Шпаргалка по "Физике"

Чтобы испытало деление  ядро необходима энергия возбуждения 7,1 МэВ. При захвате теплового нейтрона ядро , переходя в ядро , получает избыток энергии 5,3 МэВ. Для деления необходимо, чтобы нейтрон имел кинетическую энергию не менее 1,8 МэВ. Захват приводит к следующим реакциям:

;

.

 подобно  делится как на тепловых, так и на быстрых нейтронах.

Реакция деления ядер урана может  быть использована для целей промышленного  получения ядерной энергии.

Если в куске урана, плутония вторичные нейтроны вызывают деление прежде, чем они будут захвачены примесями или вылетят за пределы делящегося вещества, то число нейтронов будет неограниченно возрастать. Возникнет саморазвивающаяся цепная реакция деления.

Реализуемая цепная реакция осуществляется в ядерных реакторах.

Критическая масса – масса вещества, при которой возникает цепная реакция. Обозначим: n – среднее число нейтронов, образующихся при одном делении ; p – определяет часть нейтронов, замедлившихся и поглотившихся ядрами ; k – определяет долю нейтронов из поглотившихся, которые вызывают деление (~0,85):

 – коэффициент размножения нейтронов.

Если:

В настоящее время  осуществлены также реакторы на быстрых нейтронах, в которых воспроизводится ядерное горючее, т.е. происходит наряду с выделением энергии образование плутония. В качестве замедлителей в ряде реакторов применяют обычную воду или тяжелую воду. Последняя представляет очень эффектный замедлитель. По способу расположения делящегося вещества и замедлителя реакторы бывают гомогенными, в которых делящееся вещество смешано с замедлителем, и гетерогенными, в которых делящееся вещество и замедлитель представляют разные фазы.

В 1954 году в СССР заработала первая в мире атомная электростанция мощностью 5000 кВт.

 

Реакция синтеза

Энергия выделяется и  при слиянии легких ядер. Такие  реакции называются термоядерными. Они могут протекать эффективно при сверхвысоких температурах . При этом вещество находится в плазменном состоянии. Такие реакции происходят в недрах звезд. Условия, близкие к тем, которые происходят в недрах Солнца, были осуществлены в водородной бомбе, где происходит самоподдерживающаяся термоядерная реакция взрывного характера в смеси дейтерия и трития:

.

Для осуществления управляемых  термоядерных реакций проводятся работы по получению сверхвысоких температур путем пропускания через дейтериво-тритевую смесь мощных электрических разрядов в магнитном поле, которое способствует удержанию плазмы.

Чтобы преодолеть потенциальный  барьер, обусловленный кулоновским  отталкиванием, ядра должны обладать энергией , где r_ЯД – радиус действия ядерных сил. Отсюда получаем . На долю каждого ядра приходится 0,35 МэВ. Средней энергии теплового движения, равной 0,35 МэВ, соответствует температура .

На пути осуществления  управляемой термоядерной реакции  стоят огромные трудности. Основная из них – проблема удержания плазмы в заданном объеме. Для удержания плазмы используют магнитное поле. Разогрев плазмы осуществляется протекающим по ней током. Опыты по осуществлению термоядерной реакции проводились на установках типа «токамак» (тороидальная камера с магнитными катушками), а также путем воздействия на смесь дейтерия и трития лазерного излучения или электронных пучков.

 

34.  Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия. Лептоны и адроны. Понятие о кварках. Частицы – переносчики взаимодействия.

  Элементарные частицы

Элементарными частицами называются мельчайшие известные в настоящее  время частицы материи. В микромире выделяются три уровня, различающиеся характерными масштабами:

- первый – молекулярно-атомный  ;

- второй – ядерный  ;

- третий – элементарные  частицы.

Физика элементарных частиц устанавливает характеристики элементарных частиц, проводит их классификацию, изучает их свойства. Поскольку согласно соотношению неопределенностей  , то для определения структуры элементарных частиц необходимы зондирующие частицы с большой энергией, для которых . Максимальные доступные энергии сейчас 1000 ГэВ, чему соответствует расстояния R ~ 10^-19 м.

Число элементарных частиц вместе с античастицами, которые известны сейчас, свыше 400. Некоторые из них стабильны (или квазистабильны) и существуют в свободном состоянии. Все остальные элементарные частицы нестабильны.

В 1937 году в космических  лучах был открыт мюон или мю-мезон – тяжелый аналог электрона ( ). В 40-х годах XX века были открыты пионы (пи-мезоны) – переносчики ядерного взаимодействия. В 50-х годах XX века в космических лучах и на ускорителях были зарегистрированы странные частицы: каоны (ка-мезоны) ; лямбда-гипероны ; сигма-гипероны ; кси-гипероны ; омега-гиперон . В 60-е годы XX столетия были открыты более 100 короткоживущих частиц с временами жизни , которые были названы резонансами.

В 1974 году обнаружены массивные (втрое тяжелея протона), но относительно устойчивые ( ) джи-пси-мезоны , которыми была открыта группа очарованных частиц ( и др.).

В 1977 году открыты тяжелые  ипсилон-мезоны ( ), которые являются, возможно, новой группы прелестных частиц.

В 1983 году зарегистрированы промежуточные бозоны – переносчики слабого взаимодействия.

Свойства отдельных  элементарных частиц описываются рядом  физических величин, которые называют квантовыми числами. Значениями этих чисел частицы и различаются. Наиболее известны:

- масса m, которая измеряется в энергетических единицах в соответствии с соотношением Эйнштейна ; масса элементарных частиц изменяется от 0 (фотон) до 90 ГэВ (промежуточные бозоны);

- среднее время жизни  является мерой стабильности частицы и измеряется в секундах; для фотонов, нейтрино, электронов и протонов ; для резонансов ;

- спин J – собственный момент импульса частицы, измеряемый в единицах и принимающий целые и полуцелые значения; для известных частиц значение спина J лежит в пределе от 0 (пионы) до (резонансы);

- электрический заряд q, который измеряется в единицах элементарного заряда е; для всех частиц в свободном состоянии q принимает лишь целочисленные значения 0 и ; для некоторых резонансов ;

- магнитный момент  – максимальное значение проекции вектора собственного магнитного момента частицы; магнитные моменты элементарных частиц измеряют обычно в магнетонах ; если , то – магнетон Бора ; если , то получаем ядерный магнетон .

У каждой частицы имеется античастица, которые в отличие от частиц обычно в обозначении включают тильду (волну). Например: электрон и позитрон ; протон и антипротон ; нейтрон и антинейтрон ; нейтрино и антинейтрино .

Массы, времена жизни  и спины частиц и античастиц одинаковы. Остальные характеристики равны по модулю, но противоположны по знаку.

Некоторые частицы, называемые истинно нейтральными, тождественны своим античастицам: фотон, нейтральный пион и некоторые другие.

 

Фундаментальные взаимодействия

Все процессы, в которых  участвуют элементарные частицы, обусловлены  взаимодействием между ними. В настоящее время различают четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие свойственно тяжелым частицам, начинающимся с пионов. Наиболее известное проявления – ядерные силы, обусловливающие существование атомных ядер.

В электромагнитном взаимодействии участвуют непосредственно только электрически заряженные частицы и фотоны. Наиболее известное его проявление – кулоновские силы, обусловливающие существование атомов. Это взаимодействие ответственно за большинство макроскопических свойств вещества.

Слабое взаимодействие характерно для все частиц, кроме фотонов. Наиболее известное его проявление – бета-превращения атомных ядер.

Гравитационное взаимодействие присуще всем телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения. Эти силы обусловливают существование звезд, планетных систем и т.п. Гравитационное взаимодействие является предельно слабым и в мире элементарных частиц при обычных энергиях роли не играет.

 

Лептоны и адроны

Лептонами называются элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии и имеющие спин , т.е. лептоны являются фермионами. Известно три заряженных лептона, участвующих в электромагнитном и слабом взаимодействиях: электрон , мюон , таон . Каждому из них соответствует нейтральная частица, участвующая только в слабом взаимодействии: электронное нейтрино , мюонное нейтрино , таонное нейтрино . У каждого лептона есть антилептон.

Таким образом три семейства лептонов, в каждое из которых входит заряженная частица и нейтрино: электронный дублет ; мюоный дублет ; таонный дублет . Всем лептонам приписывается лептонный заряд L=+1, а для антилептонов L= – 1. Лептонный заряд разбивается на три компоненты: электронный заряд L_е, мюонный заряд L_μ, таонный заряд L_τ:

.

Считается, что лептонный заряд и его отдельные компоненты сохраняются во всех взаимодействиях.

 

Адронами называются элементарные частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии; все они участвуют также в электромагнитном и слабом (и в гравитационном) взаимодействиях. Различают метастабильные адроны со средним временем жизни >>10^-23с и резонансы, времена жизни которых ~10^-24 ÷ 10^-23с. Группа резонансов наиболее многочисленна: включает несколько сотен частиц. Резонансы распадаются за счёт сильного взаимодействия, метастабильные адроны распадаются за счёт электромагнитного или слабого взаимодействий.

Стабильные адроны, обладающие целыми спинами (бозоны) называются мезонами. Адроны с полуцелыми спинами (фермионы) называются барионами. Также определяются мезонные и барионные резонансы. Барионам и барионным резонансам приписывается барионный заряд В=+1, антибарионам и барионным резонансам приписывается барионный заряд В= – 1. Остальные частицы имеют В=0. Выполняется закон сохранения барионного заряда во всех взаимодействиях.

Гипероны – частицы тяжелее нуклона.

Все адроны обладают рядом  свойственных им квантовым числам. Электрический заряд этих частиц: ,

где: T_ζ – изотопический спин,

        B – барионный заряд,

        S – странность,

        C – очарование (чарм).

Экспериментально зарегистрированы «прелестные» частицы, а теория предсказывает  «истинные» частицы. Смысл введённых  квантовых чисел в том, что  они сохраняются в определённых классах взаимопревращениях частиц.

 

Понятие о кварках

Согласно современным  представлениям адроны – составные частицы. У адронов обнаруживается внутренняя структура. Из опытов по рассеянию электронов на нуклонах протоны и нейтроны имеют радиус ~0,8^.10^-15 м. Электрические заряда распределены в них плавно, спадая от центра к периферии. Считается, что все адроны состоят из кварков – дробно заряженных фундаментальных частиц. Предполагается, что их имеется шесть сортов или «ароматов»: u, d, c, s, t, b.

Нуклоны можно построить  из трёх кварков и антикварков. Мезоны – из двух кварков.

 

Кварки интенсивно искали, но безуспешно. Сейчас общепринятой является точка зрения, согласно которой кварки в принципе не могут существовать в свободном состоянии, а входят в состав адронов. Однако справедливость модели кварков в целом не вызывает сомнений.

Частицы – переносчики взаимодействия

Крупнейшим достижением  физики 70-х годов XX столетия является установление единства механизмов фундаментальных взаимодействий. Переносчиком этих взаимодействий являются частицы, испускание и поглощение которых определяют тип взаимодействия. Таким образом, механизмы всех фундаментальных взаимодействий – обменные. Радиусы взаимодействий связаны с массой его переносчика соотношением . В настоящее определяется стройная картина строения материи. Выявление общего обменного механизма всех фундаментальных взаимодействий повлияло на возможность построения единых теорий. Все схемы «великого объединения» включает обмен чрезвычайно тяжёлыми (m~10¹⁵ ГэВ) частицами. Следствием этого является крайне малая нестабильность протона, который может распадаться со средним временем жизни τ_р > 10³² лет. Обнаружение нестабильности протона подтвердило бы правильность основных направлений, по которым ведётся в настоящее время создание единой картины строения материи.