Элементарные частицы
Элементарными частицами принято считать такие микрочастицы, которые на современном этапе развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое.
Пример элементарных частиц: е, р, n, , , .
ЭЧ характеризуются массой, электрическим зарядом, спином, а также имеют целый ряд специфических характеристик. ЭЧ могут превращаться друг в друга.
В основе классификации ЭЧ лежит их участие в фундаментальных взаимодействиях, которых известно четыре вида:
1. сильное взаимодействие, обеспечивает связь нуклонов в ядре, имеет радиус действия порядка 1 фм, константа взаимодействия 10 (безразмерный параметр, определяющий вероятность процесса );
2. электромагнитное взаимодействие, радиус действия не ограничен, константа взаимодействия 10-2 ;
3. слабое взаимодействие, ответственно за все виды -распада и некоторые другие распады ЭЧ, короткодействующее, константа взаимодействия 10-14;
4. гравитационное взаимодействие, универсальное, радиус действия бесконечен, константа взаимодействия 10-39.
ЭЧ подразделяют на четыре класса:
1. фотон – квант эл.магн. поля, участвует в эл.магн взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействием;
2. лептоны – обладают слабым взаимодействием, заряженные лептоны также участвуют в эл.магн. взаимодействиях. Все лептоны имеют спин, равный ½ (e, , ,).
3. мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, спин равен 0, заряженные мезоны участвуют в эл.магн. взаимодействиях. Не несут барионного заряда (+,-,0, +, -, 0, 0*, ).
4. барионы обладают сильным взаимодействием и делятся на нуклоны ( р, n ) и гипероны ( , -, 0, +, 0, -, -). Спин равен ½ , кроме протона, все барионы нестабильны, обладают специфическим свойством, называемым барионным зарядом, который подчиняется закону сохранения.
Методы регистрации эч.
ЭЧ возможно наблюдать по тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но обнаруживают себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром.
Приборы, применяемые для регистрации ионизирующих частиц, подразделяются на две группы: счетчики, позволяющие регистрировать факт пролета частицы, и трековые камеры, позволяющие наблюдать следы (треки) частиц в веществе.
К числу регистрирующих приборов относятся газоразрядные счетчики, сцинтилляционные счетчики, полупроводниковые счетчики и др.
Газоразрядные счетчики которые состоят, как правило, из цилиндрического корпуса, служащего катодом, и натянутой по оси тонкой нити, служащей анодом. Быстрая заряженная частица, пролетевшая в пространстве между электродами, создает на своем пути в газе некоторое количество пар первичных ионов (электронов и положительных ионов), которые увлекаются полем к электродам, в результате чего в цепи анода возникает импульс тока. Если напряжение, приложенное к аноду, достаточно велико, то первичные ионы могут вызвать ионизацию молекул газа ударом, в результате чего возникает самостоятельный разряд и происходит многократное усиление импульса тока. Счетчик, работающий в этом режиме, называется счетчиком Гейгера-Мюллера (сокращенно счетчиком Гейгера).
Действие сцинтилляционного счетчика основано на том, что ЭЧ, пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждение атомов, которое снимается путем высвечивания. Сцинтилляционный счетчик состоит из специального вещества, в котором заряженная ЭЧ вызывает заметную вспышку, фотоумножителя и счетчика.
Полупроводниковый счетчик представляет собой полупроводниковый диод. В нормальном состоянии диод заперт. ЭЧ, проходящая через переходный слой, порождает электроны и дырки, которые под действием приложенного напряжения движутся к электродам, и возникает электрические импульс.
К числу трековых прибором относятся пузырьковая камера, камера Вильсона и пр.
Камера Вильсона была создана в 1912 г. Дорожка из ионов, образованных в результате взаимодействия с пролетающей ЭЧ, становится видной в камере Вильсона потому, что на ионах происходит конденсация пересыщенных паров какой-либо жидкости. Пересыщение достигается за счет внезапного охлаждения, вызванного резким ( адиабатическим) расширением рабочей смеси. Стереофотография позволяет воссоздать пространственную картину явления. Недостаток – малое время чувствительности по сравнению с мертвым временем. Если поместить камеру Вильсона между полюсами магнита, то по искривлению траектории частицы удается определить ее удельный заряд и импульс.
В пузырьковой камере ( 1952 г., Д.А.Глезер) перенасыщенные пары заменены перегретой жидкостью. Пролетающая через камеру ионизирующая частица вызывает бурное вскипание жидкости, вследствие чего след частицы обозначается цепочкой пузырьком пара.
В эмульсионных камерах облучению подвергаются толстые пачки (весом до нескольких десятков килограммов и толщиной в несколько сотен миллиметров), составленные из отдельных слоев фотоэмульсии. После облучения пачки разбираются на слои, проявляются и просматриваются под микроскопом.
До создания ускорителей космические лучи были единственным источником частиц с энергией, достаточной для образования мезонов и гиперонов. Первичные космические лучи представляют собой непрерывно падающий на Землю поток ионов ( в основном, протонов) высокой энергии (порядка 10 Гэв). Частицы первичных космических лучей взаимодействуют с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы, в результате чего образуются вторичные космические лучи. На высоте ниже 20 км космические лучи практически носят вторичный характер. Во вторичных космических лучах встречаются все известные на данный момент ЭЧ. Интенсивность первичных космических лучей на высоте 50 км составляет 1 част/см2//с, а интенсивность вторичных космических лучей на уровне моря – 10—2 част/см2/с.