A b бөлшектері. b-бөлшек сөзінің медициналық тілдегі мағынасы

1.2. Қасиеттер β -радиация

бета сәулеленуі ( б -бөлшектер) – әрқайсысының заряды бір элементар зарядқа, 4,8 × 10 – 10 CGSE электростатикалық бірлікке немесе 1,6 × 10 –19 кулонға тең электрондар (позитрондар) ағыны. Демалыс массасы б -бөлшек сутегі атомының элементар массасының 1/1840 бөлігіне тең (массасынан 7000 есе аз). α -бөлшектер) немесе абсолютті бірлікте 9,1×10 –28 г б -бөлшектерден әлдеқайда үлкен жылдамдықпен қозғалады α -жарық жылдамдығының » 0,988 (Эйнштейн массасы) тең бөлшектер, онда олардың массасын релятивистік теңдеу арқылы есептеу керек:

Қайда Бұл – тыныштық массасы (9,1·10 -28 г);

В - жылдамдық β -бөлшектер;

C - жарық жылдамдығы.

Ең жылдам үшін β -бөлшектер м ≈ 16 м о .

Біреуін шығарғанда б -бөлшектер, элементтің атомдық саны біреуге артады (электрондық эмиссия) немесе кемиді (позитрондық эмиссия). Бета-ыдырау әдетте жүреді g - радиация. Әрбір радиоактивті изотоп агрегат шығарады б - өте аз бөлшектер әртүрлі энергиялар, алайда, берілген изотоптың белгілі бір максималды энергетикалық сипаттамасынан аспайды.

Энергетикалық спектрлер б - сәулеленулер суретте көрсетілген. 1.5, 1.6. Үздіксіз энергетикалық спектрден басқа, кейбір радиоэлементтер атомның электрон орбиталарынан g-кванттармен екінші реттік электрондарды шығарумен байланысты сызықтық спектрдің болуымен сипатталады (ішкі түрлендіру құбылысы). Бұл кезде болады β -ыдырау аралық энергетикалық деңгей арқылы жүреді, ал қозуды тек эмиссия арқылы ғана емес жоюға болады γ -кванттық, сонымен қатар ішкі қабықтан электронды қағып шығару арқылы.

Дегенмен, саны б -осы сызықтарға сәйкес келетін бөлшектер шағын.

Бета спектрінің үздіксіздігі бір уақыттағы сәуле шығарумен түсіндіріледі б -бөлшектер мен нейтринолар.

p = n + β + + η(нейтрино)

n = p + β - + η(антийтрино)

Нейтрино бета-ыдырау энергиясының бір бөлігін сіңіреді.

Орташа энергия б -бөлшек 1/3-ке тең. E максжәне 0,25–0,45 аралығында ауытқиды E максәртүрлі заттар үшін. Максималды энергия мәні арасында E макс б -сәулелену және ыдырау тұрақтысы лэлемент Сарджент қатынас орнатты (үшін Емакс > 0,5 Мев),

l = k∙E 5 макс (1,12)

Осылайша, үшін β - радиациялық энергия β -бөлшектер үлкенірек болса, соғұрлым жартылай ыдырау кезеңі қысқарады. Мысалы:

Pb 210 (RaD) T = 22 жыл, E макс = 0,014 МэВ;

Bi 214 (RaC) T = 19,7 ай, E макс = 3,2 МэВ.

1.2.1. Өзара әрекеттесу β - затпен сәулелену

Өзара әрекеттесу кезінде β – заты бар бөлшектерде келесі жағдайлар болуы мүмкін:

а) Атомдардың иондануы. Ол тән сәулеленумен бірге жүреді. Иондану қабілеті β -бөлшектер олардың энергиясына тәуелді. Меншікті иондану көп болса, энергия аз болады β -бөлшектер. Мысалы, энергиямен β -1 см жолда 0,04 МэВ бөлшектер, 200 жұп ион түзіледі; 2 МэВ – 25 жұп; 3 МэВ – 4 жұп.

б) Атомдардың қозуы.үшін тән β -өзара әрекеттесу уақыты болғанда энергиясы жоғары бөлшектер β -электроны бар бөлшектер аз және иондану ықтималдығы төмен; Бұл жағдайда β -бөлшек электронды қоздырады, қозу энергиясы тән рентген сәулелерін шығару арқылы жойылады, ал сцинтилляторларда қозу энергиясының едәуір бөлігі жарқыл түрінде пайда болады - сцинтиум (яғни көрінетін аймақта).

в) Эластикалық шашырау. Ядроның (электронның) электр өрісі ауытқыған кезде пайда болады β -бөлшек, ал энергия β -бөлшектер өзгермейді, тек бағыты өзгереді (кіші бұрышпен);

г) Ядроның кулондық өрісіндегі электронның тежелуі.Бұл жағдайда пайда болады электромагниттік сәулеленуэнергиясы көп болса, электрон соғұрлым үлкен үдеу сезінеді. Жеке электрондар әртүрлі үдеулерді бастан кешіретіндіктен, бремсстрахлунг спектрі үздіксіз болады. Күйзеліс әсерінен болатын энергия шығындары мына өрнекпен анықталады: қозудан және ионданудан болатын ысыраптарға бөлінуден болатын энергия шығындарының қатынасы:

Осылайша, жоғалтулар мен бремсстрахлунг атомдық нөмірлері үлкен жоғары энергиялы электрондар үшін ғана маңызды.

Көпшілігі үшін β -бөлшектердің максимал энергиясы 0,014–1,5 МэВ диапазонында болады, біз 1 см жолға деп болжауға болады. β -бөлшектер, 100–200 жұп иондар түзіледі. α -бөлшек 1 см жолда 25 - 60 мың жұп ион түзеді. Сондықтан спецификалық иондану қабілеті деп болжауға болады β- сәулелену α-сәулеленуден екі рет кіші. Аз иондану - энергия баяу жоғалады, өйткені иондану қабілеті (және қозу ықтималдығы) β -бөлшек магнитудасы бойынша 2 рет кіші, яғни ол 2 рет магнитудасы баяу, яғни шамамен жүгіріске баяулайды. β -бөлшектер шамасына қарағанда 2 рет үлкен α- бөлшектер. 10 мг/см2 ·100 = 1000 мг/см2 ≈ 1 г/см2.

Ядро неден тұрады? Ядроның бөліктерін не біріктіреді? Ядроның құрамдас бөліктерін бірге ұстап тұратын орасан зор күштердің бар екендігі анықталды. Бұл күштер босатылған кезде бөлінетін энергия химиялық энергиямен салыстырғанда орасан зор, бұл атом бомбасының жарылуын тротилдің жарылуымен салыстыру сияқты. Бұл фактімен түсіндіріледі ядролық жарылысядроның ішіндегі өзгерістерден туындайды, ал тротил жарылысы кезінде атомның сыртқы қабатындағы электрондар ғана қайта реттеледі.

Сонымен, ядродағы нейтрондар мен протондарды біріктіретін күштер қандай?

Электрлік әсерлесу бөлшек – фотонмен байланысты. Сол сияқты Юкава протон мен нейтрон арасындағы тартымды күштердің өрістің ерекше түрі бар және бұл өрістің тербелісі бөлшектер сияқты әрекет етеді деп ұсынды. Бұл дүниеде нейтрондар мен протондардан басқа кейбір бөлшектердің болуы мүмкін дегенді білдіреді. Юкава осы бөлшектердің қасиеттерін қазірдің өзінде шығара алды белгілі сипаттамалар ядролық күштер. Мысалы, ол олардың массасы электроннан 200-300 есе артық болуы керек деп болжаған. О, ғажайып - мұндай массасы бар бөлшек ғарыштық сәулелерден табылды! Алайда, сәл кейінірек бұл бірдей бөлшек емес екені белгілі болды. Олар оны μ-мезон немесе мюон деп атады.

Алайда, сәл кейінірек, 1947 немесе 1948 жылдары Юкаваның талаптарын қанағаттандыратын бөлшек - π-мезон немесе пион табылды. Ядролық күштерді алу үшін протон мен нейтронға пион қосу керек екен. «Тамаша! - деп айқайлайсыз, - бұл теорияның көмегімен біз кванттық ядролық динамикасын құрастырамыз, ал пиондар оларды Юкава енгізген мақсаттарға қызмет ететін болады; Бұл теорияның жұмыс істейтінін көрейік, егер солай болса, біз бәрін түсіндіреміз ». Бос үміттер! Бұл теориядағы есептеулер соншалықты күрделі болғандықтан, оларды әлі ешкім жасай алмаған және оны экспериментпен салыстыру ешкімнің бақытына ие болмаған; Бұл 20 жылға жуық уақыт бойы жалғасып келеді!

Бірдеңе теориямен жұмыс істемейді; оның рас па, жоқ па, білмейміз; дегенмен, біз оның бойында бірдеңе жетіспейтінін, оның бойында кейбір бұзушылықтар жасырылғанын білеміз. Біз теорияны айналып өтіп, салдарын есептеуге тырысқанда, эксперименттер осы уақыт ішінде бірдеңе тапты. Дәл сол μ-мезон немесе мюон. Ал біз оның не үшін пайдалы екенін әлі білмейміз. Тағы да, ғарыштық сәулелерде көптеген «қосымша» бөлшектер табылды. Бүгінде олардың саны 30-дан асты, бірақ олардың арасындағы байланысты түсіну әлі қиын, табиғат олардан нені қалайтыны және олардың қайсысы кімге байланысты екені белгісіз. Бұл бөлшектердің бәрі бізге әлі бір болмыстың әртүрлі көріністері ретінде көрінбейді, ал бір-бірінен алшақ бөлшектердің шоғыры бар екендігі шыдауға болатын теориясыз үйлесімсіз ақпараттың болуының көрінісі ғана. Кванттық электродинамиканың даусыз табыстарынан кейін - ядролық физикадан алынған кейбір мәліметтер жиынтығы, жартылай эксперименттік, жартылай теориялық білім сынықтары. Олар, айталық, протон мен нейтрон арасындағы өзара әрекеттесу сипатын сұрайды және бұл күштердің қайдан келетінін нақты түсінбей, одан не шығатынын көреді. Сипатталғаннан артық емес ерекше табысБолған жоқ.

Бірақ химиялық элементтерӨйткені, олар да көп болды және кенеттен олардың арасындағы Менделеевтің периодтық жүйесі арқылы көрсетілген байланысты көруге болады. Айталық, калий мен натрий - химиялық қасиеттері ұқсас заттар - кестеде бір бағанда. Сонымен, біз жаңа бөлшектер үшін периодтық кесте сияқты кесте құруға тырыстық. Осыған ұқсас бір кестені АҚШ-тағы Гелл-Манн және Жапониядағы Нишижима тәуелсіз түрде ұсынған. Олардың классификациясының негізі - электр заряды сияқты жаңа сан. Ол әрбір бөлшекке тағайындалады және оның «біртүрлілігі» S деп аталады. Бұл сан ядролық күштер жасаған реакцияларда өзгермейді (электр заряды сияқты).

Кестеде 2.2 жаңа бөлшектерді көрсетеді. Біз олар туралы әзірге егжей-тегжейлі сөйлеспейміз. Бірақ кесте кем дегенде біз қаншалықты аз білетінімізді көрсетеді. Әрбір бөлшектің таңбасының астында оның мегаэлектронвольт немесе МэВ деп аталатын белгілі бірліктермен көрсетілген массасы (1 МэВ 1,782 * 10) берілген. -27 Г). Біз бұл бірлікті енгізуге мәжбүр еткен тарихи себептерге тоқталмаймыз. Көбірек массивтік бөлшектер кестеде жоғарыда келтірілген. Бір бағанда бірдей электр зарядының бөлшектері орналасқан, бейтараптар ортасында, оңда оң, теріс сол жақта.

Бөлшектердің асты тұтас сызықпен, «резонанс» сызықшалармен сызылады. Кейбір бөлшектер кестеде мүлдем жоқ: фотондар мен гравитондар жоқ, массасы мен заряды нөлдік өте маңызды бөлшектер (олар барион-мезон-лептон классификациясының схемасына жатпайды), сонымен қатар ең жаңа резонанстар да жоқ. (φ, f, Y*, т.б. .). Мезондардың антибөлшектері кестеде келтірілген, бірақ лептондар мен бариондардың антибөлшектері үшін осыған ұқсас, бірақ тек нөлдік бағанға қатысты айнасы бар жаңа кесте құрастыру керек еді. Электрон, нейтрино, фотон, гравитон және протоннан басқа барлық бөлшектер тұрақсыз болғанымен, олардың ыдырау өнімдері тек резонанстар үшін жазылады. Лептондардың оғаштығы да жазылмаған, өйткені бұл ұғым оларға қолданылмайды - олар ядролармен қатты әрекеттеспейді.

Нейтронмен және протонмен бірге тұратын бөлшектер бариондар деп аталады. Бұл массасы 1115,4 МэВ болатын «лямбда» және сигма-минус, сигма-нөл, сигма-плюс деп аталатын тағы үш «сигма», олардың массалары бірдей дерлік. Массалары бірдей дерлік (1-2% айырмашылық) бөлшектер топтары мультиплеттік деп аталады. Мультилеттегі барлық бөлшектердің біртүрлілігі бар. Бірінші мультиплет жұп (қос) протон – нейтрон, одан кейін синглет (бір) ламбда, одан кейін триплет (үш) сигма, дублет xi және синглет омега-минус болады. 1961 жылдан бастап жаңа ауыр бөлшектер ашыла бастады. Бірақ олар бөлшектер ме? Олар соншалықты қысқа өмір сүреді (пайда болған бойда ыдырайды), сондықтан оларды жаңа бөлшектер деп атау немесе олардың ыдырау өнімдері арасындағы, айталық, Λ және π белгілі бір тұрақты энергиядағы «резонанстық» әрекеттесу деп санау белгісіз.

Ядролық әрекеттесу үшін бариондардан басқа басқа бөлшектер – мезондар қажет. Бұл, біріншіден, пиондардың үш түрі (плюс, нөл және минус), жаңа триплет қалыптастырады. Жаңа бөлшектер де табылды - К-мезондар (бұл К дублеті+ және K 0 ). Әрбір бөлшектің антибөлшектері бар, егер бөлшек өзінің антибөлшектері болмаса, π+ және π - - бір-біріне қарсы бөлшектер, π 0 -өзінің антибөлшегі. Антибөлшектер және К- K+-пен, ал K 0-мен K 0 `. Сонымен қатар, 1961 жылдан кейін біз бірден ыдырайтын жаңа мезондарды немесе сұрыптау-мезондарды таба бастадық. Осындай бір қызық омега деп аталады, ω, оның массасы 783, ол үш пионға айналады; Бір жұп пион алынатын тағы бір формация бар.

Кейбір сирек кездесетін жер өте сәтті периодтық жүйеден құлаған сияқты, кейбір бөлшектер де біздің кестемізден құлады. Бұл ядролармен күшті әсерлеспейтін, ядролық әсерлесуге еш қатысы жоқ және бір-бірімен күшті әсерлеспейтін бөлшектер (күшті деп атом энергиясын беретін әсерлесудің қуатты түрін айтады). Бұл бөлшектер лептондар деп аталады; оларға электрон (массасы 0,51 МэВ өте жеңіл бөлшек) және мюон (массасы электронның массасынан 206 есе үлкен) жатады. Біздің барлық тәжірибелерден пайымдауымызша, электрон мен мюон тек массасында ғана ерекшеленеді. Мюонның барлық қасиеттері, оның барлық әрекеттесулері электронның қасиеттерінен еш айырмашылығы жоқ - тек біреуі екіншісінен ауыр. Неліктен ол ауыр, оның қандай пайдасы бар, біз білмейміз. Олардан басқа массасы нөлге тең бейтарап кене - нейтрино да бар. Оның үстіне қазір нейтринолардың екі түрі бар екені белгілі болды: кейбіреулері электрондармен, ал басқалары мюондармен байланысты.

Ақырында, ядролармен әрекеттеспейтін тағы екі бөлшек бар. Біз біреуді білеміз - бұл фотон; және егер гравитациялық өрістің де кванттық механикалық қасиеттері болса (бірақ тартылыстың кванттық теориясы әлі жасалмаған болса), онда массасы нөлге тең гравитондық бөлшек бар болуы мүмкін.

«Нөлдік масса» дегеніміз не? Біз келтірген массалар тыныштықтағы бөлшектердің массалары. Егер бөлшектің массасы нөлге тең болса, бұл оның демалуға батылы бармайтынын білдіреді. Фотон ешқашан бір орында тұрмайды; оның жылдамдығы әрқашан 300 000 км/сек. Біз сондай-ақ салыстырмалылық теориясын түсінеміз және масса ұғымының мағынасына тереңірек үңілуге ​​тырысамыз.

Сонымен, біз бөлшектердің тұтас жүйесін кездестірдік, олар бірге, шамасы, материяның өте іргелі бөлігі болып табылады. Бақытымызға орай, бұл бөлшектер өзара әрекеттесуінде бір-бірінен ерекшеленбейді. Шамасы, олардың арасындағы өзара әрекеттесулердің тек төрт түрі бар. Оларды күшінің кему ретімен тізіп көрейік: ядролық күштер, электрлік әсерлесулер, (β-ыдырау әрекеттесуі және гравитация. Фотон барлық зарядталған бөлшектермен 1/137 тұрақты санымен сипатталатын күшпен әрекеттеседі. Бұл байланыстың егжей-тегжейлі заңы: белгілі - бұл кванттық электродинамика Гравитация барлық энергиямен әрекеттеседі, бірақ электрден әлдеқайда әлсіз. протонға, электронға және нейтриноға тек ішінара және күшті өзара әрекеттесу (мезонның барионмен байланысы) осы масштабта күшке ие. біріне тең, ал бариондар санының ешбір реакцияда өзгермейтіндігі сияқты кейбір ережелер белгілі болғанымен оның заңы мүлдем түсініксіз.

Қазіргі физика тап болған жағдайды ауыр деп санау керек. Мен мұны мына сөздермен қорытындылайтын едім: өзектен тыс біз бәрін білетін сияқтымыз; Оның ішінде кванттық механика жарамды;

Біздің барлық біліміміз әрекет ететін кезең релятивистік кеңістік-уақыт; Онымен ауырлық күші де байланысты болуы мүмкін. Біз Ғаламның қалай пайда болғанын білмейміз және біз ғарыш-уақыт туралы идеяларымызды қысқа қашықтықта дәл сынау үшін ешқашан эксперименттер жүргізген емеспіз, тек осы қашықтықтардан тыс біздің көзқарастарымыздың қатесіз екенін білеміз. Сондай-ақ ойын ережелері принциптер екенін қосуға болады кванттық механика; және біздің білуімізше, олар ескі бөлшектерге қарағанда жаңа бөлшектерге қатысты. Ядролық күштердің шығу тегін іздеу бізді жаңа бөлшектерге жетелейді; бірақ бұл ашылымдардың барлығы тек шатасуға әкеледі. Біз олардың өзара қарым-қатынасын толық түсінбейміз, дегенмен біз олардың арасындағы кейбір керемет байланыстарды көрдік. Біз субатомдық бөлшектер әлемін түсінуге бірте-бірте жақындап келе жатқан сияқтымыз, бірақ бұл жолды қаншалықты жүріп өткеніміз белгісіз.

Альфа(а) сәулелері- оң зарядталған гелий иондары (He++), атом ядроларынан 14 000-20 000 км/сағ жылдамдықпен ұшып шығады. Бөлшектердің энергиясы 4-9 МэВ. а-сәулелену, әдетте, ауыр және басым табиғи жағдайда байқалады радиоактивті элементтер(радий, торий және т.б.). Альфа-бөлшектердің ауадағы диапазоны альфа-сәулелену энергиясының жоғарылауымен артады.

Мысалы, а-торийдің бөлшектері(Th232), энергиясы 3,9 МэВ, ауада 2,6 см жүреді, ал энергиясы 7,68 МэВ болатын радий С бөлшектерінің диапазоны 6,97 см абсорбердің бөлшектерді толық сіңіру үшін қажет берілген заттағы осы бөлшектердің диапазоны деп аталады. Судағы және матадағы альфа бөлшектерінің диапазоны 0,02-0,06 мм.

а-бөлшектермайлық қағаз немесе алюминийдің жұқа қабаты толығымен сіңіріледі. Бірі ең маңызды қасиеттерα-сәулеленудің күшті иондаушы әсері бар. Қозғалыс жолында газдардағы альфа-бөлшек иондардың үлкен санын құрайды. Мысалы, ауада 15° және 750 мм қысымда бір альфа-бөлшек энергиясына байланысты 150 000-250 000 жұп ион түзеді.

Мысалы, ауадағы спецификалық иондану а-радонның бөлшектері, энергиясы 5,49 МэВ, 1 мм жолға 2500 ион жұбын құрайды. α-бөлшектердің жолының соңында иондану тығыздығы артады, сондықтан жолдың соңындағы жасушалардың зақымдануы жолдың басындағыдан шамамен 2 есе көп.

Физикалық қасиеттеріа-бөлшектеролардың организмге биологиялық әсер ету ерекшеліктерін және сәулеленудің осы түрінен қорғау әдістерін анықтау. А-сәулелерімен сыртқы сәулелену қауіп төндірмейді, өйткені сәулелену көзінен бірнеше (10-20) сантиметр алысқа жылжыту немесе қағаздан, матадан, алюминийден және басқа қарапайым материалдардан жасалған қарапайым экран орнату жеткілікті. толығымен сіңеді.

Ең ұлы сәулелену қаупіжұтқанда және радиоактивті а-шығару элементтерінің ішінде тұндырғанда көрсетеді. Бұл жағдайларда дененің жасушалары мен тіндерінің тікелей сәулеленуі а-сәулелерімен жүреді.

Бета(b) сәулелері- атом ядроларынан шамамен 100 000-300 000 км/сек жылдамдықпен шығарылатын электрондар ағыны. p-бөлшектердің максималды энергиясы 0,01-ден 10 МэВ-қа дейін. b-бөлшектің заряды таңбасы мен шамасы бойынша электронның зарядына тең. Табиғи және жасанды радиоактивті элементтер арасында b-ыдырау сияқты радиоактивті түрленулер кең таралған.

b-сәулелеріа-сәулелерімен салыстырғанда анағұрлым үлкен ену қабілетіне ие. b-сәулелерінің энергиясына байланысты олардың ауадағы диапазоны миллиметрдің фракцияларынан бірнеше метрге дейін жетеді. Сонымен, ауада энергиясы 2-3 МэВ болатын b-бөлшектердің диапазоны 10-15 м, ал су мен матада миллиметрмен өлшенеді. Мысалы, ұлпадағы максималды энергиясы 1,7 МэВ радиоактивті фосфор (Р32) шығаратын b-бөлшектерінің диапазоны 8 мм.

b- энергиясы бар бөлшек, 1 МэВ тең, ауада өз жолында шамамен 30 000 иондық жұп құра алады. b-бөлшектердің иондалу қабілеті бірдей энергиядағы а-бөлшектерінен бірнеше есе аз.

В-сәулелерінің әсеріденеде, егер ол денеге енсе, сыртқы және ішкі сәулеленумен көрінуі мүмкін белсенді заттар b-бөлшектерді шығару. Сыртқы сәулелену кезінде b-сәулелерінен қорғау үшін материалдардан (шыны, алюминий, қорғасын және т.б.) жасалған экрандарды пайдалану қажет. Радиацияның қарқындылығын көзден қашықтықты арттыру арқылы азайтуға болады.

Табиғи радиоактивті b-ыдырау ядролардың b-бөлшектердің – электрондардың шығарылуымен өздігінен ыдырауынан тұрады. үшін офсет ережесі

табиғи (электрондық) b-ыдырауы мына өрнекпен сипатталады:

Z X A® Z+1YA+ - 1 e 0 .(264)

b-бөлшектердің энергетикалық спектрін зерттеу, а-бөлшектердің спектрінен айырмашылығы, b-бөлшектердің 0-ден E макс дейін үздіксіз спектрі бар екенін көрсетті. b-ыдырауы табылған кезде мынаны түсіндіру керек болды:

1) неге аналық ядро ​​әрқашан E max энергиясын жоғалтады, ал b-бөлшектердің энергиясы E max-тан аз болуы мүмкін;

2) қалай қалыптасады -1 e 0 b-ыдырау кезінде?, себебі электрон ядроға кірмейді;

3) егер b-ыдырау кезінде ол қашып кетсе - 1 e 0, онда бұрыштық импульстің сақталу заңы бұзылады: нуклондар саны ( А) өзгермейді, бірақ электронның спині ½ħ болады, сондықтан (264) қатынастың оң жағында спин қатынастың сол жағының спинінен ½ħ-қа ерекшеленеді.

Қиындықтан шығу үшін 1931 ж. Паули бұған қоса ұсынды - 1 e 0 b-ыдырау кезінде тағы бір бөлшек - нейтрино (о о) шығарылады, оның массасы электронның массасынан әлдеқайда аз, заряды 0 және спин s = ½ ħ. Бұл бөлшек энергияны алып кетеді E max - E βжәне энергия мен импульстің сақталу заңдарының орындалуын қамтамасыз етеді. Ол 1956 жылы эксперименталды түрде ашылды. o o анықтау қиындықтары оның төмен массасы мен бейтараптығымен байланысты. Осыған байланысты, o o затпен жұтылмас бұрын орасан зор қашықтықтарды жүре алады. Ауада нейтринолардың әсерінен бір иондану актісі шамамен 500 км қашықтықта жүреді. Қорғасындағы энергиясы 1 МэВ o o диапазоны ~10 18 м o o b-ыдырау кезінде импульстің сақталу заңын қолданып жанама түрде анықталуы мүмкін: импульс векторларының қосындысы - 1 e 0, o o және кері қайтару ядросы 0-ге тең болуы керек. Тәжірибелер бұл күтуді растады.

b-ыдырау кезінде нуклондар саны өзгермейді, бірақ заряд 1-ге артады, b-ыдырауы үшін жалғыз түсініктеме келесідей болуы мүмкін: o n 1ядроға айналады 1 r 1эмиссиямен - 1 e 0және нейтрино:

o n 1 → 1 р 1 + - 1 e 0+О o (265)

Табиғи b-ыдырау кезінде шығарылатыны анықталды электронды антинейтрино - оО. Қалған масса болғандықтан, энергетикалық реакция (265) қолайлы o n 1көбірек демалыс массасы 1 r 1. Тегін деп күтуге болатын еді o n 1радиоактивті. Бұл құбылыс шын мәнінде 1950 жылы пайда болатын жоғары энергиялы нейтрондық ағындарда ашылды. ядролық реакторлар, және схема (262) бойынша b-ыдырау механизмін растау қызметін атқарады.

Қарастырылған b-ыдырау электронды деп аталады. 1934 жылы Фредерик пен Жолио-Кюри жасанды позитрон b-ыдырауын ашты, онда электронның антибөлшегі, позитрон мен нейтрино ядродан шығып кетеді (қараңыз: реакция (263)). Бұл жағдайда ядро ​​протондарының бірі нейтронға айналады:

1 r 1 → o n 1+ + 1 e 0+ o o (266)

Еркін протон үшін мұндай процесс мүмкін емес, энергетикалық себептерге байланысты, өйткені Протонның массасы нейтронның массасынан аз. Алайда ядрода протон қажетті энергияны ядродағы басқа нуклондардан ала алады. Сонымен (344) реакция ядроның ішінде де, бос нейтрон үшін де болуы мүмкін, бірақ (345) реакция тек ядроның ішінде жүреді.

b-ыдырауының үшінші түрі - K-қаптау. Бұл жағдайда ядро ​​атомның К-қабатындағы электрондардың біреуін өздігінен басып алады. Бұл жағдайда ядро ​​протондарының бірі келесі схема бойынша нейтронға айналады:

1 r 1 + - 1 e 0 → o n 1 + o o (267)

b-ыдыраудың бұл түрінде ядродан бір ғана бөлшек - o o шығарылады. K-түсіру тән рентгендік сәулеленумен бірге жүреді.

Сонымен (265) – (267) сұлбалары бойынша болатын b-ыдырауының барлық түрлері үшін барлық сақталу заңдары орындалады: энергия, масса, заряд, импульс, бұрыштық импульс.

Нейтронның протонға және электронға, ал протонның нейтрон мен позитронға айналуы ядроішілік күштерден емес, нуклондардың өздеріне әсер ететін күштерден туындайды. Осы күштермен байланысты өзара әрекеттесу әлсіз деп аталады.Әлсіз әрекеттесу күшті әсерлесуден ғана емес, электромагниттік әсерлесуден де әлдеқайда әлсіз, бірақ гравитациялық әсерлесуден әлдеқайда күшті. Өзара әрекеттесу күшін элементар бөлшектер физикасына тән ~1 ГэВ энергияларда тудыратын процестердің жылдамдығымен бағалауға болады. Мұндай энергияларда күшті әсерлесуден туындайтын процестер ~10 -24 с, электромагниттік процесс ~10 -21 с уақыт аралығында жүреді, ал әлсіз әсерлесуден болатын процестердің уақыт сипаттамасы әлдеқайда ұзағырақ: ~10 -10 с, сондықтан элементар бөлшектер әлемінде әлсіз процестер өте баяу жүреді.

Бета бөлшектері зат арқылы өткенде, олар энергияны жоғалтады. b-ыдырау кезінде түзілетін b-электрондардың жылдамдығы өте жоғары болуы мүмкін - жарық жылдамдығымен салыстыруға болады. Заттағы олардың энергия жоғалтулары иондану және бремсстрахлунг салдарынан болады. Bremsstrahlungэнергияны жоғалтудың негізгі көзі болып табылады жылдам электрондар үшін, ал протондар мен ауыр зарядталған ядролар үшін тоқтау шығындары шамалы. Сағат төмен электрон энергиясыэнергияны жоғалтудың негізгі көзі болып табылады иондану шығындары.Біраз бар электрондардың критикалық энергиясы,бұл кезде тоқтау шығындары иондану шығындарына тең болады. Су үшін шамамен 100 МэВ, қорғасын үшін – шамамен 10 МэВ, ауа үшін – бірнеше ондаған МэВ. Біртекті заттағы жылдамдықтары бірдей b-бөлшектердің ағынының жұтылуы экспоненциалды заңға бағынады. N = N 0 e - m x, Қайда N 0Және Н– қалыңдықтағы зат қабатының кіру және шығуындағы b-бөлшектердің саны X, м- сіңіру коэффициенті. b _ сәулелену затта қатты шашыранды, сондықтан мзатқа ғана емес, сонымен қатар b _ сәуле түсетін денелердің көлемі мен пішініне де байланысты. b-сәулелерінің иондану қабілеті аз, а-бөлшектерге қарағанда шамамен 100 есе аз. Сондықтан b-бөлшектердің ену қабілеті а-бөлшектерге қарағанда әлдеқайда жоғары. Ауада b-бөлшектердің диапазоны 200 м, қорғасында 3 мм-ге дейін жетуі мүмкін. b-бөлшектердің массасы өте аз және жалғыз заряд болғандықтан, олардың ортадағы траекториясы сынық сызық болып табылады.

12.4.6 γ - сәулелер

12.4.1 тармағында атап өтілгендей, γ - сәулелер – бұл айқын корпускулалық қасиеттері бар қатты электромагниттік сәулелену. Ұғымдар γ ыдыраужоқ. γ - сәулелер еншілес ядро ​​қозған күйде болғанда, a- және b- ыдыраумен бірге жүреді. Атомдық ядролардың әрбір түрі үшін атом ядросындағы энергетикалық деңгейлер жиынтығымен анықталатын g-сәулелену жиіліктерінің дискретті жиыны болады. Сонымен, a- және g-бөлшектердің дискретті сәулелену спектрлері бар, және

b-бөлшектер - үздіксіз спектрлер. γ- және a-сәулелерінің сызықтық спектрінің болуы принципиалды маңызға ие және оның дәлелі болып табылады атомдық ядроларбелгілі бір дискретті күйлерде болуы мүмкін.

Заттың γ-сәулелерін жұтуы келесі заң бойынша жүреді:

I = I 0 e - м x , (268)

Қайда Мен және мен 0 – интенсивтілігі γ – қалың зат қабатынан өткенге дейінгі және одан кейінгі сәулелер X; μ – сызықтық жұтылу коэффициенті. γ - сәулелердің затпен жұтылуы негізінен үш процестің арқасында жүреді: фотоэффект, Комптон эффектісі және электрон-позитронның түзілуі ( e+e-) бу. Сондықтан μ қосынды түрінде көрсетуге болады:

μ = μ f + μ k + μ p.(269)

γ-квантты атомдардың электрондық қабаты жұтқанда фотоэффект пайда болады, нәтижесінде электрондар ішкі қабаттардан шығып кетеді. электронды қабық. Бұл процесс деп аталады фотоэлектрлік абсорбцияγ - сәулелер. Есептеулер көрсеткендей, ол γ - кванттар ≤ 0,5 МэВ энергияларында маңызды. Жұтылу коэффициенті μf атомдық нөмірге байланысты Ззаттар және γ - сәулелердің толқын ұзындығы. Атомдардағы, молекулалардағы немесе электрондардың байланыс энергиясымен салыстырғанда γ - кванттардың энергиясы көбірек өседі. кристалдық торзаттар, γ - фотондардың электрондармен әрекеттесуі табиғатта бос электрондармен әрекеттесуіне барған сайын жақындап келеді. Бұл жағдайда орын алады Комптондық шашырауγ - μ k шашырау коэффициентімен сипатталатын электрондардағы сәулелер.

γ - квант энергиясының электронның тыныштық энергиясынан екі есе асатын мәндерге дейін ұлғаюымен 2 m o c 2 (1,022 МэВ), әсіресе ауыр заттарда электрон-позитрондық жұптардың түзілуімен байланысты γ - сәулелерінің аномальды үлкен жұтылуы орын алады. Бұл процесс сіңіру коэффициентімен сипатталады μ б.

γ-сәулеленудің өзі салыстырмалы түрде әлсіз иондаушы қабілетке ие. Ортаның иондануы негізінен барлық үш процесте пайда болатын екінші реттік электрондар арқылы жүзеге асады. γ - сәулелер енетін сәулелердің бірі болып табылады. Мысалы, қаттырақ γ - сәулелер үшін жартылай жұтатын қабаттың қалыңдығы қорғасында 1,6 см, темірде 2,4 см, алюминийде 12 см, жерде 15 см.

Физикада элементар бөлшектер олардың құрамдас бөліктеріне бөлінбейтін атом ядросының масштабындағы физикалық объектілер болды. Дегенмен, бүгінде ғалымдар олардың кейбірін екіге бөле алды. Бұл кішкентай заттардың құрылымы мен қасиеттерін бөлшектер физикасы зерттейді.

Барлық заттарды құрайтын ең кішкентай бөлшектер ерте заманнан белгілі. Дегенмен, «атомизм» деп аталатын ғылымның негізін салушылар философтар болып саналады Ежелгі ГрецияЛевкипп және оның әйгілі шәкірті Демокрит. Соңғысы «атом» терминін енгізді деген болжам бар. Ежелгі грек тілінен «атомос» «бөлінбейтін» деп аударылады, бұл ежелгі философтардың көзқарастарын анықтайды.

Кейінірек атомды әлі де екі физикалық нысанға – ядро ​​мен электронға бөлуге болатыны белгілі болды. Соңғысы кейіннен 1897 жылы ағылшын Джозеф Томсон катодтық сәулелермен тәжірибе жүргізіп, олардың массасы мен зарядтары бірдей бірдей бөлшектердің ағыны екенін анықтаған кезде бірінші элементар бөлшек болды.

Томсонның жұмысымен қатар рентгендік сәулеленуді зерттейтін Анри Беккерель уранмен тәжірибелер жүргізіп, жаңа түрірадиация. 1898 жылы француз физиктері Мари мен Пьер Кюри әртүрлі радиоактивті заттарды зерттеп, бірдей радиоактивті сәулеленуді ашты. Кейінірек оның альфа (2 протон және 2 нейтрон) және бета бөлшектерден (электрондар) тұратыны анықталады және Беккерель мен Кюри алады. Нобель сыйлығы. Мари Склодовска-Кюри уран, радий және полоний сияқты элементтермен зерттеу жүргізген кезде ешқандай қауіпсіздік шараларын қолданбады, оның ішінде қолғапты да пайдаланбады. Нәтижесінде 1934 жылы ол лейкоз ауруына шалдыққан. Ұлы ғалымның жетістіктерін еске алу үшін Кюри жұбы ашқан элемент полоний Марияның отаны - Полония, латын тілінен - ​​Польшаның құрметіне аталды.

V Солвэй конгресінен фотосурет 1927 ж. Осы фотодағы осы мақаланың барлық ғалымдарын табуға тырысыңыз.

1905 жылдан бастап Альберт Эйнштейн өзінің жарияланымдарын жарықтың толқындық теориясының жетілмегендігіне арнады, оның постулаттары эксперименттердің нәтижелеріне қайшы келеді. Бұл кейіннен көрнекті физикті «жарық кванты» - жарық бөлігі туралы идеяға әкелді. Кейінірек, 1926 жылы оны американдық физик-химик Гилберт Н. Льюис гректің «phos» («жарық») тілінен аударған «фотон» деп атады.

1913 жылы ағылшын физигі Эрнест Резерфорд сол кезде жүргізілген тәжірибелердің нәтижелеріне сүйене отырып, көптеген химиялық элементтердің ядроларының массалары сутегі ядросының массасына еселік болатынын атап өтті. Сондықтан ол сутегі ядросын басқа элементтердің ядроларының құрамдас бөлігі деп есептеді. Өз тәжірибесінде Резерфорд альфа-бөлшектері бар азот атомын сәулелендіріп, нәтижесінде Эрнест басқа грек «protos» (бірінші, негізгі) «протон» деп атаған белгілі бір бөлшекті шығарды. Кейінірек протонның сутегі ядросы екені тәжірибе жүзінде расталды.

Протон жалғыз емес екені анық құрамдасхимиялық элементтердің ядролары. Бұл идея ядродағы екі протонның бір-бірін итеріп, атомның лезде ыдырайтындығымен негізделген. Сондықтан Резерфорд массасы протонның массасына тең, бірақ зарядсыз басқа бөлшектің болуы туралы гипотеза жасады. Ғалымдардың радиоактивті және жеңіл элементтердің өзара әрекеттесуі бойынша кейбір тәжірибелері оларды тағы бір жаңа сәулеленудің ашылуына әкелді. 1932 жылы Джеймс Чедвик оның нейтрондар деп атаған өте бейтарап бөлшектерден тұратынын анықтады.

Осылайша, ең белгілі бөлшектер: фотон, электрон, протон және нейтрон.

Әрі қарай, жаңа субядролық нысандардың ашылуы жиі кездесетін оқиға болды және қазіргі уақытта әдетте «элементар» деп саналатын 350-ге жуық бөлшектер белгілі. Олардың әлі бөлінбегендері құрылымсыз болып саналады және «іргелі» деп аталады.

Спин дегеніміз не?

Физика саласындағы одан әрі инновациялармен алға жылжу алдында барлық бөлшектердің сипаттамаларын анықтау керек. Ең танымал, массалық және электр зарядтарынан басқа, спинді де қамтиды. Бұл шама басқаша «ішкі бұрыштық импульс» деп аталады және тұтастай алғанда субядролық объектінің қозғалысына ешқандай қатысы жоқ. Ғалымдар спиндері 0, ½, 1, 3/2 және 2 болатын бөлшектерді анықтай алды. Спинді объектінің қасиеті ретінде жеңілдетілген болса да елестету үшін келесі мысалды қарастырыңыз.

Нысанның айналуы 1-ге тең болсын. Сонда мұндай нысан 360 градусқа бұрылғанда бастапқы орнына оралады. Ұшақта бұл нысан қарындаш болуы мүмкін, ол 360 градусқа бұрылғаннан кейін өзінің бастапқы орнында аяқталады. Нөлдік айналдыру жағдайында, нысан қалай айналса да, ол әрқашан бірдей көрінеді, мысалы, бір түсті шар.

½ айналдыру үшін сізге 180 градусқа бұрылғанда сыртқы түрін сақтайтын нысан қажет болады. Бұл бірдей қарындаш болуы мүмкін, тек екі жағынан симметриялы түрде өткірленген. 2 айналдыру 720 градусқа бұрылғанда пішінді сақтауды қажет етеді, ал 3/2 айналдыру үшін 540 қажет.

Бұл қасиет өте үлкен мәнбөлшектер физикасы үшін.

Бөлшектер мен әрекеттесулердің стандартты моделі

Құрайтын микронысандардың әсерлі жиынтығының болуы қоршаған орта, ғалымдар оларды құрылымдауға шешім қабылдады және осылайша «Стандартты модель» деп аталатын белгілі теориялық құрылым қалыптасты. Ол үш өзара әрекеттесу мен 61 бөлшекті 17 іргелі бөлшектерді қолдана отырып сипаттайды, олардың кейбіреулерін ашудан көп бұрын болжаған.

Үш өзара әрекеттесу:

• Электромагниттік. Ол электрлік зарядталған бөлшектер арасында пайда болады. Қарапайым жағдайда, мектептен белгілі, қарама-қарсы зарядталған заттар тартады, ал ұқсас зарядталған заттар итереді. Бұл электромагниттік өзара әрекеттесу деп аталатын тасымалдаушы - фотон арқылы болады.
• Күшті, басқаша ядролық әрекеттесу деп аталады. Аты айтып тұрғандай, оның әрекеті атом ядросы ретті объектілерге таралады, ол протондардың, нейтрондардың және кварктардан тұратын басқа бөлшектердің тартылуына жауап береді. Күшті әрекеттесу глюондар арқылы жүзеге асады.
• Әлсіз. Өзек өлшемінен мыңдаған кіші қашықтықта тиімді. Бұл әрекеттесуге лептондар мен кварктар, сондай-ақ олардың антибөлшектері қатысады. Сонымен қатар, әлсіз өзара әрекеттесу жағдайында олар бір-біріне айнала алады. Тасымалдаушылар W+, W− және Z0 бозондары болып табылады.

Осылайша Стандартты модель келесідей құрылды. Ол алты кваркты қамтиды, олардан барлық адрондар (күшті әсерлесетін бөлшектер) тұрады:

• Жоғарғы(u);
• Сиқырлы (c);
• true(t);
• Төменгі (d);
• Біртүрлі(дер);
• Керемет (б).

Физиктердің эпитеттері көп екені анық. Қалған 6 бөлшек лептондар. Бұл күшті әсерлесуге қатыспайтын спинінің ½ негізгі бөлшектері.

• Электрон;
• Электрондық нейтрино;
• Муон;
• Муон нейтрино;
• тау лептоны;
• Тау нейтрино.

Ал Стандартты модельдің үшінші тобы 1-ге тең спинге ие және өзара әрекеттесулердің тасымалдаушылары ретінде ұсынылған калибрлі бозондар:

• Глюон – күшті;
• Фотон – электромагниттік;
• Z-бозон - әлсіз;
• W бозоны әлсіз.

Бұларға жақында табылған спин-0 бөлшектері де кіреді, ол қарапайым сөзбен айтқанда, барлық басқа субядролық объектілерге инертті масса береді.

Нәтижесінде, Стандартты Модельге сәйкес, біздің әлем былай көрінеді: барлық материя адрондарды құрайтын 6 кварктан және 6 лептоннан тұрады; бұл бөлшектердің барлығы үш әрекеттесуге қатыса алады, олардың тасымалдаушылары калибрлі бозондар болып табылады.

Стандартты үлгінің кемшіліктері

Дегенмен, стандартты модель болжаған соңғы бөлшек Хиггс бозоны ашылғанға дейін ғалымдар оның шегінен шығып кетті. Мұның жарқын мысалы деп аталатындар. «гравитациялық өзара әрекеттесу», ол бүгінде басқалармен тең. Оның тасымалдаушысы спин 2 болатын, массасы жоқ және физиктер әлі анықтай алмаған бөлшек - «гравитон» болуы мүмкін.

Сонымен қатар, Стандартты модель 61 бөлшекті сипаттайды, ал бүгінде 350-ден астам бөлшектер адамзатқа белгілі. Демек, теориялық физиктердің жұмысы біткен жоқ.

Бөлшектердің классификациясы

Олардың өмірін жеңілдету үшін физиктер барлық бөлшектерді құрылымдық ерекшеліктеріне және басқа сипаттамаларына байланысты топтаған. Классификация келесі критерийлерге негізделген:

• Өмір кезеңі.
  1. Тұрақты. Оларға протон мен антипротон, электрон мен позитрон, фотон және гравитон жатады. Тұрақты бөлшектердің болуы уақытпен шектелмейді, егер олар бос күйде болса, яғни. ештеңемен араласпаңыз.
  2. Тұрақсыз. Барлық басқа бөлшектер біраз уақыттан кейін өзінің құрамдас бөліктеріне ыдырайды, сондықтан оларды тұрақсыз деп атайды. Мысалы, мюон бар болғаны 2,2 микросекунд, ал протон - 2,9 10 * 29 жыл өмір сүреді, содан кейін ол позитронға және бейтарап пионға ыдырауы мүмкін.
• Салмағы.
  1. Массасыз элементар бөлшектер, оның ішінде тек үшеуі бар: фотон, глюон және гравитон.
  2. Қалғандары массивтік бөлшектер.
• Айналдыру мәні.
  1. Толық айналдыру, соның ішінде. нөл, бозондар деп аталатын бөлшектері бар.
  2. Жартылай бүтін спинді бөлшектер фермиондар болып табылады.
• Өзара әрекеттестікке қатысу.
  1. Адрондар (құрылымдық бөлшектер) өзара әрекеттесудің барлық төрт түріне қатысатын субядролық объектілер. Олардың кварктардан тұратыны жоғарыда айтылған болатын. Адрондар екі түршеге бөлінеді: мезондар (бүтін спин, бозондар) және бариондар (жартылай бүтін спин, фермиондар).
  2. Негізгі (құрылымсыз бөлшектер). Оларға лептондар, кварктар және габариттік бозондар жатады (бұрын оқыңыз – «Стандартты үлгі..»).

Барлық бөлшектердің жіктелуімен танысқаннан кейін, мысалы, олардың кейбірін дәл анықтауға болады. Сонымен нейтрон фермион, адрон, дәлірек айтсақ барион және нуклон, яғни жартылай бүтін спинге ие, кварктардан тұрады және 4 әрекеттесуге қатысады. Нуклон - протондар мен нейтрондардың жалпы атауы.

• Бір қызығы, атомдардың бар екенін болжаған Демокрит атомизміне қарсы шыққандар дүниедегі кез келген зат шексіз бөлінеді деп тұжырымдаған. Кейбір дәрежеде олар дұрыс болуы мүмкін, өйткені ғалымдар атомды ядро ​​мен электронға, ядроны протон мен нейтронға, ал олар өз кезегінде кварктарға бөле алды.
• Демокрит атомдар айқын геометриялық пішінге ие, сондықтан оттың «өткір» атомдары жанады, өрескел атомдар деп есептеді. қатты заттаршығыңқы жерлерімен бір-біріне мықтап ұсталады, ал тегіс су атомдары әрекеттесу кезінде сырғып кетеді, әйтпесе олар ағып кетеді.
• Джозеф Томсон атомның жеке моделін құрастырды, ол электрондар «жабысып қалған» оң зарядталған дене ретінде көрді. Оның моделі «Өрік пудингі моделі» деп аталды.
• Кварктар өз атауын американдық физик Мюррей Гелл-Манның арқасында алды. Ғалым үйректің (кворк) дыбысына ұқсас сөзді қолданғысы келген. Бірақ Джеймс Джойстың Finnegans Wake романында ол «Марк мырза үшін үш кварк!» жолында «кварк» сөзін кездестірді, оның мағынасы нақты анықталмаған және Джойс оны тек рифма үшін қолданған болуы мүмкін. Мюррей бөлшектерді бұл сөз деп атауға шешім қабылдады, өйткені ол кезде тек үш кварк белгілі болды.
• Фотондар, жарық бөлшектері массасы жоқ болса да, қара тесікке жақын жерде тартылыс күштері тартылғандықтан, олар траекториясын өзгертетін сияқты. Шын мәнінде, аса массивті дене кеңістік-уақытты иеді, сондықтан кез келген бөлшектер, соның ішінде массасы жоқ бөлшектер, қара тесікке қарай траекториясын өзгертеді (қараңыз).
• Үлкен адрондық коллайдер «адрондық» болып табылады, өйткені ол барлық өзара әрекеттесуге қатысатын атом ядросының реті бойынша өлшемдері бар адрондардың екі бағытталған шоқтарымен соқтығысады.