74. Три этапа развития физики элементарных частиц.

1. 1897-1923 – электрон, протон, нейтрон, фотон

2. 1923-1964 – от позитрона до кварки

3. 1964-наши дни – все элементарные частицы имеют сложную структуру, изучить до конца природу элементарных частиц не представляется возможным.

75. Общие сведения об элементарных частицах. Классификация элементарных частиц. Кварки.

Элементарные частицы – электроны, протоны, нейтроны.

Классификация. Важнейшей характеристикой частицы является её масса, которая отражает инертные и гравитационные свойства частицы и определяет имеющийся в ней запас энергии.

Большинство частиц обладает СПИНОМ, т.е. Собственным моментом количества движения. Некоторые частицы Нейтральны, другие обладают положительным или отрицательным электрическим зарядом. почти все элементарные частицы нестабильны. В свободном состоянии стабильны только протон, электрон и частицы не имеющие массы покоя. Остальные частицы самопроизвольно распадаются, и все, кроме нейтрона имеют очень непродолжительное среднее время ЖИЗНИ. 1) Фотоны не имеют массы покоя и заряда; спин равен 1. 2) Лептоны лёгкие частицы; у лептонов спин равен 1/2. 3) Мезоны — промежуточные частицы; спин мезонов равен О. 4) Барионы тяжёлые частицы; самый легкий барион - протон. У всех барионов спин равен 1/2. Частицы различных классов отличаются не только величиной массы и значением спина частиц. Так, фотоны и лептоны не участвуют в ядерных взаимодействиях, а мезоны и барионы участвуют. У лептонов и барионов внутри класса действуют законы сохранения числа частиц. Когда, например, исчезает один барион, вместо него появляется другой. Закон сохранения числа барионов делает прогон стабильным: он самый лёгкий барион и поэтому не может самопроизвольно распадаться с образованием другого бариона. У класса мезонов и фотонов закон сохранения не выполняется, и они могут возникать и исчезать в любом количестве. 76. Основные нерешённые проблемы физики.

Физика элементарных частиц. Наиболее фундаментальной проблемой физики было и остаётся исследование материи на уровне элементарных частиц. Ещё далеко не все положения новых теорий получили прямое экспериментальное подтверждение. Остаётся нерешённым вопрос о возможности существования кварков и глюонов в свободном состоянии.

Не удалось достигнуть более или менее завершенного теоретического обобщения обширного экспериментального материала с единой точки зрения. Не решена задача о теоретическом определении спектра масс элементарных частиц. Наконец, не решена задача построения квантовой теории тяготения. Лишь наметилось построение теории, объединяющей четыре фундаментальных взаимодействий.

Астрофизика. Развитие физики элементарных частиц и атомного ядра позволило приблизиться к пониманию таких сложных проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях её развития, эволюция звёзд и образования химических элементов. Однако, несмотря на огромные достижения, перед современной астрофизикой стоят нерешённые проблемы. Остаётся неясным, каково состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри нейтронных звёзд и «чёрных дыр». Не выяснены до конца природа квазаров и радиогалактик, причины вспышек сверхновых звёзд и появление всплесков гамма – излучения.

Наконец, положено линь начало решению проблемы эволюции Вселенной в целом.

Физика ядра. После создания протонно – нейтронной модели ядра был достигнут большой прогресс в понимании структуры атомных ядер, построены различные приближенные модели ядра. Однако последовательной теории атомного ядра, позволяющей, в частности, рассчитать энергию связи нуклонов в ядре и уровни энергии ядра, пока нет. Успех в этом направлении может быть достигнут лишь после построения теории сильных взаимодействий. Экспериментальное исследование взаимодействий нуклонов в ядре – ядерных сил – сопряжено с очень большими трудностями из – за предельно сложного характера этих сил. Они зависят от расстояния между нуклонами, от скоростей нуклонов и ориентации их спинов.

Значительный интерес представляет возможность экспериментального обнаружения долгоживущих элементов с томными номерами 114 и 126, которые предсказываются теорией.

Одна из важнейших задач, которую предстоит решить, - проблема управляемого термоядерного синтеза, широко ведутся экспериментальные и теоретические исследования по созданию горячей дейтерий – тритиевой плазмы, необходимой для термоядерной реакции. Установка типа «токамак», являются, по – видимому, самыми перспективными в этом отношении. Разрабатываются и другие возможности решения проблемы УТС; в частности, для нагрева крупинок из смеси дейтерия с тритием можно использовать лазерное излучение, электронные и ионные пучки, получаемые в мощных импульсных ускорителях.

Квантовая электроника. Излучение квантовых генераторов уникально по своим свойствам. Оно когерентно и может достигать в узком спектральном интервале огромной мощности. Напряженность электрического поля излучения лазера может превышать напряженность внутриатомного поля. Создание лазеров вызвало появление и быстрое развитие нового раздела – нелинейной оптики. В сильном лазурном излучении становятся существенными нелинейные эффекты взаимодействия электромагнитной волны со средой. Эти эффекты: перестройка частоты излучения, самофокусировка пучка и другие – представляют большой теоретический и практический интерес.

Главные проблемы, которые предстоит решить, - это дальнейшее повышение мощности и расширение диапазона длин волн лазерного луча с плавной перестройкой по частоте. Ведутся поисковые работы по созданию рентгеновского и гамма – лазеров.

Физика твердого тела. Физике твердого тела принадлежит ведущая роль в исследовании возможностей получения материалов с экстремальными свойствами в отношении механической прочности, теплостойкости, электрических, магнитных и оптических характеристик.

С 70-х годов 20 века ведутся активные поиски нефоновых механизмов сверхпроводимости. Решение этой задачи, возможно, позволило бы создать высокотемпературные сверхпроводники, сто, в частности, решило бы проблему передачи электроэнергии на большие расстояния практически без потерь. Разрабатываются принципиально новые физические методы получения более надёжных и миниатюрных полупроводниковых устройств, методы получения более высоких давлений, сверхнизких температур и т.п. большое значение имеет излучение Физики полимеров с их необычными механическими и термодинамическими свойствами, в частности биополимеров.

Физика плазмы. Важность изучения плазмы связана с двумя обстоятельствами. Во – первых, в плазменном состоянии находятся подавляющая часть вещества Вселенной. Во – вторых, именно в высокотемпературной плазме имеется возможность осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Основные уравнения, описывающие плазму, известны, однако процессы в плазме столь сложны, что предсказать её поведение в различных условиях весьма трудно. Главная проблема, стоящая перед физикой плазмы – разработка эффективных методов её разогрева и удержание её в этом состоянии в течение времени, достаточного для протекания термоядерной реакции в большей части рабочего объёма. Решение проблемы устойчивости плазмы играет важную роль также в обеспечении работы ускорителей на встречных пучках и в разработке так называемых коллективных методов для ускорения частиц. Исследование электромагнитного поля и корпускулярного излучения плазмы имеет решающее значение для объяснения ускорения заряженных частиц при вспышках сверхновых звёзд, излучения пульсаров.

Разумеется, проблемы современной физики не сводятся только к перечисленным; свои задачи имеются во всех разделах физики и общее число их очень велико.