Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами (сильным взаимодействием). <...> Например, ядра изотопов водорода − протон 1 Ядра, имеющие одинаковое число протонов, но различные числа 1Н, дейтрон 2 1Н (или 2 1D) и тритон 3 1Н (или 3 средних ядер число протонов и нейтронов примерно одинаково. <...> Измерение углового распределения рассеянных частиц и сечений процессов позволяет изучать законы взаимодействия частиц, исследовать их структуру и, в частности, определить радиус ядра любого атома. <...> Вначале считалось, что обнаруженные излучения испускаются атомом, и лишь впоследствии стало ясно, что их источником является атомное ядро. <...> **) Спонтанное деление ядер с одновременным испусканием нейтронов было открыто только в 1940 г. (К.А. Петржак, Г.Н. Флёров). <...> Зависимость отношения экспериментального сечения к сечению кулоновского (резерфордовского) рассеяния от угла для упругого 0,0 30° 90° 150° θ рассеяния α-частиц с энергией 22 МэВ на ядрах свинца На рис. <...> 1.2 показана зависимость отношения экспериментального сечения к сечению кулоновского рассеяния от угла рассеяния θ для упругого рассеяния α-частиц с энергией К = 22 МэВ на ядрах свинца. <...> 15 Таким образом, размер ядра свинца меньше этой величины. <...> Рассмотрим электрон с энергией 10 ГэВ, «нацеленный» на край ядра свинца (R ≈ 7 Фм). <...> Из этого примера видно, что если у ядра свинца весь заряд был бы распределен по его поверхности, то, согласно классической физике, электроны с энергией 10 ГэВ не могли бы рассеиваться на углы больше чем θmax = 1,35°. <...> Посколь2 Рассмотрим случай, когда водородная мишень бомбардируется электронным пучком с энергией рс = 1 ГэВ = 1,6⋅10−10 Дж. <...> Радиусы ядер, полученные в экспериментах по рассеянию электронов Величина радиуса ядра определяется числом нуклонов в ядре, R, Фм 1.6. <...> Ядерные силы существенно превосходят силы электростатического кулоновского отталкивания протонов и обусловливают большую плотность вещества ядра ~ 1017 кг/м3. <...> Сегодня мы знаем: сильное <...>
Физика._Ядерная_физика._Физика_элементарных_частиц._Астрофизика.pdf
УДК 539.1(075.8)
ББК 22.38я73
Т98
Тюрин Ю.И.
Т98
Физика: Ядерная физика. Физика элементарных частиц.
Астрофизика: учебник / Ю.И. Тюрин, И.П. Чернов, Ю.Ю. Крючков;
Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского
политехнического университета, 2009. – 252 с.
ISBN 978-5-98298-647-7
Учебник, классический по построению и содержанию, представляет курс
лекций по физике, направленный на выработку у студентов практических навыков
использования фундаментальных физических закономерностей для решения
профессиональных задач. Основное внимание уделено квантовомеханическому
описанию свойств ядер, современным представлениям физики
элементарных частиц и космологии. Достаточно подробно рассмотрены прикладные
вопросы ядерной физики и современные методы физических исследований.
Разработан
в рамках реализации Инновационной образовательной программы
ТПУ по направлению «Технологии водородной энергетики, энергосбережение
и возобновляемые источники энергии» и предназначен для
преподавателей, студентов, бакалавров и магистров технических университетов.
УДК 539.1(075.8)
ББК 22.38я73
Рецензенты
Доктор физико-математических наук, профессор
зав. кафедрой общей и экспериментальной физики ТГУ
В.П. Демкин
Доктор физико-математических наук, профессор
зав. кафедрой прикладной и теоретической физики НГТУ
В.Г. Дубровский
Доктор технических наук, профессор
В.Л. Чахлов
ISBN 978-5-98298-647-7 © Томский политехнический университет, 2009
© Тюрин Ю.И., Чернов И.П., Крючков Ю.Ю., 2009
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2009
2
Стр.2
1. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
1.1. Введение
Ядерная физика представляет собой важную и быстро развивающуюся
область современной физики. Поскольку в настоящее время
полное понимание природы ядерных сил еще не достигнуто, то невозможно
изложить теорию ядра, как это делается, скажем, для случая
атома водорода. Теория ядра сходна с квантовой механикой атома, за
исключением того, что она не использует закон Кулона: теория предсказывает
для связанных состояний дискретные уровни энергии, но не в
состоянии точно вычислить их положение. Она предсказывает туннельный
эффект для заряженных частиц, проходящих через узкие потенциальные
барьеры, но не может ничего точно сказать о форме этих
барьеров. Тем не менее, квантовая механика, которая дает объяснение
качественной природы явлений, в сочетании с экспериментальными
сведениями, служащими для количественного описания, обеспечивает
«рабочий» уровень понимания ядерной физики.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными
силами (сильным взаимодействием). Нейтроны и протоны имеют почти
одну и ту же массу и весьма сходные свойства. Их обычно называют
нуклонами. Суммарное число протонов и нейтронов – массовое число,
обозначается символом А. Число нейтронов N равно A − Z, где Z − атомный
номер или число протонов в ядре (число электронов в оболочке
атома). Величина А данного атомного ядра очень близка к атомной
массе самого атома.
Символическая запись ядра Z
AX, где X – химический элемент. Для
обозначения конкретного ядра используется символ атома с указанием
сверху массового числа. Например, 14С − это изотоп углерода, ядро
которого состоит из 6 протонов и 8 нейтронов. Атомная масса ядра 12С
выбрана в точности равной 12. Шкала атомных масс (атомная единица
массы*)) основана на массе изотопа углерода 12С.
*) Атомная единица массы (а.е.м.) − единица массы, равная 1/12 массы изотопа углерода 12C;
применяется в атомной и ядерной физике для выражения масс элементарных частиц,
атомов, молекул. 1 а.е.м. = 1,6605655 ⋅10−27 кг (на 1984 г.). Энергетический эквивалент
1 а.е.м. = 931,50 МэВ.
3
Стр.3
нейтронов, называются изотопами. Например, ядра изотопов водорода −
протон 1
Ядра, имеющие одинаковое число протонов, но различные числа
1Н, дейтрон 2
1Н (или 2
1D) и тритон 3
1Н (или 3
средних ядер число протонов и нейтронов примерно одинаково.
1.2. Рассеяние микрочастиц при их столкновениях
Если в физике атомов, молекул и образованных из них макроскопических
систем основными методами исследований являются спектроскопические
(изучают квантовые переходы между уровнями энергии,
взаимодействия атомов и молекул, а также макроскопические характеристики
объектов − температуру, плотность, скорость макроскопического
движения и т. д.), то в ядерной физике и физике элементарных
частиц основной метод − рассеяние микрочастиц при их столкновениях.
Для этого используются или естественные источники высокоэнергетических
микрочастиц (радиоактивные вещества, космические частицы),
или строятся специальные ускорители частиц.
Рассеяние микрочастиц – процесс столкновения частиц, в результате
которого либо меняются их импульсы (упругое рассеяние), либо
наряду с изменением импульсов меняется также внутреннее состояние
частиц или образуются другие частицы (неупругие процессы). Одна из
основных количественных характеристик рассеяния – эффективное
сечение – величина, пропорциональная вероятности процесса.
Рассмотрим рассеяние одной заряженной частицы в поле другой.
Траектория частицы, проходящей через силовое поле (с центром О, см.
рис. 1.1, а), искривляется − происходит рассеяние. Угол θ между начальным
(рнач) и конечным (ркон) импульсами рассеиваемой частицы
называется углом рассеяния. Угол рассеяния зависит от характера взаимодействия
между частицами и прицельного параметра b − расстояния
наибольшего возможного сближения частицы с силовым центром.
Обычно на исследуемое вещество направляют пучок частиц, например
α-частиц (рис. 1.1, а). Число частиц dN, рассеянных в единицу времени
на углы в интервале θ, θ + dθ, равно числу частиц, проходящих в единицу
времени через кольцо площадью 2πbdb. Если N − плотность потока
падающих частиц (м−2⋅с−1), то dN = 2πbdb⋅N.
Эффективное сечение − величина, характеризующая вероятность
перехода системы двух сталкивающихся частиц в результате их рассеяния
(упругого или неупругого) в определённое конечное состояние.
Сечение dσ равно отношению числа dN таких переходов в единицу
времени к плотности N потока рассеиваемых частиц:
dσ = dN/N = 2πbdb.
4
1T). У легких и
Стр.4