Пути познания микрочастиц от протонов до кварков доклад
Обновлено: 02.07.2024
В конце XVIII — начале XIX века физики были твердо убеждены, что в их науке больше нечего исследовать и никаких прорывов в ней не предвидится. Однако прошло всего полвека, и в научных журналах стали появляться статьи, описывавшие необъяснимые результаты экспериментов. То Рентген откроет лучи, которые проникают через стекло и отклоняются в магнитном поле, то Беккерель засветит фотопластинку минералом урана… Эти явления заставили людей задуматься о том, что атомный мир намного сложнее, чем они думали.
Какие бывают элементарные частицы
После открытия электрона ученые ввели в картину мира фотон и остальные бозоны , дополнили список лептонов и открыли кварки .
С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено. Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:
- то, что мы видим невооруженным глазом;
- молекулярная структура;
- атомная структура;
- элементарный уровень.
Да, их очень много — но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).
Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы
Элементарные частицы, в отличие от атомов, — это не всегда реально существующие объекты. Это, скорее, модели, созданные для описания разных видов взаимодействий и свойств материи.
Например, электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов, ядро атома находится в стабильном состоянии благодаря мезонам — частицам, удерживающим протоны и нейтроны.
Физики выделяют разные виды взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное) и типы материи (атомы, антиматерия, темная материя, излучения). Чтобы изучить их свойства, нужно подробно описать их природу.
Чтобы разобраться в мире элементарных частиц, мы расскажем обо всех 17 частицах Стандартной модели, разделив их на две большие группы: фермионы и бозоны.
I. Фермионы
В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.
Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.
Как устроен атом
Долгое время протоны и нейтроны считались неделимыми, но они слишком большие для элементарных частиц. Позже ученые установили, что каждая из них состоит из трех кварков.
Кварки — любители ходить в парах
В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.
Лептоны — одиночки
Второй тип фермионов — лептоны , их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).
Лептоны похожи на волков-одиночек, и самый влиятельный и могущественный среди них (прямо как волк с Уолл-стрит) — электрон, самый распространенный и наиболее изученный лептон.
Нейтрино — неуловимые лептоны
Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.
Каждое нейтрино соответствует своему лептону (электрону, мюону, тау-лептону), так как напоминает его по своим квантовым характеристикам. Разные виды этих частиц, двигаясь совместно, могут переходить друг в друга — это называется нейтринной осцилляцией.
Итак, фермионы бывают двух видов: кварки и лептоны. Первые могут существовать только группами, а вторые — только по отдельности. Первые входят в состав ядер атомов, вторые — в состав электронных оболочек этих атомов.
А теперь мы переходим ко второй, не менее интересной группе элементарных частиц — бозонам. Готовы спорить, что она у вас на слуху благодаря одному известному ее представителю.
II. Бозоны
Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи́не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот. А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.
Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов
Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой. Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.
Выделяют 8 типов глюонов.
Глюоны напоминают кварки и фотоны одновременно: их никогда не видели в свободном состоянии, они не имеют заряда и в теории не обладают массой. Глюоны отвечают за передачу между кварками квантовой характеристики, называемой цветом (общее с теми цветами, которые мы видим, — только название).
Последний тип — бозоны Хиггса — очень странная вещь. Они существовали лишь теоретически, их долго не могли обнаружить, однако в 2012 году это удалось сделать с помощью Большого адронного коллайдера (БАК).
Бозон Хиггса обуславливает массы всех элементарных частиц. Его открытие завершило Стандартную модель.
Она описывает 3 вида взаимодействий: электромагнитное, сильное (между нуклонами в ядре атома) и слабое, но ее нельзя считать Теорией всего, так как она не описывает, например, гравитационное взаимодействие, темную материю и энергию. Так что у физики большое и светлое будущее.
Итак, бозоны переносят различные виды взаимодействий. Они имеют целочисленный спин и различаются между собой массой и свойствами. Существование всех этих частиц ученые уже доказали с помощью БАК.
Составные частицы
Фермионы и бозоны — это лишь основа всей физики элементарных частиц. Соединяясь, они образуют что-то вроде молекул. Это очень похоже на химическую реакцию: две элементарные частицы могут соединяться друг с другом, как и химические вещества.
Самый известный вид составных частиц — адроны. Их делят на два вида: барионы и мезоны. Барионы — это частицы, состоящие из кварков, в том числе протоны и нейтроны; мезоны переносят взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов.
Сегодня мы знаем Вселенную едва ли на 0,1 %. С помощью физики мы пытаемся расширить границы познания и описать всё, что нам непонятно. Но каждый новый шаг вперед всё труднее: если пять лет назад вы были на острие прогресса и понимали всё, что происходит в вашей науке, то сегодня она вас озадачит своей сложностью и запутанностью.
Однако сложность добавляет физике прелесть и очарование, которое притягивает новые пытливые умы. С помощью них мы, быть может, скоро создадим Теорию всего и постигнем все тайны мироздания.
А потом природа преподнесет нам сюрприз, и окажется, что всё, что мы знали, — полная туфта.
Бозоны
В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие — то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано). Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие. Самый простой пример слабого взаимодействия — распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а распадается на электрон и нейтрино.
Остается последний бозон — бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.
Фермионы
Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.
Лептоны
Лептоны бывают трех поколений, в каждом поколении два лептона — один заряженный и один нейтральный. Первое поколение: электрон и электронное нейтрино, второе — мюон и мюонное нейтрино, третье — тау-лептон и . Лептоны очень похожи друг на друга, мюоны и (так же как и электроны) могут образовывать атомы, заменяя на орбиталях электроны. Главное их отличие — в массе: мюон в 207 раз тяжелее электрона, а в 17 раз тяжелее мюона. С нейтрино должна быть похожая история, но их массы настолько малы, что до сих пор не измерены. Эти массы точно ненулевые, доказательство этого факта было отмечено Нобелевской премией в 2015 году. Мюон и нестабильны: время жизни мюона примерно 0,2 миллисекунды (что на самом деле довольно долго), тау-лептон распадается примерно в 17 раз быстрее. Особенности нейтрино состоят в том, что они участвуют только в слабом взаимодействии, из-за этого их очень трудно засечь. Также они могут произвольно менять свой сорт: к примеру, электронное нейтрино может внезапно превратиться в мюонное, или наоборот. В отличие от бозонов, у лептонов существуют античастицы. Таким образом, всего лептонов не 6, а 12.
Кварки
Конфайнмент
Хорошо — допустим, что кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают. В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается. Но в момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.
Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль. Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.
В поисках теории всего
МИКРОЧАСТИЦЫ — частицы очень малой массы; к ним относятся элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы.
Экспериментальная и теоретическая физика установила, что микрочастица это частица вещества и полевой материи. Полевая материя является переносчиком взаимодействия. Теоретическая физика стремится к созданию единой теории поля, к объединению всех полей взаимодействия: гравитационного, слабого, сильного и т.д.
Физика микрочастиц открывая новые микрочастицы одновременно открывает закономерности математического аппарата, который описывает поля и предсказывает в них то или иное физическое явление (каналы распада микрочастиц или их образование). В настоящее время нет описания пространства, обладающего той связностью, которая рас кодировала бы тот огромный материал, который накоплен в экспериментах.
Фундаментальное понятие связности, которое дало особенно сильные результаты в теории Коши, вообще не отражено при классификации микрочастиц.
Таким аппаратом являются методы теории функций пространственного комплексного переменного (ТФКПП). Структура много связного пространства, описываемая этим аппаратом, соответствует структуре физического пространства микрочастиц.
Кварковая модель адронов
Главная идея, высказанная впервые М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом, состоит в том, что все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц – кварков.
Целый пласт новых явлений и понятий был вскрыт благодаря гипотезе, гласящей что все адроны построены из фундаментальных частиц, названных кварками.
Кварковая модель была предложена в то время, когда были известны лишь так называемые легкие адроны, то есть состоящие только из легких кварков, u, d и s.
Эта модель сразу привела в порядок всю систематику этих адронов. На ее основе не только была понята структура уже известных к тому времени частиц, но и предсказан ряд неизвестных в то время частиц, а открытие очарованных частиц, а затем и еще более тяжелых адронов, содержащих b-кварки, и исследование их свойств явилось блестящим подтверждением кварковой теории адронов.
Впервые, благодаря большой массе с- и b-кварков, предстала во всем своем богатстве и наглядности картина уровней системы кварк-антикварк. Эффект от этого открытия был очень велик.
В кварки поверили даже те, кто раньше относился к ним более чем скептически. Создание и развитие квантовой хромодинамики так же пролило свет на несогласованности имевшие место в кварковой модели.
В настоящее время нет ни одного факта, который бы противоречил квантовой хромодинамике. Однако целый ряд явлений находит в ней лишь качественное объяснение, а не количественное описание.
Классификация кварков: ароматы и цвета
Для согласования кварковой модели адронов с принципом Паули был предложен новый, усложненный вариант модели. Эта модель была предложена в 1965г Н. Н. Боголюбовым, Б. В. Струминским, А. Н. Тавхелидзе в СССР и независимо Й. Намбу, М. И. Ханом в США.
В ней каждый из кварков может появляться в трех различных состояниях, идентичных по всем свойствам, кроме нового особого свойства, названного “цветом” (например, кварки могут быть красными, синими или желтыми). Цвет не имеет прямого отношения к тому, что принято называть цветом в повседневной жизни.
Кварки никак нельзя мыслить в виде окрашенных шариков. Определенный тип кварков (u, d или s) часто именуют “ароматом”. Кварки, как говорят, различают по цвету и аромату.
Согласно этой терминологии каждый аромат кварка может проявляться в трех различных цветовых состояниях, характеризуемых одинаковыми массами, электрическими зарядами и всеми другими свойствами. Антикварки имеют цвета антижелтый, антисиний, антикрасный. Число различных кварков, включая антикварки, равно: 6 x 2 x 3 = 36.
На первый взгляд может показаться, что утроение числа кварков должно привести к значительному увеличению числа адронов, составленных из кварков. Однако в действительности это не так. Чтобы результаты новой кварковой модели согласовались с действительностью, вводится принцип “бесцветности”. Согласно этому принципу все адроны должны быть бесцветными или белыми. Это означает, что каждый барион должен состоять из трех кварков различных цветов. Так как кваркам приписывают основные цвета спектра, то каждая комбинация может быть названа белой, поскольку при смешении основных цветов получается белый цвет.
Первыми были обнаружены электрон, протон, нейтрон и фотон — квант электромагнитного поля. Из пер-
У каждой частицы, кроме фотона, оказалась еще и античастица. Сейчас элементарных частиц уже более трехсот. К ним относят и те частицы, которые получают на мощных циклотронах, синхротронах и других ускорителях. Есть элементарные частицы, возникающие при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют несколько миллионных долей секунды, потом распадаются, видоизменяются, превращаясь в другие элементарные частицы, или испускают энергию в форме излучения.
Современная наука выявила единство на самом глубоком уровне: наблюдаемое вещество состоит из фотонов, лептонов (электроны, мюоны, нейтрино) и кварков.
Помимо переносимых фотонами электромагнитных взаимодействий существуют сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки в барионы (протоны, нейтроны и пр.) и мезоны.
Классификация микрочастиц: фермионы и бозоны; лептоны; кварки; адроны; нуклоны
Слабые ядерные взаимодействия ответственны за распад нейтронов, например. Все они описываются единой нелинейной теорией, обобщающей уравнения Максвелла. Такое обобщение было сделано в 1954 г. Ч.Янгом и Р. Миллсом, и другие обобщения называются также теорией Янга — Миллса. Ранее подобные теории выдвигали Г. Ми и М. Борн, А. Эйнштейн и Я. И.Френкель. Хотя проблема элементарных частиц связана с самими основами науки, их изучение ведется в некотором отрыве от других областей физики.
Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, электрический заряд, спин, среднее время жизни, магнитный момент, пространственная четность, барионный заряд и квантовые числа.
Масса элементарных частиц — это масса покоя, поскольку она не зависит от состояния движения.
Ее определяют по отношению к массе покоя электрона mе, самой маленькой из масс покоя. Нейтрон и протон тяжелее электрона почти в 2000 раз. Но есть и очень тяжелые частицы, например Z-частицы, получаемые на ускорителях, с массой покоя 2 000 000 те. Фотоны вообще не имеют массы покоя. По массе частицы делят на лептоны (электрон и нейтрино); мезоны (с массой от 1 до 1000 те); барионы (с массой более 1000 те).
В состав барионов входят протоны, нейтроны, гипероны и др.
В 1963 г. была высказана гипотеза о существовании частиц с дробным зарядом — кварков.
Спин — одна из важнейших характеристик элементарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1; это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360°.
Частица со спином — 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т. е. в 720°. Спин протона, нейтрона и электрона — 1/2. Существуют частицы со спином 3/2, 5/2 и т.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:
фермионы (название дано в честь Энрико Ферми) — с полуцелыми (1/2, 3/3, …) спинами.
Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса — лептоны (от греч. leptos — легкий) и кварки. Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адрона-ми (от греч. adros — сильный). Заряженные лептоны могут так же, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и нейтрино, проходить сквозь всю Землю, ни с чем не взаимодействуя. У каждой частицы есть и античастица, отличающаяся только зарядом;
бозоны (названные в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе, одного из создателей квантовой статистики) — это частицы с целыми спинами (0, 1, 2), бозоны переносят взаимодействие.
Между частицами существуют четыре типа взаимодействий, каждое из которых переносится своим типом бозонов: фотон, квант света — электромагнитные взаимодействия, гравитон — силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу.
Восемь глюонов переносят сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. Считается, что к этим четырем взаимодействиям сводятся все силы в природе.
Одним из самых ярких достижений нашего века стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия сливаются в одно.
Ускорителей, на которых можно получить такие энергии и проверить эти теории, пока нет и не предвидится, поэтому обра-
щаются к Вселенной, чтобы найти в ней возможные ограничения для огромного числа элементарных частиц.
Мы можем иметь дело только с косвенными следствиями происходивших и происходящих процессов, с усредненным по всей Вселенной результатом их влияния на эволюцию материи.
Среди лептонов наиболее известен электрон, вероятно, он не состоит из других частиц, т. е. элементарен. Другой лептон — нейтрино. Это самый распространенный лептон во Вселенной и в то же время самый неуловимый. Нейтрино не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях.
После предсказания нейтрино было обнаружено только через 30 лет на ускорителях. Нейтрино бывает трех видов — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Мюон — тоже широко распространенный в природе лептон. Он был обнаружен в космических лучах в 1936 г.; это нестабильная частица, а в остальном он похож на электрон.
За две миллионные доли секунды он распадается на электрон и два нейтрино. Фоновое космическое излучение в большей части состоит из мюонов. В конце 70-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон (кроме электрона и мюона) — тау-лептон. Он ведет себя очень похоже на своих собратьев, но тяжелее электрона в 3500 раз. У каждого лептона есть и античастица, т.е. всего их 12.
Адронов существует очень много, их сотни. Поэтому часто их считают не элементарными частицами, а составленными из других.
Они бывают электрически заряженными и нейтральными. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Среди них самые известные — протон и нейтрон. Остальные живут очень мало, распадаясь за 10-6 с за счет слабого взаимодействия или за 10-23 с — за счет сильного. Адроны рассортировали по массе, заряду и спину. В этом помогла гипотеза кварков, или частиц, составляющих адроны.
Кварки могут соединяться для этого тройками, составляя барионы, либо парами: кварк—антикварк, составляя мезоны (промежуточные частицы).
Кварки имеют заряд 1/3 или 2/3 заряда электрона. Тогда в комбинации они дадут 0 или 1. Все кварки имеют спин, равный 1/2, т.е. они относятся к фермионам. Считают, что они сцепляются сильным взаимодействием, но участвуют и в слабом.
Новый адрон, названный -частицей, был обнаружен на ускорителях (1974).
Остальные шесть — лептоны: электрон, мюон, -частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, нейтрино).
Эти 12 частиц, или две по шесть, группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов.
Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных протонов и нейтронов), окруженного электронным облаком.
Последние данные, полученные на разных ускорителях, позволяют считать, что число поколений не может быть более пяти, так как полное число нейтрино не превышает этого числа.
Вопросы для самопроверки и повторения
1. Какие частицы составляют ядро атома, каковы его размеры?
Как это было установлено?
3. В чем заключается единство дискретности и непрерывности?
4. Какова специфика микромира по сравнению с изучением мега- и макромира. Поясните принципы соответствия и дополнительности.
5. Поясните принцип неопределенности, понятия детерминизма и индетерминизма. Как изменились представления о случайном и закономерном? Поясните роль прибора в квантовой механике.
6. Как развились представления о причинности в квантовой механике?
Почему ограничение воздействия на микроуровне имеет смысл фундаментального закона природы?
7. Какими параметрами описывается состояние микрочастицы?
Как при этом осуществляется синтез волновых и корпускулярных свойств? Каково отличие в описании состояния в классической и квантовой механике?
8. Какое уравнение описывает движение в микромире и соответствует второму закону Ньютона? Какой смысл имеют входящие в него величины?
9. Какие модели описывают строение и свойства атомных ядер? Почему тяжелые элементы не распадаются самопроизвольно на легкие? Какие реакции деления возможны и какие для этого необходимы условия?
| Современные представления об элементарных частицах. Структура микромира | 11-06-2018 |
Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков, независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка (антибарионы) или кварк и антикварк (мезоны), должен быть белым или бесцветным.
Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного — антикрасного, синего — антисинего и т.п.
Таким образом, можно говорить о цветовой симметрии в микромире.
Известно восемь типов глюонов.
Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют свой цвет и аромат. В слабых взаимодействиях — меняют аромат, но сохраняют цвет.
Теория кварков позволяет предложить стройную и гармоничную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из тяжелого ядра (протоны и нейтроны, связанные глюонными полями) и электронной оболочки. Сейчас теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.
Классификация микрочастиц
Основные представления статистической Физики.
При изучении основных физических свойств различных микроприборов (и соответственно материалов из которых они сделаны) нам необходимо выяснить поведение коллектива микрочастиц.
Классификация микрочастиц.
Для проведения классификации необходимо сделать несколько предположений:
1) Все частицы в нашем коллективе будут тождественны, следовательно Принцип Гейзенберга — принцип неразличности частиц в коллективе.
Так как в квантовой механике нет понятия траектории (мы не можем одновременно определить координату и импульс (dх, dр > h), то не можем различить данную частицу в коллективе, т. е. отличить ее от другой.
Пусть есть волновая функция ψ, которая будет описывать поведение 1-ой и 2-ой частицы в рассматриваемом коллективе, следовательно ψ(r1, r2), следовательно W=|ψ(r1, r2)|2dr1dr2 — эта запись показывает вероятность того, что в состоянии, описываемом функцией ψ, координаты 1-ой частицы лежат в интервале r1 ÷ r1+dr1, и 2-ой частицы в интервале r2 ÷ r2+dr2.
Согласно принципу неразличимости, перестановка частиц не должна изменить физического состояния системы
т.е. ψ(r1, r2)->ψ(r2, r1),
следовательно |ψ(r1, r2)|2=|ψ(r2, r1)|2
Это тождество выполняется в 2-х случаях:
- ψ(r1, r2)=-ψ(r2, r1) — ассиметричная функция — фермионы
- ψ(r1, r2)=ψ(r2, r1) — симметричная функция — бозоны
Между этими частицами существует обменное взаимодействие, которое может быть 2-х видов :
Для фермионов характерно отталкивание, т.е. стремление к уединению.
Поясним это: Пусть микрочастицы в одинаковом интервале r1=r2 следовательно ψ(r1, r1). По принципу неразличимости ψI(r1, r1)=-ψII(r1, r1).
Два числа с разными знаками равны, если они равны нулю: |ψ(r1, r1)|2 = 0 следовательно вероятность нахождения двух частиц в одном месте, с одинаковыми параметрами равна 0.
Принцип Паули: о невозможности нахождения двух фермионов в одном состоянии.
Фермионы не обладают целочисленным спином : S= ±1/2; ±3/2; …
К фермионам относятся : электроны, протоны, нейтроны, ядра химических элементов, у которых нечетное количество нуклонов (т.к. они тоже имеют не целочисленный спин). Свойством притяжения обладают бозоны (т. е. они стремятся к объединению, чем больше коллектив таких частиц, тем у него больше свойство притягивать к себе другие частицы — бозоны).
По аналогии : ψI(r1, r2)=ψII(r1, r2)&nequal;0 =>ψ(r1, r2)2&nequal;0 — эти частицы могут находиться в одном месте.
Спин у бозонов целочисленный : S= ±1; ±2; …
Бозоны: фотоны, пионы, ядра химических элементов с четным количеством нуклонов.
2) Микрочастицы будем рассматривать как идеальный газ.
И он для нас будет являться простейшим коллективом микрочастиц.
Идеальный газ — это совокупность частиц, энергия взаимодействия которых мала по сравнению с их кинетической энергией.
А также квантовая физика — отличный предмет для разговора с умными людьми.
Квантовая физика — это просто
Для начала вам нужно начертить в голове одну большую линию между микромиром и макромиром, потому что эти миры совершенно различны. Все, что вы знаете о привычном себе пространстве и предметах в нем, является ложным и неприемлемым в квантовой физике.
Фактически, микрочастицы не имеют ни скорости, ни определенного положения, пока ученые на них не посмотрят. Это утверждение кажется нам просто абсурдным, таковым оно казалось и Альберту Эйнштейну, но даже великий физик пошел на попятную.
Дело в том, что проводившиеся исследования доказали, что посмотрев один раз частицу, которая занимала определенное положение, а затем отвернувшись и снова посмотрев, вы увидите, что эта частица уже заняла совершенно иное положение.
Эти шаловливые частицы
Все кажется простым, но когда мы смотрим на ту же частицу, она стоит на месте. То есть эти частицы движутся только тогда, когда мы не можем этого видеть.
Суть такова, что каждая частица (по теории вероятности) обладает шкалой вероятностей находиться в том или ином положении. И когда мы отворачиваемся, а затем снова поворачиваемся, то можем застать частицу в любом из ее возможных положений именно согласно шкале вероятности.
По исследованию частицу искали в разных местах, затем прекращали наблюдать за ней, а затем снова смотрели, как изменилось ее положение. Результат был просто ошеломительным. Подведя итоги, ученые действительно смогли составить шкалу вероятностей, где может находиться та или иная частица.
Например, нейтрон имеет возможность находиться в трех положениях. Проведя исследования, вы можете обнаружить, что в первом положении он будет находиться с вероятностью 15%, во втором — 60%, в третьем — 25%.
Эту теорию никто еще не смог опровергнуть, поэтому она является, как ни странно, самой правильной.
Макромир и микромир
Если мы возьмем предмет из макромира, то увидим, что он тоже обладает шкалой вероятности, но она совершенно другая. Например, вероятность того, что отвернувшись, вы найдете свой телефон на другом конце мира равна практически нулю, но она все равно существует.
Основы строения атома
Электроны расположены на электронных оболочках атома: чем больше заряд ядра, тем больше электронов и электронных оболочек. Сам атом заряда не имеет, так как он является электрически нейтральным: заряд ядра (+) равен сумме зарядов электронов (-), вращающихся вокруг ядра.
Состав ядра атома
Чтобы вы понимали насколько оно мало, приведу пример: если атом увеличить до размеров Земли, то ядро атома будет в диаметре всего 60 метров. Надеюсь, что теперь у вас возникло некоторое представление об основах строения атома и составе атомного ядра.
Недавно физики лишили электрон заслуженного звания элементарной частицы.
Дело в том, что уже давно ученые предполагали, что в особых ситуациях электрон может распадаться на три составляющих — холон, спинон и орбитон . Возможность раздельного существования холона и спинона была доказана шесть лет назад. А нынче ученым удалось "отделить" орбитон.
Причем первая из них будет переносить заряд электрона (холон)
, другая — его спин (момент импульса)спинон
, а третья вообще является квантом орбитальной волны электрона, то есть переносит его орбитальное взаимодействие с другими электронами и ядром орбитон.
запомнили?
что такое спин? об этом позже.
Далее разберем ядро атома.
В любом атоме число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом – нейтральная частица, не несущая заряда.
Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия.
Протон относится к БАРИОНАМ- Барио́ны (от греч. βαρύς — тяжёлый) — семейство элементарных частиц: сильно взаимодействующие, фермионы[2], состоящие из трёх кварков.
Еще раз: Протон относится к барионам и
Состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-кварка). Стабилен.
Вот посмотрите! Это как раз кварки, составляющие протон
Ну вот. полезли в дебри.
Кварки-понадобились, чтобы классифицировать множество вновь открытых частиц. Ученым никак не удавалось составить для них нечто вроде таблицы Менделеева как в химии. Тогда предположили, что нейтроны, протоны и прочие барионы состоят из еще более мелких частиц-кварков. Их понадобилось всего 3.
Верхний UP обозначается буквой u, нижний Down буквой d и странный Strange буквой s
Как например протон. Как строится протон?
Берем 3 кварка: 2 u-кварка и один d.
Нейтрон:
Берем 3 кварка: 1u-кварк и 2 d кварка.
можно взять три u-кварка. три кварка d, 3-s кварка; uds. таким образом перечисляются все возможные варианты.
Таким образом ВСЕ известные частицы можно построить из этих 3-х кварков.
Пока всё понятно?
Пока все гладенько. Доходим до 1974-го года и. Упс! Открыта новая частица, которая в эту схему не укладывается!
Кошмар. такой хороший домик уже построили! Протоны, нейтроны. все из кварков разного уровня, живут себе спокойно семейками, все чинно и благородно, все довольны жизнью. и тут. аааа! новичок!
Что делать?
Пришлось придумать еще один кварк-Четвертый. ему дали название ОЧАРОВАННЫЙ КВАРК. CHARMED. с-кварк.
И, как оказалось не зря!
3 кварка было недостаточно для описания ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ и их ВЗАИМНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ.
Нужно ЧЁТНОЕ число КВАРКОВ и тогда всё становится на свои места.
УРААА!
И тут. открывают 5-й! кварк. Дали ему букву b от английского слова. bottom. , но потом решили, лучше от слова beauty. прекрасный
Но! Нечетное количество кварков не дает опять возможность ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.
Тут все стали говорить: Значит должен быть шестой!
Куда деваться. Открыли, Дали букву T от слов Top или Truth.
Теперь мы имеем 6 кварков.
Их так много. Теперь мы знаем, что не только из них строятся все частицы, уже имеющие "домик", но пришла пора классифицировать сами кварки!
Оказалось, что кварки формируются в пары.
Первая : u и d кварки, которые были с самого начала
Вторая: s и с кварк
Третья: t и b кварки
И вот каждая из этих пар обладает АБСОЛЮТНО ИДЕНТИЧНЫМИ СВОЙСТВАМИ, каждая!
Единственное отличие, что каждая последующая пара ТЯЖЕЛЕЕ предыдущей.
Тогда дали им название Поколения, 1-я пара-первое поколение, 2-я-второе и 3-я третье.
Вопрос:
А для чего вообще нужно 3 поколения?
Из чего состоит мир, который мы с вами видим?
Он состоит из ПРОТОНОВ и НЕЙТРОНОВ. есть еще электрон, но мы про кварки-из которых протон и нейтрон.
ВСЁ вокруг, ЗВЕЗДЫ, ВОЗДУХ, ВАШ КОМПЬЮТЕР и мы САМИ состоим из ПРОТОНОВ и НЕЙТРОНОВ.
А помните, мы писали из чего состоят протон и нейтрон?
всего из комбинации ДВУХ КВАРКОВ u и d.
У протона есть заряд +1; у нейтрона заряда нет. У кварков, раз они образуют протон и нейтрон, должен быть электрический заряд!
Считаем:
У ПРОТОНА заряд равен +1.
Он состоит из 3-х кварков. u u d
Значит заряд 1-го кварка равен одной трети 1/3. Следовательно u кварк 2/3 d-кварк - 1/3. 2|3+2|3-1/3=1
у НЕЙТРОНА u d d заряда нет. 2/3-1/3-1/=0
и ТАК ВСЕ БАРИОНЫ, К КОТОРЫМ ОТНОСЯТСЯ ПРОТОН И НЕЙТРОН СОСТОЯТ ИЗ 3-Х КВАРКОВ.
Каждый кварк имеет спин 1/2 , вот из 3-х этих трех половинок набирается полуцелый спин бариона.
[b]Каждая частица-имеет античастицу, то есть частицу с противоположным зарядом и кварки тоже!
В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.
Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.
В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.
Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.
1. Открытие элементарных частиц.
Открытие элементарных часиц явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.
Исторически первой открытой элементарной частицей был электрон — носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон установил, что т. н. катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, которые были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд, пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях — ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны — частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон — была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц — структурных элементов атомов и их ядер.
Вывод о существовании частицы электромагнитного поля — фотона — берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном (1912— 1915) и А. Комптоном (1922).
Открытие нейтрино — частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф. Райнес и К Коуэн, США).
С 30-х и до начала 50-х гг. изучение элементарных частиц было тесно связано с исследованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е+) — частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей. Существование е+ непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928—31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е-, е+.
В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты p+ и p--мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.
Конец 40-х — начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название “странных”. Первые частицы этой группы К+- и К--мезоны, L-, S+ -, S- -, X- -гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях — установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые элементарные частицы, которые и становятся предметом изучения.
С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения — т. н. нарушению пространств, чётности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды электронвольт позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W- (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными элементарными частицами) частиц, получивших название “резонансов”. Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основная часть элементарных частиц.
В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов было обнаружено несохранение т. н. комбинированной чётности (введённой Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени.
В 1974 были обнаружены массивные (в 3—4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц — “очарованных”, первые представители которого (D0, D+, Lс) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты Ў-частицы с массой порядка десятка протонных масс.
Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир элементарных частиц оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных элементарных частиц. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в частности для описания странных элементарных частиц — странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), “очарованных” элементарных частиц — “очарование” (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств элементарных частиц.
Изучение внутреннего строения материи и свойств элементарных частиц с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классической механики и электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических построений.
Читайте также: