5. Ядерные реакции

Ядерной реакцией называется процесс интенсивного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояний порядка 10^-13 см благодаря действию ядерных сил.

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы а с ядром X, в результате которого образуется легкая частица b и ядро Y:

. (15)

Обычно реакции такого вида записываются сокращенно в виде:

Х(а, b)Y. (16)

В скобках указываются участвующие в реакции легкие частицы, сначала исходная, затем конечная.

В качестве частиц а и b могут фигурировать нейтрон (n) протон (p), ядро тяжелого водорода – дейтрон (d), -частица () и -фотон ().

Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии называется тепловым эффектом реакции. Он определяется разностью масс покоя (выраженных в энергетических единицах) исходных и конечных ядер. Если сумма масс образующихся ядер превосходит сумму масс исходных ядер, реакция идет с поглощением энергии и тепловой эффект ее будет отрицательным.

Реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап заключается в захвате приблизившейся к ядру X на достаточно малое расстояние (такое, чтобы могли вступить в действие ядерные силы) посторонней частицы а и в образовании промежуточного ядра П, называемого составным ядром или компаунд-ядром. Энергия, привнесенная частицей а (она слагается из кинетической энергии частицы и энергии ее связи с ядром), за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоянии.

На втором этапе составное ядро испускает частицу b. Символически такое двустадийное протекание реакции можно представить следующим образом:

. (17)

Может случиться, что испущенная частица тождественна с захваченной (a  b). Тогда процесс называют рассеянием, причем в случае, если энергия частицы b равна энергии частицы а, рассеяние будет упругим, в противном случае – неупругим. Ядерная реакция имеет место, если частица b не тождественна с а.

Промежуток времени _я, который требуется нуклону с энергией порядка 1 Мэв (что соответствует скорости нуклона ~10⁹ см/сек) для того, чтобы пройти расстояние, равное диаметру ядра (~10^-12 см), принимается в качестве естественной ядерной единицы времени. Эта единица имеет величину 10^-21 сек. Среднее время жизни составного ядра (равное 10^-12…10^-14 сек) на много порядков превосходит ядерное время.

Лекция 12

Фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы

Как уже отмечалось ранее, при изучении механики, в природе существует четыре вида фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все элементарные частицы.

В слабом взаимодействии участвуют все частицы, кроме фотона.

Электромагнитное взаимодействие связывает только заряженные частицы и фотоны.

Сильное взаимодействие определяет связь между адронами.

Таблица 1. Основные характеристики фундаментальных взаимодействий

Взаимодействие	Участвующие частицы	Радиус действия, м	Относительная интенсивность	Время жизни, с
Гравитационное	Все		 1 (10-32) 	–
Слабое	Все, кроме фотона	10-17	1032 (10-10)	10-8
Электромагнитное	Заряженные		1036 (10-2)	10-16
Сильное	Адроны	10-15	1038 (1)	10-23

В таблице 1 условно представлены важнейшие элементарные частицы, принадлежащие к основным группам (адроны, лептоны, переносчики взаимодействия), и показаны типы

Фундаментальные взаимодействия принято изображать в виде диаграмм.

а) гравитационное, б) слабое, в) электромагнитное, г) сильное.

Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части, всего их открыто более 400.

У каждой элементарной частицы (а) есть античастица (а), имеющая равную массу покоя, спин, время жизни и противоположный заряд. При взаимодействии частицы и античастицы происходит их аннигиляция с образованием фотонов.

По величине спина все элементарные частицы делят на бозоны – частицы с целым спином: 0, h, 2h … и фермионы, спин которых полуцелый: ½h, 3½h … . На фермионы распространяется принцип Паули: в одном энергетическом состоянии могут находиться не более двух фермионов с противоположными спинами.

По видам взаимодействия элементарных частиц в фундаментальных взаимодействиях все элементарные частицы принято условно делить на 4 класса. К одному из них относится только одна частица – фотон. Второй класс образуют лептоны (легкий), третий барионы и четвертый – мезоны (средний). Барионы и мезоны часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц называемых адронами (крупный, массивный).

Деление по массе условно, так как в настоящее время обнаружены лептоны по массе превосходящие адроны.

1. Фотоны или  кванты электромагнитного поля участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействием.

2. К лептонам относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны (е^-, е⁺), мюоны (^-, ⁺), электронные и мюонные нейтрино. Все лептоны имею спин, равный ½, и, следовательно являются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют заряд (электроны и мюоны) обладают электромагнитным взаимодействием. Для выделения класса вводится квантовое число – лептонный заряд L. Справедлив закон сохранения лептонного заряда: сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется.

3. Барионы объединяют в себе нуклоны (p, n) и нестабильные частицы гипероны с массой больше нуклонов (, ⁺, ⁰, ^-, ⁰, ^-, ^-). Все они участвуют в сильном взаимодействии. Спин барионов равен ½, следовательно они являются фермионами. При распаде барионов всегда образуется барион, поэтому говорят о законе сохранения барионного заряда.

4. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не обладающие барионным зарядом. К ним относятся -мезоны или пионы (⁺, ⁰, ^-), К-мезоны или каоны и -мезон. Мезоны могут участвовать в сильных, слабых и электромагнитных (если заряжены) взаимодействиях. Спин мезонов равен нулю, следовательно они являются бозонами.

В целом, тот факт, что адроны имеют большие массы по сравнению с лептонами, позволил предположить, что они являются составными. В частности состав нейтрона и протона был представлен в виде двух кварков: u и d. Заряды этих кварков дробные: q_u = +(2/3)е, q_d = –(1/3)е. Спин обоих кварков равен ½. В этом случае кварковый состав протона можно представить как uud, а нейтрона udd. Нейтрон немного тяжелее протона, следовательно d-кварк немного тяжелее u-кварка.

Барионный заряд кварков принят равным 1/3.

84