И основные характеристики

Элементарные частицы. Классификация

По современным представлениям, «кирпичиками», из которых складывается материя, являются так называемые элементарные частицы. Это — мельчайшие известные на сегодня составляющие материи. Но способность элементарных частиц к взаимным превращениям не позволяет рассматривать их как простейшие, неразложимые «кирпичики».

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

Сначала, особенно когда число известных элементарных частиц ограничивалось электроном, нейтроном и протоном, господствовала точка зрения, что атом состоит из этих элементарных кирпичиков. А дальнейшая задача в исследовании структуры вещества заключается в том, чтобы разыскивать новые, еще не известные «кирпичики», из которых состоит атом, и в определении того, не являются ли эти «кирпичики» (или некоторые из них) самыми слож­ными частицами, построенными из еще более тонких «кир­пичиков».

При таком подходе к делу было логичным считать элементарными только те частицы, которые не могут быть разделены на более мелкие или которые мы пока не можем разделить. Рассматривая структуру материи, молеку­лу и атом нельзя было считать элементарными частицами, так как молекула состоит из атомов, а атомы — из электронов, протонов и нейтронов.

Однако действительная картина строения вещества оказалась еще более сложной, чем можно было предполагать. Оказалось, что элементарные частицы могут претерпевать взаимные превращения, в результате которых некоторые из них исчезают, а некоторые появляются. Нестабильные микрочастицы распадаются на другие, более стабильные, но это вовсе не значит, что первые состоят из вторых. Поэтому в настоящее время под элементарными частицами понимают такие «кирпичики» Вселенной, из которых можно построить все, что нам известно в природе.

Взаимодействия элементар­ных частиц осуществляются посредством соответствующих фи­зических полей, квантами которых они являются. От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц.

Наиболее важное свойство всех элементарных частиц — способность рождаться и уничтожаться (испускаться и по­глощаться) или аннигилировать (аннигиляция – от лат. annihilatio,- букв. уничто­жение) при взаимодействии с другими частицами.

Сейчас общее число известных науке элементарных частиц (вмес­те с античастицами) приближается к 400. Некоторые из них стабильны и существуют в природе в свободном или слабосвязанном состо­янии. Это — электроны, протоны, нейтроны, фотоны и различного сорта нейтрино. Каждая элементарная частица, за исключением абсолютно нейтральных, имеет свою античастицу.

Все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и обра­зуются во вторичных космических лучах или получаются в лаборато­рии. Основной способ их генерации — столкновения быстрых стабиль­ных частиц, в процессе которых часть начальной кинетической энер­гии превращается в энергию покоя образующихся частиц (как пра­вило, не совпадающих со сталкивающимися).

Классификация элементарных частиц:

Элементарные частицы по типам фундамен­тальных взаимодействий обычно разделяют на следующие классы:

1. Адроны (от греч.- сильный, крупный) - общее название для частиц, наиболее активно участвующих в сильных взаимодействиях.

2. Лептоны (от греч. leptos—легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают только сильным взаимодействием; но участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд (нейтрино)— также и в электромагнитном взаимодействии;

3. Фотоны — кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаи­модействия, но участвуют в электромагнитном;

4. Гравитон – (неоткрытая пока частица) является переносчиком гравитационного взаимодействия.

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются:

· масса покоя m,

· время жизни t,

· спин J,

· электрический заряд Q.

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 — промежуточные или 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.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы, делятся на:

Ø стабильные,

Ø квазистабильные

Ø нестабильные (резонансы).

Стабиль­ными в пределах точности современных измерений являются элект­рон (t > 5 • 10²¹ лет), протон (t > 5 • 10³¹ лет), фотон и нейтрино.

К ква­зистабильным относятся частицы, распадающиеся за счет электромаг­нитного и слабого взаимодействий, их времена жизни t > 5 • 10^-20 с. При­мер квазистабильной частицы — нейтрон. Он распадается из-за сла­бого взаимодействия, среднее время жизни — 15,3 мин. Нестабильными (или резонансами) называют элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия; их характерные времена жизни t ~ 10^-22 - 10^-24 с.

Электрический заряд является другой важнейшей характери­стикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом (Q = 0, ±1, ±2.). Каж­дой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют ан­тичастицы с противоположным зарядом. Электрические заряды элементарных частиц являются целыми кратными величине е»1,6·10^-19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом (зарядом электрона).

Кроме того, 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 элементарных частиц является целым или полуцелым крат­ным постоянной Планка h.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами. К фермионам относятся лептопы (например, электрон и нейтрино) и барионы, состоящие из кварков (например, протон и нейтрон). Фермионы образуют материальные структуры.

Частицы с целым или нулевым спином называются бозонами. К бозонам относятся частицы с нулевой массой покоя (фотон, гравитон), а также мезоны, состоящие из кварков (например p-мезоны). Они образуют поле взаимодействия (со­гласно квантовой теории поля) между фермионами.

Так, например материальные структуры образованы электронами и нуклонами (протонами и нейтронами, образующими ядра атомов), а электромагнитное поле взаимодействия между ними образуют фо­тоны (точнее сказать виртуальные фотоны).

Все известные адроны состоят либо из пары кварк-антикварк (мезоны), либо из трех кварков (барионы). Гипотеза кварков была предложена в 1967 г. американским физиком-теоретиком М. Гелл-Маном. Кварк – частица со спином ½ и дробным электрическим зарядом, составной элемент адронов.

Кварки и антикварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. Помимо спина, кварки имеют еще две внутренние степени свободы - " аромат " и " цвет " (степень свободы – независимое возможное изменение состояния физической системы, обусловленное вариациями ее параметров). Каждый кварк может находится в одном из трех цветовых состояний: "красном", "синем" и "жел­том". Что касается "ароматов", то их известно 5 и предполагается наличие шестого. Ароматы кварков обозначаются буквами u, d, s, с, b, t, которые соответствуют английским словам up - верхний, down - нижний, strange - странный, charm - очарованный, beauty - прелестный и tор -топ. Более того, каждому кварку соответствует его антикварк. Ни один кварк ни разу не был зарегистрирован в свобод­ном виде, несмотря на многолетние поиски. Кварки можно наблю­дать только внутри адронов.

После открытия кварков представления о строении материи приобрели известную законченность. В настоящее время в рамках так называемой стандартной модели считается, что все окружающее нас в природе состоит из фундаментальных частиц, участвующих в четыре фундаментальных взаимодействиях: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Фундаментальные частицы делятся на две группы: частицы – участники взаимодействий и частицы – переносчики взаимодействий. К частицам – участникам взаимодействий относятся кварки и лептоны. Все они имеют полуцелый спин, поэтому относятся к фермионам. Частицы – переносчики взаимодействий обеспечивают фундаментальные взаимодействия между кварками и лептонами за счет механизма обменного взаимодействия. К ним относятся фотоны (переносят электромагнитное взаимодействие), бозоны (обеспечивают слабое взаимодействие), глюоны (сильное взаимодействие), гравитон (неоткрытая пока частица – переносит гравитационное взаимодействие).

Согласно современным представлениям, структура элемен­тарных частиц описывается посредством непрерывно возни­кающих и снова распадающихся "виртуальных" частиц. Напри­мер, мезон строится из виртуального нуклона и антинуклона, которые в процессе аннигиляции непрерывно исчезают, а затем образуются снова.

Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно опи­сать через другие частицы.

Виртуальные частицы в квантовой теории – это частицы, которые имеют такие же квантовые числа (спин, электрический и барионный заряды и др.), как и соответствующие реальные частицы, но для которых не выполняется обычная связь между энергией, импульсом и массой.

Основные положения современной атомистики могут быть сформулированы следующим образом:

1. Атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического эле­мента;

2. У каждого элемента существуют разновидности ато­мов (содержащиеся в природных объектах или искусственно синтезированные);

3. Атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти процессы осуществляются либо самопро­извольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путем (посредством различных ядерных реакций).

Перечисленные три положения современной атомистики практически охватывают основное ее содержание.

Удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц пока нет. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электромагнитных полях, поскольку здесь устанавливается связь микро- и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной, в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения. Очевидно, потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структуры матери­ального мира.

4. Ядерные реакции.

Современные представления о строении атома основываются на планетарной модели атома, предложенной английским физиком Э.Резерфордом, с «квантовыми дополнениями» Н. Бора и других физиков. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого двигаются отрицательно заряженные электроны. Общий вид очень напоминает Солнечную систему в мегамире: в центре звезда, вокруг которой вращаются планеты по разным орбитам.

Ядро и электроны, так же как звезды и планеты в Космосе, занимают ничтожную часть объема. Масштабные соотношения геометрии атома можно представить, например, так: две миллиметровые булавочные головки, одна из которых играет роль ядра (условный «диаметр» ~ 10^-15м), а другая - ближайшего к ядру электрона (условный «диаметр» ~ 10^-15м), следует разнести на расстояние примерно в 100 м. Таким образом, большая часть вещества в атоме сосредоточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояниями: в веществе в обширном пустом пространстве между очень тяжелыми ядрами двигаются легкие электроны, составляя электронные квантовые оболочки атомов, определяющие материальные свойства тел и обеспечивающие необходимые связи при образовании молекул и молекулярных структур.

На этом сходство атомов с планетными системами заканчивается. Все, что связано с современным описанием атома абсолютно расходится с привычными представлениями мега- и макромиров. Вместо классической механики - релятивистская квантовая механика, вместо детерминизма - статистическая физика и вероятностные процессы, вместо разделения дискретного и непрерывного - их единство, бесконечные взаимные переходы от непрерывного к дискретному и от дискретного к непрерывному, вместо траекторий - области возможного существования, вместо диаметров - объем области вероятного нахождения частицы и т.п.

Мечта человечества «найти элементарные частицы - частицы неделимые и составляющие первооснову материи» на сегодняшний день привела ученых к следующему заключению: вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атомы из лептонов и адронов, адроны состоят либо из трех, либо из двух кварков; лептоны электроны и кварки - не имеют структур.

Современное представление о строении атома таково: на внешней оболочке атома находятся отрицательно заряженные электроны, которые двигаются в неких областях, окружающих положительно заряженное ядро и называемых орбиталями; ядро составляют тяжелые частицы, входящие в группу адронов. Пространство между электронами и ядром называется физическим вакуумом, который заполнен полем и рождаемыми в нем виртуальными частицами всех типов. «Уходящий» из атома фотон свидетельствует о наличии электромагнитного поля в атоме.

Все частицы, составляющие атом, представляют собой динамические структуры, имеющиеся скорости, близкие к скорости света. Эти динамические структуры существуют не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов непрерывной сети частиц и античастиц, в которой происходят их взаимодействия со взаимопревращением частиц, рождением новых, аннигиляцией (уничтожением) старых частиц в непрерывных полях. Устойчивыми частицами в атомах являются только четыре: электрон, протон, нейтрон и фотон. Все остальные существуют как бы виртуально, возникая из поля, заполняющего физический вакуум, и превращаясь в поле.

Изменение числа нейтронов в ядре приводит к появлению изотопов - химических элементов, обладающих тождественными свойствами, но разными массами. Атомы, в которых ядра нестабильны, например, уран с массой 238 и многие изотопы, радиоактивны. Стабильность ядер может быть нарушена искусственно путем передачи ядру дополнительной энергии, тогда начинаются ядерные реакции. Для тяжелых элементов возможен процесс деления ядер, для легких - процесс синтеза.

Рассмотрим более подробно основные типы ядерных ре­акций, связанные с процессами превращения центральной части атомной системы.

Первый тип такого рода реакций носит название ядерного деления, которое состоит в потере устойчивости и разрушении ядер атомов химических элементов, находящихся главным образом в конце периодической системы. Последнее об­стоятельство связано с тем, что, несмотря на высокую ин­тенсивность сильного взаимодействия, объединяющего ней­троны и протоны в единое целое, постепенное увеличение числа частиц в ядре с ростом порядкового номера химического элемента приводит к ослаблению взаимных связей между ни­ми. Поэтому существование в природе атомных ядер со сколь угодно большим числом составляющих его частиц принципиально невозможно из-за полной потери ими внутренней устойчивости. В реальности, существует некоторое предельное отношение массового числа атома химиче­ского элемента к его порядковому номеру, превысить кото­рое в нормальных физических условиях не удается.

Разрушение атомного ядра может, таким образом, про­исходить либо самопроизвольно, либо под влиянием внеш­них воздействий высокоэнергетических элементарных час­тиц или осколков других, уже разрушившихся ядер. Дос­таточно эффективным, в частности, является использование в реакциях ядерного деления так называемых медленных нейтронов поскольку благодаря отсутствию у них собственного электрического заряда они легко входят но взаимодействие с ядрами тяжелых химических элементов и становятся причиной их распада (рис. 1.).

Рис. 1. Цепная ядерная реакция.

Важнейшей характеристикой ядерной реакции деления является количество выделяемой при этом энергии. Практическое значение имеет так называемая цепная реакция, при которой деление ядер изотопов урана, плутония или тория приводит к появлению свободных нейтронов, в свою очередь вызывающих новые процессы деления других ядер. Особенность ядерной цепной реакций заключается в ее лавинообразном нарастании, имеющем по сути взрывной характер и связанном с выделением огромного количества, энергии теплового, электромагнитного и радиоактивного излучений. Именно данный эффект используется при проведении взрывов ядерного оружия.

Мирное использование ядерной реакции деления осу­ществляется в разнообразных по конструкции ядерных реакторах, в которых цепное нарастание числа делящихся атомов радиоактивного топлива предотвращают введением в зону прохождения реакции специальных поглотителей вновь образующихся нейтронов, выполненных обычно из графита, кадмия или бериллия. Таким образом, интенсивность реакции ядерного деления автоматически поддер­живается на безопасном уровне, благодаря чему обеспечи­вается достаточно высокий (около 40%) коэффициент полезного действия подобных преобразователей энергии: внутриядерной — в тепловую и далее — в электрическую.

Второй тип ядерных реакций связан с процессами звездной эволюции, характеризующимися рядом последовательных превращений ядер атомов химических элементов звездного вещества на фоне все возрастающей температуры внутренней среды самой звезды. Подобные реакции получили название термоядерного синтеза и связа­ны с объединением ядер атомов легких химических элементов, находящихся главным образом, в начале периодической системы, в ядра атомов более тяжелых элементов.

Необходимым условием начала и дальнейшего протекания такого рода ядерных реакций является огромная температура, достигающая десятков и сотен миллионов градусов, при которой кинетическая энергия ядер атомов, протонов оказывается достаточной, чтобы преодо­леть силы электростатического отталкивания между ними и включить на сверхмалых расстояниях объединитель­ный механизм сильного взаимодействия. В результате происходит образование более массивных ядер новых химических элементов (рис. 2). При этом выделяется огромное ко­личество энергии излучения, более чем на порядок превышающее уровень энергии, выделяемой в реакциях ядерного деления. К сожалению, до сих пор практическое использование реакций термоядерного синтеза ограничивается лишь созданием мощнейшего водородного оружия.

	Рис.2. Термоядерный синтез.

Вообще, термоядерное вооружение называется водородным из-за используемых в его составе изотопов водорода, которые вступают в реакцию термоядерного синтеза на втором этапе двухступенчатой схемы срабатывания после достижения необходимой температуры около 10 млн. градусов в результате первоначальной цепной реакции ядерного деле­ния заряда-детонатора из радиоактивного вещества. То есть по сути дела взрыв обычной атомной бомбы создает условия, требуемые для взрыва водородного оружия, которое является на порядок более мощным. Реализуемые при этом ядерные реакции двух типов полностью неуправляемы.

Все попытки реализации управляемого процесса термоядерного синтеза неизбежно наталкиваются на проблему получения и долговременного поддержания сверхвысоких температур в зоне проведения реакции при обеспечении надежной безопасности окружающей среды. Решить проблему как бы с другой стороны — путем создания условий для осуществления так называемого холодного термоядерного синтеза, который мог бы проходить при сравнительно невысоких и реально достижимых с технической точки зрения температурах — пока также не представляется возможным. Таким образом, остается признать, что в деле освоения ядерной энергии человечество добилось более существен­ных результатов в технологиях разрушения, а не созидания.

Дата добавления: 2014-01-07