покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми
массами. Электрон - самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и
нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из известных
элементарных частиц (Z -частицы) обладает массой в 200 000 раз больше массы
электрона.
Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен
фундаментальной единице заряда - заряду электрона(-1). Некоторые частицы
(фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.
Важная характеристика частицы - спин. Он также всегда кратен некоторой
фундаментальной единице, которая выбрана равной Ѕ .Так, протон, нейтрон и
электрон имеют спин Ѕ , а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином
0, 3 / 2 , 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит
одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота
на 360° . Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на
720° и т.д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-
оборота (180° ). Частиц со спином более 2 не обнаружено, и возможно их
вообще не существует. В зависимости от спина, все частицы делятся на две
группы:
- бозоны - частицы со спинами 0,1 и 2;
- фермионы - частицы с полуцелыми спинами (Ѕ ,3 / 2 )
Частицы характеризуются и временем их жизни. По этому признаку частицы
делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы- это электрон,
протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома,
но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные
известные частицы - нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких
микросекунд до 1 0 n сек (где n = - 2 3 ).
Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения,
устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин,
характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов
сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился
законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой),
зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных
тому или иному типу взаимодействия.
Выделение характеристик отдельных субатомных частиц - важный, но только
начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять,
какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в и структуре
материи.
Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее
способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии.
Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и
называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не
участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы
- переносчики взаимодействий.
Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе
этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.
Нейтроны.
Нейтрон был открыт английским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932г. Масса
нейтрона равна 1,675·10-27кг, что в 1839 раз больше массы электрона.
Нейтрон не имеет электрического заряда.
Среди химиков принято пользоваться единицей атомной массы, или
дальтоном (d), приблизительно равной массе протона. Масса протона и масса
нейтрона приблизительно равны единице атомной массы.
При реакции деления ядра элемента кроме новых ядер могут появляться (-
кванты, (-частицы распада, (-кванты распада, нейтроны деления и нейтрино. С
точки зрения цепной ядерной реакции наиболее важным является образование
нейтронов. Среднее число появившихся в результате реакции деления нейтронов
обозначают (f . Эта величина зависит от массового числа делящегося ядра и
энергии взаимодействующего с ним нейтрона. образовавшиеся нейтроны обладают
различной энергией (обычно от 0,5 до 15 МэВ), что характеризуется спектром
нейтронов деления. Для U235 среднее значение энергии нейтронов деления
равно 1.93 МэВ.
В процессе ядерной реакции могут появляться как ядра способствующие
поддержанию цепной реакции (те которые испускают запаздывающий нейтрон),
так и ядра, оказывающие неблагоприятное воздействие на ее ход (если они
обладают большим сечением радиационного захвата).
Заканчивая рассмотрение реакции деления, нельзя не упомянуть о таком
важном явлении как запаздывающие нейтроны. Те нейтроны, которые образуются
не непосредственно при делении тяжелых нуклидов (мгновенные нейтроны), а в
результате распада осколков называются запаздывающими нейтронами.
Характеристики запаздывающих нейтронов зависят от природы осколков. Обычно
запаздывающие нейтроны делят на 6 групп по следующим параметрам: T -
среднее время жизни осколков, (i - доля запаздывающих нейтронов среди всех
нейтронов деления, (i/( - относительная доля запаздывающих нейтронов данной
группы, E - кинетическая энергия запаздывающих нейтронов.
В следующей таблице приведены характеристики запаздывающих нейтронов
при делении U235
|№ группы |T, сек. |(i |(i/( , % |E, МэВ |
|1 |80.0 |0.21 |3.3 |0.25 |
|2 |32.8 |1.40 |21.9 |0.56 |
|3 |9.0 |1.26 |19.6 |0.43 |
|4 |3.3 |2.52 |39.5 |0.62 |
|5 |0.88 |0.74 |11.5 |0.42 |
|6 |0.33 |0.27 |4.2 |- |
В целом:
Nзап / (Nзап + Nмгн) = ( = 0.0065; Tзап ( 13 сек.; Tмгн ( 0.001 сек.
Протоны.
Протон – устойчивая элементарная частица с положительным элементарным
зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона (1,6*1019 Кл);
обозначается символом р или 1Н1. Протон является ядром самого лёгкого
изотопа водорода – протия, следовательно, масса протона равна массе атома
водорода без массы электрона и составляет 1,00759 а.е.м., или 1,672*10-27
кг.
Протоны вместе с нейтронами входят в состав всех атомных ядер. Протон
относят к стабильным элементарным частицам.
Протоны испускаются ядрами атомов в результате бомбардировки их
заряженными частицами, нейтронами, гамма-квантами и т.д. Например, протон
впервые был обнаружен Резерфордом при расщеплении ядра азота с помощью ?-
частиц. В состав космических лучей входят протоны с энергией до 1018 – 1019
Эв.
Альфа-частицы.
?-- частицы, выбрасываемые веществами активных элементов представляют собой
положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает
20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости ? -частицы, пролетая через
воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны.
Молекулы, потерявшие электроны, становятся заряженными положительно,
выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их
отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути ? -частиц образуются
положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность ? -частиц
ионизировать воздух была использована английским физиком Вильсоном для
того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и
сфотографировать их.
Впоследствии аппарат для фотографирования частиц получил название камеры
Вильсона. (Первый трековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч.
Вильсоном в 1912. Действие Вильсона камеры основано на конденсации
пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах,
возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. В дальнейшем вытеснена
другими трековыми детекторами.)
Исследуя пути движения частиц с помощью камеры, Резерфорд заметил, что в
камере они параллельны (пути), а при пропускании пучка параллельных лучей
через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не
параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от
их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно,
некоторые вообще не проходили через тонкую пластинку. [ 1, 7 ]
[pic]
Рис. 1. Модель атома Бор-Резерфорд
Исходя из этих наблюдений, Резерфорд предложил свою схему строения атома: в
центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по разным
орбиталям вращаются отрицательные электроны. (рис.1.)
Центростремительные силы, возникающие при их вращении удерживают их на
своих орбиталях и не дают им улететь. Эта модель атома легко объясняет
явление отклонения ? - частиц. Размеры ядра и электронов очень малы по
сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее
удаленных от ядра электронов; поэтому большинство ? -частиц пролетает
через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда ?
-частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает
резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение
рассеяние ? -частиц положило начало ядерной теории атома.
Электроны и позитроны.
Представление о содержащихся в веществах электрических частицах было
высказано в качестве гипотезы английским ученым Г. Джонстоном Стонеем.
Стоней знал, что вещества можно разложить электрическим током, – например,
воду можно разложить таким способом на водород и кислород. Ему было
известно также о работах Майкла Фарадея, установившего, что для получения
некоторого количества элемента из того или иного его соединения требуется
определенное количество электричества. Обдумывая эти явления, Стоней в
1874г. пришел к выводу о том, что они указывают на существование
электричества в виде дискретных единичных зарядов, причем эти единичные
заряды связаны с атомами. В 1891г. Стоней предложил название электрон для
постулированной им единицы электричества. Экспериментально электрон был
открыт в 1897г Дж. Дж. Томсоном (1856-1940) в Кембриджском университете.
[5]
Электрон представляет собой частицу с отрицательным зарядом величиной
–0,1602 10-18 Кл.
Масса электрона равна 0,9108 10-30кг, что составляет 1/1873 массы атома
водорода.
Электрон имеет очень небольшие размеры. Радиус электрона точно не
определен, но известно, что он значительно меньше 1·10-15м.
В 1925г. было установлено, что электрон вращается вокруг собственной оси и
что он имеет магнитный момент. [5]
Число электронов в электронейтральном атоме закономерно повышается при
переходе элемента от Z к Z + 1. Эта закономерность подчиняется квантовой
теории строения атома.
