Фундаментальные взаимодействия Все силы и взаимодействия между материальными объектами в природе сводятся к проявлению четырех типов фундаментальных взаимодействий: сильного (ядерного), электромагнитного, слабого и гравитационного. <...> Фундаментальные взаимодействия характеризуются своим радиусом действия, то есть размером той области, в которой они проявляются заметным образом, и своей интенсивностью, что определяет их поведение на различных уровнях строения материи – мега-, макро- и микромир. <...> Сильное взаимодействие проявляет себя значи5 тельным образом на расстояниях до 10–15 рядка радиуса атомных ядер. <...> Таблица 1 Характеристики фундаментальных взаимодействий Взаимодействие Сильное Электромагнитное Проявления Интенсивность Ядерные силы ~1 Радиус действия, м ~10–15 Силы Ампера и силы Кулона ~10–2 ∝ ~10–10 ~10–18 ~10–38 ∝ В атомной физике можно учитывать лишь электромагнитное взаимодействие (гравитационное взаимодействие обладает сравнительно малой интенсивностью и поэтому им можно пренебречь; гравитационные заряды – массы частиц – малы). <...> Сильное и слабое взаимодействия проявляют себя заметным образом только на расстояниях много меньших размеров атома и в атомной физике ими можно пренебречь. <...> Класс лептонов состоит из шести элементарных частиц (электрон, мюон, тау-лептон, соответствующие им нейтрино) и шести античастиц. <...> Коэффициент пропорциональности – спиновое квантовое число – у одних частиц имеет только целочисленные значения (бозоны – мезоны, частицы переносчики взаимодействий), а у других – полуцелые (фермионы – барионы и лептоны). <...> Частицы можно классифицировать и по их времени жизни: 1) стабильные (электрон, протон, нейтрино, фотон); 2) квазистабильные – распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимодействий (нейтрон); 3) нестабильные – распадающиеся вследствие сильного взаимодействия. <...> К ним относят 12 фундаментальных фермионов (со спином 1 ний столбец таблицы 2 – электрические <...>
Ядерная_физика_и_физика_элементарных_частиц._Часть_первая._Учебное_пособие.pdf
УДК 539.1
ББК 22.38
М69
Рецензенты:
доктор физико-математических наук, доцент кафедры общей
и экспериментальной физики Московского педагогического
государственного университета И. А. Васильева;
кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой
физики и высшей математики Московского государственного
университета технологии и управления В. Ф. Дмитриев.
М69
тиц: Учебное пособие: В 2-х ч. – Ч.
Михайлов М. А. Ядерная физика и физика элементарных час1.
– М.: МПГУ, 2011. – 94 с.
В пособии рассмотрены основные понятия и законы
физики атомного ядра и элементарных частиц. В первой
части изложен ряд общих вопросов, а также вопросы, касающиеся
строения и свойств атомного ядра, радиоактивных
распадов и ядерных реакций. Во второй части рассматриваются
вопросы взаимопревращений элементарных частиц,
подробно излагается теория сильного и слабого взаимодействий,
дается понятие о современных единых теориях
фундаментальных взаимодействий. Пособие предназначено
для преподавателей физики, для студентов физических
специальностей педагогических вузов.
ISBN 978–5–4263–0048–4
© М. А. Михайлов, 2011
© МПГУ, 2011
© Оформление. Издательство «Прометей», 2011
Стр.2
Содержание
1. ВВЕДЕНИЕ В ЯДЕРНУЮ ФИЗИКУ
И ФИЗИКУ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ ......................................... 5
1.1. Фундаментальные взаимодействия ................................................ 5
1.2. Классификация элементарных частиц .......................................... 7
2. СТАБИЛЬНЫЕ ЯДРА И ИХ ОСНОВНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ...........................................................................10
2.1. Состав ядра .....................................................................................10
2.2. Энергия связи ядра ........................................................................11
2.3. Ядерные силы и их свойства..........................................................12
2.4. Изотопический спин .....................................................................13
2.5. Радиус ядра .....................................................................................14
2.6. Спин ядра .......................................................................................15
2.7. Четность .........................................................................................16
2.8. Электромагнитные моменты ядер ................................................17
3.ЯДЕРНЫЕ МОДЕЛИ ............................................................................20
3.1. Классификация ядерных моделей ................................................20
3.2. Капельная модель ядра ..................................................................21
3.3. Формула Вейцзеккера для энергии
связи ядра .....................................................................................23
3.4. Несферическая модель ядер ..........................................................25
3.5. Оболочечная модель ядер ..............................................................26
3.6. Обобщенная модель ядра ..............................................................29
4. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ................................................31
4.1. Явление радиоактивного распада.
Закон радиоактивного распада.
Период полураспада .....................................................................31
4.2. Альфа-распад .................................................................................32
4.3. Законы сохранения при a-распаде ...............................................33
4.4. Механизм a-распада .....................................................................36
4.5. Бета-распад ....................................................................................38
4.6. Энергетический баланс b-превращений ядер. Нейтрино ...........39
4.7. Правила отбора при b-превращениях ..........................................44
4.8. Нарушение закона сохранения пространственной
четности в b-распадах ..................................................................45
4.9. Гамма-излучение ядер ...................................................................48
Стр.3
4.10. Эффект Мессбауэра .....................................................................51
5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЯ
С ВЕЩЕСТВОМ .................................................................................53
5.1. Прохождение тяжелых заряженных частиц
через вещество. Ионизационное торможение. ...........................53
5.2. Особенности прохождения легких частиц через вещество.
Ионизационные потери энергии. Тормозное излучение ...........60
5.3. Излучение Вавилова–Черенкова ..................................................63
5.4. Взаимодействие гамма-квантов с веществом ...............................65
6. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ ..........................................................................68
6.1. Классификация ядерных реакций и их общие
закономерности ............................................................................68
6.2. Законы сохранения энергии и импульса в ядерных
реакциях ........................................................................................70
6.3. Закон сохранения момента импульса ...........................................74
6.4. Механизмы протекания ядерных реакций ...................................75
6.4.1. Механизм составного ядра. ...................................................75
6.4.2. Механизм прямых реакций. .................................................78
6.4.3. Деление тяжелых ядер. ..........................................................80
6.5. Деление ядер под действием нейтронов.
Цепные ядерные реакции ............................................................84
6.6. Термоядерные реакции. Управляемый
термоядерный синтез ...................................................................88
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ......................................................92
Стр.4