Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Дефект массы. Энергия связи ядер





Лекция 16

... С небес космические ливни заструились,

Неся потоки позитронов на хвостах комет.

Мезоны, даже бомбы появились,

Каких там резонансов только нет ...

Автор

АТОМНОЕ ЯДРО

 

Структура атомного ядра

 

Ядро атома состоит из нуклонов: протонов и нейтронов. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом А. Число протонов в ядре равно порядковому номеру в системе элементов Менделеева Z (числу протонов в ядре или числу электронов в атоме), число нейтронов N = A - Z. Ядро обозначают символом . Ядра имеют несколько изотопов, которые характеризуются одним и тем же порядковым номером Z, но различными А и N. Например, ядро - протий; ядро - дейтрон (d), атом этого изотопа называют дейтерий; ядро - тритон (t), атом - тритий. Существование атомных ядер открыто Резерфордом в 1911 г. при проведении опытов по рассеянию a - частиц. Электрический заряд ядра равен числу положительно заряженных протонов в ядре. Размеры ядер зависят от числа нуклонов в ядре: как у всякой квантовой системы у атомного ядра нет четко выраженной границы. Эффективный радиус ядра R = a , где а = 1,12×10-15 м = const и близка к радиусу действия ядерных сил r0, зависит от того, в каких физических явлениях измеряется размер ядра. В экспериментах по рассеянию электронов и протонов на ядрах установлено, что в каждом ядре отчетливо различается внутренняя область (керн), в которой плотность ядерного вещества практически постоянна, и поверхностный слой, в котором эта плотность падает до нуля. Распределение концентрации нуклонов в ядре с(r) в зависимости от расстояния r до центра ядра приведено на (рис. 11.1), где r0 - радиус ядра, Dr - толщина поверхностного слоя.

  Рис. 11.1

Радиус ядра определяется как расстояние от центра ядра, на котором концентрация нуклонов падает в два раза по сравнению с концентрацией в центре ядра. Радиусы ядер находятся в пределах от 2×10-15 м до 10×10-15 м. По объему ядро занимает малую часть атома. Однако в ядре сосредоточено 99,9% всей массы атома, поэтому плотность ядерного вещества r @ 2×1017 кг/м3. Размеры протона и нейтрона примерно одинаковы и равны 7,8×10-15 м.



Размер электрона 10-19 м. Плотность вещества в нуклоне r @ 7,5×1017 кг/м3. Время жизни протона t @ 1032 лет.

Время жизни нейтрона в свободном состоянии t @ 11,7 минут; в ядре он стабилен. Ядро характеризуют барионным зарядом В. К барионами относится группа элементарных частиц с полуцелым спином и массой не меньше массы протона, т. е. это - протон, нейтрон, гипероны, часть резонансов и “очарованных” частиц и др. Барионный заряд протона В = 1, нейтрона - В = 0.

Таким образом, барионное число (барионный заряд) характеризует любой материальный объект. Для существующих в природе атомных ядер оно изменяется от 1-го (водород) до 114-го элемента в периодической системе элементов Менделеева. Барионное число нейтронных звезд В @ 1057, а для всей Вселенной - В @ 1078. Ядра характеризуются электрическим и магнитным моментами. В различных состояниях ядро может иметь разные по величине магнитные дипольные и электрические квадрупольные моменты.

В СИ ядерный магнетон протона , (11.1)

где mp - масса протона; qp - заряд протона.

В единицах mя магнитный момент протона mp = 2,79; нейтрона mn= -1,91, т. е. магнитный момент нейтрона ориентирован против его спина.

Магнитные моменты ядер измеряют, используя явление магнитного резонанса, которое заключается в резонансном поглощении энергии высокочастотного электромагнитного поля, которое происходит при переориентации магнитных моментов, предварительно выстроенных в направлении постоянного магнитного поля. Ядра могут вращаться, что является причиной не сферичности ядер в невозбужденном состоянии. Это следует из универсального квантового закона: вращаться может только такая микроскопическая система, которая не обладает сферической симметрией. Атомные ядра могут находиться в определенных дискретных квантовых состояниях, отличающихся друг от друга энергией и другими характеристиками, сохраняющимися во времени.

Важнейшими квантовыми характеристиками ядерных состояний являются спин ядра I и четность Р. Спин - целое число у ядер с четным А (бозоны) и полуцелое при нечетном А (фермионы). Спин ядра равен сумме спинов составляющих его нуклонов. Четность состояния Р = ±1 указывает на изменение знака волновой функции ядра при зеркальном отражении пространства, т. е. указывает, как изменяется квантовое состояние при обращении знаков у координат всех частиц. Это преобразование называют пространственной инверсией, т. к. правый винт становится левым. Ядерные состояния характеризуются также квантовыми числами, например, изотопической инвариантностью ядерных сил. Она приводит к появлению у легких ядер (Z £ 20) квантового числа Т, называемого изотопическим спином (изоспин). Т - целое число при четном А и полуцелое при нечетном, т. к. изотопический спин нуклона равен . Различные квантовые состояния подчиняются соотношению

. (11.2)

Изоспины основного состояния минимальны:

. (11.3)

Изоспин характеризует свойства симметрии волновой функции состояния ядра относительно замены р n. Кроме I, P и T ядерные состояния характеризуются также квантовыми числами, которые зависят от конкретной динамической модели ядра. Структуру сложных ядер исследуют с помощью моделей: капельной, оболочечной, ротационной, обобщенной и др. Например, согласно оболочечной модели многие ядра даже в невозбужденном состоянии имеют форму эллипсоида вращения и даже трехосного эллипсоида. Не сферичность основного состояния ядра - внутреннее его свойство. В результате “спаривания” нуклонов возникает сверхтекучесть ядерного вещества.

 

Ядерные силы

 

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называют ядерными, которые являются проявлением одного из самых интенсивных, известных в физике взаимодействий - сильного (ядерного). Они превосходят электромагнитные взаимодействия ~ в 1000 раз. Свойства ядерных сил:

1. Ядерные взаимодействия - самые сильные в природе. Например, энергия связи дейтрона ~2,23 МэВ; энергия связи атома водорода ~13,6 эВ.

2. Радиус действия ядерных сил конечен ~10-15 м.

3. Ядерные силы не имеют центральной симметрии. Эта особенность ядерных сил проявляется в их зависимости от спинов нуклонов.

4. Взаимодействие между нуклонами имеет обменный характер. В опытах по рассеянию нейтронов на протонах регистрируются случаи “отрыва”от протонов их электрических зарядов и присоединения зарядов к нейтронам, в результате чего нейтрон превращается в протон.

5. Ядерные силы обладают изотопической инвариантностью, которая проявляется в одинаковости сил взаимодействия нуклонов в системах нейтрон - нейтрон, протон - нейтрон, протон - протон при одном и том же состоянии относительного движения частиц в этих парах.

6. На расстояниях ~10-15 м ядерные силы являются силами притяжения. На меньших расстояниях - силами отталкивания, что было обнаружено в опытах по рассеянию протонов на протонах при энергиях выше 400 МэВ.

7. Ядерные силы обладают свойством насыщения, проявляющееся в независимости удельной энергии связи атомных ядер от их массового числа А.

8. Ядерные силы зависят от скорости относительного движения нуклонов. Например, при столкновениях нуклонов при увеличении энергии от 500 МэВ до 1 ГэВ сечение рассеяние нейтрона на протоне уменьшается на порядок.

Таким образом, характер ядерных сил свидетельствует о сложной структуре нуклонов.

 

Радиоактивность

Способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц называют радиоактивностью.

Естественная радиоактивность открыта Беккерелем в 1896 г.

Существует около 300 природных, радиоактивных ядер.

Искусственная радиоактивность впервые наблюдалась в 1934 г Ирен и Фредериком Жолио-Кюри. Искусственно радиоактивных ядер открыто около 2000. Искусственная радиоактивность позволила открыть b+ - распад, К - захват и существование запаздывающих нейтронов. К радиоактивным превращениям относятся: a-распад, b-распад [с испусканием электрона (b --распад), с испусканием позитрона (b +- распад) и К-захват (захват ядром орбитального электрона)], а также спонтанное деление атомных ядер, протонный и двухпротонный распады и др. В случае b-распада большое время жизни ядер обусловлено природой слабого взаимодействия, ответственного за этот распад. Остальные виды радиоактивных процессов вызваны сильным взаимодействием.

Замедление таких процессов связывают с наличием потенциальных барьеров, затрудняющих вылет частиц из ядра.

    Рис. 11.6

Радиоактивность часто сопровождается g - излучением, возникающим в результате переходов между различными квантовыми состояниями одного и того же материнского ядра.

Существует четыре природных радиоактивных ряда (семейства):

 

Радиоактивный ряд

приведен на рис. 11.6

Внешние условия (давление, температура, химические реакции и пр.) на ход радиоактивных превращений не оказывают никакого влияния, так как все процессы совершаются внутри ядер.

Альфа-распад

 

Испускание радиоактивным ядром a-частицы (ядро изотопа гелия ) называют a-распадом. Масса a-частицы ma = 6,644×10-27 кг содержит два протона и два нейтрона. Спин и магнитный момент равняются нулю. Энергия связи Wсв = 28,11 МэВ. Опытным путем установлено, что a-частицы испускаются только тяжелыми ядрами с Z ³ 82. При a-распаде массовое число А радиоактивного ядра уменьшается на четыре единицы, а заряд Z - на две (правило Содди и Фаянса):

, (11.24)

где - исходное (материнское) радиоактивное ядро; - новое (дочернее) радиоактивное ядро. Энергия, выделяющаяся при a-распаде,

Q = [MA - MA-4 -Ma]c2, (11.25)

где MA - масса материнского ядра; MA-4 - масса дочернего ядра; Ma - масса a- частицы.

Энергетическое условие возможности a-распада заключается в том, чтобы энергия связи (-Q < 0) a-частицы относительно материнского ядра была отрицательна.

Время жизни a-радиоактивных ядер лежит в пределах от 3×10-7 с (например, - изотоп свинца) до 1017 лет (например, - изотоп полония). Кинетическая энергия вылетевших из ядра a-частиц изменяется от 1,83 МэВ до 11,65 Мэв. Пробег a-частиц с типичной кинетической энергией Wk = 6 МэВ составляет в воздухе 5 см, а в алюминии - 0,05 мм.

Спектр излучения a-частиц - линейчатый, представляет собой моноэнергетические линии, соответствующие переходам на различные энергетические уровни дочернего ядра. Вероятность a-распада и ее зависимость от энергии a-частицы и заряда ядра, определяется кулоновским барьером.

Теория a-распада предложена Гамовым (1927 г), в ней рассматривается движение a-частицы в потенциальном ящике с барьером (рис. 11.8, пунктирная линия).

    Рис. 9.8

Так как, энергия a-частиц составляет 4,76-10 МэВ, а высота кулоновского барьера 25 - 30 МэВ, то вылет a-частиц из ядра может происходить только за счет туннельного эффекта. Вероятность этого процесса определяется проницаемостью барьера.

Если потенциальная энергия барьера больше полной энергии W вылета a-частицы (Wp > W), то говорят о ее подбарьерном прохождении. Если потенциальная энергия барьера меньше полной энергии вылета a-частицы (Wp < W), то говорят о ее надбарьерном прохождении. Следовательно, a-распад - подбарьерное прохождении a-частицы. Внутри барьера деление полной энергии W на кинетическую и потенциальную лишено смысла.

Далеко за пределами ядра движение a-частицы - классическое, а вся ее энергия - кинетическая. Если a-частица вылетает из ядра, имея орбитальный момент импульса ( ), то перейдя в систему отсчета, вращающуюся вместе с частицей, необходимо добавить к кулоновской потенциальной энергии Wкул центробежную потенциальную энергию

, (11.26)

где , (L - орбитальный момент импульса).

Центробежный барьер создается центробежной силой, а она стремится удалить a-частицу от ядра, т. е. эта сила должна способствовать a-распаду, что было бы верно, если бы происходил надбарьерный процесс.

Однако a -распад является подбарьерным процессом.

Поэтому центробежная сила повышает потенциальный барьер и увеличивает его ширину: она уменьшает постоянную распада и увеличивает период полураспада. Современный подход к описанию a-распада опирается на методы, используемые в квантовой теории ядерных реакций. Анализ экспериментальных данных показывает, что a-частицы не существуют в ядре все время, а с некоторой вероятностью образуются на его поверхности перед вылетом. Корпускулярные свойства a-частиц проявляются вне ядра. Внутри ядра они проявляют волновые свойства, совершая колебания с n=4×1020 с-1 (l=10-14 м, v »106 ). и наталкиваясь на стенки потенциального барьера, волны a-частиц испытывают “полное внутреннее отражение”, но иногда проникают сквозь барьер. Чем больше энергия a-частицы в ядре, тем больше вероятность, что она покинет ядро. Почему a-частицы вылетают из ядра? Потому, что радиоактивные ядра нестабильны по своей природе. Чем объясняется моноэнергетичность вылетающих a-частиц? a-частица в ядре имеет строго определенную квантованную энергию, с которой она и движется, покинув ядро.

Период полураспада ядер определяется в основном энергией a-частиц. Чем больше эта энергия, тем меньше ширина потенциального барьера, который ей необходимо преодолеть, тем больше вероятность просочиться сквозь него и тем меньше период полураспада.

Например, W = 4,2 МэВ, Т = 4,5×109 лет; для полония W = 6 МэВ; Т = 3 мин. Время и место распада радиоактивных ядер определяется законом случая. Ядро - микрообъект, подчиняющийся законам квантовой механики, в которой действуют вероятностные законы.

Момент распада предсказать невозможно.

11.9. Электронный b--распад.

Позитронный b +-распад. К-захват

 

Бета-минус-распад - самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро превращается в ядро-изобару . Например, при b--распаде нейтрон превращается в протон с испусканием антинейтрино (электронное):

. (11.27)

 

Другим примером электронного b--распада является распад трития:

. (11.28)

Бета-плюс распад - самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро превращается в ядро-изобар и сопровождается, например, превращением протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (электронное):

. (11.29)

Другим примером b+-распада является распад радиоактивного ядра изотпа углерода :

. (11.30)

Бэта-распад не внутриядерный, а внутринуклонный процесс. Спектр излучения - сплошной. b-распад совершается за счет слабого взаимодействия. Энергия, выделяющаяся в процессе b-распада, лежит в пределах от 0,019 МэВ до 16,6 МэВ. Период полураспада ядер при b-распаде меняется от 10-2 с до 4×1012 лет.

    Рис. 11.9

Прямым доказательством не сохранения четности у ядер при b-распаде является то, что электрон вылетает из ядер преимущественно в направлении, противоположном направлению спина ядра (рис. 11.9). Это обусловлено не симметрией нейтрино относительно зеркального отражения, так как спин и импульс антинейтрино параллельны. Средняя длина свободного пробега нейтрино с энергией 1 МэВ в воде составляет »1023 м, что намного превышает размеры звезд (»1015 м). Нейтрино и антинейтрино не участвуют в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Нейтрино не имеет электрического заряда и массы. Предполагается, что нейтрино имеет массу 14 < mn < 46 эВ, тогда роль нейтрино во Вселенной окажется значительной.

Существует проблема скрытой массы галактик (корона галактик), существование которой связывают с нейтрино.

Масса короны превосходит массу видимого вещества галактик. К-захват (электронный захват) - процесс, в котором ядро поглощает один из электронов электронной оболочки атома.

Обычно электрон захватывается из К-слоя, L-слоя и т. д.

Электронный захват всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Примером К-захвата может служить распад изотопа бериллия

. (11.31)

 

Элементарные частицы

 

Первые сведения о том, что в природе существуют элементарные частицы, было получены после открытия электрона.

Согласно современным представлениям существуют микроскопические порции материи, которые не имеют внутренней структуры, но в различных комбинациях друг с другом создают все многообразие свойств живой и неживой природы.

Почему существуют элементарные частицы именно в том виде, какие они есть, пока не доказано?

Таблица 11.1  
Взаимо- действие Интенсив- ность Радиус действия сил, м
Сильное Электро- магнитное Слабое Гравита- ционное   10-3 10-14   10-39 10-15   ¥ <10-17   ¥

В настоящее время известно более 350 элементарных частиц, у большинства из которых, кроме фотона и лептонов, обнаружена внутренняя структура.

Анализ свойств частиц показал, что существует четыре типа фундаментальных взаимодействий:

сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Все они резко отличаются по интенсивности взаимодействий и радиусом действия (табл. 11.1, где интенсивность сильного взаимодействия принята за единицу).

В сильных взаимодействиях участвуют многие частицы.

Например, нуклоны, пионы, каоны, гипероны и др. – называют адронами.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством электромагнитного поля и охватывает процессы, протекающие в структурах с пространственными масштабами от 10-14 до 105 м.

К ним относятся электрические и магнитные явления, оптические, тепловые, механические и химические.

Слабые взаимодействия малы по интенсивности.

Например, поток нейтрино, которые участвуют только в слабых взаимодействиях, ослабляется незначительно, пронизывая толщи звезд.

Однако интенсивность слабых взаимодействий быстро возрастает с уменьшением расстояния между частицами.

На расстояниях »10-21 м может сравняться с интенсивностью сильного взаимодействия.

Слабые взаимодействия, несмотря на малую интенсивность, играли и играют важную роль, например, для осуществления протекания термоядерной реакции в процессе эволюции звезд при превращении водорода в гелий.

При этом возможна реакция, вызываемая только слабыми взаимодействиями:

. (11.32)

В слабых взаимодействиях участвуют все частицы, кроме фотона.

К настоящему времени, в физике элементарных частиц, применяется теория (Вайнберг, Салам, Глэшоу), в которой электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в единое электрослабое взаимодействие.

Гравитационные взаимодействия являются самыми слабыми.

В этом взаимодействии участвуют все без исключения частицы, так как эти силы универсальны.

Силы гравитации имеют неограниченный радиус действия и всегда являются только силами притяжения.

Поэтому гравитационные силы возрастают с увеличением масс тел и особенно значительны для тел космических масштабов (планеты, звезды, галактики и т. д.). Для элементарных частиц гравитация мала, если расстояние между ними не сократится до »10-35 м. Общим свойством всех фундаментальных взаимодействий является их способность вызывать распады частиц.

Среди известных частиц особенно стабильны:

протон, фотон, электрон, позитрон, антипротон, электронное нейтрино,-мюонное нейтрино и таунейтрино и их античастицы.

Остальные частицы либо нестабильны, либо являются резонансами.

В зависимости от принадлежности элементарных частиц к фермионам или бозонам, а также в зависимости от способности их участвовать в фундаментальных взаимодействиях они условно подразделяются на четыре большие группы.

Первая группа состоит только из одной частицы - фотона, которая является бозоном (спин S = 1) и совсем не участвует в сильных взаимодействиях.

Во вторую группу входят лептоны, которые также не участвуют в сильных взаимодействиях. Все они являются фермионами с полуцелым спином. Известно 12 лептонов:

электрон, мюон, t лептон, нейтрино: электронное (nе), мюонное (nm,),

tнейтрино (nt) и их античастицы.

Третью группу составляют мезоны.

Они являются бозонами и участвуют в сильных взаимодействиях.

Четвертую группу образуют барионы, которые участвуют в сильных взаимодействиях и являются фермионами.

Мезоны и барионы называют адронами (табл. 11.2).

В физике элементарных частиц законы сохранения играют особую роль.

Кроме известных из классической физики законов сохранения, для элементарных частиц существуют еще законы сохранения, кроме электрического закона сохранения заряда Q, законов сохранения других зарядов, не электрического происхождения, а именно:

барионный В, лептонный L, второй лептонный L* и третий лептонный L**.

 

Таблица 11.2

 

    Название     Частица   Анти-части- ца     Масса, МэВ     Спин Изотопи-ческий спин, странность, шарм: Т, S, C     Время жизни, с
Фотон g g - Стаб.

 

Лептоны (В = 0, L = 1, L* = 0, L**= 0)

 

Электрон, позитрон Нейтрино электронное е-   nе е+   0,511   <3,510-5     -   - Стаб.   Стаб.

Лептоны (В = 0, L = 0, L* = 0, L**= 0)

Мюон Нейтрино мюонное m-   nm   m+     0,51     -   - 106   Стаб.

 

Лептоны (В = 0, L = 0, L* = 0, L**= 1)

 

t-лептон   t-нейтрино t -   nt t+     <250     -   - 10-12   -

 

Мезоны (В = 0, L = 0, L* = 0, L**= 0)

 

Заряженный пион Нейтральный пион Заряженный каон   Нейтральный каон   h - мезон   D+-мезон   D0-мезон p+ p0 К+   К0   h   D+   D0 p - p0 К-     h   D-               1, 0, 0 1, 0, 0 , 1, 0   , 1, 0   0, 0,0   , 0, 1 , 0, 1 10-8 10-16 10-8   10-9   10-19   -   -

Продолжение табл. 11.2

 

Барионы (В = 1, L = 0, L* = 0, L**= 0)

 

  Протон   Нейтрон   Лямбда-гиперон   Сигма-плюс-гиперон   Сигма-нуль- гиперон   Сигма- минус- гиперон   Кси-нуль-гиперон   Кси-минус-гиперон   Омега-минус-гиперон   р   n     L   S+     S0     S-     X0   X-     W-                             938,2   939,6                                   , 0, 0   , 0, 0   0, -1, 0   1, -1, 0     1, -1,0     1, -1,0   , -2, 0   , -2, 0   0, -3, 0   Стаб.     103     10-10   10-10     10-14     10-10     10-10     10-10     10-10

 

Например, каждый нуклон имеет барионный заряд В = 1. Электрон имеет лептонный заряд L = 1, а у протона и нейтрона L = 0. Существуют еще некоторые приближенные законы сохранения. Например, закон сохранения странности S и шарма (очарования) С, которые выполняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушаются слабыми взаимодействиями. Частицы, у которых S ¹ 0, называют странными, а частицы с С ¹ 0 - очарованными. Частицы с S = 0 и С = 0 являются обычными. Все адроны имеют внутреннюю структуру. Поиски первичных элементов адронной материи привели к созданию кварковой модели адронов.

В квантовой теории поля предполагается, что 4-мерное пространство- время остается непрерывным и плоским (неискривленным) вплоть до самых малых расстояний.

Однако это в действительности не совсем так по нескольким причинам:

1. Истинно элементарные частицы должны быть материальными объетами конечной протяженности.

2. К истинно элементарным частицам относят лептоны, кварки (спин s = ), глюоны, фотон, массивные промежуточные бозоны (спин s = 1), гравитон (спин s = 2).

Сколько всего существует в природе элементарных частиц, пока науке неизвестно.

2. Свойства пространства-времени в малых объемах, определяемых фундаментальной длиной

»10-35 м,

должны резко отличаться от макроскопических свойств.

3. На расстояниях »10-35 м сказываются изменения геометрических свойств пространства-времени за счет гравитации. Если плотность вещества истинно элементарных частиц достаточно велика, то гравитационное притяжение может обеспечить устойчивое существование этих материальных объектов размером »10-35 м. Их гравитационные свойства могут проявиться на малых расстояниях, в области, где существенно изменяется пространство-время.

В настоящее время теория приближается к новому качественному рубежу, связанному с возникновением представлений об уровне элементарности более высоком, чем кварк-лептонный уровень, т. е. возможно существование частиц более элементарных, чем кварки и лептоны.

 

Кварки

Кварки - элементарные микроскопические частицы, входят в состав всех адронов. К настоящему времени известны кварки: u, d, s, c, b и t.

Последний t-кварк пока используется в теории.

Кварки различаются значениями квантовых чисел, массами и т. д. Кварки u, c, t имеют заряд +2/3; кварки d, s, b – заряд –1/3.

Массы кварков: mu » 5 МэВ; md » 7 МэВ; ms » 150 МэВ; mc » 1,3 ГэВ;

mb » 5 ГэВ; mt»22 ГэВ.

Каждый тип кварка qi предоставлен тремя разновидностями , у которых квантовые числа и масса одинаковы, но различаются цветом.

Их называют при a=1, 2, 3 соответственно красный, желтый, голубой.

Смесь их бесцветна.

Каждый барион состоит из трех кварков, каждый мезон - из кварка и антикварка.

Например, протон = (uud), нейтрон =(udd), плюс-p-мезон p+=(u ).

Кроме того, каждый барион окружен “морем” виртуальных кварк-антикварковых пар и глюонов. Эксперименты на ускорителях доказали кварковую структуру материи. Кварки в нуклонах можно представить как точечно-подобные бесструктурные частицы размером 10-18 м, окруженные “шубой” из глюонов и кварк-антикварковых пар размером 10-16 м.

Кварки в барионах связаны между собой сильными взаимодействиями и в свободном состоянии не существуют. Однако теория сильных взаимодействий - квантовая хромодинамика -предсказывает существование фазового перехода адронной материи в кварк-глюонную плазму в условиях сильного сжатия и нагревания. Свойства кварков определяют особенности тех барионов, в состав которых они входят. Все три поколения кварков: u и d; s и c; b и t, входили в состав кварк-глюонной плазмы в первые моменты после “Большого Взрыва” (10-6 с).

Всем кваркам приписывают барионное число , с тем чтобы барионы имели В = 1.Тип кварка характеризуется значениями внутренних квантовых чисел: изотопического спина (I) и его проекции (Is); странности (s); очарования (с) и красоты (b), определяющих аромат кварков.

Таблица 11.3

 

Символ Название В I Is s c b t Q
ua   da   sa   ca   ba   ta верхний   нижний     странный   очарованный   красивый   истинный                       -               -1                                              
                     

 

Не исключено, что в аромат могут входить и другие квантовые числа, например, истинность (t), связанная с t-кварком (табл. 11.3).

Электрический заряд кварков определяется обобщенной формулой

. (11.33)

Для каждого типа кварка, аромат и электрический заряд одинаковы для всех цветов, т. е. для всех значений a.

Особенностью кварков является дробный электрический заряд, кратный (табл. 11.3).

Результаты теории квантовой хромодинамики кварков и глюонов свидетельствуют о необычных свойствах сил взаимодействия между ними.

Невозможность отрыва кварков из адронов обусловлена тем, что все глюоны, испускаемые кварками, сосредоточиваются только вблизи линий, соединяющих кварки, образуя узкую трубку глюонного поля (рис. 11.15).

Так как глюонное поле не рассеивается в окружающее пространство, то глюоны также не вылетают из адронов и поэтому их невозможно зарегистрировать.

    Рис. 11.15
  Рис. 11.16

 

Другой отличительной особенностью кварков является ослабление их взаимодействия при уменьшении расстояния между ними (асимптотическая свобода).Из-за удержания кварки могут выбиваться только вместе с антикварками. Например, возбуждение бариона состоит в том, что один из кварков бариона начинает удаляться от остальных кварков (рис. 11.16, где кварк - белый кружок, антикварк - черный кружок). По мере удаления кварка энергия возбуждения бариона возрастает и при достижении некоторого порога рождения пары кварк - антикварк - рождается эта пара. Кварк, возникшей пары притягивается оставшимися двумя кварками бариона и присоединяется к ним, восстанавливая барион в невозбужденном состоянии. Возникший антикварк объединяется с удаляющися кварком, образуя пару, которая регистрируется как мезон, испущенный барионом.

Гипотеза кварков не только объясняет свойства адронов, но и является естественным основанием теории ядерных сил, раскрывающей механизм ядерных взаимодействий. В специальных опытах, подтверждающих гипотезу кварков, обнаружены в адронах точечные образования, называемые партонами.

Когерентность и материя

Классическая когерентность, генерация излучения в лазерах, когерентное состояние вещества, сверхпроводимость, сверхтекучесть, сверхизлучение, сверхрассеяние - относятся к явлениям когерентности.









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2019 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.