Виды взаимодействий и их объединение в рамках единой теории. Классификация элементарных частиц. Кварки.
По времени жизни все элементарные частицы делятся на два класса:
1. Стабильные элементарные частицы — частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии (протон, электрон, нейтрино, фотон, гравитон и их античастицы).
2. Нестабильные элементарные частицы — частицы, распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии за конечное время (все остальные частицы).
По массе все элементарные частицы делятся на два класса:
1. Безмассовые частицы — частицы с нулевой массой (фотон, глюон).
2. Частицы с ненулевой массой (все остальные частицы).
По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса:
1. Бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса).
2. Фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино).
По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:
1. Составные частицы
Адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами; барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, - протон и нейтрон.
2. Фундаментальные (бесструктурные) частицы
Лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
Кварки — дробно заряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
Калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия: фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие; восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие; три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие; гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным.
Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.
Согласно современным представлениям, при очень высоких температурах (и, соответственно, энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно. Так, при энергии 100 ГэВ объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10-10 секунд после Большого взрыва. Это открытие позволяет предположить, что при энергии порядка 1015 ГэВ произойдёт объединение электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, а при 1019 ГэВ к ним присоединится гравитационное. Эти теории называют Теориями Великого Объединения.
Что же такое кварки?
Есть атом, в атоме есть атомное ядро, ядро состоит из протонов и нейтронов. Такое большое количество новых частиц необходимо было проклассифицировать. Оказалось, что можно этого добиться, если предположить, что все частички состоят из неких составляющих. Что протоны, нейтроны, К-мезоны (каоны), Ро-мезоны и так далее, — те частицы, которые открыли, — состоят из еще более мелких составляющих, которые вот и предложили назвать словом «кварк».
Кварки – электрически заряженные частицы, причём их заряд – дробное число. Кварки соединяются друг с другом 2-мя способами: парами и тройками.
Протон: берем два u-кварка и один d-кварк; uud — это протон.
Нейтрон: берем udd — это нейтрон.
Можно взять uuu, можно взять ddd, можно взять uus, можно uds. Всего из трех составляющих можно было построить весь мир элементарных частиц. В 1974 году не была открыта некая новая частица, которая в эту схему не укладывалась. Сначала было много шума и непонятного, а потом оказалось, что для того, чтобы ее объяснить, пришлось придумать еще одну частицу, еще один кварк, четвертый. Получилось четыре кварка (в1974-м году). Теория, которая описывает свойства кварков, говорит о том, что три кварка оказались неудачной комбинацией. Например, некоторые распады частиц, которые в природе почему-то не происходят, в этой теории, наоборот, должны были хорошо происходить. Но через некоторое время открыли пятый кварк, пятую частицу. Четвертый кварк получил название «очарованный кварк». Пятый кварк получил название b-кварк, то есть «прелестный» или «прекрасный». Так и появилась «прелестная физика», и «прекрасная физика». И в конце прошлого века был найден шестой кварк, его назвали t, и появилась система из шести кварков. Но когда их стало шесть, стало можно думать уже о собственной классификации самих кварков. Эти кварки группируются в пары: первая пара — это u- и d-кварки; вторая пара — это c- и s-кварки; третья пара — это top и bot. Эти пары кварков, оказалось, обладают абсолютно идентичными свойствами. Единственное, что их отличает — каждая следующая пара тяжелей предыдущей. А в остальном они абсолютно одинаковы.
Мы имеем дело с тем, что получило название «поколение». Есть три поколения: первая пара — это первое поколение; вторая пара — второе поколение; третья пара — это третье поколение.
Электрический заряд кварка кратен одной трети.
Электрический заряд u-кварка — 2/3; d-кварка — -1/3. Значит, протон — uud: 2/3 + 2/3 — 1/3 — получается +1. А нейтрон — udd: 2/3 — 1/3 — 1 — получается 0.
Каждый кварк имеет спин ½, мы строим комбинации из трех кварков. А мезоны имеют спин 0, поэтому они строятся из двух кварков. Например, известный π-мезон имеет спин 0, а заряд у него бывает либо +1, либо -1, либо 0. Он состоит из двух кварков. Берем ud: u-кварк и анти-d-кварк: u-кварк — это заряд 2/3, у d-кварка — -1/3; соответственно, у анти-d — +1/3; значит, 2/3 + 1/3 получается 1. Вот получается π+ мезон. Вот таким образом из кварков с дробными зарядами строятся все наблюдаемые элементарные частицы, как барионы, так и мезоны.
Помимо всех перечисленных характеристик кварки обладают ещё одной специфической внутренней характеристикой, называемой цветовым зарядом или просто “цветом”: красный, зелёный, синий. Кварк одного цвета может перейти в кварк другого цвета, испустив цветной глюон – частицу, являющуюся переносчиком сильного взаимодействия. Суммарный цветовой заряд адрона равен нулю.
Сканирующий электронный микроскоп (детектирование вторичных электронов, детектирование отраженных электронов, элементный анализ – энергодисперсионный анализ, волнодисперсионный анализ), атомный силовой микроскоп.
П
ринцип
сканирующей микроскопии: изображение
объекта формируется последовательно
по точкам (растрам) и является результатом
взаимодействия сфокусированного
электронного пучка (зонда) с поверхностью.
Каждая точка
образца последовательно
облучается зондом,
который перемещается по исследуемой
поверхности, подобно сканированию
электронного луча в телевизионных
системах.
Сканирующий (растровый) электронный микроскоп — прибор, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким (до 0,4 нанометра) пространственным разрешением, также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Современный СЭМ позволяет работать в широком диапазоне увеличений приблизительно от 10 крат до 1 000 000 крат, что приблизительно в 500 раз превышает предел увеличения лучших оптических микроскопов.
Достоинства СЭМ:
1. Возможность математической обработки изображений, состоящих из отдельных точек (изображение в СЭМ — это матрица чисел, методы преобразований которых хорошо разработаны в современной математике)
2. Механизм образования изображения делает его резким практически на любой глубине от поверхности образца, что делает изображение поверхности резким и объемным.
3. Множество физических явлений, участвующих в образовании изображения, существенно расширяет возможности СЭМ и делает возможным наблюдать не только топологию поверхности, но и распределение по поверхности различных физических параметров, таких как магнитные и электрические домены, неоднородности, связанные с разным атомном составом, и др.
Недостатки СЭМ:
1. Недостаточно высокое пространственное разрешение, особенно в субмикронном и нанометровом диапазонах измерений.
2. Сложность получения трехмерных изображений, поскольку высота рельефа определяется по эффективности упругого и неупругого рассеяния электронов и зависит от глубины проникновения первичных электронов в поверхностный слой.
3. Необходимость нанесения дополнительного токосъемного слоя на плохопроводящие поверхности для предотвращения эффектов, связанных с накоплением заряда.
4. Проведение измерений только в условиях вакуума.
5. Риск повреждения изучаемой поверхности высокоэнергетичным сфокусированным пучком электронов.
Элементный анализ
Элементный анализ — качественное обнаружение и количественное определение содержания элементов и элементного состава веществ, материалов и различных объектов. Элементный анализ позволяет ответить на вопрос — из каких атомов (элементов) состоит анализируемое вещество. Любое агрегатное состояние: жидкость, твёрдое тело, газ. Основа элементного анализа в СЭМ — проведение рентгеноспектрального микроанализа (определения атомного состава вещества в малом объёме). Высокий предел обнаружения, можно определить концентрации элементов не ниже 0,01 %. Не определяются самые лёгкие элементы, с атомным номером меньше бора.
Принцип рентгеноспектрального анализа
Генерируется пучок электронов, который собирается электромагнитными линзами в узкий пучок — электронный зонд. Попадая в образец, электроны выбивают электроны с внутренних оболочек атомов вещества и генерируют характеристическое рентгеновское излучение. Каждый элемент излучает на характерном для него наборе частот и может быть по нему идентифицирован. Концентрации элементов определяются по интенсивности рентгеновского излучения. Для выполнения количественного анализа поверхность образца должна быть отполирована и очищена: неровности приводят к нетипичному рассеиванию рентгеновских лучей и значительным ошибкам в определении концентрации элементов. Для того чтобы на поверхности диэлектрического образца не накапливался заряд, на него напыляют тонкую токопроводящую плёнку, обычно углерод.
Методы рентгеноспектрального анализа
Метод энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДРС) — исследуется энергетический спектр характеристического рентгеновского излучения. Измерение во всём рентгеновском спектре, одновременный анализ всех элементов, которые имеются в объекте, более низкая чувствительность к топографии образца.
Метод волнодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ВДРС) — исследуется спектральный состав по длинам волн. Имеет гораздо более высокую чувствительность и спектральную разрешающую способность.
Сканирующая атомно-силовая микроскопия (ССМ)
Физические основы метода: Ван-дер-Ваальсова сила, действующая на атомы зонда со стороны атомов образца, приводит к изгибу консоли и этот изгиб может быть измерен.
Зонд ССМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивание на малых.
Важнейшей составляющей ССM являются сканирующие зонды – кантилеверы («cantilever» – консоль, балка). На конце кантилевера (длина 500 мкм, ширина 50 мкм, толщина 1 мкм) расположен очень острый шип (длина 10 мкм, радиус закругления от 1 до 10 нм), оканчивающийся группой из одного или нескольких атомов.
Принцип действия: принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и к изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно получить изображение рельефа поверхности.