Элементарные частицы их классификация и свойства


Физика элементарных частиц

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.

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.

Классификация элементарных частиц. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

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:

Готовые работы на аналогичную тему


  • Курсовая работа Классификация элементарных частиц 470 руб.
  • Реферат Классификация элементарных частиц 230 руб.
  • Контрольная работа Классификация элементарных частиц 210 руб.
  • фермионы
  • бозоны.

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.

Источник: spravochnick.ru


Элементарной называется частица, которая на современном уровне развития науки не обнаруживает внутреннего строения, а ее размеры недоступны измерению. Фундаментальным свойством всех элементарных частиц является их способность к взаимному превращению. Элементарные частицы принято классифицировать по тому типу взаимодействия, в которое они вступают и по значению их собственного момента импульса (спина).

По типу характерных для частиц взаимодействий они делятся на четыре класса.

1 Фотоны – кванты электромагнитного поля, участвуют в электромагнитном взаимодействии, но не обладают сильным и слабым.

2 Лептоны – частицы, не обладающие сильным взаимодействием (электрон, позитрон, мюон, нейтрино, антинейтрино и др.). Все лептоны участвуют в слабом взаимодействии, заряженные лептоны участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

3Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, участвуют также в слабом и электромагнитном взаимодействии (p-мезон, К-мезон и др.)

4 Барионы – частицы, обладающие сильным взаимодействием (протон, нейтрон, все гипероны). Заряженные барионы участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами.


По значению собственного момента импульса (спина) элементарные частицы делятся на два класса:

1 Фермионы – частицы с полуцелым спином, описывающиеся антисимметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Ферми–Дирака (электрон, протон, нейтрон и др.).

2 Бозоны – частицы с нулевым или целочисленным спином, описывающиеся симметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Бозе–Эйнштейна (p-мезон, фотон).

Все лептоны и барионы являются фермионами, а мезоны и фотон – бозонами. Для фермионов справедлив принцип Паули, согласно которому в системе тождественных фермионов не может быть двух частиц, обладающих одинаковым набором квантовых чисел. Ранее мы сформулировали этот принцип для электронов в атоме и объяснили с его помощью заполнение электронных оболочек атомов (Периодическая система элементов Д.И. Менделеева). Однако принцип Паули имеет более широкую область применения, ему подчиняется поведение любых коллективов тождественных фермионов (атомное ядро, электронный газ в металлах и т.д.). Для коллектива бозонов принципа запрета Паули нет.

Все переносчики взаимодействий являются бозонами, а кварки и лептоны – фермионами. В связи с этим бозоны принято ассоциировать с взаимодействием, а фермионы – с веществом. Суперсимметрия объединяет фермионы и бозоны в рамках одной теории и говорит о возможности превращения бозонов и фермионов друг в друга.

Использование термина “элементарные” становится неоправданным, когда мы говорим о почти 400 частицах и античастицах, открытых к настоящему времени.


звитие работ по классификации частиц все время сопровождалось поисками новых более фундаментальных частиц, из которых построены все адроны (барионы и мезоны). В 1964 г. независимо друг от друга Дж. Цвейг и Гелл-Манн высказали гипотезу о существовании т.н. кварков. Согласно теории Цвейга–Гелл-Манна все известные к тому времени адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков: u (от англ. “up”, т.е. “вверх”), d (down – вниз) и s (strange – странный или sideways – боковой) и соответствующих им антикварков. Кварки обладают дробным электрическим зарядом, полуцелым спином (т.е. являются фермионами) и рядом других характеристик. Мезоны состоят из пары кварк–антикварк, барионы из трех кварков (например, протон имеет кварковую структуру uud). Кварки существуют только внутри адронов и не наблюдаются как изолированные объекты.

Увеличение числа элементарных частиц привело к необходимости расширения системы кварков. Пришлось постулировать существование еще трех кварков: с (charmed – очарованный), b (bottom – нижний или beauty – прелестный) и t (truth – истинный).

Реальное существование кварков подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, характер рассеяния быстрых электронов протонами свидетельствует о наличии внутри протона трех точечных рассеивающих центров с дробным электрическим зарядом, что полностью соответствует трехкварковой модели протона.


Все попытки наблюдать кварки как изолированные объекты оказались безуспешными, они в принципе не могут существовать в свободном состоянии. Применительно к кваркам даже существует термин конфайнмент (от английского confinement, что означает “тюремное заключение”). Причиной конфайнмента является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом. При малых расстояниях эти силы малы, однако с увеличением расстояния силы взаимодействия между кварками очень быстро растут, не позволяя кваркам вылететь из адрона.

В наши дни принята Стандартная модель, по которой всё вещество состоит из 24 частиц-фермионов: 6 лептонов, 6 кварков и 12 античастиц. Частицами-переносчиками взаимодействий являются 8 глюонов, 3 тяжёлых бозона, один фотон. Теоретически предсказано существование бозона Хиггса, отвечающего за массу.

 

Контрольные вопросы

1 Как развивались представления о строении атома?

2 Сформулируйте постулаты Бора.

3 Каковы основные результаты решения уравнения Шредингера для атома водорода?

4 Какие физические величины, характеризующие состояние электрона в атоме, оказываются дискретными?

5 Какие квантовые числа Вы знаете? Что они характеризуют?

6 Когда атом поглощает или излучает энергию? Запишите закон сохранения энергии для элементарного акта излучения или поглощения.

7 Какие частицы называются в квантовой теории тождественными? В чем заключается принцип неразличимости тождественных частиц?


8 Сформулируйте принцип Паули. Поведение каких систем объясняется этим принципом?

9 Из каких элементарных частиц состоит атомное ядро?

10 Что такое дефект массы и энергия связи ядра? Какие ядра обладают наибольшей энергией связи?

11 Перечислите свойства ядерных сил.

12 Что такое радиоактивность?

13 Запишите закон радиоактивного распада. Каков физический смысл периода полураспада?

14 Приведите примеры α-распада и β-распада.

15 Какова причина возникновения γ-излучения?

16 Сравните радиоактивные излучения по проникающей и ионизирующей силе.

17 Охарактеризуйте основные типы фундаментальных взаимодействий

18 Какие частицы называются элементарными? Как они классифицируются?

19 Что такое кварки?

Модуль 3Химические основы технологий

3.1Элементы современной химии

 

Источник: helpiks.org

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.

Время жизни нестабильных частиц значительно разнится. Дольше всех «живет» нейтрон:

15

минут. Существование

μ

-мезона ограничено отрезком времени в 

2,2·106

 секунды, нейтрального 

π

-мезона – 

0,87·1016 с

. Среднее время существования гиперонов, массивных частиц, составляет всего

1010 с

.

Определение 1

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.

Определение 2

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 = h2π

.

Определение 3
Определение 4
Определение 5

Объединяет частицы из группы лептонов спин 

12

. В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.

Определение 6

Определение 7

Подгруппа барионов по сравнению с мезонами является более обширной и состоит из более тяжелых элементарных частиц. Нуклоны являются самыми легкими из барионов, затем идут гипероны. Масса омега-минус-гиперона составляет

3273

электронных массы. Спин барионов составляет

12

.

Кварковая гипотеза

Количество уже открытых и вновь открываемых частиц позволяет предположить, что существуют какие-то более мелкие фундаментальные частицы. В середине

20

века американский физик Мюррей Гелл-Ман выдвинул гипотезу существования кварков, фундаментальных частиц, из которых построены тяжелые элементарные частицы.

Согласно теории Гелл-Мана существует три кварка и три антикварка. Они могут объединяться, образуя различные сочетания.

Определение 8

Эта теория позволила объяснить существование уже открытых частиц и существование других, еще неизвестных науке. При этом, ряд свойств предсказанных частиц оказался неожиданным для исследователей.

Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 

23

и 

13

элементарного заряда.

Поиски кварков в космических лучах и на современных ускорителях высоких энергий оказались безуспешными. Считается, что кварки обладают очень большой массой. В связи с этим, получить кварки при тех энергиях, которые можно получить в современных ускорителях, не получается. Тем не менее, установлено, что кварки существуют внутри тяжелых элементарных частиц, таких как андроны.

 Фундаментальные взаимодействия в природе

Определение 9
Определение 10

Сильное взаимодействие

Это вид фундаментального взаимодействия также носит название ядерного, так как оно обуславливает прочную связь между нуклонами в ядре атома. Из числа элементарных частиц в сильном взаимодействии принимают участие андроны (мезоны и барионы).

Сильное взаимодействие считается короткодействующим, так как проявляется на расстоянии порядка

1015 м

 и менее.

Электромагнитное взаимодействие

Благодаря этому виду взаимодействия возможно существование молекул и атомов. Оно определяет большинство свойств веществ, находящихся в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Оно обуславливает протекание процессов поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества, а также целый ряд других физических и химических процессов. Кулоновское отталкивание, существующее между протонами, объясняет неустойчивость ядер атомов с большими массовыми числами.

В электромагнитном взаимодействии могут участвовать любые частицы, которые обладают электрическим зарядом, а также кванты электромагнитного поля фотоны.

Слабое взаимодействие

Этот вид взаимодействия определяет ход наиболее медленных процессов, которые протекают в микромире, в том числе с участием нейтрино или антинейтрино.

В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые элементарные частицы.

Пример 1

Гравитационное взаимодействие

В связи с тем, что масса элементарных частиц мала, силами гравитационного воздействия между ними можно пренебречь. Гравитация имеет значение при взаимодействии космических объектов, чья масса огромна.

Теория обменного взаимодействия

В первой трети прошлого столетия у исследователей появилась гипотеза о том, что все взаимодействия в мире элементарных частиц осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Выдвинули эту гипотезу советские ученые И.Е. Тамм и Д.Д. Иваненко. Они провели параллели между взаимодействиями, которые возникают в результате обмена частицами, и обменом валентными электронами, которые при образовании ковалентной химической связи объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Определение 11
Определение 12

Подтверждением верности теории обменного взаимодействия стали теоретические выкладки японского физика Х. Юкавы, который доказал, что сильное взаимодействие между нуклонами можно объяснить обменом гипотетическими частицами, которые получили название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц. Она оказалась приблизительно равно

300

электронным массам.

Спустя несколько лет частицы с такой массой действительно были обнаружены. Они были названы π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: 

π+, π

 и 

π0

.

Теория электрослабого взаимодействия рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как две разные характеристики одного поля. В таком поле помимо квантов взаимодействие обеспечивают и векторные бозоны.

Теория Великого объединения

После того, как удалось объединить в одну модель слабое и электромагнитное взаимодействия, у исследователей появилась уверенность в том, что связаны между собой все виды взаимодействий. Единственное, чего не хватает для полноты картины, это физического подтверждения таких взаимодействий. До получения доказательств теория остается лишь привлекательной научной гипотезой.

Для того, чтобы объединить слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия, физики-теоретики предположили существование гипотетической частицы под названием гравитон. Однако до настоящего времени существование такой частицы не было подтверждено в ходе экспериментов.

Предполагается, что получить подтверждение теории Великого объединения в современных ускорителях невозможно. А все потому, что единое поле, которое объединяет все виды взаимодействий, существует только при очень больших энергиях частиц. Такая энергия частицы могла наблюдаться только на самых ранних этапах существования вселенной, сразу после Большого взрыва.

Предполагается, что Большой взрыв произошел

18

миллиардов лет назад. В теории, сразу после Большого взрыва температура могла достигать

1032 К

, а энергия частиц 

E = kT

 достигать значений 

1019

 ГэВ. В таких условиях материя могла существовать в форме кварков и нейтрино, а все виды взаимодействий были объединены в одно силовое поле.

По мере расширения вселенной энергия частиц уменьшается. Из единого поля при энергиях частиц 

 1019 ГэВ

выделилось гравитационное взаимодействие. При энергиях порядка 

1014 ГэВ

разделились сильное и электрослабое взаимодействия. При энергиях порядка 

103 ГэВ

 все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Параллельно этому началось формирование более сложных форм материи: нуклонов, ядер атомов, атомов, ионов.

Основываясь на законах физики, описывающих взаимодействие элементарных частиц, создана модель эволюции вселенной, на которую опирается вся современная космология.

Источник: Zaochnik.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.