- •Основы кинематики.
- •1.2. Основы динамики.
- •1.3. Законы сохранения в механике.
- •1.4. Механика твердого тела.
- •1.5. Релятивистская динамика.
- •2. Замедление времени. ,
- •1.6. Механические колебания
- •Свободные гармонические незатухающие колебания.
- •2. Свободные затухающие колебания
- •3. Вынужденные колебания. Резонанс.
- •1.7. Механические волны.
- •1.8. Основы молекулярно-кинетической теории вещества
- •1.9. Функции распределения максвелла и больцмана.
- •1.10. Основы термодинамики
- •2.1. Электрическое поле в вакууме
- •2.2. Электрическое поле в веществе.
- •Электрический ток.
- •2.4. Магнитное поле в вакууме.
- •Магнитное поле в веществе
- •2.6. Основы теории электромагнитного поля.
- •Ток смещения
- •2. Всякое изменяющееся во времени электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.
- •Электромагнитные колебания
- •2.8. Электромагнитные волны.
- •Интерференция и дифракция света .
- •3.2. Поляризация и дисперсия света.
- •3.3. Тепловое излучение.
- •3.4. Фотоэффект. Эффект комптона. Давление света.
- •3.5. Основные положения квантовой механики.
- •3.6. Квантовая теория атома.
- •3.7. Элементы физики твердого тела.
- •3.8. Ядро атома.
- •3.9. Элементарные частицы.
3.9. Элементарные частицы.
В 1897г. Дж.Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон, в 1919г. Э. Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чедвик – нейтрон. Впоследствии выяснилось, что и само атомное ядро имеет сложную структуру и состоит из протонов и нейтронов.
В 1930 г. для объяснения β-распада В. Паули высказал предположение о существовании еще одной элементарной частицы - нейтрино. Существование нейтрино было доказано лишь в 1953 г. Ф. Райнесом и К. Коуэном в прямом эксперименте с ядерным реактором. К. Андерсон (1932) в космических лучах открыл первую античастицу – позитрон (антиэлектрон), существование которой следовало из релятивистской квантовой теории П. Дирака. В 1933г. Ф.Жолио-Кюри обнаружил, что при столкновении частицы с античастицей они исчезают, превращаясь в два фотона: e– + e+ → γ + γ. Этот процесс называется аннигиляцией. При этом выполняются законы сохранения электрического заряда, энергии, импульса и момента импульса (спина). В том же году был открыт и обратный процесс: рождение электронно-позитронных пар при прохождении γ-кванта большой энергии вблизи атомного ядра: γ → e– + e+ .
Последующие три десятилетия принесли много открытий, особенно благодаря исследованию космических лучей и вводу в строй новых мощных ускорителей. В 1936 г. К. Андерсон и С. Недермейер в космических лучах обнаружили мюоны, а в 1947 г. С. Пауэлл с коллегами – π-мезоны. После Второй мировой войны с вводом в строй новых мощных ускорителей началась новая эра в исследовании структуры микромира. Помимо открытия антипротона (1955) и антинейтрона (1956) были обнаружено множество новых необычных и странных частиц, в основном короткоживущих и нестабильных. Во второй половине XX в. назрела острая необходимость выделить среди всей массы частиц более фундаментальные, которые составили бы основу строения и свойств всех адронов. Задача похожая на ту, которая была решена в первой половине XX в., когда на основе всего трех частиц (протон, нейтрон и электрон), более фундаментальных, чем молекула и атом, смогли объяснить строение и основные свойства всех химических элементов.
Самой лучшей и удобной в настоящее время является базовая классификация элементарных частиц, разделяющая их на большие классы и подклассы в зависимости от типов фундаментальных взаимодействий, в которых эти частицы участвуют (рис.).
Лептоны – класс элементарных частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. Все лептоны имеют спин 1/2, т.е. являются фермионами. К лептонам относят 6 видов частиц: электроны, мюоны, таоны, соответствующие им нейтрино (е-, μ, τ, νе, νμ ,ντ ) и столько же античастиц. Все лептоны относятся к истинно элементарным частицам; им приписывается характеристика, называемая лептонным зарядом L. Частица-лептон имеет заряд L = +1; у античастицы лептонный заряд равен L = −1. Согласно закону сохранения лептонного заряда, общее количество лептонов в реакциях сохраняется. Все лептоны, кроме мюона, являются стабильными частицами. Пока остается открытым важный вопрос о существовании массы у нейтрино.
Адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Класс адронов подразделяется на два больших подкласса – барионы и мезоны. Только адроны, участвуя в сильном взаимодействии, обладают особым видом симметрии – изотопической инвариантностью, состоящей в том, что сильное взаимодействие для всех адронов одинаково, т.е. не зависит от электрического заряда.
Барионы – группа элементарных частиц с полуцелым спином, несущих барионный заряд, который является их внутренней характеристикой и равен единице (В=1). Все барионы, кроме протона, являются нестабильными и распадаются на протон и более легкие частицы. Нейтрон стабилен только в связанном состоянии, т.е. в атомных ядрах. Закон сохранения барионного заряда указывает на строгое сохранение числа барионов при любых реакциях и любых взаимодействиях элементарных частиц. Барионы, в свою очередь, разделяются на гипероны и нуклоны. Все барионы имеют античастицы.
Гипероны – нестабильные очень тяжелые частицы. Время их жизни ~ 10 –10 с.
Мезоны – нестабильные частицы, не имеющие барионного заряда (В = 0) и обладающие нулевым или целочисленным спином. Свое название они получили в связи с тем, что массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Не все мезоны имеют античастицы.
Кварки. В 1964 г. Г. Цвейг и М. Гелл-Ман предложили кварковую модель, согласно которой фундаментальными частицами являются не барионы и мезоны, а входящие в их состав более мелкие частицы – кварки, проявляющие необычные физические свойства.
Все кварки обладают дробным барионным зарядом B=+1/3 и дробным электрическим зарядом: Q = +2/3·e или Q = –1/3·е. Соответствующие антикварки имеют противоположные знаки всех зарядов. Исходя из соображений симметрии было сделано предположение, что общее количество разновидностей кварков, как и лептонов, должно быть равно шести. Эти разновидности были названы «ароматами»: u, d, c, s, t, b. Согласно модели, все мезоны (В = 0) состоят из пары кварк–антикварк (например, ), а барионы (В = 1) – из трех кварков (например, p=uud , n=udd). Сразу следует сказать, что все окружающее нас вещество во Вселенной состоит только из и-кварков (Q=+2/3·e) и d-кварков (Q = –1/3·е), которые являются самыми легкими.
Кварки в свободном состоянии обнаружить не удалось ни в каких экспериментах и наблюдениях. Благодаря сильному взаимодействию кварки и антикварки, обмениваясь глюонами, оказываются запертыми внутри адронов и в свободном состоянии никогда не наблюдаются. Явление ненаблюдаемости кварков в свободном состоянии названо конфайнментом. Внутри адронов кварки ведут себя как свободные частицы (обладают т.н. асимптотической свободой), но при попытках разделить адрон, «растащить» кварки включаются мощные силы притяжения, возрастающие с увеличением расстояния между кварками.
Частицы–переносчики взаимодействий. До недавнего времени в этом классе микрочастиц присутствовал лишь один безмассовый фотон. Но в 1983 г. было экспериментально подтверждено существование промежуточных векторных бозонов. Кроме того, теперь можно с уверенностью сказать о существовании глюонов, так как на этот счет имеются надежные косвенные доказательства. Гипотетический гравитон пока не обнаружен.
Фотон – квант электромагнитного излучения, элементарная частица –переносчик электромагнитного взаимодействия.
В результате нулевой массы фотон распространяется со скоростью света и делает радиус электромагнитного взаимодействия равным бесконечности. Фотон относится к бозонам, так как его спин равен 1.
Промежуточные векторные бозоны – группа из трех векторных (так как спин равен 1) очень тяжелых частиц-переносчиков слабого взаимодействия. Огромная масса (электрозаряженные W+ и W– около 80 ГэВ, электронейтральный Z0 около 90 ГэВ) делает их чрезвычайно короткоживущими (~ 10–25 с), что определяет, в свою очередь, очень малый радиус действия слабого взаимодействия ~ 10 –18м.
Глюоны – частицы-переносчики сильного взаимодействия, обеспечивающие связь кварков внутри адронов. Глюоны по целому ряду признаков очень похожи на фотоны: спин равен 1, электрический заряд равен 0. Но по одному признаку – цвету – они радикально отличаются не только от фотонов, но и от всех остальных частиц. Экспериментально существование кварков было доказано наблюдением так называемой третьей адронной струи, возникающей при аннигиляции высокоэнергичной электрон-позитронной пары.
Гравитоны – гипотетические частицы-переносчики гравитационного взаимодействия, являющиеся квантами гравитационного поля. Считается, что их масса равна 0, следовательно, в вакууме они должны распространяться со скоростью света и обеспечивать дальнодействие гравитационному взаимодействию. Спин гравитонов равен 2. Чрезвычайная слабость гравитационного взаимодействия пока не позволяет экспериментально обнаружить эти частицы. Сейчас оказывается, что одними гравитонами не удается описать гравитацию. Приходится вводить еще одну частицу – переносчик гравитации – гравитино. Кроме того, для объяснения обнаруженного в последние десятилетия ускоренного расширения Вселенной вводится частица – грави-фотон, которая может создавать антигравитацию.