Строение атомного ядра. Радиоактивность. Ядерные реакции. Элементарные частицы

Элементарные частицы

До 30-х гг. XX столетия были известны всего четыре элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон и фотон. Однако ситуация изменилась после создания ускорителей. Выяснилось, что при столкновениях элементарные частицы с большой энергией порождают новые, в том числе неизвестные ранее, частицы.

В современной физике под термином «элементарная частица» обычно подразумевают мельчайшую частицу материи, которая не является атомом или его ядром.

Почти у каждой частицы существует, причём только одна, античастица. При столкновении частицы со своей античастицей они аннигилируют, т. е. исчезают. При этом появляются совершенно другие частицы, например фотоны.

Примерами пар частицы и её античастицы являются электрон и позитрон, протон и антипротон. В приведённых парах частицы отличаются друг от друга только знаком электрического заряда. В общем случае частица отличается от своей античастицы только одной из многих характеризующих их величин.

Частицу, которая не имеет античастицы, называют истинно нейтральной. Примерами таких частиц являются фотон и \pi^{0} -мезон.

К настоящему времени известно уже более 350 элементарных частиц. Некоторые из этих частиц имеют массу, превышающую массу протона. Среди них есть частицы, электрический заряд которых по модулю в два и даже в три раза превышает элементарный заряд.

В результате многочисленных экспериментов было установлено, что все элементарные частицы могут превращаться друг в друга, и эти взаимные превращения - главная особенность их существования.

Согласно современным представлениям, фундаментальными (не состоящими из других) частицами являются лептоны и кварки.

К истинно элементарным относят также частицы - переносчики различных видов взаимодействий.

Пример 4

Условие

Какое число протонов и нейтронов содержит алюминиевый образец ( { }_{13}^{27} \mathrm{Al} ) массой 1 г?

Решение

Число атомов, содержащихся в одном грамме алюминия, можно рассчитать по формуле N=\frac{m}{M} N_{\mathrm{Al}}=\frac{1}{27} \cdot 6,02 \cdot 10^{23}=2,23 \cdot 10^{22}.

В каждом ядре атома алюминия содержится 13 протонов и 14 нейтронов. Следовательно, в 1 г алюминия содержится N_{p}=2,9 \cdot 10^{23} протонов и N_{n}= 3,1 \cdot 10^{23} нейтронов.

Ответ 2,9 \cdot 10^{23} протонов и 3,1 \cdot 10^{23} нейтронов.

Пример 5

Условие

Ядро покоящегося нейтрального атома, находясь в однородном магнитном поле, испытывает \alpha -распад. При этом рождаются \alpha частица и тяжелый ион нового элемента. Выделившаяся при \alpha -распаде энергия \Delta E целиком переходит в кинетическую энергию продуктов реакции. Трек \alpha частицы находится в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Начальная часть трека напоминает дугу окружности радиусом r . Масса \alpha -частицы равна m , её заряд равен 2 e , масса тяжелого иона равна M . Определите значение модуля индукции магнитного поля.

Решение

Закон сохранения импульса для \alpha -распада имеет вид: m v-M u=0 .

Закон сохранения энергии можно записать в виде: \frac{m v^{2}}{2}+\frac{M u^{2}}{2}=\Delta E .

\alpha -частица движется в магнитном поле по окружности. По второму закону Ньютона |2 e| B v=\frac{m v^{2}}{r}.

Решая систему трёх уравнений, получим значение модуля индукции магнитного поля: B=\frac{1}{2 e r} \sqrt{\frac{2 m \Delta E}{1+\frac{m}{M}}}.

Ответ B=\frac{1}{2 e r} \sqrt{\frac{2 m \Delta E}{1+\frac{m}{M}}}.

Пример 6

Условие

При взрыве атомной бомбы освобождается энергия 8,3 \cdot 10^{16} Дж. Эта энергия получается в основном за счёт деления ядер урана-238. При делении одного ядра урана-238 освобождается 200 M эВ, масса ядра равна примерно 238 а. е. м. Вычислите массу ядер урана, испытавших деление при взрыве, и суммарный дефект массы.

Решение

Масса m ядер урана, испытавших деление при взрыве: m=N m_{0} . Число N ядер равно: N=\frac{E}{E_{1}} , где E - энергия, которая высвобождается при взрыве бомбы, E_{1} - энергия деления одного ядра урана.

Тогда масса ядер урана, испытавших деление при взрыве, равна m= N m_{0}=\frac{E}{E_{1}} m_{0}=\frac{8,3 \cdot 10^{16} \cdot 238 \cdot 1,66 \cdot 10^{-27}}{200 \cdot 10^{6} \cdot 1,6 \cdot 10^{-19}} \approx 10^{3} кг.

Найдем дефект массы ядерной реакции: \Delta m=\frac{E}{c^{2}}=\frac{8,3 \cdot 10^{16}}{\left(3 \cdot 10^{8}\right)^{2}} \approx 0,92 кг.

Ответ 0,92 кг.