В одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одиноковым набором четырёх квантовых чисел.
Физика атомного ядра и элементарных частиц.
Атомное ядро состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов.
Нуклоны – это протоны и нейтроны.
Массовое число общее число протонов и нейтронов в атомном ядре.
Зарядовое число ядра – число протонов в ядре, совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева.
Изотопы – ядра с одинаковым зарядом но разными массовыми числами.
Изобары – ядра с одинаковыми массами, но разными зарядами.
Изотоны – ядра с одинаковым числом нейтронов.
Радиус ядра не имеет резко выраженной границы, поэтому условен.
Энергия связи – энергия, которую надо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные частицы.
Ядерные силы – силы, действующие между составляющими ядро нуклонов и значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Относятся к классу сильных взаимодействий.
Основные свойства ядерных сил:
1) ядерные силы являются силами притяжения;
2) ядерные силы являются короткодействующими – их действие проявляется только на расстояниях примерно 10-15 м;
3) ядерным силам свойственна зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами, или между двумя нейтронами, или между протоном нейтроном, одинаковы по величине. Отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу.
4) Ядерным силам свойственно насыщение: каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов.
5) Ядерные силы зависят от взаимной ориентации взаимодействующих нуклонов.
6) Ядерные силы не являются нейтральными.
Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.
Радиоактивность подразделяют на естественную (наблюдается у неусточивых изотопов, существующих в природе), и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций).
Три типа радиоактивного излучения:
1. α-Излучение: отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью; представляет поток ядер гелия.
2. β-Излучение: электрическим и магнитным полями, его ионизирующая способность значительно меньше, а проникающая способность значительно выше, чем у α – частиц; представляет собой поток быстрых электронов.
3.γ-Излучение: не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью; представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц .
Радиоактивный распад – естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно.
Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро – дочерним.
Период полураспада – время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое.
Активность нуклида – число распадов, происходящих с ядрами образца в 1с.
Единица активности – беккерель.
Беккерель – активность нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада.
В ядерной физике применяется и внесистемная единица активности нуклида в радиоактивном источнике – кюри.
Ядерная реакция – превращение атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом.
Законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции.
Экзотермическая реакция – ядерная реакция с выделением энергии.
Эндотермическая реакция – ядерная реакция с поглощением энергии.
Классификация ядерных реакций: 1) по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; заряженных частиц, γ- квантов.
2) по энергии вызывающих их частиц – реакции пр малых, средних и высоких энергиях;
3) по роду участвующих в них ядер реакции на лёгких (А
4) по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием нейтронов, заряженных частиц, реакции захвата.
Реакции деления ядра- тяжёлое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось и других частиц делится на на несколько более лёгких ядер, чаще всего на два ядра, близких по массе.
Нейтроны деления – два-три вторичных нейтрона, испускаемых при реакции деления ядра.
Цепная реакция деления – ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию. Образуются как продукты этой реакции.
Коэффициент размножения нейтронов – отношение числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении.
Критические размеры – минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление ядерной реакции.
Критическая масса – минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления ядерной реакции.
Развивающаяся реакция – реакция, при которой число делений непрерывно растёт и реакция может стать взрывной.
Самоподдерживающаяся реакция – реакция, при которой число нейтронов с течеием времени не изменяется.
Цепные реакции делят на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией.
Ядерный реактор – устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная ядерная реакция.
Ядерные реакторы различают:
1) по характеру основных материалов, находящихся в активной зоне (ядерное топливо, замедлитель, теплоноситель);
2) по характеру размещения ядерного топлива и замедлителя в активной зоне – гомогенные (оба вещества равномерно смешаны друг с другом) и гетерогенные (оба вещества располагаются порознь в виде блоков).
3) По энергии нейтронов (реакторы на тепловых и быстрых нейтронах).
4) По типу режима (непрерывные и импульсные).
5) По назначению (энергетические, исследовательские, реакторы по производству новых делящихся материалов, радиоактивных изотопов и т. д.).
Реакция синтеза атомных ядер – образование из лёгких ядер более тяжёлых.
Термоядерная реакция – реакция синтеза атомных ядер в более тяжёлые, происходящая при сверхвысокой температуре (примерно 107 и выше К).
Доза ионизирующего излучения – характеристика воздействия. Различаются - γ-излучение, а также других видов ионизирующего излучения на вещество.
Поглощённая доза излучения физическая величина, равная отношению энергии излучения к массе облучаемого вещества.
Единица поглощённой дозы излучения – грей.
Грей – доза излучения, при которой облучённому веществу массой 1 кг передаётся энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж.
Экспозиционная доза излучения – физическая величина, равная отношению суммы электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронами, освобождёнными в облученном воздухе (при условии полного использования ионизирующей способности электронов), к массе этого воздуха.
Единица экспозиционной дозы излучения – кулон на килограмм (Кл/кг); внесистемной единицей является рентген (Р).
Биологическая доза – величина, определяющая воздействие излучения на организм.
Единица биологической дозы – биологический эквивалент рентгена (бэр).
БЭР – доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или - γ-излучения в Р.
1 бэр= 10-2 Дж/кг.
Мощность дозы излучения – физическая величина, равная отношению дозы излучения ко времени излучения.
Элементарные частицы.
Космическое излучение – излучение, происходящее на Землю практически изотропно со всех направлений космического пространства.
Первичное космическое излучение – излучение, происходящее непосредственно из космоса.
Вторичное космическое излучение – излучение, образующееся в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов земной атмосферы. В его составе можно выделить два компонента: мягкий (сильно поглощается свинцом) и жёсткий, (обладает в свинце большой проникающей способностью.)
Типы взаимодействия элементарных частиц:
Сильное или ядерное, взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядре атома;
Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементарных частиц, за исключение нейтрино, антинейтрино и фотона;
Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино (например, β-распад, μ-распад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующие довольно большим временем жизни распадающейся частицы (τ>10-10 с).
Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в 1014 раз – слабое. Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы. Как сильное, так и слабое взаимодействия – короткодействующие. Радиус действия сильного взаимодействия составляет примерно 10-15 м, слабого – не превышает 10-19 м. Радиус действия электромагнитного взаимодействия практически не ограничен.
Элементарные частицы принято делить на три группы:
1. Фотоны – эта группа состоит всего лишь из одной частицы – фотона (кванта электромагнитного излучения).
2. Лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К лептонам относят электронное и мюонное нейтрино, электрон, мюон и открытый в 1975 г. тяжёлый лептон – τ – лептон, или таон, с массой примерно 3487me, а также существующие им античастицы. К лептонам относится также таонное нейтрино.
3. Адроны обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым. К ним относят протон, нейтрон, пионы, каоны, гипероны и их античастицы.
Лептонное число - квантовое число, приписываемое элементарным частицам, относящимся к группе лептонов. Обычно принимают, что L=+1 для лептонов и L=0 для всех остальных элементарных частиц.
Закон сохранения лептонного числа: в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонное число сохраняется.
Поскольку у электрона и нейтрино L=+1, а у позитрона и антинейтрино L= - 1, то закон сохранения лептонного числа выполняется лишь при условии, что антинейтрино возникает вместе с электроном, а нейтрино – с позитроном.
Барионное число В – квантовое число, приписываемое элементарным частицам, относящимся к группе адронов. Адроны с В=0 образуют подгруппу мезонов (пионы, каоны, η-мезон), а адроны с В=+1 образуют подгруппу барионов ( к ним относят нуклоны и гипероны). Для лептонов и фотона В=0.
Закон сохранения барионного числа: в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращаемости элементарных частиц барионное число сохраняется.
Изотопический мультиплет- группа похожих элементарных частиц, одинаковым образом участвующих в сильном взаимодействии, имеющих близкие массы и отличающихся зарядами.
Изотопический спин – одна из внутренних характеристик адронов, определяющая число частиц в изотопическом мультиплете: n=2I+1.
Для процессов взаимопревращаемости элементарных частиц, обусловленных сильными взаимодействиями, выполняются все законы сохранения (импульса, энергии, момента импульса, зарядов – электрического, лептонного и барионного, изоспина) .
Развитие работ по классификации элементарных частиц сопровождались поиском новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для построения всех адронов. Эти частицы были названы кварками.
Согласно модели Гелл-Манн-Цвейга, все известные адроны можно было построить, постулировав существование трёх видов кварков ( u, d, s) и соответственно антикварков. Самое удивительное свойство кварков связано с их электрическим зарядом, поскольку ещё никто не находил частиц с дробным значением элементарного электрического заряда. Спин кварка равен ½, поскольку только з фермионов можно сконструировать как фермионы, так и бозоны.
В настоящее время признана точка зрения, согласно которой между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов должно быть равно числу типов кварков. Является ли схема из шести лептонов и кварков окончательной или же число лептонов и кварков будет расти, покажут дальнейшие исследования.
Дальше русский язык:
