Навигация
Элементарные частицы в космических лучах
29804
знака
1
таблица
0
изображений
Реферат на тему:
"Элементарные частицы в космических лучах"
по дисциплине "Концепции современного естествознания"
Содержание
1. Введение
2. Элементарные частицы
3. Космомикрофизика
4. Космические лучи
5. Заключение
6. Литература
1. Введение
Конец XIX – начало XX века ознаменовались новыми открытиями в области микромира. После открытия рентгеновских лучей и радиоактивности были обнаружены заряженные частицы, приходящие на Землю из космического пространства. Эти частицы были названы космическими лучами.
Датой открытия космических лучей принято считать 1912 год, когда австрийский физик В.Ф. Гесс с помощью усовершенствованного электроскопа измерил скорость ионизации воздуха в зависимости от высоты. Оказалось, что с ростом высоты величина ионизации сначала уменьшается, а затем на высотах свыше 2000 м начинает резко возрастать. Ионизующее излучение, слабо поглощаемое воздухом и увеличивающееся с увеличением высоты, образуется космическими лучами, падающими на границу атмосферы из космического пространства.
Космические лучи представляют собой ядра различных элементов, следовательно, являются заряженными частицами. Наиболее многочисленны в космических лучах ядра атомов водорода и гелия (~85 и ~10 % соответственно). Доля ядер всех остальных элементов таблицы Менделеева не превышает ~ 5 %. Небольшую часть космических лучей составляют электроны и позитроны (менее 1 %).
В процессах, происходящих во Вселенной, КЛ играют важную роль. Плотность энергии КЛ в нашей Галактике составляет ~1 эВ/см3, что сравнимо с плотностями энергий межзвездного газа и галактического магнитного поля.
Элементарные частицы (в буквальном значении этого термина) – это первичные, неделимые частицы, из которых по предложению состоит вся материя. Понятие "элементарные частицы" отражает чаяния ученых найти "первичные сущности", определяющие все известные свойства материального мира. На рубеже XIX и XX вв. были обнаружены мельчайшие носители свойств вещества – молекулы и атомы. Это позволило впервые описать все известные вещества как комбинацию большого числа составляющих частиц – атомов. В дальнейшем были выявлены составные элементы атомов – электроны и ядра. Установлена сложная система самих ядер. В тот период исследований известными представителями элементарных частиц были протон, нейтрон, электрон и фотон – частица электромагнитного поля. Эти четыре частицы тали считаться элементарными, т.к. они служили основами строения вещества и света.
В данной работе я попытаюсь выяснить, что такое элементарные частицы и космические лучи. Я рассмотрю, что они из себя представляют и какую роль играют элементарные частицы в космических лучах.
Для начала нужно понять, что такое элементарные частицы, классифицировать их, выяснить природу космических лучей и понять взаимосвязь между элементарными частицами и космическими лучами.
2. Элементарные частицы
В современной физике термин "элементарные частицы" употребляется не в своем обычном значении чего-то первичного, неразложимого на более простое, а для наименования большой группы мельчайших субъядерных частиц. В эту группу входят протон, нейтрон, электрон, фотон, 
- мезон, мюон, нейтрино нескольких типов, так называемые странные частицы (K-мезоны, гипероны), очарованные частицы, промежуточные векторные бозоны и т. д. — всего к настоящему времени известно более 350 частиц, в основном нестабильных. Большинство перечисленных частиц не удовлетворяет обычному определению элементарности, поскольку по современным представлениям они сами являются составными системами. Объединяющий их признак заключается в том, что они представляют форму материи, не ассоциированной в ядра и атомы.
Классификация элементарных частиц.
| группа | Название частицы | Символ | Заряд, e | Масса покоя, me | Сплин, ħ | Изосплин I | Лептонное число L | Барионное число B | Странность S | Время жизни, с | ||
| частицы | Античаст. | |||||||||||
| Фотоны | Фотон | γ | 0 | 0 | 1 | - | 0 | 0 | 0 | стабилен | ||
| Лептоны | Электрон Электронное нейтриноно Мюон Мюонное нейтрино Таон Таонное нейтрино | e- νe
µ- νµ
τ- ντ | e+ ν-e
µ+ νµ-
τ+ ντ- | 1 0 1 0 1 0 | 1 0 206,8 0 3487 0 | ½ ½ ½ ½ ½ ½ | - - - - - - | +1 +1 +1 +1 +1 +1 | 0 0 0 0 0 0 | 0 0 0 0 0 0 | Стабилен Стабильно 10-6 Стабильно 10-12 ? | |
| Мезоны | Пионы Каоны Эта-мезон | π 0 π+ K0 K+ ɳ0 | π – K-0 K- | 0 1 0 1 1 | 264,1 273,1 974,0 966,2 1074 | 0 0 0 0 0 | 1 1 ½ ½ - | 0 0 0 0 0 | 0 0 0 0 0 | 0 0 +1 +1 0 | 10-16 10-8 10-10-10-8 10-8 10-19 | |
| Адроны | Барионы | Протон Нейтрон Гипероны: Лямбда Сигма Кси омега | p n λ0 Σ0 Σ+ Σ- Ξ0 Ξ- Ω- | p- n-
λ-0 Σ-0 Σ-+ Σ-- Ξ-0 Ξ-- Ω-- | 1 0 0 0 1 1 0 1 1 | 1836,2 1838,7 2183 2334 2328 2343 2573 2586 3273 | ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ 3/2 | ½ ½ 0 1 1 1 ½ ½ 0 | 0 0 0 0 0 0 0 0 0 | +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 | 0 0 -1 -1 -1 -1 -2 -2 -3 | Стабилен 10-3 10-10 10-20 10-10 10-10 10-10 10-10 10-10 |
Наиболее важное свойство всех элементарных частиц — способность к взаимным превращениям, т. е. способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Все процессы с элементарными частицами, включая их распады, протекают через последовательность актов поглощения и испускания, в которых непременно выполняются законы сохранения.
Процессы с участием различных элементарных частиц сильно различаются по интенсивности протекания, т. е. по характерным временам и энергиям. В соответствии с этим взаимодействия, в которых они участвуют, феноменологически подразделяют на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие приводит к наиболее прочной связи элементарных частиц; именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в атомных ядрах.
Электромагнитное взаимодействие ответственно за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах и конденсированных средах. Между элементарными частицами это взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле; для его существования наличие электрического заряда у частицы не обязательно. Например, не обладающий электрическим зарядом нейтрон имеет магнитный момент и участвует в электромагнитном взаимодействии.
Слабое взаимодействие проявляется в сравнительно медленно протекающих процессах распада некоторых элементарных частиц и атомных ядер. Например, благодаря слабому взаимодействию свободный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Несмотря на сравнительно малую интенсивность и короткодействие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в устройстве Вселенной. Например, если бы удалось "выключить" слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце, так как был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате которого четыре протона, в конечном счете, синтезируются в ядро 
. Этот процесс служит источником энергии Солнца и большинства звезд.
Все без исключения частицы участвуют в гравитационном взаимодействии, которое, однако, на субатомных расстояниях порядка 10-13 см и меньше не играет практически никакой роли.
В зависимости от способности к участию в тех иных видах взаимодействий все элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны и лептоны. Андроны наряду с электромагнитным и слабым взаимодействиями участвуют в сильном взаимодействии. Лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.
Относительная роль разных видов взаимодействий (сильного, электромагнитного, слабого) в процессах с элементарными частицами зависит от энергии частиц. Поэтому деление взаимодействий на виды в зависимости от интенсивности процессов надежно осуществляется только при не слишком высоких энергиях. В современной физике растет уверенность, что все взаимодействия в природе тесно связаны между собой и по существу являются различными проявлениями некоторого единого поля. Объединение всех взаимодействий остается пока нерешенной задачей физической теории.
Руководящая идея в развитии теории элементарных частиц основана на представлении о внутренних симметриях. Например, сильное взаимодействие симметрично относительно поворотов в абстрактном изотопическом пространстве. Одним из проявлений этой симметрии является зарядовая независимость ядерных сил. Так называемая калибровочная симметрия отвечает тому факту, что некоторые сохраняющиеся величины, называемые "зарядами" (например, электрический заряд) являются одновременно источниками полей, переносящих взаимодействия между частицами, обладающими данным типом "заряда". С каждым типом симметрии в физике связан определенный закон сохранения.
Соображения симметрии приводят к неизбежному выводу о том, что у каждой элементарной частицы существует "двойник" — античастица, которая отличается от частицы только знаком некоторых характеристик взаимодействий (например, электрического заряда, магнитного момента, лептонного и барионного заряда). У некоторых частиц, в частности у фотона, античастица совпадает с самой частицей. Такие частицы называются истинно нейтральными. При встрече частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция.
Например, при аннигилляции электрона и позитрона они превращаются в два, три или несколько 
- квантов. Один - квант излучиться не может, так как это несовместимо с законами сохранения. При аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают не столько -кванты, сколько другие легкие частицы, например - мезоны при аннигиляции протона и антипротона. Наряду с аннигиляцией при достаточно большой энергии возможен и обратный процесс рождения пары частица-античастица.
Значительные усилия прилагаются в настоящее время в попытках рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Наблюдаемые большие различия между этими взаимодействиями считаются обусловленными нарушением симметрии при доступных в настоящее время энергиях. Их единая природа может проявиться только при энергии частиц во встречных пучках порядка 1014 ГэВ. При этом кварки и лептоны окажутся однотипными объектами и станут возможными их взаимные превращения. Следствием таких представлений явилось предсказание нестабильности свободного протона со средним временем жизни 1030 -1032 лет, что существенно превышает возраст Вселенной. Эта теория известна под названием Великого объединения. Теория, которая сумеет включить и гравитацию, уже заранее получила название Суперобъединение.
Теории Великого объединения актуальны лишь при столь высоких энергиях, какие могли существовать только на самых ранних этапах существования Вселенной. Таким образом, физика элементарных частиц, прорываясь в область высоких энергий, соединилась с современной космологией — теорией эволюции Вселенной. Появилась новая наука — космомикрофизика.
Похожие работы
... элементарных частиц — это своего рода постулат, и проверка его справедливости — одна из важнейших задач физики. От электрона до нейтрино Электрон Исторически первой открытой элементарной частицей был электрон — носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. Это самая «старая» элементарная частица. В идейном плане он вошел в физику в 1881 г., когда Гельмгольц в ...
... лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи. Исторически первой открытой Э. ч. 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- ...
... . Такова краткая история изучения космических лучей, в которой берет свое начало история исследования физики элементарных частиц, космофизики и физики Солнца. §2. Экспериментальные методы изучения космических лучей. Крупнейшие экспериментальные установки Согласно всесоюзной классификации научных направлений физика космических лучей является одним из разделов более общего направления — ядерной ...
... и искомыми величинами. Последовательность действий, которые надо выполнить, чтобы от исходных данных перейти к искомым величинам, называют алгоритмом. 2. Историческое развитие моделей элементарных частиц 2.1 Три этапа в развитии физики элементарных частиц Этап первый. От электрона до позитрона: 1897-1932гг (Элементарные частицы - "атомы Демокрита" на более глубоком уровне) Когда греческий ...
0 комментариев