Реферат: Элементарные частицы

Министерствообразования и науки РФ

ГОУ ВПО«КЕМЕРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РЕФЕРАТ

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕЧАСТИЦЫ

Выполнила:

Студентка гр. Х-053

Тарасова К. В

Проверила:

Журавлёва Л. В.

Кемерово,2007

Содержание

Методы наблюдения элементарных частиц

Виды взаимодействий

Состав атомных ядер

Взаимодействие нуклонов в ядре

Основные характеристики, систематика частиц

Радиоактивность

Простейшие ядерные реакции

Деление ядер

Цепные реакции

Список литературы

Методы наблюденияэлементарных частиц

Элементарные частицы удаётсянаблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своём прохождениичерез вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, еёэнергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул насвоём пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружитьсебя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения скаким-либо ядром. Следовательно, нейтральные частицы также обнаруживаются поионизации, вызванной порождёнными ими заряженными частицами.

Приборы, применяемые длярегистрации ионизирующих частиц, подразделяются на две группы. К первой группеотносятся устройства, которые регистрируют факт пролёта частицы и позволяютсудить об её энергии. Вторую группу образуют трековые приборы, т. е. приборы,позволяющие наблюдать следы частиц в веществе. К числу регистрирующих приборовотносятся ионизационные камеры и газоразрядные счётчики. Широкоераспространение получили черенковские счётчики и сцинтилляционныесчётчики.

Заряженная частица,пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждениеатомов. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы испускают видимый свет.Вещества, в которых заряженные частицы возбуждают заметную световую вспышку(сцинтилляцию), называют фосфорами. Фосфоры бывают органические инеорганические.

Сцинтилляционный счетчик состоит из фосфора, от которого светподается по специальному светопроводу к фотоумножителю. Импульсы, получающиесяна выходе фотоумножителя, подвергаются счету. Определяется также амплитудаимпульсов (которая пропорциональна интенсивности световых вспышек), что даетдополнительную информацию о регистрируемых частицах.

Счетчики часто объединяются в группы и включаются так, чтобырегистрировались только такие события, которые отмечаются одновременнонесколькими приборами, либо только одним ним из них. В первом случае говорят,что счетчики включены по схеме совпадений, во втором — по схеме антисовпадений.

К числу трековых приборов относится камеры Вильсона,пузырьковые камеры, искровые камеры и эмульсионные камеры.

Камера Вильсона. Так называют прибор, созданный английскимфизиком Ч. Вильсоном в 1912 г. Дорожка из ионов, проложенная летящей заряженнойчастицей, становится видимой в камере Вильсона, потому что на ионах происходитконденсация пересыщенных паров какой-либо жидкости. Прибор работает ненепрерывно, а циклами. Сравнительно короткоевремя чувствительностикамеры чередуется с мертвым временем (в 100—1000 раз большим), в течениекоторого камера готовится к следующему рабочему циклу. Пересыщение достигаетсяза счет внезапного охлаждения, вызываемого резким (адиабатическим) расширениемрабочей смеси, состоящей из неконденсирующегося газа (гелия, азота, аргона) ипаров воды, этилового спирта и т. п. В этот же момент производится стереоскопическое(т. е. с нескольких точек) фотографирование рабочего объема камеры.Стереофотографии позволяют воссоздать пространственную картину зафиксированногоявления. Так как отношение времени чувствительности к мертвому времени оченьмало, приходится иногда делать десятки тысяч снимков, прежде чем будетзафиксировано какое-либо событие, обладающее небольшой вероятностью. Чтобы увеличитьвероятность наблюдения редких явлений, используются управляемые камеры Вильсона,у которых работой расширительного механизма управляют счетчики частиц,включенные в электронную схему, выделяющую нужное событие.

Пузырьковая камера. В изобретенной Д. А. Глезером в 1952г. пузырьковой камере пересыщенные пары заменены прозрачной перегретойжидкостью (т. е. жидкостью, находящейся под внешним давлением, меньшим давленияее насыщенных паров). Пролетевшая через камеру ионизирующая частица вызывает<sub/>бурное вскипание жидкости, вследствие чего след частицы оказываетсяобозначенным цепочкой пузырьков пара — образуется трек. Пузырьковая камера, каки камера Вильсона, работает циклами. Запускается камера резким снижением (сбросом)давления, вследствие чего рабочая жидкость переходит в метастабильноеперегретое состояние. В качестве рабочей жидкости, которая одновременно служит мишеньюдля пролетающих через нее частиц, применяются жидкий водород (в этом случаенужны низкие температуры).

Искровые камеры. В 1957 г. Краншау и де-Биром былсконструирован прибор для регистрации траекторий заряженных частиц, названныйискровой камерой. Прибор состоит из системы плоских параллельных друг другуэлектродов, выполненных в виде каркасов с натянутой на них металлическойфольгой либо в виде металлических пластин. Электроды соединяются через один.Одна группа электродов заземляется, а на другую периодически подаетсякратковременный (длительностью 10-7 сек) высоковольтныйимпульс (10— 15 кВ). Если в момент подачи импульса через камеру пролетитионизирующая частица, её путь будет отмечен цепочкой искр, проскакивающих междуэлектродами. Прибор запускается автоматически с помощью включенных по схемесовпадений дополнительных счетчиков, регистрирующих прохождение через рабочийобъем камеры исследуемых частиц. В камерах, наполненных инертными газами,межэлектродное расстояние может достигать нескольких сантиметров. Еслинаправление полета частицы образует с нормалью к электродам угол, непревышающий 40°, разряд в таких камерах развивается по направлению трекачастицы.

Метод фотоэмульсий. Советские физики Л. В. Мысовский и А. П.Жданов впервые применили для регистрации элементарных частиц фотопластинки.Заряженная частица, проходя через фотоэмульсию, вызывает такое же действие, каки фотоны. Поэтому после проявления пластинки в эмульсии образуется видимый след(трек) пролетевшей частицы. Недостатком метода фотопластинок была малая толщинаэмульсионного слоя, вследствие чего получались полностью лишь треки частицлетящих параллельно плоскости слоя. В эмульсионных камерах облучениюподвергаются толстые пачки (весом до нескольких десятков килограммов),составленные из отдельных слоев фотоэмульсии (без подложки). После облученияпачка разбирается на слои, каждый из которых проявляется и просматривается подмикроскопом. Для того чтобы можно было проследить путь частицы при переходе изодного слоя в другой, перед разборкой пачки на все слои наносится с помощьюрентгеновских лучей одинаковая координатная сетка.

Виды взаимодействий

Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы,внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзяпредставить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих порявлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Элементарные частицымогут превращаться друг в друга.

В настоящее время известны четыре вида взаимодействий междуэлементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное ( впорядке убывания интенсивности).

Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия называют иначе ядерным, так как онообеспечивает связь нуклонов в ядре. Интенсивность взаимодействия принятохарактеризовать безразмерной константой взаимодействия G2. Эта же константа характеризует вероятность процессов,обусловленных данным взаимодействием. Наибольшее расстояние, на которомпроявляется сильное взаимодействие (радиус действия r) составляетпримерно 10 -13 см.Частица, пролетающая со скоростью,близкой к с, в непосредственной близости к другой частице, будетвзаимодействовать с ней в течение времени t = 10-23 сек. В соответствии с этимговорят, что сильное взаимодействие характеризуется временем взаимодействия ts порядка 10-23 сек.

Электромагнитное взаимодействие. Радиус действия электромагнитноговзаимодействия не ограничен. Константа взаимодействия равна 1\137. Следовательно,интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз меньше, чемсильного. Время, необходимое для того, чтобы проявилось взаимодействие, обратнопропорционально его интенсивности (или вероятности). Поэтому, дляэлектромагнитного взаимодействия t = 10-21сек.

Слабое взаимодействие. Слабое или распадное взаимодействиеответственно за все виды β-распадов ядер, за многие распады элементарныхчастиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабоевзаимодействие, как и сильное, является краткодействующим. Константавзаимодействия равна 10-14. Время взаимодействия t = 10-9.

Гравитационное взаимодействие. Радиус действия не ограничен.Константа взаимодействия мала: 10-39. Соответственно, времявзаимодействия t = 109.Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены всеэлементарные частицы. Но в процессах микромира гравитационное взаимодействиеощутимой роли не играет.

Состав атомных ядер

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Нейтрон можетсамопроизвольно превращаться в протон, а также в электрон и нейтрино. Во многихядрах наблюдается и обратный процесс. Так как протон переходит в нейтрон, анейтрон в протон, то это значит, что обе частицы одинаково простые. Способностьчастиц к взаимным превращениям указывает на сложность их внутреннего строения.

Нейтрон, как и протон, обладает свойствами магнетика. Этоозначает, что в нейтроне содержатся электрические заряды, так как в целомнейтрон не заряжен, то алгебраическая сумма положительного и отрицательногозаряда равна нулю. Но если заряды двух знаков расположены на разных расстоянияхот оси вращения, то магнитные поля, создаваемые их движением. Компенсироватьсяне будут, т. е. нейтрон будет намагничен.

На первый взгляд кажется, что, помимо нейтронов и протонной,ядра должны содержать также позитроны и электроны, т. к. многие ядрарадиоактивных изотопов излучают эти частицы. Но детальный анализ показал, что вядре отсутствуют и электроны, и позитроны. Но если позитроны и электроны вготовом виде в ядре не присутствуют, то в процессе распада ядра,сопровождающегося вылетом одной из этих частиц, они образуются заново за счётпревращений внутри ядра. При этом при вылете позитрона (положительного заряда)один из протонов превращается в нейтрон, а при вылете электрона (отрицательногозаряда), наоборот, один из нейтронов делается протоном.

Устойчивые (нерадиоактивные) лёгкие ядра содержат примерноравные количества протонов и нейтронов. В тяжёлых ядрах имеется некоторыйперевес в числе нейтронов; так, в ядре свинца нейтронов примерно в полтора разабольше, чем протонов. Соотношение чисел нейтронов и протонов, котороеосуществляется в устойчивых ядрах, является наиболее выгодным, придающим ядруособую прочность. Отступления от этого соотношения делают ядро неустойчивым.

Взаимодействие нуклонов в ядре

Ядерные силы – особые силы, действующие между частицами,образующими атомные ядра (нейтронами и протонами). Опыты привели к заключению,что ядерные силы взаимодействия между парами частиц протон-протон,нейтрон-протон, нейтрон-нейтрон одинаковы. В явлениях, зависящих только отядерных сил, нейтрон и протон ведут себя подобно. Эти две частицы объединяютобщим термином нуклон.

Наиболее характерной особенностью ядерных сил является короткодействие– они достигают очень большой величины при сближении нуклонов на расстояниепорядка 10-13 см, но при увеличении этого расстояния всего внесколько раз так сильно спадают, что ими можно пренебречь.

На малых расстояниях ядерное взаимодействие приблизительно надва порядка сильнее электрического. При больших расстояниях положение обратное:ядерное взаимодействие протонов ничтожно слабо по сравнению с электрическим.

Нуклон создаёт в окружающем пространстве поле ядерных сил, иэто поле действует на другие нуклоны, попадающие в сферу его влияния. В 1935 г.японский физик Х. Юкава предположил, что подобно электромагнитному полю ядерноеполе бывает не только связанным, но и свободным, т. е. существуют квантыядерного поля. Он показал, что малый радиус действия ядерного поля связан стем, что кванты этого поля обладают отличной от нуля массой покоя. Чем большемасса покоя, тем меньше сфера действия сил. Позже, при исследовании космическихлучей были открыты частицы, названные пи-мезонами, которые и являются квантамиядерного поля.

Основныехарактеристики элементарных частиц: масса, электронный и барионный заряд, времяжизни и их античастицы, а также систематика частиц представлены в таблице.