Елементарні частинки

План



1 Основні характеристики елементарних частинок



1.1. Маса й заряд елементарних частинок



1.2. Спін елементарних частинок і мікрооб'єктів.



2 Класифікація елементарних частинок



2.1. Лептони Мюони



2.2. Адрони Мезони Гіперони



3 Античастинки



4 Перетворення елементарних частинок



5 Взаємодії елементарних частинок.



Основні характеристики елементарних частинок



Маса і заряд елементарних частинок



Елементарні частинки — найпростіші частинки в складі атома. Сучасний рівень знань не дозволяє точно встановити їхню структуру. Але властивості багатьох частинок вивчені досить добре



Зародження фізики елементарних частинок можна віднести до 90-х років дев'ятнадцятого сторіччя, коли був відкритий електрон (є) Услід за ним ученим стали відомі протон (р) і фотон (у) Далі події розвивалися настільки бурхливо, що це дотепер викликає здивування 1932 рік ввійшов в історію фізики за назвою «рік чудес». Першим з'явилося повідомлення англійського фізика Дж. Чедвіка про відкриття нейтрона (я). Потім американцеві К. Андерсону за допомогою камери Вільсона вдалося знайти в космічному випромінюванні позитрон (є*) — античастинку електрона. Одночасно широко розгорнулися дослідження, покликані визначити властивості цих нових частинок. Було з'ясовано, що вільний нейтрон перетворюється не на дві частинки — протон і електрон, а на три — протон, електрон і якусь нову частинку Е. Фермі дав їй назву «нейтрино» (n), а В. Паулі теоретично обґрунтував її властивості У 1953 рот Райнес і Коуен змогли експериментально підтвердити існування нейтрино Фізика елементарних частинок наочно довела, що далеко не всі фізичні процеси вписуються в рамки класичної електромагнітної моделі Дві нові частинки — нейтрон і позитрон — виявили вузькість сприйняття світу фізичних явищ, що спирався винятково на теорії електромагнітної й гравітаційної взаємодій. Виявилося, що стабільність електронів, протонів і фотонів — це виняток у природі елементарних частинок, адже всі інші елементарні частинки здатні або довільно, або в результаті зіткнень перетворюватися на інші частинки.



Усе це підвело фізиків до ідеї про існування ще двох типів фундаментальних сил: ядерних і слабких. Однак знадобиться ще чимало часу, щоб ця теорія набула остаточної стрункості й завершеності.



До середини XX століття було відомо більше 30 елементарних частинок Ретельне вивчення дозволило виявити їхні загальні властивості.



Так, основними характеристиками елементарних частинок вважають їхню масу спокою й елементарний заряд.



Маси спокою частинок:



Сумарна маса всіх частинок, що утворюють молекулу, атом або ядро, є масою цього мікрооб'єкта, якщо її зменшити на величину дефекту маси Дефект маси прямо пропорційний енергії, яку потрібно витратити, щоб розщепити мікрооб'єкт на елементарні частинки. У ядрах атомів, в яких дефект маси перевищує Ют, нуклони зв'язані між собою найсильніше.



Електричний заряд складного мікрооб'єкта дорівнює сумі зарядів складових його частинок.



Спін елементарних частинок і мікрооб'єктів



Спін є дуже важливою характеристикою як елементарної частинки, так і всього мікрооб'єкта загалом.



Спін елементарної частинки — квантова величина, яка не має аналога в класичній механіці й електродинаміці. Це власна невід'ємна властивість елементарної частинки, настільки ж фундаментальна, як заряд або маса. її можна пояснити як момент імпульсу елементарної частинки, що не пов'язаний з її рухом і не залежить від зовнішніх умов.



Іноді під спіном мається на увазі обертання елементарної частинки навколо своєї осі, але це неправильно. Спін не можна розуміти як обертання, він позначає лише наявність у частинки можливостей для цього. Щоб внутрішній момент імпульсу перетворився на класичний момент імпульсу (тобто щоб частинка справді почала обертатися), необхідним є виконання умови s>>1, де s — спін частинки. Ця умова нездійсненна, тому що максимально можливе значення спіну дорівнює 1.



Спін мікрооб'єкта, наприклад ядра, складається зі спінів нуклонів і орбітальних моментів імпульсу нуклонів, обумовлених рухом нуклонів усередині ядра.



Вивчення спіну елементарних частинок дозволило зробити висновки про їх поведінку серед інших частинок. Спін частинок може бути цілим або дробовим. Це і є підставою для розподілу частинок на бозони і ферміони.



Бозони — частинки з цілочисловим або нульовим спіном. Вони описуються симетричними хвильовими функціями і підкоряються статистичному розподілу Бозе — Ейнштейна.



Ферміони — загальна назва частинок із нецілочисловим спіном. Вони описуються несиметричними хвильовими функціями і підкоряються статистичному розподілу Фермі — Дірака. Складні утворення (ядра атомів), складені з непарного числа фермюнів, є ферміонами, тобто мають нецілочисловий сумарний спін.



Якщо ж мікрооб'єкт складається з парного числа ферміонів, то його сумарний спін цілий, і такі ядра називаються бозонами.



Класифікація елементарних частинок



Елементарні частинки поєднують у три групи:



— фотони;



— лептони;



— адрони

Група фотонів містить у собі тільки одну частинку — фотон, який є носієм електромагнітної взаємодії.



Лептони. Мюони



До групи лептонів належать електрон, мюон, електронне і мюонне нейтрино і відповідні античастинки. Усі лептони є ферміонами, тому що їхній спін дорівнює 1/2. Вони не беруть участі в сильних (ядерних) взаємодіях.



Розглянемо основні властивості мюона. Мюон був уперше виявлений у 1936 році, і тоді ж було встановлено, що він є твердим компонентом вторинного космічного випромінювання. Він є продуктом розпаду важчих частинок Маса мюона складає 207тс, що дозволяє зарахувати його до легких частинок Заряд мюона чисельно дорівнює зарядові електрона, але мюони можуть бути як позитивними (μ+), так і негативними (μ-)



Мюони належать до нестабільних частинок, час їхнього життя складає 2,2•10 -6 с Вони зазнають спонтанного розпаду відповідно до наступної схеми:



Мюони взаємодіють із ядрами атомів дуже слабко, тому вони не можуть бути носіями ядерної взаємодії.



Адрони. Мезони. Гіперони



Адрони, на відміну від лептонів, можуть брати участь у сильній ядерній взаємодії. До цієї групи належать нуклони (протон і нейтрон), мезони (група частинок j масою меншою, ніж маса протона) і гіперони (група частинок із масою більшою, ніж маса протона).



Мезони бувають двох типів:



π-мезони (піони);



К-мезони (каони).



Піони були вперше штучно отримані бомбардуванням а-частинками атомів Be, С і Сu. π-Мезони сильно взаємодіють із нуклонами й атомними ядрами; вони є головним чинником існування ядерних сил.



Піони можуть бути позитивно (π+) і негативно (π ) зарядженими Чисельно величина їхнього заряду дорівнює величині заряду електрона Крім того, існують і нейтральні (π0) піони.



Піони нестабільні. Час життя заряджених піонів складає 2,6 10-8 с. незаряджених - 0,8 •10-16 с.



Спонтанно я-мезони розпадаються за такою схемою



Маси позитивно і негативно заряджених π-мезонів однакові й складають 273,1 от . Маса π°-мезона дорівнює 264,1 тс Усі мезони належать до легких частинок. Заряджені піони мають нульовий спін.



К-мезони — частинки з нульовим спіном і масою 970/и, Відомі 4 типи каонів



К+ — позитивно заряджений кцон;



К" — негативно заряджений каон;



К° і К° — нейтральні каони.



Час життя К-мезонів коливається в періоді від 10 8 до 10 10 с і залежить від їхнього типу. Розпад заряджених каонів відбувається відповідно до такої схеми



Гіперони — важкі нестабільні елементарні частинки масою (2183-3273)тс, що перевищує масу протона. Відомо кілька типів гіперонів



Спін гіперонів дорівнює 1/2 (для Ω -гіперону 3/2). Час життя гіперонів складає 10-10 с (для Ω°-гіперонів 10-20 с). Розпад гіперонів супроводжується утворенням нуклонів і легких частинок (я-мезонів, електронів, нейтрино і у-квантів)



Властивості гіперонів дозволили виявити ще одну квантову характеристику елементарних частинок — дивність Справа в тому, що розрахований теоретично час життя гіперонів був у 1013 разів менший, ніж експериментально встановлений Закон збереження дивності s пояснив цей факт, а також і те, що гіперон народжується кожного разу у парі з К-мезоном. Слід зауважити, що закон збереження дивності виконується тільки при сильних і електромагнітних взаємодіях.



Античастинки



Квантова теорія передбачала існування античастинок задовго до експериментального доказу цього факту. Наявність у кожної елементарної частинки античастинки підтверджується принципом зарядового спряження. Справді, кожній частинці, m винятком фотона і π°-мезона, відповідає античастинка.



Частинка та античастинка мають однакову масу і рівну тривалість життя у вакуумі. їхній заряд однаковий за величиною і протилежний за знаком. Спін частинки та античастинки однаковий.



Довгий час вважалося, що, завдяки подібності характеристик, частинки та античастинки повинні брати участь в аналогічних процесах (повна симетрія). Пізніше було доведено, що подібна симетрія характерна тільки для сильної й електромагнітної взаємодій, а для слабкої порушується.



Процес зіткнення частинки з античастинкою, у результаті чого виникають інші елементарні частинки або фотони, одержав назву анігіїяція. Першим прикладом анігіляції у фізиці стала взаємодія електрона й позитрона з утворенням двох у-квантів:



Для створення пари «частинка-античастинка» потрібна енергія, яка дорівнює або перевищує подвоєну енергію спокою пари. Це відбувається тому, що частинкам необхідно надати значної кінетичної енергії. Наприклад, для створення пари «протон-антипротон» (р-р) потрібно витратити 4,4 ГеВ.



Античастинки можуть анігілювати не тільки з відповідними до них частинками, але і з іншими частинками також. Наприклад, антипротон анігілює і з протоном, і з нейтроном відповідно до наступних схем:



Відмінність частинки та античастинки полягає не тільки в різнойменності їхніх зарядів. Крім цього, розрізняються їхні магнітні моменти. Так, нейтрон (π) і антинейтрон (π) відрізняються знаком власних магнітних моментів.

снує група елементарних частинок, для яких немає античастинок. Це так звані істинно нейтральні частинки. До них належать фотон, π°-мезон і π-мезон (тη = 1074mt, час життя 7 10 19,с, при розпаді утворюються π-мезони і γ-кванти). Вважають, що істинно нейтральна частинка тотожна зі своєю античастинкою. У силу цього істинно нейтральні частинки не здатні анігілювати, зате вони зазнають взаємних перетворень.



Перетворення елементарних частинок



Розглянемо схему розпаду мюона:



На підставі цієї схеми можна зробити висновок, що мюон складається з трьох елементарних частинок, але це твердження не буде правильним. Досить узяти до уваги той факт, що для деяких частинок існує кілька схем розпаду.



Розпад частинки — перетворення її на деяку сукупність нових частинок, породжених у результаті її знищення.



При зіткненнях частинок картина взаємних перетворень не менш багата, ніж при їхньому розпаді. Наприклад, при зіткненні фотона з нейтроном мають місце такі перетворення:



З наведених схем видно, що сума мас спокою кінцевих частинок більша, ніж вихідних. Таким чином, енергія частинок, що зіштовхуються, перетворюється на масу, що не суперечить формулі Ейнштейна:



ΔЕ = Δтс2.



Також зі схем випливає, що неможливо розщепити елементарні частинки ! (зокрема нейтрони), бомбардуючи їх іншими частинками (у цьому випадку фотонами): насправді ж відбувається не розщеплення обстрілюваних частинок, а народження нових, причому значною мірою це відбувається за рахунок енергії частинок, що зіштовхуються.



Взаємні перетворення елементарних частинок мають свої закономірності, що перегукуються із законами класичної фізики. Так, дуже важливим є той факт, що для елементарних частинок також можуть бути застосовані закони збереження їхніх фундаментальних характеристик. Наприклад, для елементарних частинок виконується закон збереження електричного заряду: при будь-якому взаємному перетворенні частинок алгебраїчні суми електричних зарядів вихідних і кінцевих частинок рівні. Це дозволяє відразу виключити з аналізу ті схеми, де ця умова не виконується.



Але як іде справа у світі мікрооб'єктів з описом їхнього руху і стану? Відомо, що в класичній механіці на це питання відповідають закони збереження енергії (1), імпульсу (2) і моменту імпульсу (3):



AU=Q-A, (1)



де AU — зміна внутрішньої енергії системи; Q — теплота, що надається системі; А — робота, здійснена системою над зовнішніми тілами.



де тг т2 — маса тіл 1 і 2;



V1, V2 — швидкість тіл 1 і 2.



L — const, (3)



де L — момент імпульсу замкненої системи.



Усі закони збереження є наслідками певних властивостей простору й часу.



Час однорідний, тобто протікання фізичних процесів не залежить від того, який момент обраний за початковий відлік. Наслідком однорідності часу є закон збереження енергії.



Усі точки в просторі фізично рівноправні, що дозволяє вважати однорідним простір. Наслідком цього є закон збереження імпульсу.



Закон збереження моменту імпульсу є наслідком ізотропності простору, тобто фізичної рівноправності всіх напрямків у просторі.



Ще жоден експеримент не довів, що в мікросвіті ці закони не виконуються, тому такі динамічні змінні, як енергія, імпульс і момент імпульсу, для елементарних частинок також зберігають свій зміст. Однак специфічна природа мікрооб'єктів вносить деякі зміни в закони, що їх описують. Поправки при описі мікрооб'єктів вносяться на підставі ідеї квантування фізичних величин і корпускулярно-хвильового дуалізму.



Взаємодії елементарних частинок



У мікросвіті здійснюються чотири типи фундаментальних взаємодій. З них тільки дві (гравітаційна і електромагнітна) відповідають процесам макросвіту.



Гравітаційна взаємодія для процесів мікросвіту настільки мала, що звичайно нею нехтують. Це пов'язано головним чином з тим, що маси елементарних частинок дуже малі. Однак вона властива всім частинкам без винятку.



Електромагнітна взаємодія ґрунтується на процесах, що відбуваються з частинкою в електромагнітному полі. Для електронейтральних частинок (нейтрино, антинейтрино, фотон) вона не здійснюється. Саме електромагнітна взаємодія обумовлює існування атомів і молекул, тому що зв'язок між ядром і електронами здійснюється завдяки їхнім різнойменним зарядам.



Слабка взаємодія охоплює процеси, що відбуваються за участю нейтрино або антинейтрино. Це найповільніша з усіх взаємодій мікросвіту. До неї зараховують такі процеси, як β- і μ-розпади, безнейтринні процеси розпаду частинок з великою тривалістю життя (τ = 10-10 с).



Сильна взаємодія виявляє себе у зв'язку протонів і нейтронів у ядрі, хоча ядерні сили — це тільки окремий випадок сильної взаємодії.



Основні властивості ядерних сил



1. Ядерні сили — це сили притягання, тому що вони утримують нуклони всередині ядра; у тому числі вони забезпечують зв'язок між однойменно зарядженими протонами. При дуже тісному зближенні нуклонів ядерні сили між ними мають характер відштовхування.

2. Ядерні сили — це не електричні сили, тому що вони діють не тільки між зарядженими протонами, але і нейтронами, що не мають заряду. Вони також не є гравітаційними силами, які мізерно малі для пояснення ядерних ефектів.



3. Радіус дії ядерних сил (1 - 2)10 -13 см. При великих відстанях між частинками ядерна взаємодія не виявляється, тому її називають короткодіючою, тобто такою, що слабшає зі збільшенням відстані.



4. В області своєї дії ядерні сили дуже інтенсивні. їхня інтенсивність значно більша за інтенсивність електромагнітних сил, тобто ядерні сили утримують всередині ядра однойменно заряджені протони, між якими існує сильне електричне відштовхування.



Встановлено, що ядерні сили в 100—1000 разів менші, ніж час електромагнітної взаємодії:



де τяд — ядерний час.



Помічено, що при взаємодії нейтрона й протона може відбуватися обмін електричними зарядами між цими частинками. У результаті цього нейтрон перетворюється на протон, а протон — на нейтрон. Квантово-механічний аналіз цієї властивості ядерних сил дозволив установити, що ядерна взаємодія нуклонів здійснюється за рахунок л-мезонів, які є квантами ядерної взаємодії (аналогічно до фотонів — квантів електромагнітного поля).



СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ



1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики. Т.1. Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка. –К, 1999.–532 с.



2. Матвеєв О.М. Механіка і теорія відносності. –К., 1993.–288 с.



3. Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 6 т. Т.1. Механика.–М., 1989.–520 с.



4. Іванків Л.І., Палюх Б.М. Механіка.– К., 1995.– 227 с.



5. Хайкін С.Е. Фізичні основи механіки.– К., 1966.– 743 с.



6. Кушнір Р. Курс фізики. Ч.1: Механіка. –Львів, 2000.– 196 с.



7. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т.1. Механика. Молекулярная физика.– М., 1987.– 416 с.



Иродов Н.Е. Основ