18. Взаимодействие микрочастиц.

1.Элементарные частицы.

При введении понятия элементарных частиц первоначально предполагалось, что это есть первичные, неделимые частицы, из которых состоит материя. До начала 20 века этими частицами считались атомы.

Элементарными частицами сейчас условно называют большую группу мельчайших микрочастиц, не являющимися атомами или атомными ядрами. Все элементарные частицы существуют парами частица-античастица.

Электрон-позитрон (антиэлектрон), позитрон – электрон с положительным зарядом.

Протон-антипротон, антипротон - протон с отрицательным зарядом.

Нейтрон – антинейтрон, отличается знаком магнитного момента.

В некоторых случаях частица и античастица тождественны, например, фотон.

Все частицы можно разделить на три группы.

1. Лептоны – частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях таких, как взаимодействие протонов и нейтронов внутри ядра атома. К ним относятся: электрон, позитрон, электронное нейтрино и т.д. Все лептоны на современном уровне знаний можно назвать истинно элементарными, у них не обнаружена внутренняя структура.

2. Адроны – частицы, участвующие в сильных взаимодействиях и во всех остальных.

К ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), мезоны (пионы, ка-мезоны, эта-нуль-мезоны) и гипероны. Их массы больше масс лептонов и они могут иметь или не иметь заряды. Они состоят из кварков.

3. Переносчики взаимодействий.

Фотон – осуществляет электромагнитное взаимодействие

Бозоны – осуществляют слабое взаимодействие

Глюоны – осуществляют сильное взаимодействие

Гравитон – гипотетическая частица, осуществляющая гравитационное взаимодействие. Предполагается, что эти частицы не имеют массы покоя.

Стандартная модель гласит, что вся материя во Вселенной состоит из 24 видов частиц: шести видов кварков и шести видов лептонов, каждому из которых соответствуют свои античастицы. Помимо частиц материи существуют кварковые частицы (бозоны), посредством которых проявляются четыре силы природы: электромагнитная, сильная, слабая и сила гравитации. Эти частицы-посредники называются фотонами, глюонами, W-и Z- бозонами и гравитонами. Экспериментально не доказано существование гравитонов и частиц Хигса.

Наиболее характерным свойством элементарных частиц является их способность рождаться и взаимопревращаться друг в друга при столкновениях. При этом полная (релятивистская) энергия сохраняется. Например, при столкновении движущегося протона с неподвижным, рождается нейтральный пион.

р+р → р+р+π˚

Это возможно тогда, когда кинетическая энергия налетающего протона превышает энергию покоя пиона

Во всех этих превращениях справедлив и закон сохранения импульса. Покоящийся пион, у которого импульс равен 0, распадается на 2 фотона, сумма импульсов, которых, так же равна 0.

π˚ → γ+γ

Справедлив и закон сохранения заряда. Например, свободный нейтрон живет в среднем 12 минут, а затем распадается на протон, электрон и антинейтрино.

n → p+e^-+ ,до распада заряд равен 0, после распада – 0.

Распад элементарных частиц и их взаимопревращаемость друг в друга ставят под сомнение сам смысл вопроса: из чего состоит частица? Нельзя сказать, что электрон и позитрон состоят из фотонов на основании реакции:

е^-+е⁺→2γ

Нельзя сказать, что фотоны состоят из электронов и позитронов, наблюдая реакцию в поле ядра атома:

γ → е^-+е⁺

Используя закон взаимосвязи массы и энергии, можно по разности масс частиц, вступающих в реакцию, и масс частиц, являющихся продуктами ядерной реакции, найти изменение энергии системы частиц. Если сумма масс, вступающих в реакцию больше суммы масс частиц получившихся после реакции, то реакция идёт с выделением энергии, если разность масс отрицательна, то с поглощением. Е=Δmc². Впервые ядерные реакции обнаружил в 1896 г. А. Беккерель. Он открыл радиоактивность урана – особое излучение. Оказалось, что это излучение неоднородно и в магнитном поле разделяется на α, β и γ – лучи. α – лучи оказались ионизированными атомами гелия. β–лучи - это вылетающие из ядра электроны (β^--распад) или позитроны (β⁺-распад). γ-лучи – жесткое электромагнитное излучение.

Частицы материи	Лептоны			Кварки
	Электрон	Электронное Нейтрино	Верхний		Нижний
	Мюон	Мюонное нейтрино	Очарованный		Странный
	Тау	Тау- нейтрино	Истинный		Прелестный

Все процессы в природе осуществляются в результате четырех взаимодействий.

1. Сильное взаимодействие.

Сильное взаимодействие вызывают процессы, протекающие наиболее быстро по сравнению с другими процессами. Оно обеспечивает самую сильную связь элементарных частиц. В частности между нуклонами в ядре атома. Этим объясняется исключительная прочность атомных ядер, лежащая в основе стабильности вещества.

2. Электромагнитное взаимодействие.

Электромагнитное взаимодействие сводится к взаимодействию так называемых электрически заряженных частиц с электрическим полем. Оно обеспечивает связь электронов в атоме, ионов в кристалле, атомов в молекулах. Это взаимодействие протекает значительно медленнее. Это связано с тем, что радиус действия сильных взаимодействий порядка 10^-13 см и на больших расстояниях оно фактически исчезает. Электромагнитное взаимодействие характеризуется бесконечным радиусом действия. Электромагнитное взаимодействие играет основную роль в макроскопическом мире.

3. Слабое взаимодействие.

Оно вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Хорошей иллюстрацией этого может служить слабость взаимодействия нейтрино, низких энергий с веществом. Пройдя сквозь Землю, частица может не среагировать ни с одной встретившейся частицей. Для нейтрино характерно только слабое взаимодействие.

4. Гравитационное взаимодействие.

Доминирует в случае больших макроскопических масс (планет, звезд) и в мире элементарных частиц не учитывается. Радиус действия гравитационного взаимодействия бесконечен.

Вопросы:

1. Приведите примеры частиц и античастиц.

2. Какие частицы называются лептонами?

3. Какие частицы называются адронами?

4. Какие частицы переносят взаимодействия?

5. Какие частицы являются истинно элементарными?

6. Какие законы сохранения справедливы в микромире?

7. Какое взаимодействие называется сильным?

8. Какое взаимодействие называется эл6ектромагнитным?

9. Какое взаимодействие называется слабым?

10. Какое взаимодействие называется гравитационным?