При экспозиционной дозе 1Р в 1см³ сухого воздуха при нормальном давлении образуется около 2?10⁹ пар ионов. Такая доза накапливается за 1м от радиоактивного препарата радия массой 1г. При облучении мягких тканей человеческого организма рентгеновским или гамма-излучением, экспозиционной дозе 1Р соответствует поглощенная доза 8,8 мГр.

3.11 Биологическое действие ионизирующих излучений

Основа физического воздействия ядерных излучений на живые организмы - ионизация атомов и молекул в клетках. Заряженные ионы, возникающие из нейтральных атомов и молекул, меняют химические процессы, происходящие в биологических клетках. Это приводит к неправильному функционированию клеток, в результате чего биологические системы могут начать развиваться не нормальным образом и даже погибнуть.

Многократно повторенные опыты показали, что небольшие дозы излучения, сравнимые с уровнем естественного фона, безвредны и даже стимулируют развитие растений. Сходные результаты получены и в опытах на животных. Безвредность малых доз облучения для человеческого организма подтверждается исследованием средней продолжительности жизни людей в зависимости от уровня естественного фона ионизирующей радиации. При облучении повышенными дозами могут возникнуть мутации клеток и биологические объекты приобретают новые свойства, это используется для выведения новых растений и животных. В медицине действие локального излучения используют для уничтожения больных клеток, например раковых клеток. Воздействие не локальных и больших доз излучения ведет к необратимым изменениям и гибели клеток, это соответствует таким болезням как лейкемия, рак и др.

Люди некоторых профессий подвергаются дополнительному радиоактивному облучению. Это врачи - рентгенологи, работники атомных электростанций, ученые и технический персонал, работающие в области ядерной физики и физики элементарных частиц, космонавты. Полностью устранить дополнительное действие ионизирующей радиации на их рабочих местах оказывается невозможным. Поэтому нужно знать допустимую границу дополнительной дозы облучения.

Биологическое влияние различных видов излучения на организмы животных и растений неодинаково. При одинаковой поглощенной дозе излучения 1Гр от альфа - частиц оказывается на живой организм примерно такое биологическое действие, как поглощенная доза 20 Гр рентгеновского или гамма - излучения. Различие биологического действия разных видов излучения характеризуются коэффициентом относительной биологической эффективности (ОБЭ), или коэффициентом качества k. Относительно биологическая активность для разных видов излучения принимает значения от 1 до 20. Для рентгеновского и гамма - излучения k=1, для тепловых нейтронов k=3, для нейтронов с кинетической энергией 0,5 МэВ k=10, с энергией 5 МэВ k=7.

Поглощенная доза D, умноженная на коэффициент качества k, характеризует биологическое действие поглощенной дозы и называется эквивалентной дозы и называется эквивалентной дозой H: Н=Dk. Единицей эквивалентной дозы в Си является зиверт (Зв). 1Зв равен эквивалентной дозе, при которой поглощенная доза равна 1Гр и коэффициент качества равен единице.

Предельно допустимой дозой (ПДД) облучения для лиц, профессионально связанных с использованием источником ионизирующей радиации, является 50 мЗв за год. Этот уровень облучения был принят за допустимый на том основании, что он близок к уровню естественного радиационного фона в некоторых местах на Земле и никаких отрицательных последствий для человека при действии таких доз не обнаружено. Санитарными нормами установлен допустимый уровень разового аварийного облучения для населения - 0,1 Зв. Это примерно равно дозе фонового облучения человека за всю жизнь. В качестве предельно допустимой дозы систематического облучения населения установлена эквивалентная доза облучения 5 мзв за год, т.е. 0,1 ПДД. За все время жизни человека (70 лет) допустимая доза облучения для населения составляет 5мЗв/год?70лет=350 мЗв=0,35Зв.

4. Элементарные частицы

4.1 Свойства элементарных частиц. Гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия

Элементарными частицами называют мельчайшие неделимые частицы вещества, которые не имеют внутренней структуры или, точнее, она еще не известна. Элементарные частицы могут вступать в реакции с другими частицами, при этом возникают новые частицы. Например, реакции взаимопревращения нейтрона и протона происходит с возникновением электрона , позитрона , нейтрино н, антинейтрино н^~. Кроме электронов, протонов и нейтронов, которые входят в состав любого атома, в настоящее время известно около 400 элементарных частиц. Их открытие произошло в начале ХХ века физиками, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, и продолжается до настоящего момента при изучении результатов столкновений разных частиц, ускоренных до больших кинетических энергий. Основными характеристиками элементарных частиц являются: масса частицы, спин или собственный момент импульса, среднее время жизни, электрический заряд,

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Электрон - самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из известных элементарных частиц Z-частица обладает массой в 200 000 раз больше массы электрона. Частица, имеющая нулевую массу покоя и движущаяся со скоростью света, называется фотоном. Масса покоя выражается обычно в единицах энергии в соответствии с соотношением Эйнштейна Е=mc² и варьируется в пределах от нуля до 10¹⁰ эВ.

Важная характеристика частицы - спин (собственный момент импульса). Спин связан с симметрией частиц при вращении, измеряется в единицах h (постоянная Планка) и может иметь только дискретные (квантованные) значения, равные целому или полуцелому числу . Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3/2 , 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360° . Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-оборота. В зависимости от спина, все частицы делятся на две группы: бозоны - частицы со спинами 0, 1 и 2; фермионы - частицы с полуцелыми спинами.

Частицы характеризуются также временем жизни, так как они могут самопроизвольно распадаться и превращаться в другие. По этому свойству частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы - это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, а свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы - нестабильны, время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10^_23с.

Электрический заряд элементарных частиц меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда - заряду электрона. Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда. Электрический заряд характеризует способность частиц участвовать в электромагнитном взаимодействии с другими частицами, он подчиняется закону сохранения, т.е. суммарный заряд системы ни при каких либо взаимопревращениях частиц не меняется.

Кроме этих характеристик имеется и более сложные _ лептонный заряд, барионный заряд, пространственная четность и др. Эти характеристики учитывают возможность частиц участвовать в разных типах взаимодействий и возможные варианты их взаимопревращений (реакций). Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных специфических видов симметрии (пространственной, зарядовой), и законами сохранения различных зарядов (электрического, лептонного, барионного и др.).

Как известно, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому ядерному и сильному ядерному. Именно эти взаимодействия, в конечном счете, отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований и процессов.

1. Гравитационное взаимодействие присуще всем элементарным частицам, имеющим ненулевую массу покоя, это взаимодействие действует на больших расстояниях, но оно самое слабое по величине и поэтому не влияет на процессы взаимопревращений элементарных частиц. Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной. Гравитация является универсальным взаимодействием, так как каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

2. Электромагнитное взаимодействие присуще элементарным частицам, имеющим отличный от нуля электрический заряд, оно также дальнодействующее, а по величине энергии взаимодействия на 36 порядков сильнее гравитационного. В течение долгого времени электрическое и магнитное взаимодействие изучались независимо друг от друга, но в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединил электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля. Вследствие дальнодействующего характера электрических и магнитных сил, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника, например, магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Вследствие большой величины электромагнитного взаимодействия и наличия заряда у ядра атома и у его оболочки, именно это взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов.

3. Сильное ядерное взаимодействие является близкодействующими, оно действует между частицами только на расстояниях, сравнимыми с размерами ядра, а по величине оно больше гравитационного на 38 порядков. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика пришла в ходе изучения структуры атомного ядра. Для объяснения стабильности ядер необходима была какая-то сила, которая могла бы удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба, необходимо было новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым, сильное взаимодействие резко уменьшается на расстоянии превышающем примерно 10^_15м. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы, его испытывают протоны и нейтроны, а электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия было разработано в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются как составные частицы, построенные из более элементарных частиц - кварков. Сильное взаимодействие, вследствие своей большой величины, является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, объясняемой сильным взаимодействием, - это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции и выделяется огромное количество энергии, переносимой на нашу Землю с помощью электромагнитного излучения. Человек тоже научился высвобождать энергию сильного взаимодействия с помощью ядерных реакторов на атомных электростанциях.

Слабое ядерное взаимодействие является близкодействующим, по величине оно больше гравитационного на 23 порядка. Слабое взаимодействие было обнаружено при изучении радиоактивности и бета-распада. Обнаружилось, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики - закон сохранения энергии. Казалось, что в этом распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы "спасти" закон сохранения энергии, Паули предположил, что вместе с электроном при бета-распаде должна вылетать еще одна частица _ нейтрино, она должна быть нейтральной и обладать высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать ранее. Исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны после освобождения из ядра через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ реакции привел к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Очевидно, он порождался какой-то иной силой. Взаимодействие, связанное с этой силой, назвали слабым взаимодействием, оно оказалось гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Радиус слабого взаимодействия оказался очень мал, уже на расстоянии большем 10^-18м от источника оно исчезает. Поэтому данное взаимодействие сильно влияет только на процессы, возникающие при сближении элементарных частиц. Впоследствии выяснилось, что большинство элементарных частиц участвует в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом и А. Саламом.

4.2 Классификация элементарных частиц

Физики выяснили, что главные свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в различных видах взаимодействия, поэтому классификация частиц строится с учетом именно этого фактора. Элементарные частицы принято условно делить на четыре класса: лептоны, мезоны, барионы и частицы_переносчики взаимодействия.

Первый класс - класс лептонов - состоит из частиц, участвующих в слабом взаимодействии и в электромагнитном, если они имеют электрический заряд. Лептоны имеют спин равный 1/2 и лептонный заряд, который, подобно электрическому заряду сохраняется при реакциях взаимопревращения частиц (т.е. суммарное число лептонов при этом не меняется). К лептонам относят шесть типов частиц, отличающихся массами, временем жизни, электрическим зарядом и разновидностями лептонного эаряда: электроны, мюоны, тау-лептоны, электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Среди лептонов наиболее известен электрон. Другой хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино является наиболее распространенной частицей во Вселенной, она легко проникает через вещество. Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название тау_нейтрино. Это очень тяжелая частица, ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном она ведет себя подобно электрону и мюону. В 60-х годах было установлено, что существует еще два типа нейтрино: электронное нейтрино и мюонное нейтрино.

Второй класс - класс барионов - состоит из частиц, обязательно участвующих в сильном ядерном взаимодействии, некоторые из них могут также участвовать и в слабом, и в электромагнитном взаимодействии. Спин барионов равен 1\2, они имеют барионный заряд, который сохраняется при реакциях. К барионам относятся протон, нейтрон и еще около двухсот частиц, отличающихся массами, временем жизни, электрическим зарядом.

Третий класс - класс мезонов. По видам взаимодействий он сходен с классом барионов, но спин и барионный заряд данных частиц равен нулю. К классу мезонов относится до сотни частиц. Самые известные из них, это - пионы, каоны, эта-мезоны.

Мезоны и барионы часто называют общим названием - адроны. Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях элементарных частиц, где они ускоряются до больших скоростей и сталкиваются с неподвижными частицами, что приводит к различным реакциям их взаимопревращения. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Такое множество адронов наводило на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину, появились конкретные идеи о том, как их систематизировать, решающий шаг здесь был сделан в 1963 г., когда была предложена теория кварков.

Четвертый класс частиц состоит из частиц - переносчиков взаимодействий. Эти частицы не являются непосредственно строительным материалом вещества, а обеспечивают четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода "клей", не позволяющий веществу распадаться на части. Четвертый класс состоит из: фотонов - переносчиков электромагнитного взаимодействия, глюонов - переносчиков сильного взаимодействия, бозонов - переносчиков слабого взаимодействия. Высказывается мнение, что возможно существование и переносчиков гравитационного взаимодействия - гравитонов, но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то обнаружить гравитоны экспериментально будет очень сложно.

Согласно современным теориям, все виды взаимодействия между частицами объясняют передачей энергии, импульса, момента импульса с помощью частиц_переносчиков взаимодействия. Впервые данный подход был использован для объяснения электромагнитного взаимодействия, эта теория известна как квантовая теория электромагнитного поля или квантовая электродинамика (КЭД). Для описания взаимодействия с помощью частицы-переносчика в теории используется не только понятие реального фотона (кванта видимого нами света), но вводится понятие виртуального (скоротечного, призрачного, не наблюдаемого экспериментально) фотона, который "видят" только взаимодействующие частицы. В основе КЭД лежит описание электромагнитного поля с использованием понятия передачи взаимодействия за счет испускания и поглощения таких виртуальных фотонов заряженными частицами, а также использование явления взаимного уничтожения (аннигиляции) электронно-позитронной пары с возникновением фотонов и явления порождения фотонами такой пары. Эта теория удовлетворяет принципам квантовой теории и теории относительности. Правильность теории КЭД была проверена на двух эффектах, которые предсказала КЭД и которые не объясняла обычная квантовая механика. Первый касался энергетических уровней атома водорода, согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью - более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих физических теорий. После подобного триумфа, КЭД была принята как модель для квантового описания и других фундаментальных взаимодействий с помощью соответствующих частиц-переносчиков.

Согласно теории и результатам экспериментов каждой частице, кроме фотона, соответствует античастица, которая отличается только противоположным электрическим зарядом и магнитным моментом. Например, электрону соответствует антиэлектрон или позитрон, протону - антипротон. При взаимодействии частицы и античастицы (например, при столкновении частиц с большой кинетической энергией) происходит аннигиляция или исчезновение этих частиц и появление нескольких фотонов или каких-либо других частиц. При взаимодействии элементарных частиц могут возникать также временные виртуальные частицы - так называемые короткоживущие резонансы.

4.3 Гипотеза строения элементарных частиц из кварков

В настоящее время не существует законченной теории, объясняющей все характеристики частиц и все виды реакций, но разработана хорошая гипотеза для классификации частиц. Эта классификация основана на представлении о существовании суперэлементарных частиц - кварков, из которых как бы «состоят» частицы. Под термином «состоят» не следует понимать их простое объединение, т.к. например масса покоя частицы может быть намного меньше масс кварков, из которых она «состоит», этот термин только обозначает тот факт, что при реакциях происходит переобъединение кварков в другие частицы с сохранением суммарных характеристик системы частиц.

Гипотеза строения элементарных частиц из более фундаментальных частиц _ кварков была предложена Гелл-Манном и Цвейгом в 1964 году. Кварки несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо 1 / 3 или 2 / 3 от заряда электрона. Все кварки имеют спин 1/2, поэтому они относятся к фермионам. Чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны, Гелл-Манн и Цвейг ввели три сорта (аромата) кварков: u (от up- верхний), d (от down- нижний), s (от strange - странный) и три соответствующих антикварка. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы, более легкие пары кварк - антикварк образуют мезоны. Например, протон состоит из двух u- и одного d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей". Оказалось, что сильное взаимодействие представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны. Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов (сортов) кварков. Они получили названия: c -кварк (от charm - очарование); b -кварк (от beauty - прелесть); впоследствии был введен еще один аромат - t ( от top - верхний). Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносчики сильного взаимодействия - глюоны (цветовые заряды).

Для описания всех известных (в настоящее время) характеристик частиц оказалось достаточным иметь всего 36 кварков. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков с помощью глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Гипотеза кварков позволила предсказать существование новых частиц, которые были позднее обнаружены экспериментально, но обнаружить экспериментально сами кварки пока еще не удалось. Хотя и существуют некоторые недостатки у кварковой теории, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и предполагается, что между этими двумя различными семействами должна существовать взаимосвязь. Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий и с учетом существования для каждой частицы античастицы) на конец ХХ века равно 48 (лептонов (6х2) = 12, кварков (6х3)х2 =36). По современным представлениям, законченная теория строения материи должна включать кроме самой теории элементарных частиц и теорию фундаментальных взаимодействий.

4.4 Гипотеза Великого объединения всех видов взаимодействия

В 70-е ХХ века в естествознании было установлено, что электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы весьма разные по своей природе, в действительности являются двумя разновидностями единого так называемого электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ века - это убеждение, что все взаимодействия поддерживают в природе некий набор абстрактных симметрий. Принято считать, что объект обладает симметрией, если он остается неизменным в результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов на отрицательные. Таким образом, под симметрией понимается инвариантность (неизменность) свойств относительно какой либо операции. Существуют разные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди последних есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и связаны с преобразованием уровня отсчета или масштаба некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при таком преобразовании. Например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение - от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что с её помощью можно, в принципе, объяснить теоретически все четыре фундаментальных взаимодействия.

Выяснилось, что симметрия электромагнитного взаимодействия входит в симметрию слабого взаимодействия. Для объяснения этого пришлось ввести три новых силовых поля и, соответственно, три новых типа частиц - переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1, их условное обозначение Z, W+ и W- частицы. В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Опираясь на идею спонтанного нарушения симметрии, авторы теории электрослабого взаимодействия Вайнберг и Салам сумели решить великую теоретическую проблему - они объединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля. Проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W и Z -частиц. Их открытие в 1983 году стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа и означало торжество теории единого электрослабого взаимодействия. Из четырех фундаментальных взаимодействий осталось три.

Следующий шаг на пути объединения всех фундаментальных взаимодействий - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Для этого необходимо было придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию и сильное взаимодействие представлять как результат обмена глюонами. Было сделано предположение, что каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля, его назвали цветом (это название не имеет никакого отношения к обычному цвету). Каждый кварк "окрашен" в один из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим, соответственно антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние. Далее теория сильного взаимодействия развивалась по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Были введены восемь новых вспомогательных силовых полей и восемь различных типов переносчиков этих полей - глюонов. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый). Поэтому, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка ("игра цветов"). Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени "суммарный" цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму "красный + зеленый + синий". Такое своеобразное введение “цветов” дало теории сильного взаимодействия название квантовой хромодинамики. С точки зрения квантовой хромодинамики сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Квантовая хромодинамика во многом объясняет правила, по которым возникают всевозможные комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой, сложную структуру адронов и др. Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, тем не менее, ее достижения многообещающи.

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий. Модели единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказывает возможные пути дальнейшего развития единства физики _ объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что величины слабого и сильного взаимодействий становятся равными друг другу при некоторой очень большой энергии частиц, эту энергию называют энергией объединения. При этой энергии (более 1017 МэВ) и на расстояниях r < 10-31м сильные и слабые взаимодействия, возможно, имеют общую природу, при этом кварки и лептоны должны быть практически неразличимы. В настоящее время существуют разные подходы, порождающие конкурирующих варианты теорий Великого объединения. На проверку выводов этих подходов направлены усилия экспериментаторов, но пока еще твердо установленных экспериментальных данных нет. Дело в том, что теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц выше 1017 МэВ, это очень высокая энергия и сейчас трудно сказать, когда удастся получить частицы столь высоких энергий в ускорителях.

Библиографический список

1. И.Е.Иродов. Квантовая физика. М.,С. - Петербург, физматлит, 2001г.

2. И.В.Савельев. Курс физики. Т.3. 1989.

3. А.А.Детлаф, Б.М.Яворский. Курс физики. 1989.

4. Э.В.Шпольский. Атомная физика. Т.2. 1974.

5. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики.-М.: Высшая школа, 1961.

6. Давыдов А.С. Квантовая механика-М.: Физматгиз, 1968.

7. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Квантовая механика.-М.: Наука, 1978.

8. Матвеев А.Н Атомная физика.-М.: Высшая школа,1989.

9. Сивухин Д.В. Общий курс физики.Т.5. Атомная физика.-М.: Наука,1986.

10. Боум А. Квантовая механика.-М.: Мир,1990.

Размещено на Allbest.ru