Элементарные частицы

Содержание:

31 октября 2023
17 минут
1465

Преподаватель физики

Элементарные частицы были впервые открыты и изучены в ходе исследования ядерных процессов. В связи с этим в течение долгого времени физика элементарных частиц являлась одним из разделов ядерной физики. И только с середины $20$ -го века физика элементарных частиц выделилась в отдельное, самостоятельное направление. Оба эти раздела физики до сих пор объединяются общностью изучаемых явлений и применяемых методов исследования. Но есть у этих направлений и отличия. Основной задачей физики элементарных частиц является исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Из истории вопроса

Первым из тех, кто задумался о существовании мельчайших частиц, из которых состоят все вещества и окружающие предметы, был древнегреческий философ Демокрит. Он был первым, кто высказал предположение о существовании фундаментальных частиц. Согласно письменным источникам, случилось это в $4$ веке до нашей эры. Демокрит дал название атому и определил, что это неделимая частица материи.

В течение ряда веков понятие об атомах носило скорее философский, чем физический смысл. И только начиная с $19$ века представление об атомах стали использовать сначала для объяснения химических, а затем и физических процессов.

В $30$ -е годы $19$ столетия Макс Фарадей ввел в обиход понятие иона в рамках теории электролиза, а также выполнил изменение элементарного заряда. К концу столетия Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, Джозеф Томсон установил существование электронов, Эрнест Резерфорд - $α$ -частиц. В первые пять лет $20$ века Альберт Эйнштейн разработал учение о фотонах (квантах электромагнитного поля). Все эти открытия были бы невозможны без понятия об атомах.

В течение первой трети $20$ века было установлено, что атом имеет сложное строение, которое предполагает наличие ядра и расположенных вокруг него электронов. Эрнест Резерфорд предложил орбитальную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам. Он же во время опытов по расщеплению ядер атомов установил существование протонов.

Открытие нейтронов принадлежит известному английскому физику Джеймсу Чедвику. Он установил, что ядра атомов имеют сложное строение. Так возникла протон-нейтронная теория строения ядер, разработкой которой занимались немецкий исследователь Вейнер Гейзенберг и наш соотечественник, физик-теоретик, лауреат Сталинской премии Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

Существование позитрона было предсказано англичанином Полем Дираком. Эта положительно заряженная частица, имеющая такую же массу и такой же (по модулю) заряд, что и электрон, была открыта американским физиком-экспериментатором Карлом Дейвидом Андерсеном в космических лучах.

В тридцатых годах $20$ -го века были открыты взаимные превращения нейтронов и протонов. Было установлено, что элементарные частицы не являются неизменными. В это же время были открыты мюоны– частицы, масса которых составляет $207$ электронных масс, а затем и пионы – частицы, которые обеспечивают взаимодействие между нуклонами в ядре атома.

До середины $20$ века было открыто большое количество элементарных частиц. Это стало возможно благодаря широкому исследованию космических лучей, внедрению ускорительной техники, развитию ядерной физики.

Виды частиц

В наше время известно порядка $400$ элементарных или субъядерных частиц. Большинство из них нестабильно: одни частицы могут самопроизвольно превращаться в другие с течением времени. Исключением из этого являются нейтрино, фотон, протон и электрон.

Время жизни нестабильных частиц значительно разнится. Дольше всех «живет» нейтрон: $15$ минут. Существование $μ$ -мезона ограничено отрезком времени в $2, 2 \cdot 10^{- 6}$ секунды, нейтрального $π$ -мезона – $0, 87 \cdot 10^{- 16} с$ . Среднее время существования гиперонов, массивных частиц, составляет всего $10^{- 10} с$ .

Определение 1

По продолжительности существования выделяют следующие группы частиц:

относительно стабильные, время жизни которых превосходит $10^{- 17} с;$
короткоживущие, время жизни которых порядка $10^{- 22} - 10^{- 23} с$ .

Основые свойства элементарных частиц

Одним из наиболее важных свойств элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Частицы способны поглощаться (возникать) и испускаться (исчезать). Это относится как к стабильным, так и к нестабильным частицам. Разница лишь в том, что стабильные частицы могут превращаться не самопроизвольно, а в результате взаимодействия с другими частицами.

Определение 2

В процессе аннигиляции (исчезновения) позитрона и электрона появляется фотон большой энергии.

При столкновении фотона, несущего достаточный заряд энергии, с ядром атома появляется электрон-позитронная пара.

Частицы и античастицы

Электрон является двойником позитрона. Антипротон отличается от протона наличием у него отрицательного электрического заряда. Нейтрон не имеет заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента и барионного заряда.

Наличие античастиц установлено для всех элементарных частиц. Встреча частицы и античастицы сопровождается аннигиляцией, в результате которой обе частицы превращаются в кванты излучения или частицы других видов.

Ученые предполагают существование антивещества. Теоретически, это возможно, если в ядре будут антинуклоны, а в оболочке атома позитроны. Взаимодействие вещества и антивещества может привести к выделению огромного количества энергии, которое будет превосходить энергию ядерных и термоядерных реакций.

Группы элементарных частиц

Информацию об основных элементарных частицах мы собрали в таблицу. Размещение частиц соответствует существующей ныне системе классификации элементарных частиц. Каждая из частиц имеет ряд характеристик: время жизни, масса, выраженная в электронных массах, электрический заряд в единицах элементарного заряда и спин, который также носит название момента импульса, выраженный в единицах постоянной Планка $ħ = \frac{h}{2 π}$ .

Группа		Название частицы	Символ		Масса (в электронных массах)	Электрический заряд	Спин	Время жизни (с)
Группа		Название частицы	Частица	Античастица	Масса (в электронных массах)	Электрический заряд	Спин	Время жизни (с)
Фотоны		Фотон	$γ$		$0$	$0$	$1$	Стабилен
Лептоны		Нейтрино электронное	$ν_{e}$	$\tilde{ν_{e}}$	$0$	$0$	$\frac{1}{2}$	Стабильно
		Нейтрино мюонное	$ν_{μ}$	$\tilde{ν_{μ}}$	$0$	$0$	$\frac{1}{2}$	Стабильно
		Электрон	$e^{-}$	$e^{+}$	$1$	$- 1 1$	$\frac{1}{2}$	Стабилен
		Мю-мезон	$μ^{-}$	$μ^{+}$	$206, 8$	$- 1 1$	$\frac{1}{2}$	$2, 2 \cdot 10^{- 6}$
Адроны	Мезоны	Пи-мезоны	$π^{0}$		$264, 1$	$0$	$0$	$0, 87 \cdot 10^{- 16}$
		Пи-мезоны	$π^{+}$	$π^{-}$	$273, 1$	$1 - 1$	$0$	$2, 6 \cdot 10^{- 8}$
		К-мезоны	$K^{+}$	$K^{-}$	$966, 4$	$1 - 1$	$0$	$1, 24 \cdot 10^{- 8}$
		К-мезоны	$K^{0}$	$\tilde{K^{0}}$	$974, 1$	$0$	$0$	$\approx 10^{- 10} - 10^{- 8}$
		Эта-нуль-мезон	$η^{0}$		$1074$	$0$	$0$	$\approx 10^{- 18}$
	Барионы	Протон	$p$	$\tilde{p}$	$1836, 1$	$1 - 1$	$\frac{1}{2}$	Стабилен
		Нейтрон	$n$	$\tilde{n}$	$1838, 6$	$0$	$\frac{1}{2}$	$898$
		Лямбда-гиперон	$Λ^{0}$	$\tilde{Λ^{0}}$	$2183, 1$	$0$	$\frac{1}{2}$	$2, 63 \cdot 10^{- 10}$
		Сигма-гипероны	$Σ^{+}$	$\tilde{Σ^{+}}$	$2327, 6$	$1 - 1$	$\frac{1}{2}$	$0, 8 \cdot 10^{- 10}$
			$Σ^{0}$	$\tilde{Σ^{0}}$	$2333, 6$	$0$	$\frac{1}{2}$	$7, 4 \cdot 10^{- 20}$
			$Σ^{-}$	$\tilde{Σ^{-}}$	$2343, 1$	$- 1 1$	$\frac{1}{2}$	$1, 48 \cdot 10^{- 10}$
		Кси-гипероны	$Ξ^{0}$	$\tilde{Ξ^{0}}$	$2572, 8$	$0$	$\frac{1}{2}$	$2, 9 \cdot 10^{- 10}$
		Кси-гипероны	$Ξ^{-}$	$\tilde{Ξ^{-}}$	$2585, 6$	$- 1 1$	$\frac{1}{2}$	$1, 64 \cdot 10^{- 10}$
		Омега-минус-гиперон	$Ω^{-}$	$\tilde{Ω^{-}}$	$3273$	$- 1 1$	$\frac{1}{2}$	$0, 82 \cdot 10^{- 11}$

Определение 3

Выделяют три основные группы элементарных частиц:

фотоны;
лептоны;
андроны.

Определение 4

Фотоны представлены одной частицей. Это фотон – носитель электромагнитного взаимодействия.

Определение 5

К лептонам относятся легкие частицы:

два сорта нейтрино (электронное и мюонное);
электрон;
$μ$ -мезон.

Объединяет частицы из группы лептонов спин $\frac{1}{2}$ . В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.

Определение 6

Андроны делятся на две основные подгруппы:

мезоны;
барионы.

Определение 7

К подгруппе мезонов относятся:

нейтральные, а также положительно и отрицательно заряженные $π$ -мезоны, чья масса составляет порядка $250$ электронных масс;
четыре $K$ -мезона;
$η^{0}$ -мезон.

Спин всех мезонов равен нулю.

Подгруппа барионов по сравнению с мезонами является более обширной и состоит из более тяжелых элементарных частиц. Нуклоны являются самыми легкими из барионов, затем идут гипероны. Масса омега-минус-гиперона составляет $3273$ электронных массы. Спин барионов составляет $\frac{1}{2}$ .

Кварковая гипотеза

Количество уже открытых и вновь открываемых частиц позволяет предположить, что существуют какие-то более мелкие фундаментальные частицы. В середине $20$ века американский физик Мюррей Гелл-Ман выдвинул гипотезу существования кварков, фундаментальных частиц, из которых построены тяжелые элементарные частицы.

Согласно теории Гелл-Мана существует три кварка и три антикварка. Они могут объединяться, образуя различные сочетания.

Определение 8

В состав бариона входит три кварка. Для того, чтобы получить антибарион, должны объединиться три антикварка. Мезон образует пара кварк и антикварк.

Эта теория позволила объяснить существование уже открытых частиц и существование других, еще неизвестных науке. При этом, ряд свойств предсказанных частиц оказался неожиданным для исследователей.

Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными $\frac{2}{3}$ и $\frac{1}{3}$ элементарного заряда.

Поиски кварков в космических лучах и на современных ускорителях высоких энергий оказались безуспешными. Считается, что кварки обладают очень большой массой. В связи с этим, получить кварки при тех энергиях, которые можно получить в современных ускорителях, не получается. Тем не менее, установлено, что кварки существуют внутри тяжелых элементарных частиц, таких как андроны.

Фундаментальные взаимодействия в природе

Определение 9

Фундаментальные взаимодействия – это процессы, сильно различающиеся по уровню энергии и времени протекания, в которые вступают элементарные частицы. Фундаментальными их называют потому, что их невозможно свести в другим, более простым взаимодействиям.

Определение 10

Выделяют $4$ вида фундаментальных взаимодействий:

сильное;
электромагнитное;
слабое;
гравитационное.

Сильное взаимодействие

Это вид фундаментального взаимодействия также носит название ядерного, так как оно обуславливает прочную связь между нуклонами в ядре атома. Из числа элементарных частиц в сильном взаимодействии принимают участие андроны (мезоны и барионы).

Сильное взаимодействие считается короткодействующим, так как проявляется на расстоянии порядка $10^{- 15} м$ и менее.

Электромагнитное взаимодействие

Благодаря этому виду взаимодействия возможно существование молекул и атомов. Оно определяет большинство свойств веществ, находящихся в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Оно обуславливает протекание процессов поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества, а также целый ряд других физических и химических процессов. Кулоновское отталкивание, существующее между протонами, объясняет неустойчивость ядер атомов с большими массовыми числами.

В электромагнитном взаимодействии могут участвовать любые частицы, которые обладают электрическим зарядом, а также кванты электромагнитного поля фотоны.

Слабое взаимодействие

Этот вид взаимодействия определяет ход наиболее медленных процессов, которые протекают в микромире, в том числе с участием нейтрино или антинейтрино.

В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые элементарные частицы.

Пример 1

Примером слабого взаимодействия может служить $β$ -распад нейтрона, который протекает с участием нейтрино или антинейтрино.

$\frac{1}{0^{n}} \to \frac{1}{1} ρ \Rightarrow \frac{0}{- 1} e + \frac{0}{0} \tilde{v_{0}}$

Также сюда можно отнести процессы распада частиц с большим временем жизни ( $τ \geq 10 - 10 с$ ), которые протекают без участия нейтрино.

Гравитационное взаимодействие

В связи с тем, что масса элементарных частиц мала, силами гравитационного воздействия между ними можно пренебречь. Гравитация имеет значение при взаимодействии космических объектов, чья масса огромна.

Теория обменного взаимодействия

В первой трети прошлого столетия у исследователей появилась гипотеза о том, что все взаимодействия в мире элементарных частиц осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Выдвинули эту гипотезу советские ученые И.Е. Тамм и Д.Д. Иваненко. Они провели параллели между взаимодействиями, которые возникают в результате обмена частицами, и обменом валентными электронами, которые при образовании ковалентной химической связи объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Определение 11

Обменное взаимодействие – это взаимодействие, которое осуществляется путем обмена частицами.

Определение 12

Электромагнитное взаимодействие, которое наблюдается между заряженными частицами, сопровождается обменом фотонами, квантами электромагнитного поля.

Подтверждением верности теории обменного взаимодействия стали теоретические выкладки японского физика Х. Юкавы, который доказал, что сильное взаимодействие между нуклонами можно объяснить обменом гипотетическими частицами, которые получили название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц. Она оказалась приблизительно равно $300$ электронным массам.

Спустя несколько лет частицы с такой массой действительно были обнаружены. Они были названы π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: $π^{+}, π^{-}$ и $π_{0}$ .

Теория электрослабого взаимодействия рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как две разные характеристики одного поля. В таком поле помимо квантов взаимодействие обеспечивают и векторные бозоны.

Теория Великого объединения

После того, как удалось объединить в одну модель слабое и электромагнитное взаимодействия, у исследователей появилась уверенность в том, что связаны между собой все виды взаимодействий. Единственное, чего не хватает для полноты картины, это физического подтверждения таких взаимодействий. До получения доказательств теория остается лишь привлекательной научной гипотезой.

Для того, чтобы объединить слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия, физики-теоретики предположили существование гипотетической частицы под названием гравитон. Однако до настоящего времени существование такой частицы не было подтверждено в ходе экспериментов.

Предполагается, что получить подтверждение теории Великого объединения в современных ускорителях невозможно. А все потому, что единое поле, которое объединяет все виды взаимодействий, существует только при очень больших энергиях частиц. Такая энергия частицы могла наблюдаться только на самых ранних этапах существования вселенной, сразу после Большого взрыва.

Предполагается, что Большой взрыв произошел $18$ миллиардов лет назад. В теории, сразу после Большого взрыва температура могла достигать $1032 К$ , а энергия частиц $E = k T$ достигать значений $1019$ ГэВ. В таких условиях материя могла существовать в форме кварков и нейтрино, а все виды взаимодействий были объединены в одно силовое поле.

По мере расширения вселенной энергия частиц уменьшается. Из единого поля при энергиях частиц $\leq 1019 Г э В$ выделилось гравитационное взаимодействие. При энергиях порядка $1014 Г э В$ разделились сильное и электрослабое взаимодействия. При энергиях порядка $103 Г э В$ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Параллельно этому началось формирование более сложных форм материи: нуклонов, ядер атомов, атомов, ионов.

Основываясь на законах физики, описывающих взаимодействие элементарных частиц, создана модель эволюции вселенной, на которую опирается вся современная космология.

Курсовая работа по физике

от 5 дней/ от 2160 р.

Реферат по физике

от 1 дня/ от 840 р.

Решение задач по физике

от 1 дня/ от 150 р.