Частицы и волны В 1690 г., когда Ньютон писал свои «Принципы», в которых выражались его идеи относительно физики и математики, европейское Возрождение было в самом разгаре. Ньютон представлял себе частицы как неделимые порции материи с конкретным известным местоположением

Сновидения и частицы Корпускулярно-волновое описание материи, наблюдаемой в общепринятой реальности, и ее загадочная непознаваемая природа вне ОР не столь чужды нашему пониманию, как мы могли бы поначалу подумать. Психологи хорошо знают эту проблему; они должны часто

33. Атомная энергия и виртуальные частицы Постепенно создавая духовное тело с помощью медитативных упражнений, китайцы пытались в этой жизни отделять энергии, связанные с обычным телом и таким образом наделять… самость – новым телом… Таким способом вокруг

Виртуальные части и частицы в психологии Здесь важно вспомнить, что мы делаем множество вещей, которые не можем видеть. Психология, как и физика, полна виртуальных вещей, частей и частиц. Большинство школ психологии говорят о таких виртуальных вещах, как тень, анимус,

Виртуальные частицы и внутренняя работа Понятие частицы эволюционировало во времени. В первой части XX в. понятие четко ограниченной частицы материи, появившееся четыре века назад, превратилось в понятие волноподобного пакета в квантовой механике. Теперь, в новейшей

Мало кто не знает такого понятия как «электрон», а ведь именно он и означает «элементарная частица». Конечно, большинство людей слабо представляют, что это и зачем оно нужно. По телевизору, в книгах, в газетах и журналах эти частицы изображаются в виде маленьких точек или шариков. Из-за этого непросвещенные люди считают, что форма частиц и в самом деле шарообразна, и что они свободно летают, взаимодействуют, сталкиваются и т.д. Но такое суждение в корне неверно. Понятие элементарной частицы крайне сложное для осознания, но никогда не поздно постараться приобрести хотя бы весьма приблизительное представление о сущности этих частиц.

В начале прошедшего века ученые всерьез озадачились тем, почему электрон не падает на так как, согласно Ньютоновской механике, при отдаче всей своей энергии, он должен попросту упасть на ядро. К удивлению, этого не происходит. Как это объяснить?

Дело в том, что физика в своем классическом толковании и элементарная частица - вещи малосовместимые. Она не подчиняется никаким законам обычной физики, так как действует согласно принципам Основополагающим принципом при этом является неопределенность. Он говорит, что невозможно точно и одновременно определить две взаимосвязанные величины. Чем в большей мере определена первая из них, тем меньше можно определить вторую. Из этого определения следуют квантовые корреляции, корпускулярно-волновой дуализм, волновая функция и многое другое.

Первый важный фактор - это неопределенность координаты-импульса. Исходя из основ классической механики можно вспомнить, что понятия импульса и траектории тела неразделимы и всегда четко определяются. Попробуем перенести эту закономерность в микроскопический мир. К примеру, элементарная частица имеет точный импульс. Тогда при попытке определить траекторию передвижения мы столкнемся в неопределимостью координаты. Это значит, что электрон обнаруживается сразу во всех точках небольшого объема пространства. Если постараться сосредоточиться именно на траектории его движения, то импульс приобретает размытое значение.

Из этого следует, что как бы ни старались определить какую-либо конкретную величину, вторая сразу же становится неопределенной. Этот принцип заложен в основу волнового свойства частиц. Электрон не имеет четкой координаты. Можно сказать, что он одновременно расположен во всех точках пространства, которое ограничено длиной волны. Такое представление позволяет нам более четко понять, что представляет собой элементарная частица.

Примерно такая же неопределенность возникает в соотношении энергия-время. Частица постоянно взаимодействует, даже при наличии Такое взаимодействие длится на протяжении некоторого времени. Если представить, что данный показатель более-менее определен, то энергия при этом становится неопределимой. Это нарушает принятые в заложенных небольших промежутках.

Представленная закономерность порождает низкоэнергетические частицы - кванты фундаментальных полей. Такое поле представляет собой не непрерывную субстанцию. Оно состоит из мельчайших частиц. Взаимодействие между ними обеспечивается благодаря испусканию фотонов, которые поглощаются другими частицами. Это поддерживает уровень энергии и образуются стабильные элементарные частицы, которые не могут упасть на ядро.

Элементарные частицы по сути своей неразделимы, хотя отличаются друг от друга своей массой и определенными характеристиками. Поэтому были разработаны определенные классификации. К примеру, по типу взаимодействия можно выделить лептоны и адроны. Адроны, в свою очередь, делятся на мезоны, которые состоят из двух кварков, и барионы, в составе которых имеется три кварка. Наиболее известные барионы - это нейтроны и протоны.

Элементарные частицы и их свойства позволяют выделить еще два класса: бозоны (с целочисленным и нулевым спином), фермионы (с полуцелым спином). Каждая частица имеет свою античастицу с противоположными характеристиками. Устойчивыми являются только протоны, лептоны и нейтроны. Все другие частицы подвержены распаду и превращаются в стабильные частички.

Элементарными называются частицы, которым (на данном этапе развития физики) нельзя приписать никакой внутренней структуры.

Основные частицы, входящие в состав атома, - электроны, протоны и нейтроны - вначале считались неспособными к превращениям и каким-либо изменениям. Поэтому их и назвали элементарными. Однако в дальнейшем было показано, что термин "элементарная частица" весьма условен. Так, например, у свободного нейтрона время жизни около 15 минут, а затем он распадается на протон, электрон и антинейтрино:

Из всех открытых в настоящее время элементарных частиц лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в окружающем пространстве.

Элементарные частицы подчиняются законам квантовой физики.

В основу современной классификации элементарных частиц положены их основные свойства: масса, электрический заряд, спин и время жизни, а также лептонный и барионный заряды.

В таблице 23.1 приведены некоторые сведения о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10 -20 с. Частицы в таблице расположены по возрастанию их массы.

В таблицу элементарных частиц не включены все короткоживущие частицы-резонансы, в частности, "очарованные" частицы. Не включены также переносчики слабых взаимодействий - векторные бозоны. В результате получается 39 частиц.

Таблица открывается фотоном. Фотон, оставаясь в одиночестве, образует первую группу. Фотоны представляют собой кванты электромагнитного поля (света, -излучения и т.д.), не имеют соответствующих античастиц, т.е. являются своими собственными античастицами.

Следующую группу образуют легкие частицы - лептоны. В нее входит двенадцать частиц (включая античастицы). Это электрон , мюон (открыт в космических лучах в 1937 г. - это тяжелый аналог электрона, имеющий массу примерно в 200 раз большую массы электрона) и -лептон (таон имеет массу, примерно в 3500 раз превышающую массу электрона). Каждая из этих трех частиц имеет свое нейтрино, которое сопровождает свою собственную заряженную частицу в разнообразных взаимопревращениях: электронное нейтрино рождается вместе с электронами, мюонное нейтрино - вместе с мюонами, -лептонное - вместе с -лептонами. Хотя -лептон имеет очень большую массу, он включен в группу лептонов, поскольку по всем другим свойствам он близок к ним. Главное свойство, которое его роднит с остальными лептонами, состоит в том, что эта частица, как и другие лептоны, не участвует в сильных взаимодействиях

Таблица 23.1

Далее следуют мезоны. Эта группа состоит из восьми частиц. Наиболее легкие из них -мезоны: положительные, отрицательные и нейтральные. Их массы составляют 264,1 и 273,1 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому как фотоны - кванты электромагнитного поля. Еще имеются четыре -мезона и один -мезон.

Последняя группа - барионы - самая обширная. В нее входит 18 частиц из 39. Самыми легкими из барионов являются нуклоны - протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Вся таблица замыкается (омега-минус)-частицей, открытой в 1964 г. Ее масса в 3273 раза больше массы электрона.

Мезоны и барионы представляют собой класс адронов - частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Адроны разделяются на "стабильные" частицы со временем жизни с и на резонансы, время жизни которых с, т.е. соответствуют времени сильного взаимодействия. Длина их пробега с момента рождения до момента распада составляет около 10 -15 м. и в детекторах эти частицы не оставляют никаких треков. Они проявляются в виде пиков на графиках зависимости так называемых сечений рассеяния от энергии. Резонансы распадаются за счет сильного взаимодействия, стабильные частицы - за счет электромагнитного и слабого взаимодействий.

Разделение элементарных частиц на группы определяется не только различием в массах, но и другими важными свойствами, например, спином.

Лептоны и барионы имеют спин, равный спины мезонов равны 0, а спин фотона равен 1.

Между элементарными частицами существует четыре типа взаимодействий - гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Сильное взаимодействие свойственно тяжелым частицам, начиная с пиона. Наиболее известное его проявление - ядерные силы, обеспечивающие существование атомных ядер.

В электромагнитном взаимодействии непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны. Наиболее известное его проявление - кулоновские силы, обусловливающие существование атомов. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств вещества. Оно же вызывает аннигиляцию электронно-позитронной пары и многие другие микроскопические процессы.

Слабое взаимодействие характерно для всех частиц, кроме фотонов. Наиболее известное его проявление - -распад нейтрона и целого ряда атомных ядер.

Гравитационное взаимодействие присуще всем телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения. Эти силы обеспечивают существование звезд, планетных систем и т.п. Гравитационное взаимодействие является предельно слабым и не играет существенной роли в мире элементарных частиц при обычных энергиях. В мире элементарных частиц гравитация становится существенной при колоссальных энергиях порядка 10 22 МэВ, которые соответствуют сверхмалым расстояниям порядка 10 -35 м.

Элементарных частиц в настоящее время насчитывается очень много (более 350). Поэтому встает вопрос: есть ли что-то общее в структуре этих частиц? Можно ли их считать элементарными?

В 1963 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу о существовании в природе нескольких частиц, названных кварками. Согласно этой гипотезе, все мезоны, барионы и резонансы - т.е. адроны, состоят из кварков и антикварков, комбинации которых различны.

Первоначально была введена гипотеза о существовании трех кварков (и соответственно трех антикварков). Кварки обозначаются буквами u, d, s. Они должны иметь дробные электрические заряды. Первый из них - u -кварк - имеет заряд - e, а d- и s- кварки имеют одинаковые заряды, равные где e - модуль заряда электрона. Было предсказано существование четвертого кварка, c- кварка, названного "очарованным". Затем экспериментально были обнаружены частицы, содержащие этот кварк. Масса с-кварка превышает массу s -кварка. Впоследствии были предсказаны, а затем и открыты еще более тяжелые b - и t -кварки.

Кварки наряду с лептонами считаются истинно элементарными частицами. В свободном состоянии кварки пока не найдены, и сейчас высказаны предположения о невозможности разделения частиц на кварки. В основе этих предположений лежит утверждение о том, что силы взаимодействия между кварками не убывают с расстоянием, поэтому извлечь кварки из частиц нельзя.

Вопросы на закрепление изученной темы

1 Дайте определение коэффициента размножения нейтронов.

2 При каких значениях k ядерная реакция будет управляемой? неуправляемой?

3 Что такое критическая масса? Как её можно уменьшить?

4 Как устроен ядерный реактор?

5 Что такое элементарная частица?

6 На какие группы делятся известные элементарные частицы?

Элементарные частицы, в точном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том. Что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами.

Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют "истинно элементарные частицы".

Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году.

Первой открытой антицастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсоном в 1932 году.

В современном физике в группу элементарных относятся более 350 частиц, в основном нестабильных, и их число продолжает расти.

Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц.

Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания.

В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, все элементарные частицы обладают гравитационным взаимодействием.

Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей по сравнению с другими процессами интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов.

Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля. Электромагнитное поле (в квантовой физике - фотон) либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами.

Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества, и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем.

Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц.

Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного.

Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

Слабое взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, но в повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия. Это происходит потому, что гравитационное взаимодействие (как, впрочем, и электромагнитное) имеет бесконечно большой радиус действия. Поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает настолько малым радиусом действия, что он до сих пор не измерен.

В современной физике фундаментальную роль играет релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы - квантовая теория поля. Эта теория построена для описания одного из самых общих свойств микромира - универсальной взаимной превращаемости элементарных частиц. Для описания такого рода процессов требовался переход к квантовому волновому полю. Квантовая теория поля с необходимостью является релятивистской, поскольку если система состоит из медленно движущихся частиц, то их энергия может оказаться недостаточной для образования новых частиц с ненулевой массой покоя. Частицы же с нулевой массой покоя (фотон, возможно нейтрино) всегда релятивистские, т.е. всегда движутся со скоростью света.

Универсальный способ ведения всех взаимодействий, основанный на калибровочной симметрии, дает возможность их объединения.

Квантовая теория поля оказалась наиболее адекватным аппаратом для понимания природы взаимодействия элементарных частиц и объединения всех видов взаимодействий.

Квантовая электродинамика - та часть квантовой теории поля, в которой рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (или электронно-позитронного поля).

В настоящее время квантовая электродинамика рассматривается как составная часть единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы - адроны и лептоны.

Адроны (от греч. - большой, сильный) - класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (наряду с электромагнитным и слабым). Лептоны (от греч. - тонкий, легкий) - класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием, участвующих только в электромагнитном и слабом взаимодействии. (Наличие гравитационного взаимодействия у всех элементарных частиц, включая фотон, подразумевается).

Законченная теория адронов, сильного взаимодействия между ними пока отсутствует, однако имеется теория, которая, не являясь ни законченной, ни общепризнанной, позволяет объяснить их основные свойства. Эта теория - квантовая хромодинамика, согласно которой адроны состоят из кварков, а силы между кварками обусловлены обменом глюонами. Все обнаруженные адроны состоят из кварков пяти различных типов ("ароматов"). Кварк каждого "аромата" может находиться в трех "цветовых" состояниях, или обладать тремя различными "цветовыми зарядами".

Если законы, устанавливающие соотношение между величинами, характеризующими физическую систему, или определяющие изменение этих величин со временем, не меняются при определенных преобразованиях, которым может быть подвергнута система, то говорят, что эти законы обладают симметрией (или инвариантны) относительно данных преобразований. В математическом отношении преобразования симметрии составляют группу.

В современной теории элементарных частиц концепция симметрии законов относительно некоторых преобразований является ведущей. Симметрия рассматривается как фактор, определяющий существование различных групп и семейств элементарных частиц.

Сильное взаимодействие симметрично относительно поворотов в особом "изотопическом пространстве". С математической точки зрения изотопическая симметрия отвечает преобразованиям группы унитарной симметрии SU(2). Изотопическая симметрия не является точной симметрией природы, т.к. она нарушается электромагнитным взаимодействием и различием в массах кварков.

Изотопическая симметрия представляет собой часть более широкой приближенной симметрии сильного взаимодействия - унитарной SU(3)- симметрии. Унитарная симметрия оказывается значительно более нарушенной, чем изотопическая. Однако высказывается предположение, что эти симметрии, которые оказываются очень сильно нарушенными при достигнутых энергиях, будут восстанавливаться при энергиях, отвечающих так называемому "великому объединению".

Для класса внутренних симметрий уравнений теории поля (т.е. симметрий, связанных со свойствами элементарных частиц, а не со свойствами пространства-времени), применяется общее название - калибровочная симметрия.

Калибровочная симметрия приводит к необходимости существования векторных калибровочных полей, обмен квантами которых обусловливает взаимодействия частиц.

Идея калибровочной симметрии оказалась наиболее плодотворной в единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

Интересной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия ("великое объединение").

Другим перспективным направлением объединения считается суперкалибровочная симметрия, или просто суперсимметрия.

В 60-х годах американскими физиками С.Вайнбергом, Ш.Глэшоу, пакистанским физиком А.Саламом и др. была создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, позднее получившая название стандартной теории электрослабого взаимодействия. В этой теории наряду с фотоном, осуществляющим электромагнитное взаимодействие, появляются промежуточные векторные бозоны - частицы, переносящие слабое взаимодействие. Эти частицы были экспериментально обнаружены в 1983 году в ЦЕРНе.

Открытие на опыте промежуточных векторных бозонов подтверждает правильность основной (калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия.

Однако для проверки теории в полном объеме необходимо также экспериментально исследовать механизм спонтанного нарушения симметрии. Если этот механизм действительно осуществляется в природе, то должны существовать элементарные скалярные бозоны - так называемые хиггсовы бозоны. Стандартная теория электрослабого взаимодействия предсказывает существование, как минимум, одного скалярного бозона.

1. Первые представления о строении вещества

Первые теории о строении вещества были положены еще очень давно. Знаменитый греческий ученый Фалес, живший 2600 лет назад, всю жизнь старался вникнуть в проблему устройства мира. Его знания по геометрии и астрономии поражали. Он умел отслеживать любые лунные и солнечные циклы и даже предсказал полное солнечное затмение. Можно представить, какое волнение и страх оно вызывало две с половиной тысячи лет назад. Но главная заслуга Фалеса в том, что он первым поставил вопрос об исходных элементах мира. Он раньше всех увидел лестницу, ведущую вглубь вещества.

Фалес считал, что в основе всего сущего лежит вода. Он утверждал, что если воду уплотнить, то получаются твёрдые тела, если воду испарить, то получается воздух, при этом даже Земля плавает в воде, подобно куску дерева

Эмпедокл из Агригента в своих трудах обосновывал существование четырёх стихий: огня, воздуха, воды и земли; утверждая, что всё остальное состоит из них, а сами стихии объединены силами взаимодействия («возбудители движения»): любовь, объединяющая, и вражда, разделяющая их.

В V в. до н.э. последователи Фалеса - Левкипп и его ученик Демокрит, высказывали точку зрения, что всё состоит из мельчайших частичек - атомов. Они пропустили ступеньку молекул и сразу шагнули на ступень их составляющих. Таким образом, они придумали атом на две тысячи лет раньше, чем он был открыт как таковой. «Атом» в переводе с греческого означает неделимое. По Левкиппу и Демокриту, атомы - бесконечное число твердых, неделимых далее частичек. Подобно семенам растений, атомы могут быть различной формы - круглой, пирамидальной, плоской и так далее. Поэтому и состоящий из них мир неисчерпаемо богат в своих свойствах и качествах. Цепляясь друг за друга крючками , атомы образуют твердые тела. Атомы воды, наоборот, гладкие и скользкие, поэтому она растекается и не имеет формы. Атомы вязких жидкостей обладают заусеницами, воздух - пустота с редкими носящимися атомами, у огня же острые и колючие атомы.

К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность. К этому времени работами французского химика А. Лавуазье (1743-1794), русского ученого М.В. Ломоносова и английского химика и физика Д. Дальтона (1766-1844) была доказана реальность существования атомов . Большую роль в развитии атомистической теории сыграл и выдающийся русский химик Д.И. Менделеев, разработавший в 1869 г. периодическую систему элементов , в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Во второй половине XIX в. было экспериментально доказано, что электрон является одной из основных частей любого вещества. Эти выводы, а также многочисленные экспериментальные данные привели к тому, что в начале XX в. серьезно встал вопрос о строении атома.

Первые косвенные подтверждения о сложной структуре атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Изучение свойств этих лучей привело к заключению, что они представляют собой поток мельчайших частиц, несущих отрицательный электрический заряд и летящих со скоростью, близкой к скорости света. Особыми приемами удалось определить массу катодных частиц и величину их заряда, выяснить, что они не зависят ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут быть лишены своих зарядов и превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет сущность их природы. Эти частицы, получившие название электронов , были открыты в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном. Положительно заряженных частиц внутри атома модель атома Томсона не предполагала. Но как же тогда объяснить испускание положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами? Модель атома Томсона не давала ответа и на некоторые другие вопросы.

В 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах была обнаружена положительно заряженная часть атома . Дальнейшие более тщательные исследования показали, что при прохождении пучка параллельных лучей сквозь слои газа или тонкую металлическую пластинку выходят уже не параллельные лучи, а несколько расходящиеся: происходит рассеяние альфа-частиц, т.е. отклонение их от первоначального пути. Углы отклонения невелики, но всегда имеется небольшое число частиц (примерно одна из нескольких тысяч), которые отклоняются очень сильно . Некоторые частицы отбрасываются назад, как если бы на пути встретилась непроницаемая преграда. Отклонение может происходить при столкновении с положительными частицами, масса которых того же порядка, что и масса альфа-частиц. Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил следующую схему строения атома. В центре атома находится ядро , состоящее из положительно заряженных частиц - протонов , вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Поскольку масса электрона ничтожна мала , то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре.

В начале 30-х годов нашего столетия современная наука смогла найти более приемлемое описание строения вещества на основе четырех типов элементарных частиц - протонов, нейтронов, электронов и фотонов . Это была чрезвычайно простая и привлекательная схема: с помощью всего лишь четырех типов элементарных частиц, следуя законам квантовой механики, удалось объяснить природу химических элементов, их соединений и испускаемых ими излучений. Добавление пятой частицы - нейтрино - позволило объяснить также процессы радиоактивного распада. Казалось, что названные элементарные частицы являются в конечном счете основными кирпичами мироздания.

Но эта кажущаяся простота вскоре исчезла. Не прошло и года после открытия нейтрона, как был обнаружен позитрон . В 1936 г. среди продуктов взаимодействия космических лучей с веществом был открыт первый мезон . В 1947 г. был обнаружен мезон второго типа, и вскоре после этого удалось наблюдать мезоны иной природы, а также другие необычные частицы . Эти частицы рождались под действием космических лучей столь редко, что поначалу нельзя было провести детальных исследований их свойств и взаимодействий. Однако после того, как были построены ускорители , позволяющие получать частицы все больших энергий, удалось не только выполнить ряд таких исследований, но и одновременно открыть множество новых частиц.

В настоящее время известно более сотни различных мезонов и других частиц со странными свойствами. Все это множество частиц принято называть «элементарными частицами» . Такой термин не означает, что эти частицы являются кирпичами мироздания в том смысле, что все они образуют атомы: с этой задачей вполне удовлетворительно справляются протоны, нейтроны и электроны. Однако эти частицы возникают в результате основных взаимодействий частиц обычного вещества , и многие из них прямым или косвенным образом участвуют в основных взаимодействиях в обычном веществе. Их массы лежат в пределах от 200 электронных масс до масс, в несколько раз превышающих массу протона. Существование всех этих новых частиц скоротечно, ни одна из них не живет дольше нескольких микросекунд, а многие частицы распадаются примерно через 10в -20 степени секунд после своего образования (они называются резонансами ). Конечные продукты распадов этих частиц - обычные составные части вещества, т.е. протоны, электроны и фотоны, а также нейтрино.

2. Классификация элементарных частиц

Все бесчисленное многообразие животного мира, можно разделить на четыре царства: животные, растения, грибы, бактерии. Все процессы, наблюдаемые на сегодняшний день, сводятся всего к четырем видам взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Так же можно классифицировать и элементарные частицы.

Лептоны

Лептоны - элементарные частицы со спином 1/2, не участвующие в сильных взаимодействиях. Известны три заряженных лептона: электрон, мюон и тау-лептон - и три нейтральных: электронное нейтрино мюонное нейтрино и тау-нейтрино. У каждой из этих частиц имеется соответствующая античастица.

В электромагнитных взаимодействиях рождаются пары заряженных лептонов. В слабых распадах каждый из заряженных лептонов рождается в сопровождении «своего» антинейтрино. Предполагается, что все лептоны обладают некоторым специфическим квантовым числом - лептонным числом, равным +1, а все антилептоны - лептонным числом, равным -1. Данное число во всех наблюдавшихся до сих пор процессах сохраняется. Процессы, в которых ожидают увидеть не сохранение лептонного числа: распад протона, двойной ?-распад, нейтринные осцилляции. Мюон и т-лептон распадаются за счет слабого взаимодействия. Электрон стабилен.

Слово «лептон» происходит от греческого слова «лептос» - мелкий, узкий (сравните: лепта - мелкая греческая монета).

Различают три поколения лептонов : первое поколение: электрон, электронное нейтрино; второе поколение: мюон, мюонное нейтрино; третье поколение: тау-лептон, тау-нейтрино. Плюс соответствующие античастицы . Таким образом, в каждое поколение входит отрицательно заряженный (с зарядом?1e) лептон, положительно заряженный (с зарядом +1e) антилептон и нейтральные нейтрино и антинейтрино. Все они обладают ненулевой массой, хотя масса нейтрино весьма мала по сравнению с массами других элементарных частиц.

Адроны

Адроны - частицы, участвующие в сильных взаимодействиях . Адроны с целым спином называют мезонами , с полуцелым - барионами . Известно несколько сотен адронов.

Большинство адронов крайне нестабильны - это так называемые резонансы: они распадаются на более легкие адроны посредством сильного взаимодействия. Время жизни резонансов меньше 10 в -21 степени секунды.

Квазистабильные адроны живут гораздо дольше и распадаются посредством слабого и электромагнитного взаимодействий. Конечными продуктами распада квазистабильных мезонов являются более легкие мезоны, лептоны и фотоны и, если распадающиеся мезоны достаточно тяжелые, то пары барион + антибарион.

Самые легкие барионы (протон и нейтрон) называют нуклонами . Более тяжелые квазистабильные барионы называют гиперонами . Конечными продуктами распада гиперонов являются лептоны, фотоны, мезоны и обязательно нуклон .

Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра. Остальные адроны в состав окружающего нас стабильного вещества не входят , они рождаются в столкновениях частиц, обладающих высокими энергиями. Источниками этих частиц являются ускорители и космические лучи. Согласно современным представлениям, адроны не являются истинно элементарными частицами: они состоят из кварков.

Слово «адрон» происходит от греческого слова «хадрос» - массивный, сильный, крупный. И на данный момент адроны являются самым многочисленным классом

Кварки

Далее, вполне планомерными становятся вопросы: «Что же такое кварк ? И является ли кварк истинно элементарной частицей?» О них написано огромное количество работ, их изучением занимаются одни из самых выдающихся ученых и исследователей, и, разумеется, в этом реферате у меня нет возможности описать даже тысячную часть той информации, что имеется на данный момент о кварках. Но все же я попробую, пусть и в грубом приближении, но все же отвечу на эти вопросы, ссылаясь на работы различных ученых и исследовательских групп. Далее будут представлены несколько теорий о кварках, выписанных мной из публикаций известнейших в этой области ученых и расположенных в хронологическом порядке.

«Одной из любопытных схем описания элементарных частиц является модель кварков - еще одно изобретение М. Гелл-Манна. В этой модели предполагается, что все элементарные частицы являются комбинациями трех основных частиц (называемых кварками) и их античастиц. Кварки имеют необычные свойства: электрический заряд, равный ± 1/3е или ± 2/3е, и барионный заряд, равный ± 1/3. Таким образом, основные свойства кварков не похожи на свойства других частиц. Однако различные комбинации этих гипотетических частиц воспроизводят свойства всех известных адронов с поразительной точностью.

Кроме того, модель кварков успешно воспроизвела качественно известные времена жизни, магнитные моменты и типы распада элементарных частиц. Реальны ли кварки или модель кварков служит лишь удобным средством описания элементарных частиц, но лишена реального физического смысла? Пока это неизвестно.

Хотя модель кварков поразительно успешно объяснила ряд свойств адронов, однако пока она находится в весьма неудовлетворительном состоянии. Быть может, нам удастся в конце концов описать все сильные процессы с помощью только трех кварков и их античастиц, вместо того чтобы иметь дело с «зоологической коллекцией», содержащей примерно сотню экземпляров частиц. Но прежде чем это окажется возможным, необходимо обнаружить кварки и исследовать их свойства. Эксперименты по рассеянию быстрых электронов на нуклонах указывают на существование некоторой длины, малой по сравнению с 10~14 см, которая должна играть важную роль в структуре нуклонов. Возможно, внутри нуклона существуют некие малые объекты - может быть, и кварки .»

«Кварки - частицы со спином 1/2, являющиеся составными элементами адронов. Известны кварки шести сортов (ароматов) , из них три - down, strange, beauty, имеют электрический заряд -1/3, а остальные up, charm, true - заряд -2/3.

Согласно квантовой хромодинамике , сильные взаимодействия между кварками обусловлены наличием у кварков специфических цветовых зарядов. Кварки каждого аромата существуют в виде трех различных цветовых разновидностей: «желтого», «синего» и «красного» . Кварк одного цвета может перейти в кварк другого цвета, испустив цветной глюон . Взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена глюонами . Кварки находятся в адроиах в таких цветовых состояниях, что суммарный цветовой заряд адрона равен нулю . Поэтому про адроны говорят, что они бесцветные или белые.

Хотя группа Станфордского университета в течение ряда лет сообщала о наблюдении свободных дробно-заряженных частиц, опыты других групп по поискам свободных кварков дают отрицательные результаты, и большинство физиков скептически относится к идее о существовании свободных кварков. В рамках квантовой хромодинамики существует гипотеза о конфайнменте (справедливость ее пока что не доказана), согласно которой цветные частицы (кварки и глюоны и их цветные комбинации) в принципе не могут существовать в свободном состоянии.

Первые, косвенные, свидетельства о существовании кварков были получены на основе классификации адронов. В дальнейшем в экспериментах по глубоко-неупругому взаимодействию лептонов с адронами были зарегистрированы прямые столкновения лептонов с отдельными кварками. Эти столкновения происходят в глубине адрона и длятся очень короткое время, в течение которого кварк не успевает обменяться глюоном с другими кварками и взаимодействует почти как свободная частица. Чем больше переданный импульс , т.е. чем на меньших расстояниях происходит столкновение лептона с кварком, тем свободнее выглядит кварк . Это свойство, являющееся следствием асимптотической свободы, означает, что кварки являются не квазичастицами, не какими-то коллективными возбуждениями адронной материи, а, подобно лептонам, являются истинно элементарными частицами. Возможная не элементарность кварков, как и лептонов, может быть обнаружена лишь при еще более глубоком проникновении внутрь этих частиц, т.е. при еще больших переданных импульсах.

Термин «кварк» был введен в 1964 г. Гелл-Манном и взят им из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану» (герою снится сон, в котором чайки кричат: «Три кварка для мастера Марка»). По-немецки «кварк» - творог.»

«Согласно стандартной модели - лучшей на сегодняшний день теории строения материи, - кварки, объединяясь, образуют всё многообразие адронов. Взаимодействие между кварками описывает теория квантовой хромодинамики (сокращенно КХД) . В соответствии с этой теорией кварки взаимодействуют друг с другом, обмениваясь особыми частицами - глюонами .

КХД развивает идеи первой успешной теории из ряда калибровочных - квантовой электродинамики, или КЭД . Согласно КЭД, электромагнитная сила между электрически заряженными частицами возникает в результате обмена фотонами (квантами света) . Аналогично устроена и КХД, только вместо электрических зарядов взаимодействия между кварками обусловлены свойством особого рода, который ученые назвали цветом . Он может иметь три значения или, если хотите, три оттенка. Ученые условно называют их красный, желтый и синий , но буквально эти термины понимать не следует. Цвет присущ только кваркам, но не барионам и мезонам, в состав которых они входят. Барионы (к которым относятся, в частности, протон и нейтрон) состоят из трех кварков - красного, желтого и синего, - цвета которых взаимно гасятся. А мезоны - из пары «кварк + антикварк», поэтому они тоже бесцветны. Вообще, в КХД действует принцип, согласно которому кварки в природе могут образовывать только такие комбинации, суммарный цвет которых оказывается нейтральным.

Взаимодействие между кварками осуществляется посредством восьми разновидностей частиц, называемых глюонами (от английского glue - «клей, клеить»; глюоны как бы «склеивают» кварки между собой). Именно они выступают посредниками в сильном взаимодействии . Однако, в отличие от фотонов в КЭД, которые электрическим зарядом не обладают, глюоны имеют собственный цветовой заряд и могут изменять цвет кварков , с которыми взаимодействуют. Например, если при поглощении глюона синий кварк превращается в красный, значит, глюон нес на себе единичный положительный заряд красного цвета и единичный отрицательный заряд синего. Поскольку совокупный цветовой заряд кварка при этом не меняется, такие взаимодействия в рамках КХД допустимы и даже необходимы.

КХД функционирует с начала 1980-х годов и с тех пор успешно прошла целый ряд экспериментальных проверок - пока что все ее прогнозы относительно результатов соударений элементарных частиц высоких энергий подтверждаются фактическими данными, полученными на ускорителях.»

Рассмотрев виды элементарных частиц, было бы неправильным не исследовать и взаимодействия, которым эти частицы подвержены. В рамках «Стандартной теории» их четыре, но следуя теме данной работы, рассматривать необходимо только два из них.

3. Взаимодействия частиц

частица атом элементарный кварк

Важнейший вопрос физики - вопрос о взаимодействиях. Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, не подозревая о существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы обретают, как бы способность распознавать другие частицы и реагировать на них, благодаря чему рождается коллективное поведение. Поскольку вся материя состоит из частиц , для объяснения природы сил необходимо, в конечном счете, обратиться к физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все взаимодействия, независимо от того, как они проявляются в больших масштабах, можно свести к четырем фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному и двум типам ядерных.

На уровне кварков доминируют ядерные взаимодействия . Сильное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны и не дает ядрам разваливаться. На уровне атомов преобладает электромагнитное взаимодействие , связывающее атомы и молекулы. В астрономических масштабах господствующим становится гравитационное взаимодействие .

В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют Вселенной. Существует ли между ними какая-либо связь? Не являются ли они всего лишь различными ипостасями единственной основополагающей суперсилы ? Если такая суперсила существует, то именно она представляет собой действующее начало всякой активности во Вселенной - от рождения субатомных частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы невообразимо увеличила бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само «сотворение» мира.

Мы уже знаем, что элементарные частицы взаимодействуют друг с другом посредством других частиц, которые они непрерывно испускает и поглощает. Слои этих частиц экранируют заряды, поэтому частица с различных высот до нее выглядит заряженной по-разному. Именно так, всегда различно заряженными, видят друг друга сталкивающиеся частицы. Чем больше их энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают «дыхание» их центральных неэкранированных зарядов. Поэтому можно ожидать, что с ростом энергии различные типы взаимодействий будут становиться все более похожими и при высоких энергиях сольются в одно-единое взаимодействие - суперсилу. Произойдет «великое объединение» всех сил природы.

Реальное положение дел несколько сложнее. Экранирующие облака образуются не только вокруг заряда, но и вокруг каждой частички-переносчика, которыми прощупывают друг друга сталкивающиеся частицы. Если переносчики взаимодействия очень тяжелые, то взаимодействие переносится на ультрамалые расстояния. Вдали от центра такие частицы почти не встречаются и связанное с ними взаимодействие проявляется очень слабо. В других случаях переносчики легкие (например, фотоны), они способны далеко уйти от испустившего их заряда, и с их помощью происходит взаимодействие на больших расстояниях.

Таким образом, не только частицы, но и силы, связывающие их, оказываются необычайно сложными. Простейшими точками их уже никак не назовешь! И трудно поверить, что сила тяготения двух электронов и в миллиарды большая сила их электромагнитного отталкивания - ветви одного дерева.

К идее «великого объединения» физики пришли совсем недавно - каких-нибудь двадцать-тридцать лет назад, хотя первый шаг сделали еще Фарадей и Максвелл, объединившие электричество и магнетизм, которые как тогда считалось, совсем разные взаимодействия. Они же ввели и понятие «поля». Фарадей доказал, что электричество и магнетизм - два компонента одного и того же электромагнитного поля.

Следующий шаг на пути к «великому объединению» был значительно более трудным. Он был сделан лишь в середине 60-х годов ХХ века. Внимание физиков привлекло тогда слабое взаимодействие. Оно обладало странной особенностью: для всех других сил можно указать промежуточное поле, кванты которого служат переносчиком взаимодействия, а в распадных процессах частицы «разговаривают» так сказать, напрямую, без всяких посредников, толкая друг друга как бильярдные шары.

Естественно предположить, что в этом случае тоже происходит обмен между частицами, но только такими тяжелыми, что весь процесс происходит на очень малых расстояниях, и со стороны это выглядит как будто частицы просто толкают друг друга.

Расчеты показали: если бы не большая масса промежуточных частиц, то такое взаимодействие по своим свойствам было бы очень похожим на электромагнитное. И вот трое физиков: Абдус Салам, Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу допустили, что фотон и тяжелые промежуточные частицы слабого взаимодействия - это одна и та же частица, только в разных «шубах». Разработанную ими теорию стали называть «электрослабой», поскольку она, как частный случай, содержит электродинамику и старую теорию слабых взаимодействий. Вскоре на ускорителях были выловлены тяжелые кванты электрослабого поля - три брата-мезона с массой, почти в сто раз больше протонной. Создание теории электрослабого поля и экспериментальное открытие его переносчиков было отмечено сразу двумя Нобелевскими премиями.

Вдохновленные открытием электрослабого поля, физики увлеклись новой идеей дальнейшего объединения - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Суть этой идеи в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, названный цветом. В отличие от заряда, видов цветов у кварка - три. Поэтому глюонное поле более сложное. Оно состоит из восьми составляющих силовых полей. В типичном адроне - протоне или нейтроне - комбинация трех кварков - красного, зеленого и синего - всегда имеет «белый» цвет. Испускаемые мезоны содержат пары кварк-антикварк, поэтому они тоже «бесцветны». Так как мы знаем, что при взаимодействиях частиц происходит экранировка их зарядов, то это и приводит к тем эффектам различия в дальности взаимодействий различных видов частиц. Оценка расстояния, при котором все взаимодействия становятся сравнимы по величине, составляет около 10 в -29 степени сантиметров. Переносчик взаимодействия - Х-частица - обладает массой, равной примерно 10 в 14 степени масс протона. На протяжении того ничтожного отрезка времени, какой существует Х-частица, энергия и масса имеют громадную неопределенность. И в этом отношении мы похожи на Фалеса и других греческих философов, которые размышляли о свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды хоть когда-нибудь увидеть их.

Элементарные частицы нельзя разделить на более простые части (именно поэтому их и назвали «элементарными»). В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга - взаимопревращаются. Причем из легких могут родиться более тяжелые частицы - если они движутся с достаточной скоростью (кинематическая энергия переходит в массу)

Элементарные частицы различаются по заряду, спину, массе, времени жизни и так далее. Например, время жизни протона больше времени жизни Вселенной, а ро-мезон живет 10 в -23 степени секунды. Масса фотонов и нейтрино равна нулю, а масса еще не открытого, но предсказанного теоретиками максимона (самой тяжелой элементарной частицы, которая только может существовать) - что-то около микрограмма - как у крупной, видимой глазом пылинки. Их можно разбить на семейства, и членов каждого рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Семейства объединяются в более сложные группы - кланы, или мультиплеты. Но главное - мультиплеты связаны определенными правилами симметрии. В целом получается что-то вроде периодической таблицы элементарных частиц, наподобие Менделеевской. Можно предполагать, физики нащупали следующий ярус строения материи.

Большую роль в развитии знаний сыграли ускорители элементарных частиц. Электронное просвечивание показало, что протон на самом деле не точка, а довольно крупный объект радиусом около 10 в -13 степени сантиметров. Анализируя результаты новых опытов по рассеянию электронов, ученые сделали вывод, что нуклоны являются роем каких-то очень мелких частичек, которые при меньшем увеличении выглядят как сгусток накладывающихся и проникающих друг в друга мезонов и других элементарных частиц. Теоретики, занимавшиеся классификацией частиц, обрадовались, так как уже давно догадывались о существовании таких частиц, только называли их по-своему: кварки.

Когда кварки замелькали на страницах теоретических статей, многие ученые считали их всего лишь неким курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются. Без кварков стало просто невозможно обойтись, также как без молекул и атомов.

Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие в воздухе воздушные шарики. Если же они попытаются разойтись, то сразу же возникают стягивающие их силы. На периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков - например, в виде пи-мезонов, что согласуется с теорией ядерного взаимодействия на основе мезонов. Но как взаимодействуют друг с другом кварки? Так как другого способа организовать взаимодействие, чем посредством передачи частицы-носителя взаимодействия, наука не знает, то были предложены глюоны - склеивающие кварки частицы. Глюоны похожи на фотоны, только с зарядом. Фотон никакого поля вокруг себя не создает, поэтому наибольшую интенсивность поле имеет возле своего источника - заряда, дальше оно постепенно рассеивается и ослабевает. Глюон же своим зарядом рождает новые глюоны, те в свою очередь - следующие и так далее, поэтому глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при удалении от породившего его кварка. Удаляющийся кварк, как пеной обрастает новыми глюонами и их связь становится более сильной.

Физика элементарных частиц представляет собой удивительный сплав эксперимента и теории. Свойства мельчайших частиц вещества установлены и продолжают устанавливаться в экспериментах, по сложности не имеющих себе равных в других областях науки. Эти уникальные эксперименты сочетают поистине индустриальный размах с ювелирной точностью. В большинстве случаев сами объекты исследования - частицы - создаются тут же в лаборатории с помощью ускорителей и живут столь ничтожные промежутки времени, что по сравнению с ними мгновение кажется вечностью. Случай какого-нибудь редкого распада частицы приходится находить среди миллиардов похожих на него «неинтересных» распадов. Все сведения об элементарных частицах добываются в результате тщательных измерений.

Теги: Элементарные частицы Реферат Химия