СПРАВОЧНИК МАГНИТНОГО ДИСКА (кафедра физики) «ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ. «ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ». Методические указания для самостоятельной работы и тестирования знаний по дисциплине Физика студентов направлений 210100. 62 Электроника и наноэлектроника

• Название: Методические указания для самостоятельной работы и тестирования знаний по дисциплине Физика студентов направлений 210100. 62 Электроника и наноэлектроника
• Анкор: СПРАВОЧНИК МАГНИТНОГО ДИСКА (кафедра физики) «ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
• Дата: 21.01.2020
• Размер: 0.5 Mb.
• Имя файла: «ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ».pdf
• Тип: Методические указания; #105247
• страница: 5 из 5

2.4. Классификация элементарных частиц
Классификация элементарных частиц, прежде всего, ос- новывается на их отношении к фундаментальным взаимодей- ствиям и типу статистики, которой они подчиняются. Все ста- бильные и квазистабильные частицы (кроме резонансов) сгруппированы в три группы и представлены в табл.2.2.
Таблица 2.2
Особую группу образует фотон, являющийся переносчи- ком электромагнитного взаимодействия. К группе переносчи- ков взаимодействия относятся также



0
, Z
W
бозоны, яв- ляющиеся переносчиками слабого взаимодействия, глюоны –

44 переносчики сильного взаимодействия, и гипотетические гра-
витоны – переносчики гравитационного взаимодействия.
Следующую группу составляют «легкие» частицы, так называемые лептоны. К лептонам относятся электрон, мюон, таон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы.
Иначе говоря, различают три семейства лептонов: элек- тронное (
e
e

,

), мюонное (



,

) и таонное семейство
(



,

), каждому из которых соответствует еще семейство ан- тилептонов. Все лептоны имеют спин
2
/
1

J
, т.е. являются
фермионами. Заряженные лептоны участвуют в электромаг- нитном и слабом взаимодействии, нейтральные частицы – только в слабом взаимодействии.
Для выделения класса лептонов была дополнительно вве- дена новая физическая величина – лептонный заряд
L
. Для всех лептонов
1


L
, для всех антилептонов -
1


L
, а для всех частиц, не входящих в эту группу -
0

L
. При любых распадах и взаимопревращениях выполняется закон сохране-
ния лептонного заряда. В качестве примера такого сохранения можно привести следующие реакции:




e
p
n
e

, (2.10)




e
n
p
e


. (2.11)
В первом случае сохраняется положительный лептонный заряд, а во втором – отрицательный.
Наибольшую группу частиц составляют адроны. Все ад- роны участвуют, прежде всего, в сильном взаимодействии, но также подвержены электромагнитному, слабому и гравитаци- онному взаимодействию. В свою очередь по типу статистики они подразделяются на мезоны и барионы. К мезонам относят- ся частицы с нулевым спином, являющиеся бозонами. Барио- ны имеют полуцелый спин, т.е. являются фермионами. К ме- зонам относятся пионы, каоны, их античастицы, а также
 - мезон. К барионам принадлежат нуклоны, большая группа ги- перонов и их античастицы. Всем барионам приписывают по- ложительный барионный заряд
1


B
, а антибарионам – от-

45 рицательный барионный заряд
1


B
. Мезоны имеют бари- онный заряд равный нулю
0

B
. При всех процессах распадов и взаимопревращений адронов выполняется закон сохранения
барионного заряда.
2.5. Кварковая структура адронов
Все адроны являются составными частицами и построе- ны из более фундаментальных частиц. Эти частицы были на- званы кварками. На основе кварковой гипотезы не только бы- ла понята структура уже известных адронов, но предсказаны свойства и существование новых. Основные характеристики кварков представлены в табл.2.3.
Таблица 2.3
Наименование
кварка
Символ Заряд
q/e
Спин

B
T
T
z
S C
Верхний (up)
u
+2/3 1/2 1/3 1/2 1/2 0
0
Нижний (down)
d
-1/3 1/2 1/3 1/2
-1/2 0
0
Странный
(strange)
s
-1/3 1/2 1/3 0
0
-1 0
Очарованный
(charm)
c
+2/3 1/2 1/3 0
0 0
1
Прелестный
(beauty) b
-1/3 1/2 1/3 0
0 0
0
Истинный
(true) t
+2/3 1/2 1/3 0
0 0
0
Антикварки
u
-2/3 1/2
-1/3 -1/2 -1/2 0
0
d

+1/3 1/2
-1/3 -1/2 1/2 0
0
s
+1/3 1/2
-1/3 0
0 1
0
c
-2/3 1/2
-1/3 0
0 0
-1
b

+1/3 1/2
-1/3 0
0 0
0
t

-2/3 1/2
-1/3 0
0 0
0
В настоящее время установлено существование шести разновидностей (ароматов) кварков и столько же антикварков.
Все кварки имеют спин
2
/
1

J
, что дает возможность конст- руировать из них как фермионы, так и бозоны. Особенно уди-

46 вительным оказалось наличие у кварков дробного электриче- ского (+2/3 и -1/3) и барионного заряда (
3
/
1

B
), которые не встречается ни у одной из известных элементарных частиц.
Помимо этого кварки характеризуются также такими кванто- выми числами, как изотопический спин
T
и его проекция
z
T ,
странность
s , очарование c , прелесть
b
и истинность t .
Кроме того, кварки имеют еще одно квантовое число, а именно цвет: красный, зеленый и голубой, комбинация которых дает белый цвет. Таким образом, общее число кварков с учетом в различие их цвета равно 18, и столько же имеется антикварков.
Согласно современным представлениям из этих истинно фундаментальных частиц и состоят сотни адронов, считав- шихся ранее элементарными. Каждый мезон состоит из одного кварка
q
и одного антикварка
q

q
q
M


. (2.13)
Каждый барион, в свою очередь, состоит из трех кварков:
qqq
B 
. (2.14)
Пользуясь данными формулами можно построить из кварков любой адрон. Кварковый состав некоторых мезонов и барионов представлен в табл.2.4.
Таблица 2.4
Частица


0
K
p
n




0

Кварковый состав
d
u

s
d
uud
udd
dds
sss
uds
Как следует из таблицы, обычные адроны состоят только из

u
и

d
кварков, а странные, очарованные, прелестные и истинные адроны содержат в своем составе соответствующие кварки (
или
b
c
s



,
,
t ). Кроме того, например, адроны
0
 и
0
 состоят из одинаковых кварков, поэтому для их отличия и было введено еще одно квантовое число – цвет. При этом указанные частицы состоят из кварков разного цвета, но сами частицы являются белыми, т. е. не имеют цвета.

47
Кварки относятся к сильновзаимодействующим части- цам. Переносчиками взаимодействия между ними являются восемь нейтральных и безмассовых глюонов, обладающих спином равным единице. Глюоны, как и кварки, являются
«цветными» частицами. Согласно современным представлени- ям глюоны так прочно удерживают (склеивают) кварки, что в свободном состоянии они в принципе состоять не могут. Для их отрыва друг от друга требуется бесконечная энергия. Одна- ко, несмотря на то, что в свободном состоянии кварки не обна- руживаются, их существование доказывается многочислен- ными косвенными экспериментами.
Таким образом, в настоящее время истинно элементар- ными, фундаментальными частицами являются кварки и леп- тоны шести ароматов, а также переносчики фундаментальных взаимодействий: фотоны, промежуточные бозоны, глюоны и гравитоны.
Примеры решения задач
Пример 1. Указать причины, запрещающие следующие процессы
1)







0 4)
0






p
n
2)






K
K
p

5)







e
e


3)
0
K
K
n
K








Решение.
Проверим выполнимость законов сохранения в каждой приведенной реакций.
В процессе 1) нарушается закон сохранения энергии. В частности, в системе отсчета центра масс, где сигма-минус- гиперон


покоится, его энергия равна
МэВ
c
m
1197 2



, что меньше суммы энергий покоя продуктов распада
МэВ
c
m
c
m
1256 2
2 0





В процессе 2) нарушается закон сохранения барионного заряда. Действительно, в начальном состоянии он равен
1 1
0



B
, а в конечном
0

B

48
В процессе 3) нарушается закон сохранения электриче- ского заряда (-1+0
 -1+1).
В процессе 4) нарушается закон сохранения странности
(0+0
 -1-1).
В процессе 5) нарушается закон сохранения лептонного заряда

L
(0
 1+0+0).
Пример 2. Найти кварковый состав

 - мезона.
Решение
Используя формулы 2.13 и 2.14, подбираем из таблицы
2.3 комбинацию кварков так, чтобы результирующие кванто- вые числа совпадали с квантовыми числами

 - мезона. Та- ким образом

 имеет состав d
u

Задачи для самостоятельного решения
1. Проверьте выполнимость законов сохранения лептон- ного заряда, барионного заряда, изотопического спина и его проекции, странность в процессе, приведенном в табл.2.5.
Таблица 2.5
Номер вариан- та
Процесс
Номер вариан- та
Процесс
1







K
p

14 0







2





K
K
n
0

15 0
0







p
3







K
p

16







0 4
0

 



K
17
e
e
p
n





5









K
K
n

18




e
n
p
e

6
e
n
p
e





19
p
n




0


7





p
0 20








8






n
21








p
K

49
Продолжение табл.2.5 9
0 0






22
n
K
K
p








10







K
p

23 0
0








K
11






K
0 24








K
12






0
n
p
25
n






13










K
26










e
e
2. Для нечетных номеров задач найдите кварковый состав указанного в табл. 2.6 адрона; для четных идентифицировать адрон по его кварковому составу.
Таблица 2.6
Номер варианта
Адрон
Кварковый состав
Номер варианта
Адрон
Кварковый состав
1


?
14
?
d
u
2
?
s
d
15


?
3 0

?
16
?
s
d

4
?
dss
17 0

K
?
5

p
?
18
?
dds
6
?
udd
19


?
7

K
?
20
?
s
u
8
?
uus
21 0
K
?
9 0

?
22
?
sss
10
?
s
u
23
p

?
11


?
24
?
uss
12
?
uds
25
N
?
13

K
?
26
?
uud

50
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Савельев И.В. Курс общей курс физики. Кн.5-я Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц: учеб. пособие для втузов/ И.В. Савельев. – М.: ООО изд-во «Астрель», 2004.
– 368 с.
2. Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.:
«Академия», 2004. – 560 с.
3. Новиков. С.М. Сборник заданий по общей физике:
Учеб.пособие для студентов вузов / С.М. Новиков. –
М.:ООО «Издательство Оникс»: ООО «Издательство
«Мир и Образование», 2006 – 512 с.: ил. – (Высшее обра- зование).
4. Гладской В.М. Сборник задач по физике с решениями:
Пособие для втузов / В.М. Гладской, П.И. Самойленко. –
2-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 288с.
СОДЕРЖАНИЕ
1. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА ............................................................... 1 1.1. Состав и характеристики атомного ядра .................................................. 1 1.2. Дефект масс и энергия связи .................................................................... 2 1.3. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада .................................. 6 1.4. Виды и закономерности радиоактивных процессов ...............................14 1.5. Ядерные реакции .....................................................................................19 1.5.1. Реакции деления тяжелых ядер ............................................................21 1.5.2. Реакции термоядерного синтеза ...........................................................22
2. ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ .......................................... …33 2.1. Общие свойства и характеристики элементарных частиц ......................33 2.2. Фундаментальные взаимодействия .........................................................37 2.3. Объединение фундаментальных взаимодействий ..................................41 2.4. Классификация элементарных частиц ....................................................43 2.5. Кварковая структура адронов..................................................................45
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................50

51
«ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ для самостоятельной работы и тестирования знаний по дисциплине «Физика» студентов направлений
210100.62 «Электроника и наноэлектроника»
(профили «Микроэлектроника и твердотельная электроника»,
«Электронное машиностроение»)
223200.62 «Техническая физика»
(профили «Физика и техника низких температур»,
«Физическая электроника») очной формы обучения
Составители:
Москаленко Александр Георгиевич
Татьянина Елена Павловна
Гаршина Мария Николаевна
В авторской редакции
Подписано к изданию 28.03.2013.
Уч.- изд. л. 3,1
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»
394026 Воронеж, Московский просп., 14