VIII тарау. Қарапайым бөлшектер физикасы

§8.1 Қарапайым бөлшектердің сипаттамасы

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

Осы микроәлемді зерттеуді үш сатыға бөлуге болады:

а) атом құрылысын зерттеу және онда болып жатқан құбылыстар менпроцестерді анықтау;

б) ядро құрылысын және ядро ішіндегі орындалатын процестерді зерттеу;

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

Жоғарыда айтылған бірінші және екінші сатысы, физиканың жаңа саласындағы құбылыстарды, эксперименттік жолмен зерттеу нәтижесі өте жоғары жетістіктерге жетті, сонымен қатар олар теориялық жолмен де дәлелденілді.

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

Микроәлемді зерттеудің үшінші сатысы қарапайым бөлшектер физикасының меншікті мәндерін түсіндіреді. Атомдардың ядролық, электрондық құрылымын, ғарыштық сәулелердегі орындалатын процестер, зарядталған бөлшектерді мүмкіндігінше үдеткіште үдету, саны жағынан көптеген бөлшектер бар екендігін оларды тіркеу және жылдам реакциялар алу осы үшінші сатыда толығынан қарастырылады. Қазіргі кезде осындай бөлшектер тарапына жататындар: электрондар, позитрондар, протондар, антипротондар, нейтрондар мен антинейтрондар, нейтрина және антинейтрина, мезондар, гиперондар, фотондар және 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 және антибөлшек болып екіге бөлінеді. Яғни, әрбір оң зарядты бөлшектің қарама-қарсы теріс зарядты бөлшегі болады. Ал, бейтарап бөлшектердің айырмашылығы оның механикалық және магниттік моменттері кері бағдарланады.

Қарапайым бөлшектердің кейбір фундаментальді 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 және 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 әсерлесудегі), изотоптық спин, қыңырлықтың сақталу заңы, кейбіреулерінің жаңа кванттық қасиеттері т. б. болады.

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

(8.1.1)

мұндағы -тыныштық массасы; р-импульсі ; m-қозғалыс массасы .

(8.1.1) 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:

(8.1.2)

Кейбір бөлшектердің энергиясы, оның импульсына байланысты анықталады:

(8.1.3)

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

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

Спин. Қарапайым бөлшектердің спині бүтін (бозондарда) сандарды 0;1;2;...немесе жартылай бүтін (фермиондарда) сандарда ; ... қабылдайды. Олай болса қарапайым бөлшектер фермиондар және бозондар болып екі топқа бөлінеді, олардың спинң 3-кестеде көрсетілген.

Изотоптық спин. Қарапайым бөлшектерді қарастырғанда, олар бір, екі (немесе одан да көп) бөлшектер топтасып, бірігіп топ түзеді. Мысалы, протон және нейтрон - екі бөлшек, немесе бейтарап пи-мезон және екі зарядталған пи-мезондар - үшеуі бірігіп топ түзеді. Мұндай топтар бір бөлшек сияқты әртүрлі күйде (немесе әртүрлі энергия деңгейінде) болады. Сондықтанда 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. мәндеріне ие болады.

Бұл кванттық санды , бұрынғы спиндік сан деп қарауға болмайды.

Мұнда спин, қарапайым бөлшектердің мультиплеттігін түсіндіру үшін қолданылады.

(8.1.4)

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 әртүрлі түрленулері кезінде өзгермей сақталып қалады.

S-кванттық сан. Зерттеулер нәтижесінде орнықсыз К-мезондар және 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 - 0; мәндерге 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 және т. б.