Теория элементарных частиц

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

на тему:

«Теория элементарных частиц»

Введение

Теория элементарных частиц - довольно таки большой раздел физики для изучения которого необходима достаточно большая база знаний. Цель моей работы дать представление об элементарных частицах, рассказать, что это такое, какое место они занимают, и как они ведут себя.

Элементарные частицы (в буквальном значении этого термина) - это первичные, неделимые частицы, из которых по предположению состоит вся материя. Понятие «элементарные частицы» отражает отчаяния ученых найти «первичные сущности», определяющие все известные свойства материального мира. На рубеже XIX и XX вв. были обнаружены мельчайшие носители свойств вещества - молекулы и атомы. Это позволило впервые описать все известные вещества как комбинацию большого числа составляющих частиц - атомов. В дальнейшем были выявлены составные элементы атомов - электроны и ядра. Установлена сложная система самих ядер. В тот период исследований известными представителями элементарных частиц были протон, нейтрон, электрон и фотон - частица электромагнитного поля. Эти четыре частицы стали считаться элементарными, т.к. они служили основами строения вещества и света.

В современной физике термин «элементарные частицы» употребляется не в своем обычном значении чего-то первичного, неразложимого на более простое, а для наименования большой группы мельчайших субъядерных частиц. В эту группу входят протон, нейтрон, электрон, фотон, - мезон, мюон, нейтрино нескольких типов, так называемые странные частицы (K-мезоны, гипероны), очарованные частицы, промежуточные векторные бозоны и т.д. - всего к настоящему времени известно более 350 частиц, в основном нестабильных. Большинство перечисленных частиц не удовлетворяет обычному определению элементарности, поскольку по современным представлениям они сами являются составными системами. Объединяющий их признак заключается в том, что они представляют форму материи, не ассоциированной в ядра и атомы.

1. Виды взаимодействий

Наиболее важное свойство всех элементарных частиц - способность к взаимным превращениям, т.е. способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Все процессы с элементарными частицами, включая их распады, протекают через последовательность актов поглощения и испускания, в которых непременно выполняются законы сохранения массы, заряда, энергии, а так же другие законы сохранения.

Процессы с участием различных элементарных частиц сильно различаются по интенсивности протекания, т.е. по характерным временам и энергиям. В соответствии с этим взаимодействия, в которых они участвуют, феноменологически подразделяют на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие приводит к наиболее прочной связи элементарных частиц; именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в атомных ядрах.

Электромагнитное взаимодействие ответственно за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах. Между элементарными частицами это взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле; для его существования наличие электрического заряда у частицы не обязательно. Например, не обладающий электрическим зарядом нейтрон имеет магнитный момент и участвует в электромагнитном взаимодействии.

Слабое взаимодействие проявляется в сравнительно медленно протекающих процессах распада некоторых элементарных частиц и атомных ядер. Например, благодаря слабому взаимодействию свободный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Несмотря на сравнительно малую интенсивность и короткое действие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в устройстве Вселенной. Например, если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце, так как был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон (античастица электрона) и нейтрино, в результате которого четыре протона, в конечном счете, синтезируются в ядро. Этот процесс служит источником энергии Солнца и большинства звезд.

Все без исключения частицы участвуют в гравитационном взаимодействии, которое, однако, на субатомных расстояниях порядка 10-13 см и меньше не играет практически никакой роли.

В зависимости от способности к участию в тех иных видах взаимодействий все элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны и лептоны. Адроны наряду с электромагнитным и слабым взаимодействиями участвуют в сильном взаимодействии. Лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

Относительная роль разных видов взаимодействий (сильного, электромагнитного, слабого) в процессах с элементарными частицами зависит от энергии частиц. Поэтому деление взаимодействий на виды в зависимости от интенсивности процессов надежно осуществляется только при не слишком высоких энергиях. В современной физике растет уверенность, что все взаимодействия в природе тесно связаны между собой и по существу являются различными проявлениями некоторого единого поля. Объединение всех взаимодействий остается пока нерешенной задачей физической теории.

2. Некоторые характеристики элементарных частиц

Каждая элементарная частица, наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физических величин, или своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа и некоторый общий множитель - единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах элементарных частиц и задают только их, опуская единицы измерения.

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса (m), время жизни (t), спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того, по какому закону распределены массы элементарных частиц.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (t > 5Ч10²¹ лет), протон (t> 2Ч10³⁰ лет), фотон и нейтрино - образуется при распаде мюона. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10-20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10-23-10-24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений - ~10-20 сек.

Еще одна характеристика элементарных частиц - спин. Спин - собственный магнитный момент элементарных частиц, не зависящий от наличия или отсутствия электромагнитного поля. Спин элементарных частиц является целым или полуцелым кратным от величины. В этих единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1.

Следящая характеристика это - заряд. Электрические заряды изученных элементарных частиц являются целыми кратными от величины заряда электрона 1,6Ч10^-19 Кл(кулон), называются элементарным электрическим зарядом. У элементарных частиц Q = 0, ±1, ±2 и т.д.

3. Классификация элементарных частиц

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.

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 -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 m_p = (938,2796 ± 0,0027) МэВ (мегаэлектронвольт) или ~ 1,6-10^-24 грамм, 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 (, , , ) 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 0 - 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.

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 q_n равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в сильных электрических полях, показавшими, что |q_n| <10^-20e (здесь е - элементарный электрический заряд, т.е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |q_n|< 210^-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 (91714) 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.

По энергетическому балансу различных ядерных реакций определена величина разности масс нейтрона и протона: m_n-m_p(1,29344 ±0,00007) МэВ. Из сопоставления ее с массой протона получим массу нейтрона: m_n = 939,5731 ± 0,0027 МэВ; это соответствует m_n ~ 1,6-10^-24.

Нейтрон участвует во всех видах фундаментальных взаимодействий. Сильные взаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого взаимодействия - бета-распад нейтрона.

Участвует ли эта нейтральная частица в электромагнитных взаимодействиях? Нейтрон обладает внутренней структурой, и в нем при общей нейтральности существуют электрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона магнитного момента. Иными словами, в магнитном поле нейтрон ведет себя подобно стрелке компаса. Это лишь один из примеров его электромагнитного взаимодействия.

Гравитационные взаимодействия нейтронов наблюдались непосредственно по их падению в поле тяготения Земли.

Мезоны - адроны с целым спином Название произошло от греческого слова, означающего «средний, промежуточный», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Легчайшие из мезонов - пионы, или пи-мезоны ^-,⁺ и °. Их массы примерно в 6-7 раз меньше массы протона. Более массивны странные мезоны - каоны K⁺, К^- и К°. Их массы почти в два раза меньше массы протона. Характерное время жизни этих мезонов - 10^-8 с.

Заряженные лептоны объединены еще одним свойством: в современных теориях все они представляются точечными объектами, не имеющими, в отличие от адронов, внутренней структуры. Эксперименты на самых мощных ускорителях при максимально достижимых в настоящее время энергиях показывают, что это справедливо, по крайней мере, вплоть до расстояний 10 ^-16 см.

Лептоны - группа частиц, не участвующих в 1 сильном взаимодействии (название происходит от греческого слова «лептос» - «легкий»).

Все лептоны имеют спин 1/2. Различают заряженные лептоны - электрон е ^-, мюон ^-, тяжелый лептон ^- и соответствующие античастицы е ⁺, ⁺ и ⁺ и нейтральные - различного рода нейтрино.

Первым из заряженных лептонов был открыт электрон - в 1897 г. английским ученым Дж. Дж. Томсоном. Его античастица - позитрон - была найдена в 1932 г. в космических лучах американским физиком К. Андерсоном. В 1936 г. также при излучении космических лучей были обнаружены мюоны (К. Андерсон и С. Неддермейер). Сначала произошла маленькая путаница: мюоны попытались отождествить с частицей, которая, согласно теории японского физика X. Юкавы, переносила сильные взаимодействия. Вскоре, впрочем, выяснилось, что к сильным взаимодействиям мюон отношения не имеет (частицами, предсказанными Юкавой, оказались открытые в 1947 г. л-мезоны). И тогда возникла загадка мюона. Дело в том, что мюон удивительно похож на электрон: у них одинаковый электрический заряд, спин, оба они участвуют лишь в слабых и электромагнитных взаимодействиях, причем аналогичным образом. Единственное видимое их отличие заключается в массе: мюон в 206,8 раза тяжелее электрона (современное значение его массы = 105,65943 МэВ/с² 1,88х - 10 -²⁵ г).

Из-за большей величины массы мюон утерял стабильность, время его жизни 2,2 * 10 ^-6 с.

Электрон стабилен, так как ему просто не на что распадаться. Действительно, из-за сохранения электрического заряда распад электрона был бы возможен только с испусканием более легких заряженных частиц, но о существовании таких частиц до сих пор ничего не известно. Если бы закон сохранения заряда не являлся вполне точным законом природы, то электрон мог бы распасться, например, на нейтрино и фотон. Поиски таких распадов, однако, не увенчались успехом и показали, что время жизни электрона, по крайней мере, больше чем 1022 лет (для сравнения: наша Вселенная существует «всего» около 2*10^-10 лет). Поэтому в современных теориях электрон считается стабильной частицей. Заметим все же, что экспериментальные пределы для времени жизни протона выглядят еще внушительнее (не менее 1032 лет), но теории, в которых он может распадаться, в последнее время стали очень популярны.

С распадом мюона дело обстоит проще, он может распадаться и в действительности распадается на электрон и пару нейтрино разных сортов: ^- е ^- + _е`+ . За этот распад ответственны слабые взаимодействия. Экспериментальное значение времени жизни мюона хорошо согласуется с теоретическими расчетами. Разумеется, аналогичным образом происходит и распад положительно заряженного мюона:

 ⁺ е ⁺ + _е +`.

элементарный частица протон нейтрон

Не успев еще разобраться в загадке мюона, физики открыли третий заряженный лептон (тау - лептон). Он был обнаружен в 1975 г. в опытах на встречных электрон-позитронных пучках в Станфорде (США) группой физиков во главе с М. Перлом при аннигиляции электрона и позитрона очень больших энергий. Тяжелый тау-лептон имеет массу почти в 3500 раз большую, чем масса электрона (m_e~1784 МэВ/с²). Он даже почти в 2 раза тяжелее протона. Время жизни -лептона с достаточной точностью было измерено лишь в 1981 г. - 3,4 * 10 ^-13 с. Такое время жизни показывает, что слабые взаимодействия -лептонов очень похожи на слабые взаимодействия электронов и мюонов (следует иметь в виду, что чем тяжелее частица, тем быстрее, при прочих одинаковых условиях, она распадается на более легкие. Имеющиеся данные позволяют утверждать, что и в остальном -лептон подобен электрону и мюону.

Заключение

В конце, хочется отметить, что теория элементарных частиц необходима для того, чтобы понимать, как устроена материя, из чего она состоит. Множество элементарных частиц находится как в природе вокруг нас, так и в космическом пространстве.

Размещено на Allbest.ru