Элементарные частицы

Размещено на http://allbest.ru

Введение

Элементарные частицы - мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой, к тому же число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико - всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Очевидно, что при наличии такого большого числа элементарных частиц возникает необходимость их классификации.

Цель работы: привести простейшую классификацию элементарных частиц, проследить зависимость попадания частиц в определенные группы, рассмотреть более подробно некоторые из групп.

1. Понятие элементарной частицы

Элементарные частицы в точном значении этого термина - первичные, неделимые частицы, из которых состоит вся материя. Понятие “элементарная частица” трансформировалось по мере развития знаний о строении материи. На рубеже 19 - 20 веков мельчайшей частицей вещества (т.е. элементарной частицей) считался атом (по-гречески - ”неделимый”). В дальнейшем выявилась сложная структура атома, состоящего из ядра и электронов. В свою очередь ядра, как оказалось, также являются сложными структурами и состоят из протонов и нейтронов. В настоящее время считается, что протоны и нейтроны также состоят из более элементарных частиц - кварков. В строгом смысле именно кварки в настоящее время должны считаться элементарными частицами. Однако в современной физике термин “элементарные частицы” употребляется не в своем точном значении, а менее строго - для наименования большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами, т.е. объектами заведомо составной природы.

2.Классификация элементарных частиц

Классификация элементарных частиц производится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физических величин.

Различные процессы с элементарными частицами заметно различаются по интенсивности их протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно разделить на четыре класса: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

*По способности к тому или иному виду взаимодействию все элементарные частицы делятся на два класса: адроны и лептоны. Адроны способны ко всем четырем взаимодействиям, лептоны не испытывают сильного взаимодействия.

Фундаментальные взаимодействия описываются соответствующими силовыми полями. Возбуждения этих полей представляют собой частицы, которые называют фундаментальными бозонами. Электромагнитному полю отвечает фотон в, сильному - восемь глюонов, слабому - три промежуточных бозона W⁺, W^-, Z⁰ , гравитационному - гравитон.

*Исходя из значения спина (собственного момента импульса частицы), все элементарные частицы можно разделить на две группы.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами (в честь известного физика Ферми). Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона - частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния (то есть вся совокупность характеризующих частиц параметров) не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь другого крупного физика - Бозе). На них запрет Паули не распространяется, и они могут находиться вместе в любом количестве.

*По времени жизни частицы делятся на стабильные: электрон, протон, фотон, нейтрино (время жизни t =Ґ). Квазистабильные: нейтрон - стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут, (t> 10^-20 с). Нестабильные: все остальные частицы (t = 10^-23 …10^-24 с). И самые нестабильные частицы - резонансы. Например, время жизни протона t> 10³⁰ лет, электрона - t> 10²¹ лет, нейтрона ~ 1000 с.

*Одной из важных характеристик частиц является их масса, причем во внимание берется масса покоя частиц, так как при движении частиц с большими скоростями, их масса сильно возрастает. Это заставляло некоторое время ученых ошибочно считать, что они открыли новые частицы. За единицу отсчета берется масса покоя электрона. Он считается самой легкой из всех частиц. В зависимости от массы покоя все частицы можно разделить:

*на частицы, не имеющие массы покоя (фотоны, движущиеся со скоростью света);

*лептоны - легкие частицы, к ним относятся электрон, позитрон и нейтрино;

*мезоны - средние частицы с массой до 200 масс электрона;

*барионы - тяжелые частицы с массой более 1000 масс электрона, к ним относятся протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

*Другой важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд; он всегда кратен фундаментальной единице заряда - заряду электрона (-1).

Заряд может быть отрицательный (электрон), положительным (протон), либо нулевым (нейтрон).

Наличие почти у всех частиц соответствующих им античастиц на сегодня является установленным фактом. Античастицы отсутствуют лишь у фотона и двух мезонов. Античастицы по своим свойствам аналогичны обычным частицам, отличаясь лишь противоположными знаками электрического заряда и магнитного поля.

Фотон

Таблица открывается сверхлегкой частицей - фотоном. Фотон, оставаясь в одиночестве, сам образует целую группу.

Его роль - перенос электромагнитных взаимодействий. Именно в этих взаимодействиях он и участвует. Правда, по предположению, он участвует еще, как и все остальные частицы, в слабых взаимодействиях. Но вызванные слабыми взаимодействиями процессы с участием фотонов редки. Экспериментально они пока не наблюдались.

Лептоны

Следующая группа состоит из легких частиц - лептонов. В нее входят восемь частиц: электронное и мюонное нейтрино, электрон, m-мезон, ф-нейтрино, и ф-частица и соответствующие этим частицам античастицы. Массы частиц меняются в широких пределах: от нуля (для нейтрино) до 206,7 электронных масс (для мюона). Поэтому в данном случае нельзя сказать, что главным объединяющим эти частицы признаком является близость масс. Что же является определяющим при объединении этих частиц в одну группу? По массе нейтрино ближе к фотону, чем к электрону, а m-мезон кажется скорее «родственником» p-мезонов. Заметим прежде всего, что лептоны имеют полуцелый спин, отличный от спина ближайших соседей - фотона и мезонов. Но главное состоит в том, что все 8 лептонов характеризуются особым квантовым числом - лептонным зарядом.

Мезоны

Эта группа состоит также из восьми частиц. Трое из них - p-мезоны, кроме того, имеется 4 К-мезона, примерно в три раза более тяжелые, чем

т-мезоны.Они образуют два зарядовых мультиплета: К⁺, К⁰ и К^-, К⁰ .

Самая тяжелая частица этой группы - т⁰-мезон (эта-ноль-мезон) подобно т-мезону совпадает с собственной античастицей.

Мезоны, как и остальные более тяжелые, чем лептоны, частицы, участвуют в сильных взаимодействиях (наряду с участием в электромагнитных и слабых взаимодействиях). Спин всех мезонов равен нулю.

Барионы

Барионы - самая обширная группа частиц. В нее входят из 35 стабильных частиц - 20.Барионы - самые тяжелые сильно взаимодействующие частицы. Взаимодействия между барионами осуществляется мезонами. Самыми легкими из барионов являются частицы нуклонного дуплета - протон и нейтрон. Далее следуют более тяжелые частицы - гипероны. Все они группируются в зарядовые мультиплеты.

Первый мультиплет гиперонов состоит всего из одной частицы, это - а⁰- частица (лямбда-ноль). Далее в порядке возрастания массы следуют триплеты - частиц: ⁺,⁰,^- и ⁺,⁰,^- . Как во всяком мультиплете, эти частицы различаются только своими электрическими зарядами. По отношению к сильным взаимодействиям они выступают как одна частица.

Еще более тяжелые гипероны - - частицы - образуют зарядовые дуплеты: ^-, ⁰ ,^-,⁰ . Замыкает группу барионов - частица. Это последняя из открытых частиц.

Теория кварков

В 1964г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы - адроны - построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. (Название КВАРК было заимствовано их первооткрывателем физиком М. Гелл-Манном в одном из романов Дж. Джойса. По-немецки «кварк» - «творог», но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное). На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион - из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк-антикварк. С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 2/3 и 1/3 элементарного заряда. Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц - адронов.

Элементарные частицы

Частица

Античастица

Обозначения

Электрический заряд, Кл

Масса, МэВ

Время жизни, с

Спин,

ћ

Фотон

в

0

0

в

1

лептоны

Электрон

Позитрон

e^-,e⁺

± 1,6^.10^-19

0,511

с

Ѕ

Нейтрино (электронное)

Антинейтрино

0

0

с

Ѕ

адроны

мезоны

с - мезоны (пионы)

с⁺,с^-, 

с⁰

± 1,6^.10^-19

0

139,6

135,0

2,5^.10^-8

2^.10^-16

0

Барионы

протон

антипротон

± 1,6^.10^-19

938,26

Ѕ

нейтрон

антинейтрон

0

939,55

1^.10³

Ѕ

Заключение

Представления о структуре материи на разных этапах эволюции науки было разным. В 20 веке, особенно в его второй половине, был открыт новый глубинный пласт структурной организации материи - мир элементарных частиц. И хотя название элементарных частиц не является точным, его широко употребляют в значении «субъядерная материя» - это материя, из форм которой структурируются ядра и атомы вещества, физические поля.

Частицы делятся на частицы вещества (ферми-частицы) и кванты полей (бозе-частицы). Частицы вещества в свою очередь делятся на кварки (6) и лептоны (6). Кварки- частицы, которые обладают цветным зарядом, что обусловливает их способность к сильным взаимодействиям. Лептоны - бесцветны, и не участвуют в сильных взаимодействиях.

Частицы, состоящие из кварков, называются адронами. Адроны делятся на два класса: барионы (в их состав входит три кварка с различными цветами) и мезоны (состоят из пары - кварк, антикварк). Барионами являются протоны и нейтроны, входящие в состав ядра атома.

Кванты полей бывают: кванты гравитационного поля - гравитон (не установлен экспериментально), кванты электромагнитного поля - фотон, кванты слабого взаимодействия - бозоны (W⁺, W^-, Z⁰) и кванты сильного взаимодействия - глюоны.

Список литературы

элементарный частица физика

1. «Концепции современного естествознания»/ под. ред. профессора С.И. Самыгина, серия «Высшее образование». - 6-е изд; перераб. и доп. - Ростов н/Д: «Феникс», 2005.

2. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. «Концепции современного естествознания»: учебное пособие для вузов, - М.: ЮНИТИ - ДАНА, 2003.

3. Бояркин, О.М. Введение в физику элементарных частиц: учеб.пособие / О.М. Бояркин. 2-е изд., испр. - М.: URSS, 2006

4. Верин, О.Г. Природа элементарных частиц, квантовая теория и великое объединение / О.Г. Верин. - М.: Контур, 2006.

Интернет ресурсы

1.еhttp://philosophy.pu.ru/ - факультет философии и политологии СПбГУ.

2. http://iph.ras.ru/ - Институт философии РАН

3. http://www.philos.msu.ru/library.php - философский факультет МГУ. Электронная библиотека факультета.

Размещено на Allbest.ru