Строение атомного ядра

Строение атомного ядра.

Атом является сложной системой, в состав которой входят определенные частицы. Английский физик Э. Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома. Основные положения ядерной модели атома.
1. Ядро имеет очень маленький размер (диаметр атома 10^-10 м, диаметр ядра ~10^-15 м).
2. Ядро имеет положительный заряд.
3. Почти вся масса атома находится в ядре.
Ядро состоит из нуклонов: протонов и нейтронов.

Частица	Обозначение	Абсолютная масса, кг	Заряд,Кл
Протон	¹₁p	1,6726 x 10^-27	+1,602 х 10^-19
Нейтрон	¹₀n	1,6750 x 10^-27	0

Г. Мозли (Англия) установил, что положительный заряд ядра атома (в условных единицах) равен порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Каждый протон имеет заряд +1, поэтому заряд ядра равен числу протонов.
Масса протона, как и масса нейтрона, приблизительно в 1840 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны находятся в ядре, поэтому масса атома почти равна массе ядра. Масса ядра, как и масса атома, определяется суммой числа протонов и числа нейтронов. Эта сумма называется массовым числом атома. Массовое число атома (A) = Число протонов (Z) + Число нейтронов (N) A=Z+N
Протоны и нейтроны, входящие в состав любого ядра, не являются неделимыми элементарными частицами, а состоят из кварков.

Кварки, в свою очередь, взаимодействуют друг с другом, непрерывно обмениваясь глюонами - переносчиками истинно сильного взаимодействия (оно в тысячи раз сильнее того, которое действует между протонами и нейтронами в ядре). В результате протоны и нейтроны оказываются очень сильно связанными системами, которые невозможно разбить на составные части.

Атомы одного элемента, которые имеют разные массовые числа, называются изотопами. Атомы изотопов одного элемента имеют одинаковое число протонов (Z) и отличаются друг от друга числом нейтронов (N). Изотопы обозначаются символами соответствующих элементов, слева от которых вверху записывают массовое число изотопа. Например:¹²С— изотоп углерода с массовым числом 12.

Размеры атомного ядра зависят от их массового числа. Объем ядра пропорционален А, а его линейный размер пропорционален А^1/3. Эффективный радиус R ядра определяется равенством: R = аА^1/3, где постоянная а составляет величину (1,1-1,4) х 10^-13 см в зависимости от того, в каком физическом эксперименте измеряется R. Это равенство показывает, что R меняется от 10^-13 до 10^-12 см. Плотность ядерного вещества чрезвычайно велика по сравнению с плотностью обычных веществ и составляет около 10¹⁴ г/см³. Плотность распределения нуклонов в ядре почти постоянна в центральной его части и экспоненциально убывает на периферии. Нуклоны в ядре подвижны. В ядре существуют силы поверхностного натяжения.
ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

Между одинаково заряженными протонами действуют электростатические силы отталкивания, однако ядро не "разлетается" на отдельные частицы, так как между протонами и нейтронами внутри ядра действуют ядерные силы - силы притяжения, намного превосходящие электростатические. Ядерные силы по величине в 100 раз превосходят электростатические и называются сильным взаимодействием (это обменное взаимодействие).

Ядерные силы проявляются лишь на расстояниях внутри ядра, поэтому считаются короткодействующими, в то время как электростатические силы - дальнодействующими.

Ядерные силы - это силы притяжения, так как они удерживают нуклоны внутри ядра (при очень сильном сближении нуклонов ядерные силы между ними имеют характер отталкивания).

Свойства ядерных сил:

Ядерные силы – это не электрические силы, так как они действуют не только между протонами, но и между не имеющими зарядов нейтронами, и не гравитационные, которые слишком малы для объяснения ядерных эффектов.
Область действия ядерных сил, ничтожно мала. Радиус их действия 10^-13см. При больших расстояниях между частицами ядерное взаимодействие не проявляется.
Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень интенсивные. Их интенсивность значительно больше интенсивности электромагнитных сил, так как ядерные силы удерживают внутри ядра, одноимённо заряженные протоны, отталкивающиеся друг от друга с огромными электрическими силами.
Изучение степени связанности нуклонов в разных ядрах показывают, что ядерные силы обладают свойством насыщения, аналогичным валентности химических сил. В соответствии с этим свойством ядерных сил один и тот же нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра. А только с несколькими соседними.
Важнейшим свойством ядерных сил является их зарядовая независимость, то есть тождественность трёх типов ядерного взаимодействия: между двумя протонами, между протоном и нейтроном и между двумя нейтронами.
Ядерные силы нецентральные.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР И ДЕФЕКТ МАСС

Ядра атомов представляют собой сильно связанные системы из большого числа нуклонов.

Для полного расщепления ядра на составные части и удаление их на большие расстояния друг от друга необходимо затратить определенную работу А.

Энергией связи называют энергию, равную работе, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на свободные нуклоны.

Е связи = - А

По закону сохранения энергия связи одновременно равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных свободных нуклонов. Удельная энергия связи - это энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

Если не считать самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Максимальную удельную энергию связи (8,6МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

По мере перегрузки ядер нейтронами удельная энергия связи убывает.
Для элементов в конце таблицы Менделеева она равна 7,6 МэВ/нуклон (например для урана).

Выделение энергии в результате расщепления или синтеза ядра

Для того, чтобы расщепить ядро надо затратить определенную энергию для преодоления ядерных сил.
Для того, чтобы синтезировать ядро из отдельных частиц надо преодолеть кулоновские силы отталкивания (для этого надо затратить энергию, чтобы разогнать эти частицы до больших скоростей).
То есть, чтобы провести расщепление ядра или синтез ядра надо затратить какую-то энергию.

При синтезе ядра на малых расстояниях на нуклоны начинают действовать ядерные силы, которые побуждают их двигаться с ускорением.

Ускоренные нуклоны излучают гамма кванты, которые и обладают энергией, равной энергии связи.

На выходе реакции расщепления ядра или синтеза энергия выделяется.

Есть смысл проводить расщепление ядра или синтез ядра, если получаемая, т.е. выделенная энергия в результате расщепления или синтеза, будет больше, чем затраченная.
Согласно графику, выигрыш в энергии можно получить или при делении (расщеплении) тяжелых ядер, или при слиянии легких ядер, что и делается на практике.
Измерения масс ядер показывают, что масса ядра (Мя) всегда меньше суммы масс покоя слагающих его свободных нейтронов и протонов.

При делении ядра: масса ядра всегда меньше суммы масс покоя образовавшихся свободных частиц.

При синтезе ядра: масса образовавшегося ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных частиц, его образовавших.

Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра.

Дефект масс равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:

где Мя – масса ядра ( из справочника)
Z – число протонов в ядре
m _p – масса покоя свободного протона N – число нейтронов в ядре
m_n– масса покоя свободного нейтрона
Уменьшение массы при образовании ядра означает, что при этом уменьшается энергия системы нуклонов. Энергия взаимодействия нуклонов велика; она называется внутриядерной, или ядерной.

ЯДЕРНЫЕ ЕАКЦИИ

Я́дерная реа́кция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма квантами и друг с другом, часто приводящий к выделению колоссальной энергии. Спонтанные (происходящие без воздействия налетающих частиц) процессы в ядрах — например , радиоактивный распад — обычно не относят к ядерным реакциям. Для осуществления реакции между двумя или несколькими частицами необходимо, чтобы взаимодействующие частицы (ядра) сблизились на расстояние порядка 10⁻¹³ см, то есть характерного радиуса действия ядерных сил. Ядерные реакции могут происходить как с выделением, так и с поглощением энергии. Реакции первого типа, экзотермические, служат основой ядерной энергетики и являются источником энергии звёзд. Реакции, идущие с поглощением энергии (эндотермические), могут происходить только при условии, что кинетическая энергия сталкивающихся частиц (в системе центра масс) выше определённой величины (порога реакции).

При столкновении налетающей частицы с атомным ядром между ними происходит обмен энергией и импульсом, в результате чего могут образовываться несколько частиц, вылетающих в различных направлениях из области взаимодействия. Подобные процессы называют ядерными реакциями.

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.

Радиоактивность – самопроизвольные превращения атомных ядер, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или более лёгких ядер. Ядра, подверженные таким превращениям, называют радиоактивными, а процесс превращения – радиоактивным распадом.

Радиоактивный распад возможен только тогда, когда он энергетически выгоден, т.е. сопровождается выделением энергии. Условием этого является превышение массы М исходного ядра суммы масс m_i продуктов распада, т.е. неравенство:

Из около 3000 известных ядер (большинство из них получено искусственно) лишь 264 не являются радиоактивными.

Радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями. На рис 1. изображена схема эксперимента, позволяющая обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. В магнитном поле α- и β-лучи испытывают отклонения в противоположные стороны, причем β-лучи отклоняются значительно больше. γ-лучи в магнитном поле вообще не отклоняются.

Рисунок 1.

Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка, – магнитное поле

Во втором десятилетии XX века, после открытия Э. Резерфордом ядерного строения атомов было твердо установлено, что радиоактивность – это свойство атомных ядер. Исследования показали, что α-лучи представляют поток α-частиц – ядер гелия , β-лучи – это поток электронов, γ-лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны λ < 10^–12 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – γ-квантов.

Основными видами радиоактивного распада являются альфа-распад (испускание ядрами альфа-частиц), бета-распад (испускание (или поглощение) электрона, а также антинейтрино, или испускание позитрона и нейтрино), гамма-распад (испускание гамма-квантов) и спонтанное деление (распад ядра на два осколка сравнимой массы).

Альфа-распад. Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое ядро, содержащее число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2. При этом испускается α-частица – ядро атома гелия.

Общая схема: _zХ^A = ₂He⁴ + _z_-2Y ^A^-4.

Примером такого процесса может служить α-распад радия:

α-излучение обладает наименьшей проникающей способностью. В воздухе при нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров.

Радиоактивное вещество может испускать α-частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Это объясняется тем, что ядра могут находиться в разных возбужденных состояниях. α-распад ядер во многих случаях сопровождается γ-излучением.

Бета-распад. При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Внутри ядер электроны существовать не могут, они возникают при β-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободными нейтронами.

β-электроны могут иметь различные скорости в широком интервале значений.

При β-распаде зарядовое число Z увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным.

_zХ^A = _-1e⁰ + _z₊₁Y ^A.

Типичным примером β-распада может служить превращение изотопа тория возникающего при α-распаде урана в палладий

β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров.

Наряду с электронным β-распадом обнаружен так называемый позитронный β⁺-распад, при котором из ядра вылетают позитрон и нейтрино .

Позитрон – это частица-двойник электрона, отличающаяся от него только знаком заряда. Позитроны возникают в результате реакции превращения протона в нейтрон по следующей схеме:

Гамма-распад. В отличие от α- и β- радиоактивности, γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Обладают наибольшей проникающей способностью γ-лучи, способные проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.

Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

Закон радиоактивного распада.

В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N (t) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада

Экспоненциальному закон радиоактивного распада, показывающий как со временем t изменяется (в среднем) число N радиоактивных ядер в образце

,

где N₀– число исходных ядер в начальный момент (момент их образования или начала наблюдения), а – постоянная распада (вероятность распада радиоактивного ядра в единицу времени).

Через эту постоянную можно выразить среднее время жизни радиоактивного ядра = 1/,

Для практического использования закон радиоактивного распада удобно записать в другом виде, используя в качестве основания число 2, а не e:

N (t) = N₀ · 2^–^t^/^T.

Величина T называется периодом полураспада. За время T распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер. Величины T и τ связаны соотношением

Период полураспада наглядно характеризует скорость распада, показывая за какое время число радиоактивных ядер в образце уменьшится вдвое.

Рис. 3 иллюстрирует закон радиоактивного распада.

Рисунок 3.

Закон радиоактивного распада

При α- и β-радиоактивном распаде дочернее ядро также может оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием стабильных ядер.

На характеристики радиоактивного распада, в частности его скорость (период полураспада), оказывают существенное влияние силы (взаимодействия), вызывающие распад. Альфа-распад изначально вызывается сильным взаимодействием, но его скорость определяется кулоновским барьером (электромагнитным взаимодействием). Бета-распад вызывается слабым взаимодействием, а гамма-распад – электромагнитным.

Применение.

Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно превращается в азот с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода в останках древних организмов можно определить время их гибели.

Дополнительное чтение.

Явление радиоактивности открыто в 1896 г. А. Беккерелем. В 1899 г. Э. Резерфорд открыл, что уран излучает положительно заряженные частицы (-частицы) и отрицательно заряженные частицы (электроны). В 1900 г. П. Виллард открыл нейтральные частицы (-кванты) при изучении распада урана. Спонтанное деление ядер открыто в 1940 г. К.А. Петржаком и Г.Н. Флёровым.

В процессе β-распада наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, так как суммарная энергия протона и электрона, возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году В. Паули высказал предположение, что при распаде нейтрона выделяется еще одна частица с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии. Новая частица получила название нейтрино (маленький нейтрон). Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо взаимодействует с атомами вещества, поэтому ее чрезвычайно трудно обнаружить в эксперименте. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути. Эта частица была обнаружена лишь в 1953 г. В настоящее время известно, что существует несколько разновидностей нейтрино. В процессе распада нейтрона возникает частица, которая называется электронным антинейтрино. Она обозначается символом . Поэтому реакция распада нейтрона записывается в виде:

Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г. Через несколько лет позитрон был обнаружен в составе космических лучей.

Отдельно можно выделить реакции на γ-фотонах (ядерный фотоэффект)

Для дополнительного чтения

Ядерные реакции обозначают следующим образом

a₁+ a₂ b₁ + b₂ + ...,

где a₁и a₂ - частицы, вступающие в реакцию, а b₁, b₂ ... - частицы, образующиеся в результате реакции.

Реакция обычно может идти несколькими различными путями, в результате ядерных реакций в конечном состоянии могут образовываться различные частицы

Начальный этап реакции называется входным каналом. Различные возможные пути протекания реакции на втором этапе называют выходными каналами.

Если в конечном состоянии образуются две частицы

a+ A b + B,

обычно используют обозначение

A(a,b)B.

где а - налетающая частица, А - ядро мишень, b - легкая частица, образующаяся в конечном состоянии, В - конечное ядро.
В зависимости от энергии налетающей частицы Е_а при взаимодействии налетающей частицы с ядром А в конечном состоянии могут образовываться различные частицы. Так при взаимодействии протона с ядром ¹⁴N возможны реакции

p + ¹⁴N ¹⁴N + p	(а)
p + ¹⁴N ¹⁴N* + p	(б)
p + ¹⁴N ¹⁵O +	(в)
p + ¹⁴N ¹⁴O + n	(г)
p + ¹⁴N ¹³N + p + n	(д)
p + ¹⁴N 8p + 7n	(е)

В приведенном примере взаимодействия протона с ядром ¹⁴N наблюдаются следующие выходные каналы реакции.
Упругое рассеяние - ядерная реакция при которой тип частиц и их квантовые состояния не меняются в результате взаимодействия (а).
В реакции (б) в конечном состоянии образуются те же частицы, что и в начальном состоянии, однако ядро ¹⁴N образуется в возбужденном состоянии. Такой процесс называется процессом неупругого рассеяния.
В реакциях (в-е) образуются частицы, которых не было в начальном состоянии.
Реакции типа (в), когда в конечном состоянии образуется

-квант, называются реакциями радиационного захвата.
В конечном состоянии могут образовываться как стабильные так и радиоактивные ядра. Так например ядра ^14,15О являются

⁺-радиоактивными.
В реакции (д) в конечном состоянии образуются три частицы.
При достаточно больших энергиях налетающей частицы возможен полный развал ядра на составляющие его отдельные нуклоны (е).
Мы привели классификацию ядерных реакций по типу частиц, образующихся в выходном канале. Ядерные реакции также классифицируются по типу частиц во входном канале. Так различают реакции под действием легких заряженных частиц p, d, ³He, ³H(t), ⁴He(

), например

p + ¹⁶O ¹⁶F + n

+ ¹⁴N

¹⁸F +

Реакции под действием -квантов и электронов называют фотоядерными и электроядерными.

+ ¹⁴N

¹³N + n
e^-+ ¹⁴N

¹³C + p + e^-

B качестве налетающих частиц могут использоваться ускоренные ионы.

¹⁶O + ¹⁴N

¹³C + ¹⁷F

Если в качестве налетающих частиц используются заряженные частицы, они должны иметь достаточную кинетическую энергию, для того чтобы преодолеть кулоновское отталкивание ядра и попасть в область действия ядерных сил. (Если энергия заряженной частицы меньше высоты кулоновского барьера, вероятность ядерной реакции будет сильно подавлена.) Пучки частиц необходимых энергий легко получаются на современных ускорителях. Если энергия частицы недостаточна для преодоления кулоновского барьера, то она будет испытывать упругое рассеяние в кулоновском поле ядра, описываемое формулой Резерфорда. Для исследования характеристик атомных ядер в области малых энергий используют нейтроны, которым не нужно преодолевать кулоновский барьер. Источниками интенсивных потоков нейтронов являются ядерные реакторы.

Деление ядер урана.

Цепная ядерная реакция.

Деление ядер урана

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра — осколков деления.

Атом урана, поглотив нейтрон, возбуждается, деформируется (ядро вытягивается, ядерные силы ослабевают при увеличении расстояний между нуклонами) и разрывается на две части с излучением при этом 2-3 нейтронов.

Поглощая нейтрон, ядро урана получает необходимую энергию для преодоления ядерных сил притяжения между нуклонами, при этом внутренняя энергия ядра увеличивается. При распаде ядра часть внутренней энергии переходит в кинетическую энергию осколков, а затем за счет торможения их во внутреннюю энергию окружающей среды.

В результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть различные изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д. При делении ядер тяжелых атомов

выделяется очень большая энергия — около 200 МэВ при делении каждого ядра. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов. Реакция деления ядер урана идет с преобладающим выделением энергии в окружающую среду.

В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении

. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

Цепная ядерная реакция

Цепная реакция — ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

При делении ядра

, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс и называется цепной реакцией.

ран встречается в природе в виде двух изотопов:

(99,3 %) и

(0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления

наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах с кинетической энергией в интервале 0,5 эв — 1 Мэв., в то время как ядра

вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией более 1 МэВ, иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер

оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:

Изотоп урана

β -радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния

тоже радиоактивен, его период полураспада около 2 дней.

.

Изотоп плутония

относительно стабилен, период полураспада 24000 лет(в результате α-распада образуется

). Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием нейтронов так же, как

. Поэтому с помощью

может быть осуществлена цепная реакция.

Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай, тогда как в реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов). Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана. Чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо рассмотреть еще одно понятие- коэффициент размножения нейтронов.

Развитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К, который измеряется отношением числа Ni нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу Ni-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

.

Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К. К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.

Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана

критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O(дейтерий и кислород). Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.

Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

Ядерный реактор. Термоядерный синтез.
Итак, перед тем как мы с вами поведем речь, о термоядерных и ядерных реакциях, я предлагаю вам немного проанализировать и

сравнить их.

Термоядерная реакция-реакция ядерного синтеза, в которой из более легких элементов(тяжелые изотопы водорода –дейтерий и тритий)образуются белее тяжелые-гелий.

Ядерной же реакцией называют реакцию цепного ядерного распада, в которой из более тяжелых элементов образуются более легкие.

На практике разница состоит еще в том, что реакция ядерного распада сравнительно легко управляется, что нельзя сказать о термоядерной реакции, поэтому кроме военного значения имеет и мирное- атомные электростанции.

Над получением же дешевого способа управления реакцией термоядерного синтеза ученые бьются до сих пор, и пока безрезультатно. Если же говорить про их сходства, то при обеих реакциях выделяется большое количество теплоты, но при термоядерном синтезе все таки больше.

Ядерный реактор

Ядерный реактор-это установка, содержащая ядерное топливо, в которой осуществляется управляемая цепная реакция деления.

Принцип действия атомного реактора

При распаде урана U²³⁵ происходит выделение тепла, сопровождаемое выбросом двух-трех нейтронов. По статистическим данным – 2,5. Эти нейтроны сталкиваются с другими атомами урана U²³⁵. При столкновении уран U²³⁵ превращается в нестабильный изотоп U²³⁶, который практически сразу же распадается на Kr⁹² и Ba¹⁴¹ + эти самые 2-3 нейтрона. Распад сопровождается выделением энергии в виде гамма излучения и тепла.

Это и называется цепная реакция. Атомы делятся, количество распадов увеличивается в геометрической прогрессии, что в конечном итоге приводит к молниеносному, по нашим меркам высвобождению огромного количества энергии – происходит атомный взрыв, как последствие неуправляемой цепной реакции.

Ядерные ректоры бывают на быстрых и медленных нейтронах:

Реактор на быстрых нейтронах — ядерный реактор, использующий для поддержания цепной ядерной реакции нейтроны с энергией > 10⁵ эВ. Реакторы существенно различаются по спектру нейтронов — распределению нейтронов по энергиям, а, следовательно, и по спектру поглощаемых (вызывающих деление ядер) нейтронов. Если активная зона не содержит легких ядер, специально предназначенных для замедления в результате упругого рассеяния, то практически всё замедление обусловлено неупругим рассеянием нейтронов на тяжелых и средних по массе ядрах. При этом большая часть делений вызывается нейтронами с энергиями порядка десятков и сотен кэВ. Такие реакторы называются реакторами на быстрых нейтронах.

Реактор на медленных (тепловых) нейтронах — ядерный ректор, использующий для поддержания цепной ядерной реакции нейтроны тепловой части спектра энергии — «теплового спектра» . Использование нейтронов теплового спектра выгодно потому, что сечение взаимодействия ядер урана-235 с нейтронами, участвующих в цепной реакции, растёт по мере снижения энергии нейтронов, а ядер урана-238 остаётся при низких энергиях постоянным. В результате, самоподдерживающаяся реакция при использовании природного урана, в котором делящегося изотопа ²³⁵U всего 0,7%, невозможна на быстрых нейтронах (спектра деления) и возможна на медленных (тепловых).

Простые соображения показывают, что деление урана на два осколка должно сопровождаться выделением огромной энергии. Поэтому при делении ядра урана на два осколка должна освобождаться энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон. Всего при делении ядра урана, содержащего более 200 нуклонов, должна выделяться энергия порядка 200 МэВ.

Основная часть энергии деления выделяется в форме кинетической энергии осколков деления и нейтронов. Часть энергии выделяется в виде гамма излучения.

Схема процессов в ядерном реакторе: (при использовании замедлителя реакции)

Основные элементы ядерного реактора:

1) ядерное горючее ( , , и др.);

2) замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, бериллий, оксид бериллия и др.);

3) теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.);

4) Устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора, стержни, содержащие кадмий или бор – вещества, которые хорошо поглощают нейтроны).

Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей γ-излучение и нейтроны. Оболочку выполняют из бетона с железным наполнителем.

Нейтронный захват — вид ядерной реакции, в которой ядро атома соединяется с нейтроном и образует более тяжёлое ядро:

(A, Z) + n → (A+1, Z) + γ.

Нейтрон может приблизиться к ядру даже при околонулевой кинетической энергии, так как является электрически нейтральным, в отличие от положительно заряженного протона, который может быть захвачен лишь при достаточно большой энергии, позволяющей преодолеть электростатическое отталкивание.

Реакторы на быстрых нейтронах:

Построены реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах.
Вероятность деления, вызванного быстрыми нейтронами мала такие реакторы не могут работать на естественном уране. Реакцию можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не менее 15% изотопа .

Преимущество:

при их работе образуется значительное количество плутония, который затем можно использовать в качестве ядерного топлива.
Эти реакторы называют реакторами - размножителями, так как они воспроизводят делящийся материал.

При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A.

Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10^–15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 10⁸–10⁹ К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой,5 состояние тела. В мире не существуют такие материалы, которые смогли бы удержать такие температуры.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития

выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.

Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.

Типы реакций:

1)Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

Самая легко осуществимая реакция — дейтерий + тритий:

²H + ³H = ⁴He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт).

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток — выход нежелательной нейтронной радиации.

Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона:

2)Реакция дейтерий + гелий-3

Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3

²H + ³He = ⁴He + p при энергетическом выходе 18,4 МэВ.

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях; или добыт на Луне.

Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTτ (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-³He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.

3)Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)

Также возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:

В дополнение к основной реакции в ДД-плазме также происходят:

Эти реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий + гелий-3, а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью немедленно реагируют с дейтерием.

Другие типы реакций

Возможны и некоторые другие типы реакций. Выбор топлива зависит от многих факторов — его доступности и дешевизны, энергетического выхода, лёгкости достижения требующихся для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и т. д.

Условия:

Управляемый термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:

Скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы:

T > 10⁸ K (для реакции D-T).

Соблюдение критерия Лоусона:

nτ > 10¹⁴ см⁻³·с (для реакции D-T),

где n — плотность высокотемпературной плазмы, τ — время удержания плазмы в системе.

От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Элементарная частица – мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); по этой причине их называют субъядерными.
Спин (от англ. spin — вертеться, вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы.(S)
Античастица — частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от неё знаками некоторых характеристик взаимодействия.

Классификация элементарных частиц

На современном уровне знаний элементарными считают 12 частиц и 12 античастиц, а также 12 переносчиков взаимодействий. Все элементарные частицы - фермионы (s=1/2ħ), а все переносчики взаимодействия – бозоны (s=1ħ).

В свободном состоянии наблюдается только 6 (из 12) элементарных частиц. Это - лептоны: электрон e- , мюон μ^- , таон τ^- , нейтрино электронное ν_e, нейтрино мюонное ν_μ, и нейтрино таонное ν_τ. Антинейтрино и положительно заряженные лептоны считаются античастицами. Лептоны - слабо взаимодействующие частицы.

Остальные 6 элементарных частиц - кварки - существуют только в связанном состоянии. Это относится и к 6 антикваркам. Кварки и антикварки - частицы, обладающие сильным взаимодействием.

Типы классификации:

По величине спина

бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны)
фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино)

По видам взаимодействий

Составные частицы

адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на

мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;
барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц вплоть до масштабов порядка 10⁻¹⁸ м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
- фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
- восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;
- три промежуточных векторных бозона W⁺, W⁻ и Z⁰, переносящие слабое взаимодействие;
- гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.

Позитрон. Аннигиляция.
Взаимные превращения элементарных частиц

Открытие позитрона, частицы по своим характеристикам похожей на электрон, но имеющей в отличие от электрона положительный единичный заряд, было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд. Позитрон был первой открытой частицей из целого класса частиц, которые получили название античастиц. До открытия позитрона казалась необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Почему существует тяжелый положительно заряженный протон, и нет тяжелой частицы с массой протона и отрицательным зарядом? Зато существует легкий отрицательно заряженный электрон. Открытие позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поиска античастицы для протона. Другая неожиданность - позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два

-кванта

Происходит превращение частиц с массой покоя отличной от нуля (0.511 МэВ) в частицы с нулевой массой покоя (фотоны), т.е. масса покоя не сохраняется.

Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары электрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались

-квантами с энергией в несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены - одни физические объекты являются частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое элементарная частица. Элементарная частица перестала быть неизменным "кирпичиком" в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы. Следующая элементарная частица - нейтрино также вначале была предсказана теорией. Открытие нейтрона, казалось, внесло ясность в строение вещества. Все элементарные частицы, необходимые для построения атома: протон, нейтрон, электрон - были известны. Если в составе атомного ядра нет электронов, то откуда же берутся электроны, которые наблюдаются при радиоактивном распаде ядер?

Парадоксы бета - распада. Нейтрино

Ответ на этот вопрос был дан в 1932 г. через год после открытия нейтрона итальянским физиком Энрико Ферми в разработанной им теории

-распада.

-Распад в определенном смысле аналогичен испусканию фотонов возбужденными атомами. Ни электронов в ядре, ни фотонов в атоме нет до момента излучения, и фотон, и электрон образуются в процессе распада. Изучение процесса

-распада показало, что испускание электронов вызвано не электромагнитным взаимодействием и не ядерным взаимодействием, а новым типом взаимодействия до сих пор неизвестным в физике. Это взаимодействие было названо слабым взаимодействием. В будущем оно принесло в физику много неожиданных и сенсационных открытий.
Изучение явления

-распада поставило перед физиками серьезную проблему. Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Для того, чтобы спасти эти законы В. Паули в 1930 г. высказал предположение, что в процессе

-распада наряду с электроном, который легко наблюдается, должна рождаться еще одна легкая частица с нулевым зарядом, нулевой массой покоя и спином 1/2. Поскольку нейтрино испускалось вместе с электроном в процессе

-распада, оно могло уносить недостающую энергию, импульс и момент количества движения. Для того чтобы проверить гипотезу Паули, необходимо было обнаружить нейтрино экспериментально. Однако свойства нейтрино, предсказанные Паули, делали обнаружение ее чрезвычайно трудной задачей. Дело в том, что нейтрино должно было очень слабо взаимодействовать с веществом. Оно могло пролетать тысячи километров вещества без взаимодействия. Сечение взаимодействия нейтрино с энергией несколько МэВ с атомными ядрами ~10^-34 см².( С колоссальной проникающей способностью нейтрино связано развитие таких направлений в науке как нейтринная астрофизика и нейтринная геофизика. Нейтрино несут информацию о процессах в центре Солнца, о процессах, происходящих в ранней Вселенной и конечных стадиях эволюции звезд.) Экспериментальные попытки непосредственно зарегистрировать нейтрино продолжались почти двадцать лет. Лишь в 1953 году в результате очень сложного эксперимента Ф. Райнесу и К. Коуэну удалось зарегистрировать антинейтрино. (Антинейтрино было зарегистрировано с помощью реакции

_e + p → n + e⁺. Источником антинейтрино служил атомный реактор, в котором антинейтрино образуются в большом количестве.). Гипотеза Паули получила блестящее подтверждение.

Пионы – кванты ядерного поля

Наличие в атомном ядре нейтронов и протонов поставило перед физиками проблему изучения природы ядерных взаимодействий, связывающих эти частицы в ядре. В 1934 году Х. Юкава предсказал новую частицу - квант ядерного поля. Cогласно гипотезе Юкава взаимодействие между нуклонами возникает в результате испускания и поглощения этих частиц. Они определяют ядерное поле по аналогии с электромагнитным полем, которое возникает как следствие обмена фотонами

Взаимодействие между нуклонами, возникающее в результате обмена квантами массы m, приводит к появлению потенциала

где g_я - константа взаимодействия частиц с полем квантов, переносящих ядерное взаимодействие. Принимая во внимание известные факты, что ядерные силы - короткодействующие и имеют характерный радиус действия ~1 Фм, Юкава оценил массу квантов ядерного поля ~200 МэВ. Предсказанная Юкавой частица

должна была занимать по массе промежуточное значение между электроном и протоном и была названа мезоном от греческого слова meso - средний. После предсказания свойств мезона начались энергичные поиски этой частицы. И уже через два года в 1937 г. в космических лучах с помощью камеры Вильсона была обнаружена частица с массой покоя равной примерно 200 массам покоя электрона. Вначале считалось, что это и есть предсказанный Юкавой мезон. Однако более детальное исследование свойств этой частицы показало, что обнаруженные в космических лучах мезоны взаимодействуют с нейтронами и протонами не достаточно сильно, как это должно было быть для переносчиков ядерного взаимодействия. Они не захватывались атомными ядрами, а распадались с испусканием электронов. Первоначальный энтузиазм сменился некоторым разочарованием. Наконец в 1947 году также в космических лучах была обнаружена еще одна частица, которая сильно взаимодействовала с протонами и нейтронами и была той самой частицей, которую предсказал Юкава. Ее назвали π-мезоном или пионом. Существует три разновидности π-мезонов: отрицательно заряженный π^--мезон с массой ~140 МэВ, его положительно заряженная античастица π⁺-мезон, и нейтральный π⁰-мезон с массой ~135 МэВ. Они одинаковым образом ведут себя относительно сильных взаимодействий. Поэтому так же как протон и нейтрон объединяются в изотопический дублет, пионы объединяются в изотопический триплет.

Пионы, нейтроны и протоны принадлежат к одному классу частиц, называемых адронами. Их отличительная черта - участие в сильных ядерных взаимодействиях.

Лептоны

Открытая в 1937 году частица тоже была названа мезоном, μ-мезоном. Он имеет массу ~106 МэВ и существует в двух разновидностях - отрицательно заряженная частица и положительно заряженная античастица. Сегодня μ-мезон предпочитают называть мюоном. Мюоны - нестабильные частицы и распадаются по схеме

μ^-e^-+ ν_e + _μ, μ⁺e⁺+_e + ν_μ ,

с образованием в конечном состоянии электрона (позитрона), электронного нейтрино (антинейтрино) и мюонного антинейтрино _μ (нейтрино ν_μ ). На то, что электронные и мюонные нейтрино разные частицы, впервые было указано в 1957 году М. Марковым и Ю. Швингером. Эта гипотеза была подтверждена в 1962 году в экспериментах на ускорителе в Брукхейвене. Было показано, что при взаимодействии мюонных нейтрино рождаются мюоны

ν_μ+ n p + μ^-

и не рождаются электроны

ν_μ+ n p + е^-.

Мюоны, электроны и нейтрино относятся к семейству лептонов. Еще одна частица этого семейства -лептон (таон) была открыта М. Перлом в 1979 году в реакции e⁺ + e^- τ⁺ + τ^-. Она почти в два раза тяжелее протона и может распадаться не только подобно мюону на лептоны, но и на адроны.
Таким образом, семейство лептонов состоит из трех отрицательно заряженных частиц (e^-, μ^-, τ^-) и соответствующих им трех типов нейтрино (ν_e, ν_μ, ν_τ). Лептоны e^-, μ^-, τ^- и их античастицы e⁺, μ⁺, τ⁺ участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях, лептоны ν_e, ν_μ, ν_τ и их античастицы _e, _μ, _τ - только в слабых.
Принципиальное значение имеет вопрос о массе нейтрино. Масса каждого типа нейтрино много меньше массы соответствующего заряженного лептона. Современные экспериментальные оценки масс нейтрино следующие

m(_e) < 10 эВ, m(ν_μ) < 0.17 МэВ, m(ν_τ) < 18 МэВ.

Существует космологическое ограничение на суммарную массу всех типов нейтрино

m(_e) + m(ν_μ) + m(ν_τ) < 40 эВ.

Если нейтрино имеет массу, то возможны распады и осцилляции нейтрино, смешивание нейтрино различных типов. Гипотеза об осцилляции нейтрино была выдвинута в 1957 году Б. Понтекорво. В настоящее время интенсивно проводятся эксперименты по измерению массы покоя нейтрино и определению параметров осцилляций нейтрино.

скачать