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

Элементарные частицы и кварковая модель атома

Дальнейшее развитие идей атомизма было связано с иссле­дованием элементарных частиц. Частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, называют элементарными. К ним относят и те частицы, которые получают в условиях экспери­мента на мощных ускорителях. В настоящее время открыто бо­лее 350 микрочастиц.

Термин «элементарная частица» первоначально означал про­стейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» примени­тельно к микрообьекгам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но тем не менее ис­торически сложившееся название продолжает существовать.

Массу покоя элементарных частиц (m) определяют по отноше­нию к массе покоя электрона. Существуют элементарные час­тицы, не имеющие массы покоя, — фотоны. Поскольку масса элементарных частиц оченть мала (масса электрона = 9,1* 10^-28 г), то пользуются системой единиц ħ = с = 1, в которой масса и энергия имеют одинаковую размерность и выражаются в электронвольтах.

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 Q является другой важнейшей характери­стикой элементарных частиц выражается в единицах электрического заряда электрона Q = 0, +-1, +-2 и т.д. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каж­дой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют ан­тичастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американ­ский физик М. Гелл-Манн высказал гипотезу о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом. (По роману Джойса – герой сон видит, где чайки кричат «Три кварка для мистера Кларка») Их заряд 2/3 или 1/3.

По времени жизни t частицы делятся на стабильные и неста­бильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы иг­рают важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10^-10 — 10^-24 c, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10^-23 — 10^-22 с называют резонансами. Вследст­вие краткого времени жизни они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состоя­ния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими анало­гов в классической физике: понятием «спина», или собствен­ного момента количества движения микрочастицы, и понятием «квантовых чисел», выражающих состояние элементарных частиц. Спин измеряется в единицах постоянной Планка и принимает либо целые, либо полуцелые значения. После поворота на 360 град. частица остается той же при спине 1, при спине 0 всегда одинакова, при спине ½ - поворот на 720 гр.

Для каждой частицы имеется античастица с той же массой, спином, временем жизни, но с противоположными значениями электрического и всех других зарядов, которыми она обладает (напр., цветового).

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса — фермионы, или частицы вещества (названные в честь Э. Ферми) – спин полуцелый и бозоны, или кванты полей (названные в честь Ш. Бозе) – спин целый.

Особняком стоит частица со спином S = 0 – хиггсовский бозон или хиггс.

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. Фермио­ны составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий. Различают четыре вида фундаментальных взаи­модействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно объединяет кварки в адроны и удерживает нейтроны и протоны в ядрах атомов, действует на расстоянии порядка 10^-13 cm. 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. Оно ответственно за все процессы с участием фотонов (излучение и поглощение света атомами) и свойства вещества (вплоть до упругости и силы трения).

Слабое взаимодействие возможно между различными части­цами. Оно простирается на расстояние порядка 10^-15 — 10^-22 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. Оно проявляется в процессах с участием нейтрино и в медленных распадах адронов (например в β-распаде нейтрона). Они обеспечивают энергетику термоядерных процессов внутри звезд. 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 cm) 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. Оно присуще даже частицам с массой, равной нулю, поскольку источником тяготения может быть не только масса, но и любая форма энергии.

От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Ядерные ре­акции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10^-24 — 10^-23 c. Это приблизительно тот кратчайший интервал времени, за который частица, ускоренная до высоких энергий, до скорости, близкой скорости света, проходит через элементарную частицу размером порядка 10^-13 см. Изменения, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуще­ствляются в течение 10^-19 — 10^-21 с, а слабыми (например, рас­пад элементарных частиц) — в основном 10^-10 с.

По времени различных превращений можно судить о силе связанных с ними взаимодействий.

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 ядерной 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 не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эво­люционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

1. Схема взаимодействий – Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч.2.Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц. М.: Аванта+, 2001. Т. 2. С.346.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фун­даментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материаль­ного мира, 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.

Это предположение носит чисто теоретический характер, поскольку экспериментальным путем его проверить невозмож­но. Косвенно эти идеи подтверждаются астрофизическими данными, которые можно рассматривать как эксперименталь­ный материал, накопленный Вселенной.

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 поколении — «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино. Во втором поколений — «очарованный» и «странный» квар­ки, мюон и мюонное нейтрино.

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

Дата добавления: 2015-07-02