Классификация элементарных частиц кратко
Обновлено: 04.07.2024
Элементарные частицы были впервые открыты и изучены в ходе исследования ядерных процессов. В связи с этим в течение долгого времени физика элементарных частиц являлась одним из разделов ядерной физики. И только с середины 20 -го века физика элементарных частиц выделилась в отдельное, самостоятельное направление. Оба эти раздела физики до сих пор объединяются общностью изучаемых явлений и применяемых методов исследования. Но есть у этих направлений и отличия. Основной задачей физики элементарных частиц является исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.
Из истории вопроса
Первым из тех, кто задумался о существовании мельчайших частиц, из которых состоят все вещества и окружающие предметы, был древнегреческий философ Демокрит. Он был первым, кто высказал предположение о существовании фундаментальных частиц. Согласно письменным источникам, случилось это в 4 веке до нашей эры. Демокрит дал название атому и определил, что это неделимая частица материи.
В течение ряда веков понятие об атомах носило скорее философский, чем физический смысл. И только начиная с 19 века представление об атомах стали использовать сначала для объяснения химических, а затем и физических процессов.
В 30 -е годы 19 столетия Макс Фарадей ввел в обиход понятие иона в рамках теории электролиза, а также выполнил изменение элементарного заряда. К концу столетия Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, Джозеф Томсон установил существование электронов, Эрнест Резерфорд - α -частиц. В первые пять лет 20 века Альберт Эйнштейн разработал учение о фотонах (квантах электромагнитного поля). Все эти открытия были бы невозможны без понятия об атомах.
В течение первой трети 20 века было установлено, что атом имеет сложное строение, которое предполагает наличие ядра и расположенных вокруг него электронов. Эрнест Резерфорд предложил орбитальную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам. Он же во время опытов по расщеплению ядер атомов установил существование протонов.
Открытие нейтронов принадлежит известному английскому физику Джеймсу Чедвику. Он установил, что ядра атомов имеют сложное строение. Так возникла протон-нейтронная теория строения ядер, разработкой которой занимались немецкий исследователь Вейнер Гейзенберг и наш соотечественник, физик-теоретик, лауреат Сталинской премии Дмитрий Дмитриевич Иваненко.
Существование позитрона было предсказано англичанином Полем Дираком. Эта положительно заряженная частица, имеющая такую же массу и такой же (по модулю) заряд, что и электрон, была открыта американским физиком-экспериментатором Карлом Дейвидом Андерсеном в космических лучах.
В тридцатых годах 20 -го века были открыты взаимные превращения нейтронов и протонов. Было установлено, что элементарные частицы не являются неизменными. В это же время были открыты мюоны– частицы, масса которых составляет 207 электронных масс, а затем и пионы – частицы, которые обеспечивают взаимодействие между нуклонами в ядре атома.
До середины 20 века было открыто большое количество элементарных частиц. Это стало возможно благодаря широкому исследованию космических лучей, внедрению ускорительной техники, развитию ядерной физики.
Виды частиц
В наше время известно порядка 400 элементарных или субъядерных частиц. Большинство из них нестабильно: одни частицы могут самопроизвольно превращаться в другие с течением времени. Исключением из этого являются нейтрино, фотон, протон и электрон.
По продолжительности существования выделяют следующие группы частиц:
- относительно стабильные, время жизни которых превосходит 10 – 17 с ;
- короткоживущие, время жизни которых порядка 10 – 22 – 10 – 23 с .
Основые свойства элементарных частиц
Одним из наиболее важных свойств элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Частицы способны поглощаться (возникать) и испускаться (исчезать). Это относится как к стабильным, так и к нестабильным частицам. Разница лишь в том, что стабильные частицы могут превращаться не самопроизвольно, а в результате взаимодействия с другими частицами.
В процессе аннигиляции (исчезновения) позитрона и электрона появляется фотон большой энергии.
При столкновении фотона, несущего достаточный заряд энергии, с ядром атома появляется электрон-позитронная пара.
Частицы и античастицы
Электрон является двойником позитрона. Антипротон отличается от протона наличием у него отрицательного электрического заряда. Нейтрон не имеет заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента и барионного заряда.
Наличие античастиц установлено для всех элементарных частиц. Встреча частицы и античастицы сопровождается аннигиляцией, в результате которой обе частицы превращаются в кванты излучения или частицы других видов.
Ученые предполагают существование антивещества. Теоретически, это возможно, если в ядре будут антинуклоны, а в оболочке атома позитроны. Взаимодействие вещества и антивещества может привести к выделению огромного количества энергии, которое будет превосходить энергию ядерных и термоядерных реакций.
Группы элементарных частиц
Информацию об основных элементарных частицах мы собрали в таблицу. Размещение частиц соответствует существующей ныне системе классификации элементарных частиц. Каждая из частиц имеет ряд характеристик: время жизни, масса, выраженная в электронных массах, электрический заряд в единицах элементарного заряда и спин, который также носит название момента импульса, выраженный в единицах постоянной Планка ħ = h 2 π .
| Группа | Название частицы | Символ | Масса (в электронных массах) | Электрический заряд | Спин | Время жизни (с) | ||
| Частица | Античастица | |||||||
| Фотоны | Фотон | γ | 0 | 0 | 1 | Стабилен | ||
| Лептоны | Нейтрино электронное | ν e | ν e ~ | 0 | 0 | 1 2 | Стабильно | |
| Нейтрино мюонное | ν μ | ν μ ~ | 0 | 0 | 1 2 | Стабильно | ||
| Электрон | e – | e + | 1 | – 1 1 | 1 2 | Стабилен | ||
| Мю-мезон | μ – | μ + | 206 , 8 | – 1 1 | 1 2 | 2 , 2 · 10 – 6 | ||
| Адроны | Мезоны | Пи-мезоны | π 0 | 264 , 1 | 0 | 0 | 0 , 87 · 10 – 16 | |
| π + | π – | 273 , 1 | 1 – 1 | 0 | 2 , 6 · 10 – 8 | |||
| К-мезоны | K + | K – | 966 , 4 | 1 – 1 | 0 | 1 , 24 · 10 – 8 | ||
| K 0 | K 0 ~ | 974 , 1 | 0 | 0 | ≈ 10 – 10 – 10 – 8 | |||
| Эта-нуль-мезон | η 0 | 1074 | 0 | 0 | ≈ 10 – 18 | |||
| Барионы | Протон | p | p ~ | 1836 , 1 | 1 – 1 | 1 2 | Стабилен | |
| Нейтрон | n | n ~ | 1838 , 6 | 0 | 1 2 | 898 | ||
| Лямбда-гиперон | Λ 0 | Λ 0 ~ | 2183 , 1 | 0 | 1 2 | 2 , 63 · 10 – 10 | ||
| Сигма-гипероны | Σ + | Σ + ~ | 2327 , 6 | 1 – 1 | 1 2 | 0 , 8 · 10 – 10 | ||
| Σ 0 | Σ 0 ~ | 2333 , 6 | 0 | 1 2 | 7 , 4 · 10 – 20 | |||
| Σ – | Σ – ~ | 2343 , 1 | – 1 1 | 1 2 | 1 , 48 · 10 – 10 | |||
| Кси-гипероны | Ξ 0 | Ξ 0 ~ | 2572 , 8 | 0 | 1 2 | 2 , 9 · 10 – 10 | ||
| Ξ – | Ξ – ~ | 2585 , 6 | – 1 1 | 1 2 | 1 , 64 · 10 – 10 | |||
| Омега-минус-гиперон | Ω – | Ω – ~ | 3273 | – 1 1 | 1 2 | 0 , 82 · 10 – 11 | ||
Выделяют три основные группы элементарных частиц:
Фотоны представлены одной частицей. Это фотон – носитель электромагнитного взаимодействия.
К лептонам относятся легкие частицы:
- два сорта нейтрино (электронное и мюонное);
- электрон;
- μ -мезон.
Объединяет частицы из группы лептонов спин 1 2 . В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.
Физика элементарных частиц тесно примыкает к физике атомного ядра. Это область современной физической науки основывается на квантовых представлениях и проникает в глубину материи, открывая все новые ее свойства и пытаясь изучить ее первоосновы. Прямое наблюдение таких материальных объектов является невозможным.
Термином элементарные частицы в широком понимании обозначается обширная группа микрочастиц материи, не объединенных в атомы и ядра.
Первой открытой элементарной частицей был электрон. За все время изучения элементарных частиц выявлено около 400 микрочастиц материи, и процесс изучения и открытия новых частиц продолжается. Свойства элементарных частиц часто оказываются непредсказуемыми.
Классификация элементарных частиц
Классификация элементарных частиц осуществляется на основе различных признаков, и является достаточно сложной.
Рисунок 1. Классификация элементарных частиц. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Классифицируются элементарные частицы по разным признакам. Так, элементарные частицы, которые различаются по характеру взаимодействия и по своим свойствам, подразделяются на две большие группы:
Фермионы – это частицы, имеющие полуцелый спин. К ним относятся: электрон, протон, нейтрон, кварки, нейтрино.
Бозоны – это частицы с целым спином, к ним относятся: фотон, мезон, глюон.
Готовые работы на аналогичную тему
Фермионы составляют вещество, а бозоны являются переносчиками взаимодействия. Взаимодействие между частицами бывает четырех видов, каждому из которых соответствует определенный тип бозонов: электромагнитное взаимодействие переносит квант света – фотон, сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки, переносятся глюонами. Слабые взаимодействия, которые участвуют в распаде частиц, переносятся векторными бозонами.
По типу взаимодействия элементарные частицы классифицируются следующим образом:
- составные частицы – адроны, которые принимают участие во всех видах взаимодействий. Общее число адронов около 400. Адроны состоят из кварков и в свою очередь, делятся на мезоны и барионы. Мезоны – это частицы с целочисленным спином (нулевым). Барионы – это частицы с полуцелым спином и массой не меньше массы протона. Все частицы являются нестабильными, исключая протон.
- фундаментальные частицы. Это бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего момента описать как составную не удалось. Такой термин в настоящее время применяется в больше части по отношению к лептонам и кваркам в совокупности с калибровочными бозонами.
Лептоны – это фермионы, имеющие вид точечных частиц, их масштабы составляют до 10-18 м. лептоны не принимают участие в сильных взаимодействиях, в электромагнитных взаимодействиях наблюдали участие только заряженных лептонов (мюоны, тау-лептоны, электроны), для нейтрино не наблюдалось. Современной физике известно 6 типов лептонов.
Кварки – это дробнозаряженные частицы, они входят в состав адронов. Эти частицы в свободном состоянии не наблюдались, отсутствие таких наблюдений объясняется механизмом конфайнмента.
Теория кварков
В 1964 году американский ученый М. Гелл-Ман выдвинул гипотезу, согласно которой все тяжелые фундаментальные частицы, адроны, построены из более фундаментальных частиц – кварков. Данная гипотеза возникла вследствие обилия открытых и открываемых адронов. Гипотеза Гелл-Мана была подтверждена исследованиями, на основе этой гипотезы не только удалось выяснить структуру уже открытых адронов, но и предположено существование новых.
Согласно предположению Гелл-Мана, существует три кварка и три антикварка, которые соединяются между собой в различных комбинациях. Таким образом, каждый барион состоит из трех кварков. Антибарион состоит из трех антикварков. Мезоны строятся из пар кварк-антикварк.
Кварки, так же, как и лептоны, делятся на 6 типов и относятся к бесструктурным частицам, но участвуют в сильном взаимодействии.
Калибровочные бозоны – это частицы, при помощи обмена которыми происходит взаимодействие. К ним относятся:
- Фотон – частица, которая переносит электромагнитное взаимодействие. Фотоны не имеют массы, однако способны переносить импульс и энергию;
- Восемь глюонов . это частицы, которые переносят сильное взаимодействие.
- Гравитон. Их существование в настоящее время не доказано экспериментально из-за слабости гравитационного взаимодействия. Гравитон – это гипотетическая частица, существование которой считается вероятным, поэтому он не относится к стандартной модели элементарных частиц.
- Адроны и лептоны составляют вещество. Калибровочные бозоны – это кванты разных видов изучения. Помимо этого, в Стандартной модели элементарных частиц присутствует хиггсовский бозон, существование которого экспериментально не доказано.
Таким образом, понятие элементарных частиц основано на факте дискретного строения вещества. Несмотря на сложную внутреннюю структуру ряда элементарных частиц разделение их на составные части невозможно.
Также элементарные частицы классифицируются следующим образом:
- в зависимости от массы. Частиц с одинаковыми массами не существует. Самой легкой частицей является электрон, самой тяжелой Z-частица, которая в 200 тыс. раз тяжелее электрона.
- в зависимости от электрического заряда. Заряд всегда кратен заряду электрона (-1). Ряд элементарных частиц не имеют заряда – фотон, нейтрино.
- в зависимости от спина. Спин – это собственный момент импульса частицы. По этому признаку частицы делятся на бозоны, частицы, имеющие целый спин -0,1,2 (фотон, его спин равен 1) и фермионы – частицы с полуцелыми спинами – ½, 3/2 (протон, электрон имеют спин ½). Частиц со спином больше 2 не существует.
- в зависимости от времени жизни различают частицы стабильные – к ним относятся электрон, протон, фотон и нейтрино) и нестабильные. Нестабильными являются все остальные частицы, их время жизни составляет от нескольких микросекунд.
Таким образом, в современной науке открыто огромное количество элементарных частиц. Наряду с элементарными частицами, входящими в Стандартную модель, существуют так называемые гипотетические элементарные частицы, их существование пока не доказано экспериментальным путем, однако имеется большая вероятность их существования. Классификация элементарных частиц достаточно сложная, осуществляется на основании многочисленных признаков. С открытием новых частиц, возможно, принятая классификация будет меняться.
На этом уроке мы узнаем историю открытия и классификацию элементарных частиц. Также мы рассмотрим величины, характеризующие их, обсудим четыре фундаментальных взаимодействия. В конце урока мы узнаем, что такое кварки, какие они бывают и как обозначаются, а также подсчитаем общее количество фундаментальных элементарных частиц, известных на данный момент.
Все элементарные частицы можно разделить на три группы:
- фотоны – это группа элементарных частиц, которая состоит из одной частицы – фотона;
- лептоны – это группа элементарных частиц, к которой относятся электроны, мюоны, тау-лептоны, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, таонное нейтрино и их античастицы;
- адроны – самая большая группа, к которой относятся нуклоны, пионы, каоны, гипероны и их античастицы.
Лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействии. Адроны обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым.
Принцип зарядового сопряжения
Для каждой элементарной частицы должна существовать античастица. Из общих принципов квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковую массу, одинаковое время жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды (и магнитные моменты), а также одинаковые остальные характеристики, приписываемые элементарным частицам.
Эксперименты показывают, что за немногим исключением ( \( \gamma \) -квантов, \( \pi^0 \) -мезонов, \( \eta^0 \) -мезонов) действительно каждой частице соответствует античастица.
Типы взаимодействий элементарных частиц
Различают следующие типы взаимодействий:
- сильное взаимодействие (интенсивность ≈1, радиус действия ≈10 -16 м);
- электромагнитное взаимодействие (интенсивность 1/137, радиус действия ∞);
- слабое взаимодействие (интенсивность ≈10-10, радиус действия ≈10 -18 м);
- гравитационное взаимодействие (интенсивность ≈10 -38 , радиус действия ∞).
Сильное взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность ядер, лежащих в основе стабильности вещества.
Электромагнитное взаимодействие характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтронов, антинейтрино и фотона. Оно ответственно за существование атомов и молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.
Слабое взаимодействие ответственно за взаимодействие частиц, происходящее с участием нейтрино и антинейтрино, а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающихся частиц.
Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, но из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и в процессах микромира несущественно.
Кварки
Развитие работ по классификации элементарных частиц сопровождалось поисками новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для построения всех адронов. Эти частицы были названы кварками.
Согласно модели Гелл-Манна–Цвейга, все известные адроны можно было построить, постулировав существование кварков и соответствующих антикварков, если им приписать дробные электрические заряды.
Каждый тип кварка имеет еще одно квантовое число – цвет, которое может принимать три значения: красный, синий и зеленый. Кварки являются фермионами, по современным представлениям они бесструктурны.
Барионы (фермионы с барионным числом B = 1) строятся из трех кварков; антибарионы (фермионы с барионным числом B = –1) строятся из трех антикварков; мезоны (бозоны с барионным числом B = 0) строятся из кварка и антикварка. Известные барионы и мезоны – бесцветны.
Кварки в адронах связаны глюонами.
Кварки участвуют в электромагнитных взаимодействиях, излучая или поглощая \( \gamma \) -квант, при этом не изменяется ни цвет, ни тип (аромат) кварков. Кварки также участвуют в сильных и слабых взаимодействиях.
Частицы, связывающие кварки в адроны, называются глюонами.
Фундаментальное свойство элементарных частиц – их взаимопревращаемость.
Для всех типов взаимодействия элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрических зарядов.
В настоящее время считается, что истинно элементарными частицами являются шесть лептонов и шесть антилептонов. Адроны, согласно современным представлениям, состоят из кварков и антикварков.
Читайте также: