Характеристики элементарных частиц.

<4 5 678 9 10 >

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.

Все барионы состоят из 3 кварков, а мезоны из 1 кварка и 1 антикварка. Например, протон состоит двух кварков u и одного кварка d; нейтрон состоит из двух кварков d и одного кварка u; пи-мезон состоит из одного кварка u и одного антикварка d.

Каждый кварк может иметь три энергетических состояния или «цвета»: зеленый (1), красный (2), желтый (3). Каждый антикварк может иметь три антицвета: антизеленый (1), антикрасный (2), антижелтый (3). Например, p u₁u₂d₃; n d₁d₂ u₃; π⁺ u₂d_2.

Протон (p) можно рассматривать как «мешок» содержащий два «u» кварка и один «d» кварк. Каждый из кварков в «мешке» окружен своим собственным глюонным облаком. Гюон – это частица-переносчик сильного ядерного взаимодействия (от англ. слова glue, что означает склеивать. Глюоны «склеивают» кварки в барионах и мезонах, а также они «склеивают» протоны и нейтроны в атомном ядре.

При взаимодействии двух протонов (или двух нейтронов, или протона и нейтрона) происходит сближение двух «мешков» с кварками, которые на достаточно малом расстоянии начинают обмениваться глюонами. Глюоны взаимодействуют только с кварками и другими глюонами.

У сильного ядерного взаимодействия есть еще одно необычное свойство – конфайнмент (от англ. слова confinement – ограничение, удержание). Конфайнмент заключается в том, что частицы всегда удерживаются в бесцветных комбинациях. Один кварк не может существовать сам по себе, потому что в этом случае он должен был бы иметь цвет (зеленый, красный или желтый). При попытке «вытащить» один кварк из протона получается мезон, который и наблюдается в опыте. Красный кварк должен быть соединен с желтым и зеленым (чтобы получилась бесцветная комбинация) посредством глюонной струны. Такой триплет оказывается протоном или нейтроном. Если объединяется кварк и антикварк (красный и антикрасный, либо синий и антисиний, либо желтый и антижелтый), то образуется мезон.

Глюоны тоже имеют «цвет» и аналогично кваркам не могут существовать по отдельности из-за конфайнмента. Глюоны должны группироваться таким образом, чтобы в сумме давать белый цвет.

Струны – это глюоны или одномерные порции энергии. Они подобны обычным струнам, только значительно тоньше их; они составляют 10^-21см. Струны могут быть замкнутыми или открытыми, могут иметь различное натяжение, могут вибрировать с разной частотой, могут взаимодействовать друг с другом, могут сливаться, распадаться, колебаться и т.д. Через суперструны можно представить любую частицу, наблюдаемую во вселенной.

Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии к успеху не привели. Доказательством существования кварков служит опыт по просвечиванию нуклонов (протонов, нейтронов) электронами, который называется глубоконеупругим рассеянием электронов.

ЛЕКЦИЯ № 10. Основные принципы квантовой механики.

Как показывает история естествознания, свойства элементарных частиц, с которыми столкнулись физики, изучая микромир, не укладываются в рамки традиционных физических теорий. Попытки объяснить микромир с помощью понятий и принципов классической физики потерпели неудачу. Поиски новых понятий и объяснений привели к возникновению новой физической теории – квантовой механики, у истоков которой стояли такие выдающиеся физики как В.Гейзенберг, Н.Бор, М.Планк, Э.Шредингер и др.

Вспомним историю изучения природы света, а точнее непримиримые разногласия между И.Ньютоном и Гюйгенсом. Ньютон рассматривал свет как поток корпускул, а Гюйгенс – как волны, возникающие в особой среде – эфире. В 18 веке разрешить этот спор было невозможно.

В 1900 году М.Планк, как мы помним, обнаруживший дискретные порции энергии (кванты), выразив представление о свете как о потоке квантов или фотонов.

Однако наряду с квантовым представление о свете продолжает развиваться и волновая механика света в работах Луи де Бройля и Э.Шредингера. Луи де Бройлем было открыто подобие между колебанием струны и атомом, испускающим излучение. Атом ведет себя подобно акустическому инструменту, производящему стоячие волны. Луи де Бройль сделал смелое предположение, что движущийся равномерно и прямолинейно электрон – это волна определенной длины. В отношении электрона мы признавали его частицей (были определены его масса и заряд). И, действительно, электрон ведет себя подобно частице, когда он движется в электрическом или магнитном поле. Он же ведет себя и подобно волне, когда дифрагирует, проходя сквозь кристалл или дифракционную решетку.

Изучение специфических свойств микрообъектов началось с экспериментов, в ходе которых было установлено, что микрообъекты в однихопытах обнаруживают себя как частицы (корпускулы), а в других – как волны.

Опыт Дэвисона и Джермера по дифракции электронов.

Пучок электронов, испускаемых источником S (электронной пушкой) проходит через стенку с двумя отверстиями, а затем попадает на экран. Если бы электроны были классическими частицами наподобие дробинок, то количество попаданий на экран электронов, проходящих через 1-ую щель, изображалось бы кривой Р_1,а через 2-ую щель – кривой Р₂. Если одновременно открыть обе щели, на экране появится система максимумов и минимумов – кривая Р₁₂, подобная той, которая имеет место для световых волн.

При этом возникает парадокс: оказывается, мы не имеем права спрашивать через какую щель прошел каждый отдельный электрон. Если бы каждый электрон проходил через какую-либо одну щель, то все электроны, попавшие на экран, можно было разбить на два класса: прошедшие через щель 1 и прошедшие через щель 2, тогда суммарно число попаданий выражалось бы кривой, объединяющий кривые Р₁ и Р₂, чего на самом деле нет.

При наличии в опыте интерференционной картины вопрос о том, через какую щель проходит электрон, смысла не имеет. В связи с неделимостью кванта действия взаимодействие прибора с объектом нельзя проконтролировать во всех деталях.

<4 5 678 9 10 >

Дата добавления: 2021-06-28; просмотров: 337;