружающей среде;
– к надежной изоляции отходов от биосферы и человека за счет создания могильников разных типов.
Для выполнения поставленных задач в проектах всех АЭС предусмотрены установки для отверждения жидких отходов. Так на Санкт-Петербургской, Тверской и многих других АЭС они уже действуют; на остальных — подготовлены к внедрению или проходят опытно-экспериментальную проверку. Кроме того, на заводах по переработке ядерного топлива производится остеклование отходов. Газообразные отходы подвергаются очистке. Помимо перечисленных принимаются и многие другие меры, направленные на решение проблемы радиоактивных отходов.
Что касается безопасности АЭС, деятельность МАГАТЭ в этой области включает в себя, в частности, разработку стандартов безопасности (касающихся выбора мест размещения АЭС, их проектирования, эксплуатации и пр.), консультирование стран — членов МАГАТЭ (например, по проблеме создания программы помощи состоящим в нем странам в случае аварий, по оказанию содействия развивающимся странам в вопросах безопасности и многим другим аспектам).
Проводимый экспертами МАГАТЭ анализ произошедших на атомных станциях аварий, выдача рекомендаций по их профилактике, внедрение в практику современных методов анализа безопасности и многие другие меры содействуют выравниванию и повышению в целом уровня безопасности АЭС в мире.
Основные выводы:
– Ядерный реактор — это устройство, предназначенное для осуществления управляемой ядерной реакции.
– Управление ядерной реакцией заключается в регулировании скорости размножения свободных нейтронов в делящемся веществе (например, в уране), чтобы их число оставалось неизменным. При этом цепная реакция будет продолжаться столько времени, сколько это необходимо, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.
https://videouroki.net/video/56-ehlementarnye-chasticy.html
Вы уже знаете, что с давних времён учёные пытались найти наименьшие «кирпичики» материи, при помощи которых можно понять иерархическую структуру строения вещества. Сначала у древних греков (Демокрит, Эпикур) такими неделимыми частицами считались атомы, из которых, по их убеждениям, состоят все тела. Когда Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает «неделимый»), то ему, вероятно, всё представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, — это простая перестановка атомов. «Всё в мире течёт, всё изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными».
Более 2200 лет понятие Демокрита об атоме не претерпевало практически никаких изменений. Только в начале XIX века данное понятие конкретизировали химики, которые считали атомы наименьшими частицами вещества, определяющими его химические свойства (Я. Берцелиус, Дж. Дальтон, А. Авогадро).
Лишь в конце XIX века, после открытия электрона Томсоном и исследования явления радиоактивности Беккерелем и супругами Кюри, учёные подвергли сомнению элементарность атома и предположили, что он также имеет сложное строение. А в начале нового столетия Эрнест Резерфорд подтвердил это экспериментально и предложил ядерную модель атома, в которой ядро считается также сложным образованием. В 1919 году Резерфорд открыл протон — нуклон, имеющий положительный заряд. Другая частица — нейтрон, входящая в состав ядра, была открыта спустя 13 лет Джеймсом Чедвиком. С тех пор протоны, нейтроны и электроны, а также фотоны стали считаться элементарными частицами.
Затем последовал бум в открытии новых частиц. Сначала (в 1932 году) американец Карл Андерсон обнаружил позитрон — частицу с массой, равно массе электрона, но имеющую положительный элементарный заряд. В 1935 году для объяснения обменного характера сильного взаимодействия нуклонов в ядре японский физик Xидэки Юкава выдвинул гипотезу о существовании пи-мезонов, которые были обнаружены англичанином Сесилом Пауэллом в 1947 году в космических лучах.
Немного раньше (в 1937 году) в космическом излучении были обнаружены мюоны — частицы с отрицательным или положительным элементарным зарядом и массой, в 207 раз превышающей массу электрона.
Позже, по мере возрастания мощности ускорителей, создания новых детекторов элементарных частиц и усовершенствования методики эксперимента, было обнаружено около 400 элементарных частиц.
В настоящее время элементарными называют частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением более «простых» частиц, существующих в свободном состоянии.
Для всех элементарных частиц характерна способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами. Например, мы знаем, что нейтрон в ядре может распасться на протон, электрон и антинейтрино. Но, что удивительно, эти частицы не являются составными частями нейтрона — внутри нейтрона их нет, так как они рождаются только в момент распада. Аналогично ему в класс элементарных частиц попадает мюон, который распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино.
Открытие большого количества новых микрочастиц, побудило учёных иначе посмотреть на проблему их элементарности. Согласно современным представлениям — это не просто первоначальные неделимые частицы, составляющие вещество, а специфические объекты, которым кроме всего прочего присуще слабое взаимодействие как особый вид фундаментального взаимодействия.
По своей интенсивности слабое взаимодействие во много раз меньше сильного и электромагнитного взаимодействия. Однако оно значительно сильнее гравитационного притяжения, поскольку массы элементарных частиц очень малы и радиус их взаимодействия равен лишь одному аттометру (10–18 м).
Общими характеристиками всех элементарных частиц является масса, время жизни, электрический заряд и спин.
Первоначально классификация элементарных частиц осуществлялась по их массе, что и получило отражение в названиях типов частиц (лепто́ны — лёгкие, мезо́ны — средние и барио́ны — тяжёлые). Выражают массы частиц, как правило, в массах электрона. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными величине элементарного электрического заряда.
В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).
Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон, протон, фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счёт электромагнитного и слабого взаимодействий. Их время жизни больше 10–20 секунд. А резонансами (то есть нестабильными частицами) называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия. Их время жизни очень мало (10–22—10–24 с).
Спин (что с английского буквально переводится как ‘ вращение, вращать’) — это собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого.
Чаще всего спин измеряется в единицах постоянной Дирака и равен произведению данной постоянной и спинового квантового числа:
𝐽 = 𝑗ℏ, где 𝑗 = 0; 1/2; 1; 3/2…
Таким образом, каждая элементарная частица обладает набором дискретных квантовых чисел, которые однозначно определяют её специфические свойства.
В зависимости от присущего типа взаимодействия все элементарные частицы, кроме фотона, делятся на две основные группы: лептоны (от греческого тонкий, лёгкий), которые характеризуют только сильное взаимодействие. И адроны (от греческого большой, сильный), участвующие во всех типах взаимодействий — гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом.
Адроны делятся на два класса: с целым спином — мезоны (или бозоны); и с полуцелым спином — фермионы (или барионы). Самыми лёгкими из барионов являются нуклоны. За ними следуют так называемые гипероны. Вся таблица замыкается омега-минус-частицей, открытой в 1964 году. Её масса в 3273 раза больше массы электрона.
В том же году американские учёные Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга выдвинули теорию кварков. Кварками они назвали предполагаемые «настоящие элементарные частицы», из которых состоят все адроны. Сначала было предложено три кварка (или три «аромата ») — u, d, s, названия которых происходят от английских слов up — вверх, down — вниз и strange — странный.
Затем были обнаружены адроны, для объяснения свойств которых, пришлось предположить существование ещё трёх «ароматов» с, b и t (от английских слов charm — очарование; beauty — прелесть, красота и truth — истина).
Все шесть кварков располагают в виде трёх семейств (дуплетов) аналогично лептонным семействам. Спины у всех кварков полуцелые. У каждого кварка есть свой антикварк, спины которых также полуцелые. Электрические заряды кварков равны одной трети или двум третям элементарного заряда. Барионы состоят из трёх различных кварков, мезоны — из кварка и антикварка.
Кварки в адронах взаимодействуют посредством глюонов, которые не существуют в свободном виде и проявляются только в процессах рождения и уничтожения барионов и мезонов.
При изучении свойств атомов, ядер и элементарных частиц установлен один из фундаментальных законов физики: в системе взаимосвязанных частиц не может находиться два и более фермиона (то есть частиц с полуцелым спином) с тождественными параметрами. Этот закон называется принципом запрета Паули.
Однако в составе многих барионов есть по два, а в некоторых все три одинаковых кварка. Значит, все кварки, из которых состоит барион, должны отличаться каким-то параметром. Этот параметр назвали «цветным зарядом », или просто «цветом ». Таких цветов оказалось три: красный, зелёный и синий. Они, естественно, не имеют прямого отношения к оптическому цвету, а лишь условно обозначают существование трёх типов специфических квантовых зарядов у кварков. «Цвета» антикварков соответственно: антикрасный, антисиний и антизелёный.
Оказывается, что, как и в оптике, смешение красного, синего и зелёного цветов в определённой пропорции даёт белый (нейтральный) цвет. Именно поэтому адроны считаются «белыми» или «бесцветными». Нейтрализуют друг друга цвет и антицвет, аналогично дополнительным цветам в оптике. Обмен глюонами между кварками меняет цвет кварка.
В соответствии с действующими в микромире законами сохранения, возникновение частиц происходит только в парах с античастицами. Поэтому все заряженные частицы существуют парами. Это так называемый принцип зарядового сопряжения. Оказалось, что у всех частиц имеются античастицы. Все характеристики частиц и античастиц одинаковы, но заряды (магнитные моменты) противоположны по знаку. Исключение — фотон, пи-ноль-мезон и тау-ноль-мезон — истинно нейтральные частицы, то есть полностью совпадающие со своими античастицами.
При столкновении частицы со своей античастицей (например, при столкновении медленно движущихся электрона и позитрона) они аннигилируют (от латинского «нииль» — ничто), то есть превращаются в какие-либо иные частицы, отличные от исходных:
Возможен и обратный процесс:
В настоящее время сложилась общепринятая теория наиболее общих типов элементарных частиц и их взаимодействий, которая называется стандартной моделью.