Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Елементарні частинки

План

ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ ТА ЇХ ВЛАСТИВОСТІ. ЧАСТИНКИ ТА АНТИЧАСТИНКИ. ВЗАЄМНІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЧАСТИНОК І КВАНТІВ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

1.ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ

2.УЗАГАЛЬНЕННЯ І СИСТЕМАТИЗАЦІЯ ЗНАНЬ З ТЕМИ "АТОМ І АТОМНЕ ЯДРО"

Здавна вчені намагалися знайти найменші «цеглинки» матерії, які б допомогли зрозуміти ієрархічну структуру будови речовини. Спочатку, у давніх греків, це були атоми як неподільні частинки, з яких складаються, всі тіла (Демокрит, Епікур). На початку XIX ст. це поняття було конкретизоване в дослідженнях хіміків і набуло значення найдрібнішої частинки речовини, що визначає її хімічні властивості (Я. Берцеліус, Дж. Дальтон, А. Авогадро).

Наприкінці XIX ст., після відкриття електрона (Дж. Томсон) і ґрунтовного дослідження явища радіоактивності (А. Беккерель, Мер і Марія Кюрі), вчені засумнівалися в елементарності атома і припустили, що він має складну будову. На початку XX ст. Е.Резерфорд підтвердив це експериментально і запропонував ядерну модель атома, згідно з якою ядро — теж складне утворен¬ня. У 1919 р. він відкрив нуклон, що має позитивний заряд, незваний протоном. Інша частинка — нейтрон, нки іходить до окладу ядр;і і не маг електричного заряду, була відкрита у 1932 р. Дж. Чедвіком.

Для пояснення обмінного характеру сильної взаємодії нуклонів у ядрі X. Юкава у 1935 р. висловив гіпотезу про існування пі-мезонів, які були виявлені в космічних променях у 1947 р. (С. Пауел). Раніше, у 1932 р. у складі космічних променів була виявлена перша античастинка — позитрон (К. Андерсон). Загалом дослідження космічних променів у 40—50-х роках XX ст., які виявили багато нових мікрочастинок, змусили вчених інакше поглянути на проблему їх елементарності. За сучасними уявленнями це не просто первинні неподільні частинки, що входять до складу матеріального світу, а специфічні об'єкти, яким, окрім іншого, властивий особливий вид фундаментальної взаємодії — так звана слабка взаємодія. За інтенсивністю слабка взаємодія в багато разів менша за сильну і навіть електромагнітну взаємодії (приблизно в 1014 разів). Проте вона значно більша за гравітаційну взаємодію, оскільки маси елементарних частинок надто малі і радіус їхньої взаємодії становить лише 10-18 м.

Усі елементарні частинки характеризуються малими розмірами (у більшості з них порядку 10-15 м) і незначними масами. Це зумовлює квантову специфіку їхньої поведінки — вони підлягають квантовим закономірностям і властивостям утворюватися (випромінюватися) або зникати (поглинатися) внаслідок взаємодії.

Нині відомо понад 350 елементарних частинок і відкриття їх триває.

Загальними характеристиками елементарних частинок є їхня маса m, електричний заряд q, спін s і час життя t. Окремі з них характеризуються також особливими величинами — лептонним зарядом, баріонним зарядом тощо. Як правило, всі вони визначаються у відносних одиницях, кратних певним значенням, наприклад, масі чи електричному заряду електрона, сталій Планка тощо.

Масу елементарних частинок виражають числом, кратним масі електрона; електричний заряд — в одиницях, кратних заряду електрона е; спін — кратний значенню сталої Планка h.

Отже, кожна елементарна частинка має набір дискретних квантових чисел, що визначають її специфічні властивості, за якими їх можна класифікувати (табл. 8.1).

Залежно від властивого їм типу взаємодій усі елементарні частинки, крім фотона, поділяються на дві основні групи: адрони, які беруть участь в усіх типах взаємодій — гравітаційній, електромагнітній, сильній і слабкій, та лептони, яким не властива сильна взаємодія.

За часом життя елементарні частинки поділяють на стабільні (фотон, електрон, протон, нейтрино, відносно стабільний нейтрон), квазістабільні (t > 10-20 с), які розпадаються внаслідок електромагнітної чи слабкої взаємодії, і нестабільні (t < 10-22 с), які розпадаються внаслідок сильної взаємодії.

У фізиці існують й інші класифікації елементарних частинок. Зокрема, їх можна поділити на частинки й античастинки (електрон— позитрон, нейтрино—антинейтрино); за значенням спінового квантового числа, яке може бути цілим або напівцілим, адрони поділяють на бозони і баріони. Бозони з нульовим спіном називають мезонами. Цю класифікацію можна продовжити на основі значень різних квантових чисел.

Назви кварків походять від анг лійських слів: up — угору, down - униз, strange — дивний, charm - зачарування, beauty — привабли вість, краса, truth — істина.

Дослідження елементарних частинок високих енергій (~ 10 ГеВ) за допомогою прискорювачів показало, що лептони не мають якоїсь структури, тобто справді є елементарними частинками. Водночас адрони виявили властивості, яківказують на те, що вони мають певну структуру і складаються з кількох «елементарніших» частинок. У 1964 р. американські вчені М. Гелл-Манн і Дж. Цвейг незалежно один від одного запропонували кваркову модель адронів. Вони вважали, що всі адрони можна будувати, комбінуючи три кварки (для баріонів) або кварк та антикварк (для мезонів). Цим трьом кваркам були присвоєні імена: u, d, s.

Згодом з'ясувалося, що побудувати все розманіття елементарних частинок за допомогою трьох кварків не вдається, тому їх набір доповнили ще трьома c, b, t. Сукупність із шести кварків та їхніх анти-кварків дає змогу розкрити складну структуру всіх відомих на сьогодні адронів.

Отже, дослідження елементарних частинок і пояснення механізмів їх перетворення за допомогою слабкої взаємодії створило цілісне уявлення сучасної фізичної картини світу на основі чотирьох фундаментальних взаємодій. Водночас теоретичні пошуки їх об'єднання в єдину фізичну теорію (так зване «велике об'єднання»), спроможну дати цілісне трактування законів фізичного світу, поки не мали успіху, хоча окремі здобутки в цьому вже є. Так, в останні роки створена єдина теорія електромагнітної і слабкої (електрослабкої) взаємодії. Квантовий опис гравітаційної взаємодії на основі гіпотетичних частинок — гравітонів наближає вчених до цілісного розуміння картини світу як єдиної фізичної суті природи.

ЗАПИТАННЯ

1. Як у фізиці розвивалися уявлення про ієрархічну структуру речовини в пошуку її елементарних найдрібніших частинок?

2. Який тип фундаментальних взаємодій характерний для елементарних частинок? Дайте його коротку характеристику.

3. Набір яких величин визначає властивості елементарних частинок?

4. На які дві основні групи поділяють елементарні частинки? Які ще класифікації елементарних частинок можуть бути?

5. У чому полягає суть кваркової моделі елементарних частинок?

2.УЗАГАЛЬНЕННЯ І СИСТЕМАТИЗАЦІЯ ЗНАНЬ З ТЕМИ "АТОМ І АТОМНЕ ЯДРО"

• Ядерна модель атома, запропонована Е.Резерфордом, передбачає, що практично вся його маса зосереджена в ядрі. Однією з найпоширеніших є оболонкова протонно-нейтронна модель ядра атома: атомне ядро складається з нуклонів — протонів і нейтронів, що розміщуються певними групами, утворюючи ядерні оболонки. Загальне число нуклонів дорівнює масовому числу А; число протонів дорівнює заряду ядра Z, число нейтронів N = А - Z Ядерні оболонки заповнюються згідно з принципом Паулі: два тотожні нуклони не можуть одночасно перебувати в однаковому квантовому стані, тобто характеризуватися одним і тим самим набором квантових величин.

• Нуклони в ядрі утримуються завдяки ядерним силам, які є проявом сильної взаємодії. За своєю природою вони короткодіючі (г~ 10-15 м), але дуже інтенсивні. Зв'язаний стан нуклонів в ядрі характеризується енергією зв'язку:

• Ядра важких елементів, як правило, нестабільні. Тому вони є радіоактивними ізотопами і можуть самочинно перетворюватися в інші хімічні елементи завдяки випромінюванню мікрочастинок або шляхом поділу на більш стійкі утворення. Існує три види радіоактивного випромінювання: альфа-, бета- і гамма-промені. Вони утворюються внаслідок радіоактивних перетворень:
— альфа-розпаду, коли перетворення нестійкого ізотопу в інший хімічний елемент супроводжується випромінюванням альфа-частинки

— бета-розпаду — випромінювання ядром електрона чи позитрона, яке супроводжується утворенням нового хімічного елемента
— спонтанного поділу ядер, коли утворюється кілька більш легких ядер, наприклад, поділ Урану на ядро Барію (Z = 56) і ядро Криптону (Z = 36).

• Характерною ознакою радіоактивних ізотопів є період піврозпаду Т — час, за який кількість ядер радіоактивного ізотопу зменшується вдвоє. Радіоактивний розпад відбувається за законом:

• Період піврозпаду Т характеризує активність радіонукліда А, тобто кількість розпадів атомних ядер за 1 с.

• Для характеристики пилину випромінювання на речовину використовують дозиметричні величини:
— поглинуту дозу випромінювання тобто відношення енергії іонізуючого випромінювання до маси речовини;
— експозиційну дозу випромінювання, тобто його здатність іонізувати атоми і молекули речовини;
— потужність дози випромінювання тобто віднесення її до одиниці часу;
— біологічний еквівалент рентгена, який враховує вид іонізаційного випромінювання і його потужність у впливі на живі організми.

• Перетворення атомних ядер одних елементів в інші внаслідок зовнішнього впливу, наприклад, бомбардування ядер мікрочастинками, називається ядерною реакцією. Ядерні реакції характеризує енергетичний вихід — різниця енергій ядер і частинок до і після реакції. Енергетично вигідними вважаються ядерні реакції, в результаті яких енергія виділяється, наприклад реакція поділу Урану. Завдяки потоку вивільнених нейтронів вона може розвиватися як ланцюгова. Для цього необхідно підтримувати незмінним потік нейтронів і створити умови, щоб вони проникали до ядра Урану. Мінімальна маса, за якої ланцюгова реакція відбуватиметься самочинно, називається критичною масою. Ланцюгові реакції поділу Урану використовують в ядерній енергетиці.

• Дослідження різних мікрочастинок змусили вчених інакше поглянути на проблему їх елементарності — це не просто неподільні частинки, з яких складається матерія, а специфічні об'єкти, яким, окрім іншого, властива слабка взаємодія.

• Усі елементарні частинки характеризуються малими розмірами (у більшості з них порядку 10-15 м) і незначними масами. Це зумовлює квантову специфіку їхньої поведінки — вони підпорядковуються квантовим закономірностям і властивостям утворюватися (випромінюватися) або зникати (поглинатися) внаслідок взаємодії. Загальними характеристиками елементарних частинок є їхня маса m, електричний заряд q, спін s, час життя t, лептонний заряд L, баріонний заряд В тощо, виражених у відносних одиницях, кратних масі чи електричному заряду електрона, сталій Планка тощо.

• Елементарні частинки можна класифікувати за різними ознаками. Наприклад, залежно від властивого їм типу взаємодій їх можна розділити на дві основні труті: адрони, які беруть участь в усіх типах взаємодій — гравітаційній, електромагнітній, сильній і слабкій, та лептони, яким не властива сильна взаємодія. Зокрема, М. Гелл-Манном і Дж. Цвейгом запропонована кваркова модель будови адронів, згідно з якою вони складаються з комбінацій шести різних кварків.

• За часом життя елементарні частинки поділяють на стабільні (фотон, електрон, протон, нейтрино, відносно стабільний нейтрон), квазістабільні (t > 10-20 с), які розпадаються внаслідок електромагнітної чи слабкої взаємодії, і нестабільні (t < 10-22 с), які розпадаються завдяки сильній взаємодії.

• У фізиці існують й інші класифікації елементарних частинок, наприклад, їх поділ за знаком заряду на частинки й античастинки (електрон-позитрон, нейтрино—антинейтрино).

ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ

1. Який склад мають ядра атомів Аl, Аu, Сs?

2. Чим відрізняється ядро атому Урану-235 від ядра атому Урану-238?

3. Знайти енергію зв'язку ядра Літію, якщо його маса дорівнює 11,6475 ·10-27 кг.

4. Атомна маса Хлору дорівнює 35,45 а.о.м. Хлор має два ізотопи: 3517СІ і 3717СІ. Яке процентне співвідношення вони мають?

5. Знайти дефект маси ядра та енергію зв'язку (в джоулях і МеВ), що припадає на 1 нуклон, якщо маса його ядра mNe = 33,1888·10-27 кг.

6. Ізотопи яких елементів утворюються з радіоактивного ізотопу 73Li після його бета-електронного розпаду та наступного альфа-розпаду? Запишіть ці реакції розпаду.

7. Активність радіоактивного елемента за 8 діб зменшилася в 4 рази. Який у нього період напіврозпаду?

8. Період напіврозпаду радіоактивного Купруму становить 10 хв. Яка частка від початкової її кількості залишиться через 1 годину?

9. Які ядра народжуються з радіоактивного Радію внаслідок п'яти альфа-розпадів і чотирьох бета-електронних розпадів?

10. Яка енергія виділяється при синтезі 1 г Гелію з дейтерію і тритію? Скільки вугілля треба спалити, щоб отримати таку саму енергію? Питома теплота згоряння вугілля дорівнює 30 кДж/кг.

11. Потужність дози гамма-випромінювання в зоні радіоактивного зараження дорівнює 0,2 мГр/год. Скільки часу може перебувати людина в цій зоні, якщо гранична доза дорівнює 0,25 Гр?

12. Порівняйте енергії гравітаційної, кулонівської і ядерної взаємодії між двома протонами в ядрі.

 

 

Список літератури для підготовки

 

1. Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 9 кл. серед. загальноосв. шк..- К.: Освіта, 2002.

2. Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 10 кл. серед. загальноосв. шк..- К.: Освіта, 2002. – 319 с.

3. Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 11 кл. серед. загальноосв. шк..- К.: Освіта, 2002. – 319 с.

4. Гончаренко С.У. Фізика: Пробн. навчальний посібник для ліцеїв та класів прородничо-наукового профілю. 10 клас.- К.: Освіта,1995.– 430с.

5. Гончаренко С.У. Фізика: Пробн. навч. посібник для 11 кл. ліцеїв та гімназій науково-природничого профілю.- К.: Освіта, 1995. – 448 с.

6. Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика. 9 кл.: Пробний підручник для загальноосвіт. шк. – К.: Ірпінь: ВТФ «Перун», 2000. – 232 с.

7. Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика. 10 кл.: Підруч. для загальноосвіт.навч. закл. – К.: Ірпінь: ВТФ «Перун», 2002. – 296с

8. Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика. 11 кл.: Підруч. для загальноосвіт.навч. закл. – К.: Ірпінь: ВТФ «Перун»,

9. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів. – К.: Высшая школа, 1983.

10. Гельфгат І.М. та ін. Збірник різнорівневих завдань для державної підсумкової атестації з фізики. – Харків: Гімназія, 2003. – 80 с.

11. Ґудзь В.В. та ін. Фізика: Посібник для підготовки та проведення тематичного оцінювання навчальних досягнень.10 кл. – Тернопіль: Мандрівець, 2002. – 64 с.

12. Кирик Л.А. Фізика – 10. Різнорівневі самостійні та контрольні роботи. Харків: «Гімназія», 2002. – 192 с.

13. Орлянський О.Ю. Фізика. Готуємось до тестування: Зб. задач для абітурієнтів / О.Ю. Орлянський, Р.С. Тутік. – Д.: Вид-во Дніпропетр. нац.ун-ту, 2006. – 232 с.

14. Гладкова Р.А., Добронравов В.Е, Жданов Л.С. Сборник задач и вопросов по физике для средних специальных учебных заведений. –М, Наука, 1980 – 318с.

 

 

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Ядерний реактор. Ядерна енергетика та екологічна безпека | 
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-06; Просмотров: 2940; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.05 сек.