Свойства некоторых элементарных частиц

Частица	Обозна-чение	Масса покоя, а.е.м.	Электрич. заряд, е	Спин	Лептон-ный заряд, L	Барион-ный заряд, В
Фотон	γ
Электрон Позитрон	е – е +	5, 486·10–4	+1 –1	1/2	+1 –1
Нейтрино Антинейтрино	n	< 2·10–8		1/2	+1 –1
Протон Антипротон	p	1, 00727	+1 –1	1/2		+1 –1
Нейтрон Антинейтрон	n ñ	1, 00866		1/2		+1 –1

Масса. В ядерной физике масса ядер и атомов измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.). За одну атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы атома улерода-1. Чтобы вычислить значение 1 а.е.м. в граммах, необходимо произвести простейшие расчеты:

1 а.е.м. = = 1, 660∙ 10^–24 г = 1, 660∙ 10^–27 кг,

где N _A= 6, 022 · 10²³ – число Авогадро в физической шкале.

Электрон считается материальным носителем наименьшей массы в природе: m_e = 9, 1∙ 10^–28 г (в энергетических единицах»0, 511 МэВ).

Связь энергии частицы Е с массой m и импульсом (p = mV):

, (1.1)

где m ₀– масса покоя; T – кинетическая энергия; с = 2, 998∙ 10⁸ м/с – скорость света.

Если m ₀ = 0 (например, фотоны), то

. (1.2)

В других случаях, преобразуя (1), получим:

. (1.3)

Энергия. В ядерной физике в качестве единицы энергии используется электронвольт (эВ). Один электронвольт соответствует энергии, приобретаемой или теряемой частицей с единичным электрическим зарядом (1, 6∙ 10^–19 Кл – электрон, протон) при прохождении ею разности потенциалов в 1 В.:

1эВ = 1, 6 × 10^–12эрг = 1, 6 × 10^–19Дж,

1 а.е.м. = 1, 660 · 10^-27 · (3 · 10⁸)² = 1, 49 · 10^–10 Дж = 931, 5МэВ.

Электрический заряд. Элементарный заряд 1 е = 1, 6·10^–19 Кл.

Электрический заряд элементарных частиц меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен элементарному заряду – заряду электрона (–1). Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.

Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В) заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундаментальных взаимодействий. Для лептонных нейтрино и их античастиц L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих античастиц В = –1.

Магнитный момент характеризует взаимодействие частицы с магнитным полем. Для электрона:

= 1 M_B = 9, 27× 10^–28 Дж/Гс (магнетон Бора).

Магнитный момент нуклонов и ядер измеряется в ядерных магнетонах Бора:

1 µB = = 5, 05 × 10^-31 Дж/Гс,

где m_р – масса протона.

Магнитный момент протона µ_р = +2, 793 µB, а нейтрона µ _n = = –1, 913 µB. Это свидетельствует о внутреннем строении протона и нейтрона, которые по сути не являются элементарными частицами. Однако для описания явления радиоактивности не требуется привлекать сведения о внутреннем строении протонов и нейтронов.

Нейтрон (а также антинейтрон) распадается по схеме:

n → p + e ^- + .(1.4)

Остальные частицы, представленные в табл. 1.1, стабильны.

силовые взаимодействия. При взаимодействии элементарных частиц внутри ядер и ядер между собой наблюдаются четыре вида силовых взаимодействий:

1. Сильное взаимодействие – наиболее интенсивное взаимодействие в природе. Определяет взаимодействие нуклонов в ядре. Квантами сильного взаимодействия являются π -мезоны. Время взаимодействия (испускание и поглощение π - мезона) порядка 10^{‑ 23} с, расстояние порядка 10^–13 см.

Электромагнитное взаимодействие в 10²–10³ раз слабее сильного. Участвуют все частицы, кроме нейтрино и антинейтрино. Кванты взаи­модействия – фотоны. Время взаимодействия порядка 10^{‑ 20} с.

3. Слабое взаимодействие примерно в 10¹³ раз слабее сильного. Отвечает за β -распад. Время взаимодействия порядка 10^-10 с. Кванты взаимодействия – электроны (позитроны) и антинейтрино (нейтрино).

4. Гравитационное взаимодействие иногда называют сверхслабым. Квант взаимодействия – гравитон (пока не открыт).

При силовых взаимодействиях выполняются законы сохранения энергии (массы), импульса, электрического заряда, лептонного за­ряда, барионного заряда и некоторые другие.

Из закона сохранения барионного заряда следует, что количество нуклонов (протонов и нейтронов) при ядерных взаимодействиях остается постоянным, т.е. запрещаются процессы типа:

n → 2γ, (1.5)

S В = +1 ≠ 0.

Закон сохранения лептонного заряда запрещает процессы с изменением числа лептонов (электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино) типа:

p + e^- → n + γ, (1.6)

S l = +1 ≠ 0.

Оба закона запрещают процессы типа

p + e^- = H → 2γ. (1.6a)

Законы сохранения не запрещает процессы типа

e^- + e⁺ → 2γ (3γ), (1.7)

S l = + 1 + (–1) =0.

n + ñ → 2γ, (1.8)

S В = +1 + (–1) = 0.

Эти процессы получили название аннигиляция. При аннигиляции электрона и позитрона выделяется энергия:

E = 2 ·m_e · c ² = 2 · 5, 486 · 10^-4 · 931, 5 = 1, 022 МэВ.(1.9)

При торможении позитрона происходит захват электрона и образование позитрония. Парапозитроний (спины антипараллельны), распадается на 2 фотона с энергией 0, 511 МэВ каждый, τ = = 1, 25× 10^{‑ 10} с. Ортопозитроний (спины параллельны) – 3 фотона, τ = = 1, 4× 10^–7 с. Испускание 1 фотона невозможно, так как p_γ = E_γ /c ≠ 0.