52. Фундаментальные взаимодействия. Элементарные частицы, их свойства

Фундам-ые взаимоде́йствия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. 4 вида основных фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое. Гравитационное заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаим-ем опр. падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения опис. движение планет Солнечной системы, а также других макрообъектов. Эл. поле возникает при наличии эл. зарядов, а магнитное поле - при их движении. В природе сущ. как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер эл-магнитного взаимодействия. Эл-магн. взаимодействие опис. фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Слабое взаим-вие опис. Обычно для колич-ого анализа перечисленных взаимодействий используют 2характеристики: безразмерную константу взаим-ия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия Радиус действия – это макс. расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь. При малом радиусе взаимодействие называют короткодействующим, при большом – дальнодействующим. Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распр-тся только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаим-уют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи. Энергия связи определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их др. от др. на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Элементарные частицы, - мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами. Элементарные частицы участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс элементарных частиц их гравитационное взаимодействие обычно не учитывается. Все элем. частицы разделяют на 3 основные группы. 1ую составляют так называемые бозоны - переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. 2ая группа элементарных частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Электрон (символ e) счит. материальным носителем наименьшей массы в природе me, равной 9,1×10–28г и наименьшего отрицательного электрического заряда e = 1,6×10–19 Кл. Мюоны (символ μ-) - частицы с массой около 207 масс электрона и электр. зарядом, равным заряду электрона; 3 группа элем. частиц - адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу электрона. Адроны делятся на барионы, мезоны, а также так наз-ые резонансы. Общие характеристики всех элем. частиц - масса, время жизни, спин, электрический заряд. В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными являются: электрон, протон, фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие эл-магн. и слабого взаимодействий, их времена жизни более 10-20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимодействия, их характерные времена жизни 10-22 – 10-24с Важное свойство элементарных частиц – их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или других взаимодействий. Один из видов взаимопревращений - так называемое рождение пары, или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае - образование пары элементарныех частиц с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар e-e+, мюонных пар μ+μ- новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb-состояний . 2ой вид взаимопревращений элем. частиц - аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов. Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц и 3 фотона - при суммарном спине, равном 1. Эти нестабильные системы, часто называемые водородоподобными атомами. Их время жизни в веществе в большой степени зависит от свойств вещества, что позволяет использовать водородоподобные атомы для изучения структуры конденсированного вещества и кинетики быстрых химических реакций . Спин — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы. Спин измеряется в единицах (приведённой постоянной Планка) и равен где J — характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или полуцелое положительное число — так называемое спиновое квантовое число, которое обычно называют просто спином (одно из квантовых чисел).