Законы радиоактивного распада

Исторически сложилось, что α –, β – и γ – превращения ядер активных элементов, стали называться распадом, а соответствующие количественные зависимости величин, меняющихся в процессе от времени, законами радиоактивного распада.

Экспериментально установлено, что для любых препаратов радиоактивных веществ, количество активных ядер N, претерпевших превращение за единицу времени, уменьшается пропорционально числу активных (не распавшихся) ядер к моменту времени t от начала измерений.

Обозначая N₀ – количество активных ядер в начальный момент времени t = 0, после потенцирования получим закон радиоактивного распада.

.

Закон показывает, какое количество не распавшихся (активных) ядер осталось в препарате к моменту времени t, если в начальный момент времени их было N₀. Величина λ является константой для вещества, содержащего одинаковые изотопы, и называется постоянной распада.

λ = (ln2)/ Т

ВРЕМЯ

A₀

Т

A₀/2

t

A

2Т

График зависимости активности препарата от времени представлен на рисунке.

Кроме научных физических исследований, закон радиоактивного распада получил широкое применение в решении проблем датирования пород (геология), датирования останков и древних предметов (археология), определения «возраста» планеты и метеоритов (геохронология).

Лекция 27. Физика атомного ядра и элементарных частиц. Теория великого объединения взаимодействий.

План лекции:

1. Рассмотрим классификации элементарных частиц..

2. Рассмотрим современную классификацию частиц на принципах симметрии.

3. Представим логику естественнонаучной модели Мира.

Объектами исследования являются элементарные частицы, образующие ядро и фундаментальные частицы, определяющие все типы взаимодействия в природе.

Ядро было открыто в опытах Резерфорда, как основная массивная часть атома. По результатам исследований космического излучения, реакций распада неустойчивых (радиоактивных) ядер и столкновения частиц на ускорителях, было доказано, что в состав ядра входят заряженные положительно массивные (по сравнению с электроном) частицы, названные протонами и электрически нейтральные массивные частицы, названные нейтронами. Общее название этих частиц – нуклоны - от латинского «нуклеос» – ядро. Сложим количество протонов Z, определяющих заряд ядра с количеством нейтронов N и мы получим состав ядра: A = Z + N. Так как, в состав ядра входят одноименные заряды (протоны), то устойчивость ядра любого элемента в периодической системе Менделеева может быть понятна только на основе введения неэлектрического (а тем более негравитационного) взаимодействия, так как одноименные заряды отталкиваются и что-то должно их удерживать. Этот новый тип взаимодействия был назван ядерным или сильным взаимодействием и ему соответствует поле сильного взаимодействия. Ядро представляют как конденсированные капельки жидкости, то есть как плотную упаковку нуклонов (Рисунок).

Активное ядро.

Ядро и окружающие его электроны. Траектории электронов показаны как их средние расстояния от ядра. Ядра обладают магнитными свойствами (стрелка p _m). Протоны и нейтроны в ядре отмечены различным цветом. Отмечены электроны не принадлежащие атому и вылетающие из ядра при β^- - превращении.

Вылет из ядра, образовавшихся в нем электронов, называется β^- -радиоактивным превращением ядра. В этом процессе нейтрон превращается в протон с образованием электрона и антинейтрино:

n → p⁺ + e^- + ν_e^∼.

Самопроизвольное превращение нейтрона в протон, электрон и антинейтрино при β^- - распаде ядра показывает, что и элементарные частицы бывают неустойчивыми. Внутри них действуют силы неэлектрического и несильного взаимодействия. Этот тип взаимодействия, «отвечающий» за устойчивость элементарных частиц, назван слабым взаимодействием. Следовательно, существует и поле слабого взаимодействия. Все внутренне неустойчивые частицы участвуют в слабом взаимодействии. Началось исследование реакций превращения не только ядер, но и элементарных частиц.

Важнейшим этапом любых исследований в любой науке является этап

к л а с с и ф и к а ц и и. Первая классификация элементарных частиц, была произведена в 50е годы 20-го столетия. Классификационным признаком была выбрана масса, так как одна такая классификация по массам для атомов различных веществ, привела к открытию периодического закона. Это была классификация, предложенная Менделеевым. Но в случае с элементарными частицами, никакого понятного закона их распределения по массам обнаружено не было. Закрепились лишь названия групп частиц, массы которых были близки (таблица). Безмассовая частица (не имеющая массу покоя) – фотон, в эту классификацию не вошла.

Классификация элементарных частиц по массе.

Следующую классификацию стали искать «по свойствам». При этом обнаружилась «красота» мира элементарных частиц, то есть его симметрия. Вначале расширился круг законов сохранения. Появились лептонные (L), барионные (B) заряды, гиперонные заряды (странность (S)) и «изоспин» (T).

Каждой новой величине ставились в соответствие квантовые числа – что-то вроде величин «зарядов» частиц. Их появление оказалось связано с анализом огромного количества реакций превращений в мире элементарных частиц.

Например, при превращении нейтрона в другие элементарные частицы:

n → p⁺ + e^- + ν  выполняются законы сохранение количества барионов до превращения и после, количества лептонов «до» и «после», но при этом, соответствующие им «заряды» (барионный и лептонный), отражающие это количество, для частиц характеризуются положительными числами, а для античастиц – отрицательными.

Эти реакции, в свою очередь, были зафиксированы либо в космическом излучении, либо на ускорителях. Техника измерений совершенствовалась. Наконец одна из классификаций частиц, участвующих в сильном взаимодействии, привела к положительному результату. Весь класс адронов был разбит на симметричные подгруппы в пространстве (в системе координат), основанном на барионном заряде B, странности S (точнее на их сумме B+S = Y, названной гиперзарядом) и на изоспине T (см.рисунок).

Поясним на простом геометрическом примере появление симметрии, то есть «сохранности» выбранного объекта (в данном случае, точки в пространстве), после преобразования в этом пространстве, например, после поворота.

Частицы в системе координат (Y,T) и гипотеза о кварках.

В группе элементарных частиц, известных к 1970 году не существовало частицы Ω^- - гиперона (рис.2) на рис. 12, а также в полной группе симметрии, описывающей нарисованные подгруппы языком математики, должна была существовать небольшая подгруппа из трех частиц с «дробными» зарядами (рис.3) на рис. 12. На основе свойств этих трех частиц удалось объяснить существование всех адронов, включая мезоны и нуклоны (рис.12).

Три новых необычных частицы были названы «кварками» (название было предложено Гелл-Маном). Вскоре на ускорителе удалось наблюдать треки, соответствующие Ω^- - гиперону. С этого момента кварковая модель получила экспериментальное подтверждение. Кварки и лептоны становятся основными частицами, из которых строится вещество в Природе. Оставалось выяснить, как частицы взаимодействуют друг с другом.

Понятие о теории Великого объединения взаимодействий.

Из электродинамики, которую надо рассматривать на квантовом языке, взаимодействие осуществлялось «полевой» частицей – фотоном. Обмениваясь фотонами, во взаимодействие вступали частицы, заряженные электрическим (кулоновским) зарядом. Межмолекулярные и межатомные взаимодействия также можно было описать как обмен парами электронов. Появилась в химии ковалентная связь, как перекрывание «электронной плотности» при взаимодействии. Из этих фактов возникла простая идея, все типы взаимодействия объяснять как «обмен частицами». Эти полевые частицы, отвечающие за взаимодействие, были обобщенно названы «бозонами». (По имени индийского физика Бозе). К бозонам относится и фотон. Но если все взаимодействия можно рассматривать как «обменные», то и все поля имеют общую природу или как электрическое и магнитное поля их можно объединить. Вначале (к 1980 году) такое объединение было завершено теоретически, а затем на ускорителях найдено подтверждение существования еще трех (кроме фотона) W⁺, W^-, Z⁰ - бозонов слабого взаимодействия, которые были предсказаны теорией.

Схема Великого объединения взаимодействий.

Тип взаимодействия стал называться электрослабым взаимодействием. Последний этап объединения электрослабого взаимодействия с сильным теоретически завершился около 2000 года и сейчас доказывается на Большом Адронном Коллайдере. Поставлена и решена (2013г.) задача экспериментального обнаружения бозона Хиггса, предсказанного теорией. Сама теория получила название Теории великого объединения (ТВО).

Гравитационное взаимодействие не включено в объединенную теория потому, что влияние гравитации на этом уровне слишком мало и проверить экспериментально такую общую теорию (она названа «теорией супергравитации») пока невозможно.

Почему же мы живем в мире, определяемом не ТВО, а в мире, в котором все взаимодействия разделены? Или, другими словами, при каких условиях все взаимодействия становятся неразличимыми? Как оказалось при очень малых расстояниях, действительно, результаты взаимодействия, независимо от типа, одинаковы.

10^-34) 10^-29 10^-15 10^-10 (10^-9 10^-7 ) ( 10^-6 10⁰) 10⁷ 10¹² (10²⁵

Масштабную шкалу расстояний в природе разделим на микро-, макро-, и мегамир, но в отличии от предидущих лекций, в которых мы неоднократно к ней обращались, в материале последней лекции курса основное мнимание уделим левой границы шкалы. Начиная с расстояний 10^-34м, мы пока еще не имеем почти никакой информации о структуре физических объектах.

Расстояние в макромире, в котором существует человек, как мы выяснили, составляет на шкале число 10⁰ метров. Из астрономии (правая граница шкалы) известно, что наиболее удаленные от нас галактики находятся на расстоянии 14 млрд. световых лет. Эта величина приближенно определяет расстояние 10²⁵ метра (иногда называемое «горизонтом событий»). Минимально известное расстояние 10^-34 метра, определяется расчетным путем на основе так называемых планковских величин, полученных из комбинации основных констант в природе: h - потоянной Планка, G - гравитационной постоянной и c – скорости света. Сами эти константы входят в важнейшие физические формулы для энергии, характеризующей микро- макро- и мегамир:

E = mc²; E = hν; F_гр = Gm₁m₂/r²; (E_гр = Gm₁m₂/r)

Дата добавления: 2013-12-13