КІРІСПЕ

Бұл курстық жұмыс «Элементар бөлшектерді тіркеу құралдары» тақырыбында жазылды. Жұмыстың негізгі бөлімі екі тараудан тұрады:

1. Қарапайым бөлшектер физикасы

2. Ядролық физиканың эксперименталдық әдістері

Жұмыстың бірінші тарауында қарапайым бөлшектердің сипаттамасы, ашылу тарихы, қасиеттері, әсерлесу түрлері туралы айтылады. Ал екінші тарауында қарапайым бөлшектерді тіркеу әдістері және тіркеуіш құралдардың сипаттамасы жайлы мәліметтер келтірілген.

Жалпы, курстық жұмыстың мақсаты қарапайым бөлшектерді тіркеу құралдарының түрлерін кеңінен қарастырып, зерттеу болып табылады.

Физиканың даму барысында элементар бөлшектер ұғымы бiраз өзгерiске ұшырады. Алғашқы кезде элементар деп iшкi құрылымы жоқ, басқа құрамдас бөлiктерге ыдырамайтын бөлшектердi түсiндi. Бүгiнгi күннiң түсiнiгi бойынша элементар бөлшектерден олардың iшкi құрылымының болмауы талап етiлмейдi.

Элементар бөлшектер деп, физика ғылымының қазiргi даму дәрежесiнде бос күйiнде кездесетiн қарапайым бөлшектерден тұрады деп есептеуге болмайтын бөлшектердi айтады. Элементар бөлшектердi кейде субъядролық бөлшектер деп те атайды.

Қазiргi заманның элементар бөлшектер физикасы осы бөлшектердiң қасиеттерiн анықтайды, оларды классификациялайды, iргелi әсерлесудiң қасиеттерiн зерттейдi және осы әсердiң салдарынан олардың бiр бiрiне ауысуларын зерттейдi. Соңғы кездерi элементар бөлшектердiң iшкi құрылымдары да кеңiнен зерттелуде. Бұл бөлшектердiң көптеген ерекшелiктерi, соның iшiнде iшкi құрылымы тек жеткiлiктi жоғарғы энергияда ғана көрiнiс табады. Сондықтан элементар бөлшектер физикасын жоғарғы энергия физикасы деп те атайды.

Кейбiр элементар бөлшектер табиғатта бос немесе босаң байланысқан күйде кездеседi. Бiздi қоршаған дүние негiзiнен осы бөлшектерден құралған. Мұндай бөлшектердiң қатарына ядро құрамына кiретiн протондар және нейтрондар, атомның қабыршығын құрайтын электрондар, электромагниттiк өрiстiң кванттары болып табылатын фотондар (γ-кванттар) жатады. Сәл кейiнiрек ядроның β-ыдырауы кезiнде туатын нейтрино және антинейтрино, ядролық әсерлесудiң тасымалдаушы-лары болып табылатын пи-мезондар ( π+ , π0 , π–) ашылды. Бұдан әрi осы бөлшектердiң антибөлшектерi ашылды.

Уақыт өте келе элементар бөлшектердiң саны күрт өстi. Бүгiнгi күнде олардың жалпы саны антибөлшектерiн қоса есептегенде 350 ден асып түседi. Бiрақ олардың аса көп бөлiгi орнықсыз бөлшектер. Олар табиғатта бос күйiнде кездеспейдi. Оларды тек арнайы зертханаларда үлкен жылдамдықтағы орнықты бөлшектердi соқтығыстыру арқылы алады. Осылай туындылаған орнықсыз бөлшектер тез арада ыдырап кетедi де ақырында орнықты бөлшектер пайда болады. Бөлшек пен антибөлшек кездесетiн болса жойылып, екi кейде үш фотонға айналады. Бұл құбылысты аннигиляция деп атайды.

Атом құрылысы, атом ядросы, ғарыштық сəулелердегі процестер, үдеткіштерде алынған зарядталған бөлшектердің реакциялары, зерттеулер нəтижесінде көптеген мөлшердегі ұсақ бөлшектер бар екендігін анықтады, оны қарапайым бөлшектер деп атады.

Қарапайым бөлшектің негізгі сипаттамасының бірі, олар бөлшек жəне антибөлшек болып екіге бөлінеді. Яғни, əрбір оң зарядты бөлшектің қарама-қарсы теріс зарядты бөлшегі болады. Ал бейтарап бөлшектердің айырмашылығы оның механикалық жəне магниттік моменттері кері бағдарланады.

I.Қарапайым бөлшектер физикасы

1. Қарапайым бөлшектердің сипаттамасы

Қарапайым бөлшектерді зерттеу қазіргі атомистиканың ең жоғарғы сатысы болып табылады. Қарапайым бөлшектер əлемінің алғашқылары: электрон, протон жəне фотон.

Осы микроəлемді зерттеуді үш сатыға бөлуге болады:

а) атом құрылысын зерттеу жəне онда болып жатқан құбылыстар мен процесстерді анықтау;

б) ядро құрылысын жəне ядро ішіндегі орындалатын процестерді зерттеу;

в) атомдардың электрондық қабаттарын, атом ядросын құрайтын бөлшектерді, ядролық реакция барысында түрленулерін зерттеу.

Жоғарыда айтылған бірінші жəне екінші сатысы, физиканың жаңа саласындағы құбылыстарды, эксперименттік жолмен зерттеу нəтижесі өте жоғары жетістіктерге жетті, сонымен қатар олар теориялық жолмен де дəлелденілді.

Атом құрылысы, атом ядросы, ғарыштық сəулелердегі процестер, үдеткіштерде алынған зарядталған бөлшектердің реакциялары, зерттеулер нəтижесінде көптеген мөлшердегі ұсақ бөлшектер бар екендігін анықтады, оны қарапайым бөлшектер деп атады.

Микроəлемді зерттеудің үшінші сатысы қарапайым бөлшектер физикасының меншікті мəндерін түсіндіреді. Атомдардың ядролық, электрондық құрылымын, ғарыштық сəулелердегі орындалатын процестер, зарядталған бөлшектерді мүмкіндігінше үдеткіште үдету, саны жағынан көптеген бөлшектер бар екендігін оларды тіркеу жəне жылдам реакциялар алу осы үшінші сатыда толығынан қарастырылады. Қазіргі кезде осындай бөлшектер тарапына жататындар: электрондар, позитрондар, протондар, антипротондар, нейтрондар мен антинейтрондар, нейтрина жəне антинейтрина, мезондар, гиперондар, фотондар жəне тағы басқа түрленуде пайда болатын бөлшектер. Бұлардың кейбіреулері орнықты өздігінше бөлінбейді, яғни басқа бөлшекке жіктелмейді, ал көпшілік қарапайым бөлшектер орнықты емес, олар өздігінше белгілі бір уақыт периодында ыдырап басқа бөлшектерге жіктеледі, онда ол орнықсыз болады. Олай болса, қарапайым бөлшектер дегеніміз - өзі өте ұсақ бөлшектерге жіктеледі деген мағынаны білдіреді.

Қарапайым бөлшектің негізгі сипаттамасының бірі, олар бөлшек жəне антибөлшек болып екіге бөлінеді. Яғни, əрбір оң зарядты бөлшектің қарама-қарсы теріс зарядты бөлшегі болады. Ал бейтарап бөлшектердің айырмашылығы оның механикалық жəне магниттік моменттері кері бағдарланады.

Қарапайым бөлшектердің кейбір фундаменталды физикалық қасиеттері оның негізгі сипаттарын анықтайды. Барлық қарапайым бөлшектер белгілі бір шамада массаға, энергияға, импульс моментіне, кейбірі магнит моментіне, электр зарядына тағы басқа қасиеттерге ие болады. Қарапайым бөлшектердегі барлық түрленулер: энергияның, массаның, импульстің, импульс моментінің жəне электр зарядының сақталу заңдары бойынша орындалады.

Кейбір сақталу заңдары осы бөлшектердің өздерінің спецификасына байланысты: бариондар зарядының сақталу заңы (нуклондар саны), мезондар зарядының жұптылығының сақталу заңы (күшті əсерлесудегі), изотоптық спин, қыңырлықтың сақталу заңы, кейбіреулерінің жаңа кванттық қасиеттері, т.б. болады.

Қарапайым бөлшектердің негізгі сипаттамаларының бірі тыныштық массасы жəне меншікті энергиясы. Қарапайым бөлшектердің кез келген күйде массасы болады. Еркін бөлшектің массасы толық энергияға байланысты болады.

(1.1)

мұндағы, – тыныштық массасы; – импульсі ;

– қозғалыс массасы .

(1.1) теңдеуден бөлшек массасы толық энергияға байланысты. Олай болса, жалпы жағдайда ол тұрақты болмайды. Сондықтан да қарапайым бөлшек тыныштық массамен сипатталады.

Қарапайым бөлшектің ішкі энергиясы тыныштық массасына байланысты:

(1.2)

Кейбір бөлшектердің энергиясы, оның импульсына байланысты анықталады:

(1.3)

мұндай бөлшектерге нейтрино жəне фотондар жатады, өйткені олардың тыныштық массасы .

Электр заряды. Қазіргі кезде белгілі қарапайым бөлшектердің көпшілігінің электр заряды бар екендігі белгілі болды. Олай болса, олардың оң жəне теріс (бөлшек жəне антибөлшек) заряды болады. Электр зарядының абсолют мəні электрон зарядына тең. Зарядталған бөлшектен басқа зарядталмаған (бейтарап) бөлшектер де болады, олар да бөлшек жəне антибөлшектер болып бөлінеді.

Спин. Қарапайым бөлшектердің спині бүтін (бозондарда) сандарды 0; 1; 2; ...немесе жартылай бүтін (фермиондарда) сандарды ... қабылдайды. Олай болса қарапайым бөлшектер фермиондар жəне бозондар болып екі топқа бөлінеді.

Изотоптық спин. Қарапайым бөлшектерді қарастырғанда, олар бір, екі (немесе одан да көп) бөлшектер топтасып, бірігіп топ түзеді. Мысалы, протон жəне нейтрон - екі бөлшек, немесе бейтарап пи-мезон жəне екі зарядталған пи-мезондар – үшеуі бірігіп топ түзеді. Мұндай топтар бір бөлшек сияқты əртүрлі күйде (немесе əртүрлі энергия деңгейінде) болады. Сондықтан да бұл топта жекеленген күйде бір бөлшек - синглет, бір топта екі бөлшек болса, онда дублет, бір топта үш бөлшек болса, онда триплет құрады.

Қарапайым бөлшектердің мультиплеттілігін түсіну үшін кванттық сипаттама ретінде - изотоптық спинді ендіреміз, ол j - кванттық санмен сипатталады. мəндеріне ие болады.

Бұл кванттық санды, бұрынғы спиндік сан деп қарауға болмайды.

Мұнда спин, қарапайым бөлшектердің мультиплеттігін түсіндіру үшін қолданылады.

(1.4)

мұндағы, изотоптық спині бар топтың мультиплеттігі.

Заряды электрлік емес қарапайым бөлшектерге: бариондық, лептондық зарядтар жатады. Қарапайым бөлшектердің түрлену процестері кезіндегі жаңа шаманың сипаты - заряды электрлік емес болып шықты. Ауыр бөлшектер -бариондық зарядқа, жеңіл бөлшектер - электрондық, ал, мю-мезондар - лептондық зарядқа ие болады. Бұл зарядтар өлшемсіз -ге тең сандар болып келеді. Осы шамалар қарапайым бөлшектердің əртүрлі түрленулері кезінде өзгермей сақталып қалады.

S-кванттық сан. Зерттеулер нəтижесінде орнықсыз К- мезондар жəне гиперондар өздерінің түрленулері кезінде, осы қарапайым бөлшектерде үлкен аномальдар байқалады, яғни қарапайым бөлшектер жаңа қасиеттерге ие болады, оны қарапайым бөлшектердің қыңырлығы деп атайды. S-кванттық санды анықтайтын осындай қасиетті қыңырлығы деп атаймыз. Ол мəндерге ие болады.

Сақталу заңдары. Қарапайым бөлшектер түрленгенде барлық сақталу заңдары орындалады:

а) энергияның сақталу заңы;

б) массаның сақталу заңы;

в) импульстің сақталу заңы;

г) импульс моментінің сақталу заңы;

д) электр зарядының сақталу заңы;

е) электр емес зарядының сақталу заңы;

ж) S-санының сақталу заңы жəне т. б.