Электромагнитное излучение (стр. 13 )

^абл и ца 14

Коэффициент качества ионизирующего излучения

Ионизирующее	Рентгеновское излучение, у-излучение	е~	л	Р	а
Излучение	медленные	быстрые
k	1	1—1,5	3—5	10	10	20

368 Физика высоких энерг

Гамма-кванты и рентгеновское излучение вызывают ионизацию я мов в результате фотоэффекта. Электроны упруго и неупруго взаимоде"" ствуют с электронными оболочками атомов. Нейтроны, не имеюти электрического заряда, не взаимодействуют с электронными оболочка ми. При столкновениях с атомными ядрами они либо выбивают из них заряженные частицы, либо захватываются ядрами с последующим альфа - и бета-распадом. Альфа-частицы, обладающие большей массой, также вызывают ионизацию и распад ядер.

Для оценки действия излучения на живые организмы введена специальная величина — эквивалентная доза.

Эквивалентная доза поглощенного излучения — произведение дозы поглощенного излучения на коэффициент качества:

H~Dk.

Единица эквивалентной дозы — зиверт (1 Зв).

1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой доза поглощенного гамма-излучения равна 1 Гр.

Величина эквивалентной дозы определяет относительно безопасные и очень опасные для живого организма дозы облучения.

Допустимая доза облучения < 0,25 Гр

Доза облучения, вызывающая лучевую болезнь 1—6 Гр

Смертельная доза облучения 6—Ю Гр

Естественный радиационный фон. В любом месте на поверхности Земли, под землей, в водоемах, в атмосфере и в космическом пространстве существует ионизирующее излучение, или естественный радиационный фон. Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения, обусловленной естественным радиационным фоном, составляет около 2 мЗв в год.

Наиболее значительный вклад в естественный радиационный Ф° вносит радиоактивный радон и продукты его распада, попадающие в ор ганизм человека при дыхании. Образуясь в почве, инертный газ рад0 выходит в атмосферу. Его концентрация особенно велика в закрытых н проветриваемых помещениях. Процентный вклад различных источн ков ионизирующего излучения в естественный радиационный фон пр веден на рисунке 281.

д, и3ика атомного ядра

369

Другие источники <1%/

3% Промтовары

Космические Земная лУчи Пища, кора^ дыханиек'о™ \

Искусственные источники радиации 18%

4% Мед. обследо-. вание 11% \ ^ Мед. рентген

ч8%\8%/

f

1 Естественные J источники радиации 82%

и

Ш

55% Радон

281 ►

Вклад источников V

ионизирующего излуче- \^

нияв радиационной

фон

Гамма-излучение естественных радиоактивных изотопов земной коры (урана, тория, калия) составляет около 8% естественного фона. Такой же процент составляет космическое излучение — поток уквантов и быстрых заряженных частиц, проникающих сквозь атмосферу к поверхности Земли. Кроме внешнего излучения, каждый организм подвергается внутреннему облучению, составляющему 11% естественного радиационного фона. Оно обусловлено естественной радиоактивностью химических элементов, попадающих в организм вместе с пищей, водой и воздухом (углерод, калий, уран, радий, радон).

Дополнительный вклад (около 18%) в естественный радиационный фон вносят искусственные источники радиации, используемые в развитых странах (ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц, рентгеновские установки).

Наличие естественного радиационного фона — необходимое условие эволюции жизни на Земле. Обязательным условием эволюции является изменчивость как следствие мутации генов. Одним из факторов, вызывающих мутации, является естественный фон ионизирующей радиации, отсутствие естественного радиационного фона, вероятно, не было бы и Жизни на Земле в ее настоящем виде.

Значительные эквивалентные дозы поглощенного излучения могут

вЫзывать в живом организме острое поражение, проявляющееся в нару-

ении функции деления клетки, образовании новых клеток. Острое по-

Р&Жение организма взрослого человека обнаруживается, начиная с поро-

0в°й эквивалентной дозы 0,5 Зв.

Повышенная чувствительность к облучению быстро размножающих-

клеток обусловливает использование радиоактивного излучения для

РУшения клеток злокачественных опухолей.

370

Физика высоких

энергий

ВОПРОСЫ

1.  Как определяют дозу поглощенного излучения? В каких единицах она измеряется'?

2.  Что характеризует коэффициент относительной биологической активности (коэ* фициент качества)?

3.  Дайте определение эквивалентной дозы поглощенного излучения. В каких единицах она измеряется?

4.  Какое ионизирующее излучение представляет естественный радиационный фон? Чему равно среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения, обусловленной естественным радиационным фоном?

5.  Охарактеризуйте процентный вклад различных источников ионизирующего излучения в естественный радиационный фон.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Протон — нуклон в заряженном состоянии, нейтрон — в нейтральном.

Протон и нейтрон обладают полуцелым спином, равным Ь/2. Ядро атома любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Химические свойства элемента определяются зарядовым числом Z, или числом протонов в ядре.

Изотопы — атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре (зарядовое число Z) и разное число нейтронов N. Протоны и нейтроны удерживаются в ядре в результате сильного взаимодействия друг с другом. Зарядовая симметрия сильного взаимодействия — независимость сил взаимодействия между нуклонами от их электрических зарядов.

Энергетически выгодно парное расположение нуклонов с антипа-

раллельными спинами в одном энергетическом состоянии ядра. Наиболее стабильными являются четно-четные ядра (состоящие из четного числа протонов и нейтронов), а среди них — «магические» ядра, у которых число протонов и нейтронов равно одному из чисел 2,8,20,28,50,82, 126. Максимальной устойчивостью и поэтому наибольшей распространенностью в природе обладают дважды магические ядра \Не, аО, $Са, $Са, 2°|РЬ, у которых магическим является как число протонов, так и число нейтронов. Радиус ядра зависит от массового числа по закону:

R=r0A1/3, гдег0 = 1,2 фм.

Удельная энергия связи — энергия связи, приходящаяся на од нуклон.

Радиоактивность — явление самопроизвольного (спонтанног

371

превращения одних ядер в другие с испусканием различных частиц, g Естественная радиоактивность — радиоактивность, наблюдаемая у неустойчивых, изотопов, существующих в природе.

■ Искусственная радиоактив
ность — радиоактивность изото
пов, полученных искусственно при
ядерных реакциях.

В Альфа-распад — спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием ос-частицы.

■  Бета(минус)-распад — спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием электрона и антинейтрино.

■  Энергия распада — суммарная кинетическая энергия продуктов распада.

I Гамма-излучение — электромагнитное излучение, возникающее при переходе ядер из возбужденного в более низкое энергетическое состояние.

■  Период полураспада — промежуток времени, за который распадается половина первоначального числа атомов.

■  Закон радиоактивного распада — закон убывания числа N радиоактивных атомов со временем:

N = И02-*'тт, где Л/0 _ первоначальное число атомов (при t = 0), Ту2 — период полураспада.

Активность радиоактивного вещества — число распадов радиоактивных ядер за 1 с. единица активности — беккерель (1 Бк).

1 Бк — активность радиоактивного вещества, в котором за 1 с происходит 1 распад:

А= N

1,44Г1/2-

■  Энергетический выход реакции деления — энергия, выделяющаяся при делении одного ядра.

■  Цепная реакция деления — реакция, при которой число делящихся ядер лавинообразно нарастает. Скорость цепной реакции деления ядер характеризуют коэффициентом размножения нейтронов.

■  Коэффициент размножения нейтронов — отношение числа нейтронов Nt в данном поколении цепной реакции к их числу Nt^1 в предыдущем поколении:

При k = 1 реакция протекает стационарно: число нейтронов сохраняется неизменным. При k > 1 реакция нестационарна: число нейтронов лавинообразно нарастает.

■  Критическая масса — минимальная масса урана, начиная с которой реакция деления ядер становится самоподдерживающейся. Самоподдерживающаяся реакция деления ядер возникает, если за время пролета нейтроном среды успевает образоваться новый нейтрон в результате реакции деления.

■  Ядерный реактор — устройство, в котором выделяется тепловая энергия в результате управляемой цепной реакции деления ядер. Мощность реактора — количество теп-

372

ловой энергии, выделяющейся в единицу времени.

■  Термоядерный синтез — реакция, в которой при высокой температуре, большей 107К, из легких ядер синтезируются более тяжелые. Характер воздействия радиоактивного излучения на живой организм зависит от дозы поглощенного излучения и его вида.

■  Доза поглощенного излучения — отношение энергии Еизл излучения, поглощенной облучаемым телом, к его массе т:

Е

T-j ___ изл

т

Единица дозы поглощенного излучения — грэй{А Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг.

■ Коэффициент относительн - биологической активности И°И коэффициент качества k, х'ар^И теризует различие биологическо" го действия различных видов излу." чения.

Эквивалентная доза поглощенного излучения — произведение до-зы поглощенного излучения на коэффициент качества:

H = Dk.

Единица эквивалентной дозы — зиверт(1 Зв).

Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения, обусловленной естественным радиационным фоном, составляет около 2 мЗв в год.

Элементарные частицы

6 90. Классификация элементарных частиц

фермионы, бозоны. Из чего состоит окружающий мир? Что представляют из себя самые первичные фундаментальные частицы, из которых состоят все остальные? Ученые и философы пытаются ответить на эти вопросы в течение всей истории человечества. В настоящее время нет окончательных ответов, но учеными пройден большой путь и можно подвести некоторые итоги.

До 1932 г. были известны три фундаментальные частицы: электрон, протон, нейтрон, а также фотон, переносящий электромагнитное взаимодействие. Казалось, что из этих частиц можно построить целостную картину материального мира. Протоны и нейтроны, образующие ядро, вместе с электронами составляют атомы, из атомов комбинируются молекулы, которые, объединяясь друг с другом, образуют вещество.

Конечно, возникает и обратный вопрос, связанный с поиском фундаментальных частиц: сколь долго можно дробить вещество и каких энергетических затрат потребуют эти исследования? Атом можно разделить на ядро и электроны, для этого потребуется энергия порядка 10 эВ. Для Расщепления ядра нужно затратить энергию, в миллион раз большую, около 10 МэВ. Чем на более мелких масштабах изучается структура, тем большая энергия (в соответствии с соотношением неопределенностей Айзенберга) требуется для локализации частиц. При этом возникает и принципиальный вопрос, напоминает ли структура вещества бесконечную череду вложенных друг в друга матрешек или процесс деления прерывается, когда обнаруживается неделимая элементарная частица.

J

лементарная частица — микрообъект, взаимодействующий Другими микрообъектами как единое целое.

^яд элементарных частиц (например, адроны) имеет сложную внут-нюю структуру, но разделить их на части оказывается невозможно, см 6 элементаРные частицы являются бесструктурными и могут рас-Риваться как первичные фундаментальные частицы.

374 Физика высоких энерГи-

Фундаментальные частицы — бесструктурные элементарные частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

Начиная с 1932 г. было открыто более 400 элементарных частиц. ДЛя их классификации используют такие физические величины, как масса частицы, величина электрического заряда, спин, время жизни, а также некоторые другие, необходимость введения которых мы обсудим позже.

По величине спина (собственного момента количества движения) все частицы делятся на два класса: фермионы и бозоны.

Фермионы — частицы с полуцелым спином: h/2; ЗН/2, ... . К фермио-нам относятся, например, электрон е~", протонр, нейтрон п, электронное нейтрино ve.

Бозоны — частицы с целым спином: 0; h, 2h, ... . К бозонам относятся, например, фотон у, л+-мезон.

Для распределения фермионов по возможным энергетическим состояниям справедлив принцип Паули.

....... ,. ..,,.......... ■.............. ., Принцип Паули ,. , ............ ■■ .-, ..

В одном и том же энергетическом состоянии может находиться не более двух фермионов с противоположными спинами.

Для бозонов принципа Паули не существует, поэтому в одном энергетическом состоянии может находиться любое число бозонов.

В соответствии с принципом Паули рассмотрим в качестве примера распределение фермионов по трем возможным энергетическим состояниям системы Ех, Е2, Е3 (рис. 282). При наличии одного фермиона наиболее вероятно, что он расположится в состоянии с минимальной энергией Ev имея спиновое число s = 1/2 (спиновый момент — Я/2) (рис. 282, а). Два из возможных распределений двух фермионов по энергиям приведены на рисунке 282, б. Спин фермиона может иметь две ориентации, поэтому Ре" зультирующее спиновое число может принимать значения 5 = 0; 1. Это означает, что система из двух фермионов может рассматриваться как бо-юн, обладающий целым спином 0 или П.

Спин системы из трех фермионов принимает полуцелые значения л/ i ЗЯ/2.

Античастицы. Элементарные частицы существуют в двух разновиД юстях: частицы и античастицы. В этом состоит принцип зарядового со '-ряжения: для каждой элементарной частицы должна существовать а гичастица.

ментарные частицы

б)

375

А 282

Распределение фермионов по энергетическим уровням: a)N=l;6) N=2; в) N = 3

Античастица а (элементарной частицы а) — элементарная частица, имеющая (по отношению к а) равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд.

Первая античастица была обнаружена в 1932 г. американским физиком Карлом Андерсоном. Фотографируя траекторию частиц космических лучей в камере Вильсона (в которой в месте пролета заряженной частицы образуются ионы и конденсируется пар, заполняющий камеру), Андерсон обнаружил трек, принадлежащий частице с массой электрона. В перпендикулярном магнитном поле частица двигалась по окружности радиуса R = mev/(eB) (см. § 23, формула (64)). Ее направление движения было неизвестно и зависело от знака заряда (рис. 283, а). Если частицей "Ыл электрон, то он должен был двигаться сверху вниз. Для определения

^283

Трек позитрона в камере Вильсона в магнитном поле:

а) без свинцовой плас
тинки;

б) со свинцовой плас
тинкой

376 Физика высоких энерГи-

направления движения частицы Андерсон разместил на ее пути свищ вую пластинку толщиной 6 мм, тормозившую частицу. Соответственв' после прохождения частицей пластинки радиус окружности трека д0 жен уменьшиться (рис. 283, б).

Результаты опыта показали, что частица движется снизу вверх, а следовательно, обладает положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона. Античастица электрона (антиэлектрон) была названа позитроном (от лат. positivus — положительный) и получила обозначение е+.

В 1947 г. был обнаружен антипион п~, в 1955 г. — антипротон, а в 1956 г. антинейтрон и т. д. Были получены атомы антидейтерия, антитрития и антигелия, у которых отрицательно заряженные ядра и оболочка из позитронов. Антивещество — вещество, построенное из антинуклонов и позитронов. Истинно нейтральной частицей является фотон, совпадающий со своей античастицей. При столкновении частицы и античастицы они исчезают (аннигилируют).

Аннигиляция — процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которого они превращаются в у-кванты (фотоны) электромагнитного поля или другие частицы.

Например, при столкновении электрона и позитрона обе частицы исчезают, а рождаются два у-кванта (фотона):

е~ + е+ ->у+у.

Образование только одного у-кванта невозможно из-за необходимости одновременного выполнения законов сохранения импульса и энергии. Минимальная энергия рождающихся у-квантов составляет:

£min = 2тес2 = 2(9,1 • 10"31) • (3 • 108)2 = 1,64 • 10"13 Дж = 1,02 МэВ.

При аннигиляции протона и антипротона выделяется энергия, примерно в 2000 раз большая, при аннигиляции вещества — почти в 1000 раз большая, чем при термоядерном взрыве.

Фундаментальные частицы взаимопревращаются — они могут как ис чезать, так и рождаться.

Рождение пары — процесс, обратный аннигиляции.

Электрон-позитронная пара может возникнуть, например, при взаим действии у-кванта с веществом. Одновременно рождение заряженных части

противоположного знака свидетельствует о соблюдении закона

сохранения

заряда для реакции:

у + у—» е~ + е+.

,ментарные частицы

377

Электрически нейтральный квант превращали в частицы, общий заряд которых равен ну-Для рождения пары у у-кванта должна быть остаточная минимальная энергия, равная энергиям покоя частицы, — тес2 = 0,51 МэВ. При больших энергиях возможно рождение частиц большей массы.

На рисунке 284 показаны треки электрона и позитрона в камере Вильсона в магнитном поле после рождения электрон-позитронной пары, возникающей при взаимодействии у-кванта со свинцовой пластиной. Сила Лоренца действует на разноименно заряженные частицы в противоположные стороны, чем и объясняется их закручивание в разных направлениях.

284

Треки электрон-позитронной пары в магнитном поле

ВОПРОСЫ

1.  Дайте определения элементарных и фундаментальных частиц.

2.  Чем отличаются фермионы от бозонов?

3.  Сформулируйте принцип Паули. Как распределяются фермионы по энергетическим состояниям?

4.  Сформулируйте принцип зарядового сопряжения. Как была обнаружена первая античастица — позитрон?

5.  Охарактеризуйте такие процессы взаимопревращения частиц, как аннигиляция и рождение пары.

§91 . Лептоны как фундаментальные частицы

•Лептонный заряд. Наиболее удобной систематикой многочисленных элементарных частиц явилась их классификация по видам взаимодействий, в которых они участвуют. Все частицы, обладающие массой, гравитационно Взаимодействуют друг с другом. По отношению к сильному взаимодейст-ик> все элементарные частицы делятся на две болыпие группы: адроны (от Реч. hadros — большой, сильный) и лептоны (от греч. leptos — легкий).

Адроны — элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.

Лептоны — фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаивдодействии.

378

Физика высоких энергий

К лептонам относят 12 частиц (6 частиц и 6 античастиц). Все лептоны являются фермионами — они обладают полуцелыми спинами Н/2. В реакциях слабого взаимодействия лептонов участвуют лептон-нейтринные дублеты. Соответствующее нейтрино всегда возникает в реакции вместе с определенным лептоном. Для выделения класса лептонов вводят квантовое число — лептонный заряд L. Для лептонов L = 1, для антилепто-нов L = -1, для адронов L = 0.

_________-_ Закон сохранения лептонного заряда ____________

Сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется.

Лептонный заряд электрона е~ и электронного нейтрино ve, образующих первый лептонный дублет, равен единице, а позитрона е+ и электронного антинейтрино ve равен -1.

Например, для реакции (3"-распада п —> р + е~ + ve закон сохранения лептонного заряда имеет вид: 0 = 0 + 1-1.

Второй лептонный дублет образуют отрицательно заряженный мюон и~ и мюонное нейтрино v. Мюон был открыт в 1936 г. в космических лучах (на 1 см2 поверхности Земли каждую минуту попадает один мюон), и по своим свойствам он напоминает тяжелый электрон. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона. Через 2,2 мкс мюон распадается на электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино, отличающееся от электронного. Лептонный заряд мюона и мюонного нейтрино L = 1:

\l~ -> е~ + ve + vR.

Для реакции распада мюона выполняется закон сохранения лептонного заряда: 1 = 1-1 + 1.

Античастицам и+ и v соответствует лептонный заряд L = -1.

В 1975 г. был открыт самый тяжелый отрицательно заряженный лептой — таон х- (или х-лептон). Таон в 3492 раза тяжелее электрона и почти в 2 раза тяжелее протона. За промежуток времени порядка 4 • 10~13с х" распадается на мюон ц-, мюонное антинейтрино v, таонное нейтрино vT. Лептонный заряд таона и таонного нейтрино L = 1

х - -> \Г + v^ + vr

Для реакции распада таона закон сохранения лептонного заряда имеет вид

1 = 1-1 + 1.

Таон и таонное нейтрино образуют третий лептонный дуплет.

Элементарные частицы

379

Таблица15

Лептоны и их характеристики

Дублет	Название	Символ	Масса	L	Время
частица	античастица	вте	вМэВ	жизни, с
I	Электрон	е~	е+	1	0,511	+1	Стабилен
Электронное нейтрино	ve	ve	0	0(<1,4-10 5)	±1	Стабильно
II	Мюон	F	Ц+	207	105,66	±1	2,2 • 10 6
Мюонное нейтрино	\	\	0	0 (<0,25)	+1	Стабильно
III	Таон	х~	х+	3492	1784	±1	ю-18
Таонное нейтрино	v.	V,	0	0(<35)	+1	Стабильно

В таблице 15 приведены важнейшие характеристики лептонов, для масс нейтрино приведены оценки сверху. Отличие от нуля массы нейтрино дает возможность астрофизикам оценить огромную массу темного невидимого вещества во Вселенной. С помощью этих оценок можно найти плотность Вселенной, которая определяет дальнейший процесс ее расширения и эволюции.