 |
Классификация элементарных частиц.
|
|
|
|
В настоящее время известно около 400 элементарных частиц. Разработка проблемы систематизации элементарных частиц связана с идеей существования кварков – частиц с дробным элементарным зарядом. Согласно этой гипотезе, все адроны являются комбинациями кварков, кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем.
1. по массе частицы делят на группы:
- не имеют массы покоя (фотоны или кванты электромагнитного поля),
- легкие частицы – лептоны (электрон, позитрон, нейтрино),
- частицы средней массы – мезоны (m-, p-)
- тяжелые частицы – барионы (нуклоны: протоны и нейтроны),
- сверхтяжелые – гипероны (нестабильные частицы).
2. по электрическому заряду (знак):
- нет заряда (нейтрон, нейтрино, фотон),
- положительный заряд (протон),
- отрицательный заряд (электрон),
Величина зарядов частиц кратна заряду электрона = 1,6*10-19 Кл = - 1
3. по спину – собственному моменту импульса частицы:
- бозоны (частицы с целым спином 0, 1, 2), например, частицы со спином 0 – при любом угле поворота выглядят одинаково, со спином 1 (фотон) – тот же вид после оборота на 3600, со спином 2 (гравитон) – через пол-оборота на 1800.
- Фермионы (частицы с полуцелым спином 1/2, 3/2), например, частицы со спином 1/2- оборот на 7200 (протон, нейтрон, электрон),
4. по времени жизни:
- стабильные частицы - не самораспадающиеся, изменяются только при взаимодействии с другими частицами (электрон t>5*1021 лет, протон t>5*1031 лет, фотон, нейтрино),
- квазистабильные – распад за счет слабых и электромагнитных взаимодействий (свободный нейтрон, вне ядра атома, t распада =15 мин, p-мезон t =10 -16 с),
- нестабильные - резонансы - распад за счет сильного взаимодействия (t =10 -22 -10 -24 с) (все другие частицы).
Для большинства элементарных частиц известны античастицы (имеют противоположный знак электрического заряда, а для нейтральных частиц – иной, чем у частицы магнитный момент, т.е. связанное с частицей магнитное поле ориентировано в другом направлении). Частицы способны к взаимопревращениям (например, распад нейтрона). Аннигиляция частиц и античастиц сопровождается выделением фотонов (переход вещества в излучение).
|
|
|
Фундаментальные физические взаимодействия.
В начале 80-х годов в физике элементарных частиц произошла подлинная революция, связанная с созданием единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий Глешоу-Вайнберга-Салама. Дальнейшие события не заставили себя ждать. В 1974 г. была предложена единая теория слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий. В 1976 г. была предложена новая теория, названная супергравитацией, в рамках которой впервые возникла реальная надежда на построение единой теории всех фундаментальных взаимодействий, включая гравитационные. В начале 80-х годов особую популярность приобрели теории типа Калуцы-Клейна, согласно которым размерность нашего пространства больше четырех, но часть измерений "скомпактифицировано", так что мы не можем двигаться в соответствующих направлениях. С конца 1984 г. внимание всех физиков-теоретиков привлечено к теории суперструн, согласно которой основным объектом теории являются не точечные элементарные частицы, а струноподобные образования очень малого размера.
В настоящий момент известны 4 фундаментальные физические взаимодействия (по мере убывания силы):
1) сильное,
2) электромагнитное,
3) слабое,
4) гравитационное.
Сильное взаимодействие
1. самое сильное по величине, больше чем электромагнитное, слабое, гравитационное,
2. проявляется внутри атомных ядер (удерживает положительно заряженные протоны в ядре от электростатического отталкивания), ядра очень устойчивы,
|
|
|
3. испытывают только протоны и нейтроны (в сильном взаимодействии участвуют только тяжелые частицы, ему не подвластны электроны, нейтрино, фотоны),
4. близкодействие - радиус действия примерно 10 -13 см (только в пределах ядра),
5. ответственно за образование атомных ядер и взаимодействия элементарных частиц.
6. источник огромной энергии (сильное взаимодействие вызывает термоядерные реакции в недрах звезд, водородная бомба),
Электромагнитное взаимодействие
1. по величине электрические силы намного превосходят гравитационные, но слабее сильного взаимодействия в 100-1000 раз,
2. электромагнитное поле создают только заряженные частицы (а не все, в отличие от гравитации),
3. одноименные электрические заряды и магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные – притягиваются,
4. электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов (взаимодействие между электронами и ядрами атомов),
5. отвечает почти за все физические и химические процессы, за исключением ядерных (обуславливает силы упругости, трения, оптические явления, агрегатные состояния веществ),
6. дальнодействие (действие ощутимо на больших расстояниях от источника, хотя, подчиняясь закону обратных квадратов, убывает с расстоянием),
7. проявляется на всех уровнях организации материи – мега-, макро- и микромире, существует электромагнитное поле Земли, Солнца, галактик, наблюдается непосредственно (полярные сияния, вспышки молнии).
Слабое взаимодействие
1. проявляется только на уровне субатомных частиц.
2. близкодействие - радиус действия не более 10 -16 см от источника,
3. по величине слабее других взаимодействий (кроме гравитационного),
4. ответственно за b-распад частиц (обнаружено с открытием радиоактивности), установлено, что слабое взаимодействие – это сила, вызывающая распад нейтронов, входящих в состав радиоактивного ядра, на 3 новые частицы: протон, электрон и нейтрино.
Гравитационное взаимодействие – первым стало предметом научного исследования с создания ньютоновской теории гравитации (закон всемирного тяготения), особенности:
1. малая интенсивность (это очень слабое взаимодействие, например, в 1040 раз меньше электромагнитной силы),
|
|
|
2. универсальность (каждая частица во Вселенной сама является источником гравитации, вызывая гравитационное притяжение, и испытывает на себе действие гравитации со стороны других тел), гравитация возрастает с увеличением массы вещества,
3. гравитация проявляется только на уровне мегамира, в микромире – ее роль ничтожна,
4. дальнодействие – гравитационное взаимодействие распространяется в пространстве и играет роль в астрономических масштабах, хотя с расстоянием интенсивность его убывает (удерживает в целостности структуру Вселенной),
5. это только сила притяжения (гравитационное отталкивание неизвестно).
Подчеркнем, что почти все частицы испытывают все четыре взаимодействия. Исключение составляют лептоны, которые не взаимодействуют сильно, и частицы-переносчики, о которых следует сказать особо. Фотон и бозоны переносят электрослабое взаимодействие, глюоны - сильное. Все частицы испытывают действие гравитации.
Кварки
В 1964 г. Геллман и Цвейг выдвинули гипотезу: адроны состоят из элементарных дробно заряженных частиц - кварков.
Ква́рк — фундаментальная частица, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.
| название | англ. | заряд | масса | |
| Первое поколение | ||||
| d | нижний | down | −1/3 | ~ 4 МэВ/c2 |
| u | верхний | up | +2/3 | ~ 6 МэВ/c2 |
| Второе поколение | ||||
| s | странный | strange | −1/3 | 150 МэВ/c2 |
| c | очарованный | charm | +2/3 | 1,5 ГэВ/c2 |
| Третье поколение | ||||
| b | прелестный | beauty (bottom) | −1/3 | 4,5 ГэВ/c2 |
| t | истинный | truth (top) | +2/3 | 171 ГэВ/c2 |
В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2/3, а другой — (−1/3).
|
|
|
Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо заметное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны.
МАКРОМИР.
Клеточный уровень организации живой материи
Макромир - земной мир, привычный для людей, характеризующийся умеренными скоростями и энергиями взаимодействий, мир средних величин. К области макромира относятся те процессы, для которых постоянную Планка (6,62.10-34 Дж. с) можно считать бесконечно малой величиной, которой допустимо пренебречь, а скорость света с = 3.108 м/с – бесконечно большой величиной, позволяющей отвлечься от временной длительности передачи сигналов, считать взаимодействия систем мгновенными, как бы безвременными.
Рис. 1 Уровни организации материи на уровне макромира.
|
|
|
