1

1.  Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия равна приблизительно 10⁰, радиус действия порядка

   10^-15, время протекания  10^-23с. Частицы – переносчики - -мезоны.

2.  Электромагнитное взаимодействие: константа порядка 10^-2, радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия   10^-20с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица – переносчик – фотон.

3.  Слабое взаимодействие связано со всеми видами -распада, многие распады элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка 10^-13,   10^-10с. Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим:   радиус взаимодействия r10^-18м. (Частица – переносчик  - векторный бозон).

4.  Гравитационное взаимодействие является универсальным, однако в микромире учитывается, так как его константа равна 10^-38, т.е. из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, время также не ограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица гравитон пока не обнаружена.

  Виртуальные частицы – короткоживущие ненаблюдаемые частицы, возникающие в вакууме и при столкновениях или распадах частиц . При столкновениях и распадах частиц виртуальные частицы играют роль переносчиков взаимодействий. Взаимодействия и взаимные превращения частиц в квантовой теории описываются как рождение или поглощение свободной частицей виртуальных частиц. Так, например, электрон рождает и поглощает виртуальные фотоны.

    Два простейших процесса с участием виртуальных частиц показаны на рисунке. Виртуальными частицами слева являются электрон, позитрон и фотон. Они одновременно рождаются в вакууме в левом узле и затем исчезают в правом. Рисунок справа иллюстрирует взаимодействие двух реальных электронов посредством обмена виртуальным фотоном, играющим роль переносчика электромагнитного взаимодействия.     Появление любой виртуальной частицы нарушает закон сохранения энергии на некую величину ΔЕ, однако, такие нарушения допускаются квантовой механикой в течение интервалов времени Δt, разрешённых соотношением неопределённостей  ΔЕΔt > ћ (ћ = h/2π, h – постоянная Планка). В течение интервалов времени Δt < ћ/ΔЕэти нарушения принципиально ненаблюдаемы, как ненаблюдаемы и сами промежуточные частицы, называемые, поэтому, виртуальными. В момент исчезновения (поглощения) виртуальной частицы баланс энергий восстанавливается.     Для виртуальной частицы не выполняется соотношение специальной теории относительности между полной энергией Е, импульсом   и массой m: E² = p²c² + m²c⁴. Так, виртуальный фотон может иметь нулевой импульс, т.е. покоиться, что исключено для наблюдаемого фотона. На испускании и поглощении виртуальных частиц основаны практически все физические процессы происходящие при высоких энергиях и на масштабах расстояний <10^-8 см.

2

Элементарные частицы, в узком смысле - частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц. В современной физике термин "элементарные частицы" используют в более широком смысле: так называют мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами.

Элементарные частицы участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс элементарных частиц их гравитационное взаимодействие обычно не учитывается. Все элементарные частицы разделяют на три основные группы. Первую составляют так называемые бозоны - переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость распространения физического воздействия и является одной из фундаментальных физических постоянных; принято, что с = (299792458±1,2) м/с.

Вторая группа элементарных частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый τ-лептон и соответствующее нейтрино. Электрон (символ e) считается материальным носителем наименьшей массы в природе m_e, равной 9,1×10^-28 г (в энергетических единицах ≈0,511 МэВ) и наименьшего отрицательного электрического заряда e = 1,6×10^-19 Кл. Мюоны (символ μ^-) - частицы с массой около 207 масс электрона (105,7 МэВ) и электрическим зарядом, равным заряду электрона; тяжелый τ-лептон имеет массу около 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа нейтрино - электронное (символ ν_e), мюонное (символ ν_μ) и τ-нейтрино (символ ν_τ) - легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы.

Все лептоны имеют спин ½ћ (ћ - постоянная Планка), т.е. по статистическим свойствам являются фермионами (см.Статистическая термодинамика).

Каждому из лептонов соответствует античастица, имеющая те же значения массы, спина и других характеристик, но отличающаяся знаком электрического заряда. Существуют позитрон (символ e⁺) - античастица по отношению кэлектрону, положительно заряженный мюон (символ μ⁺) и три типа антинейтрино (символы  ), которым приписывают противоположный знак особого квантового числа, называемого лептонным зарядом (см. ниже).

Третья группа элементарных частиц - адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу электрона. Это наиболее многочисленная группа элементарных частиц. Адроны делятся на барионы - частицы со спином ½ћ, мезоны - частицы с целочисленным спином (0 или 1); а также так называемые резонансы - короткоживущие возбужденные состояния адронов. К барионам относят протон (символ p) - ядро атома водорода с массой, в ~ 1836 раз превышающейm_e и равной 1,672648×10^-24 г (≈938,3 МэВ), и положительным электрическим зарядом, равным заряду нейтрон(символ n) - электрически нейтральная частица, масса которой немного превышает массу протона. Из протонов и нейтронов построены все атомные ядра, именно сильное взаимодействие обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют одинаковые свойства и рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы - нуклона с изотопическим спином ½ћ (см. ниже). Барионы включают и гипероны -элементарные частицы с массой больше нуклонной: Λ-гиперон имеет массу 1116 МэВ, Σ-гиперон - 1190 МэВ, Θ-гиперон - 1320 МэВ, Ω-гиперон - 1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами протона и электрона (π-мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положительным и отрицательным элементарным электрическим зарядом). Все мезоны по своим статистическим свойствам относятся к бозонам.

Основные свойства элементарных частиц

Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений физических величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех элементарных частиц - масса, время жизни, спин, электрический заряд.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности современных измерений) являются: электрон (время жизни более 5×10²¹ лет), протон (более 10³¹ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимодействий, их времена жизни более 10^-20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимодействия, их характерные времена жизни 10^-22 – 10^-24 с.

Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундаментальных взаимодействий. Для лептонных нейтрино и их античастиц L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих античастиц В=-1.

Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные) адроны - протон, нейтрон, π-мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными свойствами по отношению к сильному взаимодействию, но с различными значениями электрического заряда; простейший пример – протон и нейтрон. Общее квантовое число для таких элементарных частиц – так называемый изотопический спин, принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения ±1.

Важное свойство элементарных частиц – их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или других взаимодействий. Один из видов взаимопревращений - так называемое рождение пары, или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае - образование пары элементарныех частиц с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар e^-e⁺, мюонных пар μ⁺μ^- новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb-состояний (см. ниже). Другой вид взаимопревращений элементарных частиц - аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (γ-квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц и 3 фотона - при суммарном спине, равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).

3

3.3. Избыток (дефект) массы

Разность между массой атома в атомных единицах массы и массовым числом A называется избытком (дефектом) массы Δ(A,Z):

Δ(A,Z) = М(A,Z) – A.

   3.4. Измерение масс атомных ядер Существует несколько методов измерения масс атомных ядер. 3.4.1 Масс спектрометры .Одним из широко используемых методов определения масс атомных ядер является анализ характеристик движения ионов в электрических и магнитных полях. Если магнитное поле индукции B направлено перпендикулярно траектории движения иона с массой M_иона и зарядом Z_иона, то радиус кривизны r траектории движения иона зависит от его кинетической энергии T:

 где 

    Из приведенного соотношения, зная радиус кривизны r траектории движения иона в магнитном поле, можно определить массу иона M_иона.     На практике точность определения массы атомного ядра можно существенно повысить, если сравнивать массу неизвестного иона с известными массами других ионов (метод дублетов). В этом случае определяется разность масс двух ионов в долях массы известных атомов. 3.4.2. Измерение масс атомных ядер методом времени пролёта и магнитного анализ Определение массы ядра A~ 100 с точностью ~ 100 кэВ эквивалентно относительной точности измерения массы ~ 10^-6. Для достижения такой точности используют совместное измерение времени пролета и магнитный анализ продуктов ядерной реакции. Магнитная жесткость спектрометра Br, масса ядра M, его скорость v и заряд qсвязаны соотношением

Br =Mv/q.

    Зная магнитную жесткость спектрометра Br, можно определить отношение массы ядра к его заряду M/q. Этот метод позволяет определить массы ядер с точностью 10^-4. Точность измерения масс ядер можно повысить, если одновременно измерять время пролета атомного ядра между двумя реперными точками (пролетная база). В этом случае масса иона определяется из соотношения:

 или  Br,

где L– пролетная база, T– время пролета.      Пролетные базы составляют от нескольких метров до 10³ метров, что позволяет довести точность измерения масс ядер до 10^-6. Значительному повышению точности способствует то, что массы различных ядер измеряются одновременно, и точно известные значения масс отдельных ядер могут быть использованы для повышения точности определения масс исследуемых ядер. 3.4.3. Определения масс ядер методом измерения циклотронной частоты Для ядра, движущегося в постоянном магнитном поле B, частота вращения ω связана с его массой M и зарядом qсоотношением:

B/ω =M/q.

    Несмотря на то, что методы 3.4.2 и 3.4.3 основаны на одном и том же принципе, точность в методе измерения циклотронной частоты выше (~10^-7), т.к. он эквивалентен использованию пролетной базы гораздо большей длины. 3.4.4. Измерение масс атомных ядер в накопительном кольце  Метод применим для определения масс ядер, имеющих время жизни > 1 мин. Метод измерения циклотронной частоты ионов в накопительном кольце применяется в комбинации с предварительной сепарацией ионов на лету. 3.4.5. Измерения масс ядер с помощью ловушки Пеннинга (Penning Trap) Новые экспериментальные возможности для прецизионного измерения масс атомных ядер открываются в комбинации методов сепарации ионных пучков ISOL (Isotop Separation On-Line) и ионных ловушек. Для ионов, имеющих небольшую кинетическую энергию и, следовательно, малый радиус вращения в сильном магнитном поле, используется ловушка Пеннинга.      В основе этого метода лежит прецизионное измерение частоты вращения ω =q/M_иона×B иона, захваченного в сильное магнитное поле ловушки Пеннинга. Относительная точность измерения массы для легких ионов может достигать 10^-9. 3.4.6. Измерение энергии реакции Q В двухчастичных реакциях A + a → B + b массы ядер связаны соотношением

M_A + M_a =M_B + M_b + Q.

    Если известны массы трех ядер, то масса четвертого ядра вычисляется по результатам измерения энергии реакции Q.      В основном этот метод применим для легких и средних ядер. С тяжелыми ядрами возникают проблемы, связанные с образованием конечных ядер в возбужденном состоянии. 3.4.7. Измерение энергии β-распада Q_β     Измерение энергии β-распада Q_β является распространенным методом определения масс ядер, расположенных вдали от долины стабильности.      Для β-радиоактивного ядра А, распадающегося в ядро В

A → B+ e^-(e⁺) +  _e(ν_e)

неизвестная масса M_A ядра Aможет быть определена из соотношения

M_A = M_B + m_e + Q_β,

где M_B – масса ядра B, m_e – масса электрона, а Q_β – измеренная энергия β-распада.      Часто β-распад происходит на возбужденное состояние конечного ядра, что необходимо учитывать. 3.4.8. Измерение энергииα-распада Q_α     Для α-радиоактивных ядер масса ядра определяется из данных по энергетическим спектрам α-частиц (энергиям α-частиц - E_α), образующихся в результате α-распада исходного ядра A

A → B+ α.

Массы исходного ядра M_A, конечного ядра M_B и α-частицыM_α, образующейся в результате α-распада, связаны соотношением

M_A = M_B + M_α + Q_α,

где Q_α - энергия α-распада.     Зная массу M_B ядра B, массу M_α и энергию E_α α-частицы, легко вычислить массу исходного ядра M_A. При этом следует учесть, что

Q_α = E_α(M_B + M_α)/M_B.

    Если конечное ядро B образуется в возбужденном состоянии, необходимо учитывать его энергию возбуждения. Точность, с которой по энергии α-распада определяется масс атомного ядра, составляет ~ 50 кэВ. Этот метод широко используется для определения масс сверхтяжелых атомных ядер и их идентификации

4