Элементарные частицы, их классификация и взаимопревращение

Частицы, которым на современном уровне развития физики нельзя приписать внутреннюю структуру, то есть представить как объёдинение других частиц, и которые ведут себя как единое целое, называют элементарными. Существующие элементарные частицы классифицируются по массам покоя, зарядам, значениям спина, времени жизни и др.

1. По массе покоя.

Не имеют массы покоя - фотон и нейтрино.

Легкие частицы носят название лептоны. К ним относятся электрон, позитрон, мюоны (μ⁺ и μ^- - мезоны) и др.

Средние (помежуточные) частицы. К ним относятся мезоны: пионы (π⁺ , π^- и π⁰ - мезоны), каоны (К⁺ , К^- и К⁰ - мезоны), таоны (τ⁺ и τ^- -мезоны) и др.

Тяжелые частицы. К ним относятся протон и антипротон, нейтрон и антинейтрон, лямбда, сигма, кси и омега – гипероны и др. Общее название средних и тяжелых частиц – адроны. Помимо названных существует большое число частиц, называемых резонансами (резонами).

2. По наличию заряда: положительные, отрицательные и нейтральные частицы. Теоретически предсказаны частицы с дробными электрическими зарядами.

3. По времени жизни.

Стабильные. К ним относятся фотон, нейтрино и антинейтрино, электрон, позитрон, протон и антипротон.

Нестабильные. К ним относятся нейтрон и атинейтрон и др. Среднее время жизни нейтрона 930 с.

4. По значениям спина.

Частицы с полуцелым спином. К ним относятся лептоны и барионы (p, , n, и гипероны ).

Частицы с нулевым спином. К ним относятся мезоны.

Частицы с целым спином. К ним относится одна частица – фотон.

Элементарные частицы самопроизвольно (нестабильные) либо при взаимодействии (стабильные) могут испытывать взаимопревращения. Так, например, нестабильные частицы μ и π – мезоны могут распадаться на другие частицы по схеме

μ ⁺ → е⁺ + ν_е + μ ^- → ++

π⁺ → μ ⁺ +π^- → μ ^- + π⁰ → γ + γ.

Стабильные частицы, обладая достаточной энергией, при соударениях также могут претерпевать взаимопревращения. Например

е^- + е^- → е^- + е^- + е^- + е⁺ γ + е^- → е^- + е^- + е⁺ е^-+е⁺→ γ+ γ+ γ

Так при аннигиляции электрона и позитрона может образоваться 2 или 3 гамма – кванта. При таких взаимопревращениях соблюдаются законы сохранения энергии, импульса, заряда и др.

Типы взаимодействия элементарных частиц

По современным представлениям в природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

1. Сильное или ядерное взаимодействие обусловливает связь нуклонов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований. Этими взаимодействиями обусловлены ядерные силы между нуклонами.

2. Электромагнитное взаимодействие характеризует процессы, обусловленные наличием у частиц электрического заряда, а следовательно их взаимодействия с электромагнитными полями. Оно, в частности, обеспечивает существование атомов и молекул за счет взаимодействия в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

3. Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех, протекающих в микромире. Оно характеризует взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино (например β - распад, μ - распад).

4. Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам. Однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало по сравнению с тремя другими и поэтому несущественно в процессах микромира.

Интенсивность взаимодействий принято характеризовать безразмерной константой взаимодействия, которая по порядку величины имеет следующие значения:

для сильного взаимодействия принимается равной 1, для электромагнитного ≃ 10^-2, для слабого ≃ 10^-14, для гравитационного ≃ 10^-30.