Ядерная физика. Физика атомного ядра и частиц

Представленные материалы подготовлены на основе лекций, прочитанных на физическом факультете профессором Б.С. Ишхановым по общему курсу физики - "Физика атомного ядра и частиц". Особенностью, предлагаемого Вашему вниманию подхода к этому курсу, является то, что в начале излагается физика высоких энергий или физика частиц и даются общие для ядерной физики высоких и низких энергий понятия. При изложении физики ядра, эти понятия при необходимости конкретизируются. Кроме того, даются некоторые сведения из квантовой механики, необходимые для понимания излагаемого материала. Использование шпаргалки предполагает посещение лекций, чтение книг и соответствующих разделов сайта, в которых материал изложен более углубленно и подробно. Монастырский чай от паразитов- успейте купить со

Частицы и ядра

Основные вопросы по курсу Физика ядра и частиц

Хроника

Мир, в котором мы живем, сложен и многообразен. Издавна человек стремился познать окружающий его мир. Исследования шли в трех направлениях:

  1. Поиск элементарных составляющих, из которых образована вся окружающая материя.
  2. Описание движение частиц под действием известных сил.

    У философов древней Греции существовало два противоположных взгляда на природу материи. Сторонники одной школы (Демокрит, Эпикур) утверждали, что нет ничего, кроме атомов и пустоты, в которой движутся атомы. Они рассматривали атомы как мельчайшие неделимые частицы, вечные и неизменные, пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и величиной. Сторонники другого направления (Аристотель и его последователи) придерживались прямо противоположной точки зрения. Они считали, что вещество можно делить бесконечно. Вещество считалось непрерывным континуумом. Атомизм Демокрита оказал сильнейшее влияние на физику и химию XIX столетия. Атом Демокрита был неким аналогом точесной массы ньютоновской механики. Он же был в основе классической термодинамики. Однако мы также знаем, что атомы в свою очередь имеют сложную структуру и состоят из атомного ядра и электронов. Атомные ядра состоят из нуклонов - нейтронов и протонов. Нуклоны в свою очередь состоят из кварков. Оказывается довольно трудно отказаться от употребления терминов, освященных традицией. Из чего состоит протон или нейтрон? Можно ли разделить электрон на составные части? Что такое фотон? Какова его структура? Из каких частей он состоит? Но разделить нуклоны на составляющие их кварки уже нельзя. Что вовсе не означает, что кварки "элементарны". Понятие элементарности объекта в значительной мере определяется уровнем наших знаний. Поэтому привычное для нас утверждение "состоит из …" на субкварковом уровне может оказаться лишенным смысла. Слово "делимость" утратило свой смысл. Если сравнивать результаты полученные в физике частиц с идеями древних философов, то наиболее адекватной оказывается философия Платона. По его мнению деление приводит к различным математическим формам - правильным пространственным структурам, определяемым их симметрией и треугольниками из которых они состоят. Сами по себе эти формы еще не вещество, но вещество состоит из этих форм. Напрмер для Земли характерной формой является куб, для огня тетраэдр. Частицы современной физики являются представлениями групп симметрии и в этом смысле они напоминают симметричные структуры платоновской философии. Понимание этого сформировалось в процессе изучения физики субатомных явлений. Физика курс лекций

Элементарные составляющие материи
Измерения
Сечение
Энергия реакции. Порог реакции
Ускорители
Взаимодействие частиц с веществом
Детекторы частиц
Новая физика начала ХХ века - теория относительности, квантовая физика
Основные соотношения релятивистской физики
Корпускулярные и волновые свойства частиц.
Состояния в классической и квантовой физике
Резерфорд открывает атомное ядро
Pазмеры и структура ядер
Структура нуклона
Глубоконеупругое рассеяние электрона на протоне

Частицы

Античастицы     В 1928 году П. Дираком на основании анализа релятивистского уравнения было предсказано существование позитрона. В 1932 году позитрон был обнаружен в космических лучах К. Андерсоном. Античастицы были открыты у лептонов (мю+мю-) и мезонов (pi1.gif (61 bytes)+pi1.gif (61 bytes)-). Естественно возник вопрос, есть ли античастицы у барионов.
Связь характеристик частиц и античастиц
Момент количества движения
Пространственная инверсия. Р-четность.
Распады частиц
Взаимные превращения частиц
Кварки, лептоны, калибровочные бозоны
Механизм взаимодействия частиц
Электромагнитное взаимодействие
Лептоны Класс лептонов образуют 6 частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях. Это электрон e-, отрицательно заряженный мюон -, отрицательно заряженный --лептон и три нейтральные частицы - электронное нейтрино e, мюонное нейтрино и тау-нейтрино . Лептоны считаются бесструктурными частицами. Размер их < 10-16 см. Детальное изучение свойств лептонов показывает, что они группируются парами, каждая  пара состоит из заряженного лептона и нейтрино.
Электрон
Электронное антинейтрино обнаружено
Тождественны ли нейтрино и антинейтрино?
Мюон. Мюонное нейтрино
Тау-лептон. Тау-нейтрино
Лептонные числа
Кванты слабого взаимодействия (W, Z-бозоны)
Кварки - частицы, из которых состоят адроны
Основные положения модели кварков
Кварковая структура адронов. Барионы. Мезоны
Барионное число B
Изоспин частиц. Изоспиновые мультиплеты
Пи-мезоны
Резонансы. Возбужденные состояния нуклонов
Странные частицы, s-кварк
K-мезоны

    Известно 4 различных K-мезона с примерно одинаковыми массами.
K+(uanti s), m(K+) = 493.677 МэВ;
K-(anti us), m(K-) = 493.677 МэВ;
K0(danti s), m(K0) = 493.672 МэВ;
antik.gif (73 bytes)0(aqd.gif (63 bytes)s), m(antik.gif (73 bytes)0) = 493.672 МэВ.
Так же как и pi-мезоны, K-мезоны имеют спин J = 0 и отрицательную четность

JP(K+, K-, K0, antik.gif (73 bytes)0) = 0-.

Время жизни K-мезонов 10-8-10-10 с.

Распад лямбда-гиперона
Каскадные гипероны
Омега-минус-гиперон
Очарованные частицы, с-кварк Открытие c-кварка оказалось, несмотря на теоретические предсказания, полной неожиданностью.
    В 1974 году одновременно две группы физиков объявили о наблюдении новой частицы - jpsi.
     Группа С. Тинга наблюдала jpsi-мезон как резонанс в сечении реакции e+ + e------> адроны при энергии E ~ 3.1 ГэВ.
    Группа Б. Рихтера измеряла энергетический спектр e+e- пар, образующихся при бомардировку бериллиевой мишени высокоэнергетичными протонами
Нейтрино рождают очарованные частицы
Красивые частицы, b-кварк
Адронные струи
Топ-кварк
Цвет
Глюоны
Чармоний, боттоний
Количество поколений фундаментальных фермионов
Слабые взаимодействия. Промежуточные бозоны
Открытие промежуточных бозонов
Слабые распады лептонов и кварков
Распады и реакции в кварковой модели
Слабые взаимодействия нарушают симметрии
Поляризация. Спиральность
Пространственная инверсия. Р-четность.
Примеры процессов с сохранением и без сохранения пространственной четности
Зарядовое сопряжение. Зарядовая четность
Комбинированная инверсия. CP-четность
Нейтральные каоны нарушают CP-симметрию
Осцилляции в пучке нейтральных каонов
Обращение времени
СРТ-теорема
Законы сохранения и симметрии
Атомное ядро
N-Z диаграмма атомных ядер
Масса и энергия связи ядра
Спин ядра Собственный момент количества движения - спин нуклона 1/2. Его величина дается соотношением.

s = splank.gif (65 bytes)[1/2(1/2 + 1)]1/2.

Полный момент количества движения ядра , который также называют спином ядра, получается в результате сложения спинов и орбитальных моментов составляющих это ядро нуклонов

= vecs1.gif (59 bytes)1 + ... + vecs1.gif (59 bytes)i + vecl1.gif (64 bytes)1 + ... + vecl1.gif (64 bytes)i,    i = A.

Величина спина ядра дается соотношением

J = splank.gif (65 bytes)/[1/2(1/2 + 1)]1/2.

Электрический квадрупольный момент и форма ядра.
Магнитный дипольный момент ядра
Изоспин ядер. Изоспиновые мультиплеты
Дейтрон. Свойства нуклон-нуклонного взаимодействия.
Мезонная теория ядерных сил
Модели атомных ядер
Капельная модель ядра. Формула Вайцзеккера.
Модель ядерных оболочек. Одночастичные состояния.
Коллективные возбуждения ядер.
Законы радиоактивного распада ядер.
Альфа-распад.
Центробежный и кулоновский барьеры.
Бета-распад
Радиоактивные ряды
Естественная радиоактивность

Естественная радиоактивность обусловлена радиоактивными изотопами (нуклидами) - естественными радионуклидами, содержащимися в  земной коре и гидросфере и образовавшимися

  • в результате нуклеосинтеза еще при возникновении Земли и не распавшихся до настоящего времени (премордиальные радионуклиды). Периоды полураспада премордиальных нуклидов сопоставимы с возрастом Земли;
  • в результате ядерных реакций под действием первичных и вторичных космических лучей, постоянно идущих в атмосфере, а частично также в литосфере и в метеоритах (космогенные радионуклиды). Например 14N(n,3H)12C, 14N(p,n).

    Премордиальные нуклиды 236U (A = 4n), *238U (A = 4n + 2), 235U (A = 4n + 3) образуют 3 радиоактивных семейства (ряда) последовательных распадов. К ним с некоторой натяжкой, так как изотопы этого ряда успели распасться за время существования Земли, можно отнести четвертый ряд, который начинается c237Np (A = 4n + 1). В радиоактивных семействах альфа-распады перемежаются бета-распадами, так как при альфа-распадах конечные ядра оказываются все дальше от линии бета-стабильности, т.е. перегружены нейтронами. При уменьшении массового числа для бета-стабильных ядер отношение количества нейтронов и протонов должно уменьшаться. После ряда последовательных распадов образуются стабильные ядра с близким или равным магическим числам количеством протонов и нейтронов (Z=82, N=126) соответственно 208Pb, 206Pb, 207Pb, 209Bi. Кроме того, к естественным радионуклидам относятся и долгоживущие радионуклиды середины таблицы Менделеева 40K, 87Rb и др. (см. табл. 1).
    Из космогенных радионуклидов основной вклад в естественную радиоактивность вносят тритий (3H) (общий запас трития в биосфере -1.3*1018 Бк.) и 14C (общее содержание 8.5*1018 Бк). Вклад других космогенных радионуклидов (см. табл.1) заметно меньше. Космогенные радионуклиды используются для датировки, в частности в археологии (радиоуглеродный метод) и науках о Земле, а также в космофизике для определения интенсивности космических лучей в далеком прошлом [1,2].

Несохранение пространственной четности в слабых взаимодействиях. Эксперимент Ву
Гамма-излучение ядер. Электрические и магнитные гамма-переходы.
Ядерная изомерия
Внутренняя конверсия
Эффект Мессбауэра
Законы сохранения в ядерных реакциях.
Сечение реакции
Ядерные реакции
Механизмы ядерных реакций. Составное ядро.
Механизмы ядерных реакций. Прямые реакции.
Деление ядер.
Тяжелые ядра (A < 100)
Сверхтяжелые ядра (A > 100)
Экзотические виды радиоактивного распада
Физика экзотических ядер
Распространенность элементов.
Ядерные реакции в звездах.
Образование легчайших ядер. Дозвездная стадия образования элементов
Звездная эволюция
Горение водорода
Поиск солнечных нейтрино
Горение гелия.
Горение углерода и кислорода.
Горение кремния.
Образование элементов тяжелее железа.
История Вселенной
Космические лучи. Их состав и происхождение
Объединение взаимодействий
Открытые вопросы физики ядра и частиц
Курс лекций Сопротивление материалов