Презентация на тему "Физика атомного ядра"

Содержание

• 
  Слайд 1

  ГЛАВА V.ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРАИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

  НИУ МЭИ Кафедра физики им. В. А. Фабриканта pptcloud.ru

• 
  Слайд 2

  §1. Атомное ядро

  2 Ядро атома состоит из протонов и нейтронов – нуклонов. Это одна частица в разных квантовых состояниях. I. Нуклон

• 
  Слайд 3
  

  3 II. Состав ядра и его характеристики Заряд ядра: (Z – число протонов в ядре – порядковый номер элемента в таблице Менделеева) (A – массовое число, N – число нейтронов) Масса ядра:   Обозначение ядра:   Пример: : , , .   Изотопы– ядра одного химического элемента, имеющие разную массу (разные Aпри одинаковом Z). Пример: Изотопы водорода –протий, –дейтерий, –тритий,  

• 
  Слайд 4
  

  4 Изобары – ядра одинаковой массы, имеющие разный заряд (разные Zпри одинаковом A). Примеры: и , и   III. Размер ядра Радиус ядра     Размер атома   Объём ядра   Плотность ядра  

• 
  Слайд 5
  

  5 IV. Спин ядра Спин ядраIравен сумме спинов и орбитальных моментов нуклонов. В основном состоянии стабильных ядер . Моменты импульса большинства нуклонов в ядре компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех ядер с чётными числами нуклонов в основном состоянии .   V. Масса и энергия связи ядра –масса нуклона, m – масса ядра, – масса атома водорода;!   Энергия связи– работа, которую нужно совершить для полного разделения ядра на свободные нуклоны.   Полная энергия ядра   илис учётом массы электронов.    

• 
  Слайд 6
  

  6 Дефект масс   Удельная энергия связи– энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон:   Тяжёлым ядрам энергетически выгодно делиться (атомная энергия),а лёгким – сливаться (термоядерная энергия). Примеры: При делении ядра выделяется ~ 200 МэВ.   При синтезе ядер гелия выделяется ~ 17,6 МэВ.  

• 
  Слайд 7
  

  7 Зависимость удельной энергии связи от массового числа , МэВ/нуклон  

• 
  Слайд 8
  

  VI. Ядерные силы Сильное взаимодействие Свойства ядерных сил Притяжение; ядерные силы >>кулоновских сил отталкивания Короткодействие. На расстояниях >>rпритяжение нуклонов сменяется кулоновским отталкиванием. Зарядовая независимость: силы взаимодействия p-p, n-nи p-nодинаковы. Нецентральность: ядерные силы не являются центральными. Насыщение: каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов. Взаимодействие нуклонов наиболее эффективно, если их спины сонаправлены.   8

• 
  Слайд 9
  

  Если поблизости от нуклона нет других сильновзаимодействующих частиц, то все испущенные нуклоном π-мезоны поглощаются этим же нуклоном. Одиночный нуклон окружён т. н. «нуклонной шубой». Когда два нуклона сближаются и их мезонные шубы начинают соприкасаться, создаются условия для обмена виртуальными мезонами. Частицы-переносчики – виртуальные π-мезоны. Виртуальные частицы – частицы, испускание и поглощение которых происходит с кажущимся нарушением ЗСЭ. Соотношения неопределённостей Гайзенберга: где – масса π-мезона; .   VII. Виртуальные частицы 9

• 
  Слайд 10
  

  VII. Модели атомного ядра Атомное ядро – система многих частиц. Квантовомеханическая задача многих частиц сложна для решения. 1. Капельная модель Ядро – капля заряженной несжимаемой жидкости с очень высокой плотностью. Эта модель позволяет вывести формулу для энергии связи ядра; обусловливает процесс деления ядер. 2. Оболочечная модель Каждый нуклон движется в поле остальных нуклонов ядра. Энергетические уровни системы заполняются с учётом принципа Паули и группируются в оболочки. Эта модель объясняет спины и магнитные моменты основных и возбуждённых с состояний ядер. Полностью заполненные оболочки образуют особо устойчивые структуры: Z, Nили оба этих числа = 2, 8, 20, 50, 82, 126 –магические числа. 10

• 
  Слайд 11

  §2. Радиоактивность

  11 I. Закон радиоактивного распада Радиоактивность – явление самопроизвольного распада атомных ядер с испусканием одной или нескольких частиц. Самопроизвольно распадающиеся ядра называются радиоактивными.   Материнское ядро Дочернее ядро Радиоактивный распад происходит с выделением энергии: .   Радиоактивность естественная искусственная Число ядер, распадающихся за малый промежуток времени , пропорционально числу ядер Nи :   ,   λ – постоянная распада – характеристика радиоактивного вещества;  

• 
  Слайд 12
  

  12 –основной закон радиоактивного распада   –число ядер при ; N – число нераспавшихся ядер в момент времени t  

• 
  Слайд 13
  

  13 Активность препарата – число ядер, распадающихся за единичный промежуток времени:       Внесистемная единица: кюри (Ки);   Удельная активность – активность в расчёте на единичную массу радиоактивного препарата:     Период полураспада T– время, за которое распадается половина первоначального числа радиоактивных ядер.  

• 
  Слайд 14
  

  14 Среднее время жизниτ:   (здесь )       II. α-распад α-частица – ядро . α-распад – самопроизвольное испускание ядром α-частицы:     α-частицы испускают только тяжёлые ядра . Энергия α-частицы .   Пример:

• 
  Слайд 15
  

  15 Покидая ядро, α-частица преодолевает кулоновский потенциальный барьер, высота которого . α-распад происходит благодаря туннельному эффекту.          

• 
  Слайд 16
  
• 
  Слайд 17

  §2. Радиоактивность

  3) K-захват – захват ядром электрона K-оболочки   Пример: 17 β-распад – внутринуклонный, а не внутриядерный процесс. Он обусловлен следующими процессами: -распад:   -распад:   K-захват:   IV. γ-радиоактивность γ-радиоактивность – испускание γ-квантов возбуждённым ядром при переходе его в основное состояние.   Спектр γ-излучения – дискретный.         γ

• 
  Слайд 18

  §3. Ядерные реакции

  Ядерная реакция – процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, сопровождающийся преобразованием ядер: a, b – чаще всего n, p, d, α, γ. Ядерная реакция может иметь несколько каналов, которым соответствуют разные вероятности. I. Выход ядерной реакции Эффективное сечение реакцииσ– площадь сечения ядра X, попадая в которую, налетающая частица вызывает реакцию. Если мишень тонкая, т. е. ядра не перекрывают друг друга, то доля площади Sмишени, перекрытая ядрами X, равна , где n – число ядер на единицу площади мишени. Вероятность реакции - выход реакции   18 или     Если мишень не тонкая, то .   ; .  

• 
  Слайд 19
  

  19 II. Типы ядерных реакций 1) Реакции, вызываемые медленными частицами: ,   –составное (промежуточное) ядро. находится в возбуждённом состоянии, время жизни .   2) Реакции, вызываемые быстрыми частицами :   ,   Это прямая реакция. Пример: Синтез трансурановых химических элементов Здесь имеет место резонансный захват теплового нейтрона.

• 
  Слайд 20
  

  20 III. Энергия реакции   Энергия исходного ядра Кинетическая энергия налетающей частицы Энергия конечного ядра Кинетическая энергия полученной частицы – энергия реакции   Экзоэнергетическая реакция:   Эндоэнергетическая реакция:      

• 
  Слайд 21
  

  21 IV. Реакция деления Реакция типа 1 – ядро проходит через ряд промежуточных состояний. (один из каналов),   При одном налетающем нейтроне образуются два. Если имеются другие исходные ядра, то возможна цепная реакция с лавинным возрастанием числа нейтронов. Т. к. число выходящих из образца нейтронов пропорционально площади поверхности образца (R – радиус образца), а число рождающихся нейтронов пропорционально объёму образца (), то существует критический радиус(а также критическая масса): при начинается цепная реакция. Для , . При превышении этих параметров происходит неуправляемая реакция, т. е. взрыв. Для осуществления управляемой реакции нужно поддерживать число нейтронов внутри образца постоянным.  

• 
  Слайд 22
  

  22 V. Реакция синтеза 1)Протон-протонный цикл       2)Углеродно-азотный цикл             Результат обоих циклов – превращение 4 протонов в ядро He с рождением 2 позитронов и γ-излучения. На 1 ядро He .  

• 
  Слайд 23
  

  23 3) ;       Реакция синтеза протекает в плазме. Для реакции 3) , .   Требования к осуществлению реакции синтеза: минимальная температура; минимальная величина , гдеn – концентрация исходных частиц , τ – время удержания плазмы  

• 
  Слайд 24

  §4. Элементарные частицы

  24 I. Классификация элементарных частиц Элементарные частицы– частицы, ведущие себя как безструктрурные. Элементарные частицы источники взаимодействий переносчики взаимодействий лептоны , e , μ , τ   адроны барионы мезоны нуклон гипероны

• 
  Слайд 25
  

  25 II. Фундаментальные взаимодействия

• 
  Слайд 26
  

  III. Античастицы Каждой (почти каждой) частице соответствует своя античастица. Античастица отличается от частицы только знаками зарядов (электрического, лептонного, барионного, странности). Масса, спин и время жизни частицы и античастицы одинаковы. Истинно нейтральная частица – та, которая совпадает со своей античастицей. 26 Примеры: Фотон (γ), -мезон, -мезон   Аннигиляция – превращение пары частица-античастица в истинно нейтральные частицы. Обратный процесс – рождение пары. Процессы аннигиляции и рождения пары происходят с соблюдением законов сохранения. Пример:  

• 
  Слайд 27
  

  27 IV. Законы сохранения Законы сохранения точные (выполняются для всехфундаментальныхвзаимодействий) ЗСЭ ЗСИ ЗСМИ ЗСЭЗ ЗС лептонных зарядов приближённые (выполняются в некоторыхвзаимодействиях) ЗС барионного заряда ЗС чётности ЗС изоспина ЗС странности ЗС очарования и красоты

• 
  Слайд 28
  

  28 1. Лептонные заряды Лептонный заряд электронный   мюонный   таонный   Примеры: ,   Закон сохранения лептонных зарядов: для всех процессов лептонные заряды системы сохраняются:  

• 
  Слайд 29
  

  29 2. Барионный заряд   Закон сохранения барионного заряда: для всех процессов барионный заряд системы сохраняется:   Пример:   антипротон

• 
  Слайд 30
  

  30 3. Странность Закон сохранения странности: в электромагнитном и сильном взаимодействиях странность сохраняется, а в слабом взаимодействии может изменяться на .   СтранностьS– квантовое число, отличное от 0 для некоторых гиперонов и мезонов, распадающихся за счёт слабого взаимодействия. Пример:   -мезон,   лямбда-гиперон,   4. Шарм (очарование) C, красота (прелесть) b, истина t Законы сохранения шарма, красоты и истины: в электромагнитном и сильном взаимодействиях шарм, красота и истина сохраняются, а в слабом взаимодействии могут изменяться на .   Эти квантовые числа – аналог странности S.

• 
  Слайд 31
  

  31 5. Изоспин Адроны, близкие по физическим свойствам, можно разбить на группы – изотопические мультиплеты. Пример: Нуклон: p + n       Характеристики частиц в изотопическом мультиплете: примерно равные m равные B, s, S различный Q равный изотопический спин (изоспин)T различные проекции изотопического спина   Общее число частиц в мультиплете: Частице с большим Qсоответствует большее .  

• 
  Слайд 32
  

  32 V. Стабильные и долгоживущие адроны Мезоны

• 
  Слайд 33
  

  33 Барионы

• 
  Слайд 34
  

  34 VI. Лептоны (Лептонные заряды указаны на слайде 28.)

• 
  Слайд 35

  §5. Кварковая модель адронов

  35 I. Кварки и их характеристики Все адроны состоят из сильновзаимодействующих частиц – кварков. Кварки не наблюдаются в свободном состоянии – конфайнмент. Характеристики кварков Для всех кварков: спинs = ½, барионный зарядB= 1/3

• 
  Слайд 36
  

  36 Антикварки отличаются от кварков знаками Q, B, S, C, b, t. Каждый кварк характеризуется ещё одним квантовым числом – цвет. Антикварк имеет цвет, дополнительный к цвету кварка. II. Цвет III. Взаимодействие кварков и образование адронов Сильное взаимодействие между кварками осуществляется через обмен глюонами. Глюон характеризуется цветом. При испускании и поглощении глюона кварк не меняет аромат, но меняет цвет. Мезон = кварк + антикварк Барион = 3 кварка Принцип бесцветности адронов: возможны только те сочетания кварков разных цветов, смесь которых бесцветна.

• 
  Слайд 37
  

  37 Примеры:         Распад лептонов и кварков, несохранение ароматов и вследствие этого нарушение закона сохранения барионного заряда, странности и др. происходит благодаря слабому взаимодействию. Пример:   Распад нейтрона   сводится к -распаду d-кварка

• 
  Слайд 38

  Использованная литература

  Окунь Л. Б. Элементарное введение в физику элементарных частиц. – 2-е изд., испр. и доп. –- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. Джанколи Д. Физика: В 2-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. Кобзарев И. Ю., Манин Ю. И. Элементарные частицы. Диалоги физика и математика. – 2-е изд., испр. – М.: ФАЗИС, 2000. Мухин К. Н. Занимательная ядерная физика. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. Савельев И. В. Курс физики: Учеб.: В 3-х т. Т. 3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твёрдого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. Физические величины: Справочник. Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. – М.: Энергоатомиздат, 1991.