Элементарные частицы

Элементарные частицы.

Вступление:

«Мы хотим знать не только как устроена природа и как происходят природные явления, но и … узнать, почему природа является такой, а не другой». А.Эйнштейн

Определение:

Элементарными частицами называют большую группу мельчайших частиц материи, не являющихся атомами или атомными ядрами.

Элементарные частицы:

резонансы

электроны

нейтроны

протоны

«красивые» частицы

мюоны

нейтрино

мезоны

фотоны

странные частицы

«очарованные» частицы

Обозначение, масса, заряд

Частица

Электрон

Символ

0 e -1

Масса, кг

Протон

Заряд, Кл

9*10 -31

1 p 1

Нейтрон

-1,6*10 -19

1 n 0

Фотон

1,673*10 -27

γ

+1,6*10 -19

1,675*10 -27

0

0

0

Подавляющее число элементарных частиц не встречается в природе, т.к. они не устойчивы, их получают в лабораториях. Основной способ их получения столкновение быстрых стабильных частиц, в процессе которого часть кинетической энергии движущихся частиц превращается в энергию образующихся частиц

Все процессы превращения частиц подчиняются законам сохранения (энергии, импульса, заряда и ряда других величин, специфических для элементарных частиц).

Современная физика элементарных частиц называется также ФИЗИКОЙ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ.

Взаимопревращаемость элементарных частиц – одно из наиболее важных свойств.

Американские физики М. Гелл-Ман и Г.Цвейг предложили гипотезу, согласно которой протон состоит из трёх зарядов: -е /3, +2е/3, +2е/3. Частицы с дробным зарядом назвали кварками . Нейтроны, согласно этой гипотезе, также состоит из трёх кварков, имеющих заряды: -е/3,-е/3, +2е/3. Итак, элементарные частицы не являются бесструктурными образованиями.

Согласно представлениям современной физики, протоны, нейтроны и другие частицы построены из кварков, которые обладают дробными электрическими зарядами.

Античастицы

• Частицы с массой, равной массе электрона, но имеющей положительный заряд. Её назвали позитроном ( 0 е 1 ).
• Исследования показали, что позитрон может появиться в результате взаимодействия γ-кванта с тяжелым ядром, причём всегда вместе с электроном:

γ + Х → Х + 0 е -1 + 0 е 1

• Следовательно, рождение электрон – позитронной пары представляет собой превращение одной частицы – фотона (γ-кванта) в две другие частицы – электрон и позитрон .

• Породить электрон – позитронную пару может только такой фотон, энергия которого не меньше суммы энергий покоя электрона и позитрона: hν ≥ 2mc2
• Поскольку энергия покоя электрона равна примерно 0,5 МэВ, то минимальная энергия фотона 1 МэВ, а его максимальная длина волны: λмакс = hс/2m o c 2 =10 -12 м=10 -3 нм .
• В вакууме позитрон, как и электрон, - устойчивая, стабильная частица. Но, встречаясь друг с другом, электрон и позитрон АННИГИЛИРУЮТ , порождая фотоны большой энергии: 0 е -1 + 0 е 1 →2γ
• При аннигиляции вещества и антивещества высвобождается колоссальная энергия – энергия покоя.

В последующее время были открыты АНТИЧАСТИЦЫ других элементарных частиц. Обычно античастица обозначается той же буквой, что и частица, но над ней ставится волнистая черта. Например, протон обозначается буквой р , а антипротон –р.

Фундаментальные взаимодействия

Фундаментальные взаимодействия

Гравитационное взаимодействие

Сильное взаимодействие

Слабое взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие

Сильное взаимодействие свойственно тяжелым частицам. Именно оно обусловливает связь протонов, и нейтронов в ядрах атомов.

В электромагнитном взаимодействии участвуют электрически заряженные частицы и фотоны. Благодаря электромагнитному взаимодействию существует связь электронов с ядрами в атомах и связь атомов в молекулах. Электромагнитное взаимодействие обусловливает многие макроскопические свойства вещества.

Слабое взаимодействие характерно для всех частиц, кроме фотонов. Наиболее известное его проявление — бета-распад нейтронов и атомных ядер.

Гравитационное взаимодействие присуще всем телам Вселенной; оно проявляется в виде сил всемирного тяготения. Эти силы обеспечивают существование звезд, планетных систем и т.п. В микромире гравитационное взаимодействие является предельно слабым из-за того, что массы элементарных частиц чрезвычайно малы.

Тип заимодействия

Радиус

действия,м

Сильное

Интенсивность,

относительная ед.

10 -15

Электромагнитное

Переносчики

взаимодействия

Слабое

1

∞

Гравитационное

10 -18

10 -2

Глюоны

Фотоны

10 -10

∞

Промежуточные бозоны

10 -38

Гравитоны

Элементарные частицы

Лептоны

Адроны

• Адроны ( от греч. – adros большой, сильный.) – протоны, нейтроны и другие частицы участвуют во всех четырёх взаимодействиях.
• Лептоны (от греч. – leptos – легчайший, маленький.) – электроны, мюоны и другие частицы в трёх типах взаимодействия, за исключением сильного.

?

Существуют ли истинно элементарные частицы – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит материя?

Истинно элементарные частицы

Лептоны

Переносчики взаимодействий

Кварки

История открытия элементарных частиц

• Первая элементарная частица – электрон – была открыта английским физиком Дж.Томсоном в 1897 г.
• Английский физик Э.Резерфорд в 1919 г. Обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны . Другая частица, входящая в состав ядра, нейтрон — была открыта в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком.

• Швейцарский физик В.Паули в 1930 г. Впервые предположил, что существуют особые элементарные частицы — нейтрино ( Уменьшительное от нейтрона ), не имеющие заряда и (возможно) массы. Отличительная особенность нейтрино — огромная проникающая способность, что затрудняет его обнаружение. В 1934 г. Э.Ферми , основываясь на гипотезе нейтрино, построил теорию ‚ β - распада. Экспериментально нейтрино открыто в 1953 г. Американскими физиками Ф.Райнесом и К.Коуэном.
• Позитрон — первая античастица — был открыт К. Андерсеном в 1932 г.
• В 1936 г. К.Андерсон и С.Неддермайер (США) при исследовании космических лучей обнаружили мюоны , имеющие электрический заряд (обоих знаков), — частицы с массой, равной примерно 200 массам электрона, а в остальном — близкие по свойствам к электрону (и позитрону).

• В 1947 г. группой английских физиков под руководством С.Пауэлла в космическом излучении были открыты мезоны ( От греч. Meson - средний, промежуточный. ).
• В 1960-х гг . было обнаружено большое число частиц, крайне неустойчивых, имеющих чрезвычайно малое время жизни (порядка 10 -24 – 10 -23 с). Эти частицы, получившие название резонансы , составляют большую часть элементарных частиц.
• В 1976—1977 гг. в опытах по аннигиляции электрона и позитрона были открыты «очарованные» частицы . Их существование было предсказано кварковой гипотезой строения элементарных частиц.
• В 1983 г. были впервые обнаружены промежуточные бозоны — группа тяжелых частиц, являющихся переносчиками слабого взаимодействия. Открытие новых элементарных частиц продолжается и по сегодняшний день.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

«И это чудо, что несмотря на поразительную сложность мира, мы можем обнаружить в его явлениях некоторую закономерность.»

Э. Шредингер