Студопедия КАТЕГОРИИ: АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Тема 23. Ядро. Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия
Согласно современным представлениям, единый ранее уровень элементарных частиц делится на два уровня. На одном из них – адронном – расположены составные частицы, в том числе протон p и нейтрон n. Самый нижний уровень – это уровень истинно элементарных частиц, часто называемых фундаментальными частицами. Именно на нем находятся электрон e- , фотон γ (и все переносчики взаимодействий), а также кварки. Мюон и нейтрино относятся также к классу лептонов (см. табл.) Таблица 23.1.Элементарные частицы
Ядерные силыпредставляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – сильного взаимодействия, которое проявляется на очень малых расстояниях порядка 10-15 м, сравнимых с размерами ядер.Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны, которые осуществляют связь между кварками, из которых состоят протоны и нейтроны. Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы: , где - дефект массы, Z – число протонов в ядре (зарядовое число),Mя -масса ядра, mp и тn -масса протона и нейтрона, соответственно. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира. Радиус действия электромагнитного взаимодействия равен бесконечности. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино посредством бозонов.Слабое взаимодействие является короткодействующим — оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 10−18 м) Гравитационное взаимодействие из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Однако гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами. Переносчики гравитационного взаимодействия – гравитоны (экспериментально пока не обнаружены). Соотношения между величинами сил взаимодействия:
Условные схемы элементарных взаимодействий
Сильное Гравитационное Слабое Электромагнитное
Пример 23.1.В центральной части атома, занимая небольшой объем и обладая его основной массой, находится положительно заряженное ядро. Неверным является утверждение, что … Rмасса ядра равна сумме масс образующих ядро нуклонов; £ядерные силы, удерживающие ядро, обладают зарядовой независимостью; £наиболее устойчивы ядра с четными числами протонов и нейтронов; £ядра с одинаковыми зарядовыми, но разными массовыми числами называются изотопами. Решение: Экспериментально установлено, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), а его заряд равен суммарному положительному заряду протонов: qя = Ze, где Z – число протонов в ядре (зарядовое число), e - заряд протона. Ядерные силы, удерживающие ядро, обладают зарядовой независимостью – пары нуклонов одинаково притягиваются. Ядерные силы не являются центральными силами. Ядерное взаимодействие возникает в условиях обмена виртуальными мезонами между нуклонами. Чтобы разбить ядро на составляющие части – протоны и нейтроны, нужно совершить работу по преодолению ядерных сил, то есть сообщить ядру энергию, называемую энергией связи. По закону сохранения энергии такая же энергия связи выделится при соединении свободных нуклонов в ядро. Таким образом, при образовании ядра в результате выделения энергии должна уменьшиться и масса нуклонов. Масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, из которых оно состоит: Δm = Σ mнуклонов - mядра (дефект массы). Следовательно, масса ядра не является аддитивной величиной. У разных атомов число протонов и нейтронов в ядре различно. Ядра с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов называются изотопами. Среди них имеются стабильные ядра (с большой энергией связи). Наиболее устойчивы ядра с четными числами протонов и нейтронов ( ,…). В одной из существующих моделей ядра – оболочечной – имеют место дискретные энергетические уровни, заполненные нуклонами с учетом принципа Паули. Уровни объединены в оболочки, которые, будучи полностью заполненными, образуют устойчивые структуры. Пример 23.2.Кварковый состав характерен для … RНейтронов £Электронов £Мюонов £Нейтрино Решение: Согласно современным представлениям, единый ранее уровень элементарных частиц делится на два уровня. На одном из них – адроном – расположены составные частицы, в том числе протон p и нейтрон n. Самый нижний уровень – это уровень истинно элементарных частиц, часто называемых фундаментальными частицами. Именно на нем находятся электрон e- (и вообще все лептоны) фотон γ (и все переносчики взаимодействий), а также кварки. Мюон и нейтрино относятся к классу лептонов. Практически доказано, что все адроны состоят из кварков – необычных по своим свойствам фундаментальных частиц, у которых имеются и античастицы. Пример 23.3.Установите соответствие между видами фундаментальных взаимодействий и радиусами их действия в метрах. £Электромагнитное £ бесконечность £Слабое £ 10-15 м £Сильное £ 10-18м Решение: радиус действия электромагнитного взаимодействия равен бесконечности. Сильное взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях порядка 10-15 м, сравнимых с размерами ядер. Для слабого взаимодействия радиус действия 10-18м. Пример 23.4.Установите соответствие между переносчиками фундаментальных взаимодействий и видами этих взаимодействий. £Глюоны £гравитационное £Гравитоны £электромагнитное £Фотоны £слабое £сильное Решение: все фундаментальные взаимодействия имеют обменный характер. В качестве элементарных актов каждого взаимодействия выступают процессы испускания и поглощения данной частицей a некоторой частицы X, как раз и определяющей тип данного взаимодействия. Сама частица a может остаться неизменной, а может превратиться в некоторую другую частицу b: a ↔ b + X . Расположенная поблизости частица c также способна поглощать и испускать частицу X: X + c ↔ d. Если a испустит X, а c поглотит X или наоборот, то промежуточная частица X исчезнет, а между a, b и с, d возникнет взаимодействие, которое приведет к превращению a + c → b + d. Частица X - является переносчиком данного взаимодействия. Переносчики электромагнитного взаимодействия − фотоны. Переносчики сильного взаимодействия – глюоны, осуществляющие связь между кварками, из которых состоят протоны и нейтроны. Переносчиками слабого взаимодействия являются - промежуточные бозоны. Переносчики гравитационного взаимодействия – гравитоны (экспериментально пока не обнаружены). Пример 23.5.Для ядерных сил не справедливым является утверждение, что они … Rзависят от типа взаимодействующих нуклонов, то есть ядерные силы между протонами отличаются от сил между нейтронами и от сил между протоном и нейтроном £являются силами притяжения £являются короткодействующими £не являются центральными Решение: В ядрах существуют особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил, рассматриваемых в классической физике (гравитационных и электромагнитных). Ядерные силы являются силами притяжения. Им свойственна зарядовая независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от типа нуклона (p – p, n – n или p - n). Ядерные силы не являются центральными: их нельзя представить действующими по прямой, соединяющей нуклоны. Ядерные силы являются короткодействующими. Они проявляются на расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Пример 23.6.Взаимодействие K0-мезона с протоном в водородной пузырьковой камере идет по схеме: Если спин π-мезона S = 0, то характеристиками ламбда-гиперона Λ0 будут … £Q = 0, S = ½ £Q = 0, S = 0 £Q = +1, S = ½ £Q = 0, S = 1/2 Решение: (см. табл. 23.1.)При взаимодействии элементарных частиц и их превращениях возможны только такие процессы, в которых выполняются законы сохранения, в частности законы сохранения электрического заряда и спина. π±-мезоны имеют спин Sπ± = 0, а электрический заряд Qπ± = ±1 в единицах элементарного заряда. Спин протона p в единицах постоянной Планка ħ равен: Sp = 1/2, а заряд Qp = +1. В соответствии с законами сохранения у ламбда-гиперона Λ0 спин SΛ0 = 1/2, а заряд QΛ0 = 0 Пример 23.7.Взаимодействие протона с нейтрино по схеме не может идти из-за нарушения закона сохранения … Rлептонного заряда £электрического заряда £спина £барионного заряда Решение: Во всех фундаментальных взаимодействиях выполняются законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса (спина) и всех зарядов (электрического Q, барионного B и лептонного L). Согласно закону сохранения лептонного заряда L, в замкнутой системе при любых процессах суммарный лептонный заряд остается неизменным. Условились считать, что для лептонов e-, νe; μ-,νμ,; τ+,ντ лептонный заряд L = + 1; а для антилептонов e+, ; μ+, ; τ+, лептонный заряд L = - 1. Для всех остальных элементарных частиц лептонные заряды принимаются равными нулю. Реакция не может идти, так как в этой реакции не выполняется закон сохранения лептонного заряда L: (+ 1) + (0) = (0) + (-1). Пример 23.8. На рисунке показана кварковая диаграмма –распада нуклона. Эта диаграмма соответствует реакции: R £ £ £ Решение: (см. табл. 23.1) первая частица dud – это нейтрон, последняя частица duu – это протон, т.е. изображена кварковая диаграмма превращения нейтрона в протон с образованием электрона и электронного нейтрино. Пример 23.9. На рисунке показана кварковая диаграмма распадалямбда-гиперона.Эта диаграмма соответствует реакции: £ £ R £ Решение: (см. табл. 23.1) первая частица uds – это гиперон, последняя частица duu – это протон, дополнительно образуется –пион.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2018-04-12; просмотров: 430. stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда... |