КОНЦЕПЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

ОСОБЕННОСТИ НЕКЛАССИЧЕСКОГО ПОДХОДА К ОПИСАНИЮ ДИНАМИКИ МИКРОЧАСТИЦ

Шредингер считал, что все процессы в микромире являются исключительно волновыми процессами, т.е. что только волны обладают физической реальностью. По его мнению, частица — не что иное, как группа волн, занимающая определенную часть пространства и движущаяся как единое целое. В волновой механике Шредингера — состояние микрочастицы описывается не положением и скоростью в какой-то момент времени (как в механике Ньютона), а непрерывной комплексной функцией координат и времени которую называют «пси_функцией». Физический смысл этой функции состоит в том, что квадрат ее модуля в каждый момент времени определяет вероятность нахождения микрочастицы вблизи определенной точки

Таким образом, в волновой механике с самого начала отказались от наглядного описания движения частиц с помощью траекторий. Более того, волновая механика является не динамической теорией, позволяющей однозначно предсказать положение и скорость микрочастицы в любой момент времени, а статистической теорией, определяющей вероятности, с которыми наблюдаемые величины имеют те или иные значения.

Динамика микрообъектов описывается в волновой механике с помощью так называемого уравнения Шредингера, которое имеет такое же значение, какое в классической механике имело уравнение F = ma:

Отличие квантовых, а также релятивистских подходов от классических представлений было настолько велико, что XX в. стал прочно ассоциироваться с новым этапом в естествознании, который сейчас называют неклассическим.

Отметим некоторые наиболее важные особенности этого этапа.

1. Если в классическом естествознании динамика отдельных объектов оставалась строго детермированной (предопределнной), то в неклассическом естествознании используется вероятностный подход к описанию микрообъектов.

2. Если для классического объекта в принципе можно измерить все его динамические параметры, то для микрообъектов этого в общем случае сделать нельзя.

в микромире для частиц нет понятия траектории в обычном макроскопическом смысле. Взаимодействие электронов и фотонов с веществом выражается на языке вероятностей, т.е. можно лишь говорить онекоторой вероятности нахождения частицы с данным импульсом (скоростью, энергией) в какой-то части пространства. Точность этого измерения описывается соотношением неопределенности Гейзенберга, введенным им в 1927 г.:

Δx · Δpx ≥ h,

где h — постоянная Планка.

Физический смысл этого соотношения состоит в том, что одновременно точно измерить координату, импульс нельзя. Из соотношения неопределенности также следует, что, измеряя сколь угодно точно одну из величин, мы получаем неопределенность в другой, поскольку их произведение равно определенной величине. Таким образом, принцип неопределенности имеет принципиально вероятностный характер предсказания событий. Квантовая теория не может предсказать результат отдельного события, однако она с большой точностью дает средние значения для большого числа событий.

Бор в 1928 г. обобщил и более широко трактовал принцип неопределенности Гейзенберга в своем принципе дополнительности, смысл которого в обобщенной формулировке состоит в том, что получение экспериментальной информации об одних физических параметрах неизбежно приводит к потере других, дополнительных параметров, которые характеризуют это же явление (эффект) с несколько другой стороны. В физическом смысле такими дополнительными друг к другу сущностями, помимо упомянутых координаты и импульса, могут быть волновое и корпускулярное проявления вещества или излучения, энергия и длительность события или измерения.

3. Отказ от классических традиций произошел также в том, что в науку стали вводиться величины (например,

_функция), сами по себе не являющиеся непосредственно измеряемыми. В дальнейшем эта тенденция стала преобладающей.

Квантовая механика явилась мощным инструментом теоретического исследования электрических, оптических,

химических и других свойств реальных макроскопических объектов.

Как мы выяснили, в силу особых физических показателей свойства объектов микромира совершенно не похожи на свойства объектов макромира и мегамира. Их невозможно описать привычными представлениям макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов способствовали созданию концепции элементарных частиц.

Согласно этой концепции основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.

История открытия фундаментальных частиц началась в конце XIX в., когда в 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу — электрон. История открытия всех известных сегодня элементарных частиц включает два этапа.

Первый этап приходится на 30—50-е гг. XX в. К началу 1930-х гг. были открыты протон и фотон, в 1932 г. — нейтрон, а спустя четыре года — первая античастица — позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. К концу этого периода стало известно о 32 элементарных частицах, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений.

Второй этап приходится на 1960-е гг., кода общее число известных частиц превысило 200. На этом этапе основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители

заряженных частиц. В 1970-80-е гг. поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц. На данный момент науке известно более 350 элементарных частиц, различающихся своими физическими характеристикам

Все элементарные частицы обладают некоторыми общими свойствами.

1) свойство корпускулярно-волнового дуализма, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.

2) наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы —

это элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента.

После открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования

антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции — превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

3) универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.

Классификация элементарных частиц.Элементарные частицы — основные «кирпичики», из которых состоит как материя, так и поле. При этом все элементарные частицы неоднородны:

некоторые из них являются составными (протон, нейтрон), а другие — несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называют фундаментальными.

В целом элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. К неквантованным относят массу и время жизни частицы. Они одинаковы для частиц и античастиц.

1) масса – важнейшая характеристика. Масса элементарной частицы — это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. (масса электрона 0,911 *10^{-27 г)}

В зависимости от массы покоя все частицы можно подразделить на несколько групп:

• частицы, не имеющие массы покоя. К этой группе частиц относят фотоны, движущиеся со скоростью света;

• лептоны (от «лептос» — легкий) — легкие частицы (электрон

и нейтрино);

• мезоны (от «мезос» — средний, промежуточный) — средние

частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

• барионы (от «барос» — тяжелый) — тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы).

2) в р е м я их жизни, которое определяет их стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни составляет 10-10— 10-24 с, т.е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10-10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого

взаимодействий, иначе их называют резонансами. Время жизни резонансов составляет от 10-24 до 10-26 с.

Квантованные характеристики – электрический заряд, лептонный заряд, барионный заряд, спин, изотопический спин, странность и некоторые другие.

3) э л е к т р и ч е с к и й з а р я д . Он всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона (—1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом

4) спин — собственный момент количества движения (импульса) частицы. В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние.

В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (1/2, 3/2) числу. Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым спином — бозонами.

Фермионы — это не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2, — омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона: частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу параметров, неодинаковы. Данный закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого

запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества слиплись и превратились в более или менее однородное

«желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Бозоны — это кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, однако в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется.

Примером бозонов служит фотон, спин которого равен 1, и мезон, спин которого равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 — гравитоны.

5) тип ф и з и ч е с к о г о в з а и м о д е й с т в и я , в котором участвуют элементарные частицы. По данному показателю все многообразие элементарных частиц можно подразделить на три группы:

1) адроны (от «андрос» — крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;

2) лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;

3) частицы — переносчики взаимодействий. Частицы — переносчики взаимодействий непосредственно обеспечивают взаимодействие. К ним относятся фотоны — переносчики

электромагнитного взаимодействия, глюоны — переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Высказывается также предположение о существовании гравитонов — частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.

Дата добавления: 2014-03-11; просмотров: 563; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!