ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ.
ЧАСТИЦЫ И АНТИЧАСТИЦЫ.
Еще во времена Аристотеля люди методом догадки стремились составить
все многообразие веществ в природе из различных комбинаций нескольких первичных элементов. Эти смутные догадки подтвердились – все химические соединения составлены из различных комбинаций элементов таблицы Менделеева.
Но все атомы этой таблицы сами, в свою очередь, состоят из электронов и
ядер, а все многообразие ядер получается за счет разного числа входящих в состав
ядра протонов и нейтронов. Нейтроны и протоны в свою очередь состоят из неких
частиц.
Таким образом, мы подходим к понятию элементарных частиц. Что же такое элементарные частицы? При введении этого понятия первоначально предполагалось, что это есть первичные, далее неделимые частицы, из которых состоит
вся материя. Таковыми до XX-го века считались атомы (от греческого неделимый).
С открытием новых объектов: ядер, протонов, нейтронов, лептонов, пионов
и др. Элементарные частицы переставали быть элементарными. У них оказалась
сложная структура. Встает вопрос, а есть ли вообще элементарные (неделимые)
частицы?
В настоящее время элементарными частицами условно называют
большую группу мельчайших частиц, не являющихся атомами или атомными
ядрами (за исключением протонов – ядер атома водорода). Общее, что роднит
все элементарные частицы, состоит в том, что все они являются формами материи
(их нельзя представить как объединения других частиц).
Физика элементарных частиц – физика высоких энергий: для взаимодействия частиц необходима высокая энергия.
Таким образом, элементарные частицы – это самая маленькая частица, которую можно наделить массой, зарядом и др. свойствами. Характерной чертой,
особенностью элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям.
В настоящее время элементарными частицами условно называют большую
группу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами,
т.е. это самая маленькая частица, которую можно наделить массой, зарядом, спином и др. свойствами. Характерной особенностью элементарных частиц является
их способность к взаимным превращениям. Большинство элементарных частиц
нестабильно – они самопроизвольно (спонтанно) превращаются в другие частицы.
Стабильными являются электрон, фотон, все виды нейтрино и их античастицы.
Известно, что элементарные частицы взаимодействуют друг с другом, причем существует четыре типа взаимодействия. Любое взаимодействие характеризуется некоторой константой (постоянной) определяющей вероятность сильного взаимодействия.
ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРИРОДЕ
Сильное или ядерное обуславливает связь нуклонов в ядре. Постоянная
взаимодействия = 10, а расстояние при котором это расстояние проявляется r
= 10-13 – 10-15 м.
Электромагнитное – характеризуется как взаимное, в основе которого лежит связь с электрическим полем. Оно характерно для всех элементарных частиц
за исключением нейтрино и антинейтрино. Постоянная взаимодействия = 10-12,
а радиус действия неограничен. Ответственно за существование атомов и молекул.
Слабое – наиболее медленное из всех взаимодействий протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействия частиц, происходящих с участием
нейтрино и антинейтрино, то есть процессы с временем жизни τ = 10-10 с. Постоянная взаимодействия = 10-14 , кок и сильное оно является короткодействующим
взаимодействием.
Гравитационное – присуще всем частицам без исключения, однако из-за
малых масс элементарных частиц, оно очень мало. Постоянная взаимодействия
= 10-39, а радиус действия неограничен. То есть в процессах микромира это
взаимодействие роли не играет.
При классификации частиц их обычно подразделяют на четыре класса, хотя
предположительно существует еще один класс частиц – гравитоны (кванты гравитационного поля), однако частицы эти экспериментально не обнаружены.
РАССМОТРИМ ЭТИ КЛАССЫ:
1. Фотоны – эта группа из одной частицы, кванта электрического поля γ.
Участвует в электрических взаимодействиях, но не обладают ни слабым,
ни сильным взаимодействием.
2. Лептоны (от греческого слова «лептос» – легкий). К их числу относятся
электронное нейтрино, мюоны, электроны, тау-лептоны, мюонное нейтрино, тау-нейтрино, (то есть частицы и их античастицы). Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Кроме того электроны и мюоны (имеющие
элементарный заряд) обладают также элементарным магнитным взаимодействием.
3. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы. К их числу
относят пионы, К-мезоны или каоны, эта-мезоны. Например масса Кмезона = 970me, эта-мезона =1074me. Время жизни от 10-8 до 10-19 с. В отличие от лептонов, мезоны могут обладать сильным, слабым и электромагнитным взаимодействием.
4. Барионы – это класс элементарных частиц объединяющих в себя нуклоны
(p, n) и нестабильные частицы с массой больше массы нуклонов получивших название гиперонов. Эти частицы присутствуют в космическом излучении падающем на Землю. Исследование этого излучения позволило получить основные экспериментальные данные по элементарным частицам.
Иногда мезоны и барионы объединяют в один класс – адроны (от греческого «адрос» – крупный, сильный).
2
Мы отмечали существование античастиц. Впервые гипотеза об античастице
возникла в 1928г. когда П. Дирак на основе релятивистского волнового уравнения
предсказал существование позитрона, обнаруженного экспериментально в 1932г
в составе космического излучения. Релятивистская квантовая теория приходит к
выводу, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица
(принцип зарядового сопряжения).
Согласно теории Дирака, столкновение частицы и античастицы должно
приводить к их взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие
элементарные частицы или фотоны.
Пример: аннигиляция пары (электрон-позитрон) в результате чего возникают два γ кванта (см. Савельев И. В. Курс физики, 1988 г., т.3, § 56).
Наглядная таблица классификации дана у Трофимовой Т.И. курс физики
1985г стр.413.
Сравнительно недавно (1964 г.) физика обогатилась совершенно необычными частицами. Эти частицы, их называют кварки, никогда не становятся реальными. Они всегда виртуальны, то есть их нельзя наблюдать отдельно от других частиц.
Кварки ввели для объяснения свойств адронов, что они состоят из 3 кварков
(вначале), причем им приписывают дробный электрический заряд +2/3, –1/3. Существуют также и антикварки.
Внутри адронов кварки удерживает особое поле, его называют глюонным.
Оно подобно электромагнитному полю, удерживающему электроны внутри атома. У кварка помимо электрического есть и глюонный заряд, создающий глюонное поле. Глюон подобен фотону, но является сильно взаимодействующими частицами. Считается, что существует 6 типов кварков u(up), d(down), s(strange),
c(charm), t(top), b(beauty) – называют их верхний, нижний, странный, очарованный, высший, и прелестный. Существует и 6 антикварков.
Кроме заряда кварки имеют еще одно квантовое число – цвет, принимающий три значения: красный, желтый, синий. Цвет изменяется при испускании
глюона.
3