гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.

Интенсивность каждого взаимодействия принято характеризовать константой взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия.

Гравитационное взаимодействие.Константа этого взаимодействия имеет величину порядка . Радиус действия не ограничен . Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения частицы. Однако в процессах микромира это взаимодействие существенной роли не играет. Существует предположение, что это взаимодействие передается гравитонами (квантами гравитационного поля). Однако к настоящему моменту ни каких экспериментальных фактов, которые подтвердили бы их существование не обнаружено.

Электромагнитное взаимодействие. Константа взаимодействия равна примерно , радиус действия не ограничен .

Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия имеет величину порядка 10. Наибольшее расстояние на котором проявляется сильное взаимодействие составляет величину порядка м.

Слабое взаимодействие.Это взаимодействие отвечает за все виды - распада ядер, включая электронный К-захват, за процессы распада элементарных частиц и за процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Порядок величины константы этого взаимодействия составляет . Слабое взаимодействие, также как и сильное, является короткодействующим.

Вернемся к частице Юкавы. По его теории существует частица, передающая сильное взаимодействие, так же как фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия, её назвали мезоном (промежуточный). Эта частица должна иметь массу промежуточную между массами электрона и протона и составлять . Поскольку фотоны не только передают электромагнитное взаимодействие, но существуют и в свободном состоянии, следовательно, должны существовать и свободные мезоны.

В 1937 году в космических лучах был открыт - мезон (мюон), который, однако не обнаруживал сильного взаимодействия с веществом. Искомую частицу обнаружили тоже в космических лучах через 10 лет Пауэлл и Оккиалини, назвали её - мезоном (пион).

Существуют положительный , отрицательный и нейтральный мезоны.

Заряд и мезонов равен элементарному заряду. Масса заряженных мезонов одинакова и равна 273 , масса электронейтрального - мезона немного меньше и составляет 264 . Спин всех трех мезонов равен нулю; время жизни заряженных мезонов составляет 2,6 с, а время жизни - мезона 0,8 с.

Все три частицы не стабильны.

Элементарные частицы обычно делят на четыре класса:

1. Фотоны(кванты электромагнитного поля). Они участвуют в электромагнитном взаимодействии, но никак не проявляют себя в сильном или слабом взаимодействиях.

2. Лептоны. К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны и позитроны , мюоны , а также все виды нейтрино. Все лептоны имеют спин равный ½. Все лептоны являются носителями слабого взаимодействия. Заряженные лептоны участвуют также в электромагнитном взаимодействии. Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Они не распадаются на составные части, не имеют внутренней структуры и не имеют поддающихся определению размеров верхний предел м).

Последние два класса составляют сложные частицы, имеющие внутреннюю структуру: мезоны и барионы. Их часто объединяют в одно семейство и называют адронами.

К этому семейству относятся все три - мезона, а также К-мезоны. В класс барионов входят нуклоны, которые являются носителями сильного взаимодействия.

Как уже говорилось, уравнение Шрёдингера не удовлетворяет требованиям принципа относительности – оно не является инвариантным по отношению к преобразованиям Лоренца.

В 1928 году англичанин Дирак получил релятивистское квантовомеханическое уравнение для электрона, из которого естественным образом вытекало существование спина и собственного магнитного момента электрона. Это уравнение позволило предсказать существование античастицы по отношению к электрону – позитрона.

Из уравнения Дирака получалось, что энергия свободной частицы может иметь как положительные, так и отрицательные значения.

Между наибольшей отрицательной энергией и наименьшей положительной энергией имеется интервал энергий, которые не могут реализоваться. Ширина этого интервала равна . Следовательно, получаются две области собственных значений энергии: одна начинается от простирается до + , другая начинается от и простирается до . Согласно Дираку, вакуум – это пространство, в котором все разрешенные уровни с отрицательными значениями энергии полностью заполнены электронами (согласно принципу Паули), с положительными – свободны. Поскольку заняты все без исключения уровни ниже запрещенной полосы, то электроны, находящееся на этих уровнях никак себя не проявляют. Если одному из электронов на отрицательном уровне сообщить энергию , то этот электрон перейдет в состояние с положительной энергией, то он будет вести себя там как обычная частица с отрицательным зарядом и положительной массой. Вакансия (дырка), образовавшаяся в совокупности отрицательных уровней буде восприниматься как частица с положительными зарядом и массой. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном.

Рождение электронно-позитронной пары происходит при прохождении -фотонов через вещество. Это один из процессов, приводящих к поглощению - излучения веществом. Минимальная энергия - кванта, необходимая для рождения электронно-позитронной пары равна 1,02 МэВ ( что совпадало с расчетами Дирака) и уравнение такой реакции имеет вид:

где Х – ядро, в силовом поле которого происходит рождение электронно-позитронной пары; именно оно и принимает избыток импульса - кванта.

Теория Дирака показалась современникам слишком «сумасшедшей» и была признана только после того, как в 1932 году Андерсон обнаружил позитрон в составе космического излучения. При встрече электрона с позитроном происходит аннигиляция, т.е. электрон снова возвращается на отрицательный уровень.

В несколько измененном виде уравнение Дирака применимо к другим частицам с полуцелым спином. Следовательно, для каждой такой частицы существует своя античастица.

Почти все элементарные частицы, как было уже сказано, принадлежат к одному из двух семейств:

1. Лептоны.

2. Адроны.

Основное различие между ними заключается в том, что адроны участвуют в сильном и электромагнитном взаимодействиях, а лептоны – нет.

Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Их всего было четыре: электрон ( ), мюон ( ), электронное нейтрино ( ), мюонное нейтрино . Позже были открыты лептон и его нейтрино . Они не распадаются на составные части; не обнаруживают ни какой внутренней структуры; не имеют поддающихся определению размеров .

Адроны более сложные частицы; они обладают внутренней структурой и участвуют в сильном ядерном взаимодействии. Это семейство частиц можно разделить на два класса:

мезоны и барионы ( протон, нейтрон, -барионы). Последние четыре вида барионов могут распадаться, в конечном счете, на протоны и нейтроны.

В 1963 году Гелл-Манн и независимо от него Цвейг высказали идею, согласно которой все известные адроны построены из трех истинно элементарных частиц – кварков, которые имеют дробный заряд.

u- кварк q = + ; d – кварк q = - ; s – кварк q = - .

До 1974 года все известные адроны удавалось представить как комбинацию этих трех гипотетических частиц, но открытый в этот год тяжелый - мезон не укладывался в трехкварковую схему.

Основываясь на глубокой симметрии природы, часть физиков высказала гипотезу о существовании четвертого кварка, который получил название «очарованный» его заряд равен q = + . Отличается этот кварк от остальных наличием свойства или квантового числа С = +1 - названного «очарованием» или «charm».

Вновь открытый - мезон оказался комбинацией «очарованного» кварка и его антикварка.

Дальнейшие открытия новых адронов потребовало введение пятого (в) и шестого (t) кварка. Различие между кварками стали называть «цветом» и «ароматом».