Ядерная физика. Физика элементарных частиц

Курс лекций по строительной механике
Задачи по строительной механике
Лабораторные работы по электронике
Лекции по сопромату, теория, практика,
задачи
Деформации и перемещения при
кручении валов
Определение опорных реакций
Внутренние силы. Метод сечения
Курс высшей математики
Дифференциальное исчесление
Основные правила дифференцирования
Дифференциал функции
Производные и дифференциалы
высших порядков
Решение типовых задач
Типовой расчет по высшей математике
Образец выполнения типового расчёта
Интегрирование
Производная и дифференциал
функции двух переменных
Задачи приводящие к понятию
определенного интеграла
Курс лекций по физике
Анализ колебаний в нелинейных цепях
Линейные параметрические цепи
Начертательная геометрия
Компьютерные информационные технологии
Корпоративные информационные системы
Корпоративные сети
Администрирование компьютерных сетей.
Средства управления безопасностью сетей
Курс лекций по истории искусства
Культура ранних цивилизаций
Культура Древнего Египта
Культура Древней Индии
Корпоративные информационные системы
Основная идея технологии "клиент-сервер"
Сетевое обеспечение корпоративных
информационных систем
Корпоративные базы данных
Энергосберегающие технологии
Системы теплоснабжения
Развитие нетрадиционной энергетики
Ветроэнергетика в России
Солнечная энергетика в России
Гелиоэнергетика.
Геотермальная энергия
Мини-теплоэлектростанция на отходах
Использование водной энергии земли
Лекции по электротехнике
Линейные цепи постоянного тока
Источник ЭДС и источник тока
Электрические цепи с взаимной
индуктивностью
Магнитное поле и магнитные цепи
Электрические машины переменного тока
Энергетический баланс асинхронного
двигателя
Однофазный асинхронный двигатель
Лекции по электронике
Биполярные транзисторы
Электронные усилители и генераторы
Источники питания электронных устройств
Трехфазные выпрямители
Цифровой измерительный прибор
Измерение тока и напряжения
Гальванические преобразователи
 

Параллельно с развитием идей квантовой теории развивались представления о строении материи. Одна из первых моделей атома была предложена в 1904 году Дж.Томсоном.

В 1911 году Э.Резерфорд в экспериментах по рассеянию -частиц на тонкой золотой фольге установил, что атом имеет сложную структуру - он состоит из положительно заряженного ядра размером в несколько Ферми (1Фм=10-13см) и электронной оболочки

Для детального исследования внутренней структуры ядер используют электроны c энергией >100 МэВ. Пионерские исследования рассеяния электронов атомными ядрами были выполнены Р.Хофштадтером.

Масса ядра измеряется в атомных единицах массы (а.е.м). За одну атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы нейтрального атома углерода 12 С:

Атомные ядра представляют собой связанные квантовые системы фермионов. Свойства атомных ядер определяются совместным действием сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий.

В капельной модели ядро рассматривается как сферическая капля несжимаемой заряженной ядерной жидкости радиуса R=r0A1/3.

Внутренний электрический квадрупольный момент ядра Q0 измеряется в системе координат ядра. Величина внешнего электрического квадрупольного момента ядер Q измеряется в лабораторной системе координат

Способность ядер самопроизвольно распадаться, испуская частицы, называется радиоактивностью.

Магнитный дипольный момент ядра определяет энергию взаимодействия ядра E с однородным магнитным полем

Альфа-распад - распад атомных ядер, сопровождающийся испусканием альфа-частиц

Бета-распад - спонтанное превращение ядра (A,Z) в ядро-изобар (A,Z+1) в результате испускания лептонов (электрон и антинейтрино, позитрон и нейтрино), либо поглощения электрона с испусканием нейтрино (е-захват).

Гипотеза нейтрино была выдвинута В. Паули в 1930г., чтобы спасти законы сохранения энергии, импульса и момента количества движения в бета-распаде.

Гамма-излучение ядер. Электрические и магнитные гамма-переходы

Фред Райнес и Клайд Коуэн в центре управления хэнфодского эксперимента

Согласно модели Юкавы, механизм ядерного взаимодействия заключается в обмене виртуальным мезоном между нуклонами В модели ядерных оболочек нуклоны рассматриваются как независимые частицы в самосогласованном потенциале, создаваемом всей совокупностью нуклонов в ядре.

Дейтрон - ядро, состоящее из одного протона и одного нейтрона. Изучая свойства этой простейшей ядерной системы (энергию связи дейтрона, спин, магнитный и квадрупольный моменты) можно подобрать потенциал, описывающий свойства нуклон-нуклонного взаимодействия.

Резонансное возбуждение атомных уровней фотонами от источника из того же вещества легко наблюдается. Иначе обстоит дело для атомных ядер

Степени свободы ядра можно разделить на одночастичные и коллективные

По мере удаления от заполненных оболочек минимум потенциальной энергии может соответствовать деформированному ядру.

Согласно модели Бора ядерная реакция протекает в два этапа.

Деление атомных ядер было открыто при бомбардировке нейтронами ядер урана.

На современном уровне знания фундаментальными частицами вещества считаются кварки и лептоны. Они имеют полуцелый спин и являются фермионами.

В ядерных реакция, идущих при относительно небольших энергиях налетающих частиц (<100МэВ) выполняется ряд законов сохранения: Эти пять законов сохранения выполняются во всех типах реакций, идущих под действием сильных электромагнитных и слабых взаимодействий

Связь характеристик частиц и античастиц

Явление внутренней конверсии состоит в том, что атомное ядро, находящееся в возбужденном состоянии с энергией Ei может перейти в состояние с меньшей энергией Ef, передав энергию Wif =Ei-Ef одному из электронов атомной оболочки

Исторически первым указанием на сложную внутреннюю структуру протона и нейтрона явились результаты измерения их магнитных моментов

Открытие большого количества частиц, исследование механизмов их взаимодействий и распадов привело к необходимости введения новых характеристик частиц - новых квантовых чисел.

В 1928 году П. Дираком на основании анализа релятивистского уравнения было предсказано существование позитрона

Все сильновзаимодействующие частицы состоят из кварков; кварки являются фермионами; по современным представлениям они бесструктурны.

Адроны состоят из кварков . Они участвуют во всех видах взаимодействий

Изоспин ядра равен векторной сумме изоспинов всех его нуклонов

В начале 60-х годов был открыт класс частиц, которые получили название резонансов.

В течение 10 лет, последовавших за открытием пиона в 1947 году, в результате изучения космических лучей и экспериментов на вновь построенных ускорителях высоких энергий таблица элементарных частиц начала быстро пополняться новыми элементарными частицами.

Поляризация частицы это состояние частицы с преимущественной ориентацией ее спина вдоль некоторого выбранного направления

Операция пространственной инверсии Р заключается в следующем преобразовании координат частиц

Электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие можно описать с помощью обмена квантами соответствующих полей - фотонами

Подозрения на то, что в слабых взаимодействиях не сохраняется пространственная четность возникли в связи с наблюдаемыми распадами K+-мезонов, которые распадались как на 2, так и на 3 пи-мезона с нулевыми относительными орбитальными моментами.

Слабые распады бывают трех типов: лептонные (без участия адронов), полулептонные (с участием лептонов и адронов) и безлептонные или адронные (без участия лептонов).

Комбинированная инверсия CP является последовательной комбинацией С и Р преобразований

Нейтральные каоны нарушают CP- симметрию

Операция обращения времени сводится к замене

Так как адроны состоят из кварков, то их структура, в основном, определяется сильным и электромагнитным взаимодействиями

Частицу и античастицу отличают знаки зарядов (электрического заряда (Q), барионного числа (B), лептонных чисел

Космические лучи были открыты в 1912 г. В.Гессом. Различают первичные космические лучи - космические лучи до входа в атмосферу и вторичные космические лучи, образовавшиеся в результате процессов взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли.

Распад протонов из основного состояния ядра

Изомеры - долгоживущие возбужденные состояния атомных ядер.

В рамках квантовой теории поля Людерсом и Паули была доказана фундаментальная теорема

В 1939 году Г.Бете впервые рассмотрел CNO-цикл как один из путей образования гелия из водорода в звездах.

Открытие c-кварка оказалось, несмотря на теоретические предсказания, полной неожиданностью

Прецизионные измерения сечений e+e- взаимодействий в области энергий E~9ГэВ привели к открытию нового семейства частиц (красивые частицы), имеющих в своем составе новый b-кварк

Основная цель исследований в области ядерной физики состоит в изучении природы взаимодействия системы конечного числа нуклонов, понимании того, как соотносятся силы взаимодействия между нуклонами с более фундаментальными взаимодействиями, как отличаются свойства и взаимодействия свободных нуклонов и нуклонов в ядерной среде

В квантовой теории поля взаимодействия между частицами рассматривается как обмен виртуальной частицей.

Барионное число B-квантовая характеристика частиц отражающая установленный на опыте закон сохранения числа барионов

Все наблюдаемые в настоящее время частицы можно разбить на три большие группы

Анализ реакций с образованием очарованных частиц и последующего их распада представляет собой довольно сложную проблему Кварковая модель позволяет качественно описать структуру адронов, получить их квантовые числа. Особое место занимают мезоны для которых кварковая модель позволяет количественно рассчитать спектры масс

Простейшая кварковая модель столкнулась с проблемой нарушения принципа Паули

Мюоны были впервые обнаружены в 1936 году в составе космических лучей. лептон был открыт в 1975 году

Глюоны - частицы со спином J=1 и нулевой массой переносят сильное цветное взаимодействие между кварками После открытия b-кварка было установлено существование трех кварков (d, s, b) с электрическим зарядом Q=-1/3 и двух кварков (u, c) с зарядом Q=+2/3.

Имелись веские теоретические аргументы в пользу существования шестого, самого тяжелого кварка с зарядом Q=+2/3.

Квантовая электродинамика описывает взаимодействие электронов, мюонов, тау-лептонов и фотонов - частиц нечувствительных к сильному взаимодействию.

Окружающий нас мир состоит из различных химических элементов. Как образовались эти элементы в естественных условиях? В настоящее время общепризнанной является точка зрения, что элементы, из которых состоит Солнечная система, образовались в ходе звездной эволюции.

Распространенностью элементов называется число ядер данного элемента в веществе, приходящееся на определенное число ядер эталонного элемента. В качестве эталонного элемента обычно выбирают водород или кремний.

Бете и Вайцзеккер показали, что возможны две различные последовательности реакций преобразования 4-х ядер водорода в ядро 4He, которые могут обеспечить достаточное выделение энергии для поддержания светимости звезды:

Когда температура в центральной части звезды, содержащей гелий, достигает 108 K, включается новая ядерная реакция - горение гелия.

Горение углерода начинается при температуре около 8·108 K и плотности ~ 105 г/см

Характерные условия горения кремния - температура (3 - 5)·109 K, плотность 105 - 106 г/см3. С началом горения кремния происходит изменение процесса горения Интервал времени 102 с - 103 с представляет особый интерес.

В этот временной интервал остается в основном излучение (и нейтрино), находящееся в тепловом равновесии с небольшой примесью e-, e+ и нуклонов

Распространенность элементов, расположенных в области за железом, относительно слабо зависит от массового числа A.

Основываясь на современных представлениях об эволюции Солнца и составе солнечного вещества, можно утверждать, что 98% солнечной энергии генерируется в результате реакций pp - цепочки, а CNO-цикл поставляет лишь 2% солнечной энергии.

В стандартной модели лептоны и кварки группируются в левоспиральные дублеты - поколения

Наряду с механизмом ядерной реакции, идущей через составное ядро, когда в процесс взаимодействия вовлекается все ядро, возможен и другой механизм, когда налетающая частица взаимодействует лишь с небольшим числом нуклонов ядра.

Физика элементарных частиц

Математическую основу теории относительности составляют преобразования Лоренца координат x, y, z и времени t, при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой инерциальной системе.

В 1900 г. была опубликована работа М. Планка, посвященная проблеме теплового излучения тел.    

Наличие у частицы волновых свойств приводит к тому, что в квантовой физике ей сопоставляется волновая функция (x,y,z,t).

Волновая функция, описывающая движение свободной частицы с заданным значением импульса p имеет вид волны де Бройля

Открытие атомного ядра и частиц явилось результатом изучения строения вещества, основанном на достижениях физики конца XIX века.

Фундаментальные частицы можно разбить на два типа - на частицы вещества - фундаментальные фермионы и калибровочные бозоны, переносящие взаимодействия между частицами вещества.

Одним из главных свойств частиц является их способность превращаться друг в друга, рождаться и  уничтожаться в результате взаимодействия.

Состояние классической частицы в любой момент времени описывается заданием ее координат и импульсов

Сечение - величина, определяющая вероятность перехода системы взаимодействующих частиц в определенное конечное состояние

Для анализа результатов различных экспериментов, важно знать какие процессы происходят при взаимодействии частицы с веществом мишени

При столкновении частиц могут происходить различные реакции

При неупругом рассеянии электрона на протоне возбуждаются внутренние степени свободы протона

Тождественны ли нейтрино и антинейтрино?

Сегодня кажется почти неправдоподобным, сколько открытий в физике атомного ядра было сделано с использованием природных источников радиоактивного излучения с энергией всего лишь несколько МэВ и простейших детектирующих устройств

Для того чтобы исследовать свойства материи на расстояниях меньше чем 10-12 см. необходимо иметь пучки ускоренных частиц, энергия которых превышает десятки МэВ.

Лептонные числа аддитивное квантовое число, которое сопоставляется каждому поколению лептонов

Большинство наблюдаемых частиц является частицами нестабильными  

К середине шестидесятых годов число обнаруженных сильновзаимодействующих элементарных частиц - адронов перевалило за 100.

Возникла уверенность, что наблюдаемые частицы не отражают предельный элементарный уровень материи. Вскоре после открытия нейтрона стало ясно, что протон и нейтрон очень похожи по своим свойствам

Окружающий нас мир имеет сложную многоуровневую иерархическую структуру

Каждой физической величине F в квантовой теории сопоставляется линейный оператор

Собственные значения и собственные функции оператора квадрата момента

Гиперон является сильновзаимодействующей частицей - адроном снимок пузырьковой камеры, где виден процесс рождения и распада

Известно 4 различных K-мезона с примерно одинаковыми массами

Пи-мезоны являются членами одного изоспинового триплета

А. Пайс и О. Пиччиони предсказали специфическую особенность взаимодействия K0-мезонов с ядрами - осцилляцию в пучке нейтральных K-мезонов.

Пространственная четность P характеризует поведение волновой функции при зеркальном отражении

Развитие ядерной физики в большой степени определяется исследованиями в такой важной ее области, как ядерные реакции

Одной из фундаментальных проблем является объяснение асимметрии между числом барионов и антибарионов во Вселенной

Электрон был открыт в 1897 г. Дж. Томсоном в экспериментах с катодными лучами.

Мюоны и тау-лептоны - нестабильные частицы

Класс лептонов образуют 6 частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях

Все мезоны и барионы за исключением протона нестабильны и большинство из них распадается в результате сильных взаимодействий Z-бозоны были открыты в экспериментах, выполненных на ускорителе ЦЕРНа на встречных протон-антипротонных пучках

Одной из важных особенностей физики элементарных частиц на начальном этапе было различие между различными типами взаимодействий.

Наиболее тяжелыми стабильными ядрами являются изотопы свинца (Z = 82) и висмут (Z = 83).

Ограничения на существование атомных ядер есть и со стороны сверхтяжелых элементов

В естественных условиях на Земле существует около 40 альфа-радиоактивных изотопов

Процесс измерений в физике микромира можно описать с помощью следующей упрощенной схемы

Наряду с частицами имеющими единичную странность были обнаружены, частицы со странностью

Процесс аннигиляции занимает особое место в физике частиц

В отличие от частиц в классической физике, квантовые частицы не просто одинаковы, но и неразличимы - тождественны

Собственный момент количества движения - спин нуклона

История Вселенной Сингулярность

Частица массы m находится в одномерной потенциальной яме бесконечной глубины

Естественная радиоактивность обусловлена радиоактивными изотопами (нуклидами)

Сечение ядерной реакции - величина характеризующая вероятность перехода системы двух взаимодействующих частиц в определенное конечное состояние.

Радиоактивное семейство

Сопромат, механика, информатика. Теория, практика, задачи Математика, физика