20.Елементи ядерної фізики

20.1. Склад та будова ядра. Античастинки

Ядро є центральною частиною атома, в якому практично зосереджена вся його маса та додатній електричний заряд. Атомне ядро хімічних елементів позначається символом

,

де

• Х - символ хімічного елемента,

• А - масове число,

• Z - зарядове число,

• N=(A-Z) - число нейтронів.

Ядро складається з А нуклонів, які поділяються на Z позитивно заряджених протонів та N=А-Z нейтральних частинок - нейтронів . Протон - стабільна частинка, яка є ядром найлегшого елемента - атома водню . Нейтрон - нестабільна частинка з часом життя =12 хвилин, яка розпадається за законом

,

де - електрон, - електронне антинейтрино (див. нижче).

Заряд ядра становить Q=Ze, де - величина заряду електрона. Чисельні досліди не знайшли відмінності величини заряду протона та величини заряду електрона. Нейтрон був відкритий в 1932 році Чедвіком, а нейтральна частинка нейтрино (маленький нейтрон), що не має маси спокою, була теоретично передбачена Паулі при дослідженні -розпаду ядра.

Ядра з однаковими зарядовими числами називаються ізотопами, з однаковими масовими числами - ізобарами, а з однаковими числами нейтронів - ізотонами. Усього відомо біля 300 стійких до радіоактивного розпаду хімічних елементів і біля 2000 природних та штучних радіоактивних ізотопів.

З класичної точки зору ядро являє сферу з радіусом

.

Густина речовини ядра складає величину . Власний момент імпульсу ядра (спін) визначається формулою

,

де внутрішнє спінове квантове число. Ядра з цілим І описуються статистикою Бозе-Ейнштейна, а з напівцілим значенням - статистикою Фермі-Дірака. Магнітний момент ядерних частинок вимірюється в ядерних магнетонах

,

де m_p- маса протона. Власний момент імпульсу ядра зв'язаний з магнітним моментом співвідношенням , де - ядерне гіромагнітне відношення.

Фізика елементарних частинок оперує масою в одиницях енергії, яка обчислюється за формулою Ейнштейна

.

Таким чином одна атомна одиниця маси ( ) відповідає одній атомній одиниці енергії 1а.о.е.=931.5016(26)МeВ , тобто

.

Таблиця 1. Основні характеристики елементарних частинок

Назва	Символ	Заряд	Спін	Магнітний момент	Маса
					кг	аом	МеВ
електрон		-е		1.0012	0.00091	0,000548	0,511
протон		е		2.79я	1.6726	1,007247	938,28
нейтрон		0		-1.91я	1.6749	1,008632	939,57
-частинка		2е	0	0	6,644880	4,002671	3738,257
- магнетон Бора

Античастинки. Елементарні частинки існують у вигляді двох античастинок. Вони мають однакові маси, спіни та час життя і різні за знаком заряди, магнітного моменту та деяких інших квантових чисел. При взаємодії дві античастинки анігілюють – зникають, породжуючи кванти поля, відповідного виду взаємодії цих частинок. Наприклад, при взаємодії електрона і його античастинки - позитрона , виникають кванти електромагнітного випромінювання надвисоких частот, які називають квантами. При взаємодії квантів із вакуумом можуть народжуватися попарно електрон та позитрон - частинка та її античастинка. При анігіляції нуклона та антинуклона виникають мезони. Таким чином анігіляція античастинок означає перехід матерії з форми речовини у форму поля.