Квантовая и ядерная физика АННИГИЛЯЦИЯ– это один из видов взаимопревращений элементарных

Квантовая и ядерная физика
АННИГИЛЯЦИЯ– это один из видов взаимопревращений элементарных
частиц, в котором частица и соответствующая ей античастица превращаются
в электромагнитное излучение.
АНТИЧАСТИЦЫ– это элементарные частицы, отличающиеся от соответствующих им частиц знаком электрического, барионного и лептонного
зарядов, а также некоторых других характеристик. Массы частицы и античастицы строго одинаковы. Античастица чаще всего обозначается тем же символом, что и частица, но с тильдой наверху, например: «n~» – антинейтрон,
но антиэлектрон (позитрон) обозначается «е+».Существует несколько частиц,
которые в точности совпадают со своими античастицами (например, фотон).
БАРИОННЫЙ ЗАРЯД (барионное число) (b)– характеристика элементарных частиц, равная +1 для барионов, –1 для антибарионов и 0 для всех
остальных частиц. Например, у протона b = 1, у антинейтрона b = –1, у электрона b = 0. Отсутствие в природе таких процессов, при которых протон распадался бы на другие частицы (например, из протона образовался бы позитрон и гамма квант) и в которых выполнялся бы и закон сохранения энергии,
и закон сохранения импульса, и закон сохранения заряда, можно трактовать
как закон сохранения барионного заряда.
ВОЗБУЖДЁННОЕ СОСТОЯНИЕ квантовой системы (атома, молекулы,
атомного ядра и т. д.) – неустойчивое состояние с энергией, превышающей
энергию основного (нулевого) состояния.
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (индуцированное излучение) – это
электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомами или молекулами под действием внешнего излучения такой же частоты. Испущенное
вынужденное излучение совпадает с вынуждающим не только по частоте, но
и по направлению распространения, поляризации и фазе, ничем от него не
отличаясь.
ДЕФЕКТ МАССЫ – это разность между суммой масс частиц (тел), образующих связанную систему, и массой всей этой системы. В классической
механике Ньютона масса считается величиной аддитивной, теория относительности вскрыла приближенный характер такого представления. Точные
измерения масс ядер показали, что сумма масс протонов и нейтронов, образующих ядро, больше массы этого ядра.
ДОЗА ИЗЛУЧЕНИЯ – это физическая величина, являющаяся мерой радиационного воздействия на живые организмы радиоактивных излучений
или частиц высокой энергии. Различают поглощенную дозу излучения, эквивалентную дозу и экспозиционную дозу. Поглощенная доза – отношение
энергии, поглощенной телом к его массе. Измеряется в грэях. Эквивалентная
доза – произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения.
Измеряется в зивертах и вводится в связи с тем, что одинаковая энергия поглощенных частиц (например, β-излучения и α-излучения) производит поражение живого организма разной степени тяжести. Для характеристики меры
ожидаемой на основе медико-биологических исследований радиационной
опасности частицы вводится коэффициент качества излучения, который имеет значение от 1 до 20. Экспозиционная доза – количественная характеристика рентгеновского и γ-излучения, основанная на способности ионизовать молекулы воздуха. Она равна отношению суммарного заряда ионов одного знака, созданных в воздухе электронами и позитронами, образованными данным
излучением, к массе этого воздуха. В СИ измеряется в кулонах на килограмм.
Внесистемной единицей экспозиционной дозы является рентген: 1 Рентген =
0,258 микрокулон на килограмм.
ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА - количество нераспавшихся
радиоактивных ядер в любом образце уменьшается вдвое через каждый интервал времени, называемый периодом полураспада. Закон радиоактивного
распада является статистическим законом и справедлив при достаточно
большом числе радиоактивных ядер. Период полураспада не зависит от
внешних условий и от времени начала отсчета.
ЗАКОНЫ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
1-й закон: количество электронов, выбиваемых светом заданной длины
волны с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально интенсивности
света;
2-й закон: максимальная кинетическая энергия вырываемых светом
электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности;
3-й закон: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая минимальная частота света (или максимальная длина волны), при которой еще возможен фотоэффект, и если частота света меньше
этого критического значения, то фотоэффекта уже не происходит.
ИЗОТОПЫ – это разновидности данного химического элемента, различающиеся массовым числом своих ядер. Ядра изотопов одного элемента содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Имея одинаковое строение электронных оболочек, изотопы обладают практически одинаковыми химическими свойствами. Однако по физическим свойствам изотопы могут различаться весьма резко.
ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ– это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к ионизации ее атомов и молекул. Это рентгеновское излучение и γ-излучение, потоки β-частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов и т. д. Видимое и ультрафиолетовое излучения не относят к
ионизирующим излучениям.
КВАНТ СВЕТА (фотон)– порция энергии электромагнитного излучения,
элементарная частица, являющаяся порцией электромагнитного излучения,
переносчик электромагнитного взаимодействия. Термин, используемый для
описания света как потока нейтральных частиц, проявляющих и волновые
свойства в ряде экспериментов.
КВАРКИ– это точечные, бесструктурные образования, относящиеся к
истинно элементарным частицам, которые были введены для систематизации
многочисленных (более сотни) элементарных частиц, открытых в XX веке
(электрон, протон, нейтрон и т.д.). Характерной особенностью кварков, не
встречающейся у других частиц, является дробный электрический заряд,
кратный 1/3 элементарного. Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии к успеху не привели.
КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ– это универсальное свойство природы, заключающееся в том, что в поведении микрообъектов проявляются и корпускулярные, и волновые черты. Термин введен при развитии
квантовой физики, поскольку по представлениям классической физики движение частиц (корпускул) и распространение волн – принципиально разные
физические процессы. Оказалось, что в физике микромира такое представление неверно. Было установлено, что свет для объяснения закономерностей
фотоэффекта приходится считать потоком частиц, а для электронов и протонов можно наблюдать интерференцию и дифракцию.
КРАСНАЯ ГРАНИЦА ФОТОЭФФЕКТА – это минимальная частота
света ν0 или максимальная длина волны λ0, при которой еще возможен фотоэффект.
КРИТИЧЕСКАЯ МАССА– это минимальная масса ядерного топлива,
при которой возможна цепная реакция деления ядер.
ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор)– это источник света, работающий на принципе вынужденного излучения. Название «лазер» (LASER) образовано первыми буквами слов английского выражения Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает «усиление света с
помощью вынужденного излучения». Высокая степень когерентности и острая направленность лазерного излучения, а также возможность сконцентрировать в импульсе очень большую мощность (при достаточной интенсивности лазерный луч плавит и обращает в пар любое вещество) привело к широкому распространению лазеров в самых различных областях техники и медицины.
ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ– это оптические спектры, состоящие из отдельных спектральных линий. Линейчатые спектры характерны для излучения нагретых веществ, находящихся в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. Для линейчатого спектра излучения характерна следующая закономерность: атомы данного химического элемента излучают волны строго определенного набора частот, поэтому линейчатый спектр излучения у каждого химического элемента свой, не совпадающий со спектром ни
одного другого химического элемента. Линейчатым у отдельных атомов вещества является не только спектр излучения, но и спектр поглощения. Для
спектра поглощения справедлива следующая закономерность: атомы вещества поглощают свет как раз тех частот, которые они испускают в нагретом
состоянии; поэтому линии в спектре поглощения данного химического элемента расположены в тех же местах спектра, что и линии в спектре его излучения.
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ– это избыточное над тепловым электромагнитное
излучение тела (холодное свечение), вызванное либо бомбардировкой вещества электронами (катодолюминесценция), либо пропусканием через веще-
ство электрического тока (электролюминесценция), либо действием какоголибо облучения (фотолюминесценция).
ЛЮМИНОФОРЫ– это твердые и жидкие вещества, способные излучать
свет под действием потоков электронов (катодолюминофоры), ультрафиолетового излучения (фотолюминофоры) и т.п.
МАССОВОЕ ЧИСЛО– это число нуклонов (протонов и нейтронов) в
атомном ядре. Массовое число равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента. Для массового числа существует закон сохранения, являющийся частным случаем закона сохранения барионного заряда.
НЕЙТРИНО– это легкая (возможно, безмассовая) электрически
нейтральная частица, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Отличительное свойство нейтрино – огромная проникающая
способность. Считается, что эти частицы заполняют все космическое пространство со средней плотностью около 300 нейтрино на 1 см3.
НЕЙТРОН– это электрически нейтральная частица, имеющая массу, в
1839 раз превышающую массу электрона. Свободный нейтрон – нестабильная частица, распадающаяся на протон и электрон. Нейтрон является одним
из нуклонов (наряду с протоном) и входит в состав атомного ядра.
НЕПРЕРЫВНЫЙ СПЕКТР (сплошной спектр)– это спектр, содержащий
непрерывную последовательность всех частот (или длин волн) электромагнитных излучений, плавно переходящих друг в друга. Непрерывный спектр
дают раскаленные твердые тела, светящиеся жидкости, плотные газы, а также высокотемпературная плазма. В оптической области при разложении света от этих тел с помощью спектрального аппарата (спектроскопа или спектрографа) непрерывный спектр представляется в виде радужно окрашенной
полосы, в которой можно различить семь основных цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый), плавно переходящих друг в друга. Распределение энергии по частотам в непрерывном спектре излучения различных тел различно.
НУКЛОНЫ– это общее наименование для протонов и нейтронов – частиц, из которых построены атомные ядра.
ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ– это состояние атома, молекулы или какойлибо другой квантовой системы с наименьшим из возможных значений внутренней энергии. В отличие от возбужденных состояний основное состояние
является устойчивым.
ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА– это промежуток времени, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. У
разных элементов он может принимать значения от многих миллиардов лет
до долей секунды. Для каждого вида ядер период полураспада является строго постоянной величиной. Опыты с радиоактивными веществами показали,
что никакие внешние условия (нагревание до высоких температур, большие
давления и т. д.) не могут повлиять на характер и скорость распада.
ПОЗИТРОН– элементарная частица с положительным зарядом, равным
заряду электрона, с массой, равной массе электрона. Она является античастицей по отношению к электрону.
ПОЛОСАТЫЕ СПЕКТРЫ– это оптические спектры молекул и кристаллов, состоящие из широких спектральных полос, положение которых различно для различных веществ.
ПОСТУЛАТЫ БОРА– это основные принципы «старой» квантовой теории – теории атома, разработанной в 1913 г. датским физиком Бором.
Первый постулат Бора: атом может находиться не во всех состояниях,
допускаемых классической физикой, а только в особых квантовых (или стационарных) состояниях, каждому из которых соответствует определенная
энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.
Второй постулат Бора: при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения. Энергия излучаемого или поглощаемого при этом кванта (фотона)
равна разности энергий стационарных состояний.
ПРОТОН– это положительно заряженная элементарная частица, имеющая массу, превышающую массу электрона в 1836 раз; ядро атома водорода.
Протон (наряду с нейтроном) является одним из нуклонов и входит в состав
атомных ядер всех химических элементов.
РАБОТА ВЫХОДА– минимальная работа, которую необходимо совершить для удаления электрона из твердого или жидкого вещества в вакуум.
Работа выхода определяется родом вещества и состоянием его поверхности.
РАДИОАКТИВНОСТЬ– это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра, испуская при этом различные
частицы: Всякий самопроизвольный радиоактивный распад экзотермичен, то
есть происходит с выделением тепла.
СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ– это одно из четырех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, частным проявлением которого
являются ядерные силы. По сравнению с другими типами взаимодействий
является наиболее интенсивным. Обладает короткодействующим характером: радиус его действия составляет всего лишь 10–15 м. Сильное взаимодействие свойственно частицам, называемым адронами. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны.
СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ– это одно из четырех фундаментальных
взаимодействий элементарных частиц, частным проявлением которого является бета-распад атомных ядер. Слабое взаимодействие менее интенсивно,
чем сильное и электромагнитное взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного. Слабое взаимодействие свойственно почти всем частицам, однако радиус его действия чрезвычайно мал: ~10–18 м. Переносчиками слабого
взаимодействия являются промежуточные бозоны.
СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТЕЙ– это фундаментальное соотношение квантовой механики, согласно которому произведение неопределенностей («неточностей») в координате и соответствующей проекции импульса частицы при любой точности их одновременного измерения не может
быть меньше величины, равной половине постоянной Планка. Из соотношения неопределенностей следует, что чем точнее определяется местоположение частицы, тем менее точной оказывается информация о ее импульсе, и
наоборот.
СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ– это совокупность частот или длин волн, содержащихся в излучении данного вещества.
СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ– это совокупность частот (или длин волн)
электромагнитных излучений, поглощаемых данным веществом.
СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ– это метод определения химического состава вещества по его спектру. Различают качественный спектральный анализ, с помощью которого устанавливается, какие химические элементы входят в состав вещества, и количественный спектральный анализ, позволяющий
по интенсивности спектральных линий химического элемента определить его
количественное содержание в исследуемом образце.
СПИН– это собственный момент импульса элементарной частицы. Имеет квантовую природу и (в отличие от момента импульса обычных тел) не
связан с движением частицы как целого.
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ– это электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии испускающего его вещества. Характеризуется сплошным (непрерывным) спектром с максимумом, положение которого
зависит от температуры вещества. С ее увеличением общая энергия теплового излучения возрастает, а максимум перемещается в область более высоких
частот.
ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ– это ядерные реакции между легкими
атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (~108 К и
выше). При этом вещество находится в состоянии полностью ионизованной
плазмы. Необходимость высоких температур объясняется тем, что для слияния ядер в термоядерной реакции необходимо, чтобы они сблизились на
очень малое расстояние и попали в сферу действия ядерных сил. Этому
сближению препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие
между одноименно заряженными ядрами. Чтобы их преодолеть, ядра должны
обладать очень большой кинетической энергией. После начала протекания
термоядерной реакции вся энергия, потраченная на разогрев смеси, компенсируется энергией, выделяющейся в ходе протекания реакции.
ФОТОЭФФЕКТ (внешний фотоэффект)– это испускание электронов телами под действием света.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ– это условное название большой группы
микрообъектов, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона – ядра атома водорода).
ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНОГО ЯДРА– это минимальная энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. При
образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение энергии ядра, что сопровождается уменьшением массы, т. е. масса ядра должна быть меньше
суммы масс отдельных нуклонов, образующих это ядро. Разность между
суммой масс нуклонов (протонов и нейтронов) и массой состоящего из них
ядра, умноженная на квадрат скорости света в вакууме, и есть энергия связи
нуклонов в ядре. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется
удельной энергией связи.
ЭФФЕКТ КОМПТОНА– это уменьшение частоты электромагнитного
излучения при его рассеянии на свободных электронах. Наблюдается для
больших частот рассеиваемого излучения (в рентгеновской области и выше).
В эффекте Комптона проявляются квантовые свойства электромагнитного
излучения. Правильное объяснение эффекта было дано на основе представления о том, что электромагнитное излучение представляет собой поток фотонов, обладающих энергией и импульсом связанных с частотой излучения.
ЯДЕРНАЯ (ПЛАНЕТАРНАЯ) МОДЕЛЬ АТОМА– модель строения
атома, предложенная английским физиком Резерфордом, согласно которой
атом так же пуст, как Солнечная система. В центре атома ядро, которое заряжено положительно, и в нем сосредоточена практически вся масса атома. Ядро элемента с порядковым Z несет заряд, в Z раз превышающий элементарный, имеет размеры, в десятки тысяч раз меньшие размеров всего атома. Вокруг ядра под действием кулоновских электрических сил обращаются Z электронов, так что в целом атом нейтрален.
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ– это превращения атомных ядер в результате
взаимодействия друг с другом или какими-либо элементарными частицами.
Для осуществления ядерной реакции необходимо, чтобы сталкивающиеся
частицы сблизились на расстояние порядка 10–15 м. Ядерные реакции подчиняются законам сохранения энергии, импульса, электрического и барионного
зарядов. Ядерные реакции могут протекать как с выделением, так и с поглощением кинетической энергии, причем эта энергия примерно в 106 раз превышает энергию, поглощаемую или выделяемую при химических реакциях.
ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ – это мера взаимодействия нуклонов в атомном ядре.
Именно эти силы удерживают одноименно заряженные протоны в ядре, не
давая им разлететься под действием электрических сил отталкивания. Ядерные силы обладают рядом специфических свойств:
1. Ядерные силы на 2–3 порядка интенсивнее электромагнитных.
2. Ядерные силы имеют короткодействующий характер: радиус их действия R ~ 10–15 м (т. е. совпадает по порядку величины с радиусом атомного
ядра).
3. Ядерные силы являются силами притяжения на расстояниях ~ 10–15 м,
но на существенно меньших расстояниях между нуклонами переходят в силы
отталкивания.
4. Ядерные силы нецентральны; на классическом (неквантовом) языке
это означает, что они направлены под некоторым углом к прямой, соединяющей взаимодействующие частицы (силы такого типа называют тензорными
силами).
5. Ядерные силы обладают зарядовой независимостью, т. е. силы, действующие между нейтроном и нейтроном, между протоном и протоном, а
также между нейтроном и протоном, одинаковы.
6. Ядерные силы обладают свойством насыщения: каждый нуклон в ядре
притягивает к себе лишь небольшое число своих соседей, отталкивая при
этом остальные частицы.
7. Наряду с обычными (парными) ядерными силами существуют и так
называемые тройные (и вообще многочастичные) ядерные силы, радиус действия которых примерно вдвое меньше радиуса действия обычных парных
сил. (Под тройными имеют в виду силы между тремя частицами, обращающиеся в нуль при удалении на бесконечность хотя бы одной из этих частиц.)
8. Ядерные силы, по крайней мере частично, имеют обменный характер.
Согласно мезонной теории ядерных сил взаимодействие между нуклонами
осуществляется путем испускания и поглощения этими частицами квантов
особого пионного поля – пи-мезонов. Полной законченной теории ядерных
сил, которая объясняла бы и предсказывала все их свойства, пока еще не создано.
ЯДРО (атомное)– это положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточено 99,96% его массы. Радиус ядра ~10–15 м, что
приблизительно в сто тысяч раз меньше радиуса всего атома, определяемого
размерами его электронной оболочки.