Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

50.(0). Типы взаимодействий и классификация элементарных частиц. Античастицы. Виртуальные частицы.

Виды фундаментальных взаимодействий

Классы элементарных частиц

Фотон (участвует только в электромагнитных взаимодействиях)

Лептоны (участвуют в слабых взаимодействи- ях, а также в электромагнитных, если есть электрический заряд, и не участвуют в сильных взаимодействиях)

Адроны (участвуют во всех видах взаимодейст- вий: слабых, электромагнитных и сильных)

Адроны делятся на

– Барионы

– Мезоны

Адронов в настоящее время известно несколько со- тен; они, в свою очередь, делятся на барионы и мезоны. К барионам принадлежат протон, нейтрон и все гипероны. К мезонам принадлежат, в част- ности, пи-мезоны, К-мезоны, эта-мезоны, ро-мезо- ны и др. Мю-мезон, хотя и назван мезоном, при- надлежит, как указано выше, к классу лептонов, поэтому в настоящее время его чаще называют сокращенно мюоном. Каждый адрон характеризу- ется определенным квантовым числом, называе- мым барионным зарядом B. Все барионы имеют барионный заряд, равный +1; все античастицы барионов (антипротон, антинейтрон и др.) имеют барионный заряд равный -1. Барионный заряд всех мезонов равен нулю.

Адроны состоят из кварков. Барионы состоят из трех кварков, а мезоны - из двух кварков, точнее, из одного кварка и одного антикварка. Свойства кварков и структура некоторых адронов приведены ниже. Структура лептонов и кварков в настоящее время неизвестна, и на нынешнем этапе физики элементарных частиц они считаются точечными.

У каждой элементарной частицы есть своя ан- тичастица (экспериментальный факт). У части- цы и античастицы массы, спины, времена жиз- ни одинаковы, а прочие характеристики (элек- трический заряд, барионный заряд, лептонные заряды) одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. В некоторых слу-чаях частица совпадает со своей античастицей, в таком случае частица называется истинно нейтральной. Таких частиц немного, на сегод- няшний день надежно установлено, что истин- но нейтральными являются фотон, пи-ноль мезон, эта-ноль мезон.

Существование античастиц было впервые предсказано П.Дираком в 1931г

Соотношение между энергией, импульсом и мас-сой имеет вид:

E2 m02c4 p2c2

Поэтому для энергии можно записать:

E m02c4 p2c2

Вклассической механике для энергии всегда выби- рают знак +, так что при p = 0 энергия E = m0c2. Движение с отрицательной кинетической энерги- ей считается не имеющим физического смысла.

Интерпретация П.Дирака

Если выбрать знак "минус", то при p = 0 получим

E = -m0c2, что можно интер- претировать как отрица- тельную массу. При увели- чении импульса энергия уменьшается, и может

стать как угодно малой. Ин- тервал значений от E= -m0c2 до E = +m0c2 не может быть

получен ни при каком зна-

чении p, и, следовательно, является запрещенным.

Согласно гипотезе П.Дирака, состояния с отрица- тельной энергией существуют, и т.к. им соответст- вуют минимальные значения энергии, они полнос- тью заполнены электронами, так что образуется сплошной фон ("море") ненаблюдаемых электро- нов с отрицательными энергиями и массами. Если какой-то из этих электронов получит энергию, дос- таточную для преодоления запрещенной зоны, он попадет в верхнюю область, а в нижней зоне воз- никнет "дырка". Т.к. в сплошном фоне электронов с отрицательными электрическими зарядами и от- рицательными массами будет не хватать одного электрона, то дырка будет вести себя как частица, с положительной массой и зарядом, которые по абсолютной величине в точности равны массе и заряду электрона.