Элементарные частицы
| Вид материала | Документы |
- Бейлин В. А., Верешков Г. М., Латыпов Н. Н. Вакуум, элементарные частицы и материя, 28.06kb.
- Элементарные частицы в точном значении этого термина первичные, далее неразложимые, 93.35kb.
- История Земли и жизни на ней: конспект лекций, 155.07kb.
- Удк 001(06) Инновационные проекты, студенческие идеи, проекты, предложения, 137.31kb.
- Программы и задания фен по специальность «Биология» 1-й курс, Iсеместр, 730.1kb.
- Лекция 17. Элементарные частицы >17. 1 Виды взаимодействий элементарных частиц, 319.98kb.
- Реферат по Концепциям Современного Естествознания на тему: «Элементарные частицы, 273.55kb.
- Гравитационное колебание «элементарных» вещественных частиц и свойства веществ, 82.89kb.
- «Радиация-друг или враг», 631.83kb.
- «Элементарные частицы», 23.43kb.
Шестая тема
Часть 1.
Элементарные частицы.
Частицы долгое время рисовались физиками как некие крохотные комочки материи. В классической физике частица рассматривалась как ньютоновская материальная точка. Надо сказать, что во многих случаях это представление было оправдано и давало возможность разобраться во многих явлениях микромира. Однако, с накоплением знаний и экспериментальных фактов стало ясно, что классическая теория далеко не безупречна.
В четвертой теме, изучая волновые свойства вещества, мы узнали, что частица в квантовой механике это не просто шарик сверхмалых размеров. Частица не имеет определенных значений координат и импульсов, она обладает волновыми свойствами.
Но частицы - не материальная волна классической механики, такая, например как звуковая, или волна, распространяющаяся по поверхности водоема. Это волна вероятности.
Квадрат амплитуды этой волны определяет вероятность того, что частица будет найдена в конкретном, ожидаемом месте, если провести соответствующий эксперимент.
Из соотношения неопределенности Гейзенберга следует тот факт, что ньютоновское описание движения для частиц становится невозможным. В ньютоновской механике сила является мерой взаимодействия. А поскольку микромир невозможно описать с помощью классической механики, то нужно отказаться от понятия сила, как меры взаимодействия.
Место силы занимает энергия взаимодействия. Энергия принимает на себя всю нагрузку, при описании взаимных влияний, имеющих место в микроявлениях.
С появлением квантовой механики не только изменилось мера взаимодействия, сам механизм взаимодействия предстал в новом свете. Если раньше, объясняя взаимодействие между заряженными частицами, мы говорили: один заряд создает поле, которое действует на другой заряд, то теперь в квантовой механикемеханике механизм взаимодействия обьясняют следующим образом: первым зарядом создаются (испускаются) кванты, т.е. частицы – посредники. Эти частицы-посредники затем поглощаются вторым зарядом. Второй заряд тоже испускает частицы – посредники, поглощаемые первым зарядом. То есть взаимодействующие частицы обмениваются между собой особыми частицами - посредниками, квантами. Этот обмен промежуточными частицами, между взаимодействующими частицами, и является переводом на квантовый язык прежней классической картины механизма взаимодействия. Еще говорят, что эти частицы посредники переносят взаимодействие.
Посредник не только материален – обладает энергией, импульсом и т.д., но может рассматриваться как частица. И то, что взаимодействует и то, что переносит взаимодействие, предстает как обычная материя, в конечном итоге, как материальная частица.
Например: Что касается частиц, обладающих электрическим зарядом. Чем больше заряд частицы, тем больше квантов – переносчиков взаимодействия, посылается источником во все стороны. Значит, можно сказать, что величина заряда является мерой активности, интенсивности испускания (и поглощения), источником промежуточных квантов.
Частицы могут, как рождаться, так и исчезать, уничтожаться (аннигилировать).
В 1927 году появилась работа молодого английского теоретика ДИРАКА. Он предсказал существование двойника электрона, частицы во всем похожей на электрон, но с противоположным знаком заряда. Такая частица действительно была обнаружена в камере Вильсона. Назвали ее позитрон. Как и электрон, эта частица, взятая в отдельности, вполне устойчива – она может существовать как угодно долго. Однако, теория предсказывала, что стоит им встретиться, как электрон и позитрон должны исчезнуть – аннигилировать, порождая фотоны высокой энергии (γ – кванты). Может протекать и обратный процесс – рождение электрон – позитронной пары. Например, при столкновении γ – кванта достаточной энергии с ядром.
Двойник частицы называют античастица. Идея частиц – античастиц оказалась довольно плодотворная. Двойники нашлись у всех частиц. Правда, в исключительных случаях вроде фотона частица и античастица совпадают. Обнаружены экспериментально антипротоны, антинейтрон и т.д. Сейчас мы знаем, что рождение пар и аннигиляция не составляют монополии электронов и позитронов. Реакции с элементарными частицами весьма разнообразны. Сейчас накопился огромный экспериментальный материал о рождении частиц. Все эти данные не оставляют ни малейших сомнений: частицы могут как появляться, так и исчезать. Может показаться, что это противоречит законам сохранения материи. Однако это не так. Когда мы исследуем процесс рождения и уничтожения частиц, мы говорим о переходе материи из одной формы в другую, из одного состояния в другое. Вещество переходит в энергию.
При аннигиляции электрона и позитрона материя переходит из электрон – позитронной формы в электромагнитную гамма кванты – фотоны высокой энергии. При этом сохраняются заряд, энергия, импульс.
Вернемся к взаимодействию частиц. Как уже говорилось, взаимодействие сводится к тому, что частицы обмениваются друг с другом квантами поля или частицами - посредниками, т.е. обмениваются тоже частицами, но только другой природы. Природа испускаемых и поглощаемых частицей квантов определяется тем, какой у этой частицы заряд. Если она заряжена электрически, то ей дозволяется испускать и поглощать фотоны; если у нее есть так называемый ядерный заряд, то π – мезоны (о них речь пойдет позже).
Каждый такой акт поглощения или испускания переводит частицу из одного состояния в другое.
Итак, мы говорили, что взаимодействие это результат того, что одна частица испускает кванты, а другая их поглощает. А может ли сама частица поглотить испущенный ею квант? Конечно, может. Такие процессы приводят к взаимодействию частицы с самой собой. О том же говорят иногда иначе: говорят о взаимодействии частицы с вакуумом.
В теории элементарных частиц вакуум можно понимать не как абсолютное ничто, а как особое состояние всех частиц, когда они имеют минимальную энергию, так что не воспринимаются никакими тончайшими приборами. Но вакуумные частицы чувствуют присутствие реальных частиц, как-то перегруппировываются под их воздействием. Если внешнее воздействие весьма энергично, то частица переводится из невидимого вакуумного состояния в самое обычное – реальное. Внешне это выглядит как рождение частицы. Точно так же уничтожение (аннигиляция) частиц можно рассматривать как переход их в вакуумное состояние.
К основным характеристикам всех элементарных частиц относят массу, заряд, спин, время жизни и квантовые числа.
Ранее мы говорили, что материя в современной физике рассматривается в трех ее проявлениях: вещество, поле, вакуум.
Частицы в вакуумном состоянии мы с вами только что рассмотрели. Теперь немного о частицах вещества и частицах полей…
Частицы вещества называются Ферми частицы.
Все фермионы имеют полуцелое значение некоторой очень важной квантовой характеристики элементарной частицы (не менее важной, чем заряд или масса), называемое спином. Спин – это собственный момент количества движения частицы. (У частиц могут быть значения спина ½ ‚ 0, −½ , 1, -1). А для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип запрета Паули, согласно которому две одинаковые частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии. Или, по другому, две частицы с полуцелым значением спина не могут иметь одинаковые координаты и скорости.
Принцип Паули определяет образование электронных оболочек в атомах, поскольку в одном и том же состоянии на одном подуровне могут находиться только два электрона с противоположными спинами, что определяет закономерности Периодической системы элементов Менделеева.
В свою очередь частицы вещества делятся на две группы: кварки и лептоны. Кварки и лептоны входят в состав других физических объектов и считаются бесструктурными. Эти частицы на данном этапе науки считаются неразложимыми. Кварки – это частицы, которые, кроме электрического заряда, обладают цветным зарядом. Кварки способны к сильным взаимодействиям
( сильные вз –ия мы рассмотрим позднее ). Известно, что протон и нейтрон состоят из 3х кварков. Поведение кварков несколько необычно, ибо они никогда не встречаются в свободном состоянии, а всегда заключены внутри других частиц. Кварк может существовать лишь в качестве элемента целого. А так же, кваркам приписывается дробный электрический заряд.
Лептоны – бесцветны участвуют во всех видах взаимодействия кроме сильных взаимодействий.
Все кванты (частицы) полей являются бозе – частицами (бозонами) – Это частицы с целочисленным значением спина. Принцип Паули для них несправедлив: в одном и том же энергетическом состоянии может находиться любое число частиц. Так что бозе - и
ферми - частицы рассматриваются как частицы, имеющие различную природу. Бозе - частицы являются переносчиками физического взаимодействия.
К бозе- частицам относятся следующие частицы:
Квантом гравитационного поля является гравитон. Однако гравитон не установлен пока экспериментально, равно, как и не построена по сей день теория квантовой гравитации.
Квантом электромагнитного поля является фотон . Масса покоя фотона = 0. Фотон не несет на себе электрического заряда.
Квантом слабого взаимодействия (слабое и сильное взаимодействие рассмотрим позже) являются три бозона: W+, W-, Z0 - бозоны. Верхние индексы указывают знак электрического заряда этих квантов. Кванты слабого взаимодействия имеют значительную массу, что приводит к тому, что слабое взаимодействие проявляется на очень коротких расстояниях.
Кванты сильного взаимодействия являются 8 глюонов. Массы покоя глюонов равны нулю. Сильное взаимодействие осуществляется за счет обмена глюонами между кварками. Это приводит к изменению цвета кварков. Так в ядре постоянно происходят превращения протонов в нейтроны и наоборот.
Физический вакуум рассматривается как коллективное возбуждение бозонов спин которых равен 0. Более понятное определение вакуума было уже дано выше.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ.
- Масса покоя
- Электрический заряд. Все известные частицы имеют электрический заряд «+», «0», «-», кроме фотона и двух мезонов. Кварк имеет дробный электрический заряд.
- Среднее время жизни. По времени жизни все частицы делятся на стабильные и нестабильные.
- Спин
- Квантовые числа Квантовое число выражает состояние элементарных частиц.
Часть 2.
Сильные взаимодействия.
Вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атомы состоят из ядра, вокруг которого вращаются электроны, расположенные на определенных электронных оболочках.
А ядра образованы из так называемых нуклонов – в основном, это протоны и нейтроны. Каждый из протонов и нейтронов, в свою очередь, состоит из еще более мелких частиц, уже знакомых нам кварков (частицы вещества). И эти кварки склеены внутри протона или нейтрона за счет так называемых сильных взаимодействий. Эти взаимодействия осуществляются путем обмена между этими кварками частицами – посредниками, или квантами взаимодействия мы об этом уже говорили в начале главы (см. механизм взаимодействия). Эти частицы – посредники, понятно, являются бозе – частицами. Частицы – посредники, осуществляющие сильное взаимодействие называются глюоны, от английского слова клей. Вот эти глюоны склеивают кварки (из которых состоят протоны и нейтроны) между собой в адроны (в протоны и нейтроны).
Поговорим об этом подробнее. Ядра состоят из частиц которые называют нуклонами. Это тяжелые частицы протон, имеющий положительный заряд и нейтрон нейтральный не имеющий заряда, а по массе почти совпадающий с протоном. Однако, нейтрон – нестабильная частица. Просуществовав 16 минут, он распадается. Как же объяснить тот факт, что десятки видов ядер, состоящий из нейтронов живут больше 16 минут, а значительная их часть – практически вечно. Устойчивость ядра является динамической устойчивостью, или по другому можно сказать, что ядро находится в динамическом равновесии. Динамическая устойчивость (или равновесие) это такая устойчивость, которая не предполагает полного отсутствия движения. Важно, чтобы характер этих движений обеспечивал непрерывное восстановление системы.
По-видимому, находясь внутри ядра, нейтрон является участником таких процессов, на фоне которых нестабильность нейтрона перестает играть роль. Т.е. находясь внутри ядра, нейтрон становится стабильной частицей, благодаря сильному взаимодействию, в котором эта частица участвует. Это все те же процессы взаимодействия частиц. Взаимодействуя внутри ядра, частицы обмениваются квантами промежуточного поля – глюонами - частицами – переносчиками взаимодействия.
И еще, существует важная деталь ядерных взаимодействий: Расстояние, на котором проявляется взаимодействие тем меньше, чем больше масса частиц, переносящих взаимодействие.
L0 = h / mc
Японский ученый ЮКАТАВА, проанализировав факты, заявил, что должна существовать частица, переносящая сильное взаимодействие, которая отличается от всех других. Ее масса примерно в двести раз больше, чем электронная. Юкатава назвал эту частицу мезоном. Она то и обуславливает внутриядерные взаимодействия. Предсказание оправдалось. Экспериментально были обнаружены даже не одна, а три, различно заряженные мезоны (положительный, отрицательный, нейтральный). Мезонная теория ядерных сил объясняет многие стороны явления. Мезоны достаточно тяжелые частицы, ну а внутриядерные силы короткодействующие, т.е. действуют на очень маленьких расстояниях. Можно подойти вплотную к ядру и не почувствовать их, хотя внутри ядра взаимодействия огромны и стабилизируют ядро.
Сконцентрированные внутри ядер силы огромны. Взаимодействия крепчайшим образом цементируют внутриядерные частицы. Внутриядерные взаимодействия называют сильными взаимодействиями.
Итак: сильное взаимодействие это силы, осуществляемые посредством обмена глюонами. Это значит, что, взаимодействуя внутри ядра, частицы обмениваются квантами промежуточного поля – глюонами - частицами – переносчиками взаимодействия.
В природе эти фундаментальные сильные взаимодействия делают частицы стабильными.
β – распад.
Напомним, что нейтрон нестабилен. Однако, мы выяснили, что нестабилен свободный нейтрон. Превращение нейтрона в протон в ядре не высвобождает энергии, а требует ее затраты. По этой
причине число нейтронов, по крайней мере, не в слишком тяжелых ядрах, остается неизменным и, находясь в ядре, нейтрон является стабильной частицей. Но устойчивость нейтронов в ядре может быть обеспечена не всегда. Если доля нейтронов в ядре становиться слишком большой, даже спасительное взаимодействие не может удержать нейтроны от распада. Избыточному нейтрону становится энергетически выгодно превратиться в протон, после чего пропорция частиц в ядре становиться более устойчивой. При этом порождаются и вылетают из ядра электрон и другие частицы. В этом состоит β – распад. Исторически электроны распада получили название β – лучей.
α- распад
При α – распаде из ядра вылетает частица, уносящая положительный заряд равный двум (в электронных единицах), и массу почти вчетверо большую, чем у протона. По всем признакам это просто ядро гелия, т.е. просто пара протона и нейтрона тесно спаянных вместе.
Хорошо известно, что более охотно α -- распадаются относительно тяжелые, состоящие из многих частиц ядра. Дело в том, что внутри ядра действуют не только внутриядерные силы притяжения, но и электрические силы отталкивания между одноименно заряженными протонами. Но мы знаем, что ядерные силы больше, чем электромагнитные силы, а значит, силы притяжения сильнее, чем силы отталкивания. Игра ядерных сил притяжения и электростатических сил отталкивания между нуклонами обусловливает некоторое вполне определенное распределение этих нуклонов в ядре. При этом каждый из нуклонов испытывает притяжение только своих ближайших соседей, т.к. ядерные силы чувствуются только на очень малых расстояниях. Ядерных А у тяжелых ядер достаточно много частиц, которые находятся друг от друга на больших расстояниях, превышающих радиус дейтсвия ядерных сил. У физиков принято говорить об этом как о явлении насыщения ядерных сил. Находясь достаточно далеко друг от друга, протоны начинают отталкиваться, что приводит к α – распаду.
Т.е. в легких ядрах, при малом числе частиц, насыщения в полной мере еще не происходит, и легкие ядра поэтому стабильны.
Слабые взаимодействия.
Слабыми эти взаимодействия называются потому, что в процессах протекающих за счет действия электромагнитных или ядерных сил, слабые взаимодействия особым образом не проявляются. ОДНАКО:
Слабые взаимодействия присущи всем элементарным частицам. Эти взаимодействия стремятся превратить все элементарные частицы в конечном итоге в электроны и нейтрино. Большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.
Одним из примеров слабого взаимодействия является β – распад свободного нейтрона. Нейтрон имеет время жизни 12 мин., затем он распадается: N→ P + ℮- + ν
Где N – нейтрон, Р – протон, ℮- - электрон, ν – антинейтрино.
Поскольку в β – распаде всегда участвуют нейтрино, их описание является весьма важным. Нейтрино представляет собой элементарную частицу, не имеющую ни заряда, на массы покоя. Более того, нейтрино настолько слабо взаимодействует со всем окружающим веществом, что оказывается почти ненаблюдаемым. Если вообразить, что на Землю падает 10 12 нейтрино, то все они, за исключением одного, прошли бы через земной шар без всяких превращений.
Мы уже знаем, что тяжелые ядра неустойчивы, т.е. не живут долго. Они так же подвержены слабому взаимодействию. Мы это рассматривали в разделе, посвященном β – распаду. А
β – распад является частным случаем слабого взаимодействия. Рассмотрим более подробно как и почему происходит распад тяжелых ядер.
■■■ Итак, возьмем атом любого химического элемента. Номер этого химического элемента в периодической системе элементов совпадает с количеством протонов в ядре этого элемента. Чем больше количество протонов, тем больше Кулоновские (электромагнитные) силы стремящиеся разорвать ядро, состоящее из частиц с одноименными зарядами. (Из курса школьной физики Вы должны знать, что одноименно заряженные частицы отталкиваются). Компенсировать силы отталкивания способна только очень значительная нейтронная прослойка. Нейтроны ничего не прибавляют к силам отталкивания (т.к. они не имеют электрического заряда), но они цементируют ядро сильными взаимодействиями (силами мезонного притяжения). (См. сильные взаимодействия)
Казалось бы, разбавив протоны достаточным количеством нейтронов, можно побороть кулоновское отталкивание в любом ядре. Но здесь приходится вспомнить о неустойчивости нейтронов (см. β – распад)….. Как только их становится больше определенного разрешенного соотношения между числом протонов и нейтронов в ядре, начинается β – распад (из - за неустойчивости нейтронов). Именно слабые взаимодействия и обеспечивают этот распад. В противном случае, число нейтронов, а, следовательно, и число протонов в ядре можно было бы неограниченно увеличивать. Ядра химических элементов неограниченно возрастали бы. И Менделеевская таблица значительно пополнилась бы. Мир был бы иным.
Итак: Слабое взаимодействие, которое ответственно за то, что ряд частиц в природе нестабилен, в частности, нейтрон. Если нейтрон находится в свободном состоянии, он распадается в протон, электрон и электронное антинейтрино, но внутри ядер ему энергетически более выгодно оставаться стабильными, не распавшимися, потому что это наиболее выгодная энергетическая конфигурация. Потому что если нейтрон в ядре превратиться в протон, то взаимодействие одинаково заряженных протонов приведет к увеличению энергии ядра.