Скачать + смотреть онлайн

видео 2022

бесплатно в хорошем качестве HD

Строго запрещено смотреть анал видео. Крутые - все самые шикарные мамки видео. Мега лучший пердос video.

PhysBook
PhysBook
Представиться системе

A. Элементарные частицы

Материал из PhysBook

Элементарные частицы

Элементарными называются частицы, которым (на данном этапе развития физики) нельзя приписать никакой внутренней структуры.

Основные частицы, входящие в состав атома, — электроны, протоны и нейтроны — вначале считались неспособными к превращениям и каким-либо изменениям. Поэтому их и назвали элементарными. Однако в дальнейшем было показано, что термин "элементарная частица" весьма условен. Так, например, у свободного нейтрона время жизни около 15 минут, а затем он распадается на протон, электрон и антинейтрино:

\(~_0^1n \to _1^1p + _{-1}^0e + _0^0\vec\nu_e.\)

Из всех открытых в настоящее время элементарных частиц лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в окружающем пространстве.

Элементарные частицы подчиняются законам квантовой физики.

В основу современной классификации элементарных частиц положены их основные свойства: масса, электрический заряд, спин и время жизни, а также лептонный и барионный заряды.

В таблице 23.1 приведены некоторые сведения о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10-20 с. Частицы в таблице расположены по возрастанию их массы.

Таблица элементарных частиц
Таблица 23.1

В таблицу элементарных частиц не включены все короткоживущие частицы-резонансы, в частности, "очарованные" частицы. Не включены также переносчики слабых взаимодействий — векторные бозоны. В результате получается 39 частиц.

Таблица открывается фотоном. Фотон, оставаясь в одиночестве, образует первую группу. Фотоны представляют собой кванты электромагнитного поля (света, \(~\gamma\)-излучения и т.д.), не имеют соответствующих античастиц, т.е. являются своими собственными античастицами.

Следующую группу образуют легкие частицы — лептоны. В нее входит двенадцать частиц (включая античастицы). Это электрон \(~e^-\), мюон \(~\mu^-\) (открыт в космических лучах в 1937 г. — это тяжелый аналог электрона, имеющий массу примерно в 200 раз большую массы электрона) и \(~\tau\)-лептон (таон \(~\tau^-\) имеет массу, примерно в 3500 раз превышающую массу электрона). Каждая из этих трех частиц имеет свое нейтрино, которое сопровождает свою собственную заряженную частицу в разнообразных взаимопревращениях: электронное нейтрино рождается вместе с электронами, мюонное нейтрино — вместе с мюонами, \(~\tau\)-лептонное — вместе с \(~\tau\)-лептонами. Хотя \(~\tau\)-лептон имеет очень большую массу, он включен в группу лептонов, поскольку по всем другим свойствам он близок к ним. Главное свойство, которое его роднит с остальными лептонами, состоит в том, что эта частица, как и другие лептоны, не участвует в сильных взаимодействиях. Лептоны характеризуются лептонным зарядом.

Лептонный заряд — это лептонное квантовое число, значение которого для лептонов +1, для антилептонов —1, для нелептонов 0. Для лептонного заряда справедлив закон сохранения: в реакциях с частицами суммарный лептонный заряд не изменяется. Именно поэтому при \(~\beta^-\)-распаде появляется нейтрино. Однако при \(~\beta^+\)-распаде возможна и реакция, описанная выше (по превращению нейтрона в протон с испусканием антинейтрино).

Далее следуют мезоны. Эта группа состоит из восьми частиц. Наиболее легкие из них \(~\pi\)-мезоны: положительные, отрицательные и нейтральные. Их массы составляют 264,1 \(~(\pi^0)\) и 273,1 \(~(\pi^+, \pi^-)\) электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому как фотоны — кванты электромагнитного поля. Еще имеются четыре \(~K\)-мезона и один \(~\eta^\cdot\)-мезон.

Последняя группа — барионы — самая обширная. В нее входит 18 частиц из 39. Самыми легкими из барионов являются нуклоны — протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Вся таблица замыкается \(~\Omega^-\) (омега-минус)-частицей, открытой в 1964 г. Ее масса в 3273 раза больше массы электрона. Барионы характеризуются барионным зарядом.

Барионный заряд — это барионное квантовое число, равное для барионов +1, для небарионов 0, для антибарионов -1. Для барионного заряда справедлив закон сохранения: в реакциях с частицами суммарный барионный заряд не изменяется. Поэтому при возникновении, например, антипротона возникает и протон. Так, при столкновении протона с энергией более 6 ГэВ с неподвижным протоном возникает протон-антипротонная пара:

\(~_1^1p + _1^1p \to _1^1p + _1^1p + _{-1}^1\tilde{p} + _1^1p.\)

Мезоны и барионы представляют собой класс адронов — частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Адроны разделяются на "стабильные" частицы со временем жизни \(~\gg 10^{-23}\) с и на резонансы, время жизни которых \(~\approx 10^{-23}\) с, т.е. соответствуют времени сильного взаимодействия. Длина их пробега с момента рождения до момента распада составляет около 10-15 м. и в детекторах эти частицы не оставляют никаких треков. Они проявляются в виде пиков на графиках зависимости так называемых сечений рассеяния от энергии. Резонансы распадаются за счет сильного взаимодействия, стабильные частицы — за счет электромагнитного и слабого взаимодействий.

Разделение элементарных частиц на группы определяется не только различием в массах, но и другими важными свойствами, например, спином.

Лептоны и барионы имеют спин, равный \(~\frac{1}{2},\) спины мезонов равны 0, а спин фотона равен 1.

Между элементарными частицами существует четыре типа взаимодействий — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Сильное взаимодействие свойственно тяжелым частицам, начиная с пиона. Наиболее известное его проявление — ядерные силы, обеспечивающие существование атомных ядер.

В электромагнитном взаимодействии непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны. Наиболее известное его проявление — кулоновские силы, обусловливающие существование атомов. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств вещества. Оно же вызывает аннигиляцию электронно-позитронной пары и многие другие микроскопические процессы.

Слабое взаимодействие характерно для всех частиц, кроме фотонов. Наиболее известное его проявление — \(~\beta\)-распад нейтрона и целого ряда атомных ядер.

Гравитационное взаимодействие присуще всем телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения. Эти силы обеспечивают существование звезд, планетных систем и т.п. Гравитационное взаимодействие является предельно слабым и не играет существенной роли в мире элементарных частиц при обычных энергиях. В мире элементарных частиц гравитация становится существенной при колоссальных энергиях порядка 1022 МэВ, которые соответствуют сверхмалым расстояниям порядка 10-35 м.

Элементарных частиц в настоящее время насчитывается очень много (более 350). Поэтому встает вопрос: есть ли что-то общее в структуре этих частиц? Можно ли их считать элементарными?

В 1963 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу о существовании в природе нескольких частиц, названных кварками. Согласно этой гипотезе, все мезоны, барионы и резонансы — т.е. адроны, состоят из кварков и антикварков, комбинации которых различны.

Первоначально была введена гипотеза о существовании трех кварков (и соответственно трех антикварков). Кварки обозначаются буквами u, d, s. Они должны иметь дробные электрические заряды. Первый из них — u-кварк — имеет заряд \(+\frac{2}{3}e\) — e, а d- и s-кварки имеют одинаковые заряды, равные \(-\frac{1}{3}e,\) где e — модуль заряда электрона. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка; пионы состоят из комбинации кварк — антикварк и т. д. "Странные" частицы (каоны и гипероны) содержат более тяжелый s-кварк, называемый "странным".

Было предсказано существование четвертого кварка, c-кварка, названного "очарованным". Затем экспериментально были обнаружены частицы, содержащие этот кварк. Масса с-кварка превышает массу s-кварка. Впоследствии были предсказаны, а затем и открыты еще более тяжелые b- и t-кварки.

Кварки наряду с лептонами считаются истинно элементарными частицами. В свободном состоянии кварки пока не найдены, и сейчас высказаны предположения о невозможности разделения частиц на кварки. В основе этих предположений лежит утверждение о том, что силы взаимодействия между кварками не убывают с расстоянием, поэтому извлечь кварки из частиц нельзя. Так, например, на ионизацию атома затрачивается энергия порядка 10 эВ. На расщепление ядра требуется энергия несколько МэВ. Удаление же одного кварка на расстояние 3 см от протона требует 1013 МэВ. Однако задолго до этого начнет действовать особый механизм рождения частиц: когда при удалении кварка из нуклона потенциальная энергия станет достаточно высокой, начнет образовываться за счет этой энергии пара кварк — антикварк. Кварк остается в нуклоне и восстанавливает эту частицу, а антикварк объединяется с удаляемым кварком и образует мезон. Вместо удаления кварка из нуклона происходит рождение мезона.

При столкновениях частиц высокой энергии, например электрона с позитроном, образуется пара кварк — антикварк. Кварк и антикварк разлетаются в противоположные стороны, и каждый из них рождает множество адронов (преимущественно пионов). Пучки адронов называются струями.

Наблюдение струй служит еще одним доказательством реальности кварков

Взаимодействие кварков осуществляется посредством обмена особыми частицами — глюонами (от англ. glue — клей). Глюоны склеивают кварки воедино. Подобно фотонам, глюоны не имеют массы и электрического заряда.

Открытие структуры адронов по своим масштабам не уступает открытию ядра и сложного строения атома. Построена единая теория электромагнитных и слабых взаимодействий (теория электрослабых взаимодействий). Выдвинута и находится в стадии построения новая теоретическая модель, получившая название "Великого объединения". Эта теория объединяет электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия В основе ее лежат кварк-лептонная симметрия (она выражается в том, что в природе встречается шесть лептонов, а все сильно взаимодействующие частицы состоят из шести кварков) и теория электрослабого взаимодействия. Новая теория предсказывает существование множества новых частиц и нестабильность протона. Среднее время жизни протона оказывается равным 1030— 1032 лет. Пока эти предсказания не получили экспериментального подтверждения.

В еще более грандиозном обобщении, названном "суперсимметрией", делается попытка объединить все четыре фундаментальных взаимодействия, включить гравитацию в рамки единой теории сил и построить обобщение теории тяготения — супергравитацию. Пока предложенные варианты теории далеки от реальной действительности.


Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 633-637.

Смотреть HD

видео онлайн

бесплатно 2022 года