Тема 31. Элементарные частицы

Тема 26. Физика атома

Тема 27. Двухатомная молекула

Тема 28. Элементы квантовой статистики

Тема 29. Физика твердого тела

Тема 30. Физика ядра

Тема 31. Элементарные частицы

Квантовая физика – раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Основные законы квантовой физики изучаются в рамках квантовой механики и квантовой теории поля и применяются в других разделах физики. Квантовая физика и её основные теории – квантовая механика, квантовая теория поля – были созданы в первой половине XX века многими учёными, среди которых Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Артур Комптон, Луи де Бройль, Нильс Бор, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак, Вольфганг Паули. Квантовая физика объединяет несколько разделов физики, в которых принципиальную роль играют явления квантовой механики и квантовой теории поля, проявляющиеся на уровне микромира, но и имеющие (что важно) следствия на уровне макромира.

АБСОЛЮТНО ЧЕРНОЕ ТЕЛО – тело, которое при любой температуре полностью поглощает все падающее на него электромагнитное излучение независимо от спектрального состава. Излучение А.ч.т. определяется только его абсолютной температурой и не зависит от природы вещества.

АКТИВНОСТЬ (источника радиоактивного излучения) – физическая величина, равная отношению общего числа распадов радиоактивных ядер нуклида в источнике ко времени распада. Единица А.и. в СИ - беккерель.

АЛЬФА-ЛУЧИ – поток альфа-частиц, один из видов радиоактивного излучения атомных ядер.

АЛЬФА-РАСПАД – процесс испускания альфа-частиц при самопроизвольном радиоактивном распаде атомных ядер.

АЛЬФА-ЧАСТИЦЫ – ядра атома гелия, испускаемые некоторыми нуклидами и состоящие из двух протонов и двух нейтронов.

АННИГИЛЯЦИЯ – процесс превращения частицы и соответствующей ей античастицы в фотоны – кванты электромагнитного поля или другие частицы – кванты физических полей иной природы. Существует обратное явление – рождение пар.

АТОМ – наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его химических свойств. А. состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в кулоновском поле ядра (описывается законами квантовой механики). Размеры А. порядка 10-10 м, энергия связи внешних электронов в А. порядка 10 эВ.

АТОМНАЯ ЕДИНИЦА МАССЫ – единица массы, равная 1/12 массы изотопа углерода с массовым числом 12. 1 а.е.м. = 1,6.10-27 кг. Применяется в атомной и ядерной физике.

АТОМНАЯ МАССА – масса атома, выраженная в атомных единицах массы.

БЕТА-ЛУЧИ – поток бета-частиц (электронов или позитронов), испускаемых атомными ядрами при их бета-распаде.

БЕТА-РАСПАД – процесс радиоактивного превращения атомных ядер, в котором ядра испускают электроны и антинейтрино (β-) или позитроны и нейтрино (β+) распады. Обусловлен слабым взаимодействием и связан с взаимным превращением нейтронов и протонов в атомных ядрах.

БОРА ПОСТУЛАТЫ – основные допущения, введенные без доказательства Н.Бором, и положенные в основу БОРА ТЕОРИИ: 1) Атомная система устойчива только в стационарных состояниях, которые соответствуют дискретной последовательности значений энергии атома. Каждое изменение этой энергии связано с переходом атома из одного стационарного состояния в другое. 2) Поглощение и излучение энергии атомом происходит по закону, согласно которому связанное с переходом излучение является монохроматическим и обладает частотой ν: hν=Ei-Ek, где h -Планка постоянная, а Ei и Ek - энергии атома в стационарных состояниях.

БОРА ТЕОРИЯ – первая квантовая теория атома, созданная в 1913г. Н.Бором. Основана на ядерной модели атома, Бора постулатах и предположении, что для описания электронов в стационарных состояниях применимы законы классической механики. Предшествовала квантовой механике.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ – взаимные влияния элементарных частиц, определяющие изменения их состояний и взаимопревращения. Виды: сильное, электрослабое (электромагнитное и слабое), гравитационное.

ВИЛЬСОНА КАМЕРА – прибор для наблюдения движущихся с большой скоростью электрически заряженных микрочастиц, основанный на конденсации перенасыщенных паров. Изобретена в 1912 г. Ч.Т.Р.Вильсоном.

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0,1 нм, возникающее при распаде радиоактивных ядер и элементарных частиц, взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, а также при аннигиляции электронно-позитронных пар.

ГАММА-ЛУЧИ, γ-лучи – то же, что гамма-излучение.

ГЛАВНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО (n – номер орбиты) – квантовое число, определяющее возможные значения энергии атома водорода в стационарных состояниях: , где h - Планка постоянная; R -Ридберга постоянная. Г.к.ч. n принимает целые положительные значения 1,2,3,...

ДЕФЕКТ МАСС – разность между массой атома и массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии. Обычно измеряют в атомных единицах массы (а.е.м.) Иногда Д.м. называют величину , где E – энергия связи; с – скорость света.

ДОЗА ИЗЛУЧЕНИЯ – физическая величина, равная отношению энергии ионизирующего излучения, поглощаемой веществом, к массе этого вещества: Позволяет оценить радиационную опасность. Единица Д.и. в СИ – грэй.

ЗАРЯДОВОЕ ЧИСЛО – физическая величина, равная числу протонов в атомном ядре и числу электронов в нейтральном атоме. Совпадает с атомным номером химического элемента. При этом электрический заряд ядра равен Ze, где Z – З.ч., а e - элементарный электрический заряд. Обычно указывается слева внизу у символа химического элемента (напр., ) Cр.массовое число.

ИЗЛУЧЕНИЕ – 1) И. волн и частиц – процесс испускания звуковых волн источниками звука, радиоволн - антеннами, света и рентгеновских лучей – атомами и молекулами, α-, β-частиц и γ-лучей атомными ядрами. 2) Сами эти волны и частицы как движущиеся объекты. (См. Альфа-лучи, Бета-лучи и т.д.)

ИЗОБАРЫ – атомы различных химических элементов, имеющие одинаковые массовые числа. Ядра И. содержат разные числа протонов, но общее количество нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре у них одинаковое. Ср.Изотопы.

ИЗОТОПЫ – разновидности атомов одного химического элемента, отличающиеся массой. Содержат одинаковое число протонов, но различаются числом нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Ср. изобары.

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ – потоки элементарных частиц и квантовэлектромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул этого вещества.

КВАНТ ЭНЕРГИИ – конечное количество энергии, которое может излучить или поглотить микросистема (атом, молекула, атомное ядро и т.д.) в отдельном акте изменения ее состояния, т.е. приквантовом переходе.

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА – физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (электронов, атомов, молекул и т.д.) в заданных внешних полях (напр., электронов в кулоновском поле атомного ядра). Законы К.м. имеют вероятностный характер.

КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА – целые или полуцелые (т.е. отличающиеся от целого на 1/2) числа, определяющие возможные дискретные числовые значения энергии, импульса и момента импульса системы (атома, молекулы), которая описывается законам квантовой механики.

КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР – источник монохроматического когерентного электромагнитного излучения, действие которого основано на использовании явления вынужденного излучения. Излучение К.г. характеризуется высокой монохроматичностью, когерентностью, узкой направленностью и значительной мощностью. В зависимости от диапазона электромагнитного излучения различают два вида К.г.: лазер имазер.

КВАНТОВЫЙ ПЕРЕХОД – скачкообразный переход квантовой системы (атома, молекулы и т.д.) с одного уровня энергии на другой. При переходе с более высокого уровня на более низкий система излучает энергию, а при обратном переходе ее поглощает. Излучение и поглощение энергии происходит квантами (порциями) энергии. См.Бора постулаты.

КРИТИЧЕСКАЯ МАССА – наименьшая масса ядерного горючего (урана, плутония), при которой происходит ядерная цепная реакция.

МАССОВОЕ ЧИСЛО – общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре; одна из основных характеристик атомного ядра. Обычно указывается слева вверху у символа химического элемента (напр.4He,). Ср. зарядовое число.

НЕЙТРИНО – электрически нейтральная элементарная частица с весьма малой массой покоя, нулевым магнитным моментом и спином 1/2. Участвует только в слабом взаимодействии и имеет очень большую проникающую способность.

НЕЙТРОН – электрически нейтральная элементарная частица. Вместе с протоном входит в состав атомных ядер. В свободном состоянии н. неустойчив: распадается на протон, электрон и антинейтрино (период полураспада примерно 1000с). См. нуклон, ядерные силы.

НУКЛОН – общее название протона и нейтрона, т.е. частиц, из которых состоят атомные ядра. Протоны и нейтроны схожи по своим свойствам (см. ядерные силы) и поэтому могут рассматриваться как два различных зарядовых состояния одной и той же частицы - нуклона.

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА – время, в течение которого количество нестабильных частиц уменьшается вдвое. Одна из основных величин, позволяющих описать поведение радиоактивных веществ.

ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ, квант действия (h) – одна из основных физических постоянных, отражающая специфику физических законов микромира и играющая фундаментальную роль в квантовой механике.h=6,63.10-34 Дж.с. Часто п.п. называют величину 1,05.10-34 Дж.с.

ПОЗИТРОН – элементарная частица с массой, равной массе электрона, положительным элементарным электрическим зарядом и спином, равным 1/2. Античастица электрона.

ПРОТОН – стабильная элементарная частица с положительным элементарным электрическим зарядом и спином 1/2. Вместе с нейтронами входит в состав атомных ядер всех химических элементов. В нейтральном атоме количество протонов равно количеству электронов. Количество протонов определяет атомный номер элемента в таблице Менделеева.

РАДИОАКТИВНОСТЬ – явление самопроизвольного превращения неустойчивых изотопов химического элемента в другие изотопы (обычно другого элемента), сопровождающееся испусканием элементарных частиц, атомных ядер и жесткого электромагнитного излучения. Различают естественную р. (изотопов, существующих в природе) и искусственную р. (изотопов, получаемых при ядерных реакциях).

РЕАКТОР ЯДЕРНЫЙ – устройство, в котором происходит управляемая цепная реакция деления ядер. См. ядерный реактор.

СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – один из видов взаимодействия элементарных частиц, характеризующийся наибольшей интенсивностью и присущий всем адронам. С.в. обусловлены ядерные силы и др. Ср. гравитационное, слабое и электромагнитное взаимодействия.

СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – один из видов взаимодействия элементарных частиц, характеризующийся минимальной (не считая гравитационного) интенсивностью. Присуще нейтрино и всем элементарным частицам, кроме фотона. С.в. ответственно за α-распад, за многие распады элементарных частиц и др., а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Ср. гравитационное, сильное, электромагнитное взаимодействия.

ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ – реакции слияния легких атомных ядер, в результате которых образуются более тяжелые (реакция синтеза ядер), происходящие при сверхвысоких температурах (порядка 107К и более). Сопровождаются выделением огромного количества энергии. Напр., при полном превращении 1 кг водорода в гелий выделяется 8.1014 Дж, т.е. примерно в 10 раз больше, чем при делении 1 кг 235U и в2.107 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина. В естественных условиях т.р. происходят на солнце и звездах, исскуственная т.р. получена пока лишь в форме неуправляемой реакции при взрыве водородной бомбы. См. управляемый термоядерный синтез.

УРОВНИ ЭНЕРГИИ – возможные значения энергии атома, молекулы или др. квантовой системы. Образуют энергетический спектр системы (непрерывный, дискретный или смешанный). Предположения о существовании у.э. для атомов впервые сделаны в 1913 г. Н. Бором (см.Бора постулаты) и затем подтверждены экспериментально в Опытах Д.Франка и Г.Герца.

УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕНЫХ ЧАСТИЦ – установки для получения направленных пучков электронов, протонов, легких атомных ядер и др. с энергией от сотен кэВ до сотен ГэВ. Используются в ядерной физике и физике высоких энергий для исследования характера различных взаимодействий и структуры микрочастиц, а также в промышленности (получение изотопов, дефектоскопия, стерилизация пищевых продуктов) и медицине.

ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ – см. ядерная цепная реакция.

ЭЛЕМЕНТ ХИМИЧЕСКИЙ – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и, следовательно, с одинаковым числом электронов. Основные характеристики - атомный номер и атомная масса. Известно 113 элементов, 25 из них получены искусственно. Взаимосвязь Э.х. отражена в периодической системе элементов Менделеева.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ – простейшие структурные элементы материи, о которых на современном уровне нельзя сказать, что они являются простым соединением других частиц. Каждой э.ч. (за исключением “истинно нейтральных” фотона и некоторых мезонов) соответствует своя античастица. Взаимодействие пары частица - античастица приводит к аннигиляции. При изучении взаимодействия э.ч. особую роль играют сохранения законы.

ЭНЕРГИЯ ПОКОЯ – энергия тела (частицы) в системе, относительно которой тело (частица) покоится.Е0=m0c2, где m0 - масса покоя частицы.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ – разность между энергией связанной системы частиц и суммарной энергией этих частиц в свободном состоянии. Для устойчивых систем отрицательна.

ЯДЕРНАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ – реакция деления тяжелых атомных ядер под действием нейтронов, в каждом акте которой число нейтронов возрастает, так что может возникнуть самоподдерживающийся процесс деления. Сопровождается выделением огромного количества энергии (200 МэВ на каждое делящееся ядро урана или плутония).

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА – отрасль энергетики, занимающаяся преобразованием ядерной энергии в другие виды энергии с целью практического применения.

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ, атомная энергия – внутренняя энергия атомного ядра, связанная с движением и взаимодействием образующих ядро нуклонов. Возможны два способа получения я.э.: осуществление ядерной цепной реакции деления тяжелых ядер или термоядерной реакции синтеза легких ядер.

ЯДЕРНОЕ ГОРЮЧЕЕ - 1) природное я.г. - изотоп 235U(урана-235). 2) вторичное я.г. - искусственно получаемый в ядерном реакторе изотоп 239Pu (плутоний-239) и изотоп урана 233U(уран-233).

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ – превращения атомных ядер, обусловленные их взаимодействием с элементарными частицами или между собой. Я.р. обычно происходят при бомбардировке тяжелых атомных ядер более легкими ядрами или частицами. Используются для изучения строения и свойств атомных ядер, получения ядерной энергии и радиоактивных изотопов.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ – взаимодействия между нуклонами в атомных ядрах определяющие (вместе с электромагнитными силами) строение и свойства ядер. Проявляются только на расстояниях порядка 10-15ми не зависят от заряда нуклонов. См. сильное взаимодействие.

ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ – чрезвычайно быстрое выделение огромного количества энергии в результате цепной ядерной реакции или термоядерной реакции.

ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР, атомный реактор – устройство для осуществления и поддержания управляемой цепной ядерной реакции деления ядер тяжелых элементов.

ЯДРО АТОМНОЕ – положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Заряд ядра и атомный номер определяются числом протонов, а атомная масса - суммарным числом нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре. Размеры тяжелых ядер достигают 10-14 м, плотность ядерного в-ва 1017 кг/м3.