Тема 3.3. Структуры микромира

O Основные понятия

Элементарные частицы

Фундаментальные частицы – по современным представлениям, не имеющие внутренней структуры и конечных размеров (например, кварки, лептоны)

Частицы и античастицы

Классификация элементарных частиц:

- по участию во взаимодействиях: лептоны, адроны

- по времени жизни: стабильные (протон, электрон, нейтрино), нестабильные (свободный нейтрон) и резонансы (нестабильные короткоживущие)

Взаимопревращения элементарных частиц (распады, рождение новых частиц при столкновениях, аннигиляция)

Возможность любых реакций элементарных частиц, не нарушающих законов сохранения (энергии, заряда и т.д.)

Вещество как совокупность корпускулярных структур (кварки — нуклоны — атомные ядра — атомы с их электронными оболочками)

Размеры и масса ядра в сравнении с атомом

Микромир – мир атомов и элементарных частиц

Микромир– мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8до 10^-16см, а время жизни — от бесконечности до 10^-24сек. В области реально, экспериментально изучаемого мира физики фиксируют размеры порядка 10^–16см (в тысячу раз меньше размеров атомных ядер). Микромир выделяется какобъект квантовой механики, в том числе релятивистской, учитывающей одновременно и квантованность, и относительность (релятивность) процессов в микромире, их структурных, пространственно-временных и энергетических характеристик.

Еще с древнейших времен человек пытался познать первооснову мира, то, из чего состоит все. Ранее такой основой считались атомы. Затем выяснилось, что атомы и даже атомные ядра делимы.

Прежде всего был открыт электрон. Его характеристики были определены в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном. Было установлено, что ион водорода, который Резерфорд назвал в 1914 г.протоном, являетсяэлементарным носителем положительного заряда. В 1920 г. Резерфордом было предсказано существованиенейтрона, который был открыт в 1932 г. В том же году был открытпозитрон.

Элементарными (субъядерными) частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. Они подразделяются на стабильные и нестабильные. Всем элементарным частицам присущи такие основные черты:

1. частицы, пока существуют, неизменны.

2. частицы одного сорта абсолютно одинаковы, неразличимы;

3. частицы могут рождаться и исчезать.

Согласно стандартной моделивсё вещество (включая свет) состоит из 12 фундаментальных элементарных частиц и 12 частиц-переносчиков взаимодействий. В это число входят кварки (из которых состоят протоны и нейтроны), электроны, фотоны и другие элементарные частицы.

Всем элементарным частицам присущ корпускулярно-волновой дуализм: с одной стороны, частицы представляют собой единые, неделимые объекты, с другой стороны, они в определённом смысле «размазаны» в пространстве. При определённых условиях такая «размазанность» может принимать даже макроскопические размеры. Квантовая механика описывает частицу используя так называемуюволновую функцию, которая определяет не где точно находится частица, а где бы она могла находиться и с какой вероятностью. Таким образом, поведение частиц носит принципиально вероятностный характер: вследствие вероятностной «размазанности» частицы в пространстве мы не можем с абсолютной уверенностью определить её местоположение (принцип неопределённости). Но в макромире дуализм незначителен.

Пока неизвестны причины того, почему имеется именно такой набор частиц, причины наличия массы у некоторых из них и ряда других параметров. Перед физикой стоит задача построить теорию, в которой свойства частиц вытекали бы из свойств вакуума.

К настоящему времени открыто несколько сотен элементарных частиц. Естественно, что столь большое число элементарных частиц нуждается в конкретной классификации.

Все элементарные частицы характеризуются такими параметрами, как масса покоя (фотон, движущийся со скоростью света, имеет массу покоя равную нулю, электрон – наилегчайший с ненулевой массой покоя, протоны и нейтроны в 2000, а Z-частица в 200000 раз тяжелее электрона), электрический заряд (он всегда кратен заряду электрона, равному –1, либо вовсе отсутствует), спин (момент импульса частицы, у бозонов спины целые – 0, 1, 2, а у фермионов полуцелые – например ½), и время жизни (стабильные – электрон, протон, фотон и нейтрино и нестабильные, с временем жизни от 15 минут до триллионных и более малых долей секунды).

В основе классификации элементарных частиц лежит их возможность участвовать в тех или иных видах фундаментальных взаимодействий.

Классификация элементарных частиц:

1. Фотоны– кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном.

2. Лептоны– элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. Класс лептонов состоит изшести частиц(электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино) ишести античастиц.

3. Адроны– частицы, которые способны участвовать в сильном взаимодействии. Адронов очень много. Они состоят изкварков, и все их большое разнообразие можно свести к сочетанию кварков — элементарных частиц с дробным электрическим зарядом 1/3 или 2/3. Класс кварков состоит изшести частицишести античастиц. Кварки не встречаются в свободном состоянии, а образуют связанные соединения.

• Барионы– адроны, образуемые комбинациями трех кварков (протон, нейтрон и др.).

• Мезоны – адроны, состоящие из кварка и антикварка, это сильно взаимодействующие нестабильные частицы.

Частицы — переносчики взаимодействий: фотон (электромагнитное взаимодействие: фотон не имеет массы, что обусловливает большой радиус этого взаимодействия), мезоны (слабое взаимодействие), глюоны (сильное взаимодействие), гравитоны (гравитационное взаимодействие). Так, электромагнитное взаимодействие передается нейтральным. Переносчики слабого взаимодействия — два промежуточных векторных бозонаW^±и один нейтральныйZ-бозон обладают большой массой и обеспечивают осуществление слабого взаимодействия только на очень коротких расстояниях.

Кварки:Сейчас известно, что адроны состоят из кварков и антикварков. На сегодняшний день кварки и антикварки считаются неделимыми, их по 6 типов, которые называются «ароматами» (flowers):u(up),d(down), с (charm), s (strangeness),t(top) иb(bottom). Самое необычное свойство кварков заключается в том, что они существуют только внутри адронов и не наблюдаются как самостоятельно существующие частицы. имеют дробный электрический и барионный заряд. Барионы и мезоны состоят из кварков.

Также элементарные частицы можно классифицировать следующим образом:

1) По спину: нафермионы(полуцелый спин) ибозоны(целый спин).

2) По времени жизничастицы можно разбить на:

1) стабильные(электрон, протон, фотон, нейтрино);

2) квазистабильные— распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимодействий (нейтрон);

3) нестабильные— распадающиеся вследствие сильного взаимодействия (π-мезоны).

3) По массе все частицы разделены на три класса:

• барионы(тяжелые): протон, нейтрон, гипероны, часть резонансов. Из них стабилен протон. Все они - фермионы. Имеют барионный заряд +1. Участвуют во всех типах взаимодействий.

• мезоны(средние, промежуточные): пи-мезоны, ка-мезоны и др. Нестабильны. Являются бозонами (нулевой или целочисленный спин). Барионного заряда нет. Участвуют во всех типах взаимодействий. Барионы + мезоны = адроны.

• лептоны(легкие): мюон, нейтрино, электрон. Мюоны являются фермионами, не участвуют в сильных взаимодействиях и обладают лептонным зарядом.

Вне этих классов находится фотон: не лептон и не адрон. Лептонного заряда нет, в сильных взаимодействиях не участвует. Участвует в электромагнитных взаимодействиях, его спин = 1, а масса покоя = 0.

При определенных условиях у частицы есть «двойник», античастица с противоположным знаком. У античастиц такие же массы, время жизни, спин, изоспин, как и у частиц. При встрече друг с другом частица и античастицааннигилируют, т.е. превращаются в другие частицы.

Основные положения современной атомистики:

1. атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического элемента;

2. у каждого элемента существуют разновидности атомов (содержащиеся в природных объектах или искусственно синтезированы);

3. атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти процессы осуществляются либо самопроизвольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путем (посредством различных ядерных реакций).

Вещество, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни, состоит из атомов. Всостав атомоввходит атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а также электроны, «вращающиеся» вокруг ядра (квантовая механика использует понятие «электронное облако»). Протоны и нейтроны относятся к адронам (которые состоят из кварков). Следует отметить, что в лабораторных условиях удалось получить «атомы», состоящие и из других элементарных частиц.

Атомы каждого химического элемента имеют в своём составе одно и то же количество протонов, называемое атомным номером или зарядом ядра. Однако количество нейтронов может различаться, поэтому один химический элемент может быть представлен несколькими изотопами.В настоящее время известно свыше 110 элементов, наиболее массивные из которых нестабильны.

Атомы могут взаимодействовать друг с другом, образуя химические вещества. Взаимодействие происходит на уровне их электронных оболочек. Химические вещества чрезвычайно многообразны. Наука пока не решила задачу точного предсказания физических свойств химических веществ.