Будову мікросвіту 2

Класифікація та властивості елементарних частинок

В даний час відомо близько 400 суб'ядерних частинок, які прийнято називати елементарними. Переважна більшість цих частинок є нестабільними.

Здатність до взаємних перетворень - це найбільш важлива властивість всіх елементарних частинок. Елементарні частинки здатні народжуватися і знищуватися (испускаться і поглинатися). Це відноситься також і до стабільних часток з тією тільки різницею, що перетворення стабільних часток відбуваються не спонтанно, а при взаємодії з іншими частинками. Прикладом може служити анігіляція (тобто зникнення) електрона і позитрона, що супроводжується народженням фотонів великої енергії. Може протікати і зворотний процес - народження електронно-позитронної пари, наприклад, при зіткненні фотона з досить великою енергією з ядром. Такий небезпечний двійник, яким для електрона є позитрон, є і у протона. Він називається антипротонів. Електричний заряд антипротона негативний. В даний час античастинки знайдені у всіх частинок. Античастинки протиставляються часткам тому, що при зустрічі будь-якої частинки зі своєю античастинкою відбувається їх анігіляція, тобто обидві частки зникають, перетворюючись в кванти випромінювання або інші частинки.

Античастинка виявлена ​​навіть у нейтрона. Нейтрон і антинейтрон відрізняються тільки знаками магнітного моменту і так званого баріонів заряду. Можливо існування атомів антиречовини. ядра яких складаються із антінуклонов, а оболонка - з позитронів. При анігіляції антиречовини із речовиною енергія спокою перетворюється в енергію квантів випромінювання. Це величезна енергія, значно перевершує ту, яка виділяється при ядерних і термоядерні реакції.

У загальній масі елементарних частинок можна виділити кілька характерних груп.

Фотони - кванти (частки, порції) електромагнітного поля.

Чи не мають масу. Проте можуть переносити енергію і імпульс.

h називається постійної Планка і вона дорівнює дж # 8729; с.

Фотони - це частинки, які принципово не можуть перебувати в стані спокою. Вони рухаються завжди зі швидкістю м / с. Це найбільша швидкість в природі. Швидше неспроможна рухатися ні одна частинка.

Червоне світло має довжину хвилі. При такій довжині хвилі, фотон має енергію

Багато це чи мало? Таку енергію набуває електрон, переміщаючись між точками з різницею потенціалів в 2.3 ст. Знайдемо швидкість, яку може при цьому придбати такий електрон.

Тобто, якби фотон червоного світла зміг би передати всю свою енергію електрону при зіткненні з ним, то від такої стусана електрон розігнався б до швидкості 830 км / с. Вельми непогано, ось тільки віддати всю енергію електрону при зіткненні фотон не може, інакше порушиться закон збереження імпульсу, а порушувати закони елементарні частинки не можуть.

Якщо не враховувати релятивістські ефекти, то закони збереження енергії і імпульсу при зіткненні фотона з електроном, запишуться так:

Звідси отримуємо. але так як для нерелятівістскіх електронів, то

Отже, реальний "стусан", який отримає електрон при зіткненні з фотоном, буде набагато менше, але і фотон при цьому майже не втратить енергію.

Зазвичай у фізиці елементарних частинок доводиться мати справу з набагато більш високими швидкостями і енергіями. Цей приклад я навів для того, щоб ще раз підкреслити незвичайність проблеми, з якою зіткнулися фізики при вивченні мікросвіту. Всякий раз, стикаючись з незвичайним явищем, ми перш за все прагнемо його краще розгледіти. Якщо явище занадто далеко або дуже дрібне, ми використовуємо спеціальні прилади: телескопи, мікроскопи. Навіть якщо ми щось ніяк не можемо розглядати, нам все одно потрібно знати, як воно виглядає, для того щоб представити це щось хоча б в уяві. Настільки ми звикли довіряти своєму зору. Але об'єкти мікросвіту принципово не можна розглядати, адже навіть низькоенергетичними червоні фотони здатні принципово зруйнувати ту картину мікросвіту, яку ми хотіли б розглянути. При цьому треба зазначити, що червоне світло принципово не придатний для розглядання таких малих об'єктів, як електрони, через велику довжину хвилі. Щоб побачити електрони ми повинні були б використовувати хвилі (фотони) з набагато меншою довжиною хвиль і більше частотою. Такі високоенергетичних фотони діють на електрони, як протитанкові снаряди на більярдні кулі. Хоча будь-яке порівняння явищ мікросвіту і макросвіту не можна приймати занадто серйозно.

У цю групу входять два сорти нейтрино (електронне та мюонне), електрон і # 956; мезон і ще ряд частинок. Всі лептони мають спін.

Лептони не мають внутрішньої структури. Електрон має заряд Кл. і масу кг = 0.511Мев.

Беруть участь в сильних взаємодіях і в усіх інших. Загальна кількість близько чотирьохсот.

Мезони - є частинками з цілочисельним спіном (нульовим). такі частинки

Ядерна фізика - адрони з напівцілим спіном (ферміони) і масами не менш маси протона. За винятком протона все нестабільні.

Велика кількість відкритих і знову відкриваються адронів навела вчених на думку, що всі вони побудовані з якихось інших більш фундаментальних частинок. У 1964 р американським фізиком М. Гелл-Маном була висунута гіпотеза, підтверджений наступними дослідженнями що всі важкі фундаментальні частинки - адрони - побудовані з більш фундаментальних частинок, названих кварками. На основі кваркової гіпотези не тільки була зрозуміла структура вже відомих адронів, а й передбачене існування нових. Теорія Гелл-Мана припускала існування трьох кварків і трьох антикварків, що з'єднуються між собою в різних комбінаціях. Так, кожен баріон складається з трьох кварків. На малюнку для прикладу показано будову протона і нейтрона. Антібаріонов будується з трьох антикварків. Мезони складаються із пар кварк-антікварк.

З прийняттям гіпотези кварків вдалося створити струнку систему елементарних частинок. Однак передбачені властивості цих гіпотетичних частинок виявилися досить несподіваними. Електричний заряд кварків повинен виражатися дробовими числами, рівними і елементарного заряду.

Численні пошуки кварків у вільному стані, що вироблялися на прискорювачах високих енергій і в космічних променях, виявилися безуспішними. Вчені вважають, що однією з причин ненаблюдаемости вільних кварків є, можливо, їх дуже великі маси. Це перешкоджає народженню кварків при тих енергіях, які досягаються на сучасних прискорювачах. Проте, більшість фахівців зараз впевнені в тому, що кварки існують всередині важких частинок - адронів.

Фундаментальні взаємодії. Процеси, в яких беруть участь різні елементарні частинки, сильно розрізняються за характерними часами їх протікання і енергій. Відповідно до сучасних уявлень, у природі здійснюється чотири типи взаємодій, які не можуть бути зведені до інших, більш простих видів взаємодій: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне. Ці типи взаємодій називають фундаментальними.

Сильне (або ядерну) взаємодія - це найбільш інтенсивне з усіх видів взаємодій. Вони обумовлює виключно міцний зв'язок між протонами і нейтронами в ядрах атомів. У сильній взаємодії можуть брати участь тільки важкі частинки - адрони (мезони і баріони). Сильна взаємодія проявляється на відстанях порядку і менш 10 -15 м. Тому його називають короткодействующим.

Електромагнітна взаємодія. У цьому виді взаємодії можуть приймати участь будь-які електрично заряджені частинки, а так само фотони - кванти електромагнітного поля. Електромагнітне взаємодія відповідально зокрема, за існування атомів і молекул. Воно визначає багато властивостей речовин в твердому, рідкому і газоподібному станах. Кулонівське відштовхування протонів призводить до нестійкості ядер з великими масовими числами. Електромагнітне взаємодія обумовлює процеси поглинання і випромінювання фотонів атомами і молекулами речовини та багато інших процеси фізики мікро- і макросвіту.

Слабка взаємодія - найбільш повільне з усіх взаємодій, які протікають в мікросвіті. У конкурсі можуть брати участь будь-які елементарні частинки, крім фотонів. Слабка взаємодія відповідально за протікання процесів за участю нейтрино або антинейтрино, наприклад, # 946; розпад нейтрона а також безнейтринного процеси розпаду частинок з великим часом життя (# 964; ≥ 10 -10 с).

Гравітаційна взаємодія притаманне всім без винятку частинкам, однак через малість мас елементарних частинок сили гравітаційної взаємодії між ними нехтує малі і в процесах мікросвіту їх роль несуттєва. Гравітаційні сили відіграють вирішальну роль при взаємодії космічних об'єктів (зірки, планети і т. П.) З їх величезними масами.

У 30-і роки XX століття виникла гіпотеза про те, що в світі елементарних частинок взаємодії здійснюються за допомогою обміну квантами будь-якого поля. Ця гіпотеза спочатку була висунута нашими співвітчизниками І. Е. Таммом і Д. Д. Іваненко. Вони припустили, що фундаментальні взаємодії виникають в результаті обміну частками, подібно до того, як ковалентний хімічний зв'язок атомів виникає при обміні валентними електронами, які об'єднуються на незаповнених електронних оболонках.

Взаємодія, що здійснюється шляхом обміну частками, отримало у фізиці назву обмінної взаємодії. Так, наприклад, електромагнітне взаємодія між зарядженими частинками, виникає внаслідок обміну фотонами - квантами електромагнітного поля.

Теорія обмінного взаємодії отримала визнання після того, як в 1935 р японський фізик Х. Юкава теоретично показало, що сильна взаємодія між нуклонами в ядрах атомів може бути пояснено, якщо припустити, що нуклони обмінюються гіпотетичними частинками, які отримали назву мезонів. Юкава обчислив масу цих частинок, яка виявилася приблизно рівною 300 електронним масам. Частинки з такою масою були згодом дійсно виявлені. Ці частинки отримали назву π-мезонів (піонів). В даний час відомі три види піонів: π +. π - і π 0.