На головну

Загальні уявлення про систематику елементарних частинок. фундаментальні мікрочастинки

  1. A. Загальні характеристики
  2. III. Загальні обов'язки працівників залізничного транспорту
  3. Newpage {\ sf 41. Подання про "початок" і "кінець" людської історії.
  4. Quot; Класичні "уявлення про імунітет
  5. V2: {{2}} 1.2 Загальні відомості про вагонному комплексі залізничного транспорту
  6. Web-сервіси. Загальні принципи організації. SOAP
  7. Windows - загальні гарячі клавіші

Класифікація елементарних частинок

Під елементарними частинками розуміють такі мікрочастинки, внутрішню структуру яких на сучасному рівні розвитку фізики не можна уявити як об'єднання інших частинок. У всіх спостерігалися дотепер явищах кожна така частинка поводиться як єдине ціле. Елементарні частинки можуть перетворюватися один в одного.

Всі частинки (в тому числі неелементарні і квазічастинки) діляться на бозони (або бозе-частинки) і ферміони (або фермі-частинки). Бозона називаються частинки або квазічастинки, що володіють нульовим або цілим спіном. Бозони підкоряються статистиці Бозе-Ейнштейна (звідси й походить їхня назва). До бозонів відносяться: гіпотетичний гравітон (спін 2), фотон (спін 1), проміжні векторні бозони (спін 1), глюони (спін 1), мезони і мезонні резонанси, а також античастинки всіх перерахованих частинок. Ферміонами називаються частинки або квазічастинки з напівцілим спіном. Для них справедливий принцип Паулі і вони підкоряються статистиці Фермі-Дірака. До ферміонами відносяться лептони, баріони, баріонів резонанси і кварки (спін Ѕ), а також відповідні античастинки.

За часом життя ф розрізняють стабільні, квазістабільні і резонансні частки або резонанси. Резонансними називають частинки, які розпадаються за рахунок сильної взаємодії з часом життя 10ПІі с. Нестабільні частки, час життя яких перевищує 10ПІє с, розпадаються за рахунок слабкої або електромагнітного, але не за рахунок сильної взаємодії. Такі частинки називаються квазістаціонарними. Час 10ПІє с, нікчемне в звичайних масштабах, має вважатися великим, якщо його порівнювати з ядерним часом. Ядерне час - це час, який потрібно світла, щоб пройти діаметр ядра (10П№і см). За час 10 ПІє з може відбутися багато внутрінуклонних процесів, тому частинки, названі тут квазістабільності, в довідниках іменуються просто стабільними. Втім, абсолютно стабільними поки можна вважати лише 12 часток: фотон г, електрон e-, протон p + (?), Електронне нe, мюоннноенм і таоннноенф нейтрино і відповідні їм античастинки - їх розпад на досвіді не зареєстрований.

У мікросвіті кожній частинці відповідає античастинка. У деяких випадках частка повністю тотожна зі своєю античастинкою. В такому випадку частку називають істинно нейтральною. До них відносяться фотон г, р0-мезон, З0-мезон, J? ш-мезон, іпсилон-частинки. Якщо ж частка і античастинка не збігаються, то маси, спини, ізотопічні спини, часи життя у частинки і античастинки однакові, а інші характеристики однакові за абсолютною величиною, але протилежні за знаком. Так, електрон і протон відрізняються від позитрона і антипротона насамперед знаком електричного заряду. Нейтрон і антинейтрон розрізняються знаком магнітного моменту. Лептонні заряди у лептонів і атілептонов, баріонів у баріонів і антібаріонов розрізняються по знаку.

Поняття частки і античастинки відносно. З тим же успіхом вчені могли назвати позитрон - часткою, а електрон - античастинкою. Але електрони переважають в нашому Всесвіті, а позитрони є екзотичними об'єктами, тому і названі так, як названі. Що називати часткою, а що античастинкою - лише питання угоди.

Також існує поділ частинок на фотони, лептони і адрони. Адрони - великий клас елементарних частинок, беруть участь у всіх видах взаємодій. Залежно від значення спина, адрони, в свою чергу, діляться на мезони і баріони. Мезони - частинки з нульовим спіном, баріони - зі спіном 1/2 (у омега-гіперона - 3/2). Лептони - частки, що у слабкому і електромагнітному взаємодіях. Спін лептонів дорівнює 1/2.

В даний час відомі чотири види взаємодій між елементарними частинками: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне (в порядку убування інтенсивності).

Сильна взаємодія. Цей вид взаємодії називають інакше ядерним, так як воно забезпечує зв'язок нуклонів в ядрі. Інтенсивність взаємодії прийнято характеризувати безрозмірною константою взаємодії G2. Ця ж константа характеризує ймовірність процесів, обумовлених даними взаємодією. Найбільша відстань, на якому проявляється сильна взаємодія (радіус дії r) становить приблизно 10 -13 см. Частка, що пролітає зі швидкістю, близькою до с, в безпосередній близькості до іншої частинки, буде взаємодіяти з нею протягом часу t = 10-23 сек . Відповідно до цього говорять, що сильна взаємодія характеризується часом взаємодії ts порядку 10-23 сек.

Електромагнітна взаємодія. Радіус дії електромагнітного взаємодії не обмежений. Константа взаємодії дорівнює 1 \ 137. Отже, інтенсивність електромагнітної взаємодії приблизно в 100 разів менше, ніж сильного. Час, необхідний для того, щоб проявилося взаємодія, обернено пропорційно його інтенсивності (або ймовірності). Тому, для електромагнітної взаємодії t = 10-21 сек.

Слабка взаємодія. Слабке або розпадного взаємодія відповідально за всі види в-розпадів ядер, за багато розпади елементарних частинок, а також за всі процеси взаємодії нейтрино з речовиною. Слабка взаємодія, як і сильне, є Короткодіючі. Константа взаємодії дорівнює 10-14. Час взаємодії t = 10-9.

Гравітаційна взаємодія. Радіус дії не обмежений. Константа взаємодії мала: 10-39. Відповідно, час взаємодії t = 109. Гравітаційна взаємодія є універсальним, йому піддаються всі елементарні частинки. Але в процесах мікросвіту гравітаційна взаємодія відчутною ролі не грає.

15. фундаментальні взаємодії і концепції їх об'єднання в сучасній фізичній дослідницькій програмі - єдиної теорії поля

У свій повсякденному житті людина стикається з безліччю сил, що діють на тіла. Тут і сила вітру чи потоку, що набігає води, тиск повітря, потужний викид вибухають хімічних речовин, м'язова сила людини, вага важких об'єктів, тиск квантів світла, тяжіння і відштовхування електричних зарядів, сейсмічні хвилі, що викликають часом катастрофічні руйнування, і вулканічні виверження, що приводили до загибелі цивілізації, і т. д. Одні сили діють безпосередньо при контакті з тілом, інші, наприклад, гравітація, діють на відстані, через простір. Але, як з'ясувалося в результаті розвитку теоретичного природознавства, незважаючи на таку велику різноманітність, усі діючі в природі сили можна звести всього лише до чотирьох фундаментальних взаємодій: гравітаційна, слабка, електромагнітне і сильне. Кожне з цих взаємодій характеризується відповідним параметром, званим константою зв'язку, чисельне значення якого визначає інтенсивність взаємодії.

Саме ці взаємодії в кінцевому рахунку відповідають за все зміни в світі, саме вони є джерелом всіх перетворень тіл і процесів.

Яким чином фізичні об'єкти здійснюють фундаментальні взаємодії між собою? На якісному рівні відповідь на це питання виглядає наступним чином. Фундаментальні взаємодії переносяться квантами. При цьому в квантової області фундаментальних взаємодій відповідають відповідні елементарні частинки, звані елементарними частинками - переносниками взаємодій. У процесі взаємодії фізичний об'єкт випускає частки - переносники взаємодії, які поглинаються іншим фізичним об'єктом. Це веде до того, що об'єкти як би відчувають один одного, їх енергія, характер руху, стан змінюються, тобто вони відчувають взаємний вплив.

У сучасній фізиці високих енергій все більшого значення набуває ідея об'єднання фундаментальних взаємодій. Згідно з ідеями об'єднання, в Природі існує тільки одне єдине фундаментальне взаємодія, що проявляє себе в конкретних ситуаціях як гравітаційне, або як слабке, або як електромагнітне, або як сильне, або як їх деяка комбінація. Успішною реалізацією ідей об'єднання послужило створення стала вже стандартною об'єднаної теорії електромагнітних і слабких взаємодій. Йде робота з розвитку єдиної теорії електромагнітних, слабких і сильних взаємодій, що отримала назву теорії великого об'єднання. Робляться спроби знайти принцип об'єднання всіх чотирьох фундаментальних взаємодій. У цьому розділі я послідовно розгляну основні прояви фундаментальних взаємодій.

Єдина теорія поля, Фізична теорія, завданням якої є єдине опис всіх елементарних частинок (або хоча б групи частинок), виведення властивостей цих частинок, законів їх руху, їх взаємних перетворень з якихось універсальних законів, що описують єдину "первоматерию", різні стани якої і відповідають різним часткам .

Першим прикладом Е. т. П. Була спроба Х. А. Лоренца пояснити всю інерцію електрона (т. Е. Вивести значення його маси) на основі класичної електродинаміки. Сам електрон виступав при цьому в ролі "згустку" електромагнітного поля, так що керують його рухом закони в кінцевому підсумку повинні були зводитися до законів, що описує це поле. Послідовне проведення цієї програми виявилося неможливим, але сама спроба "примирити" дискретне (електрон розглядався як матеріальна точка) і безперервне (електромагнітне поле), спроба єдиного опису різних фундаментальних видів матерії поновлювалася і в більш пізній час.

Розвиток квантових уявлень показало, що завдання полягає не в тому, щоб "примирити" частинки і поля, дискретне і безперервне. Будь-які "частки" і "поля" мають подвійну природу, поєднуючи в собі як властивості корпускул, так і властивості хвиль (див. Корпускулярно-хвильовий дуалізм). Однак при цьому кожен з видів "образу-частинок" володіє своїми індивідуальними властивостями, своїми специфічними законами руху. У електрона ці закони інші, ніж, наприклад, у нейтрино або фотона. Відкриття кожної нової "елементарної частки" розглядається в сучасній теорії як виявлення нового типу матерії. У міру того як відкривалися нові частки (а оскільки всі частинки мають і хвильові властивості, можна сказати: нові типи полів), все настійніше ставала потреба зрозуміти, чому їх так багато (зараз вже більше двохсот), пояснити їх властивості та розшифрувати, нарешті, що означає саме слово "елементарна" стосовно до частинки. Знову - вже на більш високому рівні - з'явилися спроби єдиного опису матерії.

Велику стимулюючу роль зіграла в цьому відношенні загальна теорія відносності А. Ейнштейна (див. Тяжіння). У цій теорії і закони тяжіння, і рівняння руху притягають мас виходять як наслідок загальних законів, що визначають гравітаційне поле. Загальна теорія відносності пов'язує гравітацію з геометричними властивостями простору-часу. У деяких роботах робилися спроби більш широкої "геометризації" теорії, т. Е. Вводилися такі гіпотези, що стосуються геометрії, які дозволили б включити в розгляд і електромагнітні поля, а також врахувати квантові ефекти. Такий "геометричний" підхід дуже привабливий, але поки в цьому напрямі істотно просунутися не вдалося.

Абсолютно новий підхід - його можна назвати модельним - веде свій початок від робіт Л. де Бройля по нейтринної теорії світла. У цих роботах передбачається, що фотони - кванти світла - представляють собою пари "злилися" нейтрино (звідси назва - "теорія злиття"). Нейтрино не має електричного заряду, його маса спокою дорівнює нулю і спін дорівнює 1/2 (в одиницях постійної Планка). Зливаючись, два нейтрино можуть утворити нейтральну частку з нульовою масою і спіном 1, т. Е. З характеристиками фотона.

Нейтрино теорія світла, хоча і не вільна від недоліків, була першою в ряду моделей складових частинок. Серед них - модель Е. Фермі і Ян Чженьніна, яка розглядає p-мезон як зв'язаний стан нуклона і антінуклонов, модель СёітіСаката (Японія), М. А. Маркова та Л. Б. Окуня, в якій всі сильно взаємодіючі частинки будувалися з трьох фундаментальних частинок, і ін.

Особливого поширення в останні роки отримала модель кварків, запропонована вперше (1964) М. Гелл-Маном і Г. Цвейг. Відповідно до цієї моделі, все сильно взаємодіючі частинки (мезони, Ядерна фізика, резонансні частки) складаються з особливих "субчастиц" з дробовими електричними зарядами - з кварків трьох типів, а також відповідних античастинок (антикварків). Ця модель, виявилася дуже плідною для систематики елементарних частинок (див. Елементарні частинки) і який пояснив ряд тонких ефектів, пов'язаних з масами частинок, їх магнітними моментами, і деякі ін. Експериментальні факти, різко знижує число претендентів на звання "істинно елементарних" частинок і , отже, певною мірою вирішує завдання єдиного опису матерії. Однак теорія ще далека від необхідної ясності, так само як і експерименту належить відповісти на ряд кардинальних питань. Досить сказати, що кварки у вільному стані ще не виявлені і не виключено, що це неможливо в принципі. В цьому випадку кваркова модель втратить свій сенс як складова модель.

Ще до створення кваркової моделі В. Гейзенберг (1957) почав розвивати теорію, в якій за основу береться універсальне єдине поле, що описується величинами, які в математиці називаються Спінор; тому теорія отримала назву єдиної нелінійної спінорного теорії. На відміну від описаної вище теорії злиття це фундаментальне, що описує "матерію в цілому" поле не зв'язується безпосередньо з жодною реальною часткою. Друга істотна відмінність основного рівняння теорії Гейзенберга - нелінійність, що відображає взаємодії фундаментального поля з самим собою. Математично це виражається в появі в рівнянні руху членів, пропорційних не самою, яка описує поле величиною, а відмінною від одиниці її ступеня. Як і в загальній теорії відносності, завдяки цій нелінійності рівняння руху реальних частинок повинні виходити з основного рівняння. З цього ж рівняння повинні витікати значення мас, електричних зарядів, спинив і ін. Характеристик частинок.

Математичне дослідження рівняння Гейзенберга являє собою важке завдання, яку поки вдалося вирішити лише в досить грубому наближенні. Більш того, до цих пір ще не доказанасамосогласованность процедури усунення нескінченностей в теорії Гейзенберга. Разом з тим кількісні результати, отримані в цій теорії, здаються обнадійливими і загальна програма нелінійної Е. т. П. Продовжує вважатися перспективною.

Таким чином, Е. т. П. Ще не побудована. Однак нерозривний зв'язок між усіма частинками, універсальна взаємна превращаемость частинок, все більш виразно проявляються риси єдності матерії змушують шукати шляхи переходу від сучасної квантової теорії поля, обмежується констатацією різноманіття форм матерії, до єдиної теорії, яка покликана це різноманіття пояснити.

.......................................................................................................................................................................................................



Процеси в мікросвіті | Статистичні закони макросостоянія. Броунівський рух. Ентропія як міра безладу.

Панорама і структура сучасного природознавства | Трансдисциплінарності стратегії природничо-наукового мислення | Ключові поняття наукового методу | Історія природознавства | Феноменологія сучасного загального природознавства | Фізика в контексті інтелектуальної культури | Структурні рівні організації матерії в рамках сучасної фізики | СУЧАСНІ ПОГЛЯДИ НА структурної організації матерії | Корпускулярно-хвильова концепція матерії | Еволюція принципів відносності і доповнюють їх постулатів |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати