Лекция №17 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 = mc². Единица измерения — электронвольт (1 эВ = 1,610^–19 Дж); на практике используются миллионы электронвольт — Мэв (1 МэВ = 10⁶ эВ) и гигаэлектронвольт — ГэВ (1 ГэВ = 10⁹ 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.

Фундаментальные взаимодействия

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.