Fyzika mikrosvěta
IF
Jaderné a subatomární reakce
4.3.1 Jaderné reakce
Pod jadernými reakcemi obecně rozumíme procesy, kdy se dva nukleony, nebo dvě jádra, nebo
nukleon či jiná částice a jádro, přiblíží k sobě na vzdálenost řádu 10-13cm, vstoupí do oblasti
působení silné jaderné interakce, což vyvolá v jádrech změny energií a konfigurací nukleonů,
které mohou vést k emisi dalších částic. Zkráceně můžeme říci, že jaderné reakce jsou přeměny
jader atomů vyvolané vnějším zásahem.
Jadernou reakci lze zapsat:
X + a → Y + b; Er
Na jádro atomu X dopadá částice a, interakcí je vyvolána přeměna nuklidu X na nuklid Y,
přičemž se uvolňuje částice b. Veličina Er vyjadřuje energetickou bilanci reakce, tj. uvolněnou
energii při exotermické reakci nebo dodanou energii u endotermické reakce.
První umělou jadernou reakci (první umělou transmutaci) uskutečnil E. Rutherford:
4
14
17
1
2 He
7N
8O
1H
Podobně jako při jiných fyzikálních dějích i při jaderných reakcích platí fyzikální principy. Mezi
ně patří především zákony zachování. Nejdůležitější je spojený zákon zachování hmotnosti
a energie:
Úhrnná relativistická energie částic účastnících se jaderné reakce se zachovává.
Tento zákon můžeme napsat ve tvaru:
E = EkX + m0Xc2 + Eka + m0ac2 = EkY + m0Yc2 + Ekb + m0bc2 = E´,
kde Ek je kinetická energie a m0 je klidová hmotnost částic.
Pomocí vztahu Ek + m0c2 = mc2 a dělením c2 dostaneme
m = mX + ma = mY + mb = m´, což
znamená, že se zachovává součet relativistických hmotností všech částic účastnících se děje. Součet
klidových hmotností m0 se ovšem nezachovává. Pokud v jaderných reakcích vystupují fotony γ (obvykle
jako částice b), je jejich energie E = h a hmotnost m = E/c2.
Pro všechny jaderné reakce také platí zákon zachování elektrického náboje, protože nositeli náboje
v jádře jsou protony, můžeme ho vyjádřit pomocí atomových čísel účastníků reakce:
Z = ZX + Za = ZY + Zb = Z´
a zákon zachování počtu nukleonů:
A = AX + Aa = AY + Ab = A´
4.4 Struktura subatomárních částic
Ve třicátých letech 20. století se zdálo, že základy struktury hmoty jsou již téměř vyřešeny.
Pochopení atomu umožňovaly tři částice: elektron, proton a neutron, plus zatím neprokázané
neutrino. Kvantová teorie umožňovala spočítat strukturu atomu a radioaktivní α-rozpad, její
aplikace na neutron a proton slibovala vyřešení struktury jádra.
Tyto naděje se ovšem vzápětí rozplynuly, dnes známe několik stovek částic, označovaných už jen
čísly, protože zásoba písmen řecké abecedy se brzy vyčerpala. Aby bylo možno takto velké
množství částic uspořádat, je třeba zvolit nějaký vhodný způsob jejich klasifikace. Existují
zhruba tři základní způsoby umožňující toto velké množství částic uspořádat:
Fyzika mikrosvěta
IF
Jaderné a subatomární reakce
1) Dělení podle kvantového spinového čísla
2) Dělení podle působící interakce
3) Dělení na částice a antičástice
Všechny částice mají vlastní moment hybnosti nazývaný spin, určený spinovým kvantovým
číslem. Částice s poločíselným spinovým kvantovým číslem (např. elektrony) se nazývají
fermiony, podle Fermiho, který (současně s P. Diracem) objevil statistické zákony, kterými se
řídí jejich chování. Protony a neutrony rovněž mají spin s = 1/2, jsou fermiony. Pro fermiony
platí Pauliho vylučovací princip (v daném kvantovém stavu se může nacházet jen jediná částice).
Částice s celočíselným (nebo nulovým) spinovým kvantovým číslem se nazývají bosony, podle
indického fyzika S. Boseho, který (současně s A. Einsteinem) objevil jejich statistické zákony.
Fotony, které mají spin s = 1, jsou bosony. Bosony se Pauliho vylučovacím principem neřídí,
v daném kvantovém stavu se může nacházet libovolný počet bosonů.
Částice také můžeme třídit podle sil, které na ně působí. Existují čtyři základní síly: gravitační
síla působí na všechny částice, ale její účinek je na úrovni subatomových částic tak slabý, že ji
nemusíme uvažovat (alespoň při současných výzkumech). Elektromagnetická síla působí na
všechny částice s nenulovým elektrickým nábojem, její účinek je dobře znám. Další v pořadí jsou
silná jaderná síla, což je síla, která k sobě váže nukleony, a slabá jaderná síla, která se projevuje
při β-rozpadu a podobných dějích. Slabá jaderná síla působí na všechny částice, silná jaderná síla
pouze na některé.
Částice můžeme rozdělit podle toho, jestli na ně působí silná jaderná síla. Částice, na něž působí,
nazýváme hadrony (protony, neutrony a piony). Částice, na které silná jaderná síla nepůsobí, kde
je tedy dominantní slabá jaderná síla, nazýváme leptony (elektrony a neutrina).
Poslední dělení je na částice a antičástice. V roce 1928 Dirac předpověděl, že elektron e− by měl
mít kladně nabitý protějšek se stejnou hmotností a spinem. Tento protějšek, pozitron e+, byl
objeven v roce 1932 v kosmickém záření. Postupně se dospělo k závěru, že ke každé částici
existuje také odpovídající antičástice. Členové takových dvojic mají stejnou hmotnost a spin, ale
opačné znaménko náboje (jsou-li nabité) a opačná znaménka dalších kvantových čísel.
Při setkání částice a její antičástice může dojít k vzájemné anihilaci. To znamená, že obě částice
zmizí a jejich souhrnná energie se objeví v jiných formách. Pro anihilující dvojici elektron
a pozitron se tato energie objeví ve formě dvou fotonů gama záření:
e− + e+ → γ + γ (Q = 1,02MeV).
Jestliže obě částice jsou při anihilaci v klidu, mají oba fotony stejnou energii, protože fotony
nemohou být v klidu, z důvodu zákona zachování hybnosti se rozletí do opačných směrů. Energii
těchto anihilačních fotonů vypočítáme z klidových hmotností obou částic pomocí Einsteinova
vztahu m0c2.
Leptony a kvarky
Podle současného stavu výzkumu je všechna hmota vytvořena ze šesti druhů leptonů a šesti
druhů kvarků. Všechny tyto částice mají spinové kvantové číslo 1/2 a jsou tedy fermiony (částice
s poločíselným spinovým kvantovým číslem). Ke každému leptonu i kvarku existuje antičástice.
Leptony jsou jednoduché částice, při detekci se chovají tak, jako by neměly žádné rozměry ani
vnitřní strukturu.
Fyzika mikrosvěta
IF
Jaderné a subatomární reakce
Patří mezi ně elektron (značka e, někdy pro upřesnění e−), dvěstěkrát těžší mion (značka µ, dříve
nazývaný mezon µ) a více než třítisíckrát těžší tauon (značka τ ). Všechny tři mají záporný
elektrický náboj o velikosti –1e. Každý z nich má své neutrino νe, νµ, ντ s hmotností téměř
nulovou a s nulovým elektrickým nábojem. Ke každému leptonu existuje antičástice. Antičástice
k nabitým leptonům mají kladný náboj, antičástici k elektronu nazýváme pozitron (značka e+),.
Částice s elektrickým nábojem na sebe působí elektromagnetickou silou zprostředkovávanou
vzájemně vyměňovanými virtuální fotony. Leptony působí na sebe i na kvarky slabou jadernou
silou, zprostředkovávanou hmotnými zprostředkujícími částicemi W a Z. Elektromagnetická
a slabá síla jsou různé projevy jediné síly, nazývané elektroslabá síla.
Při interakcích mezi částicemi platí zákon zachování leptonového čísla.
Kvarky
Šest kvarků (u - nahoru, d - dolů, s - podivný, c - půvabný, b - dolní, t - horní; v pořadí podle
zvětšující se hmotnosti) mají každý baryonové číslo +1/3 a náboj +2/3 e, nebo −1/3 e. Podivný
kvark má podivnost −1, ostatní mají podivnost rovnu nule. Pro antičástice jsou znaménka opačná.
Kvarky mezi sebou působí barevnou silou. Zprostředkující částice se v tomto případě nazývají
gluony a předpokládá se o nich, že mají podobně jako fotony nulovou hmotnost. Barevná síla
působí nejenom mezi kvarky, které váže do baryonů a mezonů, ale také mezi takto vytvořenými
částicemi; v této tradiční podobě je známa jako silná jaderná síla. Barevná síla tedy nejenom
váže kvarky tak, že vytvářejí protony a neutrony, ale váže také protony a neutrony tak, že
vytvářejí atomová jádra.
Hadrony: baryony a mezony
Částice, které na sebe působí silnou jadernou silou, se nazývají hadrony. Jedná se o baryony
fermiony (mají poločíselné spinové kvantové číslo (1/2, 3/2) a mezony patřící mezi bosony (mají
celočíselné spinové kvantové číslo (0, 1). Mezony mají baryonové číslo rovno nule; baryony mají
baryonové číslo rovno +1, nebo −1. Podle kvantové chromodynamiky jsou dovolené kombinace
kvarků buď kvark a antikvark, tři kvarky nebo tři antikvarky (tento závěr je v souladu s
experimentem). Všechny hadrony s výjimkou protonu jsou nestabilní. Při částicových reakcích
musí být splněn zákon zachování leptonového čísla a zákon zachování podivnosti.
Proton se skládá ze dvou u-kvarků (angl. up = nahoru) a jednoho
d-kvarku (angl. down = dolů).
Neutron je tvořen jedním u-kvarkem a dvěma d-kvarky.
I jiné částice dříve pokládané za elementární se skládají z kvarků.
Je zajímavé, že kvarků je známo šest druhů, tedy stejný počet
jako leptonů.
Download

Fyzika mikrosvěta