Характеристики элементарных частиц.

1. Одна из существенных характеристик элементарных частиц состоит в том, что они имеют крайне незначительные массы и размеры. Масса большинства из них составляет 1,6 х 10^-24 гр., а размер порядка 10^-16 см в диаметре.

2. Другая характеристика элементарных частиц – это способность рождаться и уничтожаться, то есть испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Например, при взаимодействии (аннигиляции) двух противоположных частиц электрона и позитрона выделяется два фотона (кванта энергии):

е^- + е⁺ = 2γ

3. Следующей важной характеристикой является трансмутаия, то есть слияние частиц друг с другом при взаимодействии, причем с увеличением массы получившейся частицы. Новая масса частицы больше суммы двух соединившихся частиц, так как часть энергии, выделившейся при слиянии, переходит в массу.

А также элементарные частицы различаются по 1. Видам взаимодействия; 2. типам взаимодействия; 3. массе; 4. времени жизни; 5. спину; 6.электрическому или барионному заряду.

1. Элементарные частицы участвуют во всех видах фундаментального взаимодействия.

Фундаментальное взаимодействие.

Все разнообразие сил, действующих в природе, можно свести к 4 фундаментальным взаимодействиям: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Все взаимодействия между частицами вещества переносятся другими частицами – частицами-переносчиками взаимодействий, называемыми виртуальными, т.к. их нельзя зафиксировать при помощи детектора частиц. При некоторых условиях частицы-переносчики можно зарегистрировать в виде волн (например, электромагнитных волн для фотона).

Как это происходит. Действие поля одной частицы вещества на другую частицу происходит в результате поглощения второй частицей одного из квантов, испущенных первой частицей. Например, один из электронов испускает фотон (квант) и переходит при этом в новое энергетическое состояние. Этот фотон поглощается другим электроном, и состояние последнего тоже изменяется. Волнистая линия изображает электромагнитное поле, распространяющееся от одного электрона к другому.

1. Виды взаимодействия.

Сильное ядерное взаимодействие – обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах, а также связь между кварками в протонах и нейтронах. Переносчиком этого взаимодействия являются глюоны.

Электромагнитное взаимодействие – менее интенсивно, чем сильное ядерное, определяет связь между электронами и ядром в атоме, а также связь между атомами в молекуле. Переносчиком этого взаимодействия являются фотоны.

Слабое взаимодействие вызывает медленно текущие процессы, в частности процесс распада частиц, например, радиоактивные процессы в природе. Переносчиком этого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны.

Гравитационное взаимодействие – это взаимодействие между отдельными частицами; сила этого взаимодействия в квантовой механике крайне мала вследствие коротких расстояний и малости масс, но его сила значительно возрастает при взаимодействии больших масс. Переносчиком этого взаимодействия являются гипотетические, пока еще не обнаруженные частицы – гравитоны.

2. В квантовой механики все элементарные частицы могут взаимодействовать только по двум типам: адронному и лептонному.

3.По массе частицы подразделяют на тяжелые (протон, нейтрон, гравитон и др.), промежуточные (мезон) и легкие (электрон, фотон, нейтрино и др.) Фотон в состоянии покоя имеет нулевую массу.

4.По времени своего существования частицы подразделяются на стабильные, с достаточно длительным сроком существования (например, протоны, нейтроны в составе атома, электроны, фотоны, нейтрино и др.), квазистабильные, то есть имеющие достаточно короткое время жизни (например, античастицы) и нестабильные, имеющие предельно короткое время существования (например, резонансы).

5.Каждая элементарная частиц имеет спин (от английского - вертеться, вращаться) характеризующий ее собственный момент количества движения, имеющий квантовую природу и не связанный с ее перемещением как целого. Спин измеряется целым или полуцелым числом. Для большинства элементарных частиц показатель спина составляет или .

Элементарные частицы можно делить по спину на бозоны и фермионы. Частицы с 0 или целыми спинами (1 или 2) называют бозонами. Частицы с полуцелыми спинами ( или ) называют фермионами. Частицы, из которых состоит вещество, являются фермионами, а частицы-переносчики взаимодействий – бозонами.

Частица с 0 спином принимает один и тот же вид при любом угле своего поворота. Частица со спином 1 принимает прежний вид, после того, как сделает полный поворот на 360⁰. Частица со спином 2 принимает прежний вид при каждом полуобороте на 180⁰. Частица со спином выглядит одинаковым образом только после того, как сделает два оборота на 720⁰. Частиц со спином больше 2 скорее всего не существует.

Концепция спина была введена в физику в 1925 году американским ученым Дж.Уленбеком и С.Гаудсмитом, предположившими, что электрон можно рассматривать как “вращающийся волчок”.

6. Для элементарных частиц характерно наличие положительного или отрицательного электрического заряда, либо отсутствие электрического заряда вообще. Кроме электрического заряда у элементарных частиц группы барионов присутствует барионный заряд.

Теория кварков.

В 1964 году американский ученый Мюррей Гелл-Манн(р. 1929 г.) и швейцарский ученый Георг Цвейг предположили, что адроны должны состоять из простейших структурных частиц – кварков. Кварк – это точечное бесструктурное образование, с размерами менее 10^-18м. Термин «кварк» предложил Гелл-Манн. Он позаимствовал его из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где главный герой – король Марк мчится на корабле за Тристаном и Изольдой, а злобные чайки, кружащиеся над Марком, кричат: «Три кварка для мистера Марка». Цвейг предлагал другой термин – «туз», который не прижился.

Согласно теории кварков, существует шесть типовили «ароматов» кварков: u (up – верхний),d (down – нижний),s (strange – странный), c (charming – очаровательный), b (beauty – красавчик), t (truth – правдивый).

Каждый из кварков имеет спин, равный и электрический заряд, равный или заряда электрона.

Каждому кварку соответствует антикварк: u, d, s, c, b, t.