Глава 2. Общие сведения о строении и свойствах ядер

2.1 Элементарные частицы

Представление о том, что вещество состоит из элементарных частиц, возникло в древней Греции и претерпело много изменений. Демокрит ввел понятие «атом» (неделимый), как наименьшее количество вещества. В 19 веке «атом» стал наименьшим количеством элемента.

В 1897 году открыт электрон и было установлено, что он входит в состав атома. В 1911 году опыты по рассеянию альфа-частиц Э. Резерфорда показали, что атом состоит из электронной оболочки и положительно заряженного ядра. После открытия протона (1919 год) и нейтрона (1932 год) возникла протонно-нейтронная теория строения ядер, согласно которой в атомном ядре существует только два типа частиц – нейтроны и протоны. В 1932 году Гейзенберг обратил внимание на удивительную близость масс протона и нейтрона (m_p = 938,3 МэВ, а m_n = 939,6 МэВ), и в этой связи предположил, что протон и нейтрон – различные состояния одной и той же частицы, названной им нуклоном. Согласно Гейзенбергу, наблюдаемое различие между протонным и нейтронным состояниями нуклона характеризуется новым внутренним квантовым числом, названным им изотопическим спином. Вскоре ученым пришлось признать, что ядро представляет собой на самом деле динамичную систему разнообразных частиц, чье скоротечное образование, взаимодействие и распад играют ключевую роль в ядерных процессах. К началу 1950-х годов изучение этих частиц, названных элементарными, стало одной из ключевых проблем физической науки.

В первоначальном смысле элементарные частицы представлялись как частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц. Но способность элементарных частиц к взаимным превращениям не позволяет рассматривать их как простейшие, неразложимые «кирпичики». Большая часть таких частиц (а их известно более 300) является составными системами.

Множество элементарных частиц делится на две группы: адроны (от греческого hadros – «большой») и лептоны (от греческого leptos – «маленький»). В свою очередь, адроны делятся на барионы (от греческого barys – «тяжелый») и мезоны (от греческого mesos – «средний»). К числу барионов относятся гипероны и нуклоны. Нуклоны – общее название протонов и нейтронов, являющихся основными составляющими атомных ядер. К классу лептонов относятся электрон и нейтрино. Одна частица – фотон – не входит ни в одну из этих групп. Указанное деление производится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых участвуют частицы на основе законов сохранения ряда физических величин. Практически каждая элементарная частица имеет свою античастицу.

Для объяснения явления радиоактивного распада совсем не обязательно рассматривать все элементарные частицы, а к уже названным электрону, нейтрону и протону следует добавить нейтрино и античастицы, предсказанные в уравнении Дирака, а также фотоны.

Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений физических величин (квантовых чисел). Общими характеристиками элементарных частиц являются: масса, электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др. Основные свойства некоторых элементарных частиц представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 – Свойства некоторых элементарных частиц

Частица	Обозна-чение	Масса покоя, а.е.м.	Электрич. заряд, е	Спин	Лептон-ный заряд, L	Барион-ный заряд, В
Фотон	γ	0	0	1	0	0
Электрон Позитрон	е– е+	5,486·10–4	+1 –1	1/2	+1 –1	0 0
Нейтрино Антинейтрино		< 2·10–8	0 0	1/2	+1 –1	0 0
Протон Антипротон	p	1,00727	+1 –1	1/2	0 0	+1 –1
Нейтрон Антинейтрон	n ñ	1,00866	0 0	1/2	0 0	+1 –1

Масса. В ядерной физике масса ядер и атомов измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.). За одну атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы атома улерода-12. Для того, чтобы вычислить значение 1 а.е.м. в граммах, необходимо произвести простейшие расчеты:

1 а.е.м. = = 1,660∙10^–24 г = 1,660∙10^–27 кг,

где N_A= 6,022 · 10²³ – число Авогадро в физической шкале.

Электрон считается материальным носителем наименьшей массы в природе: m_e = 9,1∙10^–28 г (в энергетических единицах 0,511 МэВ, см. ниже).

Связь энергии частицы Е с массой m и импульсом (p = mV):

, (2.1)

где m₀ – масса покоя; T- кинетическая энергия

с = 2,998∙10⁸ м/с – скорость света.

Если m₀ = 0 (например, фотоны), то

. (2.2)

В других случаях, преобразуя (2.1), получим:

. (2.3)

Энергия. В ядерной физике в качестве единицы энергии используется электронвольт (эВ) Один электронвольт соответствует энергии, приобретаемой или теряемой частицей с единичным электрическим зарядом (1,6∙10^–19 Кл – электрон, протон) при прохождении ею разности потенциалов в 1 В.:

1 эВ = 1,6  I0^–12 эрг = 1,6  10^–19 Дж,

1 а.е.м. = 1,660 · 10^-27 · (3 · 10⁸)² = 1,49 · 10^–10Дж = 931,5 МэВ.

Электрический заряд. Элементарный заряд 1е = 1,6·10^–19 Кл.

Электрический заряд элементарных частиц меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен элементарному заряду – заряду электрона (–1). Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.

Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В) заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундаментальных взаимодействий. Для лептонных нейтрино и их античастиц L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих античастиц В = ‑1.

Магнитный момент характеризует взаимодействие частицы с магнитным полем.

Для электрона:

= 1 M_B = 9,27 . 10^–28 Дж/Гс (магнетон Бора).

Магнитный момент нуклонов и ядер измеряется в ядерных магнетонах Бора:

1µB = = 5,05  10^-31 Дж/Гс,

где m_р – масса протона.

Магнитный момент протона µ_р = +2,793 µB, а нейтрона µ_n = ‑1,913 µB. Это свидетельствует о внутреннем строении протона и нейтрона, которые по сути не являются элементарными частицами. Однако, для описания явления радиоактивности не требуется привлекать сведения о внутреннем строении протонов и нейтронов.

Нейтрон (а также антинейтрон) распадается по схеме:

n → p + e ^- + . (2.4)

Остальные частицы, представленные в таблице 2.1, стабильны.

При взаимодействии элементарных частиц внутри ядер и ядер между собой наблюдаются четыре вида силовых взаимодействий:

1. Сильное взаимодействие – наиболее интенсивное взаимодействие в природе. Определяет взаимодействие нуклонов в ядре. Квантами сильного взаимодействия являются π-мезоны. Время взаимодействия (испускание и поглощение π-мезона) порядка 10^‑23 с, расстояние порядка 10^–13 см.

2. Электромагнитное взаимодействие в 10²-10³ раз слабее сильного.

Участвуют все частицы, кроме нейтрино и антинейтрино. Кванты взаи­модействия – фотоны. Время взаимодействия порядка 10^‑20 с.

3. Слабое взаимодействие примерно в 10¹³ раз слабее сильного. Отвечает за бета-распад. Время взаимодействия порядка 10^-10 с. Кванты взаимодействия – электроны (позитроны) и антинейтрино (нейтрино).

4. Гравитационное взаимодействие иногда называют сверхслабым. Квант взаимодействия – гравитон (пока не открыт).

При силовых взаимодействиях выполняются законы сохранения энергии (массы), импульса, электрического заряда, лептонного за­ряда, барионного заряда и некоторые другие.

Из закона сохранения барионного заряда следует, что количество нуклонов (протонов и нейтронов) при ядерных взаимодействиях остается постоянным, т.е. запрещаются процессы типа:

n → 2γ (2.5)

В = +1 ≠ 0.

Закон сохранения лептонного заряда запрещает процессы с изменением числа лептонов (электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино) типа:

p + e^- → n + γ (2.6)

l = +1 ≠ 0.

Оба закона запрещают процессы типа

p + e^- = H → 2γ. (2.6a)

Законы сохранения не запрещает процессы типа

e^- + e⁺ → 2γ (3γ) (2.7)

l = +1 + (–1) = 0.

n + ñ → 2γ (2.8)

∑ В = +1 + (–1) = 0.

Эти процессы получили название аннигиляция. При аннигиляции электрона и позитрона выделяется энергия:

E = 2·m_e · c² = 2 · 5,486 · 10^-4 · 931,5 = 1,022 МэВ. (2.9)

При торможении позитрона происходит захват электрона и образование позитрония. Парапозитроний (спины антипараллельны), распадается на 2 фотона с энергией 0,511 МэВ каждый, τ = 1,2510^‑10 с. Ортопозитроний (спины параллельны) – 3 фотона, τ = 1,410^–7 с. Испускание 1 фотона невозможно, т.к. p_γ = E_γ/c ≠ 0.