Навигация
Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия
101982
знака
6
таблиц
13
изображений
2.3 Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия
В настоящее время известно сотни субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон, нейтрино.
| Группа | Название частицы | Символ | Масса (в массах электрона) | Эл. заряд | Спин | Время жизни | ||
| Частица | Анитичастица | |||||||
| Фотоны | Фотон | Г | 0 | 0 | 1 | Стабилен | ||
| Лептоны | Нейтрино электронное |
|
| 0 | 0 | ½ | Стабильно | |
| Нейтрино мюонное |
|
| 0 | 0 | ½ | Стабильно | ||
| Электрон | e- | e+ | 1 | -1 1 | ½ | Стабилен | ||
| Адроны | Мезоны | Мю-мезон (мюон) | m- | m+ | 206,8 | -1 1 | ½ | 2,2×10-6 |
| Пи-мезон (пион) | p0 | 264,1 | 0 | 0 | 0,87×10-16 | |||
| p+ | p- | 273,1 | 1 -1 | 0 | 2,6×10-8 | |||
| К-мезон | K+ | K- | 966,4 | 1 -1 | 0 | 1,24×10-8 | ||
| K0 |
| 974,1 | 0 | 0 | 10-10-108 | |||
| Эта-нуль-мезон |
| 1074 | 0 | 0 | 10-18 | |||
| Барионы | Протон | p |
| 1836,1 | 1 -1 | ½ | Стабилен | |
| Нейтрон | n |
| 1838,6 | 0 | ½ | 898 | ||
| Лямбда-гиперон | L0 |
| 2183,1 | 0 | ½ | 2,63×10-10 | ||
| Сигма-гипероны | S+ |
| 2327,6 | 1 -1 | ½ | 0,8×10-10 | ||
| S0 |
| 2333,6 | 0 | ½ | 7,4×10-20 | |||
| S- |
| 2343,1 | -1 1 | ½ | 1,48×10-10 | |||
| Кси-гипероны |
|
| 2572,8 | 0 | ½ | 2,9×10-10 | ||
|
|
| 2585,6 | -1 1 | ½ | 1,64×10-10 | |||
| Омега-минус-гиперон |
|
| 3273 | -1 1 | ½ | 0,82×10-11 | ||
0
В таблице представлены некоторые сведения о свойствах частиц с временем жизни более 10–20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в здесь указаны масса частицы (в массах электрона), электрический заряд (в единицах элементарного заряда), момент импульса в единицах постоянной Планка ħ = h/2π и среднее время жизни частицы.
К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.
Следующая группа состоит из наиболее легких частиц лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин ½, обладают лептонным зарядом и не имеют барионного заряда.
Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами, участвующие в сильных взаимодействиях. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η0-мезон. Все мезоны имеют спин, равный 0. Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс.
Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц.Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, бесчисленны и сильно отличаются по характерным временам их протекания и энергиям. По современным представлениям, в природе есть четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Их и называют фундаментальными.
Сильное (или ядерное) взаимодействие – это наиболее интенсивное из всех
видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны. Правда, именно адроны составляют подавляющее большинство элементарных частиц. Кроме протона и нейтрона, к семейству адронов принадлежат многочисленные мезоны и гипероны, как долгоживущие, так и резонансы. Известно всего лишь шесть фермионов, не участвующих в сильных взаимодействиях. Это так называемые лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино. Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10–15 м. Поэтому его называют короткодействующим.
Электромагнитное взаимодействие – в нем могут принимать участие любые электрически заряженные частицы и фотоны – кванты электромагнитного поля. Источником электромагнитного поля является четырехмерный вектор электромагнитного тока. В статическом пределе у этого вектора отлична от нуля лишь одна компонента – электрический заряд покоящейся частицы. Нейтральные частицы, не несущие электрических зарядов, как, например, нейтрон или нейтрино, взаимодействуют с электромагнитным полем лишь благодаря своей сложной структуре или квантовым эффектам. Это взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул, за процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами. В основном оно определяет свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях, приводит к неустойчивости ядер (отталкивание протонов) с большими массовыми числами.
Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Оно ответственно за процессы с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино, а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10–10 с).
Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все элементарные частицы, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Источником гравитационного поля является четырехмерный тензор энергии – импульса. В статическом пределе у этого тензора отлична от нуля лишь одна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (галактики, звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами.
Дальнодействие – концепция мгновенного взаимодействия тел через пустоту. Близкодействие – концепция взаимодействия тел через посредника – то или иное поле.
С появлением квантовой теории поля была сформулирована концепция обменного взаимодействия, осуществляемое путем обмена частицами.
Исходной "затравочной" моделью в этом случае является поле, посредством которого осуществляется взаимодействие между зарядами. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами – квантами электромагнитного поля.
Сильное взаимодействие обусловлено обменом пионами при взаимодействии нуклонов и глюонами при взаимодействии кварков.
Похожие работы
... уже после окончания ими школы, это поможет им в дальнейшем при получении профессии и при совершенствовании их профессиональных знаний и умений. 1.2 Психолого-педагогические проблемы формирования целостного миропонимания В Концепции модернизации российского образования на период до 2010 года как основные можно выделить следующие параметры качества образования: 1) научность, 2) ...
... за пределами своей дискретности. Завершенная модель построения элементарных частиц должна соответствовать свойствам абсолютного взаимодействия и включать все виды материй, что достигается на основании матричного моделирования элементарных частиц. Конечный уровень построения материи представляет собой частицу лишенную внутренней структуры - пространственная точка (далее в тексте обозначена ...
... друг от друга, поэтому их рассматривают как одну частицу — нуклон. Сильное взаимодействие действует на малых расстояниях (10-15 м) и превосходит электромагнитное и гравитационное, но оно уменьшается с увеличением расстояния. Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов, связанных между собой ядерными силами (сильным взаимодействием). Протон - ядро атома водорода имеет ...
... может привести к очередной, третьей, научной революции, и физика сделает еще один шаг вперед в своем развитии(9. с. 409). Подводя короткий итог всему вышесказанному, можно отметить, что развитие физики во второй половине ХХ в. привело к открытиям, обладающим такой силой и мощью, которой вполне достаточно как для научно-технической революции, так и для уничтожения всего живого на Земле. Но ученые ...
0 комментариев