Элементарные частицы.

Общие сведения об элементарных частицах.

Элементарными называются частицы, которым на современном уровне знаний нельзя приписать определенную внутреннюю структуру. В настоящее время известно 32 вида элементарных частиц, не считая так называемых резонансов ( короткоживущих частиц со средним временем жизни 10^-23с). В настоящее время известно около 200 резонансов.

Элементарная частица характеризуется массой покоя, зарядом, средним временем жизни и некоторыми другими величинами.

По значению массы покоя (m₀) элементарные частицы можно разделить на следующие 4 класса:

1. фотоны (m₀=0);

2. лептоны ( легкие частицы, m_е >m₀>0 );

3. мезоны (средние частицы, m_р >m₀ >m_е );

4. барионы ( тяжелые частицы, m_α >m₀ >m_р ).

Среди барионов различают нуклоны и большие тяжелые частицы – гипероны.

Многие элементарные частицы были обнаружены в космических лучах. Космические лучи были открыты в 1962 году немецким физиком Вальтером Гессом.. Происхождение этих лучей еще не выяснено, существует лишь ряд гипотез. Среди них наиболее приемлемой считается гипотеза советских физиков Гинзбурга и Шкловского. Суть этой гипотезы состоит в том, что космические лучи генерируются при вспышках сверхновых звезд. Различают первичные и вторичные космические лучи. Первичные космические лучи представляют собой поток атомных ядер ( преимущественно α-частиц и протонов ), летящий с огромной скоростью в земную атмосферу из мирового пространства. Столкновение этих ядер с ядрами атомов, входящих в состав воздуха, приводит к образованию новых ядер и различных элементарных частиц. Поток этих частиц носит название вторичных космических лучей. Первичные космические лучи в значительной степени поглощаются атмосферой, поэтому земной поверхности достигают главным образом вторичные космические лучи. Интенсивность космических лучей имеет максимум на высоте 20 км. С уменьшением высоты интенсивность уменьшается за счет поглощения лучей атмосферой, достигая на уровне моря минимального значения. В среднем считается, что здесь лучами создается 1,8 пар ионов в

13 см³ за 1с. Средняя энергия частиц первичного космического излучения на верхней границе атмосферы составляет 10¹¹ МэВ. Отдельные частицы обладают энергией ≈10¹² МэВ. Следовательно, космические лучи являются источником частиц сверхвысоких энергий, еще не достигнутых в условиях лабораторий. При взаимодействии таких частиц с веществом атмосферы происходят принципиально новые ядерные реакции, изучение которых углубляет наши знания о свойствах ядер элементарных частиц.

Электрон, протон, нейтрон, фотон. Античастицы.

Электрон – первая частица, которую обнаружили при излучении атома. Он обладает элементарным зарядом е=-1,6∙10^-19 Кл, m_e=9,11∙10^-31кг, спин = , магнитный момент электрона равен магнетону Бора µ_В, который служит единицей магнитного момента:

Электрон – стабильная частица. Он не может самопроизвольно превращаться в другие частицы. Наряду с отрицательным электроном существует положительный электрон, который носит название позитрон. Позитрон является по отношению к электрону античастицей. Заряд позитрона 1,6∙10^-19 Кл, его масса 9,11∙10^-31кг, спин равен, магнитный момент приближенно равен магнетону Бора. Позитрон устойчив в вакууме, но в веществе длительно существовать не может, так как при столкновении с электроном происходит явление аннигиляции электрона и позитрона.

Явление аннигиляции заключается в том, что при соединении электрон и позитрон исчезают, а вместо них возникают два или более фотонов:

Протон – стабильная частица, m_p=1,6725∙10^-27кг, заряд положительный и численно равен заряду электрона, спин равен . Символическое обозначение –p. Античастицей протона является антипротон. Антипротон имеет массу, равную массе протона и заряд, равный по величине и знаку заряду электрона, спин равен 1/2ħ, магнитный момент по величине равен магнитному моменту протона, но имеет отрицательный знак. Символическое обозначение - . Антипротон устойчив в вакууме, но в веществе быстро аннигилирует с протоном с испусканием π-мезонов и К-мезонов и ,реже,-фотонов.

Нейтрон: символическое обозначение – n, m_n=1838,63m_e, электрический заряд равен нулю, спин равен . Нейтрон является нестабильной элементарной частицей и по прошествии примерно 1000с после его освобождения из атомного ядра испытывает β-распад:

,

-электр. антинейтрино.

Античастицей по отношению к нейтрону является антинейтрон – элементарная частица, масса которой равна массе нейтрона, заряд равен нулю и спин равен , магнитный момент равен по абсолютной величине магнитному моменту нейтрона, но противоположен ему по знаку, символ -.

Фотон – элементарная частица электромагнитного поля, символическое обозначение - , m_покоя=0, заряд равен нулю, спин равен 1. Фотон не имеет античастицы