Ответы на экзаменационные вопросы по физике / 32

4

Элементарные частицы.

На макроуровне физическая реальность подразделялась на дискретное в пространстве (локализованное) вещество и непрерывное (континуальное) поле. В микромире, то есть при расстояниях меньших 10^-8 м, в строении физической реальности выделяются три уровня:

1. Атомно-молекулярный;

2. Ядерный;

3. Субъядерный (уровень элементарных частиц).

Атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, окружено сравнительно рыхлой и легко перестраиваемой электронной оболочкой, свойства которой ответственны за химические, оптические и другие физические свойства вещества.

Электрон - родоначальник класса элементарных частиц, называемых лептонами (от греч. leptos - легкий), в который входят и другие частицы.

Протоны и нейтроны являются типичными представителями другого класса микрообъектов - адронов (adros - с греч. - крупный, сильный).

При переходе атома (и/или ядра) из возбужденного в основное состояние порождается – квант электромагнитного поля – (фотон,  - квант), который обладает всеми свойствами частиц. Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством обмена фотонами между заряженными частицами (телами). Фотон есть типичный представитель нового важнейшего класса микрообъектов - переносчиков фундаментальных взаимодействий.

Сравнительно недавно нуклоны, электроны и фотоны размещались на едином уровне элементарных частиц и рассматривались как его полноправные члены. Однако постепенно выяснилось, что протон и нейтрон (и вообще все адроны) являются составными микрообъектами. Они построены из некоторых более "мелких" частиц, которые обозначают символами u и d . Эти частицы принадлежат к еще одному (четвертому) классу элементарных частиц – классу кварков.

Сейчас, по традиции, к элементарным частицам относят все субъядерные микрообъекты, хотя многие из них являются составными, а не элементарными. Здесь повторилась ситуация с термином "атом" - неделимый (с греческого).

Согласно современным воззрениям, единый ранее уровень элементарных частиц, на самом деле, оказывается расщепленным на два уровня. На верхнем уровне - адронном - расположены составные частицы, включая протон и нейтрон. На нижнем уровне располагаются истинно элементарные частицы, часто называемые фундаментальными. Именно на нем находится электрон (лептоны), фотон (переносчики взаимодействий), а также частицы u и d (кварки).

Существуют ли более глубокие уровни строения материи, в настоящее время неизвестно, хотя такие возможности обсуждаются и даже строятся конкретные модели (субкварки, преоны и др.).

Проникнуть внутрь, вглубь (на малые расстояния) физической реальности для выяснения строения элементарных частиц можно с помощью пучков заряженных частиц. Современные ускорители обеспечивают ускорение до энергий порядка 10¹² эВ, что отвечает расстояниям . На таких расстояниях электрон еще не обнаруживает внутренней структуры.

В настоящее время общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. И актуальной является проблема классификации этого разнообразия, проблема наведения порядка в этом «зоопарке» элементарных частиц.

Классификация элементарных частиц может проводиться по разным основаниям – характеристикам частиц – времени жизни, массе, спину, заряду, магнитному моменту и др.

Почти все элементарные частицы крайне нестабильны и, образуясь во вторичном космическом излучении (или на ускорителях), быстро распадаются, превращаясь в конечном итоге в стабильные частицы. Абсолютно стабильны - электрон, протон, фотон и нейтрино

()

У наиболее коротко живущих частиц, называемых резонансами, среднее время жизни составляет (10^-24  10^-23) с.

Для нестабильных частиц в таблицах наряду с временами жизни указываются также типы распадов, например, для нейтрона среднее время жизни которого около 15 мин, схема распада:

n  р + е^- + .

Наиболее тяжелая из известных сейчас элементарных частиц - промежуточный бозон - почти в 100 раз тяжелее протона.

По спину, обычно выражаемому в единицах , различают частицы с целым спином, называемые бозонами (фотон со спином 1, до мезонного резонанса со спином 6) и фермионы - с полуцелым спином.

Электрический заряд у частиц изменяется от нуля до 2е (е = 1,610^-19 Кл). Магнитные моменты элементарных частиц выражают в магнетонах . Причем различают электронный магнетон, называемый магнетоном Бора () и ядерный магнетон , для m = m_р;

.

У фотона и нейтрино магнитный момент равен нулю, у электрона равен магнетону Бора, у протона равен _р = 2,8_я, у нейтрона _n = - 1,9 _я (знак минус говорит о направлении магнитного момента, противоположном спину частицы).

Практически у каждой элементарной частицы имеется античастица, обозначаемая тем же символом, но с тильдой (волнистой линией) сверху. Античастицы отличаются от частиц противоположными знаками зарядов (электрического, барионного, лептонного и др.) и магнитного момента. При встрече частицы с античастицей происходит их аннигиляция, то есть взаимоуничтожение с выделением огромного количества энергии в виде излучения. Наша Вселенная замкнута, изолирована от антиматерии.

У некоторых частиц, называемых истинно нейтральными, все "заряды", равны нулю, и они тождественны своим античастицам. Таков, например, фотон.

Первая античастица - позитрон - была зарегистрирована в 1932 году Андерсоном (предсказана же - в 1928 году Дираком) в космическом излучении с помощью камеры Вильсона со свинцовой пластинкой в сильном магнитном поле.

Встречаясь, друг с другом, электрон и позитрон (медленные) аннигилируют, порождая 2 (реже 3) фотона:

.

При соударении  - квантов с заряженной частицей Х (обычно ядром - для выполнения обоих законов сохранения - энергии и импульса) рождается электрон-позитронная пара:

Всякая содержательная систематика элементарных частиц основывается на их отношении к фундаментальным взаимодействиям. В настоящее время различают 4 типа фундаментальных взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы:

- сильное взаимодействие - свойственно адронам (например, протону и нейтрону). Наиболее известное его проявление - внутриядерные силы. Примеры процессов, вызываемых сильным взаимодействием - реакции рождения антипротона и антинейтрона;

- электромагнитное взаимодействие - свойственно электрически заряженным частицам и фотону. Одно из его проявлений - кулоновские силы, обусловливающие существование атомов;

- слабое взаимодействие - присуще всем элементарным частицам кроме фотонов. Наиболее известное его проявление - - превращение атомных ядер. Оно же обеспечивает нестабильность многих элементарных частиц, например, нейтрона. Только в слабом взаимодействии (не считая гравитационного) участвует нейтрино и антинейтрино;

- гравитационное взаимодействие - предельно слабое и в микромире заметной роли не играет.

По отношению к фундаментальным взаимодействиям можно выделить 4 класса элементарных частиц: лептоны, адроны, кварки и переносчики фундаментальных взаимодействий.

Лептоны - не участвуют в сильном взаимодействии; все они имеют полуцелый спин, то есть являются фермионами. Этот класс включает в себя всего 6 частиц, разбитых на три семейства (дублета, пары): 1) электронный дублет ( - электрон с электронным нейтрино), 2) мюонный дублет ( - мюон с мюонным нейтрино), 3) таонный дублет ( - таон с таонным нейтрино). Каждому из дублетов этих лептонов соответствует дублет антилептонов. Для того, чтобы выделить класс лептонов из всего многообразия элементарных частиц и различить лептоны и антилептоны (прежде всего - нейтрино и антинейтрино) была введена новая физическая величина - лептонный заряд (или число) L. По определению, у всех лептонов L = 1, у антилептонов L = -1, у прочих элементарных частиц L = 0. Как и электрический заряд, лептонный заряд сохраняется в любом взаимодействии. Поэтому при  - распаде вместе с электроном появляется антинейтрино, а с позитроном - нейтрино.

Мюон в 200, а таон в 3500 раз тяжелее электрона, то есть лептоны - не легчайшие (как это следует из этимологии слова) частицы.

Адроны - составные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, а также и в трех остальных физических взаимодействиях. Класс адронов является самым многочисленным классом; он насчитывает вместе с античастицами более 300 частиц.

Различают стабильные (точнее, метастабильные) адроны с временем жизни большим 10^-23 с и так называемые резонансы, живущие менее 10^-23 с. Адроны с целым спином называют мезонами (глюоны, каоны, p-мезон), а с полуцелым спином - барионами (гипероны и нуклоны). Для характеристики этого внутреннего различия вводят барионный заряд В, который у всех барионов равен В = 1, у антибарионов В = -1, у всех прочих частиц (включая и мезоны) В = 0. Барионный заряд, как и лептонный, и электрический - сохраняется во всех взаимодействиях.

В настоящее время можно считать практически доказанным, что все адроны состоят из кварков - необычных фундаментальных частиц, у которых есть свои античастицы. Электрические заряды кварков и антикварков имеют дробные (в единицах q_e) значения электрического заряда, кратные одной трети q_e = 1,610^-19 Кл. Различают 6 кварков: u - верхний, d - нижний, s - странный, c - очарованный, b - прелестный, t - истинный. Они образуют три дублета или поколения: (u, d); (c, s); (t, b). Это схоже с тремя дублетами лептонов.

Каждый мезон строится из одного кварка q и одного антикварка , а каждый барион В из трех кварков; M = q; B = qqq (протон p = uud; нейтрон n = udd). Заряд верхнего кварка q_u = (2/3)q_е, а нижнего q_d = - (1/3)q_е.

Кваркам приписывают 3 цвета: красный, зеленый, и голубой; антикваркам - антицвета. Барионы, состоящие из трех кварков разного цвета, оказываются бесцветными (белыми) частицами. Кварки же, будучи цветными частицами, могут находиться только внутри белых частиц - адронов. Это трактуется как пленение (конфайнмент) кварков и объясняет их невозможность существования и наблюдения в свободном состоянии.

К частицам, переносящим фундаментальные взаимодействия, относят фотон, глюон, промежуточный векторный бозон и гравитон. Последний пока экспериментально не обнаружен.