Физика ядра и частиц Взаимодействие частиц с веществом
Электромагнитное взаимодействие Кварки Атомное ядро Магнитный дипольный момент ядра Законы радиоактивного распада ядер. Альфа-распад. Бета-распад Естественная радиоактивность

Курс лекций по ядерной физике, физика атомного ядра и частиц

Законы сохранения в ядерных реакциях

    В ядерных реакция, идущих при относительно небольших энергиях налетающих частиц (< 100 МэВ) выполняется ряд законов сохранения:
  1. Закон сохранения электрического заряда.
  2. Закон сохранения числа нуклонов.
  3. Закон сохранения энергии.
  4. Закон сохранения импульса.
  5. Закон сохранения момента количества движения.
    Эти пять законов сохранения выполняются во всех типах реакций, идущих под действием сильных электромагнитных и слабых взаимодействий. В реакциях идущих в результате сильных и электромагнитных взаимодействий выполняются также: Изомеры - долгоживущие возбужденные состояния атомных ядер.
  1. Закон сохранения пространственной четности.
    В реакциях идущих в результате сильных взаимодействий выполняется:
  1. Закон сохранения изотопического спина и его проекции.
    Рассматрим двухчастичную ядерную реакцию. а + А arrow B + b Спектр излучения молекулы определяется структурой ее энергетических уровней и соответствующими правилами отбора Оптические квантовые генераторы (лазеры) Практически инверсное состояние среды осуществлено в принципиально новых источниках излучения — оптических квантовых генераторах, или лазерах (от первых букв английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью вынужденного излучения). Лазеры генерируют в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях (в оптическом диапазоне). Идея качественно нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн, примененная в мазерах (генераторы и усилители, работающие в сантиметровом диапазоне радиоволн) и лазерах, принадлежит российским ученым Н. Г. Басову (р. 1922) и А. М. Прохорову (р. 1916) и американскому физику Ч. Таунсу (р. 1915), удостоенным Нобелевской премии 1964 г.
    Законы сохранения позволяют, не рассматривая конкретного механизма ядерной реакции, дать ответ на вопрос, возможна ли данная ядерная реакция или нет. Действие законов сохранения накладывают определенные ограничения на возможности протекания ядерных реакций.

Законы сохранения электрического заряда и числа нуклонов

    Из законов сохранения электрического заряда и числа нуклонов следует, что суммарный электрический заряд и и полное число нуклонов вступающих во взаимодействие должно сохраняться в результате ядерных реакций. Используя законы сохранения электрического заряда и числа нуклонов можно определить неизвестный продукт реакции.

Законы сохранения энергии и импульса

    Законы сохранения энергии и импульса приводят к следующим соотношениям между импульсами и энергиями частиц до и после взаимодействия.

pa + pApb + pB

(1)

Ea + EA =  Eb + EB

(2)

В соотношении (2) Ea, EA, Eb, EB - полные энергии частиц

,

(3)

,

(4)

,

(5)

.

(6)

Кинетическая энергия частицы определяется соотношением

T = E - mc2 .

(7)

Энергии реакции и порог реакции.

Ta + mac2 + TA + mAc2 = Tb + mbc2 + TB + mBc2 ,

(8)

Ta + TA = Tb + TB - Q .

(9)
Q = mac2 + mAc2 - mbc2 - mBc2 - энергия реакции. (10)
Энергия реакции это кинетическая энергия выделяющаяся или поглощающаяся в процессе ядерной реакции; она равна разности энергий покоя частиц в начальном и конечном состояниях. Реакции с Q > 0 называются экзотермическими, они идут с выделением знергии при любой энергии налетающей частицы. Реакции с Q < 0 называются эндотермическими. . В реакциях упругого рассеяния Q = 0. Для того чтобы была возможна эндотермическая реакция, необходимо чтобы энергия налетающей частицы превышала некоторую величину Tпор, наываемую порогом реакции.
Порог реакции это минимальная кинетической энергии налетающей частицы в лабораторной системе координат, при котором возможна ядерная реакция.

>Вывод этого выражения

(11a)

или

(11б)

где Q -энергия реакции, ma - масса налетающей частицы, mA - масса ядра мишени.
В нерелятивистском приближении (Q<< 2mAc2)

(11в)

    Отметим, что соотношения (11б,в) справедливы и для реакций с любым количеством частиц в конечном состоянии.
    Из соотношений (11б-11в)  видно, что порог реакции не совпадает с энергией реакции.   Из самого смысла величины Q видно, что Q есть порог ядерной реакции в системе центра инерции. Поэтому порог ядерной реакции Tпор всегда больше энергии реакции Q на величину энергии связанной с движением центра инерции в лабораторной системе координат.

Закон сохранения момента количества движения

В ядерных реакциях сохраняется полный момент количества движения замкнутой системы .
 i  = f,(12)
где i ,f - полные моменты количества движения в начальном и конечном состояниях,
i  = A + a +a   и  f  = B + b +b, (13)
где A,aB, b - спины частиц (ядер) a, A, b, B, a - орбитальный момент частицы a относительно A, b - орбитальный момент частицы b относительно B. Орбитальные моменты могут принимать только целочисленные значения. Для l = 0 волновая функция, описывающая относительное движение частиц, сферически-симметричная, для l 0 это функция зависящая от cosl theta1.gif (58 bytes) (theta1.gif (58 bytes) - угол рассеяния).
Для квантовомеханического вектора одновременно могут быть определены квадрат его модуля
||2 = J(J + 1) и проекция на произвольную ось Jz. Проекция Jz может принимать различные значения в диапазоне от J до -J. Сумма двух квантовых векторов 1 + 2 может принимать значения
|J1 - J2|, |J1 - J2 + 1|, ..., J1 + J2 - 1, J1 + J2.

Закон сохранения пространственной четности

    В сильных и электромагнитных взаимодействиях пространственная четность P сохраняется. В слабых взаимодействиях пространственная четность не сохраняется. Закон сохранения четности - мультипликативный закон.
,(14)
где Pa, PA, Pb, PB - внутренние четности частиц (ядер) a, A, b, B , la, lb - относительные орбитальные моменты.
Электрические фотоны имеют четность (-1)j, магнитные - (-1)j+1, где j - мультипольность фотона. Закон сохранения изотопического спина    Если процесс происходит в результате сильного взаимодействия, то суммарный изоспин veci1.gif (64 bytes) и его проекция Iz сохраняются. В электромагнитных процессах сохраняется только проекция изоспина. В слабых взаимодействиях изоспин и его проекция не сохраняются. Для электромагнитных дипольных переходов выполняется правило отбора I = 0, 1. Закон сохранения изотопического спина - аддитивный закон.
Для реакции a + A b + B, идущей через сильное взаимодействие
a + A = b + B,(15)
где a,A,b,B - изотопические спины частиц (ядер) a, A, b, B во входном и выходном каналах.
Ядро в различных энергетических состояниях может иметь различные значения изоспина от Imin = (N-Z)/2 до Imax = A/2).
Проекция изоспина для ядра Iz равна сумме прекций изоспинов всех нуклонов:
Iz = (Z - N)/2.(16)
Численная величина изоспина основного состояния ядра равна модулю его проекции Iz
I = |Iz| = |(Z - N)/2|.(17)

Некоторые сведения из квантовой механики

Корпускулярные и волновые свойства частиц. Принцип неопределенности
Волновая функция
Уравнение Шредингера
Потенциальная яма
Операторы
Момент количества движения
Статистики. Принцип Паули
Состояния в классической и квантовой физике

Свойства радиоактивного излучения: ? Радиоактивное излучение имеет сложный состав: оно состоит из трех видов излучений различной физической природы. Эти три вида излучений были названы ?-, ?- и ?-излучениями. ? ?- и ?-излучения одновременно испускаются только веществами, содержащими несколько различных радиоактивных элементов. ? Чистый радиоактивный элемент испускает только одно: или ?- излучение или ?-излучение, каждому из которых может сопутствовать ?-излучение. ? Радиоактивное излучение не зависит от внешних факторов: давление, температура, освещенность и т.д.

Основные вопросы по курсу Физика ядра и частиц