Лекция 16 физика

Вквантовой механике электромагнитное взаимодействие

рассматривается как обмен заряженных частиц фотонами. Фотон

– типичный представитель еще одного класса микрообъектов – переносчиков взаимодействия.

Сравнительно недавно нуклоны, электроны и фотоны

размещались на едином уровне элементарных частиц. Однако было

установлено, что протоны, нейтроны и		все	адроны	являются
составными. Протоны и нейтроны	состоят	из	кварков	«u»	и
«d». В состав других адронов входят	и другие кварки.

Таким образом, единый ранее уровень элементарных частиц оказался расщепленным на два уровня. Термин «элементарный»

повторил историю термина	«атом»,	в	переводе с греческого –
«неделимый». Самый нижний	уровень	-	это уровень	истинно

элементарных частиц, часто называемых «фундаментальными»

частицами:		это лептоны -	е-	,	мюоны, таоны, нейтрино, а
также кварки.
	Существуют ли еще более глубокие уровни пока неизвестно. При
достижении		частицами уровня	энергии		порядка 1012 эВ (1000ГэВ),
достижимый		размер исследования	R	имеет порядок 10-19 м. (∆r×∆p
~	ћ;	∆r ~ ћ /∆p ). На	этих	расстояниях электрон е- еще
не	выявляет своей структуры.

Общие свойства элементарных частиц.

В настоящее время известно примерно 400 элементарных частиц. Первыми были установлены электрон, протон, нейтрон, фотон,

электронные	нейтрино	√е	и антинейтрино	е	. Они
стабильны	или квазистабильны		(для нейтрона	время	жизни

имеет порядок 12 – 15 минут). Почти все другие частицы крайне

нестабильны и образуются во вторичном	космическом	излучении
или в лаборатории с помощью ускорителей.	Основными	свойствами

частиц являются: масса, среднее время жизни, спин, электрический заряд, магнитный момент.

Масса фотона -0, заряд – 0, электронное нейтрино и антинейтрино – масса – 0, заряд – 0, мюонное нейтрино – масса – 0, заряд – 0, таонное нейтрино – масса – 0 , заряд

– 0.

Важная характеристика частицы – спин (собственный момент импульса). Спин связан с симметрией частиц при вращении, измеряется в единицах h (постоянная Планка) и может иметь только дискретные (квантованные) значения, равные целому или

полуцелому		числу . Так,		протон, нейтрон и электрон имеют
спин	1/2,	а спин	фотона	равен 1. В зависимости от спина, все
частицы делятся на			две группы: бозоны - частицы со спинами 0,
1 и 2;	фермионы -		частицы	с полуцелыми спинами.

Частицы характеризуются также временем жизни, так как они могут самопроизвольно распадаться и превращаться в другие. По этому свойству частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы - это электрон, протон, фотон и нейтрино.

Нейтрон стабилен, когда находится	в	ядре атома,	а свободный
нейтрон распадается примерно за	15	минут. Все	остальные

известные частицы – нестабильны, время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10-23с.

Электрический заряд элементарных частиц меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда - заряду электрона. Некоторые частицы (фотон, нейтрино)

вовсе не	имеют заряда. Электрический заряд	характеризует
способность	частиц участвовать в электромагнитном взаимодействии
с другими	частицами, он подчиняется закону	сохранения,	т.е.

суммарный заряд системы ни при каких либо взаимопревращениях

частиц не		меняется.
	Кроме	этих	характеристик	имеется	и	более

сложные - лептонный заряд, барионный заряд, пространственная

четность и др. Эти характеристики учитывают возможность частиц участвовать в разных типах взаимодействий и возможные варианты их взаимопревращений (реакций). Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин,

характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных специфических видов симметрии (пространственной, зарядовой), и законами сохранения различных зарядов (электрического, лептонного, барионного и др.).

Согласно теории и результатам экспериментов каждой частице, кроме фотона, соответствует античастица, которая отличается только противоположным электрическим зарядом и магнитным моментом. Например, электрону соответствует

антиэлектрон или позитрон, протону - антипротон. При взаимодействии частицы и античастицы (например, при столкновении частиц с большой кинетической энергией) происходит аннигиляция или исчезновение этих частиц и появление нескольких фотонов или каких-либо других частиц. При взаимодействии элементарных частиц могут возникать также

временные	виртуальные	частицы	–	так	называемые
короткоживущие резонансы.
Виды фундаментальных		взаимодействии

Известно, что все действующие в природе силы можно свести всего

лишь	к	четырем	фундаментальным	взаимодействиям:		1)
гравитационному, 2) электромагнитному,				3) слабому	ядерному	и
4) сильному		ядерному.	Именно эти взаимодействия,		в конечном

счете, отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований и процессов.

1. Гравитационное взаимодействие присуще всем элементарным частицам, имеющим ненулевую массу покоя, это взаимодействие

действует на		больших расстояниях, но оно самое				слабое по величине
и	поэтому	не	влияет	на	процессы	взаимопревращений
элементарных		частиц.
2.	Электромагнитное взаимодействие присуще					элементарным

частицам, имеющим отличный от нуля электрический заряд, оно также дальнодействующее, а по величине энергии взаимодействия на 36 порядков сильнее гравитационного.

3. Сильное взаимодействие является близкодействующими, оно действует между частицами только на расстояниях, сравнимыми с размерами ядра, а по величине оно больше гравитационного на 38 порядков. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика пришла в ходе изучения структуры атомного ядра. Сильное взаимодействие испытывают не все частицы, его испытывают протоны и нейтроны, а электроны, нейтрино и фотоны не

подвластны ему.
4. Слабое взаимодействие является			близкодействующим, по
величине	оно больше	гравитационного	на	23 порядка.	Радиус
слабого	взаимодействия	оказался очень	мал,	уже на расстоянии

большем 10-18м от источника оно исчезает. Поэтому данное взаимодействие сильно влияет только на процессы, возникающие при сближении элементарных частиц. Впоследствии выяснилось, что

большинство	элементарных		частиц	участвует	в	слабом
взаимодействии.
Классификация		элементарных	частиц
Главные свойства		частицы определяются		ее способностью	участвовать
в различных	видах	взаимодействия.	Элементарные частицы			принято

условно делить на четыре класса: лептоны, мезоны, барионы и частицы -переносчики взаимодействия.

Первый класс - класс лептонов - состоит из частиц,

участвующих	в	слабом взаимодействии и	в электромагнитном,
если они имеют		электрический заряд. К	лептонам относятся:

электроны, мюоны, тау-лептоны, электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-нейтрино.

Второй класс - класс барионов - состоит из частиц, обязательно участвующих в сильном ядерном взаимодействии, некоторые из них могут также участвовать и в слабом, и в электромагнитном взаимодействии. К барионам относятся протон, нейтрон и т.д.

Третий класс – класс мезонов. По видам			взаимодействий			он
сходен с классом барионов, но		спин и барионный заряд данных
частиц равен нулю. К классу		мезонов относятся		пионы,	каоны,
эта-мезоны.
Мезоны и барионы	часто	называют общим		названием		–
адроны. Существование	и свойства большинства		известных		адронов

были установлены в опытах на ускорителях элементарных частиц.

Адроны не являются		элементарными		частицами, а		построены из
более мелких	частиц.	В 1963	г., когда		была предложена теория
кварков.
Четвертый	класс	частиц состоит		из	частиц	– переносчиков
взаимодействий.	Эти	частицы	не	являются		непосредственно

строительным материалом вещества, а обеспечивают четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода "клей", не позволяющий веществу распадаться на части. Четвертый класс состоит из: 1) фотонов – переносчиков электромагнитного взаимодействия, 2) глюонов – переносчиков сильного взаимодействия, 3) бозонов - переносчиков слабого взаимодействия. Высказывается мнение, что возможно существование и переносчиков гравитационного взаимодействия – 4) гравитонов, но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то обнаружить гравитоны экспериментально будет очень сложно.