Строение атомных ядер. Радиоактивность

Строение атомных ядер. Энергия связи нуклонов. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, которые называются нуклонами. Заряд протона q_p = 1,6 · 10^-19 Кл, масса m_p =1836 m_e, где m_e – масса электрона; заряд нейтрона q_n =0, его масса равна m_n = m_p + 2,5 m_e. В свободном состоянии нейтрон нестабилен. Он может распадаться на протон, электрон и особую частицу антинейтрино. Протон и нейрон – фермионы, т.е. их спины равны m _s = ± ½. Свободные протоны и нейтроны подчиняются статистике Ферми-Дирака, к ним применим принцип Паули. Если число частиц в ядре четное, то оно имеет целочисленный спин и подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна. В случае нечетного числа частиц, ядро обладает полуцелым спином и описывается статистикой Ферми-Дирака.

Атомное ядро принято обозначать _ZX^A, где Х – символ элемента по таблице Менделеева;

Z – количество протонов в ядре (зарядовое число, номер элемента в таблице Менделеева); А – суммарное число нуклонов (т.е. протонов и нейтронов) в ядре (массовое число). Таким образом, число нейтронов в ядре равно А-Z. Ядра, для которых Z одинаково, а число нейтронов различно, называются изотопами. Например, изотопы водорода: ₁ Н ¹[ Z =1, A - Z =0], ₁ Н ²[ Z =1, A - Z =1] – тяжелый водород (дейтерий), ₁ Н ³[ Z =1, A - Z =2] – сверхтяжелый водород (тритий). Изотопы одного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами и не могут быть разделены химическим путем.

Между нуклонами ядер существует связь. Энергия, которую нужно затратить, чтобы разделить ядро на невзаимодействующие нуклоны, называется энергией связи (Е_св). Измерения показали, что масса ядра (m_я) меньше суммы масс образующих его нуклонов на D m:

D m = [ Z · m_p + (A - Z) m_n ] - m_я > 0 (94)

Эта величина называется дефектом массы. Сам факт наличия дефекта массы можно понять, вспомнив соотношение между массой и энергией, полученное в теории относительности

E = mc ². (95)

Если уменьшается масса системы, то уменьшается (выделяется) энергия и наоборот, т.е.

D E = c ² ·D m. (96)

Значит, при образовании ядер из нуклонов выделяется энергия D E = Е_св. Подставив (96) в (94), получим

Е_св = с² {[ Zm_p + (A - Z) m_n ] - m_я } (97)

Важной характеристикой ядер является удельная энергия связи , (энергия связи, приходящаяся на один нуклон). Зависимость удельной энергии связи от массового числа А (рис. 52) показывает, что наибольшей энергией связи обладают ядра элементов, находящихся в середине таблицы Менделеева, поэтому энергетически выгодны два процесса: 1) деление тяжелых ядер; 2) объединение легких ядер – термоядерная реакция. В ходе этих процессов должно выделяться большое количество энергии.

Нуклоны ядра связаны особым видом фундаментального взаимо­действия, которое называется сильным. Сильное взаимодействие характеризуется следующими особенностями.

1. Короткодействие: «работает» на расстояниях не больших 10^-15 м.

2. Зарядовая независимость: взаимодействие между нуклонами не зависит от их зарядов.

3. Зависимость от ориентации спинов нуклонов. На­пример, ядро тяжелого водорода может образоваться только при параллельных спинах протона и нейтрона.

4. Не направлено вдоль прямой, соединяющей цент­ры нуклонов.

5. Насыщение. Каждый нуклон в ядре взаимодействует с определенным числом нуклонов.

Фундаментальные взаимодействия. Всего существует 4 типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти взаимодействия можно сравнить по интенсивности, например, скорости, или вероятности, связанных с ними процессов. Для сравнения можно взять скорости при характерной энергии сталкивающихся частиц около 1 ГэВ. Сравнительные характеристики этих 4-х типов взаимодействий представлены в таблице

Взаимодействие	Интенсивность	Длительность Процессов, с	Радиус действия, м
Сильное		10-23	10-15
Электромагнитное	10-2	10-20	µ
Слабое	10-14	10-9	10-18
Гравитационное	10-31	-	µ

 

1. Сильные взаимодействия, как уже отмечалось, удерживают нуклоны в ядре. Они присущи большинству адронов (протон, нейтрон, гипероны, мезоны и др.). Эти взаимодействия короткодействующие: на расстояниях свыше 10^-15 м они прекращаются, поэтому сильные взаимодействия не могут привести к структурам макроскопических размеров.

2. Электромагнитныевзаимодействия осуществляются посредством электромагнитного поля. Они значительно слабее сильных, но вследствие неограниченности их радиуса действия, именно они оказываются главным структурообразующим фактором. Именно эти силы вызывают разлет осколков при делении атомных ядер; именно они ответственны за большинство оптических, механических, тепловых и химических явлений.

3. Слабые взаимодействия являются универсальными и весьма малыми по сравнению с сильными и электромагнитными. Они присутствуют во всех взаимодействиях.

4. Гравитационные взаимодействия имеют место между любыми материальными частицами. По сравнению с другими видами это самые слабые взаимодействия, в физике элементарных частиц ими можно пренебречь практически всегда.

В настоящее время считают, что взаимодействие между нуклонами осуществляется путем обмена особыми частицами, которые не могут быть обнаружены за время их существования в данном процессе. Такие частицы называются виртуальными. Процессы, в которых они участвуют (виртуальные процессы или виртуальные переходы), представляют собой способ описания реальных внутриядерных взаимодействий.

В конце 40-х годов ХХ в. было установлено, что носителями ядерных сил являются виртуальные p -мезоны. Реальные p -мезоны были обнаружены в космическом излучении. Различают p^-, p⁰ и p⁺ - мезоны. Заряд p ^± -мезонов равен элементарному заряду е. Массы m_p⁺ = m_p^- = 273 m_e, m_p⁰ = 264 m_e. В реальных процессах все три частицы нестабильны, т.е. распадаются через определенное время, называемым временем жизни. Время жизни p⁺ и p^- -мезонов 2,60·10^-8с, а p⁰ –мезона – 0,8 ·10^-8с.

В ходе виртуальных процессов внутри ядра происходят следующие превращения:

, .

Таким образом, поле ядерных сил, в котором находится нуклон, можно рассматривать как облако виртуальных p -мезонов. Нуклоны взаимодействуют поглощая и испуская p -мезоны. Одна из возможных схем обмена нуклонов p -мезонами имеет вид:

Такой процесс подтвержден экспериментально при рассеянии нейтронов на водороде.

Модели ядра. Необходимость количественного расчета величин, характеризующих ядро, обусловила возникновение теоретических моделей строения ядра. Существуют многочисленные ядерные модели, которые отражают различные особенности ядерных взаимодействий и являются упрощенными подходами к описанию строения атомного ядра. Ниже кратко рассказано о некоторых самых простых моделях.

Одной из первых, в конце 30-х годов ХХ века возникла капельная модель, в основу которой была положена аналогия между ядром и каплей жидкости. Например, известно, что для не слишком легких и не слишком тяжелых ядер отношение Е_св/А примерно одинаково и составляет @ 8 МэВ. Для всякой жидкости энергия межмолекулярной связи, приходящаяся на одну единицу, также почти не зависит от размеров капли. Радиус действия межмолекулярных сил в жидкостях по порядку величины близок к среднему расстоянию между частицами. Радиус действия внутриядерных сил также по порядку величины близок к расстоянию между нуклонами и т.д.

В капельной модели атомные ядра уподобляют каплям нейтронно-протонной жидкости с постоянной плотностью. Таким образом можно хорошо описать деление ядер, процесс выброса из ядер частиц при ядерных превращениях, посчитать энергию связи ядер и др.

Оболочечная модель названа так по аналогии с атомной моделью оболочек. Согласно этой модели нуклоны движутся почти независимо в поле, создаваемом самими нуклонами. Нуклоны в ядре находятся в определенных энергетических состояниях, т.е. подобно электронам в атоме образуют определенные оболочки и подоболочки. В ядре существуют две системы нуклонных состояний – протонная и нейтронная, которые заполняются независимо. Наиболее устойчивы ядра, у которых числа нейронов или протонов равны «магическим»: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 и 152. Ядра, у которых «магическим» является и число протонов и число нейтронов, называются дважды «магическими»: ₂He⁴, ₈О¹⁶, ₂₀Са⁴⁰, ₈₂Pb²⁰⁸.

Аналитический вид потенциала, в котором движутся нуклоны в конкретном ядре, вносит каждый раз изменения в оболочечную модель. С помощью этой модели можно объяснить существование магических чисел, устойчивость атомных ядер, сосчитать величины спинов, магнитных и квадрупольных моментов основных состояний ядер.

До сих пор сохраняет свое значение и самая старая ядерная модель – модель нуклонных ассоциаций. Согласно этой модели ядро – система ассоциатов определенного типа. В простейшем случае ядра состоят из ассоциатов a -частиц. Это в основном ядра с равным и четным числом нейтронов и протонов: Be⁸, C¹², O¹⁶ и т.д. модель используется для описания ядерных реакций.

Закон радиоактивного распада. Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. Беккерелем. Было установлено, что ядра урана могут претер­певать превращения, испуская a. - (ядра гелия), b - (электро­ны) и g - лучи (электромагнитные волны длиной волны не более 1 ). Превращение ядер при этом происходит самопро­извольно и подчиняется статистическим закономерностям. Мерой быстроты превращений является период полураспада (Т) - время, в течение которого распадается половина перво­начально существовавших ядер. Постоянной радиоактивного распада (l) называется вероятность того, что отдельный атом испытывает радиоактивное превращение в единицу времени. Количество ядер dN, распадающихся за время dt можно представить формулой

-dN = lNdt, (98)

где N - число ядер к началу отсчета времени dt, знак (-) означает уменьшение количества ядер с течением времени. Разделяя переменные, интегрируя и потенцируя, получаем

Þ

где N₀ - первоначальное количество ядер.

Þ Þ

(99)

Последняя формула – математическая запись закона радиоактивного распада. Отметим, что N - число ядер, оставшихся по прошествии времени t. Положим в формуле (99) t=T, тогда

при этом по определению Т. Тогда ; и окончательно

(100)

т.е. период полураспада обратно пропорционален l.

Среднее время жизни t. Так называется время, за которое первоначальное количество ядер уменьшается в е раз. Тем самым из (99) следует, что Следовательно,

.

Т.е. постоянная радиоактивного распада l обратно пропорциональна среднему времени жизни. Сравнивая последнюю формулу с выражением (100) для Т, получим связь Т и t:

.

Схематически радиоактивные превращения (a,b,g -распады) можно представить с помощью так называемых правил смещения.

a - распад , где y - новое ядро.

При составлении этой схемы учтено, что в процессе радиоактивных превращений имеет место закон сохранения заряда и масс. Так как левый нижний индекс ядра определяет положение атома в таблице Менделеева, то в результате a-распада новое ядро смещается на две клетки к началу таблицы по сравнению с исходным.

b - распад обусловлен превращениями нуклонов внутри ядра. Существуют три вида b -распада: -распад, -распад и К-захват. При распаде происходит распад нейтрона: ₀ n ¹® _{+ 1} p ¹ + _-1 b ⁰ + , где - антинейтрино (особая частица). Вылет электрона приводит к увеличению зарядового числа на единицу, и новое ядро смещается на одну клетку к концу таблицы Менделеева:

.

При -распаде в ядре происходит превращение протона: , в результате чего вылетает позитрон (или ²положительный электрон² ) и сдвиг происходит в сторону начала таблицы Менделеева:

.

К-захват происходит, если ядро захватывает один из электронов электронной оболочки атома (обычно из К-оболочки). На освободившееся место в К-оболочке переходит электрон из другой оболочки, поэтому К-захват всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

g - распад. При g - распаде новое ядро не образуется:

,

где * - означает возбужденное состояние ядра. Этот вид распада заключается в испускании возбужденным ядром - кванта и возвращении ядра в нормальное состояние.

Если в результате распада возникает радиоактивное ядро, по распад продолжается. Пусть в результате радиоактивного распада некоторых ядер А образуются в свою очередь радиоактивные ядра В, которые превращаются в ядра С. Тогда в соответствии с (99) можно написать:

(dN_B)_{возник.}= (dN_А)_{распад.} = l_АN_Adt, Þ -(dN_B)_{распад.} = l_BN_Bdt

При так называемом радиоактивном равновесии (dN_B)_{возник.}=- (dN_B)_{распад.}

т.е.

l_АN_A = l_BN_B,, (101)

 

где N_B - число ядер В при радиоактивном равновесии. По формуле (101), зная одну из постоянных распада, можно найти другую, если известно N_A и N_B. При радиоак­тивном равновесии количество радиоактивных продуктов распада остается неизменным до тех пор, пока заметно не уменьшается количество материнского вещества. Например, в 1 г радия ежесекундно распадается 3,7·10¹⁰ ядер. Это число распадов принимают за единицу активнос­ти - Кюри (Ки). В СИ единицей активности является беккерель (Бк), соответствующий 1 распаду в 1 с. 1 Бк= 27 пКи.

Деление тяжелых ядер. Природный уран состоит на 99,3 % из изотопа и ₉₂ U ²³⁸и 0,7 % ₉₂ U ²³⁵. Установлено, что ₉₂ U ²³⁵под действием как быстрых, так и медленных (тепловых) нейтронов может разделиться на два осколка. Это деление обычно сопровождается выбросом от 1 до 3 нейтронов и b - и g - излучением осколков. При этом выделяется большая энергия (200 МэВ _на каждое распадающееся, ядро урана). Нейтроны, выброшенные из ядра урана, взаимодействуя с соседними ядрами, в свою очередь вызывают в них реакцию деления и т.д. Происходит лавинообразное нарастание числа актов деления. Такая реакция деления называется цепной. U ²³⁸может делиться только под действием быстрых нейтронов с энергией не менее 1 МэВ и к тому же вероятность деления мала. Поэтому для практи­ческих целей обычно используют или U ²³⁵, или природный уран, обогащенный этим изотопом. Ядра атомов, которые могут делиться под действием медленных нейтронов, называ­ются активно делящимися (U ²³⁵, U ²³³, Pu ²³⁴). Быстрота разви­тия цепной реакции характеризуется коэффициентом размножения нейтронов (К) - среднее отношение нейтронов некоторого поколения к количеству нейтронов предыдущего поколения с учетом всех потерь нейтронов. Для стационарно­го течения цепной реакции К= 1, при K= 1,01 практически мгновенно происходит взрыв. Важной характеристикой ак­тивно делящегося вещества является критическая масса - минимальная масса вещества, при которой идет цепная реакция. Она различна в зависимости от геометрической формы вещества, так как чем больше площадь поверхности, тем больше нейтронов будет уходить через поверхность и не участвовать в цепной реакции. Для чистого ₉₂U²³⁵, имеющего форму шара (наименьшая поверхность), т_кр =50 кг. ₉₂ U ²³⁸может быть использован для получения активно делящегося Pu ²³⁴по схеме

₉₂ U ²³⁸ + ₀ n ¹ ® ₉₂ U ²³⁹,

₉₂ U ²³⁹®2_-1 b ¹ + ₉₄ U ²³⁹.

 

Ядерные реакторы. Управляемая цепная реакция деления осуществляется в устройствах, которые называются ядерными реакторами. На рис.53. приведена схема уран-графитового реактора.

1. Защитная оболочка

2. Регулирующие стержни

3. Замедлитель

4. Тепловыделяющие элементы (ТВЭлы)

5. Отражатель

В ядерном реакторе в качестве делящегося вещества используется природный (иногда обогащенный изотопом U ²³⁵) уран. Ядерное горючее располагается внутри тепловыделяющих элементов (ТВЭлов). ТВЭлы собираются по нескольку штук в пакеты (4), которые размещаются на некотором расстоянии друг от друга. Промежутки между пакетами заполняют замедлителем (3) – веществом с малым атомным весом, служащим для снижения энергии быстрых нейтронов. Таким веществом может быть графит, бериллий, тяжелая вода (D₂O). В результате многократных соударений с ядрами замедлителя нейтроны теряют свою энергию до тех пор пока не войдут в тепловое равновесие со средой.

Для регулирования цепной реакции деления в активную зону реактора помещают стержни (2) из вещества, интенсивно поглощающего нейтроны (В, Cd, Eu). Введение стержней в реактор уменьшает коэффициент размножения нейтронов, а выведение – увеличивает.

Отражатель (5), окружающий активную зону, снижает утечку нейтронов из зоны и позволяет уменьшить величину критической массы. Обычно отражатель сделан из того же материала, что и замедлитель.

Снижение ядерного излучения снаружи реактора осуществляется за счет защитной оболочки (1), состоящей, например, из бетона.

Энергия, выделяющаяся в активной зоне реактора, может быть использована для выработки электроэнергии (АЭС) и для других промышленных и транспортных целей.

Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом. Потеря энергии a - и b- частицами при прохождении через вещество связана с процессом ионизации нейтральных атомов и молекул. Часть энергии a - и b -частицы затрачивают на возбуждение атомов (переходы электронов на вышележащие энергетические уровни), следствием чего является испускание квантов видимого, ультрафиолетового или рентгеновского излучения.

При сравнимых энергиях частиц ионизация, производимая b -частицами, примерно в 100 раз меньше ионизации, производимой a -частицами. Пробег b -частиц в веществе примерно в 100 раз больше. Для b -частиц с энергией в 2 МэВ полностью задерживающими оказываются слои воздуха ~8м, воды ~1 см, свинца ~1 мм.

Потеря энергии g-лучами связана с тремя процессами: фотоэффектом, эффектом Комптона и эффектом образования электронно-позитронных пар. В последнем случае при торможении g-кванта образуется электрон (_-1b⁰) и позитрон (₊₁b⁰). Практически эффект Комптона - основной процесс взаимодействия излучения с веществом при средней энергии от 0,3 до 5 МэВ. При меньших энергиях квантов растет вероятность фотоэффекта, при больших - повышается вероятность эффекта образования пар.

В результате всех этих процессов в облучаемой среде возникает большое количество движущихся электронов, зна­чительная часть которых обладает достаточной энергией для ионизации. Количественной характеристикой энергии ионизирующего излучения, основанной на ионизации сухого воздуха при атмосферном давление является экспозиционная доза. Единицей ее является рентген

Такая доза накапливается за 1 ч на расстоянии 1 м от радия массой 1 г. Количество энергии, поглощенной единицей массы вещества, характеризуется поглощенной дозой. Едини­цей ее является рад. 1 рад=10^-2 Дж/кг. В СИ единицей является Грей. 1 Гр = 10² рад = 1 Дж/кг.

Отметим что ионизирующим действием на вещество обладают не только a-, b-, и g-излучения, но и, например, нейтронное излучение. Источником нейтронов могут являть­ся ядерные реакторы, циклотроны и т.д. Сам нейтрон иони­зацию не вызывает, но при столкновении с протоном послед­ний может получить энергию нейтрона и стать сильно иони­зирующей частицей.

Биологическое действие радиоактивного излучения. Отрицательное воздействие ионизирующего облуче­ния известно с 1895 г., когда помощник Рентгена Грубе получил радиационный ожог рук, в 1898 г. Беккерель получил сильный ожог кожи от излучения радия. Ионизация приводит в конечном счете к изменению химического стро­ения живого организма, что, в свою очередь, приводит к вредным клиническим или генетическим последствиям. Ока­залось, что различные виды радиоактивного облучения при одной и той же поглощенной дозе по-разному влияют на биологические объекты. Для их сравнения вводится коэффи­циент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или его еще называют коэффициент качества - численный коэффициент, который равен отношению погло­щенной дозы эталонного излучения, вызывающего опреде­ленный радиобиологический эффект, к дозе рассматриваемо­го облучения, вызывающего тот же биологический эффект.

ОБЭ для b- и g-излучения равны 1, для протонов и нейтронов - 10, a-частиц - 20. Следовательно, для характеристики воздействия ионизирующего облучения нужно ввести не только характеристику, отражающую поглощенную дозу, но и ОБЭ. Такой характеристикой являются эквивалентная доза, пред­ставляющая собой их произведение. Единицей ее является биологический эквивалент рада - 1 бэр = 1 рад · ОБЭ. В СИ единицей эквивалентной дозы является Зиверт - 1 Зв = 100 бэр.

Воздействие ионизирующего облучения на живой орга­низм существенным образом зависит от проникающей способ­ности. Например, a-частицы практически не способны про­никнуть через наружный слой кожи, образованный отмерши­ми клетками. Поэтому они не представляют собой опасности для внутренних органов до тех пор, пока не попадут внутрь организма через рану, с пищей или с вдыхаемым воздухом, b-частицы проникают в ткани организма на 1-2 см, g-лучи пронизывают тело человека. Международная комиссия ра­диационной защиты рекомендовала в качестве предельно допустимой дозы разового аварийного облучения 25 бэр, допустимая доза облучения населения в год 500 мбэр (0,06 мбэр/ч). Для сравнения отметим, что фоновое облучение в год составляет 100 мбэр (0,011 мбэр/ч), облучение при рентгено­графии зубов 3 бэр.

Элементарные частицы – субатомные микрочастицы, отличные от атомов и атомных ядер. Ранее считалось, что таковыми являются частицы, которые нельзя представить составленными из более «мелких» составных частей. Однако с недавних пор ситуация осложнилась, после того, как выяснилось, что некоторые частицы обладают внутренней структурой (см. тему «Кварковая модель адронов»). В то же время элементарные частицы могут превращаться друг в друга (например, превращение нейрона при b -распаде, образование электронно-позитронных пар при торможении g -кванта).

Массы большинства элементарных частиц имеют порядок величины массы протона – 1,6·10^-27 кг (существенно меньше лишь масса электрона - 9,1·10^-31 кг). ²Размеры² элементарных частиц составляют от 10^-15 м – у протонов, нейтронов, p - и К -мезонов, до 10^-18 м и меньше у электронов, мюонов и др. Основные свойства элементарных частиц – в таблице. Античастицы обладают идентичными с частицами характеристиками, за исключением заряда (электрического, лептонного, барионного или странности). Заряд античастиц имеет противоположный знак.

 

Частица	Символ	Масса, ед. m е	Заряды	Спин	Среднее время жизни, с	Основные схемы распада
Q	Le	Lm	Lt	B
Фотон	g
Лептоны	Нейтрино   Электрон   Мюон   Таон	nе nm nt   е- е+ m- m+ t- t+		-1   -1   -1	+1   +1	+1     +1	+1       +1		1/2 1/2 1/2   1/2   1/2   1/2	cтабильны стабильны ?   стабилен   2,2×10-6   3,5×10-12	е- nm m- nt ; е-
Мезоны	p-мезоны     К-мезоны   h-мезон j-мезон	p0 p+ p-   K+ K- K0 h j		+1   +1				0,8×10-16 2,6×10-8   1,2×10-8 5,8×10-8 2,4×10-19 10-19	g g m+ nm m+ nm, p+ p0 p m nm p+ p - p+ p -
Барионы	Протон Нейтрон L-гиперон   S-гипероны   X (кси-) -гипероны   W-гиперон	p n L0 S+ S0 S- X0 X-   W-	1836,2 1838,7	+1 +1 -1 -1   -1		+1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1   +1	1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2   3/2	стабилен 0,93×103 2,5×10-10 0,8×10-10 <10-14 1,5×10-10 3×10-10 1,7×10-10   1,3×10-10	_ р е- р p -, n p0 p p0, n p+ L g n p - L p0 L p-- L K-,X- p0

 

Элементарные частицы являются квантовыми микрообъектами и их поведение определяется квантово механическими закономерностями. Можно сказать, что элементарные частицы – это кванты соответствующих физических полей, т.к. они способны испускаться и поглощаться в актах взаимодействия с другими частицами.

Между элементарными частицами может осуществляться сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействие. Каждая частица наряду с присущим ей взаимодействием описывается своими собственными характеристиками: квантовыми числами, временем жизни (t), массой (m), спином (J), электрическим зарядом (Q), лептонным (L) и барионным (B) зарядами и т.д.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные (электрон, протон, нейтрино), квазистабильные (свободный нейтрон) и нестабильные.

Элементарные частицы, имеющие полуцелый спин, подчиняются статистике Ферми-Дирака и называются фермионами. Частицы, обладающие целым спином – бозоны, описываются статистикой Бозе-Эйнштейна. Электрические заряды исследованных элементарных частиц целые и кратны по величине элементарному электрическому заряду – e (Q =0, ±1, ±2).

Различают 4 класса элементарных частиц:

1. Фотоны (кванты электромагнитного поля). Это единственная частица, принадлежащая к этому классу. Фотоны участвуют в электромагнитном взаимодействии.

2. Лептоны: мюоны (m ^- , m ⁺: m _m=200 m _e, спин ½), электроны и позитроны (е ^-, е ⁺); нейтрино (). Нейтрино различают: электронные (е) и мюонные (m). Волнистая черта стоит над антинейтрино. Лептоны участвуют в слабом взаимодействии, а заряженные и в электромагнитном. Лептоны являются фермионами.

3. Мезоны: p -мезоны (p ^- , p ⁺, p ⁰), К-мезоны (К ^- , К ⁺, , К ⁰), h -мезоны (h). m _p»270 m _e, m _h»1074 m _e. Все мезоны – бозоны (спин равен нулю). Участвуют в сильном и слабом взаимодействии, а заряженные – и в электромагнитном.

4. Барионы: нуклоны (n, p) и гипероны – нестабильные частицы с массой больше массы нуклонов ( и т.д.). Все барионы-фермионы. Участвуют в сильном взаимодействии.

Частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях (мезоны и барионы), часто объединяют в один класс адронов. Адроны составляют основную часть известных элементарных частиц.

Кварковая модель адронов. В 1964 г. Гелл-Маном и Цвейгом была высказана гипотеза о том, что все наблюдаемые адроны построены из частиц, называемых кварками. Кваркам приписываются дробные квантовые числа, дробный электрический заряд и спин ½. Таким образом, оказалось, что многие частицы, называемые элементарными, на самом деле не являются таковыми. Кварковая гипотеза позволила объяснить многие свойства частиц и предсказать существование новых. Однако на опыте не удалось наблюдать кварки в свободном состоянии. Поэтому считается, что они могут существовать только внутри адронов. Это подтверждается рядом наблюдений. В пределах точности современного эксперимента кварки являются предельной ступенью дробления адронной материи, не имеют структуры и их размеры меньше 10^-18 м. К настоящему времени установлено существование пяти типов (или ароматов) кварков: u, d, s, c, b. Все кварки имеют спин ½ и барионный заряд В =3/2. Величины электрических зарядов кварков представлены в таблице.

Кварк	u d s c b
Электрический Заряд

Сравнивая заряды кварков с зарядами мезонов и барионов, можно установить, что каждый мезон является парой кварк-антикварк, а каждый барион состоит из трех кварков. Действительно, только комбинация кварк-антикварк имеет В=0 и только три кварка образуют частицу с полуцелым спином и барионным зарядом В=1. В таблице ниже приведен кварковый состав некоторых адронов, где в скобках стрелками указаны спины кварков и антикварков.

Частица				p	n
Спин				1/2	1/2	3/2
Кварковый состав	u	d (↑↓)

 

Среди элементарных частиц существуют античастицы. Они имеют те же значения масс, спинов и других физических характеристик, что и их «двойники» - «частицы», однако обладают отличающимся по знаку электрическим зарядом. В 1932 г. была открыта первая такая частица – позитрон (античастица по отношению к электрону, обладающая зарядом +1,6·10^-19 Кл). Впоследствии были открыты и другие античастицы. У стабильных частиц как правило существуют и стабильные античастицы. Однако в веществе античастицы встречаются с частицами, и при этом происходит аннигиляция пары частица-античастица. В процессе аннигиляции происходит превращение одной формы материи в другую. Например, при столкновении электрона с позитроном возникает 2 g-кванта (два – из-за закона сохранения импульса).

В естественных условиях античастицы рождаются при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли.