Білет №1

Класифікація елементарних частинок. Закони збереження і межі їх застосування. Елементарні частинки і фундаментальні взаємодії.

Під елементарними частинками на даному етапі їх пізнання розуміють такі мікрочастинки, про внутрішню структуру яких як об'єднання з інших частинок жодних достовірних даних не існує. Елементарна частинка проявляє себе як одне ціле, хоч має здатність до перетворень і взаємодій з іншими частинками. Перебіг перетворень значною мірою залежить від енергоресурсу частинок реакції. Індивідуальність елементарної частинки зумовлюється тим, що енергія взаємодії її з іншими матеріальними об'єктами значно менша від її власної релятивістської енергії.

Першою елементарною частинною, яку відкрив Дж.Томсон у 1897р., був електрон. У 1919р. Е.Резерфорд виявив частинку, яка входить до складу ядер атомів, – протон. У 1932р. Д.Чедвік відкрив другу складову частинку ядра – нейтрон. У 1905р. А. Ейнштейн увів_у науковий обіг поняття про складову частинку світла – фотон. В 1956р. вже було відомо 30 елементарних частинок; тепер їх налічується понад 350.

Елементарні частинки за масою поділяють на чотири класи: фотони, лептони, мезони, баріони (див. табл. 4). Наведемо їх короткі характеристики.

Фотони. Частинки цього класу є квантами електромагнітного поля. При поширенні проявляють хвильові властивості, а при взаємодії з речовиною – корпускулярні. Маса спокою фотона дорівнює нулю, спін – одиниці. Фотони підлягають статистиці Бозе-Ейнштейна (бозони). Це істинно нейтральні частинки, оскільки збігаються зі своїми античастинками. Фотон достатньої енергії при взаємодії з важким ядром атома може перетворюватися в пару частинок електрон-позитрон; можливий і зворотний процес перетворення.

Лептони. Легкі частинки, до яких входять електрони, позитрони, мюони, нейтрино і антинейтрино електронного та мюонного походження. Лептони утворюються завжди парами, наприклад, пара електрон і позитрон утворюється при анігіляції гамма-фотона; при розпаді π+-мезона одержується пара µ+-мезон і νµ-мезонне нейтрино. Перетворення частинок підлягає закону збереження лептонного заряду. Лептоном притаманний півцілий спін s=1/2, тому на них поширюється принцип Паулі; вони підлягають квантовій статистиці Фермі-Дірака (ферміони). Усі лептони беруть участь у слабких взаємодіях, а заряджені лептони і в електромагнітних взаємодіях.

3.Мезони – нестабільні елементарні частинки з масою, більшою від маси електрона і меншою від маси протона. Бувають мезони нейтральні і електрично заряджені. Частинки цього класу π-мезони і К-мезони є квантами поля ядерних сил. Вони забезпечують сильну взаємодію між нуклонами в атомних ядрах. Мезони не мають спіна, для них s=0, тому вони не підлягають принципу Паулі: в будь-якому стані може перебувати довільне число мезонів. Мезони підлягають квантовій статистиці Бозе-Ейнштейна (бозони).

4.Баріони. До цього класу частинок входять нуклони і група масивніших частинок – гіперони. Всі баріони проявляють сильні взаємодії і відповідно активно взаємодіють з атомними ядрами. За винятком протона, всі баріони нестабільні. При розпаді баріона, крім інших частинок, обов'язково утворюється новий баріон. Остання особливість розпаду є наслідком закону збереження баріонного заряду.

Спін усіх баріонів півцілий (s=1/2), тому вони підлягають принципу Паулі й квантовій статистиці Фермі-Дірака (ферміони).

Серед сильновзашодіючих частинок виявлено велике число короткоживучих частинок, так званих резонансів. Час життя їх становить 10‑23 ‑10‑22с; деякі з них є бозонами і повинні бути віднесені до класу мезонів, інші резонанси є ферміонами і повинні бути віднесені до класу І гіперонів.

Для опису поведінки елементарних частинок слід враховувати тип взаємодії. Відомі такі чотири типи взаємодій між елементарними частинками: сильні (ядерні), електромагнітні, слабкі й гравітаційні.

Інтенсивність тієї чи іншої взаємодії характеризують певним безрозмірним параметром а, який інакше називають константою взаємодії.

Сильні взаємодії проявляються між адронами – мезонами, нуклонами, гіперонами. Прикладом їх можуть бути вже розглянуті ядерні взаємодії нуклонів, що забезпечуються я-мезонами. Порівняльна константа взаємодії дорівнює І; радіус їхньої дії має порядок розміру ядра – 10і5 м; характерний час життя частинок, що розпадаються в результаті взаємодії (час руху піона на відстані r-10-15 м при максимальній швидкості с=3•108 м/с) ~ 10-23с

Електромагнітні взаємодії – забезпечують зв'язки між зарядженими частинками; вони реалізуються за допомогою електромагнітного поля. Теорією електромагнітної взаємодії є квантова електродинаміка, згідно з якою заряджені частинки взаємодіють за допомогою віртуальних фотонів, якими обмінюються частинки; величина імпульсу фотона p=hν/c

Слабкі взаємодії відповідальні за всі р-розпади ядер, розпади багатьох елементарних частинок, за всі процеси взаємодії нейтрино з речовиною.

Гравітаційні взаємодії з усіх інших тилів фундаментальних взаємодій найслабкіші. Порівняльну константу цієї взаємодії знаходять за виразом ,де r – гравітаційна стала; М – маса нуклона, за підрахунками а =2·10-39. Гравітаційні взаємодії із збільшенням відстані повільно зменшуються, тому радіус їх дії необмежений. Час реалізації взаємодії ~108років. Чим слабкіші взаємодії, тим довший час потрібний для здійснення зумовленої ними реакції. У фізиці мікрочастинок гравітаційними силами нехтують, хоч цієї взаємодії зазнають усі частинки.