• Главная
• Юридпсихология
• Этика эстетика
• Электротехника
• Эктеория
• Физика
• Управление персоналом
• Уголовный процесс
• Уголовное право
• Схемотехника
• Стратегический менеджмент
• САПР
• Ресторанно-гостиничный бизнес бытовое обслуживан
• Реклама и PR
• Режущий инструмент
• Неопределено
• Метрология
• Матметоды в эк-ке
• Исторические личности
• Искусство и культура
• Информатика
• Иностранные языки
• Гражданское процессуальное право
• Гражданское право
• Государственное регулирование и налогообложение
• Сонник
• Карта сайта

Элементарные частицы
Элементарные частицы     Элементарными называют частицы, у которых на данный момент не обнаружено внутренней структуры. Еще в прошлом веке элементар­ными частицами считались атомы. Их внут­ренняя структура — ядра и электроны — была обнаружена в начале XX в. в опытах Э. Резерфорда. Размер атомов — около 10 -8 см,  ядер — в десятки тысяч раз меньше, а размер электронов совсем мал. Он меньше чем 10 -16 см, как это следует из современных тео­рий и экспериментов.    Таким образом, сейчас электрон — элемен­тарная частица. Что касается ядер, то их внутренняя структура обнаружилась вскоре после их открытия. Они состоят из нукло­нов — протонов и нейтронов. Ядра довольно плотные: среднее расстояние между нуклонами всего в несколько раз больше их собственного размера. Для того чтобы выяснить, из чего состоят нуклоны, понадобилось около полуве­ка, правда, при этом заодно появились и были разрешены и другие загадки природы.    Нуклоны состоят из трех кварков, которые элементарны с той же точностью, что и элек­трон, т. е. их радиус меньше 10-16 см. Радиус нуклонов — размер области, занимаемой квар­ками, — около 10-13см. Нуклоны принадлежат к большому семейству частиц — барионов, составленных из трех различных (или одина­ковых) кварков. Кварки могут по-разному связываться в тройки, и это определяет раз­личия в свойствах бариона, например, он может иметь различный спин.    Кроме того, кварки могут соединяться в пары - мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Спин мезонов принимает целые значения, в то время как для барионов он при­нимает полуцелые значения. Вместе барионы и мезоны называются адронами.     В свободном виде кварки не найдены, и сог­ласно принятым в настоящее время представ­лениям они могут существовать только в виде адронов. До открытия кварков некоторое время адроны считались элементарными частицами (и такое их название еще довольно часто встре­чается в литературе). Первым экспериментальным указанием на составную структуру адронов были опыты по рассеянию электронов на протонах на линейном ускорителе в Станфорде (США), которые мож­но было объяснить, лишь предположив наличие внутри протона каких-то точечных объектов.     Вскоре стало ясно, что это — кварки, существо­вание которых предполагалось еще ранее тео­ретиками. Здесь представлена таблица современных элементарных частиц. Кроме шести видов квар­ков (в опытах пока проявляются только пять, но теоретики предполагают, что есть и шестой) в этой таблице приведены лептоны — частицы, к семье которых принадлежит и электрон. Еще в этой семье обнаружены мюон и (совсем не­давно) t-лептон. У каждого из них есть свое нейтрино, так что лептоны ес­тественным образом разбиваются на три пары е, nе; m, nm;t, nt. Каждая из этих пар объединяется с соответ­ствующей парой кварков в четверку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, как это видно из таблицы. Отличаются лишь массы. Второе поколение тяжелее первого, а третье по­коление тяжелее второго. В природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные создаются искусственно на ускорителях заряженных час­тиц или при взаимодействии космических лучей в атмосфере. Кроме имеющих спин 1/2 кварков и лептонов, вместе называемых частицами ве­щества, в таблице приведены частицы со спином 1. Это кванты полей, создаваемых час­тицами вещества. Из них наиболее известная частица — фотон, квант электромагнитного поля. Так называемые промежуточные бозоны W+ и W- , обладающие очень большими массами, были недавно обнаружены в экспериментах на встречных р-пучках при энергиях в несколь­ко сотен ГэВ. Это переносчики слабых взаимо­действий между кварками и лептонами. И на­конец, глюоны — переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и сами квар­ки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но  проявляются   на   промежуточных   стадиях реакций   рождения   и   уничтожения   адронов. Недавно были зарегистрированы струи адронов, порожденные глюонами. Поскольку все пред­сказания теории кварков и глюонов —  кван­товой хромодинамики — сходятся с опытом, почти нет сомнений в существовании глюонов. Частица со спином 2 — это гравитон. Его существование вытекает из теории тяготе­ния Эйнштейна, принципов квантовой механики и теории относительности. Обнаружить грави­тон экспериментально будет чрезвычайно трудно, поскольку он очень слабо взаимодействует с веществом. Наконец, в таблице со знаком вопроса приве­дены частицы со спином 0 (Н-мезоны) и 3/2  (гравитино); они не обнаружены на опы­те, но их существование предполагается во многих современных теоретических моделях. Элементарные частицы
спин	0?	1/2				1				3/2	2?
название	Частицы  Хиггса	Частицы вещества				Кванты полей
		кварки		лептоны		фотон	векторные бозоны		глюон	гравитино	гравитон
символ	H	u	d	ne	e	g	Z	W	g
(масса)	(?)			(?)	(0,5)	(0)	(~95Гэв)	(~80Гэв)		(?)	(?)
символ		с	s	nm	m
(масса)				(0?)	(106)
символ		t	b	nt	t
(масса)				(0?)	(1784)
Барионный  заряд	0	1/3	1/3	0	0	0	0	0	0	0	0
Электрический заряд	0, ±1	2/3	1/3	0	-1	0	0	±1	0	0	0
цвет	-	3	3	-	-	-	-	-	8	-	-

Адроны — общее название для частиц, участ­вующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы — мезоны и барионы.

  Барионы (от   греческого   слова,   означающего «тяжелый») — это адроны с полуце­лым спином . Самые известные барионы — протон и нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда-то странно­стью. Единицей странности обладают барион лямбда (L°)  и семейство барионов сигма (S-, S+ и S°). Индексы +, - ,0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обла­дают барионы кси (X- и X°). Барион W- имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10-10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микро­мира это не так. Такая частица, даже двига­ясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой скорости, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оста­вить свой след в детекторе элементарных час­тиц. Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного за­ряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех извест­ных процессах разности между числом барио­нов и антибарионов.

  Протон — стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода. Трудно ска­зать, какое событие следует считать откры­тием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и откры­тие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906—1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона, подтвердив открытие искусственного превра­щения элементов. В этих опытах a-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.

    Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атом­ный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10-24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современ­ной точки зрения протон не является истин­но элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом  -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами — глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимо­действия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электро­нов на протонах, действительно свидетельству­ют о наличии внутри протонов точечных рас­сеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ~ 10-13 см, хотя, разумеется, его нель­зя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой грани­цей, состоящее из рождающихся и аннигили­рующих виртуальных частиц.

    Протон, как и все адроны, участвует в каж­дом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные  взаимодействия  связывают  протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимо­действия — протоны   и   электроны   в   атомах. Примерами слабых взаимодействий могут слу­жить   бета-распад   нейтрона   или   внутриядерное   превращение   протона   в нейтрон с испусканием позитрона и ней­трино (для свободного про­тона такой процесс невозможен в силу закона сохранения  и  превращения энергии, так  как нейтрон   имеет   несколько   большую   массу). Спин  протона  равен   1/2.  Адроны  с  полу­целым спином называются барионами ( от греческого  слова,  означающего  «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, раз­личные гипероны (L, S, X, W) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число —  барионный  заряд, равный 1 для барионов, - 1 — для    антибарионов    и    О — для   всех   прочих частиц.  Барионный заряд не является источником барионного поля , он введен лишь для  описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях   с   частицами.   Эти   закономерности выражаются   в   виде   закона   сохране­ния    барионного    заряда:    разность между   числом   барионов   и   антибарионов   в системе сохраняется в любых реакциях. Сох­ранение барионного заряда делает невозмож­ным   распад  протона,   ибо  он  легчайший   из барионов. Этот закон носит эмпирический ха­рактер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда  характеризуется  стабиль­ностью   протона,   экспериментальная   оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.

В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барион­ного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной ( ~ 2·1010 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образова­ние химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физи­ки. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 1030  протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всего лишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.

    Нейтрон — нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона qn равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в силь­ных электрических полях, показавшими, что |qn| <10-20e (здесь е — элементарный элек­трический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2*10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относит­ся к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; анти­нейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейт­рон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.

Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом  - 1/3, связанных между собой глюонным по­лем.

    Нейтроны устойчивы лишь в составе стабиль­ных атомных ядер. Свободный нейтрон — нестабильная частица, распадающаяся на протон (р), электрон (е-) и электронное анти­нейтрино. Время жизни нейтрона составляет (917 ±14) с, т. е. около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше вследствие сильного поглощения их ядрами. Поэтому они возникают в природе или получаются в лаборатории только в резуль­тате ядерных реакций.

Страницы: 1, 2