17.2. Уровни микромира и общие свойства элементарных

частиц

Физические системы и процессы, в них протекающие, можно классифицировать по разным признакам. Один из них – характерные масштабы, т. е. типичные размеры исследуемых объектов или типичные расстояния между ними. Окружающие нас тела обладают «обычными» размерами и составляют макромир – предмет изучения

макроскопичес -

кой физики. Ес -

ли характерные масштабы вели -

ки - миллионы

световых лет, то речь может идти только о мегами-

ре, который изу-

чают комология и астрофизика. При характер -

ных масштабах  10^-8 м физичес-

кие объекты от -

сятся к области

микромира, за -

коны которого

изучает и устанавливает квантовая физика.

В классической физике, описывающей макромир, считается, что материя существует в двух видах: вещество и поле, которые выступают в качестве носителей противоположных свойств – дискретности и непрерывности.

В 19 веке было окончательно установлено, что вещество состоит из молекул, а молекулы - из атомов. В соответствии с этим выделяется первый микроскопический уровень ( масштабы R   10^-8 – 10^-10 м) – атомно - молекулярный. Атомные ядра, будучи относительно стабильными, обусловливают химическую индивидуальность элементов. Они составляют ядерный уровень, для которого характерны масштабы R  10^-14 – 10^-15 м. В состав атома входят также электроны, но они лежат на более глубоком уровне микромира (см. схему). Протоны и нейтроны (нуклоны), из которых состоят атомные ядра, являются типичными представителями целого класса микрообъектов - класса андронов. Для андронного уровня R  10^-19 м. В свою очередь электрон - основатель другого класса - лептонов.

В квантовой теории элементарные возбуждения электромагнитного поля обладают всеми свойствами микрочастиц. Они называются  - фотонами. Фотоны - типичные представители важного класса микрообъектов – переносчиков взаимодействий.

Сравнительно недавно нуклоны, электроны и фотоны размещались на едином уровне элементарных частиц и рассматривались как равноправные его члены. Однако постепенно выяснилось, что протоны и нейтроны, как и все андроны, являются составными микрообъектами. Частицы, из которых они состоят называются кварками.

Сейчас, по традиции, продолжают говорить об элементарных частицах. Считается элементарной такая микрочастица, внутреннюю структуру которой нельзя представить как объединение других частиц. Согласно современным воззрениям, единый ранее уровень элементарных частиц на самом деле оказывается расщепленным на два подуровня. На верхнем из них – андронном - расположены составные частицы, в том числе протон ( ) и нейтрон ( ). Нижний подуровень - это уровень истинно элементарных частиц, часто называемых фундаментальными частицами. Именно на нем находятся электрон ( ),  - фотон, кварки.

Существуют ли еще более глубокие подуровни строения материи, в настоящее время неизвестно, хотя такие возможности обсуждаются в научной литературе и даже строятся конкретные модели (субкварки, преоны, ришоны и т. д.). Этот важный вопрос может быть решен только экспериментально.

В настоящее время общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400.

Для описания свойств отдельных элементарных частиц вводится целый ряд физических величин, значениями которых они и различаются. Наиболее важными из них являются:

1. Масса (m) микрочастицы. Выражена в энергетических единицах (МэВ или ГэВ) в соответствии с соотношением Е₀ = mc², например, m _ = 0, , m_e  0,51 МэВ, m_p = 938 МэВ.

2. Среднее время жизни () - служит мерой стабильности частицы и выражается в секундах. Электрон, протон, фотон и нейтрино - абсолютно стабильны ( = ), нейтрон - квазистабилен (_n = 898  6 с). Существуют группы частиц с  = 10^-6, 10^-8, 10^-10, 10^-13 с. У наиболее "короткоживущих" называются резонансами (  10^-24 – 10^-23 с).

3. Спин (S) - это собственный момент импульса частицы, т. е. ее момент импульса в системе отсчета покоя. Спин не имеет классического аналога, выражается в единицах и принимает целые или полуцелые значения (см. Лекция 10). У электрона, протона, нейтрона и нейтрино - , у фотона – S = 1.

4. Значения спина однозначно определяют тип статистики, которой подчиняются данные частицы. Все частицы с целыми спинами являются бозонами (статистика Бозе – Эйнштейна), с полуцелыми спинами - фермионами (статистика Ферми - Дирака), для которых справедлив принцип Паули (см. Лекция 12).

5. Электрический заряд (q) - характеризует способность частицы участвовать в электромагнитном взаимодействии и выражается в единицах элементарного заряда е  1,6  10^-19 Кл. Для всех частиц, существующих в свободном состоянии q = 0 или q =  1.

6. Вектор собственного магнитного момента ( ), характеризующего взаимодействие покоящейся частицы с внешним магнитным полем (см. Лекция 10).

7. Практически у каждой частицы имеется античастица, обычно обозначаемая тем же символом, но с добавлением знака ( - тильда) над ним. Например, электрон ( ) и позитрон ( ), протон ( ) и антипротон ( ), нейтрон ( ) и антинейтрон ( ), нейтрино ( ) и антинейтрино ( ).

17.3. Фундаментальные взаимодействия

Все процессы, в которых участвуют элементарные частицы, обусловлены взаимодействием между ними. В настоящее время известны четыре типа фундаментальных взаимодействий, которые отличаются степенью интенсивности - G² (константа взаимодействия), радиусом взаимодействия - R и временем ():

1. Сильное взаимодействие - свойственно частицам, называемым андронами, к числу которых относятся протон (p) и нейтрон (n). Наиболее известное проявление такого взаимодействия - ядерные силы, обеспечивающие существование атомных ядер (см. Лекция 16. Раздел 16.1). Характеристики: G² = 1, R = 10^-15 м,   10^-23 с.

2. Электромагнитное взаимодействие – наиболее известное и изученное, в котором участвуют только заряженные частицы и фотоны. Одно из его проявлений – кулоновские силы, обусловливающие существование атомов. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за макроскопические свойства вещества. Оно ответственно также за процессы «рождения» и «аннигиляции», т. е. взаимодействия, электронно – позитронной пары, распада некоторых частиц, комптоновское рассеивание, процессы упругого рассеивания электронов на ядрах, протонах или на других электронах.

Характеристики:   10^-21 сек.

3. Слабое взаимодействие – присуще всем микрочастица, кроме фотонов. Наиболее известное его проявления - _, ₊ - распады, K – захват, взаимодействие элементарных частиц, нестабильность частиц. Как и сильное – это короткодействующее взаимодействие. Характеристики: G²  10^-14, R = 10^-18 м,  = 10^-9 с.

4. Гравитационное взаимодействие – свойственно всем макротелам, проявляясь в виде сил всемирного тяготения. Эти силы обусловливают существование планетных систем и т. д. Это взаимодействие предельно слабое. В мире микрочастиц при обычных энергиях (микромир) существенной роли не играет. Характеристики: G² = 10^-39, R = ,  = 10⁹ лет.

Фундаментальные взаимодействия динамически различаются типами обменного механизма, а также свойственными им законам сохранения. При этом, чем более интенсивнее взаимодействие (G² – увеличивается стремясь к 1), тем больше ему отвечает законов сохранения.

В соответствии с характером взаимодействия, в котором способны участвовать элементарные частицы, они делятся на 4 класса:

1. Фотоны.

нейтрино - антинейтрино

2 . Лептоны электрон – позитрон

мюон

РЕЗОНАНСЫ

барионные

мезонные

3 . Андроны