ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ, ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ХАРАКТЕРИСТИКА
АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА
Розділ 5 Атомна і ядерна фізика
§ 53. ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ, ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ХАРАКТЕРИСТИКА
Вивчаючи фізику, ми не раз говорили про існування в природі частинок, які називаються елементарними. Ви вже ознайомилися з електроном, фотоном, протоном і нейтроном. Але що ж таке елементарна частинка?
У самому слові елементарна закладено подвійний зміст. З одного боку, елементарний – це найпростіший. З другого боку, під елементарним розуміють щось фундаментальне, що лежить в основі речей (саме в цьому розумінні
Вважати відомі на сьогодні елементарні частинки подібними до незмінних атомів Демокріта не дозволяє такий простий факт. Жодна з частинок не існує вічно. Більшість елементарних частинок не може проіснувати більше від двох мільйонних частинок секунди, навіть тоді, коли немає ніякого зовнішнього впливу. Наприклад, вільний нейтрон (нейтрон поза атомним ядром) існує в середньому 15 хв.
Тільки такі частинки, як фотон, електрон, протон і нейтрино, могли б залишитися незмінними, якби кожна з них була одна на світі.
Але разом з електронами
Мал. 218
Мал. 219
Мал. 220
Фотон, випромінений настільною лампою, існує не довше від 10-8 с. Це той час, який йому потрібен, щоб долетіти до сторінки книжки і поглинутися папером.
Лише нейтрино майже вічне, тому що воно надзвичайно слабо взаємодіє з іншими частинками. Але й нейтрино гинуть від зіткнення з іншими частинками, хоч такі зіткнення трапляються рідко. Усі елементарні частинки перетворюються одна в одну, і ці взаємні перетворення – основний факт їх існування.
На мал. 218 ви бачите результат зіткнення ядра Карбону, що мало енергію 60 млрд. еВ (жирна верхня лінія), з ядром Аргентуму фотоемульсії. Ядро розпадається на уламки, які розлітаються в усі боки. Одночасно народжується багато нових елементарних частинок – піонів.
За сучасними уявленнями елементарні частинки – це первинні частинки, які далі не розкладаються, – з них складається вся матерія. Проте неподільність елементарних частинок не означає, що вони не мають внутрішньої структури.
Існування двійника електрона-позитрона – теоретично передбачив англійський фізик П. Дірак у 1931 р. Коли зустрічаються позитрон і електрон, обидві частинки зникають – анігілюють, народжуючи фотони великої енергії. Може бути і зворотний процес – утворення електронно-позитронної пари, наприклад, коли стикається фотон досить великої енергії (його маса має бути більшою від суми мас спокою народжуваних частинок) з ядром.
Через два роки позитрон виявили за допомогою камери Вільсона, вміщеної в магнітне поле. Напрям викривлення треку частинки вказував на знак її заряду, а за радіусом кривизни й енергією частинки визначили відношення її заряду до маси. Воно за значенням таке саме, як і для електрона. На мал. 219 ви бачите першу фотографію, яка довела існування позитрона. Частинка рухалася вгору і, пройшовши через свинцеву пластинку, втратила частину своєї енергії. Тому кривизна траєкторії збільшилась.
Процес утворення пари електрон-позитрон у-квантом у свинцевій пластинці – видно на фотографії, поданій на мал. 220. У камері Вільсона, вміщеній у магнітне поле, пара залишає характерний слід у вигляді дворогої вилки.
Те, що зникнення одних частинок і поява інших під час реакції між елементарними частинками – це перетворення, а не просто виникнення нової комбінації складових частин старих частинок, особливо наочно виявляється саме під час анігіляції пари електрон-позитрон. Обидві ці частинки мають певну масу в стані спокою – електричні заряди.
Порівняно недавно виявили антипротон і антинейтрон. Електричний заряд антипротона негативний.
Атоми, ядра яких складаються з анти нуклоні в, а оболонка – з позитронів, утворюють антиречовину. У 1969 р. уперше було одержано антигелій.
Під час β-розпаду з ядра вилітає електрон. Але електрона в ядрі немає. Звідки ж він береться? Після того як електрон вилітає з ядра, заряд ядра, а отже, і кількість протонів збільшується на одиницю. Масове число ядра не змінюється. Це означає, що кількість нейтронів зменшується на одиницю. Отже, у β-радіоактивних ядрах нейтрон здатний розпадатися на протон і електрон. Протон залишається в ядрі, а електрон вилітає назовні. Лише в стабільних ядрах нейтрони стійкі.
Швейцарський фізик В. Паулі припустив, що разом з протоном і електроном під час розпаду нейтрона народжується якась частинка-“невидимка”, що й виносить із собою енергію, якої не вистачає. Цю частинку прилади не реєструють, оскільки вона не має електричного заряду і маси спокою. Отже, вона не може йонізувати атоми, розщеплювати ядра, тобто не може спричинювати ефекти, за якими можна судити про виникнення частинки.
Цю частинку Фермі назвав нейтрино, що означає “нейтрончик”. Виявилось, що маса спокою нейтрино, як і передбачав Паулі, дорівнює нулю. За цими словами ховається простий зміст: нейтрино в стані спокою немає. Ледь з’явившись на світ, вони одразу рухаються зі швидкістю 300 000 км/с. Розраховуючи взаємодію нейтрино з речовиною в шарі певної товщини, одержали досить невтішний результат щодо можливості виявити цю частинку експериментально. Земна куля для нейтрино прозоріша, ніж найкраще скло для світла.
Роль нейтрино не зводиться лише до пояснення β-розпаду ядер. Багато елементарних частинок у вільному стані спонтанно розпадається, випромінюючи нейтрино. Передусім так поводиться нейтрон. Тільки у ядрах нейтрон внаслідок взаємодії з іншими нуклонами набуває стабільності. Вільний нейтрон живе в середньому 15 хв. Це довели експериментально лише після того, як було побудовано ядерні реактори, що дають потужні пучки нейтронів.
Як і інші частинки, нейтрино v має античастинку, яка називається антинейтрино – v. Під час розпаду нейтрона на протон і електрон випромінюється саме антинейтрино:
N – р + е – + v.
Енергія нейтрона завжди більша від суми енергій протона й електрона. Надлишкову енергію виносить із собою антинейтрино.
Розпад частинки – зовсім не ознака того, що вона не елементарна. Нейтрон, незважаючи на свою нестабільність, вважається елементарною частинкою, а дейтрон, без сумніву, складається з нейтрона і протона, хоч він і стабільний.
Відкриття нової елементарної частинки завжди було і зараз є визначним тріумфом науки. Але вже давно до кожного чергового тріумфу почало домішуватися занепокоєння. Оскільки тріумфи відбувалися буквально один за одним.
Було відкрито групу “дивних” частинок: К-мезонів і гіперонів з масами, більшими від маси нуклонів. У 70-ті роки XX ст. до них приєдналася велика група “зачарованих” частинок, які мають ще більші маси. Крім того, було відкрито частинки з коротким життям – порядку 10-22 – 10-23 с. Ці частинки назвали резонансами: їх було більше 200.
Якщо до таблиці елементарних частинок не вносити резонанси і “зачаровані” частинки, то матимемо 39 частинок.
Усі частинки поділяються на групи:
1. Фотон.
2. Лептони. Сюди входять 12 частинок (з античастинками). Є 3 види нейтрино: електронне нейтрино народжується разом з електронами, мюонне нейтрино – з – мезонами і r-мезонне нейтрино – з μ-мезонами. Далі йдуть електрон, μ – мезон і r-мезон, відкритий у 1975 р. Хоча μ-мезон має дуже велику масу, він входить до групи лептонів, тому за всіма іншими властивостями він до них близький. Основна властивість, яка споріднює його з лептонами, полягає в тому, що ця частинка, як і інші лептони, не бере участі в сильних взаємодіях. Що ж до r-мезонного нейтрино, то його експериментально поки не виявлено, хоч сумніву в його існуванні немає.
3. Мезони. Ця група має 8 частинок. Найлегші з них 7С-мезони: позитивні, негативні й нейтральні. їх маси становлять 264 (п°) і 273(п+, п-) електронних мас. Піони – це кванти ядерного поля, подібно до того, як фотони є квантами електромагнітного поля. Ще є 4 К-мезони і один η°-мезон.
4. Баріони. До цієї групи входять 18 частинок із 39. Найлегші баріони – це протони і нейтрони. За ними йдуть так звані гіперони. Таблицю замикає Ω – (омега мінус)-частинка, відкрита у 1964 р. Її маса в 3273 рази більша від маси електрона.
Існування великої кількості частинок наводить на думку, що не всі вони однаково елементарні.
Ще в 1963 p. М. Гелл-Манн і Дж. Цвейг запропонували модель, за якою всі частинки, що беруть участь у сильних (ядерних) взаємодіях, народжених
З фундаментальніших (або первинних) частинок – кварків. Крім фотонів і лептонів, усі інші відкриті на сьогодні частинки є складними.
Спочатку було висловлено гіпотезу про існування трьох кварків (і відповідно трьох антикварків). Кваркам приписувалися дробові електричні заряди, їх позначають літерами: и, d, s. Перший – ц-кварк – має заряд 2/3 е, a d – і s-кварк мають однакові заряди по -1/3 е (де е – модуль заряду електрона). Протон складається з двох u-кварків і одного d-кварка; піони складаються з комбінації кварк-антикварк і т. д. Дивні частинки (каони і гіперони) містять важчий s-кварк; його називають “дивним”.
Передбачалося існування четвертого с-кварка; його назвали “зачарованим”. Потім експериментально виявили частинки, до яких входить цей кварк. Маса с-кварка більша від маси s-кварка.
Досліди з розсіюванням нейтрино і електронів надвисоких енергій на нуклонах підтвердили кваркову структуру і протонів, і нейтронів. Але розщепити на кварки нуклони не вдалося.
Кварки шукали і шукають серед материкових порід, відкладень на дні океану, в місячному грунті. Але вільних кварків не виявлено.
Очевидно, міжкваркові сили з відстанню не зменшуються, як усі інші, а збільшуються. Якщо це так, то розщепити нуклони та інші частинки на кварки не вдасться ніколи. Протон та інші частинки мають складну структуру, але розщепити їх на частини не можна.
За сучасними уявленнями, всі лептони, як і кварки, не мають внутрішньої структури. У цьому розумінні лептони і кварки можна вважати справді елементарними частинками. Без античастинок відкрито шість лептонів. Відкрито п’ять кварків. П’ятий – це так званий 6-кварк, маса якого більша від маси с-кварка. Припускають, що є ще й шостий кварк, масивніший за 6-кварк. Теоретичний аналіз приводить до висновку про те, що має бути кварк – лептонна симетрія: речовина, побудована з шести різних лептонів і шести різних кварків. Разом з їх античастинками цих справжніх елементарних частинок налічується 24.
До них треба ще додати квант електромагнітного поля – фотон – і кванти поля, що зумовлює міжкваркові взаємодії. Частинки міжкваркового поля називаються глюонами. Експериментально глюони поки що не виявлені. Нарешті, мають бути кванти поля слабких взаємодій – векторні базони. Вони також поки що не виявлені.
Отже, картина будови матерії на самому глибокому рівні виявилася досить складною. Побудова кількісної теорії міжкваркових сил ще не завершена. Можливо, згодом будуть виявлені ще масивніші кварки і лептони.
Задачі та вправи,
Розв’язуємо разом
1. Чому нейтрони є найкращими снарядами для руйнування ядра атома, ніж протони, електрони, а-частинки?
Розв’язання
Нейтрон завдяки своїй нейтральності з будь-якою енергією (від часток до кількох мільонів електрон-вольт), вільно проникає в будь-яке ядро, включаючи і важкі. Але в кожному конкретному випадку частинки-снаряди повинні мати відповідну енергію.
2. Скільки відбувається а – і β-розпадів під час радіоактивного розпаду
якщо він перетворюється в 
Розв’язання
Радіоактивний розпад урану можна записати так:
Нагадаємо, що а-частинка – це 
а β-частинка – це 
Застосовуючи закон збереження зарядових чисел, можна записати
92 = 82 + 2x – 1у.
Застосувавши закон збереження масових чисел, отримаємо
238 = 198 + 4х.
Розв’язуючи отримані рівняння як систему, маємо х = 10 і у= 10, тобто відбувається десять a-розпадів і десять β-розпадів.
3. При зіткненні а-частинки з ядром бора 10 5В відбулась ядерна реакція, внаслідок якої утворилося два нових ядра. Одним з цих ядер було ядро атома Гідрогену 1 1Н. Визначте порядковий номер і масове число другого ядра, дайте символічний запис ядерної реакції і визначте її енергетичний ефект.
Розв’язання
Позначимо невідоме ядро символом 
Знаючи, що а-частинка – це ядро Гелію 
запис реакції матиме вигляд 
“Застосувавши закон збереження числа нуклонів, отримаємо рівняння 4+10=1 + А, звідки А = 13.
Застосувавши закон збереження заряду, маємо 2 + 5 = 1 + Z, звідки Z = 6.
Отже, невідоме ядро є ядром атома ізотопу Карбону 136C.
Тепер рівняння можна записати в кінцевому вигляді
Енергетичнии ефект ядерної реакції визначається за формулою
Використовуючи табличні значення маси атомів, отримаємо
Q = 931[(4,00260 +10,01294) – (1,00783+13,00335)] МеВ = 4,06 МеВ.
Q = 4,06 МеВ.
4. Визначте добові витрати урану 238 92U атомною електростанцією потужністю 7 МВт, якщо ККД електростанції 20 %. При кожному розпаді виділяється енергія 200 МеВ.
Розв’язання
Якщо при кожному розпаді виділяється енергія Е0, то при розпаді за добу, припустимо N атомів (ядер), виділиться енергія Е = NE0. Нехай N атомів відповідає масі урану т кг, тоді 
Де Na – число Авогадро; μ – молярна маса урану.
Енергія, яка виділяється за добу, розраховується за формулою:
А повна енергія: Е = ηE1 = Pt, де Р – потужність електростанції, t = 1 доба = 86 400 с.
Тоді 
звідки 
Підставивши значення відомих фізичних величин, отримаємо
M = 36, 8 10-3 кг.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...