Элементы космологии. Взаимопревращение частиц

Взаимодействия.

Взаимопревращение частиц. Фундаментальные

Элементарные частицы.

Вопросы

Современная физическая картина мира

Лекция 17

1. Элементарные частицы

Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XXвека физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц – это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т.е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIXвека, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIXвека в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (А.Беккерель, 1896г.), а также открытиями электронов (Дж.Томсон, 1897г.) и α-частиц (Э.Резерфорд, 1899г.). В 1905году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах (А.Эйнштейн).

В 1911году было открыто атомное ядро (Э.Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932году Дж.Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д.Д.Иваненко и В.Гейзенберг). В том же 1932году в космических лучах был открыт позитрон (К.Андерсон). Позитрон – положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П.Дираком в 1928году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов, и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами). Затем в 1947–1950годах были открыты пионы (т.е. π-мезоны), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц быстро растет. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10^–6с, нейтрального π-мезона – 0,87·10^–16с. Многие массивные частицы – гипероны имеют среднее время жизни порядка 10^–10с.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10^–17с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными. Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10^–22–10^–23с.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т.е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т.е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации.

Группа	Название частицы	Символ	Масса (в электронных массах)	Электрический заряд	Спин	Время жизни (с)
Частица	Античастица
Фотоны	Фотон	γ				Стабилен
Лептоны	Нейтрино электронное	νe				1 / 2	Стабильно
Нейтрино мюонное	νμ				1 / 2	Стабильно
Электрон	e^–	e^+		–1 1	1 / 2	Стабильн
Мю-мезон	μ^–	μ^+	206,8	–1 1	1 / 2	2,2∙10^–6
Адроны	Мезоны	Пи-мезоны	π^0	264,1			0,87∙10^–16
π^+	π^–	273,1	1 –1		2,6∙10^–8
К-мезоны	K^+	K^–	966,4	1 –1		1,24∙10^–8
K^0		974,1			≈ 10^–10–10^–8
Эта-нуль-мезон	η^0				≈ 10^–18
Барионы	Протон	p		1836,1	1 –1	1 / 2	Стабилен
Нейтрон	n		1838,6		1 / 2
Лямбда-гиперон	Λ^0		2183,1		1 / 2	2,63∙10^–10
Сигма-гипероны	Σ^+		2327,6	1 –1	1 / 2	0,8∙10^–10
Σ^0		2333,6		1 / 2	7,4∙10^–20
Σ^–		2343,1	–1 1	1 / 2	1,48∙10^–10
Кси-гипероны	Ξ^0		2572,8		1 / 2	2,9∙10^–10
Ξ^–		2585,6	–1 1	1 / 2	1,64∙10^–10
Омега-минус-гиперон	Ω^–			–1 1	1 / 2	0,82∙10^–11

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.

Следующая группа состоит из легких частиц лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон.

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η⁰-мезон. Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс.

Дата добавления: 2014-01-07