Лекция №14 элементарные частицы и их свойства

В настоящее время известно около 400 элементарных частиц. До сих пор рассматривались только такие частицы, как электрон e, протонp, нейтронnи фотон, которые являются стабильными или квазистабильными, то есть существуют либо бесконечно долго, либо достаточно длительное время. Однако подавляющее большинство элементарных частиц, полученных на ускорителях, не являются стабильными, то есть распадаются, превращаясь в конечном итоге в стабильные частицы.

Для описания частиц вводится ряд физических величин, которыми они различаются: масса, среднее время жизни, электрический заряд, спин и ряд других.

Массу частицыв ядерной физике принято выражать в энергетических единицах, в основе которых лежит закон взаимосвязи массы и энергии ЭйнштейнаЕ = mc². Единица измерения — электронвольт (1 эВ = 1,610^–19 Дж); на практике используются миллионы электронвольт — Мэв (1 МэВ = 10⁶ эВ) и гигаэлектронвольт — ГэВ (1 ГэВ = 10⁹ эВ). Так масса электронаm_e= 0,51 МэВ, протона —m_p= 938,3 Мэв, нейтрона — 939,6 МэВ, масса фотона равна нулю.

Среднее время жизни является мерой стабильности частицы и выражается в секундах.

Известные нам частицы: электрон, протон и фотон абсолютно стабильны ( = ),нейтрон в свободном состоянии квазистабилен, его время жизни ≈898 с.

Спин — собственный момент импульса частицы. Спин выражается в единицах h/2 и принимает только целые и полуцелые значения. Так для электрона, протона и нейтрона спин равен для фотона —Эта важнейшая характеристика элементарных частиц, не имеющая аналогов в классической физике.

Электрический зарядхарактеризует способность частицы участвовать в электромагнитных взаимодействиях, и эта величина хорошо нам знакома по электростатике.

Собственный магнитный моментчастицы характеризует взаимодействие частицы с внешним магнитным полем.

Оказалось, что указанных характеристик недостаточно для описания поведения элементарных частиц и были введены новые свойства: странность, очарование, прелесть, цвет, аромат и другие, которые характеризуютсясвоими квантовыми числами. Безусловно, приведённые названия не имеют ничего общего с обычным смыслом этих слов, а отражают особые свойства частиц.

Фундаментальные взаимодействия

В настоящее время в физике различают четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

К сильным взаимодействиям (S — strong)относятся, прежде всего, ядерные силы, объединяющие нуклоны в ядро.

В электромагнитном взаимодействии(E — electromagnetic) участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны. Одно из его проявлений — кулоновские силы, обусловливающие существование атомов. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств вещества (силы трения, силы упругости и т.д.)

Слабые взаимодействия (W — week)проявляется в бета-превращениях атомных ядер. Оно приводит к нестабильности многих элементарных частиц и характерно для всех частиц, кроме фотонов.

Гравитационное взаимодействие (G — gravitational)проявляется в виде сил всемирного тяготения и свойственно всем телам. Гравитационное взаимодействие очень слабое и в микромире существенной роли не играет.

Фундаментальные взаимодействия различаются рядом свойств, среди которых в первую очередь следует отметить интенсивность (α) взаимодействия и радиус их действия R. Обычно для сравнения разных взаимодействий рассматривают отношение их интенсивностей, которое в грубом приближении определяется, как отношение энергий взаимодействий. Принимая условно интенсивность сильного взаимодействия за единицу (α_S = 1), приближенные значенияинтенсивностей для других взаимодействий равны: α_E ≈ 10^–2, α_W ≈ 10^–10, α_G ≈ 10^–38. Таким образом, самым интенсивным взаимодействием в микромире является сильное взаимодействие, наименее интенсивным — слабое, гравитационное же взаимодействие пренебрежимо мало.

Радиус взаимодействия Rопределяется зависимостью энергии данноговзаимодействия от расстояния между частицами. Электромагнитные и гравитационные силы по закону Кулона и всемирного тяготения обратно пропорциональны квадрату расстояния между частицами, то есть эти силы убывают медленно. Поэтому радиус их действия полагают равным бесконечности: R_E = ∞ и R_G = ∞. Энергия сильных и слабых взаимодействий убывает с расстоянием очень быстро по экспоненциальному закону, и сказываются лишь на малых расстояниях. Как определено экспериментально, их радиусы действия R_S ≈ 10^–15 м и R_W ≈ 10^–18 м, то есть они соизмеримы с размерами ядер и действуют в пределах атомного ядра.