Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Физика Павлодар / Лекции по общей физике.doc
Скачиваний:
383
Добавлен:
12.06.2016
Размер:
3.76 Mб
Скачать

4.8.6 Физика элементарных частиц

Представления о существовании атомов, простейших неделимых частиц вещества, возникли еще в древности, но лишь в XIX в. была создана атомистическая теория и даны экспериментальные доказательства ее правильности. Открытие явления радиоактивности и результаты опытов Резерфорда убедительно показали, что атомы вовсе не являются неделимыми. Как теперь установлено, они построены из электронов, протонов и нейтронов. На первых порах частицы, из которых построены атомы, считались последними «кирпичиками» вещества, не способными ни к каким изменениям и превращениям. Поэтому их назвали элементарными частицами. Знакомство со свойствами этих частиц, наиболее распространенных в изученной части Вселенной, показало, что термин «элементарная частица» является довольно условным. Одна из этих частиц, нейтрон, в свободном состоянии существует лишь около 17 мин, а затем самопроизвольно распадается на стабильные частицы — протон, электрон и нейтрино. Каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в другие частицы. Понятие «элементарная» по отношению к частице в настоящее время не означает отсутствия конечных размеров, внутренней структуры и способности к превращениям. Элементарными принято называть частицы, не состоящие из других известных частиц. Атом водорода, состоящий из протона и электрона, не является элементарной частицей, это система из элементарных частиц. Нейтрон представляет собой элементарную частицу, так как он не состоит из электрона, протона или нейтрино. Эти частицы возникают в момент распада нейтрона, подобно тому, как возникает фотон света при переходе атома из возбужденного состояния в нормальное.

Полное число параметров, определяющих свойства частиц, довольно велико. Важнейшими из них являются масса частицы, ее электрический заряд, спин и время жизни. Из всех названных характеристик специального пояснения требует лишь спин. Спином называется величина, дающая количественную характеристику вращательного движения частицы, имеет размерность дж*сек.

Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное, или ядерное, взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона. Электромагнитное взаимодействие, в частности, ответственно за существование атомов и молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Слабое взаимодействие — наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино (например, (β-распад, μ-распад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (τ >>10-10 с)

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако, из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно.

Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в 1014 раз — слабое. Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы. Так, время жизни частиц, называемых резонансами, распад которых описывается сильным взаимодействием, составляет примерно 10-23 с, время жизни π0-мезона, за распад которого ответственно электромагнитное взаимодействие, составляет 10-16с. Время жизни для распадов, за которые ответственны слабое взаимодействие, составляет 10-10-10-8 с. Как сильное, так и слабое взаимодействия — короткодействующие: радиус сильного взаимодействия составляет примерно 10-15м, слабого — не превышает 10-19м. Радиус действия электромагнитного взаимодействия практически не ограничен. Наименее исследованными на сегодня являются слабые взаимодействия, характерные для лептонов. Примером проявления слабого взаимодействия является процесс бета-распада. Слабое взаимодействие слабее сильного взаимодействия в 1014 раз.

Большинство частиц обладает способностью к нескольким типам взаимодействия одновременно. Протон, например, может взаимодействовать с другими частицами с помощью всех трех типов сил — электромагнитного, сильного и слабого взаимодействия. Однако, среди всех частиц имеется одна, неспособная к электромагнитным и сильным взаимодействиям — это частица нейтрино. Чрезвычайно малая величина сил слабого взаимодействия приводит к тому, что нейтрино свободно проходит через всю толщу космоса, достигают Земли и пронизывают ее, почти нисколько не поглощаясь. И все же физикам удалось поймать эти неуловимые частицы, изучить их свойства. Оказалось, что в природе существует не один тип нейтрино, а два. При распадах частиц с испусканием электронов возникают электронные нейтрино, а при распадах частиц с испусканием мюонов возникают мюонные нейтрино.