15. Физика атомного ядра и элементарных частиц

Обозначение ядра

где – порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева (число протонов в ядре); – массовое число (число нуклонов в ядре).

Число нейтронов в ядре

Закон радиоактивного распада

где – число нераспавшихся ядер в момент времени – число нераспавшихся ядер в момент времени, принятый за начальный; – постоянная радиоактивного распада.

Период полураспада

Среднее время жизни радиоактивного ядра

Активность радиоактивного препарата

где – активность изотопа в начальный момент времени.

Дефект массы атомного ядра

где , – масса нейтрона и протона, – масса ядра.

Энергия связи ядра

Удельная энергия связи ядра

Энергия ядерной реакции

где и – масса покоя ядра мишени и бомбардирующей частицы; и  – масса покоя ядер продуктов реакции. Если то энергия освобождается. Если то энергия в реакции поглощается.

Элементарными называются все микрочастицы кроме молекул, атомов и атомных ядер. Между ними существует четыре типа фундаментальных взаимодействий – сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Частицы, участвующие в сильном взаимодействии называются адронами. К ним относятся мезоны и барионы. В электромагнитном взаимодействии участвуют фотоны и электрически заряженные частицы. В слабом взаимодействии участвуют все частицы, кроме фотона. В гравитационном взаимодействии участвуют все элементарные частицы.

Элементарные частицы подразделяют на четыре класса (табл. 1). К первому из них относится только одна частица – фотон. Спин фотона равен единице.

Второй класс образуют лептоны. Они участвуют в слабом взаимодействии, а те, которые имеют электрический заряд, – еще и в электромагнитном взаимодействии. Спин всех лептонов равен  .

Третий класс мезоны. Мезоны участвуют в слабом взаимодействии (если они заряжены в электромагнитном) и также в сильном взаимодействии между собой и с барионами. Спин мезонов равен нулю.

Четвертый класс барионов объединяет в себе нуклоны и нестабильные частицы гипероны, масса которых больше массы нуклонов. Спин барионов равен . Барионы участвуют в сильном взаимодействии, электромагнитном и слабом. При распаде бариона, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Барионы и мезоны вместе называют адронами.

Все законы сохранения, открытые в физике элементарных частиц, 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, а также законы сохранения всех зарядов.

В настоящее. время известно пять зарядов – электрический Q, барионный В, первый лептонный L (или электронный лептонный) ), второй лептонный L' (или мюонный лептонный ) и третий лептонный L" (или таонный лептонный  ).

Похожи на заряды квантовые числа, которые получили названия странность S и шарм или очарование С. Законы сохранения этих величин, выполняются только в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушаются при слабых взаимодействиях. Эти законы сохранения являются приближенными.

Универсальным свойством элементарных частиц является существование античастиц. Античастица отличается от частицы только знаками всех величин, характеризующих взаимодействия (заряды, странность, шарм и др.). При столкновении частицы с античастицей они могут исчезнуть, превратившись в фотоны. Такой процесс называется аннигиляцией.

В модели кварков считается, что все адроны построены из кварков пяти типов. Каждый тип кварка называется ароматом. Кварки обозначают посредством букв u, d, s, c и b. Для их обозначения использованы первые буквы английских слов up – вверх, down – вниз, strange – странный, charm – очарованный, beauty – красивый.

Свойства кварков приведены в табл.2.

Таблица 2

Примеры комбинаций кварков, которые обладают характеристиками некоторых адронов, приведены в табл. 3. Ориентации спинов кварков и антикварков показаны стрелками (антикварки отмечены волнистой чертой).

Таблица 3

Реакции с участием элементарных частиц представляют с помощью кварковых диаграмм. На таких диаграммах указывают кварковый состав каждой из частиц, отличают кварки, которые участвуют в реакции, (изменяют аромат, рождаются или аннигилируют).

Для примера рассмотрим реакцию распада лямбда-нуль-гиперона.

.

Соответствующая реакции кварковая диаграмма представлена на рисунке.

u и d кварки, входящие в состав -гиперона, остаются неизменными. s-кварк изменяет аромат, становясь u-кварком и при этом рождается пара кварков и . Согласно табл. 2 для кварков, участвующих в реакции, выполняются законы сохранения электрического, барионного зарядов и шарма. Закон сохранения странности нарушается.