Элементарные частицы и их классификация. Понятие о кварках

Элементарной называется частица, которая на современном уровне развития науки не обнаруживает внутреннего строения, а ее размеры недоступны измерению. Фундаментальным свойством всех элементарных частиц является их способность к взаимному превращению. Элементарные частицы принято классифицировать по тому типу взаимодействия, в которое они вступают и по значению их собственного момента импульса (спина).

По типу характерных для частиц взаимодействий они делятся на четыре класса.

1 Фотоны – кванты электромагнитного поля, участвуют в электромагнитном взаимодействии, но не обладают сильным и слабым.

2 Лептоны – частицы, не обладающие сильным взаимодействием (электрон, позитрон, мюон, нейтрино, антинейтрино и др.). Все лептоны участвуют в слабом взаимодействии, заряженные лептоны участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

3Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, участвуют также в слабом и электромагнитном взаимодействии (p-мезон, К-мезон и др.)

4 Барионы – частицы, обладающие сильным взаимодействием (протон, нейтрон, все гипероны). Заряженные барионы участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами.

По значению собственного момента импульса (спина) элементарные частицы делятся на два класса:

1 Фермионы – частицы с полуцелым спином, описывающиеся антисимметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Ферми–Дирака (электрон, протон, нейтрон и др.).

2 Бозоны – частицы с нулевым или целочисленным спином, описывающиеся симметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Бозе–Эйнштейна (p-мезон, фотон).

Все лептоны и барионы являются фермионами, а мезоны и фотон – бозонами. Для фермионов справедлив принцип Паули, согласно которому в системе тождественных фермионов не может быть двух частиц, обладающих одинаковым набором квантовых чисел. Ранее мы сформулировали этот принцип для электронов в атоме и объяснили с его помощью заполнение электронных оболочек атомов (Периодическая система элементов Д.И. Менделеева). Однако принцип Паули имеет более широкую область применения, ему подчиняется поведение любых коллективов тождественных фермионов (атомное ядро, электронный газ в металлах и т.д.). Для коллектива бозонов принципа запрета Паули нет.

Все переносчики взаимодействий являются бозонами, а кварки и лептоны – фермионами. В связи с этим бозоны принято ассоциировать с взаимодействием, а фермионы – с веществом. Суперсимметрия объединяет фермионы и бозоны в рамках одной теории и говорит о возможности превращения бозонов и фермионов друг в друга.

Использование термина “элементарные” становится неоправданным, когда мы говорим о почти 400 частицах и античастицах, открытых к настоящему времени. Развитие работ по классификации частиц все время сопровождалось поисками новых более фундаментальных частиц, из которых построены все адроны (барионы и мезоны). В 1964 г. независимо друг от друга Дж. Цвейг и Гелл-Манн высказали гипотезу о существовании т.н. кварков. Согласно теории Цвейга–Гелл-Манна все известные к тому времени адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков: u (от англ. “up”, т.е. “вверх”), d (down – вниз) и s (strange – странный или sideways – боковой) и соответствующих им антикварков. Кварки обладают дробным электрическим зарядом, полуцелым спином (т.е. являются фермионами) и рядом других характеристик. Мезоны состоят из пары кварк–антикварк, барионы из трех кварков (например, протон имеет кварковую структуру uud). Кварки существуют только внутри адронов и не наблюдаются как изолированные объекты.

Увеличение числа элементарных частиц привело к необходимости расширения системы кварков. Пришлось постулировать существование еще трех кварков: с (charmed – очарованный), b (bottom – нижний или beauty – прелестный) и t (truth – истинный).

Реальное существование кварков подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, характер рассеяния быстрых электронов протонами свидетельствует о наличии внутри протона трех точечных рассеивающих центров с дробным электрическим зарядом, что полностью соответствует трехкварковой модели протона.

Все попытки наблюдать кварки как изолированные объекты оказались безуспешными, они в принципе не могут существовать в свободном состоянии. Применительно к кваркам даже существует термин конфайнмент (от английского confinement, что означает “тюремное заключение”). Причиной конфайнмента является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом. При малых расстояниях эти силы малы, однако с увеличением расстояния силы взаимодействия между кварками очень быстро растут, не позволяя кваркам вылететь из адрона.

В наши дни принята Стандартная модель, по которой всё вещество состоит из 24 частиц-фермионов: 6 лептонов, 6 кварков и 12 античастиц. Частицами-переносчиками взаимодействий являются 8 глюонов, 3 тяжёлых бозона, один фотон. Теоретически предсказано существование бозона Хиггса, отвечающего за массу.

Контрольные вопросы

1 Как развивались представления о строении атома?

2 Сформулируйте постулаты Бора.

3 Каковы основные результаты решения уравнения Шредингера для атома водорода?

4 Какие физические величины, характеризующие состояние электрона в атоме, оказываются дискретными?

5 Какие квантовые числа Вы знаете? Что они характеризуют?

6 Когда атом поглощает или излучает энергию? Запишите закон сохранения энергии для элементарного акта излучения или поглощения.

7 Какие частицы называются в квантовой теории тождественными? В чем заключается принцип неразличимости тождественных частиц?

8 Сформулируйте принцип Паули. Поведение каких систем объясняется этим принципом?

9 Из каких элементарных частиц состоит атомное ядро?

10 Что такое дефект массы и энергия связи ядра? Какие ядра обладают наибольшей энергией связи?

11 Перечислите свойства ядерных сил.

12 Что такое радиоактивность?

13 Запишите закон радиоактивного распада. Каков физический смысл периода полураспада?

14 Приведите примеры α-распада и β-распада.

15 Какова причина возникновения γ-излучения?

16 Сравните радиоактивные излучения по проникающей и ионизирующей силе.

17 Охарактеризуйте основные типы фундаментальных взаимодействий

18 Какие частицы называются элементарными? Как они классифицируются?

19 Что такое кварки?

Модуль 3Химические основы технологий

3.1Элементы современной химии