Лекция 16 физика
.pdfВквантовой механике электромагнитное взаимодействие
рассматривается как обмен заряженных частиц фотонами. Фотон
– типичный представитель еще одного класса микрообъектов – переносчиков взаимодействия.
Сравнительно недавно нуклоны, электроны и фотоны
размещались на едином уровне элементарных частиц. Однако было
установлено, что протоны, нейтроны и |
все |
адроны |
являются |
||
составными. Протоны и нейтроны |
состоят |
из |
кварков |
«u» |
и |
«d». В состав других адронов входят |
и другие кварки. |
|
|
Таким образом, единый ранее уровень элементарных частиц оказался расщепленным на два уровня. Термин «элементарный»
повторил историю термина |
«атом», |
в |
переводе с греческого – |
|
«неделимый». Самый нижний |
уровень |
- |
это уровень |
истинно |
элементарных частиц, часто называемых «фундаментальными»
частицами: |
это лептоны - |
е- |
, |
мюоны, таоны, нейтрино, а |
|
также кварки. |
|
|
|
||
|
Существуют ли еще более глубокие уровни пока неизвестно. При |
||||
достижении |
частицами уровня |
энергии |
порядка 1012 эВ (1000ГэВ), |
||
достижимый |
размер исследования |
R |
имеет порядок 10-19 м. (∆r×∆p |
||
~ |
ћ; |
∆r ~ ћ /∆p ). На |
этих |
расстояниях электрон е- еще |
|
не |
выявляет своей структуры. |
|
|
|
Общие свойства элементарных частиц.
В настоящее время известно примерно 400 элементарных частиц. Первыми были установлены электрон, протон, нейтрон, фотон,
электронные |
нейтрино |
√е |
и антинейтрино |
е |
. Они |
стабильны |
или квазистабильны |
(для нейтрона |
время |
жизни |
имеет порядок 12 – 15 минут). Почти все другие частицы крайне
нестабильны и образуются во вторичном |
космическом |
излучении |
или в лаборатории с помощью ускорителей. |
Основными |
свойствами |
частиц являются: масса, среднее время жизни, спин, электрический заряд, магнитный момент.
Масса фотона -0, заряд – 0, электронное нейтрино и антинейтрино – масса – 0, заряд – 0, мюонное нейтрино – масса – 0, заряд – 0, таонное нейтрино – масса – 0 , заряд
– 0.
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. 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 10-23с.
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.).
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. |
|
|
|
|
|
Виды фундаментальных |
взаимодействии |
|
|
|
Известно, что все действующие в природе силы можно свести всего
лишь |
к |
четырем |
фундаментальным |
взаимодействиям: |
1) |
|
гравитационному, 2) электромагнитному, |
3) слабому |
ядерному |
и |
|||
4) 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. |
|
|
|
|
|
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.
3. Сильное 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. Сильное взаимодействие испытывают не все частицы, его испытывают протоны и нейтроны, а электроны, нейтрино и фотоны не
подвластны ему. |
|
|
|
|
|
4. Слабое взаимодействие является |
близкодействующим, по |
||||
величине |
оно больше |
гравитационного |
на |
23 порядка. |
Радиус |
слабого |
взаимодействия |
оказался очень |
мал, |
уже на расстоянии |
большем 10-18м 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. |
|
|
|
|
|
|
Классификация |
элементарных |
частиц |
|
|
|
|
Главные свойства |
частицы определяются |
ее способностью |
участвовать |
|||
в различных |
видах |
взаимодействия. |
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. К |
лептонам относятся: |
электроны, мюоны, тау-лептоны, электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-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. К барионам относятся протон, нейтрон и т.д.
Третий класс – класс мезонов. По видам |
взаимодействий |
он |
||||
сходен с классом барионов, но |
спин и барионный заряд данных |
|||||
частиц равен нулю. К классу |
мезонов относятся |
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.
Адроны не являются |
элементарными |
частицами, а |
построены из |
|||
более мелких |
частиц. |
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: 1) фотонов – переносчиков электромагнитного взаимодействия, 2) глюонов – переносчиков сильного взаимодействия, 3) бозонов - переносчиков слабого взаимодействия. Высказывается мнение, что возможно существование и переносчиков гравитационного взаимодействия – 4) гравитонов, но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то обнаружить гравитоны экспериментально будет очень сложно.