Несохранение четности при слабых

В 1956г – открытие несохранения четности в слабых взаимодействиях. Понятие четности возникает в связи с операцией инверсии. При инверсии относительно начала координат всех частиц системы меняются на противоположные, т.е. x,y,z, переходят в –x, -y, -z, или r=-r. Такие преобразования представляют собой переход от правовинтовой системы координат к левовинтовой, и наоборот. Другими словами пространство инверсии состоит из зеркального отражения относительно плоскости, проходящей через начало координат и последующего поворота на 180 вокруг оси перпендикулярно этой плоскости. При пространственной инверсии функция или не меняется или у нее меняется только знак.

Четная – ψ(r)=ψ(-r), нечетная – ψ(r)=-ψ(-r)

Закон сохранения четности: Четность квантового состояния не зависит от времени при условии, что влияние слабых взаимодействии пренебрежимо мало.

31. Благодаря малой массе при каждом столкновении движущейся легкой частицы (электрона или позитрона) изменение ее импульса относительно велико. Поэтому путь легкой частицы в среде не прямолинейный, а извилистый. Если пучок частиц направить на однородную среду, то он ведет себя по-разному в зависимости от того, состоит ли он из тяжелых частиц или из легких. В случае тяжелых частиц интенсивность пучка остается постоянной, если пройденный им путь х меньше длины пробега R. В очень же тонком слое вблизи границы х = R частицы выбывают из пучка, и он резко обрывается. В случае же пучка из легких частиц интенсивность пучка убывает плавно и непрерывно на всем его протяжении. Максимальным пробегом называется минимальная толщина слоя вещества, в котором задерживаются все частицы. Он совпадает с полной длиной криволинейного пути, проходимого в веществе отдельной частицей. Чтобы получить средний

32. Тормозное излучение электронов сопровождается возникновени­ем мощных потоков γ-квантов, испускаемых преимущественно вперед. От таких потоков требуется усиленная защита, так как проникающая способность γ-квантов значительно превосходит проникающую способ­ность электронов.

Электрон, позитрон или γ-квант, если их энергия достигает 1 ГэВ или выше, распространяясь в веществе, порождают электрон-пози- тронные ливни. Это явление заключается в следующем. Первичная частица, например электрон, тормозясь в электрическом поле ядра, испускает γ-квант высокой энергии. Этот γ-квант рождает электрон- позитронную пару в электрическом поле другого ядра. Электрон- позитронные пары в свою очередь порождают тормозные γ-кванты и т. д. Так возникает поток частиц, летящих практически в направлении первичной частицы, так как все эти частицы релятивистские.

33. Активность (А) – мера количества радионуклида в источнике или в любом веществе. Активность равна скорости радиоактивного распада ядер атомов радионуклида. Величина суммарной активности характеризует потенциальную радиационную опасность помещений, в которых ведутся работы с радиоактивными веществами. Единица измерения СИ – Бк (беккерель), равный 1 распаду в секунду (с^–1). Внесистемная единица – Ки (кюри); 1 Ки = 37 ГБк = 3,7×10¹⁰ с ^–1.

Поток частиц (F) – число элементарных частиц (альфа, бета, фотонов, нейтронов), излучаемых источником или воздействующих на мишень в единицу времени. Единица измерения – част/с, фотон/с или просто с ^{– 1} .

Флюенс частиц (Ф) – отношение числа элементарных частиц, проникающих в элементарную сферу, к площади центрального сечения этой сферы. Флюенс, так же как и доза, есть величина аддитивная и неубывающая – ее значение всегда накапливается со временем. Единица измерения – част/ см², фотон/ см² или просто см ^–2 . Плотность потока частиц (φ) – флюенс за dt. Единица плотности потока частиц или квантов – см^–2·с^–1. Плотность потока характеризует уровень (интенсивность) радиации в данной точке пространства (или радиационную обстановку в данной точке помещения). Энергия (Е_R) – является важнейшей характеристикой ионизирующего излучения. В ядерной физике используется внесистемная единица энергии – электронвольт (эВ). 1 эВ = 1,6020×10^-19 Дж.

Экспозиционная доза (Х) – мера количества ионизационных разрушений атомов и молекул тела за время облучения. Равна отношению суммарного заряда всех ионов одного знака, созданных фотонным излучением в воздухе, к массе облученного объема воздуха. Х используется только для фотонного излучения с энергией до 3 МэВ. Единица измерения СИ – Кл/кг. Внесистемная единица – Р (рентген); 1 Р = 2,58×10^-4 Кл/г; 1 Кл/кг = 3872 Р.

36. В микромире каждой частице соответствует античастица. В не­которых случаях частица совпадает со своей античастицей, т. е. все свойства частицы и античастицы тождественны. В таком случае эле­ментарные частицы называют истинно нейтральными частицами. Если же частица и античастица не совпадают, то массы, спины, изотопические спины, времена жизни у частицы и античастицы одинаковы, а прочие характеристики (электрический заряд, магнит­ный момент, лептонные и барионные заряды, странность, очарование, красота) одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Первая античастица — позитрон (антиэлектрон) была предска­зана теоретически Дираком в 1931 г. и обнаружена в 1932 г. Андерсо­ном.

Андерсон открыл позитрон в составе космических лучей, фотогра­фируя следы космических частиц в камере Вильсона. След позитрона был похож на след электрона, но в

34. Различают два вида эффекта воздействия на организм ионизирующих излучений: соматический и генетический. При соматическом эффекте последствия проявляются непосредственно у облучаемого, при генетическом - у его потомства.

Соматические эффекты могут быть ранними или отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 30-60 суток после облучения. К ним относят покраснение и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая болезнь, летальный исход.

Отдалённые соматические эффекты проявляются через несколько месяцев или лет после облучения в виде стойких изменений кожи, злокачественных новообразований, снижения иммунитета, сокращения продолжительности жизни.

Ионизирующее излучение может оказывать влияние на организм как при внешнем, так и при внутреннем облучении. Внутреннее облучение происходит при попадании внутрь организма через лёгкие, кожу и органы пищеварения источников ионизирующего излучения. Внутреннее облучение более опасно, чем внешнее.

Под действием ионизирующего излучения вода, являющаяся составной частью организма человека, расщепляется и образуются ионы с разными зарядами. Полученные свободные радикалы и окислители взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая её. Нарушается обмен веществ. Происходят изменения в составе крови - снижается уровень эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и нейтрофилов. Поражение органов кроветворения разрушает иммунную систему человека и приводит к инфекционным осложнениям.

Местные поражения характеризуются лучевыми ожогами кожи и слизистых оболочек. При сильных ожогах образуются отёки, пузыри, возможно отмирание тканей (некрозы).

38. В 1964 году независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили модель кварков - частиц, из которых могут состоять адроны.

К настоящему времени установлено существование пяти разновидностей кварков: и, d, s, с, b. Каждому кварку соответствует свой антикварк.

Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд 1/3. Кварки и, с, t называют верхними, так как они имеют дробный электрический заряд +2/3. Остальные кварки d, s, b с электрическим зарядом —1/3 принято называть нижними.

Кварк s является носителем странности, с — очарования, b — красоты (прелести).

Итак, кварковая модель предполагает, что кварки внутри адронов существуют, но опыт вынуждает признать, что вылететь оттуда и появиться в свободном состоянии они не могут. Такое положение называют английским словом «конфаймент», которое означает «пленение, тюремное заключение».

При облучении дозами, в 100-1000 раз превышающую смертельную дозу, человек может погибнуть во время облучения ("смерть под лучом").

Ниже предлагаются рекомендации общего характера по защите от ионизирующего излучения разного типа.

От альфа-лучей можно защититься путём:
увеличения расстояния до ИИИ, т.к. альфа-частицы имеют небольшой пробег;
использования спецодежды и спецобуви, т.к. проникающая способность альфа-частиц невысока;
исключения попадания источников альфа-частиц с пищей, водой, воздухом и через слизистые оболочки, т.е. применение противогазов, масок, очков и т.п.

В качестве защиты от бета-излучения используют:
ограждения (экраны), с учётом того, что лист алюминия толщиной несколько миллиметров полностью поглощает поток бета-частиц;
методы и способы, исключающие попадание источников бета-излучения внутрь организма.

Защиту от рентгеновского излучения и гамма-излучения необходимо организовывать с учётом того, что эти виды излучения отличаются большой проникающей способностью. Наиболее эффективны следующие мероприятия (как правило, используемые в комплексе):
увеличение расстояния до источника излучения;
сокращение времени пребывания в опасной зоне;
экранирование источника излучения материалами с большой плотностью (свинец, железо, бетон и др.);
использование защитных сооружений (противорадиационных укрытий, подвалов и т.п.) для населения;
использование индивидуальных средств защиты органов дыхания, кожных покровов и слизистых оболочек;
дозиметрический контроль внешней среды и продуктов питания.

Кварк, получивший энергию в результате столкновения с электроном, не вылетает наружу из адрона, а растрачивает ее на образование кварк-антикварковых пар, т. е. на образование новых адронов, в основном мезонов.

Одной из причин ненаблюдаемости кварков в свободном состоянии,

возможно, являются их очень большие массы. Это препятствует рож-

дению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных

ускорителях.

Поглощенная доза, или просто доза (D) – мера физического воздействия ионизирующего излучения на вещества. Равна отношению энергии излучения, поглощенной в веществе на образование ионов, к массе облученного вещества. Единица измерения СИ – Гр (грей); 1 Гр = 1 Дж/кг. Внесистемная единица – рад; можно считать, что 1 Р соответствует 1 рад или 10 мГр. Эквивалентная доза (Н) – мера биологического воздействия излучения на орган или ткань (на уровне живых клеток, органов и тканей). Равна произведению поглощенной дозы на взвешивающий коэффициент радиации W_R, который учитывает качество излучения (линейную ионизирующую способность). Для смешанного излучения эквивалентная доза определяется как сумма по видам радиации «R»: Н = å D_R × W_R Единица измерения СИ – Зв (зиверт); для гамма-излучения 1 Зв = 1 Гр. Внесистемная единица – бэр; Эффективная доза (Е) – мера риска возникновения отдаленных стохастических эффектов (при малых дозах облучения) с учетом неодинаковой радиочувствительности органов и тканей. При равномерном облучении всего тела эффективная доза совпадает с эквивалентной: Е = Н, где Н – одинаковая эквивалентная доза на все органы и ткани. В случае неравномерного облучения эффективная доза определяется как сумма по органам и тканям «Т»: Е = å Н_T × W_T (T = 1 … 13),

где Н_T – эквивалентная доза на орган или ткань «Т »; W_T – взвешивающий коэффициент радиочувствительности органа (ткани). Единица измерения эффективной дозы– мЗв (миллизиверт). Мощность дозы – производная по времени от соответствующей дозовой величины (т.е. скорость накопления дозы). Прямо пропорциональна величине плотности потока частиц φ, действующих на тело. Так же как и плотность потока, мощность дозы характеризует радиационную обстановку (уровень радиации) в точке помещения или на территории.

магнитном поле он загибался в про­тивоположную сторону. Это свидетельствовало о положительном знаке заряда наблюдаемой частицы. О направлении полета частицы можно было судить по увеличению кривизны следа при ее движении. Для того чтобы усилить этот эффект, Андерсон ставил на пути позитрона свинцовую пластинку, проходя через которую позитрон тормозился, и уменьшение радиуса кривизны его следа становилось более значи­тельным. По кривизне следа Андерсон вычислил энергию частицы. Если бы это был протон, то его пробег при установленном Андерсоном значении энергии был бы примерно в 10 раз меньше наблюдаемого в действительности. Это означало, что масса открытой положительно заряженной частицы была меньше массы протона.

В настоящее время античастицы открыты практически у всех известных частиц. Обычно они обозначаются теми же символами, что частицы, но с добавлением тильды.

…………………………………………

пробег, надо взять длину прямолинейного пути, проходимого частицей в веществе до того, как она выбывает из пучка, и этот путь усреднить по всем частицам пучка. Вторая особенность в поведении легких частиц состоит в том, что при изменении импульса в результате столкновения электрон (или позитрон) излучает. Поэтому помимо ионизационных, появляются радиационные потери, т. е. потери энергии на излучение фотонов. Наконец, в-третьих, при движении электрона в среде проявляются квантовые обменные эффекты, наблюдающиеся во всякой системе тождественных частиц. Такие эффекты не возникают при движении позитрона в среде, поскольку электрон и позитрон — не тождес­твенные частицы. Зато в этом случае возможен процесс аннигиляции позитрона с электроном. Впрочем, роль процессов аннигиляции, а также эффектов обмена относительно невелика. Поэтому торможение электрона и позитрона в среде происходит практически одинаково.

Этот поток и называется ливнем. В веществе поток частиц ливня после своего возникновения сначала резко усиливается, но после прохож­дения некоторого расстояния начинает уменьшаться. Когда энергия отдельных частиц ливня уменьшается настолько, что ионизационные потери начинают преобладать над радиационными, ливень прекра­щается. Подобные множественные процессы образования частиц, но более разнообразные по составу вызываются и тяжелыми заряженными частицами. Сначала они наблюдались в земной атмосфере и вызывались частицами космических лучей вы­соких энергий. Каскады таких частиц, порождаемые первичными частицами с энергией ε > 10⁵ ГэВ, содержат 10⁶-10⁹ частиц и называются широкими атмосферными ливнями.

которой обусловливает ядерное взаимодействие. Он был назван пи-мезоном — пион. Пион π существует в виде π⁺ π⁰ и π^-. Пионы π⁺ и π^- являются частицей и античастицей по отношению друг к другу, а пион π⁰ — истинно нейтральная частица.

Итак, суть мезонной теории ядерных сил состоит в следующем. Два нуклона, находясь на малом расстоянии друг от друга обмениваются виртуальными пионами, что и является причиной ядерного взаимодействия. При этом возможны четыре типа обмена: p↔p+π⁰, n↔n+π⁰, p↔n+π⁺, n↔p+π^-. В двух первых процессах зарядовое состояние нуклона не меняется, в двух последних процессах нейтрон переходит в протонное состояние и обратно.

………………………………………………

Энергия, которая выделяется при делении тяжелого ядра на более легкие – энергия деления. Рассмотрим ядро и вычислим его энергию деления на .

Q_дел=-E_дел=-E_y=(E_Z’,A’+ E_{Z-Z’,A-A’})- E_Z,A= ε_AA+ ε_A-A’ (A-A’) - ε_AA= (ε_A-A’-ε_A)A+ (ε_A’-ε_A-A’)A’

Пологая_’ε_A-A’ ≈ ε_A Q_дел=(ε_A’-ε_A)A Q_дел>0

Но несферическая форма основного состояния ядра есть его внутреннее свойство, а не проявление результата какого-то внешнего деформи­ру­ющего воздействия. Другими возбуждениями ядра, допускаемыми капельной моделью, являются деформации и колебания поверхности ядра. Объемные колебания ядра, ввиду предположенной несжимаемости «ядерной жидкости», практически невозможны. Простейшими являются квадрупольные малые колебания ядра, когда его поверхность попеременно принимает форму вытянутого и сплюснутого эллипсоида вращения. Более сложными являются малые октупольные колебания, при которых ядро принимает грушевидную форму. При сильных колебаниях нарушается их гармоничность. Такие колебания могут возбуждаться, например, при попадании нейтрона в ядро. В результате ядро может разделиться на две части. Таким образом, капельная модель ядра объясняет деление некоторых тяжелых ядер.

…………………………………..

Например, ряд , каждое из которых получается из предыдущего присоединением одного нейтрона или протона. В этом случае энергии присоединения одного нуклона резко возрастают по мере приближения к дважды магическому ядру. Однако при даль­нейшем добавлении к ядру Нейтрона или протона, энергия присоединения отрицательна, так что ядра И Неустойчивы и в природе не встречаются. Особая прочность дважды магического ядра Проявляется также в том, что такие ядра испускаются при а-распаде.

Магические свойства ядер проявляются и в относительной распространенности химических элементов. Большей распространенностью обладают стабильные ядра с магическими числами Z или N по сравнению с ядрами с соседними четными значениями этих чисел.

22. Ядерные реакции

Ядерные реакции, превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, g-квантами или друг с другом. Для осуществления Я. р. необходимо сближение частиц (двух ядер, ядра и нуклона и т. д.) на расстояние ~ 10^-13 см. Энергия налетающих положительно заряженных частиц должна быть порядка или больше высоты кулоновского потенциального барьера ядер (для однозарядных частиц ~ 10 Мэв). В этом случае Я. р., как правило, осуществляются бомбардировкой веществ (мишеней) пучками ускоренных частиц. Для отрицательно заряженных и нейтральных частиц кулоновский барьер отсутствует, и Я. р. могут протекать даже при тепловых энергиях налетающих частиц.Я.р. записывают в виде: A (a, bcd) B,где А — ядро мишени, а — бомбардирующая частица, в, с, d — испускаемые частицы, В — остаточное ядро. Состав сталкивающихся частиц называется входным каналом Я. р.

23.Законы сохранения в ядерной физике

Пользуясь различными законами сохранения можно предсказать многие особенности ядерных реакций. Используются следующие точные законы 'сохранения:

1) сохранение электрического заряда;

2).сохранение полного числа нуклонов (в реакциях без образования античастиц);

3) сохранение полной энергии;

4) сохранение импульса;

5) сохранение момента количества движения;

Кроме того, используются и другие законы сохранения:

6) при пренебрежении слабыми взаимодействиями — закон сохранения четности волновой функции;

7) при пренебрежении электромагнитными взаимодействиями — закон сохранения изотопического спина.

1. Как показывает опыт, во всех без исключения ядерных реакциях суммарный электрический заряд частиц, вступающих в реакцию, равен суммарному электрическому заряду продуктов

реакции.

2. В ядерных реакциях обычного типа без образования античастиц сохраняется полное число нуклонов.Закон сохранения числа нуклонов свидетельствует, например, о том, что протон не может аннигилировать с электроном. Это определяет невозможность «аннигиляции» атома водорода и стабильность нашего мира.

3. Известно, что в изолированной системе сохраняются полная энергия и полный импульс. Систему из двух соударяющихся ядерных

24. Деление атомных ядер

Деле́ние ядра́ — процесс расщеп­ле­ния атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии вядерных реакторах и ядерном оружии. Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Поскольку удельная энергии связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением

25.Цепная ядерная реакция — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении. Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление в среде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёма вещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется только одна частица-носитель, то

цепная реакция называется неразветвлённой. Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции

26. Синтез легких ядер

Зависимость удельной энергии связи ядер от массового числа показывает, что слияние двух легких ядер также приводит к освобождению энергии. Для поддержания реакции синтеза необходима температура порядка десятков миллионов градусов. Если W > 0, то распад ядра энергетически запрещен. Но в обратном процессе - слиянии ядер X ₁ и X ₂ - энергия исходной системы должна уменьшится на величину W. Продукты синтеза приобретут кинетическую энергию W. Высвобождающаяся энергия, отнесенная к одному нуклону дейтерия, значительно больше энергетического выхода на один нуклон делящегося изотопа урана-235. Для реализации таких реакций необходимо сблизить ядра на расстояние R ~ 10-14м, затратив энергию k0 e2/R ~ 0,15 ¸0,3 МэВ, поэтому реакции остаются энергетически выгодными. Поскольку тритий очень радиоактивен, то реакция с использованием ³He более безопасна.

27. Термоядерная проблема.

Энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон, если отвлечься от ее нерегулярных колебаний, с возрастанием атомного номера сначала систематически возрастает, достигает максимума вблизи ядра железа, а затем начинает систематически убывать. Иными словами, слияние (или синтез) легких ядер и деление тяжелых приводят, как правило, к более прочной связи между нуклонами. Отсюда следует, что при делении тяжелых ядер и при синтезе легких должна освобождаться энергия.

В реакциях синтеза легких освобождается энергия, в миллионы раз превосходящая тепло, получающееся при сжигании химического топлива (уголь, нефть и пр.). Однако получение этой энергии в макроскопических количествах, к величайшему сожалению, удалось пока только для военных целей — в водородной бомбе, где реакции осуществляются с огромной скоростью и сопровождаются чудовищным взрывом.

По этой причине они совсем неуправляемы.. 28. К основным методам ре­гистрации относятся следующие: ионизационные, оптические (сцинтилляционные), химические и фотографические.
Ионизационный метод основан на регистрации эффекта ионизации, т. е. на измерении величины заряда ионов, возни­кающих под действием ионизирующего излучения. Измерить ионизационный эффект можно при помощи электрического поля, которое препятствует рекомбинации ионов и придает им направленное движение к соответствующим электродам.
Принцип работы сцинтилляционного детектора следующий: под действием излучений происходит ионизация и возбуждение атомов. При переходе атомов из ионизированных и возбужденных состояний в основное высвечивается энергия в виде вспышки света (сцинтилляции), которая может быть зарегистрирована различными способами.

29. Тяжелая заряженная частица массы М и высокой энергии взаимодействует с электрическими полями электронов и атомных ядер. Она либо ионизует, либо возбуждает атомы. Осуществляется также и чисто ядерное взаимодействие частицы с атомным ядром. За счет этих процессов энергия частицы уменьшается и ее движение замедляется. Если частица заряжена положительно, то в результате замедления она начинает энергично захватывать электроны, отбирая их от атомов окружающей среды. В результате она превращается в ион или нейтральный атом и приходит в тепловое равновесие с окружающей

средой. Такова же судьба и быстрой отрицательной частицы. Регулярное движение частицы через среду прекращается — ее путь обрывается. Из-за дальнодействующего характера кулоновских сил частица взаимодействует сразу со многими электронами атомных оболочек, которые в свою очередь воздействуют на частицу. Это воздействие

30. При прохождении через вещество гамма-кванты взаимодействуют с электронами и ядрами, в результате их интенсивность уменьшается. В области энергий до 10 МэВ наиболее существенными процессами являются фотоэффект, эффект Комптона и образование злектрон-позитронных пар. При энергии гамма-квантов больше 10 МэВ превышается порог фотоядерных реакций и в результате взаимодействия фотонов с ядрами становятся возможны реакции типа (γ,р), (γ,n), (γ,a). Сечения фотоядерных реакций в области энергий до 100 МэВ составляют 1% полного сечения взаимодействия гамма-квантов с атомом. При фотоэффекте фотон поглощается атомом и высвобождается электрон. Энергетические соотношения при этом выглядят следующим образом: Eγ=Ee+Ei

где Eγ – энергия первичного фотона Ei энергия связи электрона в атоме, Ee – кинетическая энергия вылетевшего электрона. В случае эффекта Комптона, часть энергии γ-кванта

40. Широтный эффект — зависимость интенсивности I космических лучей от геомаг­нитной ши­роты места. Сила Лоренца (e/c)[vH] перпендикулярна к магнитному полю и к скорости частицы. Если космическая частица приближается к геомагнитному полюсу, двигаясь вдоль Н, то сила Лоренца обращается в нуль. В этом случае Земли могут достигнуть частицы любой энергии. Если же частица приближается к Земле в плоскости геомагнит­ного экватора, то сила Лоренца максимальна. Она изгибает траекторию частицы. Земли могут достигнуть только частицы, энергии которых больше некоторой определенной величины. Если же энергия меньше, то частица не достигнет Земли, а отразится ее магнитным полем. Достаточно медленные частицы будут отражаться и на других геомагнитных широтах. Количественно широтный эффект характеризу­ется величиной (I_90º-I_0º)/I_90°• Измерения пока­зали, что эта величина на уровне моря состав­ляет около 10 %, а на высоте 10 км —36 %.

35. Все частицы разделяются на бозоны и фермионы. Бозонами называются частицы или квазичастицы, обладающие нулевым или целочисленным спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе- Эйнштейна (отсюда и происходит их название). К бозонам относятся: гипотетический гравитон, фотон, промежуточные векторные бозоны, глюоны, мезоны и мезонные резонансы, а также античастицы всех перечисленных частиц. Частицы или квазичастицы с полуцелым спином называются фермионами (или ферми-частицами). Для них справедлив принцип Паули, и они подчи­няются статистике Ферми-Дирака (отсюда и происходит их название). К фермионам относятся: лептоны, все барионы и барионные резонансы, кварки, а также соответствующие античастицы.

Элементарные частицы можно разделить на следующие классы:

а) Фотон (γ-квант). У фотона равны нулю все заряды, а также масса. Фотон не подвержен сильным взаимодействиям. Он является переносчиком электромагнитного взаимодействия. Фотон имеет целый спин, равный единице, т. е. является бозоном.

б) Лептоны. Лептоны — относительно легкие частицы, имеющие ненулевой лептонный заряд (L или L', или L") и нулевой барионный заряд. Лептоны также не подвержены сильным взаимодейст­виям. Все лептоны имеют полуцелый спин, т. е. являются фермионами.

в) Мезоны. Частицы с нулевыми лептонным и барионным заря­дами, участвующие в сильных взаимодействиях. Раньше объеди­няющим признаком мезонов являлось также то, что их массы имели значения, промежуточные между массами электрона и нуклона. Сейчас известны мезонные резонансы, массы которых превосходят нуклонную. Все мезоны имеют целый спин, т. е. являются бозо­нами

……………………………………………….

г) Барионы. Частицы с ненулевым барионным и нулевым леп­тонным зарядами. Самыми легкими барионами являются протон и нейтрон, так что барионы — частицы тяжелые. Все барионы имеют полуцелый спин, т. е. являются фермионами.

Мезоны и барионы имеют общее название адронов — частиц, подверженных сильным взаимодействиям. Часто для классифи­кации адронов используются странность и шарм. Адроны с нуле­выми странностью и шармом называются обычными, адроны с не­нулевой странностью — странными, с ненулевым шармом — нор­мированными.

………………………………………………..

носит случайный, хаотический характер, так что путь частицы в веществе практически прямолинеен. Прямолинейность пути связана

также с большой массой тяжелой частицы. При очень больших скоростях проявляется влияние поляризации среды, вызываемой электрическим полем частицы. Оно ослабляет или, как говорят, экранирует поле частицы, что уменьшает потери энергии последней. При нерелятивистских скоростях радиус экранирования (дебаевский радиус) превышает размеры атома.

Треки у более тяжелой частицы жирнее и короче, чем у легкой.

________________________________________

преобразуется в кинетическую энергию электронов отдачи, а часть энергии уносит рассеянный фотон. Вероятность рассеяния γ-квантов в случае эффекта Комптона зависит от плотности атомных электронов ne~Z. С увеличением энергии число рассеянных γ-квантов уменьшается. В случае эффекта образования электрон-позитронных пар энергия первичного фотона преобразуется в кинетическую энергию электрона и позитрона и в энергию аннигиляции 2m_ec². Таким образом, во всех трех процессах взаимодействия первичного фотона с веществом часть энергии преобразуется в кинетические энергии e^- b и позитронов, а часть – в энергию вторичного фотонного излучения.

________________________________________

Если бы удалось осуществить управляемые термоядерные реакции в промышленных услових, то это дало бы доступ к практически неисчерпаемым источникам энергии и избавило бы человечество от угрозы энергетического кризиса. С другой стороны, если взорвутся те огромные запасы водородных бомб, которые накоплены (и продолжают накапливаться многими странами, несмотря на окончание т.н. холодной войны), то человечество и большая часть всего живого на Земле будет уничтожено.

________________________________________

Для использования энергии этих реакций в мирных целях необходимо придать им спокойный управляемый характер. Соответст­вующая проблема называется проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС). Для осуществления самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза необходимо и достаточно соблюсти два условия: 1) Энергия, участвующих в реакции ядер, должна состав­лять не менее 10 кэВ. Чтобы пошел ядерный синтез, участвующие в реакции ядра должны попасть в поле ядерных сил, радиус действия которых 10^-12-10^-13 с.см. 2) Произведение концентрации реагирующих ядер на время удержания, в течение которого они сохраняют указанную энергию, должно быть не менее 10¹⁴ с*см-3. Это условие - так называемый критерий Лоусона - определяет предел энергетической выгодности реакции. Чтобы энергия, выделив­шаяся в реакции синтеза, хотя бы покрывала расходы E на инициирование реакции, атомные ядра должны претерпеть много столкновений.

Лучший из них состоит в преобразовании энергии света в электрический сигнал с помощью оптически связанного со сцинтиллятором фотоэлектронного умножителя

Химические методы основаны на том, что часть поглощен­ной энергии излучения переходит в химическую, что вызывает цепь химических превращений. Определение наличия излуче­ния, его интенсивности производится по выходу химических реакций.

Фотографические методы основаны на способности излу­чения разлагать AgCl или AgBr, входя­щие в состав чувствительных фотоэмульсий, до металлическо­го серебра. В результате такого взаимодействия вдоль трека альфа- и бета-частиц выделяются зерна серебра и при проявлении фотопластинки виден след пробега ядерных частиц — почернение. По характеру трека можно определить вид, интенсивность и энергию излучения.

их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом А>90. Однако, как показывает опыт, даже самые тяжёлые ядра делятся самопроизвольно с очень малой вероятностью - существует энергй барьер (барьер деления), препятствующий делению. Для описания процесса деления ядер, включая вычисление барьера деления, используется несколько моделей, но ни одна из них не позволяет объяснить процесс полностью.Спонтанное деление является делением тяжелого ядра, происходящим без внешнего возбуждения, и выдаёт такие же продукты, как и вынужденное деление: осколки и несколько нейтронов. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением числа протонов. Эта вероятность зависит от параметра: Z²/A≥45, где Z — число протонов, а A — общее число нуклонов. При приближении значения данного параметра к 45 вероятность стремится к единице - ограничение существования сверхтяжелых ядер..

отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, критическим состоянием. Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числом обрывов.

Осуществление цепной реакции деления на практике не просто; опыт показывает, что в

массе природного урана цепная реакция не возникает. Причина этого кроется в потере вторичных нейтронов; в природном уране большая часть нейтронов выходит из игры, не вызывая делений. Как выявили исследования, потеря нейтронов происходит в наиболее распространенном изотопе урана — уране-238 (23892U). Этот изотоп легко поглощает нейтроны по реакции, подобной реакции серебра с нейтронами; при этом образуется искусственно-радиоактивный изотоп 23892U. Делится же 238U с трудом и только под действием быстрых нейтронов. Более удачными для цепной реакции свойствами обладает изотоп 235U, который содержится в природном уране в количестве 0,7%. Он делится под действием нейтронов любой энергии — быстрых и медленных и тем лучше, чем меньше энергия нейтронов.

состав частиц, образующихся в результате Я. р., — выходным каналом. Я. р. — основной метод изучения структуры ядра и его свойств. Однако роль их велика и за пределами физики: реакции деления тяжёлых ядер и синтеза легчайших ядер лежат в основе ядерной энергетики. Я. р. используются как источник нейтронов, мезонов и других нестабильных частиц. С помощью Я. р. получают свыше тысячи радиоактивных нуклидов, применяемых во всех областях науки. Я. р. подчиняются законам сохранения электрического заряда, числа нуклонов, энергии и импульса. Я. р. могут протекать с выделением и с поглощением энергии Q, которая в 10⁶ раз превышает энергию, поглощаемую или выделяемую при реакциях химических. Поэтому в Я. р. можно заметить изменение масс взаимодействующих ядер. Энергия Q, выделяемая или поглощаемая при Я. р., равна разности сумм масс частиц (в энергетических единицах) до и после Я.р. ___________

частиц можно считать изолированной (замкнутой), так как остальные ядра вещества удалены на расстоянии порядка 10~8 см,

а размеры самих ядер малы 10_­­^-12см.

4. Закон сохранения импульса для реакции, сопровождающейся вылетом частицы «b» (a + A—>-b + B), имеет вид: рa + Pa = Рb + РB.

Пользуясь законами сохранения энергии и импульса, можно определить связь между угловым и энергетическим распределением продуктов реакции.

5. При ядерной реакции сохраняется суммарный момент количества движений заимодей-ствующих частиц (под частицами мы здесь понимаем также ядра — мишени и отдачи) и проекция его на выбранное направление. Перечисленные пять законов сохранения «справедливы и в ядерных превращениях типа радиоактивных распадов (α- и β-распады), а также в любых взаимодействиях между элементарными частицами

6. Закон сохранения четности выполняется только в сильных и электромагнитных взаимодействиях.

7. Опыт изучения ядерных реакций, обусловленных сильными взаимодействиями, показывает, что в них выполняется закон сохранения изотопического спина, который приводит к определенным правилам отбора по изотопическому спину. Так, например, а-частица может быть испущена ядром только в том случае, если его начальное и конечное состояния имеют одинаковые значения изотопического спина.

.

37. Для элементарных частиц выполняется гораздо больше за­конов сохранения, чем для макроскопических процессов. Все эти законы подразделяются на точные и приближенные. Точ­ные законы сохранения выполняются во всех фундаменталь­ных взаимодействиях, а приближенные — только в некоторых.

Точными являются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Точными являются и законы сохранения всех зарядов.

Установлено пять зарядов: электрический Q, барионньй В, и три лептонных. У всех элементарных частиц эти заряды имеют только целочисленные значения (заряд Q — это число единиц элементарного заряда).

Барионный заряд. Если барионам и антибарионам припи­сать барионный заряд В такой, что

а всем остальным частицам — барионный заряд В = 0, то для всех процессов с участием барионов и антибарионов суммарный барионный заряд будет сохраняться. Это и называют законом сохранения барионного заряда.

Лептонные заряды. Существуют три вида лептонных заря­дов: электронный L_e, мюонный L _μ и таонный L _τ.

С помощью лептонных зарядов легко интерпретируется уста­новленный экспериментально закон, согласно которому в зам­кнутой системе при любых процессах разность между числом лептонов и антилептонов сохраняется.

Условились считать, что

39. Космические лучи-поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов и α-частиц,изотропно падающих на границу земной атмосферы из мирового пространства(первичное излучение), а также рожденный ими путём взаимодействия с атомными ядрами атмосферы поток вторичных частиц высокой энергии сложного состава, главным образом электронов, нейтронов, гамма-квантов и нейтрино.

Существование космического излучения было доказано австрийским физиком Виктором Гессом, поднявшимся с электроскопом на воздушном шаре 7 августа 1912 г.Он обнаружил, что при подъеме на первоначальные 600 м над уровнем моря ионизация воздуха действительно убывала, хотя и медленнее, чем это ожидалось. Но начиная с высоты 600 м она стала возрастать — сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. На высоте 4800 м ионизация стала примерно в четыре раза больше, чем на уровне моря. Гесс пришел к заключению, что результаты его наблюдений лучше всего объясняются предположением, что на границу земной атмосферы из мирового пространства падает излучение очень большой проникающей способности.

Справедливость этого предположения была к концу 1926 г. доказана

Милликеном, осуществившим в 1923-1926 г. серию опытов по поглощению такого ионизующего излучения. Падающее на Землю проникающее излучение, приходящее из космоса, было названо космическими лучами.

Дальнейшие опыты с запускаемыми на высоту шарами-зондами показали, что интенсивность потока космических лучей возрастает лишь до высоты около 20 км над уровнем моря. На этой высоте она достигает максимума, а при дальнейшем подъеме снижается. Это связано с тем, что падающее на Землю космическое излучение взаимодействует с атмосферой, образуя множество вторичных частиц.

В 1929 г. советский физик Д. В. Скобельцын применил для исследования космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Метод Скобельцына сразу привел к важному открытию. Скобельцын неопровержимо доказал, что в составе космического излучения имеются заряженные частицы—электроны. Он обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы таких электронов. На его фотографиях были и следы, слабо изогнутые в противоположную электронам сторону, однако с уверенностью сказать что-либо определенное о частицах, оставивших эти следы, Скобельцын не мог.

В 1932 г. американский физик К. Андерсон ввел усовершенствование в метод Скобельцына: он применил магнитное поле, в десять раз сильнее поля, применявшегося Скобельцыным. При этом он сразу обнаружил изогнутые следы, принадлежащие отрицательно и положительно заряженным частицам: электронам и протонам, как он думал вначале.

Для всех остальных элементарных частиц лептонные заря­ды принимаются равными нулю.

Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы при распаде, например, нейтрона вместе с электроном рождалось электронное антинейтрино, так как суммарный лептонный заряд этих двух частиц равен нулю.

Для количественного описания парного рождения и медлен­ного распада странных частиц было введено квантовое число S — странность. У соответст­вующих античастиц странность одинакова по модулю, но про­тивоположна по знаку. При этом странность в сильных и электромагнитных взаи­модействиях сохраняется, а в слабых может меняться на ±1. Распады же странных частиц на обычные происходит с нарушением закона сохранения странности. Этим нарушением и объясняется медленность распада странных частиц.

Квантовые числа элементарных частиц — это внутренние характеристики частиц, определя­ющие их взаимодействия и закономерности взаимных превращений.

Аналогами квантового числа S являются также аддитивные целочисленные квантовые числа: очарование (шарм) С и красота (пре­лесть) b. Эти величины сохраняются не во всех, а только в сильных и электромагнитных взаимодействиях.