Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Элементарные частицы как глубинный уровень организации материи

7. 4. 1. Элементарны ли элементарные частицы

Элементарные частицы в точном значении этого слова – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В этом понятии в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира. Эта идея зародилась на ранних этапах становления естествознания и всегда играла важную роль в его развитии.

Понятие элементарных частиц сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микро уровне. Использование этого термина имеет исторические причины и связано с тем периодом, когда единственными известными их представителями были фотон, протон, электрон, нейтрон, мезон и нейтрино, которые считались действительно элементарными, так как служили основой для построения вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура протона и нейтрона еще не была известна. Все эти частицы были при деле. Из протонов и нейтронов построены ядра атомов. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не имеют электрического заряда, но по массе они примерно равны массе протона и вместе с ним определяют атомный вес. В ядре между протонами и нейтронами действуют силы притяжения, к которым определенное отношение имеет мезон. Нейтрино – нейтральная частица, не имеющая массы покоя, как и фотон, ни с чем не взаимодействующая. Она нужна только для того, чтобы при ядерных реакциях не нарушался закон сохранения энергии. Открытие новых частиц разрушило эту простую картину. Мир, оказалось, устроен гораздо сложнее и непонятнее: например, протоны и нейтроны имеют сложную структуру. Поэтому уже нельзя утверждать, что элементарные частицы в смысле приведенного выше определения в действительности существуют, и от такого определения элементарности пришлось отказаться.

В настоящее время термин”элементарные частицы” в современной физике употребляется для наименования большой группы частиц материи, которые не являются атомами или ядрами. Эта группа частиц достаточно обширна. Помимо упоминавшихся протонов(p), нейтронов(n) и электронов(e-), к ней относятся: фотоны(γ), пи-мезоны(π), мюоны(µ), тяжелые лептоны(τ), нейтрино трех типов – (электронное νe, мюонно еνµ и τ-нейтрино), так называемые странные частицы (K-мезоны и гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым ”очарованием” (J/ª,ª′ и другие),”очарованные” частицы и ипсилон частицы(¨) – всего более 350 частиц, абсолютное большинство из которых являются нестабильными.

Элементарных частиц оказалось так много, а свойства их настолько разнообразны, что их пришлось распределить по семействам, используя основные характеристики – массу, электрический заряд и спин.

Первую группу составила одна частица – фотон. Его масса и заряд равны нулю, спин равен 1.

Вторую группу образовали лептоны (от греческого “лептос” – мелкий, легкий), среди которых наиболее известными являются электрон, мюон, электронное и мюонное нейтрино. Они могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь. Их спин равен 1/2. Обычно они принимают участие в слабых взаимодействиях, но могут участвовать и в сильных. Среди лептонов, по-видимому, наиболее удивительной частицей является нейтрино, которая не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. Считается, что нейтрино наиболее распространены во Вселенной, но, тем не менее, изучать их очень сложно, так как они практически неуловимы.

Все остальные частицы принадлежат к третьему семейству, которое называют адроны (от греческого “хадрос“ – массивные). Все адроны участвуют в сильном (в том числе ядерном) взаимодействии. Они, в свою очередь, делятся на две подгруппы: мезоны (от греческого “mesos” – средний, промежуточный) и барионы (от греческого ”barys” – тяжелый). Мезоны со спином 0 образуют семейство, в состав которого входят: положительный и нейтральный пионы(π+, π0), положительный и нейтральный каоны (K+,K0) и другие. К барионам относятся нуклоны (протон, нейтрон), гипероны с полуцелым спином и еще множество других частиц.

Иногда в особую группу выделяют частицы, которые переносят взаимодействия, но не являются строительным материалом вещества. Это, прежде всего, фотоны– переносчики электромагнитных взаимодействий. Переносчики сильного взаимодействия – глюоны, обеспечивающие взаимодействие между кварками– частицами, из которых состоят нуклоны. Переносчики слабого взаимодействия –W±, Z◦-бозоны, открытые в 1983 г. Гипотетические частицы, ответственные за гравитационное взаимодействие, называются гравитонами.

Все элементарные частицы, за исключением фотона, протона, электрона и двух нейтрино, нестабильны. Это означает, что они самопроизвольно, без каких-либо воздействий извне, распадаются, превращаясь в другие частицы. Например, нейтрон распадается на протон, электрон и электронное нейтрино. Невозможно предсказать, когда именно произойдет этот распад; каждый акт распада происходит совершенно случайно.

 

7. 4. 2. Типы фундаментальных взаимодействий и квантовые поля – поля и частицы

Все силы, существующие в природе, сводятся сегодня к четырем взаимодействиям, которые называют фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Эти фундаментальные взаимодействия лежат в основе всех других известных форм движения материи.

Гравитационное взаимодействие самое универсальное – оно характерно для всех материальных объектов, не зависит от их природы и простирается на огромные расстояния. Любое материальное тело создает гравитационное поле. Гравитация проявляется в виде притяжения между телами. Но важную роль оно играет только при взаимодействии больших массивных объектов и не учитывается при взаимодействии микрообъектов. В этом смысле гравитационное самое слабое из всех известных взаимодействий. Однако на расстояниях 10^−33см (фундаментальная длина) и при очень больших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение, так как становится сравнимой с остальными взаимодействиями. В рамках общей теории относительности гравитация рассматривается как искривление пространства-времени. Такой подход наиболее адекватен в случае сильных гравитационных полей.

Электромагнитное взаимодействие действует между электрически заряженными телами, как покоящимися, так и движущимися. Оно присутствует в электрических, магнитных и электромагнитных явлениях и процессах, с которыми мы встречаемся наиболее часто в жизни. Электромагнитное взаимодействие определяет строение и свойства атомов и молекул, включает в себя кулоновские силы, силы взаимодействия между проводниками с током, силы трения, сопротивления, упругости, химические силы и другие, т.е. проявляется на макроскопическом уровне. Оно считается основным в химии и биологии. В электромагнитных взаимодействиях не участвуют только нейтрино и антинейтрино.

Сильное взаимодействие ”скрепляет” кварки внутри нуклонов. В сильных взаимодействиях участвуют все адроны. Оно действует на расстояниях 10^−13 см и меньше и представляет собой притяжение или отталкивание между составными частями микрообъекта.

Ядерные силы, действующие внутри ядра и отвечающие за связь протонов и нейтронов (нуклонов) в атомных ядрах, а также за многообразие ядерных реакций, перестали считаться фундаментальными. Пока до конца не все еще ясно, но предполагается, что они должны как-то выражаться через сильные взаимодействия.

Слабое взаимодействие ответственно за большинство распадов и многие превращения элементарных частиц. В этом процессе принимают участие все частицы. Оно простирается на расстояния 10^−15−10^−22 см. Это взаимодействие ответственно, например, за превращение в ядре нейтрона в протон, электрон и антинейтрино; оно же вызывает переходы между лептонами. Большинство частиц нестабильны именно из-за слабого взаимодействия.