Свойства элементарных частиц

Позитрон – это антиэлектрон; он обладает точно такими же характеристиками, как и электрон, но представляет антивещество, которое при контакте с веществом полностью уничтожается (аннигилирует), с полным превращением всего вещества и антивещества в энергию в виде излучения.

Элементарные частицы лишены индивидуальных черт, это универсальные «кирпичики», из которых построены атомы всех химических элементов. В свою очередь, из атомов состоят все вещества (соединения) – от металлов и кристаллов алмаза до определяющих нашу индивидуальность молекул ДНК.

Электроны и протоны – стабильные частицы. Свободный нейтрон – нестабилен, распадается на протон и электрон (об этом в подразд. 1.4).

Вследствие ядерных сил(в физике принят термин сильные взаимодействия), действующих на очень малых расстояниях (менее 10^-15 м), протоны и нейтроны (эти тяжелые частицы объединяют термином нуклоны) могут объединяться в атомные ядра. В свою очередь, положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны образуют удерживаемые вместе электрическими силами атомы. Хотя эти силы значительно слабее, они действуют на бóльших расстояниях, чем ядерные.

Приблизительный размер атома 10^-10 м, или 1 Å. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, имеет размер всего примерно 10^-14 м и занимает только ~10^-10 % объема атома, но содержит более 99,95 % массы атома. Бóльшую часть пространства в атоме занимает электронная оболочка, содержащая в нейтральном атоме столько же электронов, сколько имеется в ядре протонов. Электронное строение атома рассматривается в разд. 2.

Как правило, атомные ядра и атомы – устойчивые образования, чтобы разрушить их, требуется затратить энергию. Ядерные силы превосходят электростатические взаимодействия между электронами и ядром на несколько порядков, поэтому для разрушения ядер требуется гораздо бóльшая энергия (примерно 1000 МэВ[*]), чем для разрушения атомов (примерно 1000 эВ). Соответственно при образовании стабильных ядер из элементарных частиц выделяется примерно на шесть порядков бóльшая энергия, чем при образовании атомов из ядер и электронов.

Энергия и масса любой частицы связаны уравнением Эйнштейна E = mc² (2)

(c – скорость света). Следовательно, если известна выделяющаяся при образовании атомного ядра энергия, можно рассчитать, насколько масса ядра будет меньше суммы масс составляющих ядро нуклонов: Dm = DE/c².

Это изменение массы Dm = Zm_p + Nm_n – M_Я, где Z и N – количество протонов и нейтронов в ядре, m_p, m_n, M_Я – массы протона, нейтрона и ядра соответственно, называется дефектом масс. В случае состоящего из двух протонов и двух нейтронов ядра гелия Dm = (2·1,67265 + 2·1,67495 – 6,64679)·10^-27 кг = 0,0484·10^-27 кг, что составляет примерно 0,7 % от полной массы покоя этого ядра, т. е. достаточно большую величину, которую нельзя не учитывать. Энергия связи ядра равна 0,0484·10^-27 кг´(3,00·10⁸ м/с)² = 4,36·10^-12 Дж = = 28,1 МэВ, или примерно 7 МэВ на один нуклон.

Строго говоря, любые процессы с выделением или поглощением энергии должны сопровождаться и изменением массы; но величина этих изменений обычно (например, при любых химических процессах) незначительна; так, характерные величины изменения энергии для химических реакций составляют не более 10 эВ или 1,6·10^-18 Дж на реагирующую частицу (сравните с приведенными выше величинами – они отличаются примерно в миллион раз, отсюда традиционное выражение мощности ядерных боеприпасов в Мт тротила). Соответственно и относительное изменение массы при химических реакциях составляет всего лишь менее чем 10^-6 % , что невозможно зафиксировать, да и не важно для описания и понимания химических процессов.

Полное превращение массы покоя в энергию образующихся фотонов возможно при взаимодействии (аннигиляции) пары частица–античастица (электрон–позитрон, нейтрон–антинейтрон и т. п.).

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличаются протон и нейтрон?

2. Какой заряд имеет антипротон?

3. Различимы ли электроны? протоны? атомные ядра?

4. Оцените плотность вещества в атомном ядре, в г/см³.

5. Из сравнения массы нейтрона и суммы масс протона и электрона определите, сопровождается ли превращение n ® p + e выделением или поглощением энергии.

6. Оцените (в Мт тротила) мощность «гипербомбы», основанной на аннигиляции 1 кг вещества и антивещества.

7. Сравните порядки величин сил различной природы, возникающих между двумя протонами в ядре: тяготения, электрического отталкивания и ядерных (при необходимости используйте школьный учебник физики).