Лекция. лекция№8. Лекция 12 основы физики элементарных частиц план Элементарные частицы. Основная систематика элементарных частиц
 Скачать 54.58 Kb.
|
Лекция № 12 ОСНОВЫ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ План Элементарные частицы. Основная систематика элементар-ных частиц. Заряды и законы сохранения. Античастицы. Понятие о кварках. Элементарные частицы. Основная систематика элемен- тарных частиц Элементарными частицами (ЭЧ) называются микрочастицы, относительно которых в настоящее время нет доказательств, что они являются составными (например, электрон, протон, нейтрон). Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Они могут превращаться друг в друга, но не рас-щепляться на составляющие. Так, в реакции распада свободного нейтрона n→p+e-+ |
| Взаимодействие | Интенсивность, отн. ед | Радиус действия, см |
| | | |
| Сильное | 1 | 10‒13 |
| Электромагнитное | 10‒2 | ∞ |
| Слабое | 10‒14 | 10‒16 |
| Гравитационное | 10‒31 | ∞ |
Сильное взаимодействие обусловливает связь нуклонов в ядрах и тем самым обеспечивает прочность ядер.
Электромагнитное взаимодействие ответственно за само суще-ствование атомов и молекул за счет взаимодействия отрицательно за-ряженных электронов и положительно заряженных ядер, вызывает разлет осколков при делении атомных ядер.
Слабое ответственно за взаимодействие частиц, происходящее с участием нейтрино и антинейтрино, например β-распад.
Гравитационное присуще всем ЭЧ без исключения, но в силу малости масс ЭЧ в микромире несущественно.
Основная систематика элементарных частиц
Элементарные частицы можно разделить на фотоны, лептоны и адроны.
Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электро-магнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым вза-имодействиями.
Лептоны (от греч. «лептос» ‒ легкий) – электроны, мюоны, тао-ны, нейтрино. Участвуют в слабом и электромагнитном взаимодей-ствии заряженных частиц (e, ϻ-, ϻ+, τ-, τ+).
Адроны (от греч. «адрос» ‒ крупный, массивный) участвуют в сильных взаимодействиях, делятся на мезоны и барионы.
Мезоны (от греч. «мезос» ‒ средний, промежуточный) занимают положение между электронами и нуклонами (по массе). Например, π-, K-мезоны.Обладают целочисленным спином(или равным нулю).Как
фотоны, подчиняются статистике Бозе ‒ Эйнштейна и относятся к бозонам. Мезоны участвуют в сильном, слабом и, если заряженные частицы, в электромагнитом взаимодействии.
Тяжелые частицы барионы ‒ это адроны с полуцелым спином, в свою очередь, делятся на нуклоны и гипероны. За исключением про-тона все барионы нестабильны. Лептоны и барионы подчиняются ста-тистике Ферми ‒ Дирака и относятся к фермионам.
Гипероны (греч. «сверх, свыше») – нестабильные ЭЧ (распада-ются на нуклоны и легкие частицы) массой больше нуклонной и большим (по ядерным масштабам) временем жизни (10–10 ‒ 10‒19с). (Например, Ω-, Λ-, Ξ-гипероны).
Заряды и законы сохранения
При взаимопревращениях микрочастиц справедливы законы со-хранения. В частности, при любом взаимопревращении частиц алгеб-раические суммы электрических зарядов исходных и конечных ча-стиц равны. Этот закон позволяет заведомо исключить из рассмотре-ния те схемы, где суммарный электрический заряд не сохраняется. Но для объяснения многочисленных экспериментальных фактов было допущено существование зарядов неэлектрической природы, которые также сохраняются.
Барионный заряд. Для всех процессов с участием барионов ба-рионный заряд сохраняется (закон сохранения барионного заряда). При этом барионам (нуклонам и гиперонам) приписывается заряд +1 (и ‒1 ‒ антибарионам), всем остальным частицам ‒ ноль.
Лептонный заряд. Не вдаваясь в детали, лептонам приписывает-ся заряд +1, для антилептонов ‒1, для всех остальных частиц ‒ ноль. При превращениях с участием лептонов выполняется закон лептонно-го заряда. (Примечание: лептоны е-, е , ϻ-, ϻ, τ-, τ; антилептоны
е+, е , ϻ+, ϻ, τ+, τ).
Античастицы
общем случае античастицы отличаются от частиц только зна-ками зарядов (электрического, барионного, лептонного). Антипротон
р‒отличается от протона р+знаками электрического заряда,антиней-
| трон | | от нейтрона n ‒ знаком магнитного момента, антинейтрино | | |
| n | | |
от нейтрино ν ‒ спиральностью (спиральность – состояние, определя-емое проекцией спина частицы на направление движения). Если про-екция больше 0, то спиральность считается правовинтовой, если меньше 0, то левовинтовой). В некоторых случаях античастица сов-падает со своей частицей. Такие частицы называются истинно нейтральными. К ним относятся, например, фотон, γ-квант, πо-мезон.
Аннигиляция и рождение пар
При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиля-ция, когда энергия этой пары превращается в энергию γ-квантов е+е+→γ+γ. Возможен обратный процесс: в поле атомного ядра γ-квант может породить пару е‒ и е+, если энергия γ-кванта не меньше энергии
2mec2.
Понятие о кварках
Согласно кварковой гипотезе все адроны являются составными частицами, их образуют первичные частицы – кварки. Последние от-личаются от всех известных частиц дробностью заряда (‒⅓е или +⅔е). Каждый барион состоит из трех кварков, например нуклоны (р и n) (см. рисунок).
p n
+⅔е +⅔е ‒⅓е ‒⅓е
‒⅓е +⅔е
Гипотеза получила косвенное подтверждение. Однако много-численные поиски свободных кварков оказались безуспешными. Воз-можно, что в свободном состоянии кварки не существуют или энер-гия связи кварков в адронах весьма велика и недоступна современным ускорителям.
Вопросы для самоконтроля
Какие частицы считаются элементарными?
Какие фундаментальные типы взаимодействий есть в приро-де? Сравните их по интенсивности.
Какое взаимодействие является универсальным?
Приведите таблицу основной систематики элементарных ча-стиц. Кратко охарактеризуйте каждую группу частиц.
Какие законы сохранения выполняются при слабых и сильных взаимодействиях?
В чем суть гипотезы о существовании кварков?
Чем отличаются частицы от античастиц?
Заключение
Физика ‒ это фундаментальная база для теоретической подго-товки специалиста. Изучение основных физических явлений и идей, овладение фундаментальными понятиями, законами современной физики формирует умение выделить конкретное физическое содер-жание в прикладных задачах будущей специальности. Физика ‒ база для новых отраслей техники; квантовая механика ‒ для электроники, лазерной техники, нанотехнологий, информационных технологий; ядерная физика ‒ для новых направлений медицинской техники и т. д. Кроме того, физика помогает развитию умственных способностей, воспитанию воли и характера при достижении поставленной цели. Физика ‒ это ведущая наука о природе.