Элементарные частицы и кварковая модель атома

Дальнейшее развитие идей атомизма было связано с исследованием элементарных частиц. Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Ныне установлено, что частицы имеют ту или иную структуру, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать. В настоящее время открыто более 350 микрочастиц.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, — фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны — легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны — средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы — тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрический заряд. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Считается, что кварки — частицы с дробным электрическим зарядом.

По времени жизни частицы делятся на стабильные (фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон) и нестабильные. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10^-10 — 10^-24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10^-23 — 10^-22 сек. называют резонансами, которые распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Поэтому зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Понятие «спина», не имеющего аналогов в классической физике, обозначают собственный момент количества движения микрочастицы.

«Квантовые числа» выражают дискретные состояния элементарных частиц, например, положение электрона на конкретной электронной орбите, магнитный момент и др.

Все элементарные частицы подразделяют на два класса — фермионы (названные в честь Э. Ферми) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе). Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие, т.е. являются квантами полей. В частности, к фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам — кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируются как условно элементарные, т.е. составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10^-13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи — атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон — квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы — в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии.

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10^-13 — 10^-22 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.

Гравитационное взаимодействие — самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях порядка 10^-13 см оно дает чрезвычайно малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10^-33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычные свойства физического вакуума. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

Таблица 2

Фундаментальные взаимодействия

Тип взаимодействия	Источник взаимодействия	Относительная интенсивность взаимодействия	Радиус действия силы
Гравитацион-ное	Масса	~ 10^-38	Сколь угодно далеко
Слабое	Все элементарные частицы	~ 10^-15	< 10^-18 м
Электромагнитное	Электрические заряды	~ 10^-2	Сколь угодно далеко
Ядерное (сильное)	Адроны (протоны, нейтроны, мезоны)		~ 10^-15 м

Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ящерной энергии теплоту и свет. Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света. Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной. Без гравитационного взаимодействия Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фундаментальных взаимодействия можно получить из одного фундаментального взаимодействия — суперсилы. Наиболее ярким достижением стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно.

При энергии в 100 ГэВ (100 млрд. электрон-вольт) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая температура соответствует температуре Вселенной через 10^-10 с после Большого взрыва. При энергии 10¹⁵ ГэВ к ним присоединяется сильное взаимодействие, а при энергии 10¹⁹ ГэВ происходит объединение всех четырех взаимодействий.

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц — это кварки с экзотическими названиями «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальные шесть — лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).

Эти 12 частиц группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов.

В первом – «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.

Во втором – «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино.

В третьем – «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своим нейтрино.

Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения.Предполагается, что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.

На основе кварковой модели физики разработали современное решение проблемы строения атомов. Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной оболочки. Протон имеет положительный электрический заряд, заряд нейтрона равен нулю. Протон из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон — из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.

Остаются еще вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том, являются ли они основными «кирпичиками» природы и насколько фундаментальны? Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума, построение моделей первичного ядерного синтеза, породивших те или иные частицы в момент рождения Вселенной.

Литература

Основная

1. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. Курс лекций. - М.: Гардарики, 2006. Гл. 6 – 7.

2. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – 2-е изд., доп. и перераб. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. Гл. 3.

Дополнительная:

1. Девис П. Суперсила: Поиски единой теории природы. – М.: Мир, 1989.

2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. 5-е изд., испр. и доп. – М.: ИЦ Академия, 2003.

3. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания: Уч. пособие. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Академический проект, 2002. Гл. 2.

4. Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная: в поисках физических и философских концепций XXI века. – М.: Изд-во МГУ, 2002.

5. Намбу Ё. Кварки: На переднем крае физики элементарных частиц. – М.: Мир, 1984.

6. Эйнштейн А. Эволюция физики. Изд. 2-е, испр. – М.: Тайдекс Ко, 2003.

7. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч.2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000.

Вопросы для самоконтроля

1. Раскройте взаимосвязь микро-, макро- и мегамиров.

2. Что означает понятие «квант»? Расскажите об основных этапах развития представлений о квантах.

3. Что означает понятие «корпускулярно-волновой дуализм»? Какое значение имеет принцип дополнительности Н. Бора в описании физической реальности микромира?

4. Какова структура атома с точки зрения современной физики?

5. Какое содержание вкладывается в понятие «элементарная частица» в современной физике?

6. Дайте характеристику свойствам элементарных частиц.

7. Выделите основные структурные уровни организации материи в микромире и раскройте их взаимосвязь.

ТЕМА 7. МЕГАМИР: СОВРЕМЕННАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ И АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел: планет, звезд и звездных систем – галактик. Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка — Метагалактику. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» — очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» — тот же мир, но с точки зрения его структуры — как упорядоченную систему галактик.

Строение и эволюция Вселенной, Космоса изучаются космологией и астрономией (от греч. astron – звезда + nomos – закон). В основе космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки, а сами эти модели имеют большое мировоззренческое значение.

Дата добавления: 2015-06-04