Фізика елементарних частинок

Бетатрон використовується в основному для одержання жорсткого рентгенівського випромінювання. Він не придатний для прискорення важких частинок, бо внаслідок великої маси цих частинок прискорення та число обертів їх за час наростання магнітного поля малі.

б) Циклотрон. Для отримання важких частинок великих енергій доводиться прискорювати їх в електричному полі триваліший час. Цього досягають завдяки магнітному полю, яке періодично вводить заряджені частинки у прискорююче електричне поле. Цей процес має резонансний характер. До таких резонансних прискорювачів належать циклотрон, фазотрон, синхротрон і синхрофазотрон.

Циклотрон складається з потужного електромагніту, діаметр полюсів якого досягає кількох метрів. Між полюсами розміщена вакуумна камера, в якій скомпоновано електроди -дуанти 1, 2 у вигляді половин порожнистої металевої коробки (рис. 3.16). Дуанти підключено до генератора Р змінної електричної напруги, між ними в центрі вмонтовано вертикальну трубку, через яку вводяться позитивно заряджені іони.

Розглянемо процес прискорення в циклотроні позитивного іона за схемою, що на рис. 3.16. Нехай магнітне поле, перпендикулярне до площини рисунка, напрямлене до нас, а електричне поле в щілині у момент введення іона спрямоване до дуанта 1. Під дією електричного поля іон набуде прискореного руху і через певний проміжок часу ввійде в дуант 1. На цьому дія електричного поля припиняється. Всередині дуанта під дією магнітного поля іон перейде на колову орбіту в напрямі за рухом годинникової стрілки. Радіус орбіти знайдемо за умови, що тут сила Лоренца відіграє роль доцентрової сили:

.

Якщо за час, протягом якого іон в дуанті 1 опише півколо і підійде до щілини, напрям електричного поля зміниться на протилежний, то поле знову буде прискорювати іон. У цьому разі він пройде щілину і ввійде в дуант 2; там опише півколо вже більшого радіуса, бо в щілині його швидкість зросла. Якщо при виході іона з дуанта 2 електричне поле у щілині знову змінить напрям і збігатиметься зі швидкістю іона, останній ще раз прискорюватиметься і т.д.

Щоб забезпечити таку синхронізацію необхідно, щоб період Т0 змінного електричного поля збігався з періодом Т колового руху іона в дуантах. Визначивши останній з рівняння (3.5), дістанемо умову синхронізації:

.

Така суть резонансного циклічного прискорення заряджених частинок. Прискорені частинки за допомогою електрода 3 виводяться з дуантів на мішень 4.

При розмірах полюсів електромагніту і дуантів понад 1,5 м циклотрон дає змогу прискорювати протони, дейтрони, іони гелію до енергії 10 - 20 МеВ.

Можливості циклотрона все ж обмежені, бо при значному збільшенні швидкості частинки її маса за теорією відносності помітно збільшується і рівняння синхронізації (3.6) порушується.

У 1944 р. російський вчений В.І.Векслер і незалежно від нього американський вчений Мак-Міллан відкрили принцип автофазування. Його суть така. З рівняння (3.6) видно, що зростання маси можна компенсувати відповідним збільшенням індукції магнітного поля В. Прискорювач, в якому режим прискорення частинок підтримується зміною магнітного поля, називається синхротроном. У ньому період прискорюючого поля залишається незмінним.

Синхротрон використовується для прискорення електронів при сталому радіусі траєкторії. У ньому електромагніт утворює кільцеву доріжку з проміжками-резонаторами, в яких у потрібний момент спрацьовує сильне електричне поле. Електрони переміщуються у вакуумній тороїдальній камері, розміщеній між полюсами електромагніту.

Спочатку електрони розганяються вихровим електричним полем так само, як у бетатроні. Коли їхня енергія досягає 2 - 3 МеВ, включається високочастотне електричне поле - електрони прискорюються в режимі синхротрона. Електрони можуть подаватися на синхротрон від лінійного прискорювача.

З 1967 р. в Єреванському фізичному інституті працює один з найпотужніших електронних синхротронів, в яких частинки прискорюються до енергії 6 ГеВ. Діаметр його кільцевого електромагніту близько 70 м.

Максимальна енергія електронів у синхротроні обмежується розміром кільцевої доріжки і граничною величиною індукції В магнітного поля.

Інший метод автофазування полягає в тому, що для збереження синхронізації повільно змінюють частоту vo електричного поля відповідно до зміни маси частинки, а магнітне поле залишається незмінним. Зміна частоти приводить до зміни фази наростання напруженості електричного поля. Прискорювачі, в яких використовується цей метод, називають фазотронами. Фазотрони працюють в імпульсному режимі.

З 1967 р. у Гатчині під Петроградом працює один з найпотужніших фазотронів у світі, що прискорює протони до енергії 750 МеВ. Бомбардування протонами великої енергії будь-якого хімічного елемента дає змогу одержувати нові радіоактивні ізотопи та формувати пучки - або - мезонів.

У прискорювачі вперше застосовано варіатори частоти нової конструкції. Протони, досягаючи дедалі більшої енергії завдяки багаторазовому проходженню крізь пристрій, який прискорює, стають важчими і час обертання їх по розгорнутій спіралі зростає. Варіатори безперервно змінюють частоту електричного поля, синхронізуючи її зі швидкістю і масою протонів.

Досконалим прискорювачем є також синхрофазотрон, в якому поєднуються принципи дії синхротрона і фазотрона. Фазотрони, синхротрони і синхрофазотрони - це технічно складні і дорогоцінні установки, потужності їх весь час зростають. У сучасних прискорювачах з окремих магнітних блоків монтується магнітна доріжка значних розмірів. Вздовж доріжки є щілини, в яких синхронно спрацьовує прискорююче електричне поле.

З 1957 р. в Дубні працює синхрофазотрон, який прискорює протони і дейтрони до енергії 11 ГеВ. Схему розміщення основних його вузлів показано на рис. 3.17. На ній позначено: 1 - попередній лінійний прискорювач протонів, 2 - система введення протонів у синхрофазотрон, 3 - магнітні блоки, 4 - вакуумний насос, 5 - вакуумна камера, 6 - траєкторія прискорюваних частинок, 7 - пристрій для виведення протонів. У прискорювачі застосовано дві прискорюючи системи в двох протилежних прямолінійних проміжках між квадрантами електромагніту. Це дало змогу знизити частоту коливання потужності генератора вдвоє. У двох інших проміжках розміщені пристрої для введення і виведення протонів. Тривалість циклу прискорення в синхрофазотроні 3,3 с. За цей час протони здійснюють близько 4,5 мільйонів обертів, проходячи шлях до 900 000 км. Маса електромагніту 36 000 т, максимальна сила струму в обмотках 13 000 А. Це перший у світі прискорювач, який розганяє атомні ядра до релятивістських енергій (швидкість, близька до швидкості світла).

Зауважимо, що частинки з більшим зарядом прискорюються у синхрофазотроні до більших енергій: - частинки - до 22 ГеВ, а ядра кальцію - до 200 ГеВ.

З 1967 р. поблизу Серпухова працює один з найпотужніших у світі кільцевий синхротрон, який прискорює енергію протонів до 70 ГеВ. У ньому встановлено 120 магнітних блоків, кожний масою близько 240 т; протони рухаються в кільцевій вакуумній камері 1500 м завдовжки. Розгін протонів здійснюють 54 прискорюючи станції, розміщені рівномірно по колу між блоками електромагнітів.

У пошуках підвищення ефективності досліджень, виникла ідея реалізувати зіткнення елементарних частинок методом зустрічних пучків. У такий спосіб можна всі частинки високих енергій витрачати на зіткнення. При цьому енергія зіткнення збільшується в чотири рази порівняно з актом нерухомої мішені. Підкреслимо; в чотири рази, а не в два; при швидкостях, близьких до світлових, ефект зустрічного руху в багато разів більший.

З 1965 р. у Новосибірську і Стенфорді (США) проводяться експерименти з розсіювання електронів на електронах в установках, що дають зустрічні пучки. Установка ніби компонує два циклічних прискорювачі з протилежними напрямками рухів частинок (вісімка). Одночасно сибірські вчені ввели в дію першу в світі електрон-позитронну установку на зустрічних пучках. Її максимальна енергія 700 МеВ; вона здатна утворювати пари навіть таких важких частинок, як К- мезони.

Принципово нову ідею прискорення позитивно заряджених іонів висунув В.І.Векслер у 1956 р. Основним елементом процесу прискорення, за цим методом, є згусток електронів, в який вводиться деяка кількість позитивних іонів. Під час прискорення такого комбінованого згустку іони, як більш масивні частинки, повинні були б відставати від електронного згустку. Проте згусток завдяки силам притягання втягуватиме за собою іони. При достатній кількості електронів у згустку сила притягання між електронами і іонами може стати достатньою для подолання інертності і надання іонам прискорення та швидкості, однакової зі швидкістю електронів.

За таких умов при однакових швидкостях іонів і електронів енергія, набута іонами, буде у стільки разів більша від енергії електронів, у скільки разів вони важчі від електронів. Це означає, що під час прискорення згустку частинок у зовнішньому електричному полі на іон, що перебуває всередині електронного згустку, діє поле у стільки ж разів сильніше від зовнішнього.

7. Ядерні реакції

Ядерна реакція - процес сильної взаємодії частинки ядра з іншим ядром, внаслідок чого відбувається перетворення ядра, або зміна його параметрів. Під ядерною реакцією розуміють будь-яке перетворення ядра, яке відбувається з різних причин.

Механізм ядерної реакції. Частинка повинна бути поблизу ядра на відстані 10-15м від нього. Якщо ця частинка має позитивний заряд, то вона повинна подолати потенціальний бар'єр, зумовлений кулонівськими силами.

За теорією Бора-Ландау, які виходили з крапельної моделі ядра, середня реакція відбувається у два етапи:

1) ядро захоплює частинку і виникає проміжне ядро. Воно буде нестійким і час перебування в такому стані називається ядерним часом - це час, за який частинка зі швидкістю близько 107 м/с пройде діаметр ядра

);

2) у результаті отримання ядром енергії, яка порівно розподіляється між нуклонами, існує ймовірність, що на деякий час виникне енергія, якої буде достатньо для того, щоб частинка (чи кілька частинок) покинула ядро. Внаслідок цього виникне нове ядро (процес відбувається подібно випаровуванню). Але при досить великих енергіях налітаючих частинок можлива взаємодія з нуклонами в ядрі. Така реакція називається реакцією прямої ядерної взаємодії; ; ; A - початкове ядро, a - частинка, яка бомбардує ядро, B - продукти реакції (ядро, яке утворюється), b - частинки, які утворилися.

При ядерних реакціях виконуються:

1) закон збереження заряду: ;

2) закон збереження масового числа (числа нуклонів): ;

3) закон збереження повної енергії: ;

4) закон збереження імпульсу: ;

Класифікація ядерних реакцій

Ш За характером ядерних перетворень.

w a, b - однакові, мають однакові енергії (пружно-розсіювальні); перетворення ядра не відбувається; відбувається зміна параметрів руху;

w a, b - однакові, мають різні енергії (непружна взаємодія): A(a,a)A;

w немає частинки a; радіоактивний розпад: ;

w a, b - різні частинки, мають різну енергію. Реакція проходить у різних напрямках в залежності від характеристик a і b;

w реакції синтезу - реакції об'єднання легких ядер (термоядерні реакції): .

Ш За енергією частинок, які викликали реакцію:

w реакції при малих енергіях (кілька еВ);

w реакції при середніх енергіях (кілька МеВ);

w реакції при високих енергіях (сотні, тисячі МеВ).

Ш За типом частинок, які викликали реакцію:

w під дією б-частинок;

w під дією нейтронів і дейтронів (протонів, електронів, г-квантів).

Особливу цінність мають ядерні реакції з нейтронами, оскільки нейтрону не потрібно долати потенціальний бар'єр (він не має заряду).

Для результату реакції важлива енергія, яку має нейтрон.

Якщо енергія нейтрона , то такий нейтрон вважається повільним.

Якщо енергія нейтрона , то такий нейтрон вважається проміжним.

Якщо енергія нейтрона більша , то такий нейтрон вважається швидким.

Якщо енергія нейтрона дорівнює близько , то такий нейтрон вважається надшвидким.

Характеристика ядерних сил. Енергія ядерних реакцій

Основні характеристики ядерних сил

Ш Ядерні взаємодії між нуклонами дістали назву сильної взаємодії. Про велику взаємодію в них свідчить дуже значна енергія зв'язку, що припадає на 1 нуклон. Якщо знайти середнє арифметичне енергії зв'язку, то отримаємо, що вона знаходиться в межах від 7 до 8,5 МеВ (другі за силою взаємодії - електромагнітні взаємодії, величина яких близько кількох еВ).

Ш Ядерні сили належать до короткодіючих. Дослідження взаємодії б-частинок з ядрами легких елементів показали, що відхилення від закону Кулона починається виявлятися, коли відстань між ядрами дорівнює . На менших відстанях () проявляються ядерні сили притягання. На ще менших відстанях проявляються ядерні сили відштовхування.

Ш Ядерні сили не залежать від заряду нуклона. Наприклад, ядро дейтерію, що складається з протона і нейтрона, характеризується енергією зв'язку, що дорівнює 2,23 МеВ, або в розрахунках на нуклон 1,12 МеВ. Ядро тритію, яке в порівнянні з дейтерієм містить на один нейтрон більше, має енергію 8,48 МеВ. Ядро ізотопу гелію, яке порівняно з дейтерієм містить на один протон більше, має енергію 7,72 МеВ. В обох випадках енергія зв'язку цих ядер значно більша від енергії зв'язку дейтерію. Враховуючи поправку на електричне відштовхування між протонами, приходимо до висновку, що взаємодії між нуклонами (p-n, n-p, p-p) практично однакові. Ця властивість називається зарядовою незалежністю ядерних сил.

Ш Ядерні сили не є центральними, оскільки залежать не тільки від відстаней між нуклонами, а й від взаємодії їх спінів. Наприклад, встановлено, що протон і нейтрон сполучаються і утворюють дейтерій тільки тоді, коли їхні спіни взаємопаралельні ( - антипаралельні спіни; - паралельні спіни).

Ш Ядерним взаємодіям властиве певне насичення. Протон або нейтрон в ядрі зазнає сильної взаємодії не з усіма нуклонами, а лише з обмеженою кількістю сусідніх нуклонів. Наприклад, починаючи з гелію, енергія зв'язку на один нуклон для всіх ядер приблизно однакова, оскільки енергія зв'язку на один нуклон гелію більша, ніж в інших легких ядрах, але такої самої величини, як у складних ядрах. Є підстави вважати, що два протони і два нейтрони утворюють систему насиченої взаємодії. Отже, найбільш стійкими мають бути ядра з однаковою кількістю протонів і нейтронів у ядрі.

Енергія ядерної реакції

При ядерній реакції енергія може виділятися або поглинатися.

,

де - енергія частинки, - енергія спокою частинки, - кінетична енергія частинки.

Якщо Q>0, енергія виділяється; процес екзотермічний.

Якщо Q<0, енергія поглинається; процес ендотермічний.

Якщо реакція проходить з виділенням енергії, то частина енергії спокою перетворюється в кінетичну енергію продуктів реакції.

Якщо енергія поглинається, то частина або повна кінетична енергія частинок, які вступили в реакцію, перетворюється в енергію спокою частинок продуктів реакції.

Ендоенергетичні реакції мають поріг. Під порогом розуміють мінімальну енергію частинки, яка може викликати ендоенергетичну реакцію:

.

8. Поділ важких ядер. Ланцюгові реакції поділу. Ядерний реактор. Термоядерний синтез

Реакції поділу важких ядер

У 1939 році німецькі фізики Ган та Штрассман, опромінюючи нейтронами уран, виявили в продуктах реакції елемент середньої частини таблиці Мендєлєєва. Цей елемент був барієм. При повторних дослідженнях Ірен Жоліо-Кюрі виявила в продуктах реакції лантан.

Аналізуючи ці відкриття, німецькі вчені Мейтнер та Фріш дійшли висновку, що ядро урану має порівняно незначну стійкість, і після захоплення нейтрона може ділитись на два ядра-уламки приблизно однакового розміру. Оскільки в них відношення числа нейтронів до числа протонів дуже велике, ці уламки повинні бути нестійкими і давати ряди в-розпаду.

Важкі ядра можуть перетворюватися на кілька легших ядер-уламків. Такий процес, або таку ядерну реакцію, називають поділом ядра. Установлено, що поділятися можуть ядра, для яких виконується умова:

,

де Z - порядковий номер елементу в періодичній системі елементів, А - кількість нуклонів у ядрі.

Умова виконується для всіх ядер, починаючи з ізотопу срібла . Для нього . За інших однакових умов більша ймовірність поділу саме більш важких ядер. Важкі ядра, для яких , зовсім не стійкі і не можуть існувати. Відомі реакції поділу, які відбуваються самовільно. Г.Флеров і К.Петржак відкрили такий спонтанний поділ ядер урану. Він відбувається дуже рідко. Період піврозпаду такого процесу становить близько років.

Найбільший інтерес становлять реакції поділу, які відбуваються після поглинання ядром будь-якої елементарної частинки. Найлегше поділ відбувається під час захоплення ядром нейтрона, якому не потрібно долати кулонівський бар'єр, щоб проникнути в ядро. Хоча при відповідних енергіях ядро здатне захопити - квант, і протон, і дейтрон, та інші елементарні частинки і потім поділитися. Практичний інтерес становить реакція поділу ядер урану, плутонію і торію, які використовують на атомних станціях для виробництва електроенергії.

Наведемо приклад поділу ядра урану-235 під час захоплення ним повільного нейтрона з енергією :

.

Це зовсім не єдиний варіант поділу. Унаслідок поділу можуть утворюватися й інші ядра-уламки. Оскільки важкі ядра перевантажені нейтронами, то одночасно з утворенням ядер-уламків виділяються вільні нейтрони. Під час кожного поділу виділяються два або три нейтрони. При поділі 1 г урану виділяється енергія, в кілька мільйонів разів більша за енергію, отриману при згорянні 1 г нафти або вугілля. Основну частину енергії становить кінетична енергія уламків (до 168 МеВ). Решта залишається - квантам. Ядра-уламки перебувають у збудженому стані, тому витримують цілу низку послідовних розпадів із випромінюванням різних елементарних частинок.

Пізніші дослідження підтвердили, що ядро урану під дією нейтрона ділиться на дві частинки, відношення мас яких можуть бути дуже різними; всіх їх близько 80. Проте найбільш ймовірним є поділ ядер урану на уламки, маси яких відносяться як 2 : 3.

При поділі одного ядра виділяється близько 200 МеВ енергії. Процес поділу ядра добре пояснюється крапельною моделлю ядра: ядро, захоплюючи нейтрон, збуджується і починає деформуватись, набуваючи витягнутої форми; дія ядерних сил при цьому послаблюється, і ядро при цьому починає витягуватись під дією кулонівських сил. Коли ці сили за модулем стають більші від ядерних сил, ядро розривається на два уламки, при цьому звільняються 2-3 нейтрони (це залежить від енергії нейтрона, який захоплюється ядром).

Ядра 1 та 2 (рис. 3.1) ? це “уламки” ядра урану, що відповідають середній частині періодичної системи Мендєлєєва.

Нейтрони виділяються внаслідок цієї взаємодії тому, що “уламки”, які утворюються, перевантажені нейтронами, а відомо, що будь-яка система прямує до такого енергетичного стану, щоб її енергія була мінімальною. Процес звільнення принаймні двох нейтронів забезпечує ланцюгову ядерну реакцію.

Ланцюгова ядерна реакція супроводжується виділенням великої кількості енергії, і тому для її характеристики вводиться коефіцієнт розмноження нейтронів

,

де ? кількість нейтронів попереднього покоління; ? кількість нейтронів останнього покоління.

При > 1 ланцюгова реакція розподілу ядер урану відбувається у вигляді вибуху; при < 1 реакція поділу не відбувається; якщо , реакція поділу відбувається стаціонарно.

Реакція відбувається як під дією повільних, так і швидких нейтронів. Так ділиться один з ізотопів урану (235), але під дією повільних нейтронів реакція відбувається ефективніше.

Ланцюгова реакція в чистому урані-235 може розвиватися лише при певній його кількості. При незначній кількості урану нейтрони від розпаду одного ядра можуть вилітати назовні і не влучати в інші ядра. Мінімальну кількість урану-235, при якій може розвиватися ланцюгова реакція, називають критичною кількістю (масою). За розрахунками В.Гейзенберга, для урану-235 вона дорівнює приблизно 9 кг. При перевищенні критичної маси урану-235 або плутонію-239 нейтрони розмножуються настільки швидко, що ланцюгова реакція набуває характеру вибуху. Вибух виникає сам по собі завдяки довільному розпаду урану або ж попаданню в нього нейтронів з космічного проміння. Тому зберігати уран-235 або плутоній-239 можна лише в кількостях, менших від критичної.

В атомній бомбі (рис. 3.2) вибух виникає тоді, коли два шматки 1 і 2 майже чистого урану-235 або плутонію-239, маси яких менші від критичних, зводяться в один. Для щільного з'єднання їх використовується звичайна вибухова речовина 3 (запал). Масивна металева оболонка 4 призначена для відбивання нейтронів, а також для утримання ядерного заряду від розпилення, доки не прореагує значна його кількість. Ланцюгова реакція відбувається на швидких нейтронах. Вибух атомної бомби супроводжується виділенням величезної кількості енергії, завдяки чому в зоні вибуху температура підвищується до десятків мільйонів градусів, а тиск досягає мільйонів атмосфер. Вибух супроводжується також інтенсивним радіоактивним випромінюванням ядерних уламків. За енергією вибуху одна атомна бомба еквівалентна вибуху 25 000 т тротилу, але є атомні бомби еквівалентом і 100, 200 Мт тротилу.

Ядерний реактор

Ядерний реактор ? це пристрій, в якому підтримується керована ядерна реакція поділу ядер.

Будь-який ядерний реактор має такі основні складові:

1) ядерне паливо (наприклад, уран-235, -238, плутоній-238, -239);

2) теплоносій (слугує для виведення тепла; в якості його може використовуватися вода, рідкий азот);

3) пристрій для регулювання швидкості реакції (найчастіше використовується кадмій);

4) захисна оболонка (виготовлена із залізобетону; захищає від стихійних лих);

5) сповільнювач нейтронів (лише в реакторах, що працюють на повільних нейтронах; застосовуються графіт, важка вода);

6) відбивач нейтронів (призначений для того, щоб у реакторі відбувалась стаціонарна реакція, k ? 1).

Для виникнення ланцюгової ядерної реакції також необхідні умови: маса ядерного пального повинна перевищувати критичну масу. Якщо його маса менша від критичної маси, нейтрони вилітають у повітря, і реакція не відбувається. Для урану-235 критична маса становить 50 г (на вигляд це кулька радіусом 9 мм).

Схема ядерного реактора

Відведення тепла з активної зони реактора (А) (рис. 3.3) до парової турбіни електростанції забезпечується двома замкнутими контурами циркуляції води. (1) ? трубки всіх тепловидільних елементів реактора; (2) ? з'єднувальні трубопроводи; (3) ? змійовик; (4) ? насос; ці елементи утворюють перший контур, в якому вода циркулює під тиском . При вході в тепловидільні елементи температура води складає 393 К, при виході ? 543 К. Теплообмінник (5), в якому вода кипить і дає пару при тиску , паропровід (6), турбіна (7), холодильник (8) і насос (9), що дає конденсат в теплообмінник, утворюють другий контур. Турбіна приводить в рух генератор електричного струму (10).

Ядерні реактори (види):

Ш на швидких нейтронах;

Ш на повільних нейтронах;

Ш на природному урані;

Ш на ізотопах урану;

Ш на збагаченому урані.

Гомогенні реактори ? це реактори, в яких речовина, що ділиться, змішується з уповільнювачем (наприклад, уран з водою).

Гетерогенні реактори ? це реактори, в яких речовина та уповільнювач відокремлені.

Типи сповільнювачів:

Ш графіт;

Ш важка вода;

Ш вода;

Ш берилій.

Термоядерні реакції

Термоядерні реакції - це реакції синтезу ядер, які відбуваються лише при високій температурі. Для злиття двох ядер їх треба зблизити на відстань ядерних взаємодій -. Для цього потрібно виконати роботу проти сил електростатичного відштовхування ядер:

,

де - радіус ядерних сил; Z1, Z2 - порядкові номери елементів. Навіть для найлегших ядер з Z1 = Z2 = 1, якими є ядра ізотопів водню Н1, Н2, Н3, робота дорівнює:

.

Для виконання цієї роботи кожна з двох частинок повинна мати кінетичну енергію:

,

звідки випливає, що злиття ядер можливе при температурі речовини

.

Насправді реакції синтезу легких ядер відбуваються з помітною інтенсивністю при значно нижчих температурах, приблизно 107 К. Причина цього - наявність у тепловому русі частинок з швидкостями, значно вищими від середніх; крім того, істотну роль відіграє так званий тунельний ефект. Згідно з квантовою механікою, існує певна ймовірність того, що частинка проникне крізь потенціальний бар'єр з енергією, меншою від нього, проходячи наче через тунель у бар'єрі.

Найсприятливіші умови створюються для реакцій синтезу ядер ізотопів водню; вони можуть давати такі три типи реакцій:

З найбільшою ймовірністю відбувається реакція синтезу дейтерію і тритію, яка має резонансний характер, тобто відповідає умовам, коли енергія складеного ядра, що утворюється при захопленні частинки, яка бомбардується, точно відповідає енергії одного із збуджених станів цього ядра. При тій самій температурі синтез дейтерію і тритію відбувається в 100 разів швидше, ніж дві перші реакції (3.1).

Оскільки енергія зв'язку нуклонів у легких ядрах значно менша ніж у середніх ядрах, то в реакціях синтезу легших ядер виділяється значна енергія. Розрахунки показують, що в результаті повної реакції синтезу ядер 1 кг суміші дейтерію і тритію виділяється енергія Е , яка у вісім разів більша від енергії поділу 1 кг урану-235.

Першу реакцію синтезу дейтерію і тритію було здійснено в колишньому СРСР у 1953 р. у вигляді вибуху потужної водневої бомби. Високої температури, необхідної для реакції синтезу, було досягнуто завдяки вибуху уранової бомби; подальше зростання температури зумовлювалося перебігом реакції синтезу.

Крім реакцій синтезу водню в гелій, з великою ймовірністю відбувається синтез літію з воднем:

тощо.

Тому можна побудувати також воднево-літієву бомбу за схемою, що на рис. 3.4. Вибух такої бомби еквівалентний вибуху кількох мільйонів тонн звичайної вибухової речовини.

Вивільнення величезної енергії в реакціях синтезу легких ядер висунуло на перший план проблему здійснення керованих термоядерних реакцій. Розв'язання цієї проблеми дало б змогу використати як ядерне паливо величезні запаси водню на Землі. Зауважимо, що хоч найлегшим є повний синтез рівних кількостей дейтерію і тритію, все ж у майбутньому головне значення матимуть реакції синтезу чистого дейтерію. Тритію у природі дуже мало, тоді як природні запаси дейтерію практично необмежені. Кількість дейтерію у водах океанів оцінюється в 1017 кг; 1 л звичайної води за енергією еквівалентний приблизно 400 л нафти. Прості розрахунки показують, що дейтерію як ядерного палива вистачить на Землі на сотні мільйонів років при бурхливому розвитку енергетики, тоді як запаси інших джерел енергії, в тому числі і ядерних речовин, які розщеплюються, обмежені.

Здійснення керованих термоядерних реакцій пов'язане із значними труднощами: необхідно забезпечити розігрівання дейтерію в певному обмеженому об'ємі до температури понад 108 К (при такій температурі всі речовини перетворюються в плазму) та достатньо високу густину цієї плазми. Тобто, необхідно виконати критерій Лоусона:

с/см,

де n - концентрація частинок у плазмі; - час утримання частинок у плазмі при даній температурі.

Ще важче забезпечити ізоляцію плазми від стінок посудини, в якій вона міститься. Адже дотик плазми до стінок посудини зумовив би бурхливе випаровування їх, а сама плазма раптово охолоджувалася б, що припинило б термоядерну реакцію.

Для утворення високотемпературної плазми практикуються потужні імпульсні електричні розряди в газах. У цих розрядах максимальна сила струму досягає величини . Імпульси такого струму дістають від заряджених потужних батарей конденсаторів. Імпульсні електричні розряди проводяться в дейтерієво-тритієвій суміші та інших газах. У момент розряду температура плазми досягає кількох десятків мільйонів градусів. У таких розрядах вченим вдалося виявити потужне нейтронне випромінювання, як свідчення перебігу в плазмі реакцій синтезу.

Термоізоляція газу забезпечується сумарною дією магнітного поля, створеного струмом розряду, і поздовжнього магнітного поля від обмотки, намотаної на розрядну трубу. Як відомо, заряджені частинки не можуть вільно рухатися впоперек магнітних силових ліній.

Не простою справою є вимірювання температур у мільйони градусів. Температуру можна було б виміряти за розширенням спектральних ліній. Проте при вказаних температурах водень повністю іонізується і в спектрі випромінювання його ліній немає. З цією метою використовують малі домішки інших газів, таких як азот, оскільки важкі атоми повністю не іонізуються і зберігають спектральні лінії у випромінюванні при таких температурах.

Якою є найдоцільніша розрядна система?

У прямолінійних системах надійно здійснюється термоізоляція плазми від бокових стінок, але ускладнюється ізоляція від електродів, на яких вона охолоджується. Щоб позбутися цього недоліку, почали використовувати тороїдальні камери і розігрівати плазму індукційними високочастотними полями. Першими тороїдальними установками в нашій країні були установка «Альфа», в Англії - установка «Зета» і т.д. Проте виявилося, що в тороїдальних камерах умови для термоізоляції плазми від стінок гірші, ніж у лінійних. Тут виникає сильне внутрішнє магнітне поле Ввн > Взовн, яке зміщує плазму до стінки. У зв'язку з цим з'являється так званий тороїдальний дрейф і частинки плазми попадають на стінку. Щоб усунути цей недолік, застосовують тороїдальну камеру у вигляді вісімки. У ній тороїдальний дрейф в одній та іншій частинах камери має протилежні напрями. Якщо частинки плазми не вийдуть до стінки в першій половині камери, то вони залишаються в середині камери і в її другій половині. Такі системи називаються стелараторами.

Було встановлено, що на ізоляцію плазми від стінок установки і на збільшення її концентрації сприятливо впливає так званий пінч-ефект. Суть цього ефекту зводиться до того, що коли заряджені частинки плазми створюють струм в одному напрямі, то внаслідок взаємодії їх власних полів частинки плазми збираються у вузький плазмовий шнур. Проте плазмовий шнур виявився нестійким і виходив з-під контролю. У 1960 р. вітчизняні фізики дійшли висновку, що для утворення стійких плазмових потоків треба перейти на магнітні системи, в яких поле зростає в усіх напрямках.

У 1962 р. на установці такого типу ПР-5 в Інституті атомної енергії ім. І.В.Курчатова вдалося одержати плазму з температурою і густиною 1010 частинок в 1 см3; плазма утримувалася соті долі секунди. Ці експериментальні результати були на той час найкращими, особливо за тривалістю існування гарячої плазми. Згодом в Інституті ядерної фізики Сибірського відділення АН Росії під керівництвом Г.І.Будкера і Українському фізико-технічному інституті на стелараторі «Ураган» дейтерієва плазма була нагріта до температури понад .

Фундаментальні дослідження у справі термоядерного синтезу, проведені в лабораторіях під керівництвом Л.А.Арцимовича і М.О.Лентовича на установках типу «Токамак» (тороїдальних камерах з магнітним утриманням плазми), дали змогу добути плазму з температурою , густиною і часом життя 0,05 с.

Зауважимо, що за розрахунками, для роботи термоядерного реактора потрібна плазма з температурою , густиною і часом життя 10 с.

У колишньому СРСР роботи з керованого термоядерного синтезу проводяться в кількох наукових інститутах. У них випробовуються властивості плазми, в тороїдальних системах з сильними магнітними полями, у високочастотних електромагнітних полях великої напруженості, вишукуються шляхи розігрівання плазми (ударний, турбулентний, циклотронний та ін.).

Останнім часом в експерименті випробовуються нові перспективні напрями термоядерного синтезу - лазерний термоядерний синтез (ЛТС) і електронний, що ґрунтується на використанні релятивістських електронних пучків (РЕП). атомний ядро радіоактивність релятивістський

Суть ЛТС, запропонованого М.Г.Басовим, така. Кулька, радіусом близько 1 мм, до якої входить дейтерій, опромінюється з усіх боків лазерним імпульсом. Поглинання лазерного випромінювання в тонкому поверхневому шарі мішені веде до раптового нагрівання і випаровування. Вилітання частинок високих швидкостей, згідно з законом збереження імпульсу, зумовлює появу величезного поверхневого тиску, збільшення густини і температури в центральній частині кульки. Якщо густина і температура досягають критичних значень, там виникає термоядерний синтез і температура ще більше підвищується.

Метод здійснення керованого термоядерного синтезу на основі використання РЕП запропонував Е.К.Завойський. Як показують розрахунки, для цього потрібні пучки з силою струму близько 107 А і густиною потужності близько 1013 Вт/см2.

Якщо РЕП поглинатиметься в шарі важкого металу (5 - 10) мкм завтовшки, то сумарне енерговиділення пучка приблизно в 4 кДж у фокусі зумовить передачу енергії в 1 кеВ на кожний атом речовини. Цього досить, щоб працював електронний термоядерний реактор.

Вказане порогове значення густини потужності РЕП вдалося досягти в Інституті ядерної енергії ім. І.В.Курчатова на установках «Тритон» і «Ангара-1» ще в 1974 р. Для нагромадження енергії в них використовуються потужні циліндричні конденсатори, діелектриками в яких є деіонізована вода. Потрібні РЕП можна також дістати за допомогою електронних прискорювачів.

У науково-дослідному інституті електрофізичної апаратури ім. Д.В.Єфремова розробляється проект установки «Ангара-5» з сумарною енергією в пучку електронів 5 МДж: її досить для термоядерного мікровибуху з енерговиділенням до 100 МДж.

Високий рівень сучасної науки і техніки, інтерес до проблеми видатних вчених всього світу дають підстави вірити пророкуванню видатного фізика І.В.Курчатова про те, що XXІ ст. буде часом термоядерної енергії.

Сучасна наука доводить, що термоядерні реакції дуже поширені у всесвіті і є основними джерелами енергії Сонця і зір. Ці тіла на 50% складаються з водню, а температура в їхніх надрах оцінюється десятками мільйонів градусів (для Сонця ).

Розрахунки показують, що Сонце щосекунди випромінює енергії, а це відповідає зменшенню маси Сонця на (при загальній масі ). Проте швидкість виділення енергії Сонця, визначена на одиницю його маси, надто мала - , що в 100 разів менше швидкості виділення енергії в живому організмі. Це вказує на те, що термоядерні процеси в надрах Сонця відбуваються досить стабільно і є майже рівноважними.

У 1938 р. Бете, а потім і інші вчені теоретично обґрунтували можливість перебігу в надрах Сонця двох термоядерних циклів: протонно-протонного (р - р) і вуглецево-азотного (С - N).

Протонно-протонний цикл складається з таких реакцій (в дужках зазначено енергетичний ефект реакції Е та середню тривалість реакції ):

 ;

;

.

У результаті виконання циклу з чотирьох протонів утворюється ядро гелію і 2 позитрони; енергетичний ефект циклу . Другий цикл включає шість реакцій:

;

;

;

;

;

.

Результати виконання другого циклу такі самі, як і першого, проте в (С - N)- циклі роль своєрідних «каталізаторів» відіграють ядра вуглецю ; кількість їх до і після циклу залишається незмінною. Внаслідок перебігу того або іншого циклів на Сонці за рахунок водню утворюється гелій. За астрофізичними даними на Сонці є достатня кількість водню, якого, як матеріалу для термоядерних реакцій, вистачить на декілька мільярдів років. Після цього настане гравітаційний стиск Сонця і підвищення температури його надр, що може створити умови для перебігу реакції синтезу гелію в більш важкі ядра.

9. Загальні відомості про елементарні частинки

Елементарними називають частинки, які у взаємодіях поводять себе як єдине ціле. Це не означає, що елементарна частинка не має внутрішньої будови. Річ у тім, що на сьогодні даний розділ науки не в змозі вивчити будову елементарної частинки. Індивідуальність елементарної частинки зумовлюється тим, що енергія взаємодії її з іншими матеріальними об'єктами значно менша від її власної релятивістської енергії.

Першою елементарною частинкою, яку відкрив Дж.Дж.Томсон у 1897 p., був електрон. У 1919 p. E.Резерфорд виявив частинку, яка входить до складу ядер атомів - протон. У 1932 р. Д.Чедвік відкрив другу складову частинку ядра - нейтрон. У 1905 р. А.Ейнштейн увів у науковий обіг поняття про складову частинку світла - фотон. У 1956 р. вже було відомо 30 елементарних частинок; тепер їх налічується понад 350.

Елементарні частинки виступають у двох видах - частинок і античастинок: одні з них відрізняються знаком електричного заряду, наприклад, електрон і позитрон; інші, електрично-нейтральні, відрізняються протилежною орієнтацією механічних і магнітних моментів, наприклад, нейтрон і антинейтрон. Є й такі частинки, які тотожні своїм античастинкам, наприклад, фотони, °-мезони, - і - мезони; такі частинки називають справжньонейтральними.

Характерною властивістю частинок і античастинок є їх здатність утворюватися й анігілюватися парами. Анігіляція пари частинок зводиться до перетворення їх в інші частинки або кванти поля з виділенням відповідної енергії. Наприклад, позитрон і електрон, стикаючись, перетворюються в два або більше фотонів за схемою:

;

при взаємодії - фотона з важкими ядрами атомів може народжуватися пара таких самих частинок:

.

Зауважимо, що виняток становлять раніше згадані справжньонейтральні частинки, які не здатні до анігіляції.

В усіх перетвореннях елементарних частинок виконуються закони збереження маси й енергії, імпульсу, моменту імпульсу, електричного заряду тощо.

У найближчому навколишньому світі існує переважаюча концентрація звичних для нас стабільних частинок - електронів, протонів і нейтронів. У вакуумі можуть бути стабільними також античастинки - позитрони, антипротони і антинейтрони. Тому поділ на частинки і античастинки умовний. Сучасна наука допускає можливість існування в галактичних системах антиречовини, що складається з антиатомів; останні є утворенням з антипротонів, антинейтронів і позитронів.

Основними характеристиками всіх елементарних частинок є маса т, час життя , спін s, електричний заряд q.

Усі елементарні частинки мають дуже малі маси і розміри. У більшості з них маса близька до маси протона, в інших - вона значно менша.

Розміри протона, нейтрона, - мезона і подібних до них частинок близько м, електронів і мюонів - ще менші.

За часом життя елементарні частинки поділяються на стабільні, квазістабільні і нестабільні (резонанси). До стабільних належать електрон (), протон (), фотон і нейтрино; квазістабільними називають частинки, які розпадаються в результаті електромагнітних і слабких взаємодій, їхній час життя ; частинки, які називають резонансами, розпадаються в результаті сильних взаємодій, їхній час життя .

Спіни елементарних частинок визначають цілим або півцілим кратним сталої Планка h. Спіни - і К- мезонів дорівнюють нулю; спіни електрона, протона і нейтрона , фотона .

Електричні заряди елементарних частинок - цілі, кратні елементарному заряду ; вони можуть дорівнювати де n - натуральне число.

Елементарним частинкам притаманні корпускулярно-хвильові властивості, їхня поведінка описується квантовою механікою; вони додатково наділяються рядом квантових величин, які регламентують процеси їх перетворень і взаємодій. Наприклад, запроектований на основі згаданих вище законів збереження процес перетворення протона:

,

якби він був можливим, привів би до анігіляції атомів речовини. Баріонний заряд ? квантове число, що характеризує збереження числа баріонів (спільна назва нуклонів та гіперонів). Якщо прийняти, що баріонний заряд усіх баріонів дорівнює , то для антибаріонів він становить , а для решти елементарних частинок дорівнює . Тобто закон збереження баріонного заряду можна сформулювати так: баріонний заряд будь-якої ізольованої системи є сталою величиною. Звідси слідує, наприклад, процес (3.2), протон не може перетворитися в позитрон і фотон, хоча таке перетворення не суперечить ні законові збереження електричного заряду, ні закону збереження імпульсу, ні іншим відомим законам збереження, але порушує закон збереження баріонного заряду; останній закон зумовлює стабільність найлегшого з баріонів - протона.

Аналогічно для регламентування процесів за участю електронів і споріднених частинок (лептонів і антилептонів) вводиться лептонний заряд. Лептонний заряд характерний для частинок лептонної групи (позитивний та негативний мюони, електрон і позитрон, нейтрино та антинейтрино); для інших частинок лептонний заряд . За цих умов у всіх процесах необхідно керуватися законом збереження лептонного заряду: алгебраїчна сума лептонних зарядів частинок до перетворення дорівнює алгебраїчній сумі лептонних зарядів частинок, що виникли в результаті перетворення. За цим законом, наприклад, легко визначити, що в розпад (3.3) має бути введене антинейтрино:

.

Серед різних елементарних частинок, які беруть участь у сильних взаємодіях - їх умовились називати адронами, можна виділити групи таких «подібних» частинок, що мають приблизно рівні маси і однакові квантові характеристики, але різняться електричними зарядами.

Одну з таких груп утворюють нуклони (протон з нейтроном), другу - піони (), третю - сігма-гіперони () і ін. Поряд з цим зарядова незалежність у сильних взаємодіях дає підставу зробити висновок, що в кожній із згаданих зарядових груп ідеться про одну й ту саму частинку, але в різних її станах.

Зарядові групи частинок наділяють певними числами так званого ізотопічного спіну, а розрізняють між собою в групах проекціями ізотопічного спіну І на певний напрям z в уявному просторі спінів; зокрема, для протона , для нейтрона тощо. Ці відмінності між частинками пояснюються впливами додаткових взаємодій, наприклад, електромагнітної природи.

У таблиці 3.1 подано найбільш вивчені елементарні частинки і їх квантові числа

Таблиця 3.1

Назва частинки та античастинки	Символ	Маса спокою	Спін ћ	Електричний заряд	Лептонний заряд	Баріонний заряд	Час життя (середній) у секундах
фотон	г	0	1	0	0	0	стабільний
Лептони
Нейтрино:
електронні		0		0			стабільний
мюонні		0		0			стабільний
електрони:
електрон		1		-1	+1	0	стабільний
позитрон		1		+1	-1	0	стабільний
мюони:
-мезон		207		+1	+1	0
-мезон		207		-1	-1	0
Мезони
піони:
-мезон		273	0	+1	0	0
-мезон		273	0	-1	0	0
-мезон		264	0	0	0	0
каони:
-мезон		966	0	+1	0	0
-мезон			0	-1	0	0
-мезон		975	0	0	0	0
анти--мезон			0	0	0	0
Баріони
нуклони:
протон		1836		+1	0	+1	стабільний
антипротон				-1	0	-1
нейтрон		1839		0	0	+1	1000
антинейтрон				0	0	-1	-активний
гіперони:
лямбда		2182		0	0	0	0	+1	-1
сігма-плюс		2331		+1	-1	0	0	+1	-1
сігма-мінус		2347		-1	+1	0	0	+1	-1
сігма-нуль		2337		0	0	0	0	+1	-1	<
ксі-нуль		2576		0	0	0	0	+1	-1
ксі-мінус		2590		-1	+1	0	0	+1	-1
омега-мінус		3284		-1	+1	0	0	+1	-1

10. Типи фундаментальних взаємодій

Відомо 4 типи фундаментальних взаємодій (таблиця 3.2):

Ш сильна (ядерна);

Ш електромагнітна;

Ш слабка;

Ш гравітаційна.

В квантовій теорії ці взаємодії відбуваються наступним чином: дві частинки взаємодіють через третю.

Інтенсивність тієї чи іншої взаємодії характеризують певним безрозмірним параметром , який інакше називають константою взаємодії. Щоб зрозуміти фізичну суть константи взаємодії, розглянемо приклад взаємодії двох електронів, виражену в системі одиниць, які використовують у квантовій електродинаміці. У ній одиницею маси є маса електрона те, одиницею довжини - комптонівська довжина хвилі електрона , одиницею енергії - енергія спокою електрона . Щоб визначити в цій системі константу взаємодії двох електронів на відстані один від одного, очевидно, треба вираз енергії в СІ поділити на , дістанемо:

; .

Безрозмірна константа характеризує інтенсивність взаємодії двох електронів, інакше кажучи, визначає інтенсивність зв'язку електрона з електромагнітним полем, через яке реалізується його взаємодія з іншим електроном.

З виразу (3.4) маса електрона не входить у рівняння, отже, константа взаємодії з електромагнітним полем зберігає зміст для будь-якої елементарної частинки, що має заряд е.

Константа входить у розрахунки розщеплення енергетичних рівнів атома водню, зумовлене спіном електрона; її називають сталою тонкої структури.

Порівняння констант взаємодій свідчить про відносну інтенсивність названих типів взаємодій частинок; охарактеризуємо кожну з них окремо.

Сильна взаємодія відбувається між ядерними частинками (нуклонами) з участю р- мезонів; виявляється між мезонами, нуклонами та гіперонами. Прикладом їх можуть бути вже розглянуті ядерні взаємодії нуклонів, що забезпечуються р- мезонами. Порівняльна константа взаємодії дорівнює 1; радіус їхньої дії має порядок розміру ядра - м; характерний час життя частинок, що розпадаються в результаті взаємодії ~ c.

У земному середовищі при помірних температурах сильні взаємодії особливих процесів не спричинюють, вони лише забезпечують стійкі зв'язки нуклонів у ядрах атомів. На один нуклон енергія зв'язку дорівнює ~ 8 МеВ. Однак при зіткненнях ядер і нуклонів високих енергій сильні взаємодії зумовлюють різноманітні ядерні реакції, серед них з практичного погляду особливої уваги заслуговують реакції термоядерного синтезу - об'єднання чотирьох нуклонів в ядро гелію.

При зіткненнях нуклонів з енергіями в кілька сотень МеВ сильні взаємодії зумовлюють народження р- мезонів, а при ще більших енергіях - утворення масивніших частинок - мезонних і баріонних резонансів.

Електромагнітні взаємодії - забезпечують зв'язки між зарядженими частинками; вони реалізуються за допомогою електромагнітного поля. Теорією електромагнітної взаємодії є квантова електродинаміка, згідно з якою, заряджені частинки взаємодіють за допомогою віртуальних фотонів, якими обмінюються частинки; величина імпульсу фотона . Константа, що визначає інтенсивність електромагнітної взаємодії, ; радіус взаємодії (необмежений); характерний для неї час проходження с (оцінюється за співвідношенням невизначеностей Гейзенберга; , де - енергія фотона обміну). Електромагнітні взаємодії забезпечують зв'язки позитивно заряджених ядер з негативно зарядженими електронами в атомах і молекулах речовини; вони зумовлюють сили пружних деформацій, сили тертя і багато інших процесів.

Слабкі взаємодії відповідальні за - розпад ядер, розпад багатьох елементарних частинок, за всі процеси взаємодії нейтрино з речовиною. Переносниками слабкої взаємодії є проміжні векторні бозони , що не існують у вільному стані і виникають лише при взаємодії.

Порівняльна константа слабких взаємодій дорівнює ; радіус дії надто малий - м, тобто значно менший від радіуса сильних взаємодій. Остання властивість слабких взаємодій зумовлює надзвичайну проникну здатність нейтрино, а тому і значний характерний час процесу, спричиненого слабкою взаємодією близько с; у світі елементарних частинок ці процеси належать до дуже повільних.

Поряд з порівняльними характеристиками слабких взаємодій з іншими взаємодіями треба зауважити дуже важливу роль їх в природі. Без них був би неможливий процес перетворення

,

в результаті якого чотири протони об'єднуються в ядро атома гелію.

У квантовій фізиці цей тип взаємодії відбувається саме таким чином: при розпаді нейтрона випромінюється векторний бозон, що, в свою чергу, розпадається на електрон та антинейтрино:

Цей процес служить джерелом енергії Сонця і більшості зір.

Гравітаційні взаємодії з усіх інших типів фундаментальних взаємодій найслабші. Порівняльну константу цієї взаємодії знаходять за виразом:

,

де G - гравітаційна стала; М - маса нуклона, за підрахунками . Гравітаційні взаємодії із збільшенням відстані повільно зменшуються, тому радіус їх дії необмежений. Час реалізації взаємодії ~ 108 років. Чим слабші взаємодії, тим довший час потрібний для здійснення зумовленої ними реакції. У фізиці мікрочастинок гравітаційними силами нехтують, хоч цієї взаємодії зазнають усі частинки.

Особливість гравітаційних сил у тому, що вони є тільки силами притягання, від яких не можна екрануватися. З цих причин гравітаційні взаємодії стають домінуючими у світі астрономічних макротіл.

За сучасними поглядами, гравітаційні взаємодії реалізуються за допомогою гравітаційного поля, зокрема, обміном гравітонами -квантами поля. Останніх, очевидно, через малі імпульси ще експериментально не виявлено.

У таблиці 3.2 подано характеристики різних типів взаємодій між елементарними частинками

Таблиця 3.2

Тип взаємодії	Відносна величина взаємодії	Характерний час взаємодії
сильна	1	10-23с
електромагнітна	1/137	с
слабка	10-14	с
гравітаційна

Треба зазначити, що на сьогоднішній день слабка і електромагнітна взаємодії об'єднанні в одну і мають назву електрослабкої взаємодії.

Класифікація елементарних частинок

Елементарні частинки за масою поділяють на чотири класи: фотони, лептони, мезони, баріони (таблиця 3.1). Наведемо їх короткі характеристики.

Фотони. Частинки цього класу є квантами електромагнітного поля. При поширенні проявляють хвильові властивості, а при взаємодії з речовиною - корпускулярні. Маса спокою фотона дорівнює нулю, спін - одиниці. Фотони підлягають статистиці Бозе-Ейнштейна (бозони). Це істинно нейтральні частинки, оскільки збігаються зі своїми античастинками. Фотон достатньої енергії при взаємодії з важким ядром атома може перетворюватися в пару частинок електрон-позитрон; можливий і зворотний процес перетворення.

Лептони. Легкі частинки, до яких входять електрони, позитрони, мюони, нейтрино і антинейтрино електронного та мюонного походження. Лептони утворюються завжди парами, наприклад, пара електрон і позитрон утворюється при анігіляції гамма-фотона; при розпаді - мезона одержимо пару - мезон і - мезонне нейтрино. Перетворення частинок підлягає закону збереження лептонного заряду.

Лептонам притаманний напівцілий спін s = 1/2, тому на них поширюється принцип Паулі; вони підлягають квантовій статистиці Фермі - Дірака (ферміони). Усі лептони беруть участь у слабких взаємодіях, а заряджені лептони і в електромагнітних взаємодіях.

3. Мезони - нестабільні елементарні частинки з масою, більшою від маси електрона і меншою від маси протона. Бувають мезони нейтральні і ті, які мають заряд. Частинки цього класу - мезони і К- мезони є квантами поля ядерних сил. Вони забезпечують сильну взаємодію між нуклонами в атомних ядрах. Мезони не мають спіну, для них s = 0, тому вони не підлягають принципу Паулі: в будь-якому стані може перебувати довільне число мезонів. Мезони підлягають квантовій статистиці Бозе - Ейнштейна (бозони).

4. Баріони. До цього класу частинок входять нуклони і група масивніших частинок - гіперони. Усі баріони проявляють сильні взаємодії і відповідно активно взаємодіють з атомними ядрами. За винятком протона, усі баріони нестабільні. При розпаді баріону, крім інших частинок, обов'язково утворюється новий баріон. Остання особливість розпаду є наслідком закону збереження баріонного заряду.

Спін усіх баріонів напівцілий (s = 1/2), тому вони підлягають принципу Паулі й квантовій статистиці Фермі - Дірака (ферміони).

...