Модуль 3 Физика частиц

32.Частицы. Элементарные частицы и их классификация. Лептоны. Мезоны. Адроны.

33.Кварки и их характеристики. Кварковая модель адронов.

34.Эксперименты в области высоких энергий. Глубоконеупругое рассеяние электронов и нейтрино на протонах. Аннигиляция е^-е⁺ в адроны, двух и трехструйные события.

35.Электромагнитное взаимодействие. Гамма-квант.

36.Сильное взаимодействие. Глюоны.

37.Слабое взаимодействие. Вионы (Векторные бозоны).

38. Объединение взаимодействий. Бегущие константы связи. График зависимости констант от энергии.

39.Гравитационное взаимодействие. Гравитон.

40.Большие машины физики. Большой адронный коллайдер в ЦЕРНЕ.

41.Современные астрофизические представления. Космология. Вселенная, её характеристики, образование и эволюция.

42. Галактики. Звезды, их классификация и эволюция. Белые карлики. Красные гиганты. нейтронные звезды. Черные дыры.

43. Ядерная астрофизика. Водородный и углеродный циклы. Ядерный нуклеосинтез.

44. Первичные и вторичные космические лучи.

1) Атомная физика - раздел физики, в котором изучают строение и свойства атомов и процессы с их участием.

Атом – наименьшая частица химического элемента, способная самостоятельно существовать и проявлять его свойства. Атом состоит из ядра и электронов. Электрический заряд ядра положительный равный отрицательному заряду электронов, следовательно, атом электрически нейтрален.

Строение атома было открыто Э.Резерфордом в 1911г. в опытах по рассеянию альфа-частиц на золотой пластинке. Очень малая часть альфа-частиц (дважды ионизированные атомы гелия) летящие с громадной скоростью рассеивались под большими углами, и даже назад, налетая на положительно заряженный массивный силовой центр внутри атома. Так возникла планетарная модель атома: в центре ядро вокруг него движутся электроны.

Формула Резерфорда для дифференциального сечения рассеяния

где - элемент телесного угла «кулёк»).

Дифференциальное сечение рассеяния = число частиц падающих на кольцо /плотность потока частиц

2) Полуклассическая модель атома водорода предложенная Н.Бором основа на трех постулатах:

1.Постулат стационарных состояний: электрон в атоме находится в состояниях в которых он не излучает. спектр энергий атома дискретный. где главное квантовое число.

2.Условие частот: электрон в атоме, переходя из одного стационарного состояния в другое состояние , излучает (или поглощает) квант электромагнитной энергии

3.Правило квантования орбит: момент импульса электрона в стационарном состоянии при движении по орбите квантован

Кулоновская сила, действующая между электроном и ядром атома водорода (протоном) равна центростремительной силе

Радиус первой боровской орбиты электрона в атоме водорода

Уровни энергии электрона в атоме водорода

3)

Сериальная формула Бальмера-Ридберга для спектров излучения атома водорода

; где

-серия Бальмера (видимый свет).

-нумерует серию, -нумерует линию в данной серии

4) Квантовая (волновая механика) - теория описывающая движение микрочастиц (молекул, атомов, ядер) и их систем.

Корпускулярно-волновой дуализм - всеобщее и универсальное свойство материи: любой волне соответствует частица и любой частице соответствует волна.

Энергия частицы ,где - частота волны, импульс частицы где -волновой вектор, длина волны вероятности де Бройля .

В квантовой механике нет понятия «траектория частицы» вследствие с оотношения неопределенности Гейзенберга:

,

,

.

Т.е. невозможно одновременно локализовать микрочастицу и фиксировать её импульс

Комплексная волновая функция описывает состояние квантовой системы в пространстве и времени.

Вероятность обнаружить частицу в объеме определяется по формуле

Условие нормировки .

5) Уравнения Шредингера

Временно’е уравнение Шредингера описывает эволюцию квантовой системы

Где

Стационарное уравнение Шредингера описывает поведение частицы находящейся в заданном силовом поле

- оператор Лапласа

6)

Движение свободной частицы вдоль оси х с импульсом

Уравнение Шредингера .

Его решение , энергия частицы . Спектр энергии непрерывен, (волновая функция осциллирует), вероятность нахождения частицы в любой точке оси единица.

7) Движение свободной частицы с энергией через одномерный потенциальный прямоугольный барьер конечной ширины и высоты .

Уравнения Шредингера , область 1 до барьера

, область 2 барьер

, область3 после барьера

При падении на барьер волновая функция осциллирует, частично отражается, частично проходит внутрь барьера. Внутри барьера волновая функция ослабляется по экспоненте . При выходе из барьера снова осциллирует . Таким образом, существует неравная нулю вероятность прохождения потенциального барьера. Она характеризуется коэффициентом прозрачности прямоугольного барьера

8) Уровни энергии соответствуют формуле бора

Волновая функция зависит от трех квантовых чисел

где -сферические гармоники

9) Принцип Паули: В каждом квантовом состоянии может находится только один электрон.

Состояние электрона в атоме полностью определяется четыремя квантовыми числами

Квантовое состояние-это любое возможное состояние в котором может находится квантовая система.

Заполнение квантовых состояний электронами происходит в соответствие с принципом минимума энергии и принципом Паули. При этом электроны заполняют низшие энергетические состояния группируясь в электронные оболочки () от ядра наружу. Число электронов в оболочках

равно . Оболочки состоят из подоболочек:

; …

Так объясняется периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева.

10)

Молекула –наименьшая частица вещества обладающая его свойствами и состоящая из атомов соединенных химическими связями.

Образование молекулы водорода. В первом приближении можно считать ядра атомов неподвижными и рассматмимиривать только движение двух электронов. Если спины электронов антипараллельны то спин молекулы если параллельны то Энергия взаимодействия двух электронов

-электростатическая энергия взаимодействия

-обменная энергия (обмен электронами между состояниями)

Два атома водорода с антипараллельными спинами притягиваются образуют гомополярную молекулу водорода.

Два атома водорода с параллельными спинами отталкиваются. График потенциальной энергии взаимодействия атомов водорода в зависимости от расстояния между электронами приведен на рис.6

Рис6 Энергия взаимодействия двух атомов водорода для триплетного и синглетного состояний. В синглетном состоянии образуется устойчивая молекула водорода (нижняя кривая)

11 ) Молекулярные спектры

Полная энергия молекулы может быть представлена в виде суммы квантованных значений энергии соответствующим трем видам её внутренних движений: электронов, колебаний атомов в молекуле. Вращению молекулы как целого.

Молекулярные спектры возникают при квантовых переходах между уровнями энергии молекулы где -квант испускаемого фотона частоты .

Колебательные уровни энергии

где колебательное квантовое число

Вращательные уровни энергии

где вращательное квантовое число, -вращательная постоянная, -момент инерции молекулы.

Электронные молекулярные спектры лежат в видимой и ультрафиолетовой части спектра(УФ),

Колебательные спектры – в инфракрасном диапазоне(ИК)

Вращательные спектры – в микроволновом диапазоне (СВЧ).

12) Электрон в периодическом поле кристаллической решетки. Уравнение Шредингера, волновая функция, спектр энергий.

Взаимодействие атомов приводит не только к образованию молекул.но и к макроскопическим твердым телам и жидкостям. Кристалл характеризуется дальним порядком - регулярным расположением атомов в кристаллической решетке. Кристалл обладает колебательными уровнями энергии и также электронными уровнями. Электроны во внутренних замкнутых оболочках атомов прочно связаны со своими ядрами. Электроны во внешних незамкнутых оболочках атомов могут быть свободно перемещаются по кристаллу. Тогда говорят, что они коллективизированы по кристаллу. Эти электроны называются электронами проводимости. Считаем, что они не взаимодействуют друг с другом. Поэтому можно рассматривать движение одного электрона в периодическом электрическом кристаллическом поле решетки.

Уравнение Шредингера принимает вид

Условие периодичности для потенциала

где -произвольный период решетки.

Тогда волновая функция имеет следующую структуру

Энергия электрона

Где - дискретное число.

Волновой вектор электрона определен с точность до периода обратной решетки . Так как где -импульс по оси Х. получаем где .

Электронное состояние распадается на группы (зоны), которые нумеруются числами : , ,

Каждая зона содержит N уровней (равных числу атомов), которые характеризуются различными значениями .

Эти зоны допустимых значений энергии отделены запрещенными областями энергии, которые недопустимы для электрона.

13)

Зонная теория объясняет электрическую проводимость металлов, диэлектриков и полупроводников.

Зонная диаграмма –это графическая диаграмма распределения уровней энергии кристалла. Она состоит из зоны проводимости заполненной электронами остова, запрещенной зоны («энергетическая щель»в спектре энергий)где нет разрешенных уровней энергии, зоны проводимости состоящей из уровней энергии для коллективизированных электронов. См. рис.8 Зонные диаграммы металлов. полупроводников, и диэлектриков. Рис.9 Распределение электронного заряда в твердых телах.

Рис8 Зонные диаграммы металлов. полупроводников, и диэлектриков.

15) Капельная модель ядра предложена Бором и Вейцзейкером (1935г) относится к 1 группе. Ядро представляется в виде капли заряженной жидкости громадной плотности.

Поскольку для всех ядер радиус ядра R = r₀ A ^1/3, масса ядра , объем сферического ядра то

концентрация нуклонов

нукл / см ³, (1.12)

плотность ядерного вещества

г / см ³, (1.13)

среднее расстояние между нуклонами

см. (1.14)

Пространственные размеры нуклона r_N~ 0,45 10^-13 см. Сравнивая его с средним расстоянием между нуклонами находим, что нуклоны заполняют 2% объема всего ядра. Поэтому нуклоны сохраняют свои свойства, несмотря на насыщение ядерных сил.

Полуэмпирическая формула для энергии связи ядра Е_св=

первое слагаемое в формуле (1.15) это энергия пропорциональная объему ядра V~R³~A.; второе слагаемое – это энергия поверхностных нуклонов ядра S~R²~A^2/3,третье слагаемое – кулоновская энергия отталкивания протонов ядра Z²/R~ Z²/A^1/3. Слагаемые, которые не объясняются капельной моделью: четвертое слагаемое – энергия симметрии ~ (N - Z)²/ A относительной мере отклонения от равенства протонов и нейтронов в ядре; пятое слагаемое – энергия парных корреляций между одноименными нуклонами

Модель ядерного ферми газа слайд4

Движение нуклонов(фермионов) происходит в поле усредненной потенциальной яме с шириной радиуса ядра

Максимальная скорость нуклона в ядре , где с = 3 10⁸ м/с –скорость света.

Максимальная кинетическая энергия нуклона Мэв.

Средняя энергия связи нуклона в ядре ~ 8 Мэв

Таким образом, оценка глубины потенциальной ямы для нуклонов в ядре в модели ядерного ферми- газа U₀ = 32+8 = 40 Мэв.

Оболочечная модель ядра слайд5

Ядро как систему нуклонов, движущихся независимо в потенциальном поле, создаваемом другими нуклонами.

В ядрах, как правило, осуществляется сильная j- j связь: орбитальный момент l и спин s векторно складываются в полный угловой момент нуклона j= l+ s, а векторы моментов отдельных нуклонов складываются в полный угловой момент ядра I.

Состояние нуклона в сферическом ядре полностью характеризуется четырьмя квантовыми числами (n,l,j,m).

Главное квантовое числоn =1,2,3,... нумерует уровни энергии Е,

орбитальное квантовое числоl =0,1,2,3,… n -1 нумерует орбитальный момент l,

квантовое числоj = l нумерует полный угловой момент нуклона j,

квантовое число (всего 2j+1 значение) нумерует проекцию полного углового момента на ось квантования. Согласно одночастичной модели ядра нуклоны данного сорта (протоны и нейтроны) заполняют j - уровень (свою подоболочку) согласно принципу минимума энергии и принципу Паули (в каждом квантовом состоянии один нуклон).

16) Свойства ядерных сил слайд6

1.Ядерные силы между нуклонами короткодействующие. R_вз= см

2.Ядерные силы являются силами притяжения и на расстояниях в 1 ферми в раз больше кулоновских сил отталкивания протонов в ядре.

3.Ядерные силы имеют нецентральный (тензорный) характер, т.е. зависят от взаимного расположения нуклонов.

4.Потенциал ядерных сил зависит от взаимной ориентации спинов взаимодействующих частиц

5. Ядерные силы обладают свойством насыщения

6.Ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости (изотопической инвариантности).

7.Ядерные силы имеют обменный характер. Нуклоны взаимодействуя обмениваются координатами, спинами. и зарядами. π-мезон является квантом ядерного взаимодействия при низких энергиях.

8.Большая интенсивность и отталкивательный характер ядерных сил при очень малых расстояниях () следует из наличия внутри нуклонов массивных заряженных частиц (кварков).

Дейтрон - стабильное связанное состояние протона и нейтрона, ядро изотопа водорода атома дейтерия. Обозначается или . В системах нейтрон-нейтрон, протон-протон связанных состояний нетп. Основные свойства: масса М = 2,0135 а.е.м., спин =1, изоспин Т=0, энергия связи E_св=2,24579 Мэв, магнитный момент μ = 0,8574 μ_B, электрический квадрупольный момент Q =2,859 10^-27 см ². среднеквадратичный радиус =1,963 10 ^-13 см. Четность дейтрона положительна .Нуклоны в дейтроне находятся в триплетном состоянии .

Дейтрон в первом приближении является сферически симметричным ядром, если принять потенциальную энергии в виде потенциала Саксона – Вудса (потенциальная яма с плоским дном и размытым краем)

, где , δ = 0,55 Фм. (1.18)

Энергия связи 2,25 Мэв дает уровень энергии лежащий высоко над дном потенциальной ямы. Условием существования связанного состояния в прямоугольной потенциальной яме является неравенство Мэв см², при см и E_св =2,25 Мэв, глубина потенциальной ямы дейтрона Мэв. Дейтрон возбужденных состояний не имеет..

17) Радиоактивность –свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав путем испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов.

Радиоактивный распад может происходить, если данное превращение ядра энергетически выгодно,

Основные типы радиоактивности приведены в табл.1.1.

Табл. 1.1

Тип радиоактивности	Вылет. часмтица	Ядерная реакция	Характеристика процесса
Альфа-распад	α-частица		Альфа-частица это ядро атома гелия: два протона+ два нейтрона
-бета-распад +бета-распад	β--частица β+-частица		β -- частица это ядерный электрон β+-частица это ядерный позитрон
Гамма-излучение	γ-квант		Вылет гамма-кванта из возбужденного ядра
Протонная радиоактивность	(p)-протон		Вылет из ядра протона, происходит редко
Спонтанное деление ядер	-ядро -ядро		Деление ядра на два осколка приблизительно одинаковые по массе и заряду
Фрагментная радиоактивность	, ,		Вылет из ядра фрагмента в виде ядра углерода, или ядра неона, или ядра магния.

Альфа-распад –испускание атомным ядром, находящимся в основном (невозбужденном) состоянии α-частиц (ядер гелия ).

Основными характеристики период полураспада T _1/2, кинетическая энергия T_α и пробег в веществе R_α α-частицы в веществе.

Основные свойства альфа- распада

1.Альфа- распад наблюдается только у тяжелых ядер. Известно около 300 α-радиоактивных ядер

2.Период полураспада α-активных ядер лежит в громадном интервале от

10¹⁷ лет ()

и определяется законом Гейгера-Неттола

. (1.32)

например, для Z=84 постоянные A = 128,8 и B = - 50,15, T_α – кинетическая энергия α-частицы в Мэв

3.Энергии α-частиц радиоактивных ядер заключены в пределах

(Мэв)

T_{α min}= 1,83 Мэв (), T _αmax = 11,65 Мэв ^{(изомер}

4.Наблюдается тонкая структура α-спектров радиоактивных ядер. Эти спектры дискретные. На рис.1.5. приведена схема распада ядра плутония. Спектр α -частиц состоит из ряда моноэнергетических линий, соответствующих переходам на различные уровни дочернего ядра.

6.Пробег α –частицы в воздухе при нормальных условиях

R_α(см) = 0,31 T_α^3/2 Мэв при (4< T _α<7 Мэв) (1.33)

7.Общая схема реакции α-распада

где -материнское ядро, - дочернее ядро

Энергия связи α-частицы в ядре должна быть меньше нуля, чтобы α-распад состоялся.

Е_{св α} = <0 (1.34)

Энергия выделившейся при α-распаде E _α состоит из кинетической энергии α –частицы T _α и кинетической энергии дочернего ядра T_я

E_α =| Е_{св α} | = T_α +T_я (1.35)

Кинетическая энергия α –частицы больше 98% всей энергии α-распада

Бета-распадом ядра называется процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобар в результате испускания электрона (позитрона) или захвата электрона. Известно около 900 бета-радиоактивных ядер.

электронном β^--распаде один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино.

распад свободного нейтрона , Т_1/2=10,7 мин;

распад трития , Т_1/2= 12 лет.

При позитронном β⁺-распаде один из протонов ядра превращается в нейтрон с испусканием положительно заряженного электрона (позитрона) и электронного нейтрино

В случае электронного е-захвата ядро захватывает электрон с электронной оболочки (чаще К-оболочки) собственного атома.

Энергия β^--распада лежит в интервале

()0,02 Мэв < Е _β< 13,4 Мэв ().

Спектр испускаемых β-частиц непрерывен от нуля до максимального значения. Формулы для вычисления максимальной энергии бета-распадов:

, (1.42)

, (1.43)

. (1.44)

где - масса материнского ядра, - масса дочернего ядра. m_e –масса электрона.

Период полураспада Т_1/2 связан с вероятностью бета- распада соотношением

Вероятность бета-распада сильно зависит от энергии бета-распада ( ~ E_β ⁵ при E_β >> m_ec ²) поэтому период полураспада Т_1/2 меняется в широких пределах

10^-2 сек < Т_1/2 < 2 10¹⁵ лет

Бета-распад возникает в результате слабого взаимодействия- одного их фундаментальных взаимодействий.

18) Гамма-излучение возбужденных ядер и его характеристики слайд 14

Гамма-излучение ядер –коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны меньшей размера атома и большей размера ядра: 5 10 ^-14 м ≤ λ ≤ 2 10^-10 м. Энергия гамма-квантов лежит в интервале 10 Кэв ≤ E _γ ≤20 Мэв.

Рис.1.8 Схема -распада ядра йода . Три каскадных перехода возбужденного ядра в основное состояние сопровождаются излучением трех гамма-квантов с энергиями 0,7 Мэв, 0,66 Мэв, 0,54 Мэв соответственно.

Ядро переходит с возбужденного энергетического уровня на основной уровень(одноквантовый переход). Этот радиационный переход может быть каскадным, когда снятие возбуждения происходит путем последовательного испускания кванта с промежуточных уровней энергии. Спектр γ-излучения представляют в виде распределения γ-квантов по энергиям. Энергетический спектр ядра содержит дискретную и непрерывную компоненты.

При излучении γ-кванта возбужденное ядро испытывает отдачу. Из закона сохранения импульса импульс γ-кванта ране импульсу ядра:

p_γ = P_я.

Согласно закону сохранения энергии: разность между двумя уровнями энергии E ₀ равна энергии гамма-кванта E _γ и кинетической энергии ядра T _я при отдаче:

E ₀ = E _γ + T _я (1.46)

Кинетическая энергия ядра отдачи

Т _я = Р _я²/2 М _я = p_γ ²/2 М _я = E ₀²/2 М _я с ²≈ E _γ ²/2 М _я с ² (1.47)

мала по сравнению с энергией гамма-кванта, который уносит почти всю энергию возбуждения ядра.

Эффект Мёссбауэра (ядерный гамма-резонанс).слайд 15

Ядерный γ-резонанс –испускание или поглощение γ-квантов атомными ядрами в твердом теле, без изменения колебательной энергии тела (Р. Мёссбауэр, 1958 г). Мёссбауэровские переходы наблюдаются у 73 изотопов 41 элемента.

При испускании или поглощении γ-кванта свободное неподвижное ядро приобретает импульс Р = Е _γ / с, где Е _γ –энергия γ-кванта. Энергия поступательного движения свободного ядра Т_я = Р ²/2 = E ₀²/2 М _я с ². Линии испускания и поглощения γ-квантов атомными ядрами в газах отличаются на величину 2 Т, и становятся широкими за счет теплового движения и эффекта Доплера.

Энергия отдачи закрепленного ядра Т_я уменьшается практически до нуля. Число соседних атомов N~10⁸. Доплеровская ширина γ –линий Δ =2(Т_яk_BT)^1/2 при температуре Т =77К, также уменьшается. Остается естественная ширина линии Г = ћ/τ.

Спектрометр для наблюдения эффекта Мёссбауэра состоял из источника γ-квантов, резонансного поглотителя и детектора γ-квантов. Источнику γ-квантов - изотопу иридия в возбужденном состоянии () сообщается скорость v относительно поглотителя. Энергия γ-квантов (Е _γ = 129 кэв) за счет эффекта Доплера меняется на величину Δ Е _γ= E ₀ v / c. Скорости в интервале 0,1÷10 см приводят к смещению линии на величину Г.. Поглотитель (Иридий) содержит те же ядра, что и источник, но в основном состоянии. Детектор γ-квантов считает число γ-квантов в единицу времени в зависимости от скорости источника. Если скорость источника велика, линия испускания далеко от линии поглощения и число регистрируемых γ-квантов постоянно. При малых скоростях источника линия источника проходит через линию поглощения, число регистрируемых γ-квантов падает, наблюдается резонансное поглощение. Таким образом, плавно меняя скорость, определяют местоположение и форму мёссбауэровской линии.

19) Ядерная реакция – процесс взаимодействия ядра и налетающей частицы, приводящий к преобразованию ядра и вылету из него других частиц. Это основной метод изучения структуры ядра, получения новых изотопов и элементов.

В левой части вступающие в реакцию частицы и ядра, в правой – продукты реакции. частицы обозначаются маленькими буквами, ядра-нуклиды большими буквами.

(1.50)

где a -налетающая частица, A - ядро-мишень, B -ядро дочернее, b - вылетающая частица. Сокращенная запись этой реакции A (a, b) B или (a, b). Входной канал ядерной реакции –сталкивающиеся ядра и частицы A+a. Выходной канал - ядра и частицы B+b, рождающиеся после взаимодействия. Выходных каналов может быть не один, а множество, каждый с различной вероятностью. Между входным каналом и выходным ставиться стрелка или знак равенства.

Энергией ядерной реакции называется разность энергий покоя входного и выходного канала или (обратите внимание!) разность кинетических энергий выходного канала и входного канала

. (1.57)

Если Q >0, E ₀₁> E ₀₂, T ₁< T ₂ то ядерная реакция экзоэнергетическая, происходит с выделением энергии, кинетическая энергия налетающей частицы любая.

Если Q <0, E ₀₁< E _02, T ₁> T ₂ то ядерная реакция эндоэнергетическая, идет с поглощением энергии. Реакция происходит только при кинетической энергии налетающей частицы выше порогового значения.

Если Q =0, E ₀₁= E ₀₂, T ₁= T _2, то это реакция упругого рассеяния.

Деление ядер - ядерная реакция, при которой образуется два (реже три) ядра-осколка. Процесс сопровождается вылетом вторичных нейтронов, квантов и выделением значительного количества энергии.

20) Ядерные цепные реакции деления тяжелых ядер нейтронами - это ядерные реакции в которых число нейтронов возрастает и возникает самоподдерживающийся процесс деления ядер вещества. Химические и ядерные разветвленные цепные реакции всегда экзотермические. Цепная реакция деления осуществима практически на трех изотопах , и возможна только потому, что при делении ядра первичным нейтроном вылетает больше двух вторичных нейтронов в выходном канале.

Коэффициент размноженияК – основная характеристика развития ядерной цепной реакции.

, (1.88)

где N_i - число нейтронов возникших в i -звене, N_{i- 1} -число нейтронов возникших в (i -1) –звене.

Коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде (формула четырех сомножителей)

1. - среднее число быстрых нейтронов деления, испущенных в результате захвата одного теплового нейтрона веществом ядерного горючего ( + ).

2 ε- коэффициент размножения на быстрых нейтронах.

3 р - вероятность быстрому нейтрону избежать радиационного захвата.

4. f - коэффициент теплового использования.

21)

Термоядерные реакции – реакции слияния (синтеза) легких атомных ядер в боле тяжелые, происходящие при очень высоких температурах (более 10⁸ К).Термоядерные реакции это процесс образования плотно упакованных ядер из более рыхлых легких ядер. Это экзоэнергетические реакции, идущие с выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению полной энергии связи

Термоядерный взрыв

Искусственная термоядерная реакция реализуется в земных условиях в неуправляемом режиме в термоядерном (водородном) устройстве, где температура > 10⁷ K создается взрывам плутониевого или уранового детонатора. Вещество дейтерид -гидрид лития.

22) Заряженные частицы, проходя через вещество, взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов. Это взаимодействие электромагнитное. При скоростях частиц v 10⁶ м/с заряженные частицы теряют энергии в основном за счет неупругих столкновений. В этих столкновениях энергия теряется малыми порциями вещество (~10 эв). Траектория тяжелой заряженной частицы в веществе практически прямолинейная. Основными характеристиками тяжелых заряженных частиц при прохождении в веществе являются потери энергии и полный пробег до остановки.

Общие электромагнитные потери энергии заряженных частиц состоят из ионизационных потерь, радиационных потерь, потерь на излучение Вавилова-Черенкова и переходное излучение.

24) При прохождении нейтронов в веществе нейтрон не взаимодействует с электронами, кроме рассеяния нейтронных волн на магнитных моментах атомов вещества. Нейтрон взаимодействуя с ядром может поглотиться, размножиться или рассеяться. В макроскопическом масштабе нейтронный поток частично поглощается, а рассеяние приводит к замедлению нейтронов и к их диффузии.

Пусть пучок моноэнергетических нейтронов с начальной плотностью I [ нейтрон/см² сек] падает на пластину вещества толщиной x [ см ].

В слое происходит поглощение нейтронов, и она уменьшается на величину

Разделяя переменные и интегрируя получаем

используя формулу получаем закон экспоненциального ослабления пучка нейтронов

(1.127)

где n [ частица/см³ ]- концентрация ядер, σ[ барн=10^-24см² ] - микроскопическое сечение поглощения нейтронов, [ см ^-1] - макроскопическое сечение.

25) Способом исследования ядер и элементарных частиц, является изучение распадов ядер, частиц и осуществление столкновений частиц и ядер, с последующей регистрацией вылетающих частиц. Для столкновений необходимо 1.Создавать пучки частиц высоких энергий, 2.приготовлять мишени с ядрами или частицами. 3.регистрировать требуемые характеристики частиц.

Мишени состоят из ядер и частиц, которые достаточно долго живут и входят в состав макротел. Чисто нейтронных мишеней нет. Мишени бывают твердые, жидкие и газообразные. Например, газовая струя тоже мишень.

К источникам элементарных частиц и ядер относятся

-Естественные радиоактивные препараты являются источниками α-частиц, β-частиц, электронов, позитронов, γ-квантов. нейтронов.

-Ускорители –источники заряженных частиц и ядер.

-Ядерные реакторы – мощные источники нейтронов и γ-квантов

-Космические лучи.

26) Детекторы - приборы для регистрации частиц. Действие детекторов основано на на различных процессах взаимодействия частиц с веществом. Основные процессы, котроые вызываются заряженными частицами: Ионизация, возбуждение атомов и молекул, возбуждение черенковского излучения, возбуждение переходного излучения релятивисткой частицы при переходе её через границы двух сред с различными диэлектрическими проницаемостями и .

Нейтральные частицы (нейтроны, -мезоны, -кванты и др.) образуют вторичные заряженные частицы. Например, -кванты образуют электроны в фотоэффекте и Комптон-эффекте, или рождают электрон-позитронные пары. Быстрые нейтроны регистрируются по заряженным продуктам ядерных реакций - ядрам, протонам, мезонам. Медленные нейтроны регистрируются по -излучению ядер, которые их захватывают.

Детекторы делятся на два класса- трековые детекторы и электронные детекторы. В трековых детекторах прохождение заряженной частицы регистрируется в виде пространственной картины следа (трека) этой частицы в веществе детектора. Картина фотографируется, и регистрируется электронными устройствами. В электронных детекторах прохождение частицы вызывает появление электронного импульса, который. используется для регистрации и управления различными процессами.

Основными характеристиками детекторов являются:

1. Эффективность (вероятность регистрации частицы при попадании в рабочий объем детектора). Эффективность = число зарегистрированных частиц / полное число частиц пролетевших через детектор.

2. Пространственное разрешение (точность локализации места прохождения частицы)измеряется в см.

3. Временное разрешение - минимальное время между прохождением двух частиц, которые регистрируются как отдельные события, измеряется в сек.

4. Мертвое время - интервал времени после регистрации частицы, в течении которого детектор остается не чувствительным.

5. Разрешающая способность по энергии.

6. Уровень шумов.

ЯДЕРНЫЕ ФОТОЭМУЛЬСИИ

– это фотоэмульсии, используемые для регистрации треков заряженных частиц. При исследовании частиц высоких энергий эти фотоэмульсии укладываются в стопки из нескольких сотен слоев. Пролетающая через них заряженная частица возбуждает встретившиеся на пути атомы, приводя к образованию в фотоэмульсии скрытого изображения. После проявления трек становится видимым. Благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсий треки получаются короткими. Так, например, в типичной фотоэмульсии α-частицы с энергией 55 МВ оставляют трек длиной около 1 мм. Поэтому следы, оставляемые в фотоэмульсиях, наблюдают с помощью микроскопов, дающих увеличение от 200 до 2000 раз.

Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).

Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. ИзобретенаА. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.).

28) Ядерный реактор- устройство, в котором осуществляется управляемая ядерная цепная реакция деления, сопровождающаяся выделением энергии. В соответствии с типом цепной реакции различают ядерные реакторы на медленных (тепловых), промежуточных и быстрых нейтронах. Основными частями любого ядерного реактора являются: активная зона, отражатель нейтронов, теплоноситель, система регулирования цепной реакции деления, радиационная защита, другие конструктивные элементы, пульт дистанционного управления.

Управление ядерным реактором осуществляется путем регулирования числа нейтронов в реакторе. Без запаздывающих нейтронов число мгновенных нейтронов в цепной ядерной реакции возрастает по экспоненте

(3.1)

где период реактора – время, в течение которого число нейтронов возрастает в е=2,73 раза, - коэффициент размножения нейтронов.

Ядерная авария -авария, связанная с повреждением ТВЭлов ядерного реактора и с аварийным облучением персонала, вызванная: нарушением контроля и управления ядерной реакцией в активной зоне; образованием критической массы при пергрузке, транспортировке и хранению ТВЭлов; нарушением теплоотвода от ТВЭлов.

-аварии с потерей теплоносителя

-аварии связанные с воддом избыточеной реактивности и принудительной уменьшением расхода теплоносителя.

29) Дозиметрия -раздел прикладной ядерной физики, в которой рассматриваются физические величины, характеризующие распределение ионизирующего излучения и его взаимодействие с веществом. Дозиметрические величины устанавливают связь между измеряемой физической величиной и величиной радиационного эффекта в веществе.

Во всех случаях взаимодействия излучения с веществом происходит преобразование энергии излучения в другие виды энергии. Радиоактивные частицы взаимодействуют с ядрами, электронами. атомами и молекулами. Первопричиной радиационных эффектов является поглощенная энергия.

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц – отношение числа ионизирующих частиц проникающих в объём элементарной сферы к площади поперечного сечения этой сферы

[ част/см² ]

Экспозиционная доза (доза облучения) –отношение суммарного заряда всех ионов одного знака созданных в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов, которые были образованы фотонами в малом объёме воздуха, деленный на массу воздуха в этом объёме:

[ Кл/кг ]

Поглощенная доза излучения – средняя энергия ионизирующего излучения поглощенная элементарным вещества, деленная на единицу массы вещества в этом объёме:

[ Дж/кг ] (3.10)

В системе СИ 1 Грей =1 Дж/кг = 100 рад = 100 эрг/г

При расчете поглощенной дозы принимается следующий состав мягкой биологической ткани: 76,2% кислорода, 11,15 углерода, 10,15 водорода, 2,6% азота (по массе). Тканевая молекула живого организма . В условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощенная доза в воздухе 0,873 рад, в ткани человека 0,96 рад.

Эквивалентная доза - поглощенная доза излучения умноженная на средний коэффициент качества излучения для биологической ткани стандартного состава

(3.11)

[ H ]=1 Зиверт = 100 бэр (внесистемная единица бэр -биологический эквивалент рентгена).

Эквивалентная доза используется в радиационной безопасности для учета вредных эффектов при хроническом облучении человека малыми дозами не превышающими 250 мЗвв год (5 предельно допустимых доз в год). Эквивалентную дозу нельзя использовать для оценки последствий аварийного облучения человека. Не существует приборов, измеряющих поглощенную и экивалентную дозы. Их можно только рассчитать.

30)

Энергия заряженных частиц, -квантов, и нейторонов в основном тратится на ионизацию и возбуждение атомов. Ионизации в конечном счете ведет к нагреванию вещества и не вызывает в нем необратимых изменений. Однако заметная доля энергии потока частиц затрачивается на необратимое изменение структуры вещества, которое называется радиационным повреждением.

Радиационные дефекты - устойчивые нарушения правильного расположения атомов или ионов в узлах кристаллической решетки при облучении потоками микрочастиц.

Химическое действие ядерных излучений

Ядерные излучения могут вызвать в веществах различные химические реакции. Радиационная химия –раздел химии, которая изучает химические процессы происходящие под действием ионизирующих излучений. Механизм радиационно-химических реакций следующий: Поток частиц вызывает в среде возбуждение, ионизацию и диссоциацию молекул. Возникшие возбужденные молекулы и ионы вступают в химическую реакцию непосредственно или через образование свободных радикалов. Энергия ядерных излучений ~ Мэв >>энергии потенциальных барьеров и химических связей 1-10 эв. Ядерные излучения образуют химически высокоактивные ионы и радикалы, и осуществляют сильно эндотермические химические реакции с высоким активационным барьером.

31) Защита – материалы, располагаемые между источником излучения и зоной размещения персонала или оборудования для ослабления поток ионизирующих излучений. Защита должна обеспечивать: а) допустимый уровень облучения персонала, обслуживающего установку, (биологическая защита), б) допустимый уровень радиационных повреждений конструкционных и защитных материалов (радиационная защита), в) допустимый уровень радиационного энерговыделения и температурного распределения в конструкционных защитных материалах. (тепловая защита).

Защита от внешних потоков альфа-частиц

-частицы -ядра атома гелия () и легкие -частицы () испускаются тяжелыми ядрами. энергия -частиц лежит в пределах от 4 до 10 Мэв, кроме длиннопробежных. Основные потери энергии ионизациооные. Пробег в воздухе больше 10 см, в веществе доли миллиметра. -излучение обладает очень малой проникающей способностью, но большой ионизирующей способностью. Коэффициент качества -излучения 20. -частицы опасны при внутренним облучении.

Защита от внешнего -облучения: слой воздуха 10 см, тонкая алюминевая фольга. лист пластика или стекла, хирургические перчатки, одежда полностью экранируют -излучение.

Защита от внешних потоков -частиц

Толщина защиты от -излучения должна быть более максимальной длины свободного пробега -частиц в веществе защиты.

_защиты =2

Гамма излучение обладает большой проникающей способностью. При измерениях полей -излучения в реальных условиях наряду с нерассеянным излучением регистрируют многократнорассеянные в среде -кванты. Толщина защиты вычисляется по количеству слоев половинного ослабления вещества защиты, необходимых для уменьшения мощности дозы облучения до значений близких к допустимым.. Защита от -излучения: воздух десятки метров, вода метры, железо десятки см, свинец-миллиметры- сантиметры.

Защита от нейтронного излучения

При проектировании защиты от нейтронного излучения необходимо:

1.Замедлить быстрые нейтроны промежуточными процессами упругого и неупругого рассеяния легкими водородсодержащими веществами (вода,парафин, полиэтилен. гидриды металлов, бетон, графит, карбид бора), так как средняя потеря энергии при упругом рассеянии на легких ядрах максимальна.

2.Замедлить быстрые нейтроны в процессе неупругого рассеяния на тяжелых ядрах, так как сечение неупругого рассеяния нейтронов возрастает на тяжелых ядрах с увеличением энергии нейтрона. Тяжелые элементы (железо, свинец, молибден, вольфрам и титан) необходимы также для снижения потоков вторичного -излучения внутри защиты, возникающего при радиационном захвате нейтронов.

3.Обеспечить быстрое поглощение тепловых и медленных нейтронов эффективными поглотителями с высоким эффективным сечением поглощения тепловых нейтронов (бор, кадмий, гадолиний.). При поглощении теплового нейтрона ядром водорода возникает -квант с энергией 2,2 Мэв, а при поглощении ядром кадмия одного нейтрона возникает ~ 10 -квантов.

32) Элементарные частицы - большая группа мельчайших частиц не являющихся атомами или атомными ядрами. Их более 350 штук на 1980 г и продолжает увеличиваться. Основные свойства:

1.Исключительно малые размеры и масса – размер протона ~ 0,8 10^{-13 см} , размер электрона < 10^{-16 см} ; масса протона =1836 масс электрона.

2.Способность рождаться и уничтожаться при с помощью сильного, электромагнитного, или слабого взаимодействий между ними.

3.Элементарные частицы разделяются на классы лептонов (легкие), адронов (сильные) и калибровочных бозонов.

Характеристики элементарных частиц: Масса m, время жизни τ, спин I, изотопический спин Т и его проекция Т₃, электрический заряд Q и другие наборы дискретных значений физических величин. По времени жизни они делятся на стабильные частицы (τ>10²² лет -электрон, τ>10²² лет -протон), квазистабильные частицы (τ>10 ^-20 сек), которые распадаются за счет электромагнитного и слабого взаимодействий и резонансы (τ~10^-22 ÷10^-24 сек), которые характеризуются шириной резонанса .

Нестрогие квантовые числа элементарных частиц сохраняются только при определенных взаимодействиях. К ним относятся: изотопический спин Т, гиперзаряд , пространственная четность <