Свойства элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом


СОДЕРЖАНИЕ:

Свойства элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом

Что такое электрический заряд? Откроем Большую Советскую Энциклопедию и прочтем: «Электрический заряд — свойство некоторых частиц (электронов, протонов, позитронов, некоторых видов мезонов), состоящее в том, что они всегда связаны с электрическим (электромагнитным) полем и испытывают определенные воздействия внешних электромагнитных полей». Но что же такое электромагнитное поле? Откроем Энциклопедию на соответствующем месте. Сказано следующее: «Электромагнитное поле — физическое поле движущихся электрических зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними». Возникает известная ситуация — змея кусает себя за хвост. Заряд это то, что связано с электромагнитным полем, а поле — то, что связано с зарядом.

Здесь не недосмотр редакции. Бросающаяся в глаза недостаточность этих определений отражает ту действительно существующую трудность, с которой сталкивается каждый, пытающийся дать краткое определение этих фундаментальных понятий. Дело в том, что кратких, удовлетворительных во всех отношениях определений вообще дать здесь невозможно. Самое важное — уяснить себе именно это. Мы привыкли находить понятные нам объяснения для весьма сложных образований и процессов вроде атома, термодиффузии, цепной ядерной реакции и т. д. В действительности же именно такие сложные образования, как, например, атом, не так уж трудно пояснить. А вот самые основные, элементарные понятия, не расчленимые уже далее на более простые, лишенные по данным науки на сегодняшний день какого- либо внутреннего механизма, кратко удовлетворительным образом уже не пояснить. Особенно, если они непосредственно не воспринимаются нашими органами чувств. Именно к таким фундаментальным понятиям относятся электрический заряд и электромагнитное поле. При знакомстве с ними в школе часто происходит следующее: сначала их просто не понимают, потом привыкают к самим понятиям и используют их, не отдавая себе отчета во всей глубине содержания.

Положение здесь настолько сложно, что еще сравнительно недавно, в середине прошлого столетия, даже выдающиеся умы своего времени были способны придерживаться удивительнейших представлений о сущности электричества. Так, Гегель считал, что электричество — это «собственный гнев, собственное бушевание тела», его «гневная самость», которая «проявляется в каждом теле, когда его раздражают» («Философия природы»).

Электрический заряд и элементарные частицы

Мы попытаемся вначале выяснить, не что такое электрический заряд, а что скрывается за утверждением: данное тело или частица имеют электрический заряд. Это почти одно и то же, но не совсем и, пожалуй, второе проще для понимания.

В настоящее время ни для кого не является секретом, что все тела природы построены из мельчайших неделимых уже далее, насколько нам сейчас известно, частиц, которые принято по этой причине называть элементарными. Нам нет нужды перечислять все открытые на сегодня частицы. Важно, что основную роль строительных кирпичей мироздания играют электроны, протоны и нейтроны. Чем же отличаются эти частицы друг от друга?

Собственно говоря, утверждая, что частицы различны, мы только утверждаем, что они по-разному воздействуют на окружающий мир и по-разному ведут себя под его влиянием. Так, например, все частицы имеют массу, причем масса их различна. У протона она в 1846 раз больше, чем у электрона, а у нейтрона несколько больше, чем у протона, и т. д. Соответственно, с одной стороны, эти частицы по-разному ведут себя под влиянием внешних сил, ибо инертные свойства их различны, а, с другой стороны, силы гравитационного взаимодействия их друг с другом и с внешним миром различны при прочих равных условиях.

Когда мы говорим, что электроны и протоны электрически заряжены, то это означает, что они способны к взаимодействиям определенного типа (электромагнитным) и ничего более. Отсутствие заряда у частицы означает, что подобных взаимодействий она не обнаруживает. Сам заряд — это количественная мера способности тела к электромагнитным взаимодействиям, подобно тому как гравитационная масса — величина, определяющая интенсивность гравитационных взаимодействий. Электрический заряд — вторая (после массы) важнейшая характеристика элементарных частиц, определяющая их поведение в окружающем мире.

Во всем сказанном нет ничего необычного. В сущности ведь и люди, если не говорить об их внешности, отличаются друг от друга главным образом по тому, как они воздействуют на окружающий мир и какое влияние способно оказать на них окружение. Так, например, когда мы говорим, что мистер Пиквик был добрым человеком, способным даже вызволить из долговой тюрьмы вдову, которая пыталась его на себе женить, то тем самым мы подразумеваем определенную закономерность его поведения в окружении людей. Если поведение человека обнаруживает обратную закономерность, то он будет злодеем, как мистер Каркер из «Домби и сына», у которого даже каждый зуб казался миссис Домби орудием зла. Наконец, человек может спокойно зрить

Таков, например, Пимен в «Борисе Годунове».

В природе имеются частицы с зарядами противоположных знаков. Заряд протона называется положительным, а электрона — отрицательным. Положительный знак заряда у частицы не означает, конечно, наличия у нее особых достоинств. Введение зарядов двух знаков просто выражает тот факт, что заряженные частицы могут как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, а при разных — притягиваются.

Подобно тому как люди различаются не только добротой и весом, элементарные частицы имеют кроме заряда и массы ряд других свойств. Но вот что важно: как бы ни отличались свойства элементарных частиц в других отношениях, заряд, если он вообще есть, одинаков у всех: у электронов, протонов, позитронов, антипротонов, легких, тяжелых и сверхтяжелых мезонов. Различными могут быть только знаки. Заряд, меньший заряда электрона, в природе не существует. Доброта же, как и прочие нравственные качества, распределена между людьми весьма и весьма неравномерно. Между ангельским и дьявольским — этими крайними воплощениями человеческой личности — лежит целая бездна разнообразных характеров.

Как показывает опыт, электрический заряд в природе сохраняется. Сумма зарядов всех частиц (с учетом знака зарядов) остается не измененной. Если возникает новая заряженная частица (а это случается весьма часто), то одновременно мы обязательно наблюдаем рождение частицы, имеющей заряд противоположного знака. Гибнут пары противоположно заряженных частиц также только одновременно.

Заряд и законы электромагнитных взаимодействий

Наличие электрического заряда у частиц предполагает строго onределенные законы силовых взаимодействий между ними. Законы, которые допускают точную математическую формулировку, и определяют движение самих частиц. Вполне очевидно, что мы в сущности ничего не знаем еще о заряде, если не знаем законов этих взаимодействий. Знание законов по существу органически должно входить в наши представления о заряде. (Ведь нам ничего не говорила бы характеристика человека — добрый, если бы мы не знали, что такое добрые дела.) Законы эти отнюдь не просты и изложить их в двух словах невозможно. Написаны сотни томов, посвященных электромагнитным взаимодействиям, и еще сотни будут написаны. Конечно, для понимания того, что такое электрический заряд, не обязательно прочитать все эти тома, но более или менее основательное знакомство с электродинамикой (так называют науку об электромагнитных взаимодействиях) необходимо.

Чеширский кот из сказки ‘Алиса в стране чудес’

Если после всего сказанного вы прочувствовали причину, по которой нельзя столь же просто рассказать, что такое электрический заряд, как, например, рассказать, что такое паровоз, можно спокойно продолжать наш рассказ дальше. Если же нет, то не поможет ли вам еще одно соображение?

Вы, наверное, помните прекрасную сказку Льюиса Кэролла «Алиса в стране чудес». У Алисы был друг — Чеширский кот. В затруднительных случаях он являлся к ней, причем не весь сразу. Сначала появлялась улыбка и лишь затем обрисовывалось все остальное. Исчезал он в обратной последовательности, начиная с кончика хвоста и кончая улыбкой, которая оставалась еще некоторое время после того, как все остальное скрылось. «Часто приходилось видеть кота без улыбки, — удивлялась Алиса, — но — улыбка без кота!»

Чеширский кот — пример частицы без заряда

Совершенно аналогично часто можно встретить частицу без заряда, но заряд без частицы — это та же улыбка без кота, и поэтому может появиться только в сказке. Электрический заряд по современным представлениям нельзя рассматривать как некий дополнительный механизм, который несут на себе частицы. Механизм, который можно снять с частицы, разложить на составные части и снова собрать. Наличие у частицы заряда неразрывно связано со всей ее не известной нам пока еще структурой, точно так же как, например, доброта со всем психическим обликом человека. Как нет отдельного механизма, ответственного за добрые дела, так нет механизма, ответственного за «электромагнитные дела» в частице.

Зарядом мы называем в сущности не механизм в частице, а способность ее в целом взаимодействовать с другими частницами определенным образом * .

* ( Следует заметить, однако, что электрический заряд действует одинаковым образом у всех частиц. Другие свойства частиц не оказывают влияния на ее электромагнитное поведение.)

Речь идет у нас сейчас о том, каковы представления в науке сегодня. Не следует думать, что наши сведения о заряде являются исчерпывающими и в дальнейшем наука уже ничего к ним не в состоянии добавить. Уже сейчас в физике элементарных частиц ставятся вопросы: почему заряжены только некоторые элементарные частицы? Почему не существует заряда большего или меньшего, чем у электрона? Как величина заряда связана с другими мировыми постоянными, такими как скорость света, постоянная Планка и т. д.? Кто знает, быть может недалеко то время, когда ответы будут найдены: определенные успехи в исследовании самого сокровенного уже налицо. В опытах Хофштадтера при бомбардировке протонов электронами очень большой энергии удалось установить примерный характер распределения электрического заряда внутри этих частиц. Оказалось, что заряд протона «размазан» по конечной области пространства (радиусом около 0,8·10 -13 сантиметра) и распределен в этой области отнюдь не равномерно. В центре имеется уплотненная часть — так называемый «керн» примерно в 4 раза меньших размеров, чем сам протон. Одновременно выяснилось, что заряженные области имеются и внутри нейтрона.

Самое поразительное в том, что, несмотря на размазанность заряда в пространстве, от него нельзя отщипнуть ни единой крупицы. Невозможность существования заряда, меньшего определенного количества, — самый, пожалуй, непонятный факт во всем, что касается природы и сущности электрического заряда.

Заметим еще, что пока мы говорили только о зарядах элементарных частиц. Тело больших размеров (макроскопическое), как нетрудно представить себе, будет электрически заряжено, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц одного знака. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный — их недостатком. Большинство тел электрически нейтрально, так как число электронов в них равно числу протонов. Нейтрален ли в целом мир? Если Вселенная конечна, то ее электрический заряд равен нулю. В случае бесконечной Вселенной полный заряд может быть отличен от нуля.

Существенно, что электрическая нейтральность совсем не означает отсутствия у тела электромагнитных свойств. В скрытой форме они всегда имеются. Даже нейтральная элементарная частица нейтрон их не лишена.

По своим электромагнитным свойствам нейтрон подобен маленькому магниту.

Элементарные частицы

Элементарные частицы

К физике атомного ядра тесно прилегает физика элементарных частиц. Эта область современной науки базируется на квантовых представлениях и в своем развитии всё дальше проникает в глубину материи, открывая загадочный мир ее первооснов. В физике элементарных частиц чрезвычайно велика роль теории. В силу невозможности прямого наблюдения таких материальных объектов их образы ассоциируются с математическими уравнениями, с наложенными на них запрещающими и разрешающими правилами.

По определению элементарные частицы — это первичные, неразложимые образования, из которых, по предположению, состоит вся материя. На самом же деле этот термин употребляется в более широком смысле — для обозначения обширной группы микрочастиц материи, структурно не объединенных в ядра и атомы. Большинство объектов исследования физики элементарных частиц не отвечают строгому определению элементарности, поскольку представляют собой составные системы. Поэтому частицы, удовлетворяющие этому требованию, принято называть истинно элементарными.

Первой элементарной частицей, открытой в процессе изучения микромира еще в конце XIX в., был электрон. Следующим был открыт протон (1919), затем пришла очередь нейтрона, открытого в 1932 г. Существование позитрона теоретически было предсказано П. Дираком в 1931 г., и в 1932 г. этот положительно заряженный «двойник» электрона был обнаружен в космических лучах Карлом Андерсоном. Предположение о существовании в природе нейтрино было выдвинуто В. Паули в 1930 г., а экспериментально оно было обнаружено только в 1953 г. В составе космических лучей в 1936 г. были найдены мю-мезоны (мюоны) — частицы обоих знаков электрического заряда с массой около 200 масс электрона. Во всем остальном свойства мюонов очень близки к свойствам электрона и позитрона. Также в космических лучах в 1947 г. были открыты положительный и отрицательный пи-мезоны, существование которых было предсказано японским физиком Хидэки Юкавой в 1935 г. В дальнейшем выяснилось, что существует также нейтральный пи-мезон.

В начале 50-х гг. была открыта большая группа частиц с весьма необычными свойствами, что побудило назвать их «странными». Первые частицы этой группы были обнаружены в космических лучах, это К-мезо- ны обоих знаков и К-гиперон (лямбда-гиперон). Отметим, что мезоны получили свое название от греч. «средний, промежуточный» в силу того, что массы первых открытых частиц этого типа (пи-мезоны, мю-мезоны) имеют массу, промежуточную между массой нуклона и электрона. Гипероны же ведут свое название от греч. «сверх, выше», поскольку их массы превышают массу нуклона. Последующие открытия странных частиц делались уже на ускорителях заряженных частиц, которые стали основным инструментом изучения элементарных частиц.

Так были открыты антипротон, антинейтрон и ряд гиперонов. В 60-е гг. было обнаружено значительное число частиц с крайне малым временем жизни, которые получили названиерезонансов. Как выяснилось, к резонансам относится большинство известных элементарных частиц. В середине 70-х гг. было открыто новое семейство элементарных частиц, получивших романтическое название «очарованных», а в начале 80-х — семейства «красивых» частиц и так называемых промежуточных векторных бозонов. Открытие этих частиц явилось блестящим подтверждением теории, основанной на кварковой модели элементарных частиц, которая предсказала существование новых частиц задолго до их обнаружения.

Таким образом, за время после открытия первой элементарной частицы — электрона — в природе выявлено множество (около 400) микрочастиц материи, и процесс открытия новых частиц продолжается. Оказалось, что мир элементарных частиц устроен весьма и весьма сложно, а их свойства разнообразны и зачастую крайне неожиданны.

Все элементарные частицы являются материальными образованиями чрезвычайно малых масс и размеров. Большинство из них имеют массы порядка массы протона (

10 -24 г) и размеры порядка 10 -13 м. Это определяет сугубо квантовую специфику их поведения. Важное квантовое свойство всех элементарных частиц (включая и относящийся к ним фотон) состоит в том, что все процессы с ними происходят в виде последовательности актов их испускания и поглощения (способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами). Процессы с участием элементарных частиц относятся ко всем четырем видам фундаментального взаимодействия, сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Сильным взаимодействием обусловлена связь нуклонов в атомном ядре. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов с ядрами в атоме, а также связь атомов в молекулах. Слабое взаимодействие вызывает, в частности, распад квазистабильных (т. е. относительно долгоживущих) частиц, имеющих время жизни в пределах 10 -12 -г 10 -14 с. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях

10 -13 см, в силу малости их массы, имеет крайне малую интенсивность, однако может оказаться существенным на сверхмалых расстояниях. Интенсивности взаимодействий, сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного — при умеренной энергии процессов относятся соответственно как 1 , 10 -2 , 10 -10 , 10 -38 . Вообще же с ростом энергии частиц это соотношение изменяется.

Элементарные частицы классифицируют по различным признакам, и надо сказать, что в целом принятая их классификация достаточно сложна.

В зависимости от участия в различных видах взаимодействия все известные частицы делят на две основные группы: адроны и лептоны.

Адроны участвуют во всех видах взаимодействия, включая сильное. Они получили свое название от греч. «большой, сильный».

Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их название происходит от греч. «легкий, тонкий», поскольку массы известных до середины 70-х гг. частиц этого класса были заметно меньше масс всех других частиц (кроме фотона).

К адронам относятся все барионы (группа частиц с массой не меньше массы протона, названных так от греч. «тяжелый») и мезоны. Самым легким барионом является протон.

Лептонами являются, в частности, электрон и позитрон, мюоны обоих знаков, нейтрино трех видов (легкие, электрически нейтральные частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях). Предполагается, что нейтрино столь же распространены в природе, как и фотоны, к их образованию приводит множество различных процессов. Отличительной особенностью нейтрино является его огромная проникающая способность, особенно при низких энергиях. Завершая классификацию по видам взаимодействия, следует отметить, что фотон принимает участие только в электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Кроме того, в соответствии с теоретическими моделями, направленными на объединение всех четырех видов взаимодействия, существует гипотетическая частица, переносящая гравитационное поле, которая получила название гравитон. Особенность гравитона состоит в том, что он (согласно теории) участвует только в гравитационном взаимодействии. Заметим, что теория связывает с квантовыми процессами гравитационного взаимодействия еще две гипотетические частицы — гра- витино и гравифотон. Экспериментальное обнаружение гравитонов, т. е., по сути, гравитационного излучения, крайне затруднено из-за его чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы разделяют на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

Стабильными частицами являются электрон (его время жизни t > 10 21 лет), протон (t > 10 31 лет), нейтрино и фотон. Квазистабильными считаются частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их время жизни t > 10 -20 c. Резонансы — частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия, их время жизни находится в интервале 10 -22 ^10 -24 с.

Распространенным является еще один вид подразделения элементарных частиц. Системы частиц с нулевым и целым спином подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, поэтому такие частицы принято называть бозонами. Совокупность же частиц с полуцелым спином описывается статистикой Ферми-Дирака, отсюда и название таких частиц — фермионы.

Каждая элементарная частица характеризуется определенным набором дискретных физических величин — квантовых чисел. Общими для всех частиц характеристиками являются масса m, время жизни t, спин J и электрический заряд Q. Спин элементарных частиц принимает значения, равные целым или полуцелым кратным постоянной Планка. Электрические заряды частиц являются целыми кратными величине заряда электрона, считающегося элементарным электрическим зарядом.

Кроме того, элементарные частицы дополнительно характеризуются так называемыми внутренними квантовыми числами. Лептонам приписывается специфический лептонный заряд L = ±1, адроны с полуцелым спином несут барионный заряд В =±1 (адроны с В = 0 образуют подгруппу мезонов).

Важной квантовой характеристикой адронов является внутренняя четность Р, принимающая значение ±1 и отражающая свойство симметрии волновой функции частицы относительно пространственной инверсии (зеркального отображения). Несмотря на несохранение четности при слабом взаимодействии, частицы с хорошей точностью принимают значения внутренней четности, равные либо +1, либо -1.

Адроны, кроме того, подразделяются на обычные частицы (протон, нейтрон, пи-мезоны), странные частицы (^-мезоны, гипероны, некоторые резонансы), «очарованные» и «красивые» частицы. Им соответствуют особые квантовые числа: странность S, очарование С и красота b. Эти квантовые числа введены в соответствии с кварковой моделью для истолкования специфических процессов, характерных для этих частиц.

Среди адронов имеются группы (семейства) частиц с близкими массами, одинаковыми внутренними квантовыми числами, но различающиеся электрическим зарядом. Такие группы называются изотопическими мулътипле- тами и характеризуются общим квантовым числом — изотопическим спином, принимающим, как и обычный спин, целые и полуцелые значения.

В чем состоит уже неоднократно упоминавшаяся кварковая модель адронов?

Обнаружение закономерности группировки адронов в мультиплеты послужило основанием для предположения о существовании особых структурных образований, из которых построены адроны, — кварков. Допуская существование таких частиц, можно считать, что все адроны являются комбинациями кварков. Эта смелая и эвристически продуктивная гипотеза была выдвинута в 1964 г. американским физиком Марри Гелл-Маном. Суть ее состояла в предположении о наличии трех фундаментальных частиц с полуцелым спином, являющихся материалом для построения адронов, u-, d- и s-кварков. В дальнейшем на основе новых экспериментальных данных кварковая модель строения адронов пополнилась еще двумя кварками, «оча- рованным» (с) и «красивым» (b). Считается возможным существование и других типов кварков. Отличительная особенность кварков состоит в том, что они обладают дробными значениями электрического и барионного зарядов, не встречающимися ни у одной из известных частиц. С кварковой моделью согласуются все экспериментальные результаты по изучению элементарных частиц.

Согласно кварковой модели, барионы состоят из трех кварков, мезоны — из кварка и антикварка. Поскольку некоторые барионы являются комбинацией трех кварков в одном и том же состоянии, что запрещено принципом Паули (см. выше), каждому типу («аромату») кварка было приписано дополнительное внутреннее квантовое число «цвет». Кварк каждого типа («аромата» — u, d, s, c, b) может находиться в трех «цветовых» состояниях. В связи с использованием цветовых понятий теория сильного взаимодействия кварков получила название квантовой хромодинамики (от греч. «цвет»).

Можно считать, что кварки являются новыми элементарными частицами, причем они претендуют на роль истинно элементарных частиц для адронной формы материи. Однако остается неразрешенной проблема наблюдения свободных кварков и глюонов. Несмотря на систематические поиски в космических лучах, на ускорителях высокой энергии, обнаружить их в свободном состоянии пока так и не удалось. Имеются веские основания считать, что здесь физика столкнулась с особым явлением природы — так называемым удержанием кварков.

Дело в том, что существуют серьезные теоретические и экспери- ментальные доводы в пользу предположения о том, что силы взаимодействия кварков с расстоянием не ослабевают. Это означает, что для разделения кварков требуется бесконечно большая энергия, следовательно, появление кварков в свободном состоянии невозможно. Это обстоятельство придает кваркам статус совершенно особых структурных единиц вещества. Возможно, именно начиная с кварков принципиально невозможно опытное наблюдение ступеней дробления материи. Признание кварков в качестве реально существующих объектов материального мира не только олицетворяет собой яркий случай первичности идеи по отношению к существованию материальной сущности. Встает вопрос о пересмотре таблицы фундаментальных мировых постоянных, ибо заряд кварка втрое меньше заряда протона, а следовательно, и электрона.

Начиная с открытия позитрона наука встретилась с частицами антивещества. Сегодня очевидным является то, что для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел, таких как электрический заряд Q, лептонный заряд L, барионный заряд В, странность S, очарование С и красота b, существуют античастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина, но с противоположными знаками вышеуказанных квантовых чисел. Известны частицы, тождественные своим античастицам, они называются истинно нейтральными. Примерами истинно нейтральных частиц служат фотон и один из трех пи-мезонов (два других являются по отношению друг к другу частицей и античастицей).

Характерной особенностью взаимодействия частиц и античастиц является их аннигиляция при столкновении, т. е. взаимоуничтожение с образованием других частиц и выполнением законов сохранения энергии, импульса, заряда и т. п. Типичным примером аннигиляции пары является процесс превращения электрона и его античастицы — позитрона — в электромагнитное излучение (в фотоны или гамма-кванты). Аннигиляция пар происходит не только при электромагнитном взаимодействии, но и при сильном взаимодействии. При высоких энергиях легкие частицы могут аннигилировать с образованием более тяжелых частиц — при условии, что полная энергия аннигилирующих частиц превышает порог рождения тяжелых частиц (равный сумме их энергий покоя).

При сильном и электромагнитном взаимодействиях имеет место полная симметрия между частицами и их античастицами, т. е. все процессы, происходящие между первыми, возможны и для вторых. Поэтому антипротоны и антинейтроны могут образовывать ядра атомов антивещества, т. е. из античастиц в принципе вполне может быть построено антивещество. Возникает очевидный вопрос: если каждая частица имеет античастицу, то почему же в изученной области Вселенной отсутствуют скопления антивещества? Действительно, о наличии их во Вселенной, даже где-то «вблизи» Вселенной, можно было бы судить по мощному аннигиляционно- му излучению, приходящему к Земле из области соприкосновения вещества и антивещества. Однако современная астрофизика не располагает данными, которые позволили бы хотя бы предположить наличие во Вселенной областей, заполненных антивеществом.

Как же произошел во Вселенной выбор в пользу вещества и в ущерб антивеществу, хотя законы симметрии в основном выполняются? Причиной этого феномена, скорее всего, стало именно нарушение симметрии, т. е. флуктуация на уровне основ материи.

Ясно одно: если бы такой флуктуации не возникло, участь Вселенной была бы печальной — вся ее материя существовала бы в виде бесконечного облака фотонов, появившихся в результате аннигиляции частиц вещества и антивещества.

Классификация элементарных частиц

Элементарные частицы являются основными «кирпичиками», из которых состоят как материя, так и поле. При этом все они неоднородны: одни являются составными (протон, нейтрон), другие — несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называются фундаментальными.

В целом элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. На основании некоторых из них ученые произвели их классификацию.

Одной из важных характеристик частиц является их масса. Масса элементарной частицы — это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно разделить на несколько групп:

  • ? частицы, не имеющие массы покоя, — фотоны, движущиеся со скоростью света;
  • ? лептоны (от «лептос» — легкий) — легкие частицы (их масса примерно в 207 раз больше массы электрона); к ним относятся электрон и нейтрино;
  • ? мезоны (от «мезос» — средний, промежуточный) — средние частицы с массой от 1 до 1000 масс электрона; в эту группу входят восемь частиц, имеющих положительные, отрицательные и нейтральные заряды;
  • ? барионы (от «барос» — тяжелый) — тяжелые частицы с массой более 1000 масс электрона; к ним относятся протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы.

Второй характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона (—1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом — кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно.

Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы. По данному показателю все их многообразие можно разделить на три группы:

  • ? адроны (от «адрос» — крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;
  • ? лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;
  • ? частицы — переносчики взаимодействий, непосредственно обеспечивающие взаимодействие: фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны — переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны — переносчики слабого взаимодействия (высказывается предположение о существовании гравитонов — частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие).

Четвертой основной характеристикой элементарных частиц является время их жизни: частицы делятся на стабильные, квазистабиль- ные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни — 10 -10 —10 -24 сек, т.е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10 _ш сек. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазиста- бильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет от 10 -24 до 10 -26 сек.

Важнейшей характеристикой частиц является спин — собственный момент количества движения (импульса) частицы. В классической механике такая величина характеризует вращение тела (например, волчка). Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (У2, 3 /2) числу. Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым спином — бозонами.

Фермионы — не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен У2. Известна частица, спин которой равен 3 /2 — омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона: частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу параметров, не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества «слиплись» бы и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Бозоны — кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, но в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служат фотоны, спин которых равен 1, и мезоны, спин которых равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 — гравитоны. Все они — переносчики физических взаимодействий.

Электрический заряд и элементарные частицы

Сможете ли вы коротко и емко ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» Это может показаться просто на первый взгляд, но на деле оказывается гораздо сложнее.

Известно ли нам, что такое электрический заряд

Дело в том, что на современном уровне знаний мы еще не можем разложить понятие «заряд» на более простые составляющие. Это основополагающее, так сказать, первичное понятие.

Нам известно, что это определенное свойство элементарных частиц, известен механизм взаимодействия зарядов, мы можем измерить заряд и использовать его свойства.

Однако все это следствие данных, полученных опытным путем. Природа этого явления нам до сих пор не ясна. Поэтому однозначно определить, что такое электрический заряд, мы не можем.

Для этого необходимо раскрыть целый круг понятий. Разъяснить механизм взаимодействия зарядов и описать их свойства. Поэтому проще разобраться, что означает утверждение: «данная частица имеет (несет на себе) электрический заряд».

Наличие электрического заряда у частицы

Общеизвестно, что все тела состоят из мельчайших частиц. Любое тело можно разделить на молекулы, молекулы на атомы, а атомы, в свою очередь, делятся на еще меньшие составляющие, которые уже являются неделимыми.

Класс наименьших неделимых частиц назвали элементарными частицами. Изначально это были протон, электрон и нейтрон. Открытие протона и нейтрона.

Однако позже удалось установить, что количество элементарных частиц намного больше, и что протон, электрон и нейтрон не являются неделимыми и основополагающими стройматериалами Вселенной. Они сами могут разлагаться на составляющие и превращаться в другие виды частиц.

Поэтому название «элементарная частица» в настоящее время включает довольно большой класс частиц, меньших по размеру, чем атомы и ядра атомов. При этом частицы могут иметь самые различные свойства и качества.

Однако, такое свойство, как электрический заряд, бывает только двух типов, которые условно назвали положительным и отрицательным. Наличие заряда у частицы это ее свойство отталкиваться или притягиваться к другой частице, которая тоже несет на себе заряд. Направление взаимодействия при этом зависит от типа зарядов.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. При этом сила взаимодействия между зарядами очень велика в сравнении с гравитационными силами, присущими всем без исключения телам во Вселенной.

В ядре водорода, для примера, электрон, несущий отрицательный заряд, притягивается к ядру, состоящему из протона и несущему положительный заряд, с силой в 1039 раз большей, чем сила, с которой тот же электрон притягивается протоном за счет гравитационного взаимодействия.

Частицы могут нести на себе заряд или не нести, в зависимости от типа частицы. Однако «снять» заряд с частицы невозможно, точно так же, как невозможно и существование заряда вне частицы.

Кроме протона и нейтрона заряд несут на себе некоторые другие виды элементарных частиц, однако неограниченно долго существовать могут только эти две частицы.

Остальные заряженные частицы существуют очень малое время (порядка 10-10 секунды или менее) и превращаются в другие виды частиц.

Реферат: Элементарные частицы, их классификация и основные свойства.

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Их классификация и основные свойства.

студентка 1 курса 11 группы

Ростов– на–Дону – 2009

Введение. Мир элементарных частиц.

1. Фундаментальные физические взаимодействия.

1.2. Электромагнитное взаимодействие.

1.3. Слабое взаимодействие.

1.4. Сильное взаимодействие.

2. Классификация элементарных частиц.

2.1. Характеристики субатомных частиц.

2.2. История открытия элементарных частиц.

2.5. Теория кварков.

2.6. Частицы – переносчики взаимодействий.

3. Теории элементарных частиц.

3.1. Квантовая электродинамика.

3.2. Теория электрослабого взаимодействия.

3.3. Квантовая хромодинамика.

3.4. На пути к… Великому объединению.

Список использованной литературы.

Мир элементарных частиц.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Элементарные частицы в точном значении этого термина — пер­вичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя, но многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. В настоящее время известно более 350 элементарных частиц. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Если среднее время жизни нейтрона, находящегося вне атомного ядра, составляет 15 минут, то время жизни таких короткоживущих частиц чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.

Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу.

Cуществование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц — это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ века физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка — фундаментальные физические взаимодействия.

1.Фундаментальные физические взаимодействия.

В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов. Элементарные частицы разделяются на группы по способностям к различным видам фундаментальных взаимодействий. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.

В истории физики гравитация (тяготение) стала первым из четырех фундаментальных взаимодействий предметом научного исследования. После появления в ХVII в. ньютоновской теории гравитации — закона всемирного тяготения — удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий.

Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малаяинтенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10n, где n = -39, от силы взаимодействия электрических зарядов. Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации — ее универсальности. Ничто во Вселенной не избавлено от гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной.

Гравитация —дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание никогда еще не наблюдалось (хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация — поиск «фактов» антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться.

Чем является гравитация, неким полем или проявлением искривления пространства-времени, — на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Существуют разные мнения и концепции физиков на сей счет.

1.2. Электромагнитное взаимодействие.

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX века Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма — первой единой теории поля.

Существование электрона было твердо установлено в 90-e годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда — своего рода «атому» заряда. Почему это так — чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами является электромагнитное поле, или кванты поля — фотоны.

Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный полюс. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс — монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые теоретические концепции допускают возможность существования монополя.

Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы «дальнодействующие», и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Так, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Мощное магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Существуют и галактические магнитные поля.

Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов. Электромагнитное взаимодействие приводит также к излучению электромагнитных волн.

1.3. Слабое взаимодействие.

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц, и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики — закон сохранения энергии. Казалось, что в этом распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что вместе с электроном при бета — распаде вылетает еще одна частица. Она — нейтральная и обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Нейтрино (итал. neutrino, уменьшительное от neutrone — нейтрон), стабильная незаряженная элементарная частица со спином 1/2 и, возможно, нулевой массой. Нейтрино относится к лептонам. Они участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях и поэтому чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Различают электронное нейтрино, всегда выступающее в паре с электроном или позитроном, мюонное нейтрино, выступающее в паре с мюоном, и тау-нейтрино, связанное с тяжелым лептоном. Каждый тип нейтрино имеет свою античастицу, отличающуюся от нейтрино знаком соответствующего лептонного заряда и спиральностью: нейтрино имеют левую спиральность (спин направлен против движения частицы), а антинейтрино — правую (спин — по направлению движения).

Но предсказание и обнаружение нейтрино — это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что и электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер таких частиц нет. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Оно гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Оно распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал и составляет около 2*10^(-16)см. Слабое взаимодействие прекращается на минимальном расстоянии от источника и потому не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами. В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др. Для слабого взаимодействия характерно нарушение четности, странности, «очарования». Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом. Она описывает взаимодействия кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя частицами: безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжелыми промежуточными векторными бозонами — частицами W+, W- и Z°, которые являются переносчиками слабого взаимодействия (экспериментально открыты в 1983 году). Это единое взаимодействие стало называться электрослабым. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики.

1.4. Сильное взаимодействие.

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий — сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, — это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд, начиная с определенного времени, непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым. Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10^(-15) м.

Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. Это значит, что в сильном взаимодействии участвуют только адроны.

Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное примерно в 100 раз. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков. Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика.

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, имеют место взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой — взаимодействия малого радиуса действия (сильное и слабое). Мир физических элементов в целом развертывается в единстве этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого — близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.

1.5. Проблема единства физики.

Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки — поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать единую систему, нужно открыть связующее звено между различными отраслями знания, некоторое фундаментальное отношение. Поиск таких связей и отношений — одна из главных задач научного исследования. Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к не известным ранее явлениям.

Установление глубинных связей между различными областями природы — это одновременно и синтез знания, и метод, направляющий научные исследования по новым, непроторенным дорогам. Выявление Ньютоном связи между притяжением тел в земных условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х годах ХХ века Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию.

Но к середине ХХ века положение в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных взаимодействия — сильное и слабое, т.е. при создании единой физики приходится считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение данной проблемы. Но сам замысел под сомнение всерьез не ставился, и увлеченность идеей единого описания не прошла.

Существует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и должно быть найдено их единое теоретическое описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия остается весьма привлекательной. Это главная мечта физиков ХХ века. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и очень неопределенной.

Однако во второй половине ХХ века появились предпосылки осуществления этой мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может стать реальностью. Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 60-70-х годах с созданием сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Есть основания для мнения, что мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков усиливается убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории всех фундаментальных взаимодействий — Великого объединения.

2. Классификация элементарных частиц.

2.1. Характеристики субатомных частиц.

Обнаружение на рубеже ХIХ-ХХ веков мельчайших носителей свойств ве­щества — молекул и атомов — и установление того факта, что моле­кулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структур­ных составляющих — атомов. Выявление в дальнейшем наличия со­ставных слагающих атомов — электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискрет­ных элементов, формирующих свойства вещества. Нельзя с уверенно­стью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, дли­тельное время считавшиеся элементарными, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение «состоит из. » на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения «элементарности» в этом случае придется отказаться. Существование элементарных (субатомных) частиц — это своего рода постулат, и проверка его спра­ведливости — одна из важнейших задач физики.

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, зарядовая четность, лептонный заряд, барионный заряд, странность, «очарование» и др.

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из известных элементарных частиц (Z — частица) обладает массой в 200 000 раз больше массы электрона.

Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона (-1). Некоторые частицы, такие как фотон и нейтрино, вовсе не имеют заряда.

Важная характеристика частицы — спин. Он не имеет классического аналога и, безусловно, указывает на “внутреннюю сложность” микрообъекта. Правда, иногда с понятием спина пытаются сопоставить модель объекта, вращающегося вокруг своей оси (само слово “спин” переводится как “веретено”). Такая модель наглядна, но неверна. Во всяком случае ее нельзя принимать буквально. Встречающийся в литературе термин “вращающийся микрообъект” означает отнюдь не вращение микрообъекта, а лишь наличие у него специфического внутреннего момента импульса. Для того, чтобы этот момент “превратился” в классический момент импульса (и тем самым объект действительно начал бы вращаться), необходимо потребовать выполнение условия s>> 1 (много больше единицы). Однако такое условие никогда не выполняется. Спин также всегда кратен некоторой фундаментальной единице, которая выбрана равной Ѕ. Спин у всех частиц одного вида одинаков. Обычно спины частиц измеряют в единицах постоянной Планка ћ. Он может быть целым (0, 1, 2. ) или полуцелым (1/2, 3/2. ). Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин Ѕ, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3/2, 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-оборота (180°). Частиц со спином более 2 не обнаружено, и возможно их вообще не существует. Знание спина микрообъекта позволяет судить о характере его поведения в коллективе себе подобных (иначе говоря, позволяет судить о статистических свойствах микрообъекта). Оказывается, что по своим статистическим свойствам все микрообъекты в природе разделяются на две группы: группа микрообъектов с целочисленным спином и группа микрообъектов с полуцелым спином.

Микрообъекты первой группы способны “заселять” одно и тоже состояние в неограниченном числе, причем тем выше, чем сильнее это состояние “заселено”. О таких микрообъектах говорят, что они подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Для краткости их называют просто бозонами.Микрообъекты второй группы могут “заселять” состояния только поодиночке. И если рассматриваемое состояние занято, то никакой микрообъект данного типа не может попасть в него. О таких микрообъектах говорят, что подчиняются статистике Ферми — Дирака, а для краткости их называют фермионами. Из элементарных частиц к бозонам относятся фотоны и мезоны, а к фермионам — лептоны (в частности электроны), нуклоны, гипероны.

Частицы характеризуются и временем их жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы – нестабильны, время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10n сек (где n = -23 ). Это означает, что они, когда это время истекает, самопроизвольно, без каких-либо внешних воздействий распадаются, превращаясь в другие частицы. Например, нейтрон самопроизвольно распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Невозможно предсказать, когда именно произойдет указанный распад того или иного конкретного нейтрона, ведь каждый конкретный акт распада случаен. Каждая нестабильная элементарная частица характеризуется своим временем жизни. Чем меньше время жизни, тем больше вероятность распада частицы. Нестабильность присуща не только элементарным частицам, но и другим микрообъектам. Явление радиоактивности (самопроизвольное превращение изотопов одного химического элемента в изотопы другого, сопровождающееся испусканием частиц) показывает, что нестабильными могут быть атомные ядра. Атомы и молекулы в возбужденных состояниях также оказываются нестабильными: они самопроизвольно переходят в основное или менее возбужденное состояние.

Определяемая вероятностными законами нестабильность есть, наряду с наличием спина, второе сугубо специфическое свойство, присущее микрообъектам. Его также можно рассматривать как указание на некую “внутреннюю сложность” микрообъекта.

Однако нестабильность — это специфическое, но отнюдь не обязательное свойство микрообъекта. Наряду с нестабильными существует много стабильных микрообъектов: фотон, электрон, протон, нейтрино, стабильные атомные ядра, а также атомы и молекулы в основном состоянии.

Лептонный заряд (лептонное число) — внутренняя характеристика лептонов. Он обозначается буквой L.Для лептонов он равен +1, а для антилептонов -1. Различают: электронный лептонный заряд, которым обладают только электроны, позитроны, электронные нейтрино и антинейтрино; мюонный лептонный заряд, которым обладают только мюоны и мюонные нейтрино и антинейтрино; лептонный заряд тяжелых лептонов и их нейтрино. Алгебраическая сумма лептонного заряда каждого типа с очень высокой точностью сохраняется при всех взаимодействиях.

Барионный заряд (барионное число) — одна из внутренних характеристик барионов. Обозначается буквой B. У всех барионов B = +1, а у их античастиц B = -1 (у остальных элементарных частиц B = 0). Алгебраическая сумма барионных зарядов, входящих в систему частиц, сохраняется при всех взаимодействиях.

Странность — целое (нулевое, положительное или отрицательное) квантовое число, характеризующее адроны. Странность частиц и античастиц противоположны по знаку. Адроны с Ѕ, равным 0, называются странными. Странность сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается в слабом взаимодействии.

«Очарование» (шарм) — квантовое число, характеризующее адроны (или кварки). Оно сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается слабым взаимодействием. Частицы с ненулевым значением «очарование» называются «очарованными» частицами.

Магнетон — единица измерения магнитного момента в физике атома, атомного ядра и элементарных частиц. Магнитный момент, обусловленный орбитальным движением электронов в атоме и их спином, измеряется в магнетонах Бора. Магнитный момент нуклонов и ядер измеряется в ядерных магнетонах.

Четность — еще одна характеристика субатомных частиц. Четность — это квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции физической системы или элементарной частицы при некоторых дискретных преобразованиях: если при таком преобразовании функция не меняет знака, то четность положительна, если меняет, то четность отрицательна. Для абсолютно нейтральных частиц (или систем), которые тождественны своим античастицам, кроме четности пространственной, можно ввести понятия зарядовой четности и комбинированной четности (для остальных частиц замена их античастицами меняет саму волновую функцию).

Пространственная четность — квантовомеханическая характеристика, отражающая свойства симметрии элементарных частиц или их систем при зеркальном отражении (пространственной инверсии). Эта четность обозначается буквой Р и сохраняется во всех взаимодействиях, кроме слабого.

Зарядовая четность— четность абсолютной нейтральной элементарной частицы или системы, соответствующая операции зарядового сопряжения. Зарядовая четность также сохраняется во всех взаимодействиях, кроме слабого.

Комбинированная четность — четность абсолютно нейтральной частицы (или системы) относительно комбинированной инверсии. Комбинированная четность сохраняется во всех взаимодействиях, за исключением распадов долгоживущего нейтрального К — мезона, вызванных слабым взаимодействием (причина этого нарушения комбинированной четности пока не выяснена).

2.2. История открытия элементарных частиц.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда.Но примерно с середины XIX века стали появляться экспериментальные факты, которые ставили под сомнение представления о неделимости атомов. Результаты этих экспериментов наводили на мысль о том, что атомы имеют сложную структуру и что в их состав входят электрически заряженные частицы. Это подтвердил французский физик Анри Беккерель, который в 1896 году открыл явление радиоактивности.

Затем последовало открытие первой элементарной частицы английским физиком Томсоном в 1897 году. Это был электрон, который окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества. Его масса примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода и равна:

Отрицательный электрический заряд электрона называется элементарным и равен:

Ана­лиз атомных спектров показывает, что спин электрона равен 1/2, а его маг­нитный момент равен одному магнетону Бора. Электроны подчиняются статистике Ферми, так как они обладают полуцелым спином. Это согла­суется с экспериментальными данными о структуре атомов и о поведе­нии электронов в металлах. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействи­ях.

Второй открытой элементарной частицей был протон (от греч. protos — первый). Эту элементарную частицу открыл в 1919 году Резерфорд, исследуя продукты расщепления ядер атомов различных химических элементов. В буквальном смысле протон – ядро атома самого легкого изотопа водорода — протия. Спин протона равен 1/2. Протон обладает положительным элементарным зарядом +e.Его масса равна:

или примерно 1836 масс электрона. Протоны входят в состав ядер всех атомов химических элементов. После этого в 1911 году Резерфордом была предложена планетарная модель атома, которая помогла ученым в дальнейших исследованиях состава атомов.

В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью элементарную частицу нейтрон (от лат. neuter — ни тот, ни другой), который не имеет электрического заряда и обладает массой примерно 1839 масс электрона. Спин нейтрона также равен 1/2.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля — фотона — берёт своё начало с работы М. Планка (1900 год). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела кванто­ванна (т.е. состоит из квантов), Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905 год) постулировал, что электро­магнитное излучение (свет) в действительности является потоком от­дельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существо­вания фотона были даны Р. Милликеном в 1912 — 1915 годах и А. Комптоном в 1922 году.

Открытие нейтрино — частицы, почти не взаимодействующей с ве­ществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули в 1930 году, позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устра­нить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 году Ф. Райнесем и К. Коуэном.

Но в веществе состоят не только частицы. Также существуют античастицы — элементарные частицы, имеющие те же массу, спин, время жизни и некоторые другие внутренние характеристики, что и их «двойники»-частицы, но отличающиеся от частиц знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда, лептонного заряда, странности и др. Все элементарные частицы, кроме абсолютно нейтральных, имеют свои античастицы.

Первой открытой античастицей стал позитрон (от лат. positivus — положительный) — частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Эта античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Карлом Дейвидом Андерсоном в 1932 году. Интересно то, что существование позитрона было теоретически предсказано английским физиком Полем Дираком почти за год до экспериментального открытия. Более того, Дирак предсказал так называемые процессы аннигиляции (исчезновения) и рождения электронно-позитронной пары. Сама по себе аннигиляция пары — один из видов превращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей. При аннигиляции частица и античастица исчезают, превращаясь в другие частицы, число и сорт которых лимитируются законами сохранения. Процесс, обратный аннигиляции, — рождение пары. Сам по себе позитрон стабилен, но в веществе из-за аннигиляции с электронами существует очень короткое время. Аннигиляция электрона и позитрона заключается в том, что они при встрече исчезают, превращаясь в γ- кванты (фотоны). А при столкновении γ- кванта с каким-либо массивным ядром происходит рождение электронно-позитронной пары.

В 1955 году была обнаружена еще одна античастица — антипротон, а несколько позже — антинейтрон. Антинейтрон, так же как и нейтрон, не имеет электрического заряда, но он, бесспорно, относится к античастицам, поскольку участвует в процессе аннигиляции и рождения пары нейтрон — антинейтрон.

Возможность получения античастиц привела ученых к идее о создании антивещества. Атомы антивещества должны быть построены таким образом: в центре атома — отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов, а вокруг ядра обращаются позитроны, имеющие положительный заряд. В целом атом также получается нейтрален. Эта идея получила блестящее экспериментальное подтверждение. В 1969 году на ускорителе протонов в городе Серпухове советские физики получили ядра атомов антигелия. Также в 2002 году на ускорителе ЦЕРНа в Женеве было получено 50000 атомов антиводорода. Но, несмотря на это, скопления антивещества во Вселенной пока не обнаружены. Также становится ясно, что при малейшем взаимодействии антивещества с любым веществом произойдет их аннигиляция, которая будет сопровождаться огромным выбросом энергии, в несколько раз превосходящей энергию атомных ядер, что крайне небезопасно для людей и окружающей среды.

В настоящее время экспериментально обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц.

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействия.

Выделение характеристик отдельных субатомных частиц — важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в и структуре материи.


Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы-переносчики взаимодействий.

Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон — это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом. Насколько известно, электрон не состоит из каких-то других частиц.

Другой хорошо известный лептон — нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино — это некие «призраки физического мира».

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу (около 207 масс электрона) и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название «тау-лептон». Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

В 60-х годах список лептонов значительно расширился. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов — шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные — в слабом и электромагнитном. Все лептоны участвуют в гравитационном взаимодействии, но не способны к сильным.

Название: Элементарные частицы, их классификация и основные свойства.
Раздел: Рефераты по физике
Тип: реферат Добавлен 01:35:41 15 июня 2011 Похожие работы
Просмотров: 901 Комментариев: 14 Оценило: 3 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно Скачать
Название Масса Заряд
Электрон 1 -1
Мюон 206,7 -1
Тау-лептон 3492,0 -1
Электронное нейтрино
Мюонное нейтрино
Тау-нейтрино

Если лептонов существует чуть свыше десятка, то адронов сотни. Такое множество адронов наводит на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях — электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон, которые в свою очередь относятся к классу нуклонов. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Адроны участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях. Они делятся на барионы и мезоны. К барионам относятся нуклоны и гипероны.

Для объяснения существования ядерных сил взаимодействия между нуклонами квантовая теория требовала существования особых элементарных частиц с массой больше массы электрона, но меньше массы протона. Эти предсказанные квантовой теорией частицы позже были названы мезонами. Мезоны были обнаружены экспериментально. Их оказалось целое семейство. Все они оказались короткоживущими нестабильными частицами, живущими в сободном состоянии миллиардные доли секунды. Например, заряженный пи-мезон или пион, имеет массу покоя 273 электронных массы и время жизни:

Далее при исследованиях на ускорителях заряженных частиц были обнаружены частицы с массами, превосходящими массу протона. Эти частицы были названы гиперонами. Их обнаружилось даже больше, чем мезонов. К семейству гиперонов относятся: лямбда-, сигма-, кси- и омега-минус-гипероны.

Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Но со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в научной теории. Решающий шаг здесь был сделан в 1963 году, когда была предложена теория кварков.

2.5. Теория кварков.

Теория кварков — это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Значит, кварки — это более элементарные частицы, чем адроны. Кварки являются гипотетическими частицами, т.к. не наблюдались в свободном состоянии. Барионный заряд кварков равен 1/3. Они несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо -1/3 или +2/3 фундаментальной единицы — заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин Ѕ, поэтому они относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е годы адроны ввели три сорта (цвета) кварков: u (от up — верхний), d (от down — нижний) и s (от strange — странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк — антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы — барионы. Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк — антикварк образуют частицы, получившие название мезоны — «промежуточные частицы». Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварков (uud), а нейтрон — из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это «трио» кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий «клей».

Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон «прилипает» к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая — на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но позднее выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять цвет кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е годы были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны.

Проблему удалось решить за счет введения трех новых цветов. Они получили название — с — кварк (charm — очарование), b — кварк (от bottom — дно, а чаще beauty — красота, или прелесть), и впоследствии был введен еще один цвет — t ( от top — верхний).

До настоящего времени кварки и антикварки в свободном виде не наблюдались. Однако сомнений в реальности их существования практически не осталось. Более того, ведутся поиски следующих за кварками «настоящих» элементарных частиц — глюонов, которые являются носителями взаимодействий между кварками, т.к. кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием, а глюоны (цветовые заряды) являются переносчиками сильного взаимодействия. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики . Как квантовая электродинамика — теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика — теория сильного взаимодействия. Квантовая хромодинамика — квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путем обмена между ними — глюонами (аналогами фотонов в квантовой электродинамике). В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.

По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны — из кварка и антикварка.

Хотя и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами — точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь.

Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) на конец ХХ века равно 48. Из них: лептонов (6х2) = 12 и кварков (6х3)х2 =36.

2.6. Частицы — переносчики взаимодействий.

Перечень известных частиц не исчерпывается перечисленными частицами — лептонами и адронами, которые образуют строительный материал вещества. В этот перечень не включен, например, фотон. Есть также еще один тип частиц, которые не являются непосредственно строительным материалом материи, а обеспечивают все четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода «клей», не позволяющий миру распадаться на части. Такие частицы называются переносчиками взаимодействий, причем отдельный вид частиц переносит свои взаимодействия.

Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами выступает фотон. Фотон — квант электромагнитного излучения, нейтральная частица с нулевой массой. Спин фотона равен 1.

Теория электромагнитного взаимодействия была представлена квантовой электродинамикой.

Переносчики сильного взаимодействия — глюоны. Это гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1. Подобно кваркам, глюоны обладают квантовой характеристикой «цвет». Глюоны — переносчики взаимодействия между кварками, т.к. связывают их попарно или тройками.

Переносчики слабого взаимодействия три частицы — W+, W- и Z° бозоны. Они были открыты лишь в 1983 г. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должно быть чрезвычайно коротким — всего лишь около 10n сек (где n = -26 ). Радиус переносимого этими частицами взаимодействия очень мал потому, что столь короткоживущие частицы не успевают отойти особенно далеко.

Высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля — гравитона (в тех теориях гравитации, которые рассматривают ее не (только) как следствие искривления пространства-времени, а как поле). Теоретически, гравитон — квант гравитационного поля, имеющий нулевую массу покоя, нулевой электрический заряд и спин 2. В принципе гравитоны можно зафиксировать в эксперименте. Но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то непосредственно зафиксировать гравитоны очень сложно, и пока это не удалось ни одному ученому.

Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи и Вселенной.

3. Теории элементарных частиц.

3.1. Квантовая электродинамика (КЭД).

Квантовая теория объединяет квантовую механику, квантовую статистику и квантовую теорию поля.

Квантовая механика (волновая механика) — теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях. Она позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их порождение или уничтожение, т. е. применяется лишь для описания систем с неизменным числом частиц. Квантовая механика — один из основных разделов квантовой теории. Квантовая механика впервые позволила описать структуру атомов и понять их спектры, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов и т. д. Так как свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием образующих их частиц, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Так, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, объяснить явления сверхпроводимости, ферромагнетизма, сверхтекучести и многое др. Квантовомеханические законы лежат в основе ядерной энергетики, квантовой электроники и т. д. В отличие от классической теории, все частицы выступают в квантовой механике как носители и корпускулярных, и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга. Волновая природа электронов, протонов и других частиц подтверждена опытами по дифракции частиц. Состояние квантовой системы описывается волновой функцией, квадрат модуля которой определяет вероятность данного состояния и, следовательно, вероятности для значений физических величин, его характеризующих. Из квантовой механики вытекает, что не все физические величины могут одновременно иметь точные значения. Волновая функция подчиняется принципу суперпозиции, что и объясняет, в частности, дифракцию частиц. Отличительная черта квантовой теории — дискретность возможных значений для ряда физических величин: энергии электронов в атомах, момента количества движения и его проекции на произвольное направление и т. д.; в классической теории все эти величины могут изменяться лишь непрерывно. Фундаментальную роль в квантовой механике играет постоянная Планка ћ — один из основных масштабов природы, разграничивающий области явлений, которые можно описывать классической физикой, от областей, для правильного истолкования которых необходима квантовая теория. Постоянная Планка названа по имени М. Планка. Она равна:

Ћ = h/2π ≈ 1,0546.10^(-34) Дж.с

Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля — это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей). Квантовая теория поля является основным аппаратом физики элементарных частиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Потребность в такой теории порождается квантово-волновым дуализмом, существованием волновых свойств у всех частиц. В квантовой теории поля взаимодействие представляют как результат обмена квантами поля. Эта теория включает теорию электромагнитного (квантовую электродинамику) и слабого взаимодействий, выступающих в современной теории как единое целое (электрослабое взаимодействие), и теорию сильного (ядерного) взаимодействия (квантовую хромодинамику).

Квантовая статистика — статистическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. Для частиц с целым спином — это статистика Бозе Эйнштейна, с полуцелым — статистика Ферми Дирака.

В середине ХХ века была создана теория электромагнитного взаимодействия — квантовая электродинамика КЭД — это продуманная до мельчайших деталей и оснащенная совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия фотонов и электронов. В основе КЭД — описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятия виртуальных фотонов — его переносчиков. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.

В центре теории анализ актов испускания или поглощения одного фотона одной заряженной частицей, а также аннигиляции электронно-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары.

Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного шарика, то в КЭД окружающее электрона электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его квантами энергии. После того, как электрон испускает фотон, тот порождает (виртуальную) электронно-позитронную пару, которая может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может поглотиться исходным фотоном, но может породить новую пару и т.д. Таким образом электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов, находящихся в состоянии динамического равновесия. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве не по вполне определенным траекториям. Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути — до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неопределенным.

Описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика привело к расширению понятия фотона. Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света) и виртуального (скоротечного, призрачного) фотона, который «видят» только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние.

Чтобы проверить, согласуется ли теория с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, представлявших особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода — простейшего атома. Согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью — более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественно-научных теорий.

После подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики.

3.2. Теория электрослабого взаимодействия.

В 70-е годы ХХ века в естествознании произошло выдающееся событие: два фундаментальных взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных оснований природы несколько упростилась. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце ХХ века.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ века — это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? На первый взгляд, само предположение о существовании подобной связи кажется парадоксальным и непонятным.

Прежде всего о том, что понимается под симметрией. Принято считать, что предмет обладает симметрией, если предмет остается неизменным в результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот.Таким образом, под симметрией мы понимаем инвариантность относительно некой операции.

Существуют разные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди негеометрических есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и непосредственно не фиксируются. Они связаны с изменением отсчета уровня, масштаба или значения некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при такого рода преобразовании. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение — от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Симметрии, на которых основан пересмотр понимания четырех фундаментальных взаимодействий, именно такого рода. Калибровочные преобразования могут быть глобальными и локальными. Калибровочные преобразования, изменяющиеся от точки к точке, известны под названием «локальных» калибровочных преобразований. В природе существует целый ряд локальных калибровочных симметрий и необходимо соответствующее число полей для компенсации этих калибровочных преобразований.Силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочныесимметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей теоретически моделируются все четыре фундаментальных взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматривать как калибровочные поля.

Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля, физики исходят из того, что все частицы, участвующие в слабом взаимодействии, служат источниками поля нового типа — поля слабых сил. Слабо взаимодействующие частицы, такие, как электроны и нейтрино, являются носителями «слабого заряда», который аналогичен электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем.

Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее электромагнитного. Ведь и сам механизм этого взаимодействия оказывается более сложным. Во-первых, при распаде нейтрона, например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Во-вторых, действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.

Это определяет то обстоятельство, что слабому взаимодействию соответствует более сложная калибровочная симметрия, связанная с изменением природы частиц. Выяснилось, что для поддержания симметрии здесь необходимы три новых силовых поля, в отличие от единственного электромагнитного поля. Было получено и квантовое описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц — переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия.

Частицы W+ и W- являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z — частицы. Существование Z — частицы означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда.

В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Опираясь на идею спонтанного нарушения симметрии, авторы теории электрослабого взаимодействия Вайнберг и Салам сумели решить великую теоретическую проблему — они совместили казалось бы несовместимые вещи: значительную массу переносчиков слабого взаимодействия, с одной стороны, и идею калибровочной инвариантности, которая предполагает дальнодействующий характер калибровочного поля, а значит нулевую массу покоя частиц-переносчиков, с другой. Таким образом соединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля.

В этой теории представлено всего четыре поля: электромагнитное поле и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. Кроме того, введено постоянное на всем пространстве скалярное поле (разновидность поля Хиггса), с которым частицы взаимодействуют по разному, что и определяет различие их масс. Кванты скалярного поля представляют собой новые элементарные частицы с нулевым спином. Их называют хиггсовскими (по имени физика П. Хиггса, предположившего их существование). Число таких хиггсовских бозонов может достигать нескольких десятков. На опыте такие бозоны пока не обнаружены. Более того, ряд физиков считает их существование необязательным, но совершенной теоретической модели без хиггсовскмих бозонов пока не найдено. Первоначально W и Z — кванты не имеют массы, но нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы Хиггса сливаются с W и Z — частицами, наделяя их массой.

Различия свойств электромагнитного и слабого взаимодействий теория объясняется нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия. Можно сказать, что слабое взаимодействие имеет столь малую величину потому, что W и Z — частицы очень массивны. Лептоны редко сближаются на столь малые расстояния (r 100 Гэв), когда частицы W и Z могут свободно рождаться, обмен W и Z — бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами (безмассовыми частицами). Разница между фотонами и бозонами стирается.В этих условиях должно существовать полная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием — электрослабое взаимодействие.

Проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W и Z — частиц. Их открытие стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа. Открытие в 1983 году W и Z — частиц означало торжество теории электрослабого взаимодействия. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных взаимодействиях. Их осталось три.

3.3. Квантовая хромодинамика.

Следующий шаг на пути Великого объединения фундаментальных взаимодействий — слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Для этого необходимо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию и ввести обобщенное представление об изотопической симметрии. Сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами, которые обеспечивают связь кварков (попарно или тройками) в адроны.

Замысел здесь состоит в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Его назвали цветом (разумеется, это название не имеет никакого отношения к обычному цвету). Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда. Каждый кварк «окрашен» в один из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим. И соответственно антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние.

На следующем этапе теория сильного взаимодействия развивается по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства) приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами-переносчиками этих полей являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов, в то время как переносчик электромагнитного взаимодействия — всего лишь один (фотон), а переносчиков слабого взаимодействия — три. Глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый). Поэтому, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка («игра цветов»). Так, например, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращается в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленый глюон, превращается в синий кварк. В протоне, например, три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени «суммарный» цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму «красный + зеленый + синий». Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк — антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна («белая»), например красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный мезон.

С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Квантовая хромодинамика великолепно объясняет правила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой, сложную структуру адрона, состоящего из «одетых» в облака кварков и др.

Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, но тем не менее ее достижения многообещающи.

3.4. На пути к. Великому объединению.

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на создание единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели, единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное) называются моделями супергравитации.

Строение элементарных частиц

С открытием элементарных частиц физика занялась вопросом об их строении. За последние сто лет было предложено множество разнообразных моделей и теорий. Наиболее значимыми из них являются: стандартная модель, волновые модели и теории (их можно найти в интернете, например: Алеманов С.Б. — ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ [1]) и полевая теория элементарных частиц. При этом, полевая теория элементарных частиц включает в себе часть положений волновых моделей, но она подходит к вопросу строения элементарных частиц немного по-иному.

Содержание

Строение элементарных частиц в стандартной модели [ править ]

Стандартная модель рассматривает элементарные частицы либо как бесструктурные (лептоны), либо как состоящие из гипотетических кварков (адроны). Ничего более существенного об строении элементарных частиц стандартная модель сказать не может, кроме придумывания бозона Хиггса, кварков, глюонов и т.п.

Строение элементарных частиц в полевой теории [ править ]

Основное положение [ править ]

Основное положение полевой теории: каждая элементарная частица (за исключением фотона) состоит из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей.

Такое утверждение сделано по следующим причинам:

  • Элементарные частицы обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. А волновыми свойствами обладает свет, т.е. переменное электромагнитное поле.
  • Переменное электромагнитное поле не может стоять на месте — оно непрерывно движется со скоростью света. Следовательно, из того, что элементарная частица локализована в пространстве, можно сделать вывод — в ней вращается переменное электромагнитное поле.
  • Из того, что элементарные частицы обладают постоянным электрическим и магнитным полями делается вывод — у электромагнитного поля есть постоянная составляющая.
  • Элементарные частицы делятся на заряженные с зарядом ±e и нейтральные (частица/античастица) — следовательно электромагнитное поле элементарной частицы поляризовано.
  • Из того, что элементарный электрический зарядэлементарной частицы квантуется делается вывод — квантуется и постоянная составляющая электромагнитного поля.

Теперь остается разобраться в деталях.

Квантовые числа [ править ]

Вводится главное квантовое число элементарной частицы L и называется внутренним вращательным моментом. Оно имеет размерность спина и отличается от него на величину спина фотона — на 1. Это делается потому, что для фотона главное квантовое число L=0.

В итоге получаем спин J как следствие главного квантового числа L:

Поскольку в квантовой механике спин квантуется кратно 1/2 — следовательно, главное квантовое число L также квантуется кратно 1/2.

Но в квантовой механике спин еще имеет 2J+1 проекцию — следовательно, главное квантовое число L также будет иметь 2L+1 проекцию — получился механизм расщепления групп элементарных частиц (внутри которых L постоянно) на подгруппы по квантовому числу ML:

Теперь вспомним, что расщепление энергетических уровней элементарных частиц на два будет вызвано разностью в поляризации электромагнитного поля — это хорошо видно на примере протона и нейтрона. Структура полей заряженных и нейтральных элементарных частиц отличается — а значит, будет отличаться и энергия, заключенная в электромагнитном поле, в том числе и масса покоя.

Остается добавить только правила расщепления по квантовому числу Q (электрический заряд или знак магнитного момента) и мы получим спектр основных состояний элементарных частиц.

Радиус элементарной частицы [ править ]

Теперь разберемся с радиусом (r) элементарной частицы.

У нас имеется масса переменного электромагнитного поля (назовем ее m0

) вращающаяся со средней скоростью равной скорости света по среднему радиусу (r) с вращательным моментом равным . Тогда средний радиус такого вращения будет определяться формулой:

Масса сосредоточенная в переменном электромагнитном поле m0

немного меньше массы покоя m. Для ее определения необходимо вычислить отдельно энергию содержавшуюся в постоянных электрическом и магнитном полях а затем вычесть ее из полной внутренней энергии — так мы получим энергию содержащуюся только в переменном электромагнитном поле. Но если достаточно точности 4 процента — то можно использовать приближенную формулу. А можно и взять данные (процент от полной внутренней энергии) от уже рассчитанной аналогичной элементарной частицы (протон, нейтрон, позитрон, мюон, электрон, электронное нейтрино).

Группы элементарных частиц [ править ]

На рисунках представлена структура электромагнитного поля четырех последовательных групп элементарных частиц (поперечное сечение) с квантовым числом L>0 и электрическим зарядом Q=+e. Где E — вектора создающие постоянное электрическое поле, H — вектора создающие постоянное магнитное поле, а желтым цветом указана область переменного электромагнитного поля.

Из рисунков хорошо видно, почему лептоны отличаются от адронов. Пустое пространство внутри элементарной частицы — это не только место для электрического поля противоположного электрическому заряду знака, но и что более важно — разнесение магнитных полей элементарной частицы с противоположными направлениями токов. Именно благодаря последнему у элементарных частиц появляются ядерные силы. И чем больше будет квантовое число L, тем ядерные силы будут мощнее.

Электрический заряд элементарных частиц [ править ]

Теперь разберемся с вопросом — как у элементарных частиц возникает электрический заряд.

Если бы элементарная частица представляла собой прямолинейный цилиндр, то никакого электрического заряда у такой элементарной частицы не могло бы быть, поскольку источники постоянного электрического поля обоих знаков заряда полностью симметричны. Это были бы дипольные электрические поля с нулевым суммарным электрическим зарядом.

Свернув цилиндр в кольцо и выбрав поляризацию, при которой снаружи будет электрический заряд одного знака, природа нарушила симметрию между (+) и (−) в результате чего появилось разностное электрическое поле — поле элементарного электрического заряда. Почему этот элементарный электрический заряд квантуется и чему равны дипольные электрические заряды элементарных частиц можно посмотреть во второй части полевой теории элементарных частиц [2].

Структуру электрического поля можно посмотреть в разделе «Электрическое поле» статьи про соответствующую элементарную частицу (протон, нейтрон, позитрон, электрон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино).

Квантовое магнитное поле элементарных частиц [ править ]

Квантовое магнитное поле заряженных элементарных частиц не создается спиновым вращением электрического заряда, а создается постоянной компонентой электромагнитного поля одновременно с электрическим полем. Это видно на примере протона (рис. Барионы).

Квантовая величина магнитного момента создаваемого квантовым магнитным полем будет:

Как видим, спиновая добавка к величине магнитного момента составляет порядка 1 процента.

Квантовое магнитное поле нейтральных элементарных частиц также создается постоянной компонентой электромагнитного поля одновременно с дипольным электрическим полем. Но, несмотря на то, что данное поле не создает магнитного момента, энергия в поле есть.

Масса покоя элементарных частиц [ править ]

В соответствии с классической электродинамикой, формулой Эйнштейна а также полевой теорией элементарных частиц, масса покоя элементарных частиц с квантовым числом L>0 определяется как эквивалент энергии их электромагнитных полей:

Где определенный интеграл берется по всему электромагнитному полю элементарной частицы, E — напряженность электрического поля, H — напряженность магнитного поля. Здесь учитываются все компоненты электромагнитного поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле, переменное электромагнитное поле.

Как следует из приведенной формулы, величина массы элементарной частицы зависит от условий в которых данная элементарная частица находится. Так поместив элементарную частицу в постоянное внешнее электрическое поле, мы повлияем на E 2 , что отразится на массе частицы, которая может как увеличиваться, так и уменьшаться. Аналогичная ситуация возникнет при помещении элементарной частицы в постоянное магнитное поле. Изменение величины массы в свою очередь повлияет на каналы распада и, следовательно, на время жизни элементарной частицы.

Но источниками внешнего (по отношению к элементарной частице) поля могут выступать не только макро-поля, но и поля других элементарных частиц. Так постоянное магнитное поле протона уменьшает внутреннюю энергию нейтрона в атомном ядре дейтерия, делая нейтрон стабильным. Аналогичным образом мощное электрическое поле атомного ядра может создать условия для распада одного из протонов с превращением его в нейтрон и испусканием позитрона с электронным нейтрино.

Упругие взаимодействия элементарных частиц [ править ]

Элементарные частицы взаимодействуют своими полями, а именно:

Взаимодействия гравитационных полей практически можно не учитывать из-за их чрезвычайной слабости.

С точки зрения постоянных полей результат взаимодействия элементарных частиц зависит от:

  • расстояния между элементарными частицами,
  • скорости и направления движения,
  • поляризации (ориентации спинов).

Взаимодействия постоянных полей элементарных частиц можно посмотреть во второй части полевой теории элементарных частиц [3].

Поскольку порядка 90% внутренней энергии сосредоточено в переменном электромагнитном поле, то результат взаимодействия элементарных частиц зависит еще и от того, какими участками вращающегося переменного электромагнитного поля столкнутся элементарные частицы. Это может привести как к дополнительным мощным силам притяжения, так и силам отталкивания.

Таким образом, переменное электромагнитное поле размывает потенциальные барьеры и вносит элемент случайности во взаимодействия элементарных частиц.

Фотон-нейтринные (слабые электромагнитные) взаимодействия [ править ]

Каждая элементарная частица состоит из электромагнитного поля, а согласно классической электродинамике электромагнитные поля взаимодействуют друг с другом. Следовательно, будут взаимодействовать и фотон с нейтрино. Данное взаимодействие (называемое фотон-нейтринным) играет важную роль во Вселенной. Ну а поскольку, из-за чрезвычайно малой величины массы покоя, нейтрино будет обладать слабыми электромагнитными полями — взаимодействия нейтрино с другими элементарными частицами (в том числе и с фотоном) можно условно назвать слабыми электромагнитными взаимодействиями.

Владимир Горунович ([4] и [5])/Vladimir Gorunovich [6]

Строение элементарных частиц в других теориях и моделях [ править ]

Большое разнообразие элементарных частиц обусловлено не их качеством, а количественными величинами. Большую путаницу в понимание устройства частиц вносит утверждение, что частицы обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Все становиться на свои места, если предположить, что любая частица представляет собой, так или иначе свернутую (сконденсированную) электромагнитную волну. Сконденсированную электромагнитную волну мы и воспринимаем как корпускулу. Если мы воздействуем на частицу, так что она излучает фотон, то мы воспринимаем этот фотон как волну, ибо это так и есть, и относим это излучение как параллельное свойство частицы. В самом деле эти свойства разделены и в пространстве и во времени. Свет это один из видов излучения и его может генерировать любая отрицательно заряженная частица. Это более-менее мелкая детализация первой причины.

Действительно электромагнитная волна не может стоять на месте. Возможно, что вихрь электрического отрицательного поля генерирует в вакууме магнитный вихрь какой-то полярности, а этот в свою очередь генерирует положительный вихрь электрического поля, который генерирует магнитный вихрь противоположной полярности и т.д. И так вихри, генерируя друг друга, движутся в пространстве со скоростью света. Это один квант, а череда таких квантов образует фотон той или иной длины, что есть излучение от нейтрино, одиночного кванта, до радиоволн, миллиарды миллиардов квантов. (http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/11557.html).

Можно предположить, что электромагнитная волна может быть упакована в частице различным образом. Если волна упакована так, что сверху отрицательные электрические вихри, то это электрон или любая другая частица с отрицательным зарядом. Масса частицы зависит от количества в ней квантов. От их же количества зависит и устойчивость частицы. Если электромагнитная волна упакована, так что в ней сверху положительный потенциал, то это позитрон, протон или любая другая частица с положительным потенциалом. Такая частица тоже может генерировать кванты, но первым (условно) будет электрический вихрь с положительным знаком. В позитроне содержится столько же квантов, как и в электроне, но последовательность или другая структура устройства частиц такова, что начальное взаимодействие каждой из частиц начинается с первого присущего ей вихря. Электрон начинает взаимодействие с отрицательного электрического вихря, а позитрон с положительного. Два таких вихря притягиваются друг к другу, каким-то образом смыкаются между собой и нивелируют действия друг друга. За электрическим полем следует магнитное поле и тоже противоположных знаков, что приводит к компенсационным ситуациям. И так со всеми составляющими кванта. По этой причине два довольно мощных фотона сливаются друг с другом и внешне никак не проявляются. Мы это называем аннигиляцией. Но энергия никуда не делась, не исчезла. Мы известными нам методами пока не можем ее обнаружить. Возможно, что распаковывать такие соединения способны некоторые частицы и глюоны в этом случае могут оказаться не гипотетическими, а реальными частицами. И таким образом стандартная модель вовсе не противоречит закону сохранения энергии. Сколько таких аннигилировавших пар мы не знаем. Может быть это редкие явления, может быть это и есть «темная материя», а может быть, мы купаемся в этом океане энергии, как предположил кто-то из великих ученых.

Но на этом формы конфигурации частиц не заканчиваются. Из-за различной ориентации спина возникает и различная поляризация фотонов. Что это значит? Если на два электрона с разными спинами синхронно воздействовать одним и тем же полем, то и тот электрон и другой будут излучать фотон с начальным электрическим полем одной и той же полярности, но в одном электроне вихрь будет возрастающим, а в другом – убывающим.

Возможно, существуют еще четыре способа упаковки фотонов в тело частиц. Это упаковка такова, что сверху частицы существует магнитное поле той или иной полярности. В этом случае должны существовать однополюсные образования. Мы таких образований пока не наблюдаем. Их пытаются синтезировать на большом коллайдере. Можно было бы этот способ конденсации электромагнитной волны и не рассматривать, если бы не существование торсионных полей и тоннельных переходов. Очень похоже, что это поля, в которых фотоны начинаются (естественно тоже условно) с того или иного магнитного поля той или иной поляризации. По этой причине эти поля легко проникают через вещество, взаимодействующее с обычными электромагнитными фотонами. Такие фотоны удобнее бы назвать магнитоэлектрическими, если подтвердится, что они существуют. Правда может случиться, так что однополюсных частиц не существует, а существует особый способ генерации таких фотонов. Этим занимался Шипов.

Форма, в которую упаковывается электромагнитная энергия, часто представляется в виде тора. Но как изымать части энергии этих частиц? Эту форму легче описать математикой, но как приложением поля к тору заставить его излучить часть своей энергии, представить сложно. Если представить форму частицы в виде шара (клубка), на который намотана нитка, то с генерацией фотона проблемы нет. Представив нитку равномерно разноцветной, каждому вихрю свой цвет, можно наматывать нитку так, что сверху будет более-менее выражен тот или иной цвет, то есть получить электрон, позитрон или однополюсный магнитный элемент. Если цвета перемешаны, то это нейтрон или любая другая нейтральная частица.

Поскольку квант это минимальная порция энергии и эта порция входит в состав частицы целиком, то частицы содержат только целое число квантов. (http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/11944.html).

Масса покоя [ править ]

Что такое масса покоя? Чтобы это понять следует разобраться, что такое покой. Существует ли абсолютный покой или это относительное понятие? Самое широкое для нас понятие, находящееся в покое, это вакуум или неподвижный эфир. Кто во что верит. Это “ничто” или некий субстрат заполняют все пространство. Если это пространство неподвижно, то есть находиться в состоянии покоя, а вакуум или эфир однородны, то можно считать их неподвижными. Если частица неподвижна относительно вакуума, то можно ее считать находящейся в состоянии покоя. В таком состоянии частица обладает максимальной массой. Это сконденсированный (свернутый) максимальный фотон, который можно получить с данной частицы. При приложении силы к частице мы изменяем ее скорость, и она генерирует фотон. Можно приложить такую силу, что будет сорван из частицы только один квант – минимальная порция энергии. Меньший кусочек энергии от частицы оторвать нельзя. Внутренние вихри смогут противостоять внешней силе, чтобы удержать квант. Когда сила сможет оторвать квант, то она сможет придать определенную скорость частице. Излученный квант движется сам и он не сможет дать обратный импульс частице, чтобы возвратить ее в состояние покоя после исчезновения внешней силы, что может сделать не излученный квант. После излучения одного кванта частица приобретает соответствующую скорость и теряет часть своего поля, то есть массы. При приложении большей силы к частице в состоянии покоя будет генерировано большее количество квантов, сумма которых представляет фотон соответствующей энергии. Можно приложить такую силу к частице, что ее скорость приблизится к скорости света в вакууме, и она полностью развернется в фотон, иначе говоря, испарится. Масса исчезнет и останется энергия в виде электромагнитного или магнитоэлектрического поля.

После того как частица излучит квант или серию квантов в виде фотона в ней останется энергии меньше на один или серию квантов. Размер частицы станет меньше (сокращение согласно релятивистскому множителю), в абсолютном выражении уменьшится ее масса, но увеличится в относительном выражении (Специальная теория относительности) («Утяжеление» при движении). Теперь частица теряет свойство излучать фотоны меньшей энергии, чем сумма всех излученных до этого квантов. Например, если частица излучила фотон в 2 кванта, то она может излучать фотоны в 3 кванта и выше. Если частица излучила 2 кванта, затем 9 квантов, то она может излучить фотон с энергией в 12 квантов и выше. Чтобы частица могла излучать меньшие по энергии фотоны, она должна погасить свою скорость путем поглощения соответствующих фотонов. Это свойство частиц задает режим замедления времени (Специальная теория относительности) (Замедление времени).

Конечно, возникает вопрос, а почему мы никак не можем зафиксировать абсолютное изменение массы частицы в сторону ее уменьшения? В ускорителях ее чувствуют в сторону увеличения (“утяжеления”). Если обратиться к эмиссионной теории Ритца или теории бесконечной вложенности материи, то можно довольно приблизительно предположить что размерное соотношение кванта и электрона примерно такое же как у электрона и Земли или Земли и Галактики. То есть квант уходит в размеры физических параметров к числам за 10 —30 , что, к сожалению, недоступно для наших измерений.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИХ СВОЙСТВА

Описание: До сих пор рассматривались только такие частицы как электрон e протон p нейтрон n и фотон которые являются стабильными или квазистабильными то есть существуют либо бесконечно долго либо достаточно длительное время. Однако подавляющее большинство элементарных частиц полученных на ускорителях не являются стабильными то есть распадаются превращаясь в конечном итоге в стабильные частицы. Массу частицы в ядерной физике принято выражать в энергетических единицах в основе которых лежит закон взаимосвязи массы и энергии Эйнштейна Е = mc2.

Дата добавления: 2014-07-08

Размер файла: 26.1 KB

Работу скачали: 16 чел.

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИХ СВОЙСТВА

В настоящее время известно около 400 элементарных частиц. До сих пор рассматривались только такие частицы, как электрон e , протон p , нейтрон n и фотон, которые являются стабильными или квазистабильными, то есть существуют либо бесконечно долго, либо достаточно длительное время. Однако подавляющее большинство элементарных частиц, полученных на ускорителях, не являются стабильными, то есть распадаются, превращаясь в конечном итоге в стабильные частицы.

Для описания частиц вводится ряд физических величин, которыми они различаются: масса, среднее время жизни, электрический заряд, спин и ряд других.

Массу частицы в ядерной физике принято выражать в энергетических единицах, в основе которых лежит закон взаимосвязи массы и энергии Эйнштейна Е = mc 2 . Единица измерения — электронвольт (1 эВ = 1,6  10 –19 Дж); на практике используются миллионы электронвольт — Мэв (1 МэВ = 10 6 эВ) и гигаэлектронвольт — ГэВ (1 ГэВ = 10 9 эВ). Так масса электрона m e = 0,51 МэВ, протона — m p = 938,3 Мэв, нейтрона — 939,6 МэВ, масса фотона равна нулю.

Среднее время жизни  является мерой стабильности частицы и выражается в секундах.

Известные нам частицы: электрон, протон и фотон абсолютно стабильны (  =  ), нейтрон в свободном состоянии квазистабилен, его время жизни ≈898 с.

Спин — собственный момент импульса частицы. Спин выражается в единицах h / 2  и принимает только целые и полуцелые значения. Так для электрона, протона и нейтрона спин равен для фотона — Эта важнейшая характеристика элементарных частиц, не имеющая аналогов в классической физике.

Электрический заряд характеризует способность частицы участвовать в электромагнитных взаимодействиях, и эта величина хорошо нам знакома по электростатике.

Собственный магнитный момент частицы характеризует взаимодействие частицы с внешним магнитным полем.

Оказалось, что указанных характеристик недостаточно для описания поведения элементарных частиц и были введены новые свойства: странность, очарование, прелесть, цвет, аромат и другие, которые характеризуются своими квантовыми числами. Безусловно, приведённые названия не имеют ничего общего с обычным смыслом этих слов, а отражают особые свойства частиц.

В настоящее время в физике различают четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

К сильным взаимодействиям ( S — strong ) относятся, прежде всего, ядерные силы, объединяющие нуклоны в ядро.

В электромагнитном взаимодействии ( E — electromagnetic ) участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны. Одно из его проявлений — кулоновские силы, обусловливающие существование атомов. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств вещества (силы трения, силы упругости и т.д.)

Слабые взаимодействия ( W — week ) проявляется в бета-превращениях атомных ядер. Оно приводит к нестабильности многих элементарных частиц и характерно для всех частиц, кроме фотонов.

Гравитационное взаимодействие ( G — gravitational ) проявляется в виде сил всемирного тяготения и свойственно всем телам. Гравитационное взаимодействие очень слабое и в микромире существенной роли не играет.

Фундаментальные взаимодействия различаются рядом свойств, среди которых в первую очередь следует отметить интенсивность (α) взаимодействия и радиус их действия R . Обычно для сравнения разных взаимодействий рассматривают отношение их интенсивностей, которое в грубом приближении определяется, как отношение энергий взаимодействий. Принимая условно интенсивность сильного взаимодействия за единицу (α S = 1), приближенные значения интенсивностей для других взаимодействий равны: α E ≈ 10 –2 , α W ≈ 10 –10 , α G ≈ 10 –38 . Таким образом, самым интенсивным взаимодействием в микромире является сильное взаимодействие, наименее интенсивным — слабое, гравитационное же взаимодействие пренебрежимо мало.

Радиус взаимодействия R определяется зависимостью энергии данного взаимодействия от расстояния между частицами. Электромагнитные и гравитационные силы по закону Кулона и всемирного тяготения обратно пропорциональны квадрату расстояния между частицами, то есть эти силы убывают медленно. Поэтому радиус их действия полагают равным бесконечности: R E = ∞ и R G = ∞. Энергия сильных и слабых взаимодействий убывает с расстоянием очень быстро по экспоненциальному закону, и сказываются лишь на малых расстояниях. Как определено экспериментально, их радиусы действия R S ≈ 10 –15 м и R W ≈ 10 –18 м, то есть они соизмеримы с размерами ядер и действуют в пределах атомного ядра.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

1. Частицы и античастицы . Все элементарные частицы, прежде всего, можно разделить на два класса: частицы и античастицы. Каждая частица имеет свою античастицу, и они характеризуются следующими свойствами: масса, время жизни и спин у частицы и античастицы одинаковы, но остальные свойства, такие как заряд и магнитный момент, противоположны по знаку. Античастицы обозначаются теми же символами, что и частицы. К ним сверху лишь добавляется символ

, называемый «тильда». Примерами частиц и античастиц являются электрон и позитрон (положительно заряженный электрон), протон p и антипротон Важным свойством частиц и античастиц является то, что при их встрече происходит аннигиляция (уничтожение) частиц с появлением либо фотонов, либо других частиц. Это не означает, что в первом случае материя уничтожается; в действительности происходит переход одного вида материи (частицы) в другой (электромагнитное излучение). В лабораторных условиях из антипротона и позитрона был получен и антиатом. Всё сказанное приводит к мысли о том, что где-то во Вселенной, вдали от нашего обычного вещества, могут существовать «антимиры» (встреча такого мира и антимира привела бы вследствие аннигиляции к взрыву колоссальной мощности). Все известные элементарные частицы, включая античастицы, подразделяются на три класса (рис. 1): адроны, лептоны и частицы, отвечающие за перенос взаимодействий.

2. Адроны — это элементарные частицы, которые участвуют в сильных (ядерных) взаимодействиях. Они составляют самый большой класс элементарных частиц: их насчитывается свыше 300. Греческое слово «хадрос» означает массивный, сильный. Русское слово «ядро» происходит также от этого слова. Адроны — это тяжёлые частицы и их можно назвать родственниками протона. Адроны подразделяются на два класса: барионы — частицы, которые имеют спин, равный и мезоны — со спином Протоны и нейтроны являются самыми лёгкими барионами, другие барионы (гипероны) по массе их превосходят. Мезоны — частицы, масса которых занимает промежуточное значение между массой электрона и массой протона.

3. Кварки . В середине 60-х годов была выдвинута гипотеза, что все адроны построены из более фундаментальных частиц, названных кварками . В настоящее время считается, что имеются кварки шести типов, характеристики которых приведены в табл. 1. Имеется также шесть антикварков. Все кварки имеют спин, равный Интересной особенностью кварков является то, что они имеют дробный электрический заряд.

Используя комбинации из различных кварков можно получить любой известный адрон. Так, например, протон составляется из двух u -кварков и одного d -кварка (схематически, используя обозначения кварков из таблицы: uud ). Действительно, заряд протона: (2/3 + 2/3 – 1/3) e = + e . (Не следует забывать, что аналогично проверяются все другие характеристики частицы: спин, магнитный момент и другие). Нейтрон состоит из двух d -кварков и одного u -кварка ( ddu ). Для объяснения строения других барионов и мезонов привлекаются более тяжёлые кварки.

Свойства элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом

1. Первые представления о строении вещества

Первые теории о строении вещества были положены еще очень давно. Знаменитый греческий ученый Фалес, живший 2600 лет назад, всю жизнь старался вникнуть в проблему устройства мира. Его знания по геометрии и астрономии поражали. Он умел отслеживать любые лунные и солнечные циклы и даже предсказал полное солнечное затмение. Можно представить, какое волнение и страх оно вызывало две с половиной тысячи лет назад. Но главная заслуга Фалеса в том, что он первым поставил вопрос об исходных элементах мира. Он раньше всех увидел лестницу, ведущую вглубь вещества.

Фалес считал, что в основе всего сущего лежит вода. Он утверждал, что если воду уплотнить, то получаются твёрдые тела, если воду испарить, то получается воздух, при этом даже Земля плавает в воде, подобно куску дерева

Эмпедокл из Агригента в своих трудах обосновывал существование четырёх стихий: огня, воздуха, воды и земли; утверждая, что всё остальное состоит из них, а сами стихии объединены силами взаимодействия («возбудители движения»): любовь, объединяющая, и вражда, разделяющая их.

В V в. до н.э. последователи Фалеса — Левкипп и его ученик Демокрит, высказывали точку зрения, что всё состоит из мельчайших частичек — атомов. Они пропустили ступеньку молекул и сразу шагнули на ступень их составляющих. Таким образом, они придумали атом на две тысячи лет раньше, чем он был открыт как таковой. «Атом» в переводе с греческого означает неделимое. По Левкиппу и Демокриту, атомы — бесконечное число твердых, неделимых далее частичек. Подобно семенам растений, атомы могут быть различной формы — круглой, пирамидальной, плоской и так далее. Поэтому и состоящий из них мир неисчерпаемо богат в своих свойствах и качествах. Цепляясь друг за друга крючками , атомы образуют твердые тела. Атомы воды, наоборот, гладкие и скользкие, поэтому она растекается и не имеет формы. Атомы вязких жидкостей обладают заусеницами, воздух — пустота с редкими носящимися атомами, у огня же острые и колючие атомы.

К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность. К этому времени работами французского химика А. Лавуазье (1743-1794), русского ученого М.В. Ломоносова и английского химика и физика Д. Дальтона (1766-1844) была доказана реальность существования атомов . Большую роль в развитии атомистической теории сыграл и выдающийся русский химик Д.И. Менделеев, разработавший в 1869 г. периодическую систему элементов , в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Во второй половине XIX в. было экспериментально доказано, что электрон является одной из основных частей любого вещества. Эти выводы, а также многочисленные экспериментальные данные привели к тому, что в начале XX в. серьезно встал вопрос о строении атома.

Первые косвенные подтверждения о сложной структуре атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Изучение свойств этих лучей привело к заключению, что они представляют собой поток мельчайших частиц, несущих отрицательный электрический заряд и летящих со скоростью, близкой к скорости света. Особыми приемами удалось определить массу катодных частиц и величину их заряда, выяснить, что они не зависят ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут быть лишены своих зарядов и превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет сущность их природы. Эти частицы, получившие название электронов , были открыты в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном. Положительно заряженных частиц внутри атома модель атома Томсона не предполагала. Но как же тогда объяснить испускание положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами? Модель атома Томсона не давала ответа и на некоторые другие вопросы.

В 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах была обнаружена положительно заряженная часть атома . Дальнейшие более тщательные исследования показали, что при прохождении пучка параллельных лучей сквозь слои газа или тонкую металлическую пластинку выходят уже не параллельные лучи, а несколько расходящиеся: происходит рассеяние альфа-частиц, т.е. отклонение их от первоначального пути. Углы отклонения невелики, но всегда имеется небольшое число частиц (примерно одна из нескольких тысяч), которые отклоняются очень сильно . Некоторые частицы отбрасываются назад, как если бы на пути встретилась непроницаемая преграда. Отклонение может происходить при столкновении с положительными частицами, масса которых того же порядка, что и масса альфа-частиц. Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил следующую схему строения атома. В центре атома находится ядро , состоящее из положительно заряженных частиц — протонов , вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Поскольку масса электрона ничтожна мала , то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре.

В начале 30-х годов нашего столетия современная наука смогла найти более приемлемое описание строения вещества на основе четырех типов элементарных частиц — протонов, нейтронов, электронов и фотонов . Это была чрезвычайно простая и привлекательная схема: с помощью всего лишь четырех типов элементарных частиц, следуя законам квантовой механики, удалось объяснить природу химических элементов, их соединений и испускаемых ими излучений. Добавление пятой частицы — нейтрино — позволило объяснить также процессы радиоактивного распада. Казалось, что названные элементарные частицы являются в конечном счете основными кирпичами мироздания.

Но эта кажущаяся простота вскоре исчезла. Не прошло и года после открытия нейтрона, как был обнаружен позитрон . В 1936 г. среди продуктов взаимодействия космических лучей с веществом был открыт первый мезон . В 1947 г. был обнаружен мезон второго типа, и вскоре после этого удалось наблюдать мезоны иной природы, а также другие необычные частицы . Эти частицы рождались под действием космических лучей столь редко, что поначалу нельзя было провести детальных исследований их свойств и взаимодействий. Однако после того, как были построены ускорители , позволяющие получать частицы все больших энергий, удалось не только выполнить ряд таких исследований, но и одновременно открыть множество новых частиц.

В настоящее время известно более сотни различных мезонов и других частиц со странными свойствами. Все это множество частиц принято называть «элементарными частицами» . Такой термин не означает, что эти частицы являются кирпичами мироздания в том смысле, что все они образуют атомы: с этой задачей вполне удовлетворительно справляются протоны, нейтроны и электроны. Однако эти частицы возникают в результате основных взаимодействий частиц обычного вещества , и многие из них прямым или косвенным образом участвуют в основных взаимодействиях в обычном веществе. Их массы лежат в пределах от 200 электронных масс до масс, в несколько раз превышающих массу протона. Существование всех этих новых частиц скоротечно, ни одна из них не живет дольше нескольких микросекунд, а многие частицы распадаются примерно через 10 в -20 степени секунд после своего образования (они называются резонансами ). Конечные продукты распадов этих частиц — обычные составные части вещества, т.е. протоны, электроны и фотоны, а также нейтрино.

2. Классификация элементарных частиц

Все бесчисленное многообразие животного мира, можно разделить на четыре царства: животные, растения, грибы, бактерии. Все процессы, наблюдаемые на сегодняшний день, сводятся всего к четырем видам взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Так же можно классифицировать и элементарные частицы.

Лептоны — элементарные частицы со спином 1/2, не участвующие в сильных взаимодействиях. Известны три заряженных лептона: электрон, мюон и тау-лептон — и три нейтральных: электронное нейтрино мюонное нейтрино и тау-нейтрино. У каждой из этих частиц имеется соответствующая античастица.

В электромагнитных взаимодействиях рождаются пары заряженных лептонов. В слабых распадах каждый из заряженных лептонов рождается в сопровождении «своего» антинейтрино. Предполагается, что все лептоны обладают некоторым специфическим квантовым числом — лептонным числом, равным +1, а все антилептоны — лептонным числом, равным -1. Данное число во всех наблюдавшихся до сих пор процессах сохраняется. Процессы, в которых ожидают увидеть не сохранение лептонного числа: распад протона, двойной ? -распад, нейтринные осцилляции. Мюон и т-лептон распадаются за счет слабого взаимодействия. Электрон стабилен.

Слово «лептон» происходит от греческого слова «лептос» — мелкий, узкий (сравните: лепта — мелкая греческая монета).

Различают три поколения лептонов : первое поколение: электрон, электронное нейтрино; второе поколение: мюон, мюонное нейтрино; третье поколение: тау-лептон, тау-нейтрино. Плюс соответствующие античастицы . Таким образом, в каждое поколение входит отрицательно заряженный (с зарядом ?1e) лептон, положительно заряженный (с зарядом +1e) антилептон и нейтральные нейтрино и антинейтрино. Все они обладают ненулевой массой, хотя масса нейтрино весьма мала по сравнению с массами других элементарных частиц.

Адроны — частицы, участвующие в сильных взаимодействиях . Адроны с целым спином называют мезонами , с полуцелым — барионами . Известно несколько сотен адронов.

Большинство адронов крайне нестабильны — это так называемые резонансы: они распадаются на более легкие адроны посредством сильного взаимодействия. Время жизни резонансов меньше 10 в -21 степени секунды.

Квазистабильные адроны живут гораздо дольше и распадаются посредством слабого и электромагнитного взаимодействий. Конечными продуктами распада квазистабильных мезонов являются более легкие мезоны, лептоны и фотоны и, если распадающиеся мезоны достаточно тяжелые, то пары барион + антибарион.

Самые легкие барионы (протон и нейтрон) называют нуклонами . Более тяжелые квазистабильные барионы называют гиперонами . Конечными продуктами распада гиперонов являются лептоны, фотоны, мезоны и обязательно нуклон .

Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра. Остальные адроны в состав окружающего нас стабильного вещества не входят , они рождаются в столкновениях частиц, обладающих высокими энергиями. Источниками этих частиц являются ускорители и космические лучи. Согласно современным представлениям, адроны не являются истинно элементарными частицами: они состоят из кварков.

Слово «адрон» происходит от греческого слова «хадрос» — массивный, сильный, крупный. И на данный момент адроны являются самым многочисленным классом


Далее, вполне планомерными становятся вопросы: «Что же такое кварк ? И является ли кварк истинно элементарной частицей?» О них написано огромное количество работ, их изучением занимаются одни из самых выдающихся ученых и исследователей, и, разумеется, в этом реферате у меня нет возможности описать даже тысячную часть той информации, что имеется на данный момент о кварках. Но все же я попробую, пусть и в грубом приближении, но все же отвечу на эти вопросы, ссылаясь на работы различных ученых и исследовательских групп. Далее будут представлены несколько теорий о кварках, выписанных мной из публикаций известнейших в этой области ученых и расположенных в хронологическом порядке.

«Одной из любопытных схем описания элементарных частиц является модель кварков — еще одно изобретение М. Гелл-Манна. В этой модели предполагается, что все элементарные частицы являются комбинациями трех основных частиц (называемых кварками) и их античастиц. Кварки имеют необычные свойства: электрический заряд, равный ± 1/3е или ± 2/3е, и барионный заряд, равный ± 1/3. Таким образом, основные свойства кварков не похожи на свойства других частиц. Однако различные комбинации этих гипотетических частиц воспроизводят свойства всех известных адронов с поразительной точностью.

Кроме того, модель кварков успешно воспроизвела качественно известные времена жизни, магнитные моменты и типы распада элементарных частиц. Реальны ли кварки или модель кварков служит лишь удобным средством описания элементарных частиц, но лишена реального физического смысла? Пока это неизвестно.

Хотя модель кварков поразительно успешно объяснила ряд свойств адронов, однако пока она находится в весьма неудовлетворительном состоянии. Быть может, нам удастся в конце концов описать все сильные процессы с помощью только трех кварков и их античастиц, вместо того чтобы иметь дело с «зоологической коллекцией», содержащей примерно сотню экземпляров частиц. Но прежде чем это окажется возможным, необходимо обнаружить кварки и исследовать их свойства. Эксперименты по рассеянию быстрых электронов на нуклонах указывают на существование некоторой длины, малой по сравнению с 10

14 см, которая должна играть важную роль в структуре нуклонов. Возможно, внутри нуклона существуют некие малые объекты — может быть, и кварки .» [3]

«Кварки — частицы со спином 1/2, являющиеся составными элементами адронов. Известны кварки шести сортов (ароматов) , из них три — down, strange, beauty, имеют электрический заряд -1/3, а остальные up, charm, true — заряд -2/3.

Согласно квантовой хромодинамике , сильные взаимодействия между кварками обусловлены наличием у кварков специфических цветовых зарядов. Кварки каждого аромата существуют в виде трех различных цветовых разновидностей: «желтого», «синего» и «красного» . Кварк одного цвета может перейти в кварк другого цвета, испустив цветной глюон . Взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена глюонами . Кварки находятся в адроиах в таких цветовых состояниях, что суммарный цветовой заряд адрона равен нулю . Поэтому про адроны говорят, что они бесцветные или белые.

Хотя группа Станфордского университета в течение ряда лет сообщала о наблюдении свободных дробно-заряженных частиц, опыты других групп по поискам свободных кварков дают отрицательные результаты, и большинство физиков скептически относится к идее о существовании свободных кварков. В рамках квантовой хромодинамики существует гипотеза о конфайнменте (справедливость ее пока что не доказана), согласно которой цветные частицы (кварки и глюоны и их цветные комбинации) в принципе не могут существовать в свободном состоянии.

Первые, косвенные, свидетельства о существовании кварков были получены на основе классификации адронов. В дальнейшем в экспериментах по глубоко-неупругому взаимодействию лептонов с адронами были зарегистрированы прямые столкновения лептонов с отдельными кварками. Эти столкновения происходят в глубине адрона и длятся очень короткое время, в течение которого кварк не успевает обменяться глюоном с другими кварками и взаимодействует почти как свободная частица. Чем больше переданный импульс , т.е. чем на меньших расстояниях происходит столкновение лептона с кварком, тем свободнее выглядит кварк . Это свойство, являющееся следствием асимптотической свободы, означает, что кварки являются не квазичастицами, не какими-то коллективными возбуждениями адронной материи, а, подобно лептонам, являются истинно элементарными частицами. Возможная не элементарность кварков, как и лептонов, может быть обнаружена лишь при еще более глубоком проникновении внутрь этих частиц, т.е. при еще больших переданных импульсах.

Термин «кварк» был введен в 1964 г. Гелл-Манном и взят им из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану» (герою снится сон, в котором чайки кричат: «Три кварка для мастера Марка»). По-немецки «кварк» — творог.» [4]

«Согласно стандартной модели — лучшей на сегодняшний день теории строения материи, — кварки, объединяясь, образуют всё многообразие адронов. Взаимодействие между кварками описывает теория квантовой хромодинамики (сокращенно КХД) . В соответствии с этой теорией кварки взаимодействуют друг с другом, обмениваясь особыми частицами — глюонами .

КХД развивает идеи первой успешной теории из ряда калибровочных — квантовой электродинамики, или КЭД . Согласно КЭД, электромагнитная сила между электрически заряженными частицами возникает в результате обмена фотонами (квантами света) . Аналогично устроена и КХД, только вместо электрических зарядов взаимодействия между кварками обусловлены свойством особого рода, который ученые назвали цветом . Он может иметь три значения или, если хотите, три оттенка. Ученые условно называют их красный, желтый и синий , но буквально эти термины понимать не следует. Цвет присущ только кваркам, но не барионам и мезонам, в состав которых они входят. Барионы (к которым относятся, в частности, протон и нейтрон) состоят из трех кварков — красного, желтого и синего, — цвета которых взаимно гасятся. А мезоны — из пары «кварк + антикварк», поэтому они тоже бесцветны. Вообще, в КХД действует принцип, согласно которому кварки в природе могут образовывать только такие комбинации, суммарный цвет которых оказывается нейтральным.

Взаимодействие между кварками осуществляется посредством восьми разновидностей частиц, называемых глюонами (от английского glue — «клей, клеить»; глюоны как бы «склеивают» кварки между собой). Именно они выступают посредниками в сильном взаимодействии . Однако, в отличие от фотонов в КЭД, которые электрическим зарядом не обладают, глюоны имеют собственный цветовой заряд и могут изменять цвет кварков , с которыми взаимодействуют. Например, если при поглощении глюона синий кварк превращается в красный, значит, глюон нес на себе единичный положительный заряд красного цвета и единичный отрицательный заряд синего. Поскольку совокупный цветовой заряд кварка при этом не меняется, такие взаимодействия в рамках КХД допустимы и даже необходимы.

КХД функционирует с начала 1980-х годов и с тех пор успешно прошла целый ряд экспериментальных проверок — пока что все ее прогнозы относительно результатов соударений элементарных частиц высоких энергий подтверждаются фактическими данными, полученными на ускорителях.» [5]

Рассмотрев виды элементарных частиц, было бы неправильным не исследовать и взаимодействия, которым эти частицы подвержены. В рамках «Стандартной теории» их четыре, но следуя теме данной работы, рассматривать необходимо только два из них.

3. Взаимодействия частиц

частица атом элементарный кварк

Важнейший вопрос физики — вопрос о взаимодействиях. Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, не подозревая о существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы обретают, как бы способность распознавать другие частицы и реагировать на них, благодаря чему рождается коллективное поведение. Поскольку вся материя состоит из частиц , для объяснения природы сил необходимо, в конечном счете, обратиться к физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все взаимодействия, независимо от того, как они проявляются в больших масштабах, можно свести к четырем фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному и двум типам ядерных.

На уровне кварков доминируют ядерные взаимодействия . Сильное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны и не дает ядрам разваливаться. На уровне атомов преобладает электромагнитное взаимодействие , связывающее атомы и молекулы. В астрономических масштабах господствующим становится гравитационное взаимодействие .

В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют Вселенной. Существует ли между ними какая-либо связь? Не являются ли они всего лишь различными ипостасями единственной основополагающей суперсилы ? Если такая суперсила существует, то именно она представляет собой действующее начало всякой активности во Вселенной — от рождения субатомных частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы невообразимо увеличила бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само «сотворение» мира.

Мы уже знаем, что элементарные частицы взаимодействуют друг с другом посредством других частиц, которые они непрерывно испускает и поглощает. Слои этих частиц экранируют заряды, поэтому частица с различных высот до нее выглядит заряженной по-разному. Именно так, всегда различно заряженными, видят друг друга сталкивающиеся частицы. Чем больше их энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают «дыхание» их центральных неэкранированных зарядов. Поэтому можно ожидать, что с ростом энергии различные типы взаимодействий будут становиться все более похожими и при высоких энергиях сольются в одно-единое взаимодействие — суперсилу. Произойдет «великое объединение» всех сил природы.

Реальное положение дел несколько сложнее. Экранирующие облака образуются не только вокруг заряда, но и вокруг каждой частички-переносчика, которыми прощупывают друг друга сталкивающиеся частицы. Если переносчики взаимодействия очень тяжелые, то взаимодействие переносится на ультрамалые расстояния. Вдали от центра такие частицы почти не встречаются и связанное с ними взаимодействие проявляется очень слабо. В других случаях переносчики легкие (например, фотоны), они способны далеко уйти от испустившего их заряда, и с их помощью происходит взаимодействие на больших расстояниях.

Таким образом, не только частицы, но и силы, связывающие их, оказываются необычайно сложными. Простейшими точками их уже никак не назовешь! И трудно поверить, что сила тяготения двух электронов и в миллиарды большая сила их электромагнитного отталкивания — ветви одного дерева.

К идее «великого объединения» физики пришли совсем недавно — каких-нибудь двадцать-тридцать лет назад, хотя первый шаг сделали еще Фарадей и Максвелл, объединившие электричество и магнетизм, которые как тогда считалось, совсем разные взаимодействия. Они же ввели и понятие «поля». Фарадей доказал, что электричество и магнетизм — два компонента одного и того же электромагнитного поля.

Следующий шаг на пути к «великому объединению» был значительно более трудным. Он был сделан лишь в середине 60-х годов ХХ века. Внимание физиков привлекло тогда слабое взаимодействие. Оно обладало странной особенностью: для всех других сил можно указать промежуточное поле, кванты которого служат переносчиком взаимодействия, а в распадных процессах частицы «разговаривают» так сказать, напрямую, без всяких посредников, толкая друг друга как бильярдные шары.

Естественно предположить, что в этом случае тоже происходит обмен между частицами, но только такими тяжелыми, что весь процесс происходит на очень малых расстояниях, и со стороны это выглядит как будто частицы просто толкают друг друга.

Расчеты показали: если бы не большая масса промежуточных частиц, то такое взаимодействие по своим свойствам было бы очень похожим на электромагнитное. И вот трое физиков: Абдус Салам, Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу допустили, что фотон и тяжелые промежуточные частицы слабого взаимодействия — это одна и та же частица, только в разных «шубах». Разработанную ими теорию стали называть «электрослабой», поскольку она, как частный случай, содержит электродинамику и старую теорию слабых взаимодействий. Вскоре на ускорителях были выловлены тяжелые кванты электрослабого поля — три брата-мезона с массой, почти в сто раз больше протонной. Создание теории электрослабого поля и экспериментальное открытие его переносчиков было отмечено сразу двумя Нобелевскими премиями.

Вдохновленные открытием электрослабого поля, физики увлеклись новой идеей дальнейшего объединения — слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Суть этой идеи в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, названный цветом. В отличие от заряда, видов цветов у кварка — три. Поэтому глюонное поле более сложное. Оно состоит из восьми составляющих силовых полей. В типичном адроне — протоне или нейтроне — комбинация трех кварков — красного, зеленого и синего — всегда имеет «белый» цвет. Испускаемые мезоны содержат пары кварк-антикварк, поэтому они тоже «бесцветны». Так как мы знаем, что при взаимодействиях частиц происходит экранировка их зарядов, то это и приводит к тем эффектам различия в дальности взаимодействий различных видов частиц. Оценка расстояния, при котором все взаимодействия становятся сравнимы по величине, составляет около 10 в -29 степени сантиметров. Переносчик взаимодействия — Х-частица — обладает массой, равной примерно 10 в 14 степени масс протона. На протяжении того ничтожного отрезка времени, какой существует Х-частица, энергия и масса имеют громадную неопределенность. И в этом отношении мы похожи на Фалеса и других греческих философов, которые размышляли о свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды хоть когда-нибудь увидеть их.

Элементарные частицы нельзя разделить на более простые части (именно поэтому их и назвали «элементарными»). В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга — взаимопревращаются. Причем из легких могут родиться более тяжелые частицы — если они движутся с достаточной скоростью (кинематическая энергия переходит в массу)

Элементарные частицы различаются по заряду, спину, массе, времени жизни и так далее. Например, время жизни протона больше времени жизни Вселенной, а ро-мезон живет 10 в -23 степени секунды. Масса фотонов и нейтрино равна нулю, а масса еще не открытого, но предсказанного теоретиками максимона (самой тяжелой элементарной частицы, которая только может существовать) — что-то около микрограмма — как у крупной, видимой глазом пылинки. Их можно разбить на семейства, и членов каждого рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Семейства объединяются в более сложные группы — кланы, или мультиплеты. Но главное — мультиплеты связаны определенными правилами симметрии. В целом получается что-то вроде периодической таблицы элементарных частиц, наподобие Менделеевской. Можно предполагать, физики нащупали следующий ярус строения материи.

Большую роль в развитии знаний сыграли ускорители элементарных частиц. Электронное просвечивание показало, что протон на самом деле не точка, а довольно крупный объект радиусом около 10 в -13 степени сантиметров. Анализируя результаты новых опытов по рассеянию электронов, ученые сделали вывод, что нуклоны являются роем каких-то очень мелких частичек, которые при меньшем увеличении выглядят как сгусток накладывающихся и проникающих друг в друга мезонов и других элементарных частиц. Теоретики, занимавшиеся классификацией частиц, обрадовались, так как уже давно догадывались о существовании таких частиц, только называли их по-своему: кварки.

Когда кварки замелькали на страницах теоретических статей, многие ученые считали их всего лишь неким курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются. Без кварков стало просто невозможно обойтись, также как без молекул и атомов.

Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие в воздухе воздушные шарики. Если же они попытаются разойтись, то сразу же возникают стягивающие их силы. На периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков — например, в виде пи-мезонов, что согласуется с теорией ядерного взаимодействия на основе мезонов. Но как взаимодействуют друг с другом кварки? Так как другого способа организовать взаимодействие, чем посредством передачи частицы-носителя взаимодействия, наука не знает, то были предложены глюоны — склеивающие кварки частицы. Глюоны похожи на фотоны, только с зарядом. Фотон никакого поля вокруг себя не создает, поэтому наибольшую интенсивность поле имеет возле своего источника — заряда, дальше оно постепенно рассеивается и ослабевает. Глюон же своим зарядом рождает новые глюоны, те в свою очередь — следующие и так далее, поэтому глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при удалении от породившего его кварка. Удаляющийся кварк, как пеной обрастает новыми глюонами и их связь становится более сильной.

Физика элементарных частиц представляет собой удивительный сплав эксперимента и теории. Свойства мельчайших частиц вещества установлены и продолжают устанавливаться в экспериментах, по сложности не имеющих себе равных в других областях науки. Эти уникальные эксперименты сочетают поистине индустриальный размах с ювелирной точностью. В большинстве случаев сами объекты исследования — частицы — создаются тут же в лаборатории с помощью ускорителей и живут столь ничтожные промежутки времени, что по сравнению с ними мгновение кажется вечностью. Случай какого-нибудь редкого распада частицы приходится находить среди миллиардов похожих на него «неинтересных» распадов. Все сведения об элементарных частицах добываются в результате тщательных измерений.

Репетиторство

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Какие микрообъекты относятся к основным элементарным частицам. Элементарная частица, не имеющая заряда

Электродинамика – раздел физики, изучающий электромагнитные взаимодействия. Электромагнитные взаимодействия – взаимодействия заряженных частиц. Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.

Тема 1. Электрическое поле (электростатика)

Электростатика – раздел электродинамики, изучающий взаимодействие неподвижных (статических) зарядов.

Все тела электризуются.

Наэлектризовать тело – это значит сообщить ему электрический заряд.

Наэлектризованные тела взаимодействуют – притягиваются и отталкиваются.

Чем больше наэлектризованы тела, тем сильнее они взаимодействуют.

Электрический заряд – это физическая величина, которая характеризует свойство частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия и является количественной мерой этих взаимодействий.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

· Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

· Заряды не существуют без частиц

· Заряды могут передаваться от одного тела к другому.

· В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

· Электрический заряд не зависит от выбора системы отсчёта, в которой он измеряется. Электрический заряд не зависит от скорости движения носителя заряда.

· Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Единица измерения в СИ– кулон

Элементарная частица – мельчайшая, неделимая, не имеющая структуры частица.

Например, в атоме:электрон ( , протон ( , нейтрон ( .

Элементарная частица может иметь заряд, а может не иметь заряда: , ,

Элементарный заряд -заряд, принадлежащий элементарной частице, наименьший, неделимый.

Элементарный заряд – заряд электрона по модулю .

Заряды электрона и протона численно равны, но противоположны по знаку:

Электризация тел.
Что означает «макроскопическое тело заряжено»? Чем определяется заряд любого тела?

Все тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке.

Макроскопические тела, состоящие из нейтральных атомов, электронейтральны.

Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Электризация телпроцесс получения электрически заряженных тел из электронейтральных.

Тела электризуются при контакте друг с другом.

При контакте часть электронов с одного тела переходит на другое, оба тела электризуются, т.е. получают заряды равные по величине и противоположные по знаку:
«избыток» электронов по сравнению с протонами создаёт в теле «-» заряд;
«недостаток» электронов по сравнению с протонами создаёт в теле «+» заряд.
Заряд любого тела определяется числом избыточных или недостаточных по сравнению с протонами электронов.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число электронов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина, кратная заряду электрона:

Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX в. – фотон, протон, позитрон и нейтрон.

После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существование большого числа элементарных частиц – свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, кварки и виртуальные частицы.

Термин элементарная частица первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина “элементарный” применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частицопределяют по отношению к массе покоя электрона.Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, –фотоны . Остальные частицы по этому признаку делятся налептоны – легкие частицы (электрон и нейтрино);мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона;барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Приблизительно в 1963–1964 гг. была высказана гипотеза о существованиикварков – частиц с дробным электрическим зарядом. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла.

По времени жизни частицы делятся настабильные инестабильные . Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильныечастицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10 –10 –10 -24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10 –23 –10 –22 с называют резонансами . Вследствие краткого времени жизни они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием спина . Спиномназывается собственный момент импульса частицы, не связанный с ее перемещением. Спин характеризуетсяспиновым квантовым числом s , которое может принимать целые (±1) или полуцелые (±1/2) значения. Частицы с целым спином –бозоны , с полуцелым –фермионы . Электрон относится к фермионам. Согласно принципу Паули в атоме не может быть более одного электрона с одним и тем же набором квантовых чиселn ,m ,l ,s . Электроны, которым соответствует волновые функции с одинаковым числомn, очень близки по энергиям и образуют в атоме электронную оболочку. Различия в числеlопределяют “подоболочку”, остальные квантовые числа определяют ее заполнение, о чем было сказано выше.

В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление взаимодействия . Как отмечалось ранее, известно четыре вида взаимодействий между элементарными частицами:гравитационное , слабое , электромагнитное и сильное (ядерное).

Все частицы, имеющие массу покоя (m 0), участвуют в гравитационном взаимодействии, заряженные – и в электромагнитном. Лептоны участвуют еще и слабом взаимодействии. Адроны участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях.

Согласно квантовой теории поля, все взаимодействия осуществляются благодаря обмену виртуальными частицами , то есть частицами, о существовании которых можно судить лишь опосредовано, по некоторым их проявлениям через какие-то вторичные эффекты (реальные частицы можно непосредственно зафиксировать с помощью приборов).

Оказывается, что все известные четыре типа взаимодействий – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое – имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями. То есть все взаимодействия как бы сделаны “из одной болванки”. Это вселяет надежду, что можно будет найти “единственный ключ ко всем известным замкам” и описать эволюцию Вселенной из состояния, представленного единым суперсимметричным суперполем, из состояния, в котором различия между типами взаимодействий, между всевозможными частицами вещества и квантами полей еще не проявлены.

Существует огромное число способов классификации элементарных частиц. Так, например, частицы разделяют на фермионы (Ферми-частицы) – частицы вещества и бозоны (Бозе-частицы) – кванты полей.

Согласно другому подходу, частицы разделяют на 4 класса: фотоны, лептоны, мезоны, барионы.

Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным, слабым, гравитационным взаимодействиями.

Лептоны получили свое название от греческого слова l eptos – легкий. К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием мюоны (μ – , μ +), электроны (е – , е +),электронные нейтрино (v e – ,v e +) и мюонные нейтрино (v – m ,v + m). Все лептоны имеют спин, равный ½, и, следовательно, являются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (то есть мюоны и электроны), обладают также электромагнитным взаимодействием.

Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежитр -мезоны, или пионы (π + , π – , π 0),К -мезоны, или каоны (К + , К – , К 0), иэта -мезоны (η). МассаК -мезонов составляет

970mе (494 МэВ для заряженных и 498 МэВ для нейтральныхК -мезонов). Время жизниК -мезонов имеет величину порядка 10 –8 с. Они распадаются с образованиемя -мезонов и лептонов или только лептонов. Массаэта -мезонов равна 549 МэВ (1074mе), время жизни – порядка 10 –19 с.Эта -мезоны распадаются с образованием π-мезонов и γ-фотонов. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и, если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.

Класс барионов объединяет в себе нуклоны (p,n) и нестабильные частицы с массой больше массы нуклонов, получившие название гиперонов. Все барионы обладают сильным взаимодействием и, следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен ½, так что барионы являются фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде барионов, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявленийзакона сохранения барионного заряда .

Кроме перечисленных выше частиц обнаружено большое число сильно взаимодействующих короткоживущих частиц, которые получили название резонансов . Эти частицы представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов составляет всего лишь

Элементарные частицы, а также сложные микрочастицы удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, ее энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечном счете нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными ими заряженными частицами.

Частицы и античастицы . В 1928 г. английскому физику П. Дираку удалось найти релятивистское квантово-механическое уравнение для электрона, из которого вытекает ряд замечательных следствий. Прежде всего, из этого уравнения естественным образом, без каких-либо дополнительных предположений, получаются спин и числовое значение собственного магнитного момента электрона. Таким образом, выяснилось, что спин представляет собой величину одновременно и квантовую, и релятивистскую. Но этим не исчерпывается значение уравнения Дирака. Оно позволило также предсказать существование античастицы электрона –позитрона . Из уравнения Дирака получаются для полной энергии свободного электрона не только положительные, но и отрицательные значения. Исследования уравнения показывают, что при заданном импульсе частицы существуют решения уравнения, соответствующие энергиям:.

Между наибольшей отрицательной энергией (–m е с 2) и наименьшей положительной энергией (+m e c 2) имеется интервал значений энергии, которые не могут реализоваться. Ширина этого интервала равна 2m е с 2 . Следовательно, получаются две области собственных значений энергии: одна начинается с + m e с 2 и простирается до +∞, другая начинается с –m е с 2 и простирается до –∞.

Частица с отрицательной энергией должна обладать очень странными свойствами. Переходя в состояния со все меньшей энергией (то есть с увеличивающейся по модулю отрицательной энергией), она могла бы выделять энергию, скажем, в виде излучения, причем, поскольку |Е | ничем не ограничен, частица с отрицательной энергией могла бы излучать бесконечно большое количество энергии. К аналогичному выводу можно прийти следующим путем: из соотношенияЕ =m е с 2 вытекает, что у частицы с отрицательной энергией масса будет также отрицательна. Под действием тормозящей силы частица с отрицательной массой должна не замедляться, а ускоряться, совершая над источником тормозящей силы бесконечно большое количество работы. Ввиду этих трудностей следовало, казалось бы, признать, что состояние с отрицательной энергией нужно исключить из рассмотрения как приводящее к абсурдным результатам. Это, однако, противоречило бы некоторым общим принципам квантовой механики. Поэтому Дирак выбрал другой путь. Он предложил, что переходы электронов в состояния с отрицательной энергией обычно не наблюдаются по той причине, что все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами.

Согласно Дираку, вакуум есть такое состояние, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с положительной энергией свободны. Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещенной полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживают. Если одному из электронов, находящихся на отрицательных уровнях, сообщить энергию Е ≥ 2m е с 2 , то этот электрон перейдет в состояние с положительной энергией и будет вести себя обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном. При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают) – электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения. На рис. 4 стрелка 1 изображает процесс рождения пары электрон-позитрон, а стрелка 2 – их аннигиляцию Термин “аннигиляция” не следует понимать буквально. По существу, происходит не исчезновение, а превращение одних частиц (электрона и позитрона) в другие (γ-фотоны).

Существуют частицы, которые тождественны со своими античастицами (то есть не имеют античастиц). Такие частицы называются абсолютно нейтральными. К их числу принадлежат фотон, π 0 -мезон и η-мезон. Частицы, тождественные со своими античастицами, не способны к аннигиляции. Это, однако, не означает, что они вообще не могут превращаться в другие частицы.

Если барионам (то есть нуклонам и гиперонам) приписать барионный заряд (или барионное число) В = +1, антибарионам – барионный заряд В = –1, а всем остальным частицам – барионный зарядВ = 0, то для всех процессов, протекающих с участием барионов и антибарионов, будет характерно сохранение барионов заряда, подобно тому как для процессовхарактерно сохранение электрического заряда. Закон сохранения барионного заряда обусловливаетстабильность самого мягкого из барионов – протона. Преобразование всех величин, описывающих физическую систему, при котором все частицы заменяются античастицами (например, электроны протонами, а протоны электронами и т. д.), называется зарядом сопряжения.

Странные частицы. К -мезоны и гипероны были обнаружены в составе космических лучей в начале 50-х гг.XXв. Начиная с 1953 г. их получают на ускорителях. Поведение этих частиц оказалось столь необычным, что они были названы странными. Необычность поведения странных частиц заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10 –23 с, а времена жизни их оказались порядка 10 –8 –10 –10 с. Последнее обстоятельство указывало на то, что распад частиц осуществляется в результате слабых взаимодействий. Было совершенно непонятно, почему странные частицы живут так долго. Поскольку и в рождении, и в распаде λ-гиперона участвуют одни и те же частицы (π-мезоны и протон), представлялось удивительным, что скорость (то есть вероятность) обоих процессов столь различна. Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц вследствие того, что для их проявления необходимо присутствие двух странных частиц. По той же причине оказывается невозможным одиночное рождение странных частиц.

Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М. Гелл-Манн и К. Нишиджима ввели в рассмотрение новое квантовое число, суммарное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях. Это квантовое число S было названостранностью частицы . При слабых взаимодействиях странность может не сохраняться. Поэтому она приписывается только сильно взаимодействующим частицам – мезонам и барионам.

Нейтрино. Нейтрино – единственная частица, которая не участвует ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях. Исключая гравитационное взаимодействие, в которомучаствуют все частицы, нейтрино может принимать участие лишь в слабых взаимодействиях.

Долгое время оставалось неясным, чем отличается нейтрино от антинейтрино. Открытие закона сохранения комбинированной четности дало возможность ответить на этот вопрос: они отличаются спиральностью. Под спиральностью понимается определенное соотношение между направлениями импульсаР и спинаS частицы. Спиральность считается положительной, если спин и импульс имеют одинаковое направление. В этом случаенаправление движения частицы (Р ) и направление “вращения”, соответствующего спину, образуют правый винт. При противоположно направленных спине и импульсе спиральность будет отрицательной (поступательное движение и “вращение” образуют левый винт). Согласно развитой Янгом, Ли, Ландау и Саламом теории продольного нейтрино, все существующие в природе нейтрино, независимо от способа их возникновения, всегда бывают полностью продольно поляризованы (то есть спин их направлен параллельно или антипараллельно импульсу Р ). Нейтрино имеет отрицательную (левую) спиральность (ему соответствует соотношение направлений S и Р , изображенное на рис. 5 (б), антинейтрино – положительную (правую) спиральность (а). Таким образом, спиральность – это то, что отличает нейтрино от антинейтрино.

Рис. 5. Схема спиральности элементарных частиц

Систематика элементарных частиц. Закономерности, наблюдаемые в мире элементарных частиц, могут быть сформулированы в виде законов сохранения. Таких законов накопилось уже довольно много. Некоторые из них оказываются не точными, а лишь приближенными. Каждый закон сохранения выражает определенную симметрию системы. Законы сохранения импульсаР , момента импульсаL и энергииЕ отражают свойства симметрии пространства и времени: сохранениеЕ есть следствие однородности времени, сохранениеР обусловлено однородностью пространства, а сохранениеL – его изотропностью. Закон сохранения четности связан с симметрией между правым и левым (Р -инвариантность). Симметрия относительно зарядового сопряжения (симметрия частиц и античастиц) приводит к сохранению зарядовой четности (С -инвариантность). Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов выражают особую симметриюС -функции. Наконец, закон сохранения изотопического спина отражает изотропность изотопического пространства. Несоблюдение одного из законов сохранения означает нарушение в данном взаимодействии соответствующего вида симметрии.

В мире элементарных частиц действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения . Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращения частиц. Прежде всего отметим законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Эти три закона объясняют стабильность электрона. Из сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса покоя продуктов распада должна быть меньше массы покоя распадающейся частицы. Значит, электрон мог бы распадаться только на нейтрино и фотоны. Но эти частицы электрически нейтральны. Вот и получается, что электрону просто некому передать свой электрический заряд, поэтому он стабилен.

Кварки. Частиц, называемых элементарными, стало так много, что возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя независимыми аддитивными квантовыми числами: зарядомQ , гиперзарядомУ и барионным зарядомВ . В связи с этим появилась гипотеза о том, что все частицы построены из трех фундаментальных частиц – носителей этих зарядов. В 1964 г. Гелл-Манн и независимо от него швейцарский физик Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены из трех частиц, названных кварками. Этим частицам приписываются дробные квантовые числа, в частности, электрический заряд, равный +⅔; –⅓; +⅓ соответственно для каждого из трех кварков. Эти кварки обычно обозначаются буквамиU ,D ,S . Кроме кварков, рассматриваются антикварки (u ,d ,s). На сегодняшний день известно 12 кварков – 6 кварков и 6 антикварков. Мезоны образуются из пары кварк-антикварк, а барионы – из трех кварков. Так, например, протон и нейтрон состоят из трех кварков, что делает протон или нейтрон бесцветными. Соответственно различают три заряда сильных взаимодействий – красный (R ), желтый (Y ) и зеленый (G ).

Каждому кварку приписывается одинаковый магнитный момент (мкВ), величина которого из теории не определяется. Расчеты, произведенные на основании такого предположения, дают для протона значение магнитного момента μ p = μ кв, а для нейтрона μ n = – ⅔μ кв.

Таким образом, для отношения магнитных моментов получается значение μ p / μ n = –⅔, превосходно согласующееся с экспериментальным значением.

В основном цвет кварка (подобно знаку электрического заряда) стал выражать различие в свойстве, определяющем взаимное притяжение и отталкивание кварков. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий (фотонами в электромагнитных взаимодействиях,р -мезонами в сильных взаимодействиях и т. д.) были введены частицы-переносчики взаимодействия между кварками. Эти частицы были названыглюонами . Они переносят цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварки удерживаются вместе. В физике кварков сформулирована гипотеза конфайнмента (от англ.confinements – пленение) кварков, согласно которой невозможно вычитание кварка из целого. Он может существовать лишь в качествеэлемента целого. Существование кварков как реальных частиц в физике надежно обосновано.

Идея кварков оказалась весьма плодотворной. Она позволила не только систематизировать уже известные частицы, но и предсказать целый ряд новых. Положение, сложившееся в физике элементарных частиц, напоминают положение, создавшееся в физике атома после открытия в 1869 г. Д. И. Менделевым периодического закона. Хотя сущность этого закона была выяснена только спустя примерно 60 лет после создания квантовой механики, он позволил систематизировать известные к тому времени химические элементы и, кроме того, привел к предсказанию существования новых элементов и их свойств. Точно так же физики научились систематизировать элементарные частицы, причем разработанная систематика вряде случаев позволила предсказать существование новых частиц и предвосхитить их свойства.

Итак, в настоящее время истинно элементарными можно считать кварки и лептоны; их 12, или вместе с античатицами – 24. Кроме того, существуют частицы, обеспечивающие четыре фундаментальные взаимодействия (кванты взаимодействия). Этих частиц 13: гравитон, фотон, W ± — иZ -частицы и 8 глюонов.

Существующие теории элементарных частиц не могут указать, что является началом ряда: атомы, ядра, адроны, кваркиВ этом ряду каждая более сложная материальная структура включает более простую как составную часть. По-видимому, так бесконечно продолжаться не может. Предположили, что описанная цепочка материальных структур базируется на объектах принципиально иной природы. Показано, что такими объектами могут быть не точечные, а протяженные, хотя и чрезвычайно малые (

10 ‑33 см) образования, названныесуперструнами. Описанная идея в нашем четырехмерном пространстве не реализуема. Данная область физики вообще чрезвычайно абстрактна, и очень трудно подобрать наглядные модели, помогающие упрощенному восприятию идей, заложенных в теориях элементарных частиц. Тем не менее, эти теории позволяют физикам выразить взаимопревращение и взаимообусловленность “наиболее элементарных” микрообъектов, их связь со свойствами четырехмерного пространства-времени. Наиболее перспективной считается так называемаяМ-теория (М – отmystery – загадка, тайна). Она оперируетдвенадцатимерным пространством . В конечном итоге при переходе к непосредственно воспринимаемому нами четырехмерному миру все “лишние” измерения “сворачиваются”. М-теория пока единственная теория, которая дает возможность свести четыре фундаментальные взаимодействия к одному – так называемойСуперсиле. Важно также, что М-теория допускает существование разных миров и устанавливает условия, обеспечивающие возникновение нашего мира. М-теория еще недостаточно разработана. Считается, что окончательная«теория всего» на основе М-теории будет построена вXXIв.

Сможете ли вы коротко и емко ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» Это может показаться просто на первый взгляд, но на деле оказывается гораздо сложнее.

Известно ли нам, что такое электрический заряд

Дело в том, что на современном уровне знаний мы еще не можем разложить понятие «заряд» на более простые составляющие. Это основополагающее, так сказать, первичное понятие.

Нам известно, что это определенное свойство элементарных частиц , известен механизм взаимодействия зарядов, мы можем измерить заряд и использовать его свойства.

Однако все это следствие данных, полученных опытным путем. Природа этого явления нам до сих пор не ясна. Поэтому однозначно определить, что такое электрический заряд, мы не можем.

Для этого необходимо раскрыть целый круг понятий. Разъяснить механизм взаимодействия зарядов и описать их свойства. Поэтому проще разобраться, что означает утверждение: «данная частица имеет (несет на себе) электрический заряд».

Наличие электрического заряда у частицы

Однако позже удалось установить, что количество элементарных частиц намного больше, и что протон, электрон и нейтрон не являются неделимыми и основополагающими стройматериалами Вселенной. Они сами могут разлагаться на составляющие и превращаться в другие виды частиц.

Поэтому название «элементарная частица» в настоящее время включает довольно большой класс частиц, меньших по размеру, чем атомы и ядра атомов. При этом частицы могут иметь самые различные свойства и качества.

Однако, такое свойство, как электрический заряд, бывает только двух типов, которые условно назвали положительным и отрицательным. Наличие заряда у частицы это ее свойство отталкиваться или притягиваться к другой частице, которая тоже несет на себе заряд. Направление взаимодействия при этом зависит от типа зарядов.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. При этом сила взаимодействия между зарядами очень велика в сравнении с гравитационными силами, присущими всем без исключения телам во Вселенной.

В ядре водорода, для примера, электрон, несущий отрицательный заряд, притягивается к ядру, состоящему из протона и несущему положительный заряд, с силой в 1039 раз большей, чем сила, с которой тот же электрон притягивается протоном за счет гравитационного взаимодействия.

Частицы могут нести на себе заряд или не нести, в зависимости от типа частицы. Однако «снять» заряд с частицы невозможно, точно так же, как невозможно и существование заряда вне частицы.

Кроме протона и нейтрона заряд несут на себе некоторые другие виды элементарных частиц, однако неограниченно долго существовать могут только эти две частицы.

Во Вселенной каждое тело живет в своем времени и основные элементарные частицы также. Время жизни у большинства элементарных частиц достаточно короткое.

Некоторые сразу же после своего рождения распадаются, поэтому мы называем их нестабильными частицами.

Они через короткое время распадаются на стабильные: протоны, электроны, нейтрино, фотоны, гравитоны и их античастицы.

Самые важные микрообъекты в нашем близком космосе — протоны и электроны . Какие-нибудь из отдаленных частей Вселенной могут состоять из антивещества, важнейшими частицами там будут антипротон и антиэлектрон (позитрон).

Всего открыто несколько сотен элементарных частиц: протон (р), нейтрон (n), электрон (e —) , а также фотон (g), пи-мезоны (p), мюоны (m), нейтрино трёх типов (электронное v e , мюонное v m , с лептоном v t), и т.д. очевидно принесут ещё новые микрочастицы.

Появление частиц:

Протонов и электронов

Появление протонов и электронов относится ко времени , и их возраст насчитывает приблизительно десять миллиардов лет.

Еще один вид микрообъектов, играющих существенную роль в структуре близкого космоса — нейтроны имеющие общее название с протоном: нуклоны. Сами по себе нейтроны нестабильные, они распадаются примерно через десять минут после возникновения. Стабильными они могут быть только в ядре атома. Громадное количество нейтронов беспрестанно возникает в глубинах звезд, где из протонов рождаются ядра атомов.

Нейтрино

Во Вселенной также постоянно происходит рождение нейтрино которые похожи на электрон, но без заряда и с малой массой. В 1936 году открыта разновидность нейтрино: мюонные нейтрино, которые возникают при превращении протонов в нейтроны, в недрах сверхмассивных звезд и при распаде многих нестабильных микрообъектов. Они рождаются при столкновении космических лучей в межзвездном пространстве.

Большой взрыв повлек за собой появление огромного количества нейтрино и мюонных нейтрино. Их число в космосе постоянно увеличивается, потому что они не поглощаются практически никакой материей.

Фотонов

Как и фотоны, нейтрино и мюонное нейтрино заполняют все космическое пространство. Это явление называется «нейтринным морем».
Со времени Большого взрыва осталось великое множество фотонов, которые мы называем реликтовыми или фоссильными. Ими наполнено все космическое пространство, и их частота, а значит и энергия постоянно уменьшается, так как Вселенная расширяется.

В настоящее время все космические тела, прежде всего звезды и туманности, участвуют в образовании фотонной части Вселенной. Фотоны рождаются на поверхности звезд из энергии электронов.

Соединение частиц

В начальной стадии образования Вселенной все основные элементарные частицы были свободными. Тогда не существовало ни ядер атомов, ни планет, ни звезд.

Атомы, а из них планеты, звезды и все вещества образовались позднее, когда прошло 300 000 лет и раскаленная материя при расширении в достаточной мере охладилась.

Лишь нейтрино, мюонное нейтрино и фотон не вошли ни в одну систему: их взаимное притяжение слишком слабо. Они так и остались свободными частицами.

Еще на начальном этапе образования Вселенной (через 300 000 лет после её рождения) свободные протоны и электроны соединились в атомы водорода (один протон и один электрон, связанные электрической силой).

Протон считается основной элементарной частицей с зарядом +1 и массой 1,672 ·10 −27 кг (чуть меньше чем 2000 раз тяжелее электрона). Протоны, очутившиеся в массивной звезде, постепенно превратились в основное строительное «железо» Вселенной. Каждый из них при этом освободил один процент своей массы покоя. В сверхмассивных звездах, которые в конце своей жизни в результате собственной гравитации сжимаются в малые объемы, протон может потерять почти пятую часть своей энергии покоя (а значит, и пятую часть своей массы покоя).

Известно, что «строительными микроблоками» Вселенной являются протоны и электроны.

Наконец, при встрече протона и антипротона не возникает никакой системы, но вся их энергия покоя освобождается в виде фотонов ().

Ученые утверждают, что как будто бы существует еще и призрачная основная элементарная частица гравитон которая переносит гравитационное взаимодействие аналогичное электромагнетизму. Однако наличие гравитона доказано лишь теоретически.

Таким образом, возникли и сейчас представляют нашу Вселенную, в том числе и Землю, основные элементарные частицы: протоны, электроны, нейтрино, фотоны, гравитоны и еще множество открытых и неоткрытых микрообъектов.

Дать краткое, удовлетворительное во всех отношениях определение заряда невозможно. Мы привыкли находить понятные нам объяснения весьма сложных образований и процессов вроде атома, жидких кристаллов, распределения молекул по скоростям и т.д. А вот самые основные, фундаментальные понятия, нерасчленимые на более простые, лишенные, по данным науки на сегодняшний день, какого-либо внутреннего механизма, кратко удовлетворительным образом уже не пояснить. Особенно если объекты непосредственно не воспринимаются нашими органами чувств. Именно к таким фундаментальным понятиям относится электрический заряд.

Попытаемся вначале выяснить не что такое электрический заряд, а что скрывается за утверждением данное тело или частица имеют электрический заряд.

Вы знаете, что все тела построены из мельчайших, неделимых на более простые (насколько сейчас науке известно) частиц, которые поэтому называют элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу. Согласно закону всемирного тяготения сила притяжения сравнительно медленно убывает по мере увеличения расстояния между ними: обратно пропорционально квадрату расстояния. Кроме того, большинство элементарных частиц, хотя и не все, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила в огромное число, раз превосходит силу тяготения. Так, в атоме водорода, схематически изображенном на рисунке 1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 1039 раз превышающей силу гравитационного притяжения.

Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые медленно уменьшаются с увеличением расстояния и во много раз превышают силы всемирного тяготения, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными. Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.

Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. Когда мы говорим, что электроны и протоны электрически заряжены, то это означает, что они способны к взаимодействиям определенного типа (электромагнитным), и ничего более. Отсутствие заряда у частиц означает, что подобных взаимодействий она не обнаруживает. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий. Электрический заряд – вторая (после массы) важнейшая характеристика элементарных частиц, определяющая их поведение в окружающем мире.

Электрический заряд – это физическая скалярная величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обозначается буквами q или Q.

Подобно тому, как в механике часто используется понятие материальной точки, позволяющее значительно упростить решение многих задач, при изучении взаимодействия зарядов эффективным оказывается представление о точечном заряде. Точечный заряд – это такое заряженное тело, размеры которого значительно меньше расстояния от этого тела до точки наблюдения и других заряженных тел. В частности, если говорят о взаимодействии двух точечных зарядов, то тем самым предполагают, что расстояние между двумя рассматриваемыми заряженными телами значительно больше их линейных размеров.

Электрический заряд элементарной частицы

Электрический заряд элементарной частицы – это не особый «механизм» в частице, который можно было бы снять с нее, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определенных взаимодействий между ними.

В природе имеются частицы с зарядами противоположных знаков. Заряд протона называется положительным, а электрона – отрицательным. Положительный знак заряда у частицы не означает, конечно, наличия у нее особых достоинств. Введение зарядов двух знаков просто выражает тот факт, что заряженные частицы могут как притягиваться, так и отталкиваться. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, а при разных – притягиваются.

Никакого объяснения причин существования двух видов электрических зарядов сейчас нет. Во всяком случае, никаких принципиальных различий между положительными и отрицательными зарядами не обнаруживается. Если бы знаки электрических зарядов частиц изменились на противоположные, то характер электромагнитных взаимодействий в природе не изменился бы.

Положительные и отрицательные заряды очень хорошо скомпенсированы во Вселенной. И если Вселенная конечна, то ее полный электрический заряд, по всей вероятности, равен нулю.

Наиболее замечательным является то, что электрический заряд всех элементарных частиц строго одинаков по модулю. Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Заряд может быть положительным, как у протона, или отрицательным, как у электрона, но модуль заряда во всех случаях один и тот же.

Отделить часть заряда, например, у электрона невозможно. Это, пожалуй, самое удивительное. Никакая современная теория не может объяснить, почему заряды всех частиц одинаковы, и не в состоянии вычислить значение минимального электрического заряда. Оно определяется экспериментально с помощью различных опытов.

В 60-е гг., после того как число вновь открытых элементарных частиц стало угрожающе расти, была выдвинута гипотеза о том, что все сильно взаимодействующие частицы являются составными. Более фундаментальные частицы были названы кварками. Поразительным оказалось то, что кварки должны иметь дробный электрический заряд: 1/3 и 2/3 элементарного заряда. Для построения протонов и нейтронов достаточно двух сортов кварков. А максимальное их число, по-видимому, не превышает шести.

Единица измерения электрического заряда

Последние материалы раздела:

Комплекс Гольджи представляет собой стопку дискообразных мембранных мешочков (цистерн), несколько расширенных ближе к краям, и связанную с ними.

Глава I. Описание живущего в семье дворян-Иртеньевых пожилого-учителя, немца Карла Ивановича Мауера. Николенька Иртеньев (мальчик, от лица.

Аппарат Гольджи — важная органелла, которая присутствует практически в каждой Пожалуй, единственными клетками, в которых отсутствует этот комплекс.

Элементарные частицы

4.1.Свойства элементарных частиц. Гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. @

Элементарными частицами называют мельчайшие неделимые частицы вещества, которые не имеют внутренней структуры или, точнее, она еще не известна. Элементарные частицы могут вступать в реакции с другими частицами, при этом возникают новые частицы. Например, реакции взаимопревращения нейтрона и протона происходит с возникновением электрона , позитрона , нейтрино ν, антинейтрино ν

. Кроме электронов, протонов и нейтронов, которые входят в состав любого атома, в настоящее время известно около 400 элементарных частиц. Их открытие произошло в начале ХХ века физиками, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, и продолжается до настоящего момента при изучении результатов столкновений разных частиц, ускоренных до больших кинетических энергий. Основными характеристиками элементарных частиц являются: масса частицы, спин или собственный момент импульса, среднее время жизни, электрический заряд,

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из известных элементарных частиц Z-частица обладает массой в 200 000 раз больше массы электрона. Частица, имеющая нулевую массу покоя и движущаяся со скоростью света, называется фотоном. Масса покоя выражается обычно в единицах энергии в соответствии с соотношением Эйнштейна Е=mc 2 и варьируется в пределах от нуля до 10 10 эВ.

Важная характеристика частицы – спин (собственный момент импульса). Спин связан с симметрией частиц при вращении, измеряется в единицах h (постоянная Планка) и может иметь только дискретные (квантованные) значения, равные целому или полуцелому числу . Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3/2 , 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360° . Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-оборота. В зависимости от спина, все частицы делятся на две группы: бозоны — частицы со спинами 0, 1 и 2; фермионы — частицы с полуцелыми спинами.

Частицы характеризуются также временем жизни, так как они могут самопроизвольно распадаться и превращаться в другие. По этому свойству частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, а свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы – нестабильны, время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10 ‑23 с.

Электрический заряд элементарных частиц меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона. Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда. Электрический заряд характеризует способность частиц участвовать в электромагнитном взаимодействии с другими частицами, он подчиняется закону сохранения, т.е. суммарный заряд системы ни при каких либо взаимопревращениях частиц не меняется.

Кроме этих характеристик имеется и более сложные ‑ лептонный заряд, барионный заряд, пространственная четность и др. Эти характеристики учитывают возможность частиц участвовать в разных типах взаимодействий и возможные варианты их взаимопревращений (реакций). Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных специфических видов симметрии (пространственной, зарядовой), и законами сохранения различных зарядов (электрического, лептонного, барионного и др.).

Как известно, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому ядерному и сильному ядерному. Именно эти взаимодействия, в конечном счете, отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований и процессов.

1. Гравитационное взаимодействие присуще всем элементарным частицам, имеющим ненулевую массу покоя, это взаимодействие действует на больших расстояниях, но оно самое слабое по величине и поэтому не влияет на процессы взаимопревращений элементарных частиц. Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной. Гравитация является универсальным взаимодействием, так как каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Гравитация — дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

2. Электромагнитное взаимодействие присуще элементарным частицам, имеющим отличный от нуля электрический заряд, оно также дальнодействующее, а по величине энергии взаимодействия на 36 порядков сильнее гравитационного. В течение долгого времени электрическое и магнитное взаимодействие изучались независимо друг от друга, но в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединил электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма — первой единой теории поля. Вследствие дальнодействующего характера электрических и магнитных сил, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника, например, магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Вследствие большой величины электромагнитного взаимодействия и наличия заряда у ядра атома и у его оболочки, именно это взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов.

3. Сильное ядерное взаимодействие является близкодействующими, оно действует между частицами только на расстояниях, сравнимыми с размерами ядра, а по величине оно больше гравитационного на 38 порядков. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика пришла в ходе изучения структуры атомного ядра. Для объяснения стабильности ядер необходима была какая-то сила, которая могла бы удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба, необходимо было новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым, сильное взаимодействие резко уменьшается на расстоянии превышающем примерно 10 ‑15 м. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы, его испытывают протоны и нейтроны, а электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия было разработано в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются как составные частицы, построенные из более элементарных частиц — кварков. Сильное взаимодействие, вследствие своей большой величины, является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, объясняемой сильным взаимодействием, — это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции и выделяется огромное количество энергии, переносимой на нашу Землю с помощью электромагнитного излучения. Человек тоже научился высвобождать энергию сильного взаимодействия с помощью ядерных реакторов на атомных электростанциях.

Слабое ядерное взаимодействие является близкодействующим, по величине оно больше гравитационного на 23 порядка. Слабое взаимодействие было обнаружено при изучении радиоактивности и бета-распада. Обнаружилось, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики — закон сохранения энергии. Казалось, что в этом распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, Паули предположил, что вместе с электроном при бета-распаде должна вылетать еще одна частица ‑ нейтрино, она должна быть нейтральной и обладать высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать ранее. Исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны после освобождения из ядра через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ реакции привел к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Очевидно, он порождался какой-то иной силой. Взаимодействие, связанное с этой силой, назвали слабым взаимодействием, оно оказалось гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Радиус слабого взаимодействия оказался очень мал, уже на расстоянии большем 10 -18 м от источника оно исчезает. Поэтому данное взаимодействие сильно влияет только на процессы, возникающие при сближении элементарных частиц. Впоследствии выяснилось, что большинство элементарных частиц участвует в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом и А. Саламом.

4.2.Классификация элементарных частиц.@

Физики выяснили, что главные свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в различных видах взаимодействия, поэтому классификация частиц строится с учетом именно этого фактора. Элементарные частицы принято условно делить на четыре класса: лептоны, мезоны, барионы и частицы‑переносчики взаимодействия.

Первый класс — класс лептонов — состоит из частиц, участвующих в слабом взаимодействии и в электромагнитном, если они имеют электрический заряд. Лептоны имеют спин равный 1/2 и лептонный заряд, который, подобно электрическому заряду сохраняется при реакциях взаимопревращения частиц (т.е. суммарное число лептонов при этом не меняется). К лептонам относят шесть типов частиц, отличающихся массами, временем жизни, электрическим зарядом и разновидностями лептонного эаряда: электроны, мюоны, тау-лептоны, электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Среди лептонов наиболее известен электрон. Другой хорошо известный лептон — нейтрино. Нейтрино является наиболее распространенной частицей во Вселенной, она легко проникает через вещество. Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название тау‑нейтрино. Это очень тяжелая частица, ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном она ведет себя подобно электрону и мюону. В 60-х годах было установлено, что существует еще два типа нейтрино: электронное нейтрино и мюонное нейтрино.

Второй класс — класс барионов — состоит из частиц, обязательно участвующих в сильном ядерном взаимодействии, некоторые из них могут также участвовать и в слабом, и в электромагнитном взаимодействии. Спин барионов равен 1\2, они имеют барионный заряд, который сохраняется при реакциях. К барионам относятся протон, нейтрон и еще около двухсот частиц, отличающихся массами, временем жизни, электрическим зарядом.

Третий класс – класс мезонов. По видам взаимодействий он сходен с классом барионов, но спин и барионный заряд данных частиц равен нулю. К классу мезонов относится до сотни частиц. Самые известные из них, это – пионы, каоны, эта-мезоны.

Мезоны и барионы часто называют общим названием – адроны. Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях элементарных частиц, где они ускоряются до больших скоростей и сталкиваются с неподвижными частицами, что приводит к различным реакциям их взаимопревращения. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Такое множество адронов наводило на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину, появились конкретные идеи о том, как их систематизировать, решающий шаг здесь был сделан в 1963 г., когда была предложена теория кварков.

Четвертый класс частиц состоит из частиц – переносчиков взаимодействий. Эти частицы не являются непосредственно строительным материалом вещества, а обеспечивают четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода «клей», не позволяющий веществу распадаться на части. Четвертый класс состоит из: фотонов – переносчиков электромагнитного взаимодействия, глюонов – переносчиков сильного взаимодействия, бозонов — переносчиков слабого взаимодействия. Высказывается мнение, что возможно существование и переносчиков гравитационного взаимодействия – гравитонов, но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то обнаружить гравитоны экспериментально будет очень сложно.

Согласно современным теориям, все виды взаимодействия между частицами объясняют передачей энергии, импульса, момента импульса с помощью частиц‑переносчиков взаимодействия. Впервые данный подход был использован для объяснения электромагнитного взаимодействия, эта теория известна как квантовая теория электромагнитного поля или квантовая электродинамика (КЭД). Для описания взаимодействия с помощью частицы-переносчика в теории используется не только понятие реального фотона (кванта видимого нами света), но вводится понятие виртуального (скоротечного, призрачного, не наблюдаемого экспериментально) фотона, который «видят» только взаимодействующие частицы. В основе КЭД лежит описание электромагнитного поля с использованием понятия передачи взаимодействия за счет испускания и поглощения таких виртуальных фотонов заряженными частицами, а также использование явления взаимного уничтожения (аннигиляции) электронно-позитронной пары с возникновением фотонов и явления порождения фотонами такой пары. Эта теория удовлетворяет принципам квантовой теории и теории относительности. Правильность теории КЭД была проверена на двух эффектах, которые предсказала КЭД и которые не объясняла обычная квантовая механика. Первый касался энергетических уровней атома водорода, согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью — более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих физических теорий. После подобного триумфа, КЭД была принята как модель для квантового описания и других фундаментальных взаимодействий с помощью соответствующих частиц-переносчиков.

Согласно теории и результатам экспериментов каждой частице, кроме фотона, соответствует античастица, которая отличается только противоположным электрическим зарядом и магнитным моментом. Например, электрону соответствует антиэлектрон или позитрон, протону — антипротон. При взаимодействии частицы и античастицы (например, при столкновении частиц с большой кинетической энергией) происходит аннигиляция или исчезновение этих частиц и появление нескольких фотонов или каких-либо других частиц. При взаимодействии элементарных частиц могут возникать также временные виртуальные частицы – так называемые короткоживущие резонансы.

4.3.Гипотеза строения элементарных частиц из кварков. @

В настоящее время не существует законченной теории, объясняющей все характеристики частиц и все виды реакций, но разработана хорошая гипотеза для классификации частиц. Эта классификация основана на представлении о существовании суперэлементарных частиц – кварков, из которых как бы «состоят» частицы. Под термином «состоят» не следует понимать их простое объединение, т.к. например масса покоя частицы может быть намного меньше масс кварков, из которых она «состоит», этот термин только обозначает тот факт, что при реакциях происходит переобъединение кварков в другие частицы с сохранением суммарных характеристик системы частиц.

Гипотеза строения элементарных частиц из более фундаментальных частиц ‑ кварков была предложена Гелл-Манном и Цвейгом в 1964 году. Кварки несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо ± 1 / 3 или ± 2 / 3 от заряда электрона. Все кварки имеют спин 1/2, поэтому они относятся к фермионам. Чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны, Гелл-Манн и Цвейг ввели три сорта (аромата) кварков: u (от up- верхний), d (от down- нижний), s (от strange — странный) и три соответствующих антикварка. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк — антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы — барионы, более легкие пары кварк — антикварк образуют мезоны. Например, протон состоит из двух u- и одного d-кварков (uud), а нейтрон — из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это «трио» кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий «клей». Оказалось, что сильное взаимодействие представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон «прилипает» к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая — на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны. Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов (сортов) кварков. Они получили названия: c -кварк (от charm — очарование); b -кварк (от beauty — прелесть); впоследствии был введен еще один аромат — t ( от top — верхний). Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносчики сильного взаимодействия — глюоны (цветовые заряды).

Для описания всех известных (в настоящее время) характеристик частиц оказалось достаточным иметь всего 36 кварков. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков с помощью глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Гипотеза кварков позволила предсказать существование новых частиц, которые были позднее обнаружены экспериментально, но обнаружить экспериментально сами кварки пока еще не удалось. Хотя и существуют некоторые недостатки у кварковой теории, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами — точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и предполагается, что между этими двумя различными семействами должна существовать взаимосвязь. Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий и с учетом существования для каждой частицы античастицы) на конец ХХ века равно 48 (лептонов (6х2) = 12, кварков (6х3)х2 =36). По современным представлениям, законченная теория строения материи должна включать кроме самой теории элементарных частиц и теорию фундаментальных взаимодействий.

4.4.Гипотеза Великого объединения всех видов взаимодействия.@

В 70-е ХХ века в естествознании было установлено, что электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы весьма разные по своей природе, в действительности являются двумя разновидностями единого так называемого электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ века — это убеждение, что все взаимодействия поддерживают в природе некий набор абстрактных симметрий. Принято считать, что объект обладает симметрией, если он остается неизменным в результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов на отрицательные. Таким образом, под симметрией понимается инвариантность (неизменность) свойств относительно какой либо операции. Существуют разные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди последних есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и связаны с преобразованием уровня отсчета или масштаба некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при таком преобразовании. Например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение — от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что с её помощью можно, в принципе, объяснить теоретически все четыре фундаментальных взаимодействия.

Выяснилось, что симметрия электромагнитного взаимодействия входит в симметрию слабого взаимодействия. Для объяснения этого пришлось ввести три новых силовых поля и, соответственно, три новых типа частиц — переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1, их условное обозначение Z, W+ и W- частицы. В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Опираясь на идею спонтанного нарушения симметрии, авторы теории электрослабого взаимодействия Вайнберг и Салам сумели решить великую теоретическую проблему — они объединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля. Проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W и Z -частиц. Их открытие в 1983 году стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа и означало торжество теории единого электрослабого взаимодействия. Из четырех фундаментальных взаимодействий осталось три.

Следующий шаг на пути объединения всех фундаментальных взаимодействий — слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Для этого необходимо было придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию и сильное взаимодействие представлять как результат обмена глюонами. Было сделано предположение, что каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля, его назвали цветом (это название не имеет никакого отношения к обычному цвету). Каждый кварк «окрашен» в один из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим, соответственно антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние. Далее теория сильного взаимодействия развивалась по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Были введены восемь новых вспомогательных силовых полей и восемь различных типов переносчиков этих полей – глюонов. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый). Поэтому, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка («игра цветов»). Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени «суммарный» цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму «красный + зеленый + синий». Такое своеобразное введение “цветов” дало теории сильного взаимодействия название квантовой хромодинамики. С точки зрения квантовой хромодинамики сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Квантовая хромодинамика во многом объясняет правила, по которым возникают всевозможные комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой, сложную структуру адронов и др. Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, тем не менее, ее достижения многообещающи.

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий. Модели единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказывает возможные пути дальнейшего развития единства физики ‑ объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что величины слабого и сильного взаимодействий становятся равными друг другу при некоторой очень большой энергии частиц, эту энергию называют энергией объединения. При этой энергии (более 1017 МэВ) и на расстояниях r

Каждый электрик должен знать:  Режимы работы электродвигателей
Добавить комментарий