Ядерная физика. Физика атомного ядра и частиц

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. Изучение сил, связывающих элементарные составляющие материи.
3. 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.
    Сегодня мы знаем, что мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства - это молекулы и атомы. 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.

Частицы

    Известно 4 различных K-мезона с примерно одинаковыми массами.
K⁺(u), m(K⁺) = 493.677 МэВ;
K^-(s), m(K^-) = 493.677 МэВ;
K⁰(d), m(K⁰) = 493.672 МэВ;
⁰(s), m(⁰) = 493.672 МэВ.
Так же как и -мезоны, K-мезоны имеют спин J = 0 и отрицательную четность

J^P(K⁺, K^-, K⁰, ⁰) = 0^-.

Время жизни K-мезонов 10^-8-10^-10 с.

s = [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

= ₁ + ... + _i + ₁ + ... + _i,    i = A.

Величина спина ядра дается соотношением

J = /[1/2(1/2 + 1)]^1/2.

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].