Все тела, включая нас самих, состоят из мельчайших "кирпичиков", называемых атомами. Существует столько типов таких "кирпичиков", сколько имеется в природе химических элементов. Химический элемент - это совокупность атомов одного и того же типа.

Мысль о том, что вещество построено из мельчайших "частичек", высказывалась еще древнегреческими учеными. Они-то и назвали эти частички атомами (от греческого слова, означающего "неделимый"). Древние греки предполагали, что атомы имеют форму правильных многогранников: куба ("атомы земли"), тетраэдра ("атомы огня"), октаэдра ("атомы воздуха"), икосаэдра ("атомы воды"). Прошло более двадцати столетий, прежде чем были получены экспериментальные подтверждения идеи атомистического строения вещества. Окончательно эта идея утвердилась в науке во второй половине XIX века благодаря успехам химии и молекулярно-кинетической теории. К началу XX века физики уже знали, что атомы имеют размеры порядка 10"10 м и массу 10"27 кг. К этому времени стало ясно, что атомы вовсе не "неделимы", что они обладают определенной внутренней структурой, разгадка которой позволит объяснить периодичность свойств химических элементов, выявленную Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907).

В 1903 году, вскоре после открытия электрона, английский физик ДжозефДжон Томсон (1856-1940) предложил модель атома в виде положительно заряженной по объему сферы диаметром около 10"10 м, внутрь которой вкраплены электроны (см- Элементарные частицы). Суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом сферы. Когда электроны колеблются относительно центра сферы, атом излучает свет. Томсон считал, что электроны группируются в слои вокруг центра.

В модели, предложенной Томсоном, масса атома равномерно распределена по его объему. Ошибочность такого предположения вскоре доказал английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937). В 1908-1911 годах под его руководством были выполнены опыты по рассеянию а-частиц (ядер гелия) металлической фольгой, а -частица свободно проходила сквозь тонкую фольгу, испытывая лишь незначительные отклонения; однако в отдельных редких случаях (примерно в одном на 10000) наблюдалось рассеяние а-частиц на угол больше 90°.

"Это было почти так же невероятно, - вспоминал впоследствии Резерфорд, - как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас".

Опыты по рассеянию а-частиц убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме - атомном ядре, диаметр которого примерно в

10000 раз меньше диаметра атома. Большинство а-частиц пролетает мимо массивного ядра, не задевая его, лишь изредка сталкиваясь с ним и "отскакивая" назад.

Эксперименты Резерфорда послужили основой для создания протонно-нейтронной модели атома. Эта модель к определяет современные представления об устройстве атома.

Итак, в центре атома находится атомное ядро (его размеры порядка 10"14 м); весь остальной объем атома - это электроны. Внутри ядра электронов нет (это стало ясно в начале 30-х годов); ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре; это есть атомный номер данного химического элемента (его порядковый номер в периодической системе). Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона или нейтрона, поэтому почти- вся масса атома сосредоточена в ядре. Разные электроны в разной степени связаны с ядром;

некоторые из них "теряются" относительно легко, при этом атом превращается в положительный ион. Приобретая дополнительные электроны, атом становится отрицательным ионом.

Создавая свою модель атома, Резерфорд предположил, что между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженным ядром действуют кулоновские силы. Ясно, что покоиться внутри атома электроны не могут, так как они упали бы тогда на ядро, поэтому, по предположению Резерфорда, электроны движутся вокруг ядра, -подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Поэтому резерфордовская модель атома была названа планетарной.

Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она совершенно необходима для объяснения опыта по рассеянию а-частиц. Но такая модель противоречит законам механики и электродинамики. Она не позволяет объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем очень большим. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной числу его оборотов вокруг ядра в секунду. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают совершенно строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10-8 с) должен упасть на ядро, и атом должен прекратить свое существование.

В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитных волн. Отсюда следует важнейший вывод: к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы.

Выход из крайне затруднительного положения был найден в 1913 году великим датским физиком Нильсом Бором (1885-1962), который ввел свои знаменитые квантовые постулаты, определяющие строение атома и условия испускания и поглощения им электромагнитного излучения. Вот они:

Первый постулат: атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состо-яниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Еп. В стационарном состоянии атом не излучает.

Этот постулат находится в явном противоречии с классической механикой, согласно которой энергия движущихся электронов может быть любой. Противоречит он и электродинамике Максвелла, так как допускает возможность ускоренного движения без излучения электромагнитных волн.

Второй постулат: при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитной энергии.

Второй постулат тоже противоречит электродинамике Максвелла, согласно которой частота излученного света равна частоте обращения электрона по орбите. По теории Бора частота связана только с изменением энергии атома.

АТОМНОЕ ЯДРО

Согласно протонно-нейтронной модели атомные ядра состоят из элементарных частиц двух видов: протонов и нейтронов (см. также Атом).

Известно, что заряд протона положительный и равен заряду электрона.

Нейтрон не имеет электрического заряда, его масса равна 1.00867 а.е.м. 1 атомная единица массы (а.е.м.) равна 1/12 массы атома углерода и связана с килограммом соотношением 1 а.е.м. =1.6605 10-27 кг; 1 а.е.м. соответствует энергии 931.5 МэВ).

Число протонов в ядре называется зарядом ядра и равняется числу электронов в атомной оболочке, так как атом"в целом нейтрален. Следовательно, число протонов в ядре равно атомному номеру элемента ZB таблице Менделеева.

Массовым числом ядра А называют сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре: A=Z+N.

Так как массы протона и нейтрона близки друг к другу, то массовое число А очень близко к относительной атомной массе элемента. Массовые числа могут быть определены путем грубого измерения масс ядер приборами, не обладающими особо большой точностью.

Однако указанные в таблице Менделеева относительные атомные массы некоторых элементов сильно отличаются от целого числа. Так, для бора она равна 10.81, для хлора - 35.45. Почему? Оказывается, ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов при одинаковом числе протонов в ядре и электронов в электронной оболочке,

Такие ядра имеют одинаковые химические свойства и располагаются в одной клетке таблицы Менделеева. Это изотопы. Химически простые природные вещества являются смесью изотопов. Так, бор состоит из смеси двух изото- пов: 20% его составляет изотоп с массовым числом 10 (5 протонов, 5 нейтронов), а 80% - с массовым числом 11 (5 протонов и 6 нейтронов).

Элементарными называют частицы, у которых на данный момент не обнаружено внутренней структуры. Еще в прошлом веке элементар­ными частицами считались атомы. Их внут­ренняя структура - ядра и электроны - была обнаружена в начале XXв. в опытах Э. Резерфорда. Размер атомов - около 10 -8 см, ядер - в десятки тысяч раз меньше, а размер электронов совсем мал. Он меньше чем 10 -16 см, как это следует из современных тео­рий и экспериментов.

Таким образом, сейчас электрон - элемен­тарная частица. Что касается ядер, то их внутренняя структура обнаружилась вскоре после их открытия. Они состоят из нукло­нов - протонов и нейтронов. Ядра довольно плотные: среднее расстояние между нуклонами всего в несколько раз больше их собственного размера. Для того чтобы выяснить, из чего состоят нуклоны, понадобилось около полуве­ка, правда, при этом заодно появились и были разрешены и другие загадки природы.

Нуклоны состоят из трех кварков, которые элементарны с той же точностью, что и элек­трон, т. е. их радиус меньше 10 -16 см. Радиус нуклонов - размер области, занимаемой квар­ками, - около 10 -13 см. Нуклоны принадлежат к большому семейству частиц - барионов, составленных из трех различных (или одина­ковых) кварков. Кварки могут по-разному связываться в тройки, и это определяет раз­личия в свойствах бариона, например, он может иметь различный спин.

Кроме того, кварки могут соединяться в пары - мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Спин мезонов принимает целые значения, в то время как для барионов он при­нимает полуцелые значения. Вместе барионы и мезоны называются адронами.

В свободном виде кварки не найдены, и сог­ласно принятым в настоящее время представ­лениям они могут существовать только в виде адронов. До открытия кварков некоторое время адроны считались элементарными частицами (и такое их название еще довольно часто встре­чается в литературе).

Первым экспериментальным указанием на составную структуру адронов были опыты по рассеянию электронов на протонах на линейном ускорителе в Станфорде (США), которые мож­но было объяснить, лишь предположив наличие внутри протона каких-то точечных объектов.

Вскоре стало ясно, что это - кварки, существо­вание которых предполагалось еще ранее тео­ретиками.

Здесь представлена таблица современных элементарных частиц. Кроме шести видов квар­ков (в опытах пока проявляются только пять, но теоретики предполагают, что есть и шестой) в этой таблице приведены лептоны - частицы, к семье которых принадлежит и электрон. Еще в этой семье обнаружены мюон и (совсем не­давно) t-лептон. У каждого из них есть свое нейтрино, так что лептоны ес­тественным образом разбиваются на три пары е, n е; m, n m ;t, n t .

Каждая из этих пар объединяется с соответ­ствующей парой кварков в четверку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, как это видно из таблицы. Отличаются лишь массы. Второе поколение тяжелее первого, а третье по­коление тяжелее второго.

В природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные создаются искусственно на ускорителях заряженных час­тиц или при взаимодействии космических лучей в атмосфере.

Кроме имеющих спин 1/2 кварков и лептонов, вместе называемых частицами ве­щества, в таблице приведены частицы со спином 1. Это кванты полей, создаваемых час­тицами вещества. Из них наиболее известная частица - фотон, квант электромагнитного поля.

Так называемые промежуточные бозоны W + иW - , обладающие очень большими массами, были недавно обнаружены в экспериментах на встречных р -пучках при энергиях в несколь­ко сотен ГэВ. Это переносчики слабых взаимо­действий между кварками и лептонами. И на­конец, глюоны - переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и сами квар­ки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются на промежуточных стадиях реакций рождения и уничтожения адронов. Недавно были зарегистрированы струи адронов, порожденные глюонами. Поскольку все пред­сказания теории кварков и глюонов - кван­товой хромодинамики - сходятся с опытом, почти нет сомнений в существовании глюонов.

Частица со спином 2 - это гравитон. Его существование вытекает из теории тяготе­ния Эйнштейна, принципов квантовой механики и теории относительности. Обнаружить грави­тон экспериментально будет чрезвычайно трудно, поскольку он очень слабо взаимодействует с веществом.

Наконец, в таблице со знаком вопроса приве­дены частицы со спином 0 (Н-мезоны) и 3/2 (гравитино); они не обнаружены на опы­те, но их существование предполагается во многих современных теоретических моделях.

Элементарные частицы

спин	0?	1/2				1				3/2	2?
название		Частицы вещества				Кванты полей
		кварки		лептоны		фотон	векторные бозоны		глюон	гравитино	гравитон
символ	H	u	d	n e	e	g	Z	W	g
(масса)	(?)	(?)	(0,5)	(0)	(~95Гэв)	(~80Гэв)	(?)	(?)
символ	с	s	n m	m
(масса)	(0?)	(106)
символ	t	b	n t	t
(масса)	(0?)	(1784)
Барионный	0	1/3	1/3	0	0	0	0	0	0	0	0
Электрический	0, ±1	2/3	1/3	0	-1	0	0	±1	0	0	0
цвет	-	3	3	-	-	-	-	-	8	-	-

Адроны - общее название для частиц, участ­вующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - мезоны и барионы.

Барионы (от греческого слова, означающего «тяжелый») - это адроны с полуце­лым спином . Самые известные барионы - протони нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда-то странно­стью . Единицей странности обладают барион лямбда (L°) и семейство барионов сигма (S - , S+ и S°). Индексы +, - ,0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обла­дают барионы кси (X - и X°). Барион W - имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10 -10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микро­мира это не так. Такая частица, даже двига­ясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой скорости, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оста­вить свой след в детекторе элементарных час­тиц. Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного за­ряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех извест­ных процессах разности между числом барио­нов и антибарионов.

Протон - стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода. Трудно ска­зать, какое событие следует считать откры­тием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и откры­тие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906-1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона,подтвердив открытие искусственного превра­щения элементов. В этих опытах a-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.

Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атом­ный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10 -21 . Масса протона m p = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10 -24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современ­ной точки зрения протон не является истин­но элементарной частицей: он состоит из двух u -кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d -кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами - глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимо­действия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электро­нов на протонах, действительно свидетельству­ют о наличии внутри протонов точечных рас­сеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечныеразмеры ~ 10 -13 см, хотя, разумеется, его нель­зя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой грани­цей, состоящее из рождающихся и аннигили­рующих виртуальных частиц.

Протон, как и все адроны, участвует в каж­дом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимо­действия - протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут слу­жить бета-распад нейтрона или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и ней­трино (для свободного про­тона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу). Спин протона равен 1/2. Адроны с полу­целым спином называются барионами (от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, раз­личные гипероны (L, S, X, W) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число - барионный заряд, равный 1 для барионов, - 1 - для антибарионов и О - для всех прочих частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля, он введен лишь для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохране­ния барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в любых реакциях. Сох­ранение барионного заряда делает невозмож­ным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический ха­рактер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабиль­ностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.

В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барион­ного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной (~ 2·10 10 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образова­ние химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физи­ки. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 10 30 протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всего лишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.

Нейтрон - нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона q n равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в силь­ных электрических полях, показавшими, что |q n | <10 -20 e (здесь е - элементарный элек­трический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |q n |< 2*10 -22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относит­ся к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; анти­нейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейт­рон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.

Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u -кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d -кварков с зарядом - 1/3, связанных между собой глюонным по­лем.

Нейтроны устойчивы лишь в составе стабиль­ных атомных ядер. Свободный нейтрон - нестабильная частица, распадающаяся на протон (р), электрон (е -) и электронное анти­нейтрино. Время жизни нейтрона составляет (917 ±14) с, т. е. около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше вследствие сильного поглощения их ядрами. Поэтому они возникают в природе или получаются в лаборатории только в резуль­тате ядерных реакций.

По энергетическому балансу различных ядерных реакций определена величина раз­ности масс нейтрона и протона: m n -m p (1,29344 ±0,00007) МэВ. Из сопоставления ее с массой протона получим массу нейтрона: m n = 939,5731 ± 0,0027 МэВ; это соответствует m n ~ 1,6-10 -24 .

Нейтрон участвует во всех видах фундамен­тальных взаимодействий. Сильные взаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого взаимодействия - бета-распад нейт­рона.

Участвует ли эта нейтральная частица в электромагнит­ных взаимодействиях? Нейтрон обладает внутренней структурой, и в нем при общей нейтральности существуют электрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона магнитного момента. Иными словами, в магнитном поле нейтрон ведет себя подобно стрелке компаса. Это лишь один из примеров его электромагнитного взаимодействия. Большой интерес приобрели поиски дипольного электрического момента нейтрона, для которого была получена верхняя граница. Здесь самые эффективные опыты удалось поставить ученым Ленинградского института ядерной физики АН СССР; поиски дипольного момента нейтронов важны для понимания механизмов нарушения инвариантности относительно обращения времени в микропроцессах.

Гравитационные взаимодействия нейтронов наблюдались непосредственно по их падению в поле тяготения Земли.

Сейчас принята условная классифика­ция нейтронов по их кинетической энергии:

медленные нейтроны (<10 5 эВ, есть много их разновидностей), быстрые нейтроны (10 5 ¸10 8 эВ), высокоэнергичные (> 10 8 эВ). Весьма интерес­ными свойствами обладают очень медленные нейтроны

(10 -7 эВ), которые получили название ультрахолодных. Оказалось, что ультрахолодные нейтроны можно накапливать в «магнитных ловушках» и даже ориентировать там их спины в определенном направлении. С помощью магнитных полей специальной конфигурации ультрахолодные нейтроны изолируются от поглощающих стенок и могут «жить» в ловушке, пока не распадутся. Это позволяет проводить многие тонкие экспери­менты по изучению свойств нейтронов. Другой метод хранения ультрахолодных нейтронов основан на их волновых свойствах. Такие нейтроны можно просто хранить в замкнутой «банке». Эта идея была высказана советским физиком Я. Б. Зельдовичем в конце 1950-х гг., и первые результаты были получены в Дубне в институте ядерных исследований спустя почти десятилетие.

Недавно ученым удалось построить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живут до своего естественного распада.

Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. В результате взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно наблюдать резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. п. Благодаря этим своим особенностям нейтроны широко используются в ядерной физике и физике твердого тела. Они играют важную роль в ядерной энергетике, в производстве транс­урановых элементов и радиоактивных изотопов, находят практическое применение в химическом анализе и в геологической разведке.

Мезоны - адроны с целым спином Название произошло от греческого слова, озна­чающего «средний, промежуточный», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные зна­чения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Лег­чайшие из мезонов - пионы, или пи-мезоны p - ,p + и p°. Их массы примерно в 6-7 раз меньше массы протона.. Более массивны стран­ные мезоны - каоны K + , К - и К°. Их массы почти в два раза меньше массы протона. Ха­рактерное время жизни этих мезонов - 10 -8 с.

Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма-минус S - имеет античастицу антисигма-плюс S` + , которая отлична от S + . То же самое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколько иначе: отрицательный пион - античастица положи­тельного пиона, а нейтральный пион античасти­цы вообще не имеет, поскольку является анти­частицей сам себе. В то же время нейтральный каон K° имеет античастицу К`°. Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов.

Мир адронов огромен - он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабиль­ны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка10 –23 c. Это - характерное время сильных взаимодействий; за столь ко­роткий интервал даже свет успевает пройти расстояние, равное всего лишь радиусу прото­на (10 - 13 см). Ясно, что столь короткоживущие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рождение обнаруживают то косвенным признакам. Например, изучают реакцию аннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения электронов и позитронов, обнаруживают, что при каком-то значении энергии выход адронов вдруг резко увеличивается. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица, масса которой равна соответствующей энергии (с точностью до множителя с 2). Эта частица мгновенно распадется на другие адроны, и единственным следом ее появления остается пик на графике зависимости вероятности рождения адронов от энергии столкновения.

Такие короткоживущие частицы называют резонансами. Большинство барионов и мезонов - резонансы. Они не оставляют «автографов» в камерах и на фотографиях, и все же физикам удается изучать их свойства: определять массу, время жизни, спин, четность, способы распада и т. п.

По современным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами. Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трех кварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и всегда отличен от бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в состав которых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметь античастиц. Кварки удержи­ваются внутри адронов глюонным полем. В принципе теория допускает существование других адронов, построенных из большего числа кварков или, наоборот, из одного глюонного поля. В послед­нее время появились некоторые эксперимен­тальные данные о возможном существовании таких гипотетических частиц. Динамическая теория кварков, описываю­щая их взаимодействия, стала развиваться относительно недавно. Первоначально кварковая модель была предложена для «наведения порядка» в слишком многочисленном семействе адронов. Эта модель включала кварки трех видов, или, как принято говорить, арома­тов. С помощью кварков удалось навести порядок в многочисленном семействе адронов, распределив их в группы частиц, называемые мультиплетами. Частицы одного мультиплета имеют близкие массы, но не только это послужило основой их классификации; кроме опытных данных в этом случае исполь­зовали специальный математический аппарат теории групп.

В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описания всех адронов. В 1974 г. были открыты так называе­мые пси-мезоны, состоящие из кварка и анти­кварка нового вида (сс¢). Этот аромат был наз­ван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался гораздо тяжелее своих «соб­ратьев»: легчайшая из пси-частиц - мезон J/y - имеет массу 3097 МэВ, т. е. в 3 раза тяжелее протона. Время ее жизни около 10 -20 с. Было открыто целое семейство пси-мезонов с тем же кварковым составом cc¢ , но находящих­ся в возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих большие массы.

Лептоны - группа частиц, не участвующих в 1 сильном взаимодействии (название происходит от греческого слова «лептос» - «легкий»).

Все лептоны имеют спин 1/2. Различают заряженные лептоны - электрон е - , мюон m - , тяжелый лептон t - и соответствующие античастицы е + , m + и t + и нейтральные – различного рода нейтрино.

Первым из заряженных лептонов был открытэлектрон - в 1897 г. английским ученым Дж. Дж. Томсоном. Его античастица- позитрон - была найдена в 1932 г. в космических лучах американским физиком К. Андерсоном. В 1936 г. также при излучении космических лучей были обнаружены мюоны (К. Андерсон и С. Неддермейер). Сначала произошла маленькая путаница: мюоны попытались отождествить с частицей, которая, согласно теории японского физика X. Юкавы, переносила сильные взаимодействия. Вскоре, впрочем, выяснилось, что к сильным взаимодействиям мюон отношения не имеет (частицами, предсказанными Юкавой, оказались открытые в 1947 г. л-мезоны).И тогда возникла загадка мюона. Дело в том, что мюон удивительно похож на электрон: у них одинаковый электрический заряд, спин, оба

они участвуют лишь в слабых и электромагнитных взаимодействиях, причем аналогичным образом. Единственное видимое их отличие заключается в массе: мюон в 206,8 раза тя­желее электрона (современное значение его массы m = 105,65943 МэВ/с 2 @ 1,88- 10 –25 г).

Из-за большей величины массы мюон утерял стабильность, время его жизни @2,2 10 -6 с.

Электрон стабилен, так как ему просто не на что распадаться. Действительно, из-за со­хранения электрического заряда распад элек­трона был бы возможен только с испусканием более легких заряженных частиц, но о сущест­вовании таких частиц до сих пор ничего не известно. Если бы закон сохранения заряда не являлся вполне точным законом природы, то электрон мог бы распасться, например, на нейтрино и фотон. Поиски таких распадов, однако, не увенчались успехом и по­казали, что время жизни электрона, по крайней мере, больше чем 1022 лет (для сравнения: наша Вселенная существует «всего» около 2 10 -10 лет). Поэтому в современных теориях электрон считается стабильной частицей. Заметим все же, что экспериментальные пределы для вре­мени жизни протона выглядят еще внушитель­нее (не менее 1032 лет), но теории, в которых он может распадаться, в последнее время стали очень популярны.

С распадом мюона дело обстоит проще, он может распадаться и в действительности распадается на электрон и пару нейтрино раз­ных сортов: m - ® е - + n е `+ n m . За этот распад ответственны слабые взаимодействия. Экспе­риментальное значение времени жизни мюона хорошо согласуется с теоретическими расчета­ми. Разумеется, аналогичным образом про­исходит и распад положительно заряженно­го мюона:

m + ®е + + n е +n m `.

Не успев еще разобраться в загадке мю­она, физики открыли третий заряженный леп­тон t (тау - лептон). Он был обнаружен в 1975 г. в опытах на встречных электрон-позитронных пучках в Станфорде (США) группой физиков во главе с М. Перлом при аннигиляции электрона и позитрона очень больших энергий. Тяжелый тау-лептон имеет массу почти в 3500 раз большую, чем масса электрона (m e ~1784 МэВ/с 2). Он даже почти в 2 раза тяжелее протона. Время жизни t-лептона с достаточ­ной точностью было измерено лишь в 1981 г.- 3,4 10 - 13 с. Такое время жизни показывает, что слабые взаимодействия t-лептонов очень похожи на слабые взаимодействия электронов и мюонов (следует иметь в виду, что чем тя­желее частица, тем быстрее, при прочих оди­наковых условиях, она распадается на более легкие. Име­ющиеся данные позволяют утверждать, что и в остальном t-лептон подобен электрону и мюону.

Заряженные лептоны объединены еще одним свойством: в современных теориях все они представляются точечными объектами, не имеющими, в отличие от адронов, внут­ренней структуры. Эксперименты на самых мощных ускорителях при максимально дости­жимых в настоящее время энергиях показы­вают, что это справедливо, по крайней мере, вплоть до расстояний @10 - 16 см.

Наблюдая за реакциями с участием лептонов, ученые обнаружили, что всегда остается постоянной разность числа лептонов и антилептонов. Для описания этого свойства ввели особое квантовое число - лептонный за­ряд L , условно приписав значение L = 1 от­рицательно заряженным лептонам и сопутст­вующим им нейтрино, а значение L .= -1 - их античастицам. Тогда указанное явление сво­дится к закону сохранения лептонного заряда. Позднее установили, что электронное и мюонное нейтрино не тож­дественны друг другу, и пришлось ввести раз­личные, сохраняющиеся независимо лептонные заряды. По-видимому, сущест­вует и третий тип лептонного заряда, связан­ный с тяжелым лептоном и его нейтрино.

Пока не наблюдалось случаев нарушения закона сохранения лептонного заряда. Скажем, этот закон запрещает безнейтринные распады мюона. Отношение вероятностей запрещенного и обычного рас­падов мюона оценивалось в экспериментах и оказалось меньшим 10 -9 -10 –10 . Поиск за­прещенных распадов представляет большой интерес, так как не исключена возможность обнаружения несохранения лептонного заряда. Следует подчеркнуть, что лептонный заряд не является источником какого-то «лептонного» поля, а введен исключительно для объяснения наблюдаемых на опыте закономерностей реак­ций с участием лептонов.

Появившиеся в последнее время теории, ос­нованные на представлениях о единстве сил природы, предсказывают неустойчивость про­тона и одновременно нарушение сохранения лептонного заряда. В чем же заключается причина существова­ния разных типов лептонов с близкими свойст­вами и сильно различающимися массами? Какова природа лептонных зарядов? И нет ли еще других, пока что неизвестных нам лептонов? Сейчас на эти вопросы еще нет ответа. Решение их связано не только с лептонами, но и с другими истинно элементарными частицами-кварками, представляющими собой основные структурные элементы мира сильновзаимодействующих частиц. Кварки сильно различаются по массам и обладают своими специфическим «зарядами». Пары кварков объединяются вместе с парами лептонов (заряженным лептоном и соответствующим нейтрино) в так называемые поколения элементарных частиц. Многие свойства частиц повторяются из поколения в поколение, а массы поколений сильно различаются между собой: второе поколение (в него входят мюоны) тяжелее первого (с электронами), а третье поколение (включающее t-лептоны) тяжелее второго. Исследования многих загадок этих поколений еще только начинаются.

Электрон –отрицательно заряженная элементарная частица, носитель наименьшей известной массы и наименьшего электрического заряда в природе. Открыт в 1897 г. английским ученым ДЖ. Дж. Томсоном.

Электрон – составная часть атома, число электронов в нейтральном атоме равно атомному номеру, т.е. числу протонов в ядре.

Первые точные измерения заряда электрона провел в 1909-1913 гг. американский физик Р. Милликен. Современное значение абсолютной величины элементарного заряда составляет

е = (4,803242±0, 000014)*10 -10 или примерно 1,6*10 -19 Кл. считается, что этот заряд действительно «элементарен», т. е. он не может быть разделен на части, а заряды любых объектов являются его целыми кратными. Вместе с постоянной Планка Н и скоростью света с элементарный заряд образует безразмерную постоянную a= е 2 / hc ~ 1/ 137. Посто­янная тонкой структуры a- один из важнейших параметров квантовой электродинамики, она определяет интенсив­ность электромагнитных взаимодействий. Масса электрона m е = (9,109534 ± 0,000047)*10 -28 г (в энергетических едини­цах ~0,5МэВ/с 2). Если справедливы зако­ны сохранения энергии и электрического заря­да, то запрещены любые распады электрона. Поэтому электрон стабилен; экспериментально получено, что время его жизни не менее 1022 лет.

В 1925 г. американские физики С. Гаудсмит и Дж. Уленбек для объяснения особенностей атомных спектров ввели внутренний момент количества движения электрона - спин (s). Спин электрона равен половине постоянной Планка (Н - 1,055*10 -34 Дж/с), но физики обычно говорят просто, что спин электрона равен 1/2:5 = 1/2. Со спином электрона свя­зан его собственный магнитный момент. Магнитный момент электрона должен был равняться в точности одному магнетону Бора.

Однако в 1947 г. в опытах было обнару­жено, что магнитный момент примерно на 0,1% больше магнетона Бора. Объяснение этого факта было дано с учетом поляризации вакуума в квантовой электродинамике. Весьма трудоемкие вычисления дали теорети­ческое значение g е = 2*(1,001159652460 ± 0,000000000148), которое можно сравнить с экспериментальными данными: для электрона g е = 2-(1,001159652200 ± 0,000000000040) и позитрона g е = 2 (1,(Ю 1159652222 ± 0,000000000050). Величины вычислены и измерены с точностью до двенадцати знаков после запятой, причем точность экспериментальных работ выше

"точности теоретических расчетов. Это самые точные измерения в физике элементарных частиц.

Особенностями движения электронов в атомах, подчиняющегося уравнениям кванто­вой механики, определяются оптические, электрические, магнитные, химические и меха­нические свойства веществ.

Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействи­ях.

Слабые взаимодействия электронов про­являются, например, в процессах с несохра­нением в атомных спектрах или в реакциях между электронами и нейтрино.

Не имеется никаких данных о внутренней структуре электрона. Современные теории исходят из представлений о лептонах, как о точечных частицах. В настоящее время это проверено экспериментально до расстояний 10 -16 см. Новые данные могут появиться лишь с повышением энергии столкновения частиц в будущих ускорителях.

Свободная частица - частица, движущаяся в отсутствие внешних полей. Так как на свободную частицу (пусть она движется вдоль оси х ) силы не действуют, то потенци­альная энергия частицы U (x ) = const и ее можно принять равной нулю. Тогда полная энергия частицы совпадает с ее кинетической энергией. В таком случае уравнение Шредингера для стационарных состояний примет вид Прямой подстановкой можно убедиться в том, что частным решением уравнения является функция  (х ) = Ае ikx , где А = const и k = const, с собственным значением энергии Функция представляет собой только координатную часть волновой функции (x , t ). зависимость энергии от импульса оказывается обычной для нерелятивистских частиц. Следовательно, энергия свободной частицы может принимать любые значения (так как волновое число k может принимать любые положительные значения), т. е. ее энергетический спектр является непрерывным. Таким образом, свободная квантовая частица описывается плоской монохроматической волной де Бройля. Этому соответствует не зависящая от времени плотность вероятности обнаружения частицы в данной точке пространства т. е. все положения свободной частицы в пространстве являются равновероятными. Электрон в потенциальном ящике Примером движения электрона в потенциальном «ящике» является движение коллективизированных электронов внутри металла. Применим к электрону, движущемуся в потенциальном поле, уравнение Шредингера в форме и учтем, :получается Другими словами, вероятность найти электрон вне “ящика” равна нулю. Задача о движении электрона в прямоугольном потенциальном “ящике” c бесконечно высокими стенками сводится к решению уравнения Другие значения W энергии электрона невозможны: вероятность обнаружить внутри “ящика” электрон с энергией, отличной от W n , равна нулю. Физические величины, принимающие лишь определенные дискретные значения, называются квантованными . Квантованные значения W n называются уровнями энергии , а числа n , определяющие энергетические уровни электрона, - квантовыми числами . Таким образом, электрон в потенциальном “ящике” может находиться на определенном энергетическом уровне W n . В этом случае он находится в определенном квантовом состоянии n . Энергетические уровни в этом случае расположены столь тесно, что можно их считать квазинепрерывными . Для такого потенциального “ящика” квантование энергии дает результаты, не столь существенно отличающиеся от результатов классической физики, как в случае “ящика” атомного размера. Расчеты показывают, что при увеличении квантового числа n величина становится малой по сравнению с W n , т.е. происходит относительное сближение энергетических уровней. При больших квантовых числах n квантование энергии дает результаты, близкие к результатам классического рассмотрения. В этом находит свое выражение важный принцип соответствия , наиболее полно сформулированный Бором в 1923 г.: при больших квантовых числах выводы и результаты квантовой механики должны соответствовать классическим результатам. 82) Ядерная модель Резерфорда. Постулаты Бора От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10 –14 –10 –15 м. Это ядро занимает только 10 –12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка с ≈ 10 15 г/см 3 . Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева. Резерфорд предложил планетарную модель атома . Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны (рис. 6.1.4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро. Постулаты Бора Постулаты Бора - основные допущения, сформулированные Нильсом Бором в 1913 году для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода и водородоподобных ионов (формула Бальмера-Ридберга) и квантового характера испускания и поглощения света. Бор исходил из планетарной модели атома Резерфорда. Постулаты: 10 Атом может находиться только в особенных стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн. 2) Электрон в атоме, не теряя энергии, двигается по определённым дискретным круговым орбитам, для которых момент импульса квантуется: , где - натуральные числа, а - постоянная Планка. Пребывание электрона на орбите определяет энергию этих стационарных состояний. 3) При переходе электрона с орбиты (энергетический уровень) на орбиту излучается или поглощается квант энергии , где - энергетические уровни, между которыми осуществляется переход. При переходе с верхнего уровня на нижний энергия излучается, при переходе с нижнего на верхний - поглощается. Используя данные постулаты и законы классической механики, Бор предложил модель атома, ныне именуемую Боровской моделью атома . В дальнейшем Зоммерфельд расширил теорию Бора на случай эллиптических орбит. Её называют моделью Бора-Зоммерфельда. 83)Квантовые числа. Принцип Паули. Максимальные числа электронов Квантовые числа - энергетические параметры, определяющие состояние электрона и тип атомной орбитали, на которой он находится. При́нцип Па́ули (принцип запрета) - один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественныхфермиона (частиц с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Принцип Паули помогает объяснить разнообразные физические явления. Следствием принципа является наличие электронных оболочек в структуре атома, из чего, в свою очередь, следует разнообразие химических элементов и их соединений. Количество электронов в отдельном атоме равно количеству протонов. Так как электроны являются фермионами, принцип Паули запрещает им принимать одинаковые квантовые состояния. В итоге, все электроны не могут быть в одном квантовом состоянии с наименьшей энергией (для невозбуждённого атома), а заполняют последовательно квантовые состояния с наименьшей суммарной энергией (при этом не стоит забывать, что электроны неразличимы, и нельзя сказать, в каком именно квантовом состоянии находится данный электрон). Примером может служить невозбуждённый атом лития (Li), у которого два электрона находятся на 1S орбитали (самой низкой по энергии), при этом у них отличаются собственные моменты импульса и третий электрон не может занимать 1S орбиталь, так как будет нарушен запрет Паули. Поэтому, третий электрон занимает 2S орбиталь (следующая, низшая по энергии, орбиталь после 1S). Максимальное число электронов

84) Зонная теория твердых тел. Электропроводность металлов, диэлектриков и полупроводников. Зонная теория твёрдого тела - квантовомеханическая теория движения электронов в твёрдом теле. В соответствии с квантовой механикой свободные электроны могут иметь любую энергию - их энергетический спектр непрерывен. Электроны, принадлежащие изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии. В твёрдом теле энергетический спектр электронов существенно иной, он состоит из отдельных разрешённых энергетических зон, разделённых зонами запрещённых энергий. Физические основы зонной теории Согласно постулатам Бора, в изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения (также говорят, что электрон находится на одной из орбиталей). В случае нескольких атомов, объединенных химической связью (например, в молекуле), электронные орбитали расщепляются в количестве, пропорциональном числу атомов, образуя так называемые молекулярные орбитали. При дальнейшем увеличении системы до макроскопического кристалла (число атомов более 10 20), количество орбиталей становится очень большим, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях, соответственно очень маленькой, энергетические уровни расщепляются до практически непрерывных дискретных наборов - энергетических зон. Наивысшая из разрешённых энергетических зон вполупроводниках и диэлектриках, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной зоной, следующая за ней - зоной проводимости. В металлах зоной проводимости называется наивысшая разрешённая зона, в которой находятся электроны при температуре 0 К. В основе зонной теории лежат следующие главные приближения: 1. Твёрдое тело представляет собой идеально периодический кристалл. 2. Равновесные положения узлов кристаллической решётки фиксированы, то есть ядра атомов считаются неподвижными (адиабатическое приближение). Малые колебания атомов вокруг равновесных положений, которые могут быть описаны как фононы, вводятся впоследствии как возмущение электронного энергетического спектра. 3. Многоэлектронная задача сводится к одноэлектронной: воздействие на данный электрон всех остальных описывается некоторым усредненным периодическим полем. Ряд явлений, по существу многоэлектронных, таких, как ферромагнетизм, сверхпроводимость, и таких, где играют роль экситоны, не может быть последовательно рассмотрен в рамках зонной теории. Вместе с тем, при более общем подходе к построению теории твёрдого тела оказалось, что многие результаты зонной теории шире ее исходных предпосылок. Методы расчёта зонной структуры Энергетический спектр электронов в кристалле в одноэлектронном приближении описывается уравнением Шрёдингера: , где - периодический потенциал кристалла. Электропроводность металлов, полупроводников и диэлектриков. В металлах и полупроводниках ток переносится электронами, в диэлектриках - электронами и ионами. В отсутствие электрического поля электроны движутся хаотически, причем в некотором направлении движется столько же электронов, сколько и в противоположном направлении. Поэтому хаотическое движение не создает переноса заряда (тока). Если приложено электрическое поле, то в направ- лении против вектора напряженности поля движется больше электронов, чем в противоположном направлении, т.е. появляется электрический ток. В этом случае движение электронов можно представить как сумму хаотического движения и упорядоченного движения против вектора E со сравнительно небольшой средней скоростью, называемой скоростью дрейфа vдр. В металлах, где ток создают почти свободные электроны, называемые элек- тронами проводимости, плотность тока пропорциональна их концентрации n и скорости дрейфа vдр Двигаясь ускоренно в электрическом поле, электрон приобретает дополни- тельную скорость вдоль поля, которую теряет в результате очередного столкно- вения. В полупроводниках ток создают электроны проводимости и дырки. Дырка - это квазичастица с положительным зарядом, равным модулю заряда электрона. Дырка – место в кристаллической решетке, из которого удален электрон. Когда это место занимает один из ближайших электронов, дырка исчезает в этом месте, но появляется в другом, соседнем месте. Такое движение многих электронов, от- личающееся от движения свободных электронов, удобно описывать с помощью движения дырки, которая движется в направлении, противоположном движению электронов. 5 В отличие от проводимости металла (6), проводимость полупроводника равна сумме двух типов проводимости - электронной (n-типа) и дырочной (р-типа): Большая проводимость металлов при различной температуре объясняется большой концентрацией электронов проводимости, сравнимой с концентрацией атомов, и не зависящей от температуры. В отличие от металлов, в полупроводниках концентрация носителей при на- гревании быстро увеличивается, приводя к сильному росту проводимости. При этом небольшое уменьшение подвижности, приводя к обратному эффекту, не может помешать росту проводимости при нагревании Вдиэлектриках и полупроводниках, зонная структура такова, что существует запрещенная зона определенной ширины. При этом в полупроводниках ширина зоны составляет примерно от доли электрон-вольта до 3 электрон-вольт, в диэлектриках ширина зоны составляет примерно от 3 электрон-вольт до 10 электрон-вольт. Для того, чтобы возникла электропроводность в этих веществах, заряды должны попасть из валентной, занятой электронами зоны, в зону проводимости, т.е. каждый свободный заряд появится, если только ему сообщить энергию, не меньшую, чем ширина запрещенной зоны. Под действием не очень сильных электрических полей, заряды появляются, в первую очередь, путем термоионизации молекул основного вещества или примесей, либо за счет появления из электродов. Последний способ называется эмиссией носителей заряда. 85)Заряд, масса и размеры атомных ядер. Состав ядра. Нуклоны. Ядерная формула. Заряд,масса и размер атомных ядер Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд . Размеры ядер Распределение заряда и массы в атомных ядрах исследуется в экспериментах по упругому рассеянию на ядрах альфа-частиц (исторически это первые эксперименты Резерфорда), электронов и протонов. Выяснилось, что как плотность распределения заряда, так и плотность распределения массы ядра приближенно выражаются распределением Ферми:

Заряд ядра равен Ze , где e – заряд протона, Z– зарядовое число , равное порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, т.е. числу протонов в ядре. Число нейтронов в ядре обозначается N . Как правило Z > N .

В состав атомного ядравходят элементарные частицы : протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро ). Такая протонно-нейтронная модель ядра была предложена советским физиком в 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протон имеет положительный заряд е + =1,06·10 –19 Кл и массу покоя m p = 1,673·10 –27 кг = 1836m e . Нейтрон (n ) – нейтральная частица с массой покоя m n = 1,675·10 –27 кг = 1839m e (где масса электрона m e , равна 0,91·10 –31 кг). На рис. 9.1 приведена структура атома гелия по представлениям конца XX - начала XXI в.

Число нуклонов в ядре A = Z + N называется массовым числом . Ядра с одинаковым Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом A имеют разные Z , называются изобарами .

86 )Энергия связи ядра. Дефект массы. Потенциал ионизации.

Энергия связи ядра

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра M я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов :

M я < Zm p + Nm n .

Разность масс

Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов

Потенциал ионизации атома - минимальная разность потенциалов U , к-рую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле, чтобы приобрести кинетическую энергию, достаточную для ионизации атома.

Потенциал ионизации U тесно связан с энергией ионизации соотношением:

E=Ue ,г де е -элементарный электрический заряд.

Энергия ионизации атома является внутренним свойством частицы и не зависит от способа ионизации, тогда как потенциал ионизации, можно сказать,- характеристика исторически первого метода ионизации.

87 )Радиоактивное излучение. Типы ядерных распадов. Закон радиоактивного распада. Его характеристики.

В настоящее время подрадиоактивностью понимают способность некоторых атом­ных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется наестественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) иискусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций). Принципиального различия между этими двумя типами радиоактив­ности нет, так как законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы.

Радиоактивное излучение бывает трех типов:  -, - и  -излучение.

Объекты изучения и задачи сельскохозяйственной радиобиологии. История развития радиобиологии.

Фундаментальной задачей, составляющей предмет радиобиологии, является вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений, которые являются научной основой гигиенической регламентации радиационного фактора и овладения искусством управления лучевыми реакциями организма.
Развитие радиобиологии делится на три этапа:

1 этап развития радиобиологии характеризуется работами описательного характера, когда ученые пытаются объяснить описанные ранее эффекты.

Первые ученные, которые обратили внимание на действие радия на кожу, были немцы Г. Вальхов и Гизель.

Основными открытия считаются:

1. Открытие, что под действием ионизирующего излучения происходит торможение клеточного деления.

2. Закон Берганье-Трибондо (1903-1906 гг): клетка тем более радиочувствительна, чем больше у нее способность к размножению (делению) и чем менее определенно выражены их морфология и функции, т.е. чем они менее дифференцированы.

2 этап развития радиобиологии связан с разработкой теории «доза-эффект». С одной стороны было установлено, что при увеличении дозы облучения увеличивается повреждающий эффект.

Значимое открытие в 1922 г – теория актов ионизации в чувствительном объеме.

3 этап начался в 40-50-х годах прошлого века. Большое развитие получили методы количественной атомной радиобиологии.

В частности было установлено, что с самого начала радиоактивные излучения не одинаковы, и в 1903 г в диссертации Марии Складовской-Кюри появился рисунок.

1998 г Беккерель доказал, что β-лучи – это поток быстрых электронов, заряженных отрицательно.

В 1988-1899 г Поль Вийяр установил, что электромагнитное излучение, не реагирующее на заряд и похожее на рентгеновское излучение – это γ-лучи; они электронейтральные (не имеют заряд), не имеют массы покоя и состоят из отдельных порций энергии.

В 1899 г Эрнест Резерфорд доказал, что α-лучи – это поток ядер гелия, заряжены положительно за счет протонов, которые имеют положительный заряд за счет набора кварков.

Первый реактор по выработке оружейного плутония был построен в 1940-1945 гг.

Происхождение естественных радиоактивных атомов.

Ест. радиоактивные атомы существуют с момента появления Земли.
В 1896 году Беккерель обнаружил, что некоторые соли урана испускают проникающее излучение, аналогичное излучению, открытому Рентгеном годом раньше. Огромное значение этого открытия не сразу было понято. Через несколько лет Пьер и Мария Кюри дали дополнительный стимул для изучения этой новой области физики. Им удалось выделить из урановой смоляной обманки два вещества, радиоактивность которых много интенсивнее радиоактивности урана. Резерфорд и Содди, исследуя явление, открытое Беккерелем, вскоре установили, что явление радиоактивности можно объяснить, если предположить, что атомы урана и радия не стабильны, а распадаются с характерной для каждого скоростью. При этом образуются атомы других элементов. Радиоактивные превращения протекают самопроизвольно. На скорость их течения не оказывают никакого воздействия изменения температуры и давления, наличие электрического и магнитного полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние. Радиоактивный распад – это свойство самого атомного ядра и зависит только от его внутреннего состояния. Нельзя повлиять на течение процесса радиоактивного распада, не изменив состояния атомного ядра. Радиоактивностью называется способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) распадаться с испусканием α-, β-, γ- лучей, а иногда и других частиц.
Радиоактивное излучение производит ионизационное действие. Радиоактивный элемент постоянно выделяет энергию, и поэтому его температура всегда несколько выше температуры окружающей среды. Уже первые исследования показали, что радиоактивность элемента не зависит от того, находится он в чистом виде или в составе каких-либо химических соединений.

Строение атома и характеристика элементарных частиц.

Мельчайшая частица химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств – называется атомом.

Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки.

Ядро атома состоит из протонов (p+) и нейтронов (n0).

Число протонов N(p+) равно заряду ядра (Z) и порядковому номеру элемента в естественном ряду элементов (и в периодической системе элементов).

Сумма числа нейтронов N(n0), обозначаемого просто буквой N, и числа протонов Z называется массовым числом и обозначается буквой А.

Электронная оболочка атома состоит из движущихся вокруг ядра электронов (е-).

Число электронов N(e-) в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов Z в его ядре.

Атом любого элемента можно разделить на субатомные (элементарные) частицы, но в этом случае у них не будет свойств атома.

В свободном состоянии элементарные частицы характеризуются массой, электрическим зарядом и собственным вращением (спином).

Элементарные частицы подразделяются на классы:

1. Фотоны (кванты ) – кванты электро-магнитного поля. Они не обладают электрическим зарядом и массой покоя.

2. Лептоны («легкие»). К ним относятся: электроны (е –); позитроны (е +) – это античастицы электрона, существуют в ядре, при входе из ядра и встрече в электроном происходит аннигиляция, т.е. взаимное уничтожение; мюоны (µ–, µ+) – более мелкие частицы, могут иметь положительный и отрицательный заряд; тау-лептоны (t – , t +); нейтрины и антинейтрины – последние две частицы не имеют электрического заряда., различаются спином (движением).

3. Мезоны («средние») – нестабильные частицы. π-мезоны могут иметь положительный, отрицательный и нейтральный заряд и существовать в движении и в виде материальных частиц (масса материальных частиц примерно в 270 раз больше, чем масса электрона). К-мезоны имеют положительный и отрицательный заряд, их масса в 970 раз больше массы электрона. Время жизни очень небольшое (10 –8 сек), они не устойчивы и распадаются с образованием π-мезонов и лептонов или только лептонов. Эта-мезоны (η) – в 1074 раза тяжелее электрона, время жизни 10 –19 сек, распадаются на π-мезоны и фотоны.

4. Класс барионов объединяет протоны , нейтроны , антипротоны , антинейтроны , и нестабильные, масса которых больше массы нуклонов – их называют гипероны . За исключением протона и антипротона, все барионы нестабильны. При распаде бариона обязательно образуется барион (чаще протон).

Кроме этих, обнаружено большое количество короткоживущих частиц – резонансов .

Фанатичным математикам, обожающим подсчитывать всё на свете, давно хотелось узнать ответ на фундаментальный вопрос: сколько всего частиц во Вселенной? Учитывая, что приблизительно 5 триллионов атомов водорода могут поместиться на одной лишь головке булавки, при этом каждый из них состоит из 4 элементарных частиц (1 электрон и 3 кварка в протоне), можно с уверенностью предположить, что число частиц в наблюдаемой Вселенной находится за гранью человеческого представления.

Как бы то ни было, профессор физики Тони Падилла из Нотингемского университета разработал способ оценки общего количества частиц во Вселенной, не принимая в расчет фотоны или нейтрино, поскольку у них отсутствует (вернее, практически отсутствует) масса:

Для своих расчетов ученый использовал данные, полученные с помощью телескопа Планка, которые использовались для измерения реликтового излучения, являющегося самым старым из видимого светового излучения во Вселенной и, таким образом, формирующего подобие ее границы. Благодаря телескопу, ученые смогли оценить плотность и радиус видимой Вселенной.

Другая необходимая переменная — это доля вещества, содержащаяся в барионах. Эти частицы состоят из трех кварков, и наиболее известными барионами на сегодняшний день являются протоны и нейтроны, а потому в своем примере Падилла рассматривает именно их. Наконец, для расчета необходимо знание масс протона и нейтрона (которые примерно совпадают друг с другом), после чего можно приступать к вычислениям.

Что делает физик? Он берет плотность видимой Вселенной, умножает ее на долю плотности одних лишь барионов, а затем умножает результат на объем Вселенной. Получившуюся в результате массу всех барионов во Вселенной он делит на массу одного бариона и получает общее количество барионов. Но барионы нам не интересны, наша цель — элементарные частицы.

Известно, что каждый барион состоит из трех кварков — как раз они-то нам и нужны. Более того, общее число протонов (как все мы знаем из школьного курса химии) равно общему числу электронов, которые тоже являются элементарными частицами. Помимо этого, астрономы установили, что 75% вещества во Вселенной представлено водородом, а оставшиеся 25% - гелием, прочими же элементами при расчетах такого масштаба можно пренебречь. Падилла вычисляет количество нейтронов, протонов и электронов, после чего умножает две первые позиции на три — и у нас наконец есть итоговый результат.

3.28х10 80 . Более трех вигинтиллионов.

328.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.

Самое интересное, что, с учетом масштаба Вселенной, эти частицы не заполняют даже большую часть от ее общего объема. В результате, на один кубометр Вселенной приходится лишь одна (!) элементарная частица.