ОСНОВЫ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

План

1. Элементарные частицы. Основная систематика элементарных частиц.

2. Заряды и законы сохранения.

3. Античастицы.

4. Понятие о кварках.

1. Элементарными частицами (ЭЧ) называются микрочастицы, относительно которых в настоящее время нет доказательств, что они являются составными (например электрон, протон, нейтрон). Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Они могут превращаться друг в друга, но не расщепляться на составляющие. Так в реакции распада свободного нейтрона n→p+e^-+ṽ нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино, которые не входили в состав нейтрона и возникли в самом процессе. Распад на части не означает, что объект состоит из этих частей.

ЭЧ участвуют в различных взаимодействиях (см.табл., цифры из /4/)

Сильное взаимодействие обусловливает связь протонов в ядрах и, тем самым, обеспечивает прочность ядер.

Электромагнитное взаимодействие ответственно за само существование атомов и молекул за счет взаимодействия отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ядер, вызывает разлет осколков при делении атомных ядер

Слабое ответственно за взаимодействие частиц, происходящее с участием нейтрино и антинейтрино, например β-распад.

Гравитационное присуще всем ЭЧ без исключения, но в силу малости масс ЭЧ в микромире несущественно.

Основная систематика элементарных частиц

Элементарные частицы (ЭЧ) можно разделить на фотоны, лептоны и адроны.

Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействиями.

Лептоны (от греч. «Лептос» - легкий) – электроны, мюоны, таоны, нейтрино. Участвуют в слабом взаимодействии и электромагнитном для заряженных частиц (e, ϻ^-, ϻ⁺, τ^-, τ⁺).

Адроны (от греч. «адрос» -крупный, массивный) участвуют в сильных взаимодействиях, делятся на мезоны и барионы.

Мезоны (от греч. «мезос» - средний, промежуточный) занимают положение между электронами и нуклонами (по массе). Например,π-,K-мезоны. Обладают целочисленным спином (или равен нулю). Как и фотоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и относятся к бозонам. Мезоны участвуют в сильном, слабом, и, если заряженные частицы, в электромагнитом взаимодействии.

Тяжелые частицыбарионы -это адроны с полуцелым спином, в свою очередь делятся на нуклоны и гипероны. За исключением протона все барионы нестабильны. Лептоны и барионы подчиняются статистике Ферми-Дирака и относятся к фермионам.

Гипероны (греч. сверх, свыше) – нестабильные ЭЧ (распадаются на нуклоны и легкие частицы) с массой больше нуклонной и большим (по ядерным масштабам) временем жизни(10^-10-10^-19с).(Например, Ω, Λ,Ξ-гипероны)

Заряды и законы сохранения

При взаимопревращениях микрочастиц справедливы законы сохранения. В частности при любом взаимопревращении частиц алгебраические суммы электрических зарядов исходных и конечных частиц равны. Этот закон позволяет заведомо исключить из рассмотрения те схемы, где суммарный электрический заряд не сохраняется. Но для объяснения многочисленных экспериментальных фактов было допущено существование зарядов неэлектрической природы, которые также сохраняются.

Барионный заряд. Для всех процессов с участием барионов барионный заряд сохраняется (закон сохранения барионного заряда). При этом барионам (нуклонам и гиперонам) приписывается заряд +1 (и -1 для антибарионов). Всем остальным частицам 0.

Лептонный заряд. Не вдаваясь в детали, лептонам приписывается заряд +1, для антилептонов -1, для всех остальных частиц 0. При превращениях с участием лептонов выполняется закон лептонного заряда. (Примечание: лептоны е^-, ν_е, ϻ^-, ν _ϻ, τ^-, ν _τ; антилептоны е⁺, , ϻ⁺, ν _ϻ, τ⁺, _τ).

Античастицы. В общем случае античастицы отличаются от частиц только знаками зарядов (электрического, барионного, лептонного). Антипротон р^- отличается от протона р⁺ знаками электрического заряда, антинейтрон от нейтрона n знаком магнитного момента, антинейтрино от нейтрино ν спиральностью (спиральность – состояние, определяемое проекцией спина частицы на направление движения). Если проекция >0, то считается правовинтовая спиральность, если < 0, то левовинтовая). В некоторых случаях античастица совпадает со своей частицей. Такие частицы называются истинно нейтральными. К ним относятся, например фотон, γ-квант, π^о – мезон.

Аннигиляция и рождение пар

При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция, когда энергия этой пары превращается в энергию γ-квантов. е+е⁺→γ+γ. Возможен обратный процесс: в поле атомного ядра γ-квант может породить пару е^- и е⁺, если энергия γ-кванта не меньше энергии 2m_ec²

Понятие о кварках

Согласно кварковой гипотезе все адроны являются составными частицами и состоят из первичных частиц – кварков. Кварки отличаются от всех известных частиц дробностью заряда (-⅓е или +⅔е). Каждый барион состоит из трех кварков. Например нуклоны (р и n)

p n

+⅔е +⅔е -⅓е -⅓е

+⅔е

-⅓е +⅔е

Гипотеза получила косвенное подтверждение. Однако многочисленные поиски свободных кварков оказались безуспешными. Возможно, что в свободном состоянии кварки не существуют или энергия связи кварков в адронах весьма велика и недоступна современным ускорителям.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие частицы считаются элементарными?

2. Какие фундаментальные типы взаимодействий есть в природе? Сравните их по интенсивности.

3. Какое взаимодействие является универсальным?

4. Приведите таблицу основной систематики элементарных частиц. Кратко охарактеризуйте каждую группу частиц.

5. Какие законы сохранения выполняются при слабых взаимодействиях? При сильных взаимодействиях?

6. В чем суть гипотезы о существовании кварков?

7. Чем отличаются частицы от античастиц?

Заключение

Физика- это фундаментальная база для теоретической подготовки специалиста. Изучение основных физических явлений и идей, овладение фундаментальными понятиями, законами современной физики формирует умение выделить конкретное физическое содержание в прикладных задачах будущей специальности. Физика- база для новых отраслей техники; квантовая механика- для электроники, лазерной техники, нанотехнологий, информационных технологий; ядерная физика- для новых направлений медицинской техники и т.д. Кроме того физика помогает развитию умственных способностей, воспитанию воли и характера при достижении поставленной цели. Физика-

это ведущая наука о природе.