Основы радиохимии и радиоэкологии (стр. 4 из 63)
Все известные элементарные частицы в зависимости от их массы покоя можно разделить на три группы ( таблица 2.1):
1. Частицы с массой покоя m ≤ me называются лептонами. К лептонам относятся электроны, позитроны, нейтрино, мюоны. К лептонам причисляют также фотоны. Масса покоя фотона равна нулю. Электрон и позитрон - самые легкие заряженные частицы. Масса электрона me = 5,48·10-4а.е.м(0,52 МэВ). Все лептоны кроме мюонов абсолютно устойчивы. Самыми тяжелыми лептонами являются мюоны. Мюоны распадаются со средним временем жизни около 2·10ֿ6с на другие лептоны( электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино).
μˉ → eˉ + ν̃е + νμ
μ+ → e+ + νе + ν̃μ,
где νе и νμ –электронное и мюонное нейтрино, а ν̃е и ν̃μ – электронное и мюонное антинейтрино. Электронные и мюонные нейтрино являются самыми легкими из лептонов. Не имея массы покоя и не взаимодействуя электрическими и ядерными силами с другими частицами, нейтрино обладают исключительной проникающей способностью. Представление о нейтрино было введено итальянским физиком Энрико Ферми в 1934 г. для объяснения кажущейся потери энергии и углового момента при бета- распаде ядер. В 1956 г. впервые удалось зарегистрировать ядерные реакции, обусловленные нейтрино.
Тогда же было установлено, что есть две разновидности нейтрино: электронное и мюонное, и каждое из них отличается от соответствующей античастицы. Первые реакции, вызванные нейтрино были обнаружены с электронными антинейтрино, которые испускаются из активной зоны ядерного реактора при превращении избыточных нейтронов в протоны в осколках деления ядер урана или плутония. При энергии выше 1,8 Мэв антинейтрино попав на протон, может вызвать реакцию обратную бета-распаду
ν̃е+ p+ →n + e+
Образовавшиеся позитроны аннигилируют с электронами с образованием двух гамма-квантов, которые при прохождении через сцинтилляторы вызывают две вспышки. Эти вспышки света можно зарегистрировать.
До сих пор не было ни малейшего намека на существование внутренней структуры у лептонов.
2. Частицы с массой покоя me< m < 1000me относятся к мезонам. Мезонами называются все сильно взаимодействующие между собой и нуклонами частицы. Мезоны рождаются при столкновении нуклонов или при распаде «возбужденных» состояний нуклонов. Мезоны сильно различаются по величине внутренней энергии и среднему времени жизни. Например, пионы обладают внутренней энергией от 134,9 до 135,6 Мэв, а среднее время жизни изменяется от 2,6·10-8 с до 1,8·10-16с. Среднее время жизни омега - мезонов составляет 10-22 –10-23 с, внутрення энергия - 783 Мэв.
3. Частицы с массой покоя m >1000me относятся к барионам (адронам). Барионы делятся на две группы: нуклоны с массой покояm≈1836-1839meи гипероны, масса которых превышает 2000 me.
К нуклонам относятся протоны и нейтроны. Протон - стабильная частица – представляет собой ядро атома водорода и не изменяет своих свойств во времени. Нейтрон - вне ядра не стабилен и самопроизвольно превращается в протон, электрон и антинейтрино с периодом полураспада 12,5 мин. В атомном ядре нейтроны могут существовать вечно.
Гипероны рождаются при столкновении пионов высокой энергии с нуклонами. Гипероны – более тяжелые частицы, чем нуклоны и взаимодействуют между собой и нуклонами. Среднее время жизни гиперонов 10-10 с. Испуская пионы, гамма-кванты и лептоны они превращаются в протоны. Регистрируют гипероны с помощью пузырьковых камер или в толстых слоях фотоэмульсий. В пузырьковой камере в перегретой жидкости на пути движения заряженной частицы вследствие ионизации образуются пузырьки, фотографируя которые можно фиксировать путь движения частицы. Обычно он составляет 1-2 см.
Мезоны и все барионы (за исключением протонов) являются нестабильными частицами со временем жизни от 10-20 до 2.10-6с.
Таблица 2.1 Элементарные частицы
| Группа частиц | Элементарные частицы | Обозна-чение | Заряд | Масса покоя(МэВ) | Распад | Среднее время жизни, с | |
| Лептоны | фотоны | γ | 0 | 0 | – | ∞ | |
| Нейтрино | ν | 0 | <2·10-4 | – | ∞ | ||
| Антинейтрино | ν̃ | 0 | 0 | – | ∞ | ||
| Электрон:негатронпозитрон | |||||||
| eˉ, bˉ | e– | 0.511 | – | ∞ | |||
| e+, b+ | e+ | – | ∞ | ||||
| Мюоны | μ+ | e+ | 105.7 | e++ ν + ν̃ | 2,20·10-6 | ||
| μˉ | e+ | eˉ+ ν + ν̃ | |||||
| Мезоны | Пионы | π+ | e+ | 139.6 | μ++ ν | 2,55·10-8 | |
| πˉ | e– | μˉ+ ν̃ | |||||
| π0 | 0 | 135.0 | 2γ | 1,1·10-16 | |||
| К- частицаКаоны | К+ | е+ | 493.8 | μ++ νm, π+ π0, π+ π+ πˉ | 1.24·10-8 | ||
| К- | е- | ||||||
К  | 0 | 497.8 | π+ πˉ π0 π0 | 0,89·10-10 | |||
К  | 0 | π  e n  π  m  nm, π+ πˉ π0 | 5.2·10-8 | ||||
| Барионы | Нуклоны | Протон | р+ | e+ | 938.25 | – | ∞ |
| Антипротон | рˉ | e– | |||||
| Нейтрон | n | 0 | 939.55 | р++eˉ+ ν̃ | 1,013·103 | ||
| Антинейтрон | ֿn | 0 | рˉ+ e++ ν | ||||
| Гипероны | Ламда-частица | Λ0 | 0 | 1115.4 | р++ πˉ(65%)n+ π0(35%) | 2,4·10-10 | |
| Сигма-частица | Σ+ | +e | 1189.2 | р++ π0(~50%)n+ π+ (~50%) | 0,77·10-10 | ||
| Σ0 | 0 | 1192.4 | Λ0+ ν | <10-11 | |||
| Σ ˉ | e+ | 1197.3 | n+ πˉ | 1,61·10-10 | |||
| Кси-частица | Ξ ˉ | e– | 1321.0 | Λ0+ πˉ | 1,7·10-10 | ||
| Ξ0 | 0 | 1314.7 | Λ0+ π0 | 2,7·10-10 | |||
| Омега-частица | Ωˉ | e– | 1675 | Ξ+ π Λ+Кчаст. | 1,3·10-10 | ||
В природе процессы рождения элементарных частиц происходят при взаимодействии с веществом быстрых частиц из состава космического излучения или ускоренных искусственно в специальных установках- ускорителях.
Удивительная особенность элементарных частиц состоит в том, что хотя ни одна частица не может считаться построенной из других элементарных частиц, все они способны к взаимным превращениям. Существует всего несколько четко очерченных типов фундаментальных взаимодействий, которым подвержены элементарные частицы: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия. Они, прежде всего, резко отличаются интенсивностью, но для них различны также и радиусы действия и присущие им внутренние симметрии. Любая элементарная частица может рождаться и погибать в результате сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий с другими частицами. Самым интенсивным и наиболее симметричным является сильное взаимодействие. Оно лежит в основе ядерных сил, действующих между частицами, входящими в состав атомных ядер,– протонами и нейтронами. Именно оно обусловливает структуру ядра. Частицы, подверженные сильному взаимодействию получили название адронов ( греч. «крупный, массивный). Сильное взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях, меньше или равном 10-15 м ; на больших расстояниях сильное взаимодействие не проявляется. К группе адронов относятся входящие в состав ядра протоны и нейтроны, а также большие совокупности мезонов, гиперонов и резонансов. В сильном взаимодействии не участвуют лептоны – группа частиц со спином ½: электрон (е), мюон (μ), тау-лептон(τ) и соответствующие нейтрино 
, 
, 
.Фотоны участвуют только в электромагнитных взаимодействиях. Электромагнитному взаимодействию подвержены также все заряженные частицы. По интенсивности оно в сто раз уступает сильному взаимодействию, но зато радиус его действия не ограничен, как радиус сильного взаимодействия.
В последние годы были открыты новые частицы и выдвинуты предположения о существовании некоторых бесструктурных частиц - кварков, из которых возможно, состоят все известные элементарные частицы. Однако обсуждение этих вопросов выходит за рамки настоящей книги.