Двенадцать фундаментальных частиц и вся вселенная реферат

Обновлено: 30.06.2024

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

Многие религии, такие как иврит, христианин и ислам, верили, что Вселенная создана Богом, и только недавно. Например, епископ Ашер рассчитал для сотворения Вселенной дату в четыре тысячи четыреста лет и прибавил возраст людей в Ветхом Завете. Фактически, дата библейского сотворения не так далека от конца последнего ледникового периода, когда появился первый современный человек.

Исследование Вселенной

Великий немецкий ученый и философ Иммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную концепцию развивающейся Вселенной, обогатил образ ее плоской структуры и представил Вселенную бесконечно в особом смысле. Он установил возможности и значительную вероятность возникновения такой вселенной исключительно под воздействием механических сил притяжения и отталкивания. Кант пытался выяснить будущую судьбу этой вселенной на всех ее масштабных уровнях, от планетарной системы до мира туманностей.

Этим Фридман доказал, что материя во вселенной не может быть в покое. В своих выводах Фридман теоретически способствовал открытию необходимости глобальной эволюции Вселенной.

Происхождение Вселенной

Современные астрономические наблюдения позволяют предположить, что начало Вселенной около десяти миллиардов лет назад было огромным огненным шаром, раскаленным и плотным. Его состав довольно прост. Этот огненный шар был настолько горячим, что состоял только из свободных элементарных частиц, которые быстро двигались, когда они сталкивались друг с другом.

Существует несколько теорий эволюции. Теория пульсирующей вселенной утверждает, что наш мир был создан гигантским взрывом. Но расширение Вселенной не будет длиться вечно, потому что гравитация остановит его.

Согласно этой теории, наша Вселенная расширялась в течение 18 миллиардов лет после взрыва. В будущем расширение полностью замедлится и будет остановлено. И тогда вселенная начнет сжиматься, пока материя снова не сжимается и не произойдет еще один взрыв.

Теория стационарного взрыва: Согласно этой теории, у Вселенной нет ни начала, ни конца. Он постоянно в одном и том же состоянии. Новый вихрь постоянно формируется, чтобы сбалансировать материю в далеких галактиках. По этой причине вселенная всегда одна и та же, но если вселенная, начавшаяся со взрыва, расширится до бесконечности, то она постепенно остынет и полностью исчезнет.

Но пока ни одна из этих теорий не может быть доказана, потому что нет точных доказательств хотя бы для одной из теорий.

Однако следует отметить, что существует и другая теория (принцип).

Антропогенный (человеческий) принцип был впервые сформулирован в 1960 году Г.И. Иглисом. Но он вроде как неофициальный автор книги. А официальным автором был ученый по имени Картер.

Антропийский принцип гласит, что Вселенная — это то, что она есть, потому что есть наблюдатель или она должна появиться на определенной стадии развития. Создатели этой теории принесли очень интересные факты, чтобы доказать это. Такова критичность фундаментальных констант и совпадение большого числа. Получается, что они полностью взаимосвязаны, и их малейшее изменение приведет к полному хаосу. Тот факт, что такое явное совпадение, даже закономерность можно увидеть, дает этой довольно интересной теории шанс на жизнь.

Эволюция Вселенной

Эволюция вселенной очень медленная. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и человеческой культуры в целом. Зарождение и развитие жизни на Земле — лишь крошечное звено в эволюции Вселенной. И все же исследования, проведенные в нашем веке, открыли занавес, скрывающий от нас далекое прошлое.

Вселенная разделена на четыре эпохи: Адрон, Лептон, фотон и звезда.

Галактики и структура вселенной…

Дезинтеграция протоскопических слоев на отдельные утолщения, по-видимому, также произошла из-за гравитационной неустойчивости, что привело к протогалактическим изменениям. Многие из них, казалось бы, быстро вращались из-за вихревого состояния вещества, из которого они образовались. Фрагментация протогалактических облаков в результате их гравитационной неустойчивости привела к образованию первых звезд, и облака превратились в звездные системы — галактики. Протогалактические галактики с быстрым вращением превращаются в спиральные галактики с более медленным вращением или вообще без вращения в эллиптические или нерегулярные галактики. Параллельно с этим процессом развивалась масштабная структура Вселенной — создавались суперскульптуры галактик, которые, соединяясь своими краями, принимали облик сотов.

Классификация галактик

Эдвин Пауэлла Хаббл (1889-1953), известный американский наблюдатель и астроном, выбрал самый простой метод классификации галактик по их внешнему виду. И надо сказать, что хотя другие исследователи делали разумные предположения о классификации в ретроспективе, исходная система, выведенная Хабблом, до сих пор является основой для классификации галактик.

Через 20-30 лет. XX век Хаббл разработал основу для структурной классификации галактик — огромных звездных систем, согласно которой выделяются три класса галактик.

Спиральные Галактики

Спиральные галактики характеризуются двумя относительно яркими спиральными ветвями. Ветви происходят либо от яркого сердечника (обозначенного — S), либо от концов световой перемычки, пересекающей сердечник (обозначенного — SB).

Спиральные галактики — пожалуй, самые живописные объекты во Вселенной. Обычно галактика имеет две спиральные ветви, которые возникают в противоположных точках ядра, развиваются аналогично симметрично и теряются в противоположных частях периферии. Однако известны примеры более чем двух спиральных ветвей в галактике. В других случаях есть две спирали, но они неравномерны — одна гораздо более развита, чем другая. В спиральных галактиках больше светопоглощающей пыли. Она колеблется от нескольких тысяч до сотой части своей полной массы. Из-за концентрации пылевой материи в экваториальной плоскости она образует в галактиках темную полосу, которая обращена к нам от ребер и похожа на веретена.

Представитель — Галактика M82 в созвездии В. Медведей, не имеет четких очертаний и состоит в основном из горячих синих звезд и нагретых ими газовых облаков. М82 находится на расстоянии 6,5 миллионов световых лет. Примерно миллион лет назад в его центральной части произошел огромный взрыв, который принял тот облик, который имеет сегодня.

Эллиптические галактики

Эллиптические галактики (обозначены E) — это эллипсоидные галактики. Эллиптические галактики не выражены снаружи. Они имеют форму гладких эллипсов или кругов с постепенным круговым уменьшением яркости от центра к периферии. Космическая пыль в них, как правило, ничем не отличается от спиральных галактик, где светопоглощающая пыль присутствует в больших количествах. Внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга главным образом одной особенностью — более или менее сжатием.

Представительная Кольцевая туманность в созвездии Лира находится на расстоянии 2100 световых лет и состоит из светящегося газа, окружающего центральную звезду. Этот корпус сформировался, когда старая звезда сбросила свою газовую крышку и погрузилась в космос. Звезда уменьшилась и пришла в состояние, сопоставимое по массе с Солнцем и размерам с Землей.

Галактика может быть не в правильной форме из-за низкой плотности материи или ее молодого возраста. Существует и другая возможность: галактика может стать нерегулярной из-за искажений формы, вызванных взаимодействием с другой галактикой. Видимо, эти два случая происходят среди неправильных галактик, и это может быть связано с делением неправильных галактик на 2 подтипа.

Ложные галактики подтипа II характеризуются относительно большой площадью поверхности, яркостью и сложностью ложной структуры. Французский астроном Вакулер обнаружил признаки спирального разрушения в некоторых галактиках этого подтипа, таких как Магеллановы Облака.

Ложные галактики подтипа III имеют очень низкую площадь поверхности и яркость. Эта особенность отличает их от всех других типов галактик. В то же время это препятствует открытию этих галактик, так что можно выделить лишь несколько относительно близких галактик подтипа III.

Представители нерегулярных галактик — Большое Магеллановое Облако. Он находится на расстоянии 165000 световых лет и, таким образом, ближайшая к нам галактика, относительно небольшая галактика, рядом с ней находится меньшая галактика — Маленькое Магеллановое Облако. Они оба спутники нашей галактики.

Последующие наблюдения показали, что описываемая классификация недостаточна для систематизации всего разнообразия форм и свойств галактик. Обнаружено, что галактики являются в некотором роде промежуточными между спиральными галактиками и эллиптическими галактиками (обозначены как So). Эти галактики имеют огромное центральное утолщение и окружающий плоский диск, но спиральные ветви отсутствуют.

Структура вселенной

С образованием атомов водорода начинается эра звезд, точнее эра протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездный век в виде газа водорода с огромным количеством света и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ распространялся в разных частях Вселенной с разной скоростью. Плотность также была различной. Она образовала огромные куски, много миллионов световых лет. Масса таких космических комочков водорода была в сотни тысяч, а то и миллионы раз больше, чем в нашей Галактике сегодня. Расширение газа внутри сгустка происходило медленнее, чем расширение разбавленного водорода между самим сгустком. Позже супергалактики и кластеры галактик из отдельных областей, образованных собственной гравитацией. Таким образом, крупнейшие структурные единицы Вселенной — супергалактики — являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

Звезды во Вселенной сгруппированы в гигантские звездные системы, называемые галактиками. Звездная система, содержащая наше Солнце, как обычная звезда, называется галактикой.

Количество звезд в галактике составляет около 1012 (триллионы). Млечный Путь, яркая серебряная полоса звезд, окружает все небо и составляет большую часть нашей Галактики. Млечный Путь — самый яркий в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные звездные облака. Противоположная часть неба — наименее яркая. Нетрудно сделать вывод, что Солнечная система не находится в центре галактики, которая видна от нас в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше слабых звезд и тем дальше в этих направлениях распространяется звездная система.

В центре галактики находится ядро диаметром 1000-2000 пк — огромное конденсированное звездное скопление. Он находится почти в 10 000 пк (30 000 световых лет) от нас в направлении созвездия Стрельца, но почти полностью скрыт плотным занавесом облаков, что препятствует визуальным и рутинным фотографическим наблюдениям этого самого интересного объекта в Галактике.

Масса нашей Галактики в настоящее время оценивается по-разному, она соответствует 2*1011 массам Солнца (масса Солнца 2*1030 кг.) и 1/1000 из них содержится в межзвездном газе и пыли. В 1944 году В.В. Кукарин обнаружил свидетельства спиральной структуры галактики, и оказалось, что мы живем между двумя спиральными рукавами.

В некоторых местах на небе в телескопе, а в некоторых даже невооруженным глазом, можно выделить близкие группы звезд, связанные со взаимной гравитацией, или звездные скопления.

Существует два типа звездных скоплений: рассеянные и сферические.

Помимо звезд, галактика содержит также рассеянное вещество — чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и пыли. Она образует туманности. Туманности могут быть диффузными и планетарными. Они светлые, потому что их освещают близлежащие звезды.

Во Вселенной нет ничего уникального и своеобразного в том смысле, что нет такого тела, такого явления, основные и общие свойства которого не повторялись бы в другом теле, в других явлениях.

Заключение

Открытие различных эволюционных процессов в различных системах и телах, составляющих Вселенную, позволило изучить законы эволюции Космоса на основе данных наблюдений и теоретических расчетов.

Очевидно, что вторая характеристика может быть определена только на основе теоретических расчетов. Обычно первое из приведенных значений называется возрастом, а второе — ожидаемой продолжительностью жизни.

Тот факт, что галактики, составляющие метаглактику, взаимно далеки друг от друга, говорит о том, что некоторое время назад она находилась в качественно ином состоянии и была более плотной.

Сегодня астрофизики с полным основанием называют золотой век астрофизики — удивительные и по большей части неожиданные открытия в мире звезд следуют друг за другом. В последнее время Солнечная система является объектом прямых экспериментальных, а не только наблюдательных исследований. Полеты межпланетных космических станций, орбитальных лабораторий, экспедиции на Луну принесли много новых специфических открытий о Земле, околоземном пространстве, планетах и Солнце.

Исследование Вселенной, даже той ее части, которая нам известна, является огромной задачей. Потребовалось много поколений, чтобы получить информацию, которой обладают современные ученые.

Список литературы

Образовательный сайт для студентов и школьников

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.

1.2.Классификация элементарных частиц

Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. Казалось, что этих частиц и фотона (кванта электромагнитного поля) достаточно для построения известных форм вещества - атомов и молекул. Вещество при таком подходе строилось из протонов, нейтронов и электронов, а фотоны осуществляли взаимодействие между ними. Однако, вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (пример - фотон). Далее, по мере развития экспериментальной ядерной физики к этим частицам добавилось еще свыше 300 частиц (!).

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон - самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из известных элементарных частиц (Z -частицы) обладает массой в 200 000 раз больше массы электрона.Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда - заряду электрона (-1). Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.Важная характеристика частицы - спин. Он также всегда кратен некоторой фундаментальной единице, которая выбрана равной Ѕ . Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин Ѕ , а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3 / 2 , 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360° . Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-оборота (180° ). Частиц со спином более 2 не обнаружено, и возможно их вообще не существует. В зависимости от спина, все частицы делятся на две группы:

 бозоны - частицы со спинами 0,1 и 2;

 фермионы - частицы с полуцелыми спинами (Ѕ ,3 / 2 )

Частицы характеризуются и временем их жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы - это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы - нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 1 0 n сек (где n = - 2 3 ). Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействия.Выделение характеристик отдельных субатомных частиц - важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в и структуре материи.Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами 1 . Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами . Кроме того, существуют частицы - переносчики взаимодействий .

Рассмотрим свойства этих основных типов частиц.

1.3.Лептоны

Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен Ѕ . Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон - это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом. Насколько известно, электрон не состоит из каких-то других частиц.Другой хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино - это некие "призраки физического мира". Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау - лептон". Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону. В 60-х годах список лептонов значительно расширился. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов - шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном.

Таблица ( Античастицы в таблицу не включены )

0 (Имеются данные, свидетельствующие о том, что нейтрино могут обладать небольшой массой)

1.4.Адроны

Если лептонов существует чуть свыше десятка, то адронов сотни. Такое множество адронов наводит на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Это класс т.н. барионов (тяжелые частицы гипероны) и большое семейство мезонов (мезонные резонансы).Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях.Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Но со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыт тайну адронов в научной теории. Решающий шаг здесь был сделан в 1963 г., когда была предложена теория кварков.

1.5.Частицы - переносчики взаимодействий

Перечень известных частиц не исчерпывается перечисленными частицами - лептами и адронами - образующих строительный материал вещества. В этот перечень не включен, например фотон. Есть еще один тип частиц, которые не являются непосредственно строительным материалом материи, а обеспечивают четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода "клей", не позволяющий миру распадаться на части. Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи и Вселенной.

Глава 2

2.1.Крупномасштабная структура Вселенной

Структура, образуемая гигантскими звездными островами – галактиками и их системами на различных пространственных масштабах. Современные представления о к.с.в. базируются как на изучении отдельных систем галактик, так и на статистическом исследовании распределения по небу галактик, находящихся на различном расстоянии от нас. Само существование к.с.в. отражает неоднородный характер распределения вещества во Вселенной вплоть до масштабов в сотни миллионов световых лет. Изучение к.с.в. необходимо для понимания процессов образования галактик и скоплений галактик в расширяющейся Вселенной и их последующей эволюции. Даже поверхностное знакомство с астрономическим объектами и их положением на небе и в пространстве показывает, что космические тела входят в состав систем различного масштаба.

2.2Основные элементы наблюдаемых космических структур .

2.3.Пары, группы и скопления галактик как физически связанные системы.

2.4.Самые крупномасштабные структуры Вселенной

2.5.Гравитация как причина возникновения структур

Заключение

Итак, подводя итог моего реферата выделим основные моменты.

На сегодняшний день наука имеет обширные данные о элементарных частицах и структуре Вселенной. первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др. Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи и Вселенной. Крупномасштабная структура Вселенной- Структура, образуемая гигантскими звездными островами – галактиками и их системами на различных пространственных масштабах.

Вся совокупность наблюдаемых на небе звезд образует обширную систему – Галактику. Самые маленькие системы, образуемые галактиками – это двойные и кратные системы, содержащие всего несколько сравнимых по яркости членов, за ними идут группы галактик из несколько десятков членов и, наконец, скопления галактик, объединяющие сотни и тысячи отдельных звездных островов.

В итоге можно сказать, что в учёными проделана громадная работа по изучению элементарных частиц и структуре Вселенной. Получены бесценные сведения, которые используются человечеством.

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

Определение понятия элементарных частиц и рассмотрение их основных свойств. Характеристика электромагнитных взаимодействий квантов материи и их связь с электромагнитным полем. Изучение унитарной симметрии элементарных частиц и кварковая модель адронов.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	09.12.2009
Размер файла	26,9 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

По дисциплине: Физика

1 Понятие элементарных частиц

2 Основные свойства элементарных частиц

3 Классификация элементарных частиц

СПИСОК ИСПОЛЬЗОНАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Цель данной работы - обзор элементарных частиц.

Исходя из поставленной цели, можно сформировать следующие задачи работы:

1. Определение понятия элементарных частиц.

2. Рассмотрение основных свойств элементарных частиц.

3. Обзор классификации элементарных частиц.

История исследования элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий насчитывает более двух с половиной тысяч лет и восходит к идеям древнегреческих натурфилософов о строении Мира. Однако серьезная научная разработка данного вопроса началась только в конце XIX-го века. В 1897 году выдающийся английский физик-экспериментатор Дж.Дж.Томсон определил отношение заряда электрона к его массе. Тем самым, электрон окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества.

1. ПОНЯТИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Элементарные частицы - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том. Что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами.

Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году.

Первой открытой антицастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсоном в 1932 году.

Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц.

Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.

2 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6Ч10 -24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9Ч10 -28 г). Определенные из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по порядку величины равны 10 -13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10 -15 см. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц лежат в основе квантовой специфики их поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать элементарным частицам в квантовой теории (где - постоянная Планка, m - масса частицы, с - скорость света), по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие (например, для p-мезона 1,4Ч10 -13 см). Это и приводит к тому, что квантовые закономерности являются определяющими для элементарных частиц.

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно феноменологически разделить на несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все элементарные частицы обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.

Сильные взаимодействия выделяются как взаимодействия, которые порождают процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью среди всех остальных процессов. Они приводят и к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильные взаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивают исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь элементарных частиц заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабые взаимодействия, как показывает само название, вызывают очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Иллюстрацией их малой интенсивности может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабыми взаимодействиями, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца. Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады квазистабильных элементарных частиц. Времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10 -8 -10 -10 сек, тогда как типичные времена для сильных взаимодействий элементарных частиц составляют 10 -23 -10 -24 сек.

Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае элементарных частиц на характерных расстояниях ~10 -13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

Силу различных классов взаимодействий можно приближенно охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант соответствующих взаимодействий. Для сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий протонов при средней энергии процесса ~1 Гэв эти параметры соотносятся как 1:10 -2 : l0 -10 :10 -38 . Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабых взаимодействий безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами интенсивности различных процессов по-разному зависят от энергии. Это приводит к тому, что относительная роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняется с ростом энергии взаимодействующих частиц, так что разделение взаимодействий на классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные классы взаимодействий имеют, однако, и другую специфику, связанную с различными свойствами их симметрии, которая способствует их разделению и при более высоких энергиях. Сохранится ли такое деление взаимодействий на классы в пределе самых больших энергий, пока остается неясным.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны (от греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos - мелкий, тонкий, легкий). Адроны характеризуются прежде всего тем, что они обладают сильными взаимодействиями, наряду с электромагнитными и слабыми, тогда как лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. (Наличие общих для той и другой группы гравитационных взаимодействий подразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к массе протона (т_р); минимальную массу среди адронов имеет p-мезон: т_p"м 1/7Чт_р. Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики (0,1 m_p), однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность существования тяжелых лептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, лептонов - электрон. Фотон, обладающий только электромагнитными взаимодействиями, не может быть отнесен ни к адронам, ни к лептонам и должен быть выделен в отд. группу. По развиваемым в 70-х гг. представлениям фотон (частица с нулевой массой покоя) входит в одну группу с очень массивными частицами - промежуточными векторными бозонами, ответственными за слабые взаимодействия и пока на опыте не наблюдавшимися.

3 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Унитарная симметрия

Внимательное рассмотрение показывает, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими свойствами, чем изотопические мультиплеты. Они называются супермультиплетами. Число частиц, входящих в наблюдаемые супермультиплеты, равно 8 и 10. С точки зрения симметрий возникновение супермультиплетов истолковывается как проявление существования у адронов группы симметрии более широкой, чем группа SU (2), а именно: SU (3) - группы унитарных преобразований в трехмерном комплексном пространстве (М. Гелл-Ман и независимо Ю. Нееман, 1961). Соответствующая симметрия получила название унитарной симметрии. Группа SU (3) имеет неприводимые представления с числом компонент 8 и 10, отвечающие наблюдаемым супермультиплетам: октету и декуплету. Общими для всех частиц в супермультиплете являются значения двух величин, которые по математической природе близки к изотопическому спину и поэтому часто называются унитарным спином. Для октета значения связанных с этими величинами квантовых чисел равны (1, 1), для декуплета - (3, 0). Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая симметрия. В соответствии с этим различие в массах частиц, входящих в октеты и декуплеты, довольно значительно. По этой же причине разбиение адронов на супермультиплеты сравнительно просто осуществляется для элементарных частиц не очень высоких масс. При больших массах, когда имеется много различных частиц с близкими массами, это разбиение осуществляется менее надежно. Однако в свойствах элементарных частиц имеется много разнообразных проявлений унитарной симметрии.

Кварковая модель адронов

Идея кварков подсказана унитарной симметрией. Математическая структура унитарных групп открывает возможность описания всех представлений группы SU (n) (и, следовательно, всех мультиплетов адронов) на основе самого простого представления группы, содержащего n компонент. В случае группы SU (3)таких компонент три. Необходимо только допустить наличие частиц, связанных с этим простейшим представлением. Эти частицы и есть кварки. Кварковый состав мезонов и барионов был выведен из того факта, что супермультиплеты мезонов содержат, как правило, 8 частиц, а барионов - 8 и 10 частиц. Эта закономерность легко воспроизводится, если предположить, что мезоны составлены из кварка q и антикварка - символически: , а барионы из трёх кварков - символически: В = (qqq). В силу свойств группы SU (3) 9 мезонов разбиваются на супермультиплеты из 1 и 8 частиц, а 27 барионов - на супермультиплеты, содержащие 1, 10 и дважды по 8 частиц, что и объясняет наблюдаемую выделенность октетов и декуплетов.

От всех других элементарные частицы кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существования в связанном состоянии. Одной из причин ненаблюдения кварков может быть их очень большая масса, что препятствует их рождению при энергиях современных ускорителей. Не исключено, однако, что кварки принципиально, в силу специфики их взаимодействия, не могут находиться в свободном состоянии. Существуют доводы теоретического и экспериментального характера в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабляются с расстоянием. Это означает, что для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Невозможность выделить кварки в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, например, можно ли ставить вопрос о составных частях кварков, если сами кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии. Возможно, что в этих условиях части кварков физически вообще не проявляются и поэтому кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Действительно, элементарные частицы невозможно ни потрогать, ни понюхать, ни увидеть, ни попробовать на вкус. Информацию об их существовании ученые получают посредством громоздких детекторов, которые выдают для обработки наборы электрических или световых сигналов. Только специальным образом анализируя полученные сигналы, физики, могут изучать свойства элементарных частиц. На первый взгляд, нет абсолютно никакой гарантии, что в длинной цепочке передачи сигнала из микромира к макроскопическому наблюдателю физики-экспериметаторы правильно учитывают помехи, ошибки или искажения первичной информации. Следовательно, элементарные частицы могут оказаться лишь мороком, неправильной интерпретацией искаженных сигналов. Иное дело - макроскопические объекты. Человек может узнать характеристики макроскопических объектов без всяких посредников, только при помощи органов чувств. Поэтому в реальности макроскопического окружающего мира, как правило, не сомневается. Но так кажется только на первый весьма повехностный взгляд.

Работа любого органа чувств человека в макромире принципиально не отличима от работы макроприбора для изучения микромира.

Реальность элементарных частиц, универсальность их свойств подтверждается множеством детекторов принципиально различных конструкций (камеры Вильсона, счетчики Гейгера во всех модификациях, пропорциональные камеры, черенковские счетчики, ионизационные калориметры десятков различных систем). Этот набор макроприборов гораздо богаче, чем пять человеческих чувств! А результаты независимых измерений характеристик микрочастиц, выполненных этими приборами, прекрасно согласуются друг с другом.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Читайте также: