Элементарные частицы. фундаментальные взаимодействия

Материя и ее структурные уровни. Микро-, макро- и мегамир.

ЛЕКЦИЯ III

Материя– бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств и связей, отношений и форм движения. Она включает в себя не только непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые не даны человеку в его ощущениях.

Неотъемлемым свойством материи является движение. Движение материи представляет собой любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий. В природе наблюдаются различные виды движения материи: механическое, колебательное и волновое, тепловое движение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы, радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы.

На современном этапе развития естествознания исследователи различают следующие виды материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.

Веществопредставляет собой основной вид материи, обладающий массой покоя. К вещественным объектам относят: элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные объекты, т.е. вещество состоит из молекул и атомов, молекулы – из атомов, атомы – из электрон и ядер, ядра – из нуклонов, нуклоны – из кварков. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния веществ.

Физическое полепредставляет собой особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям исследователи относят: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля, соответствующие различным частицам. Источником физических полей являются частицы.

Физический вакуум– это низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин был введен в квантовую теорию поля для объяснения некоторых процессов. Среднее число частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время.

При описании материальных систем используют корпускулярную (от лат. corpuskulum – частица) и континуальную (от лат. continium – непрерывный) теории. Континуальная теория рассматривает повторяющиеся непрерывные процессы, колебания, которые происходят в окрестности некоторого среднего положения. При распространении колебаний в среде возникают волны. Теория колебаний – область физики, занимающаяся исследованием этих закономерностей. Таким образом, континуальная теория описывает волновые процессы. Наряду с волновым (континуальным) описанием широко используется понятие частицы – корпускулы. С точки зрения континуальной концепции вся материя рассматривалась как форма поля, равномерно распространенного в пространстве, а после случайного возмущения поля возникли волны, то есть частицы с различными свойствами. Взаимодействие этих образований привело к появлению атомов, молекул, макротел, образующих макромир.

В настоящее время принято, что наиболее естественным и наглядным признаком структуры материи является характерный размер объекта на данном уровне и его масса. В соответствии с этим Мир делится на микромир с размером объектов не более 10^-4 м и массой не более 10^-10 кг. Сюда относятся фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы и клетки. Макромир представлен различными объектами, окружающими человека в его повседневной жизни, самим человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами (размером r ≈ 10^-4 – 10⁵ м, массой m ≈ 10^-10 – 10²⁰ кг).

Наиболее крупные объекты (планеты, звезды, галактики и Вселенная в целом) образуют мегамир (размером r > 10⁵ м, массой m > 10²⁰ кг). Жестких границ между мирами нет и данные по ним разноречивы.

Характерные размеры и массы важнейших объектов Природы:

Электрон: r ≈ 10^-18 м, массой m ≈ 10^-30 кг

Клетка: d ≈ 10^-4 м, массой m ≈ 10^-10 кг

Человек: r ≈ 10⁰ м, массой m ≈ 10² кг

Земля: d ≈ 1,3 × 10⁷ м, массой m ≈ 6 × 10²⁴ кг

Солнце: d ≈ 1,4 × 10⁹ м, массой m ≈ 2 × 10³⁰ кг

Солнечная система: d ≈ 6 × 10¹⁶ м, массой m ≈ m_c кг

Наша Галактика: d ≈ 10²¹ м, массой m ≈ 10⁴² кг

Наблюдаемая Вселенная: r ≈ 10²⁶ м, массой m ≈ 10⁵² кг

Под ядром атома понимается его центральная часть, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд. Ядро атома состоит изэлементарных частиц, называемых нуклонами. Это протоны и нейтроны (условные обозначения p и n). Масса протона - m_p = 1,673 × 10 ^-27 кг; масса нейтрона m_n = 1,675 × 10 ^-27 кг.

Протон несет элементарный положительный заряд q_p = e; нейтрон – частица незаряженная. Число электронов в атоме равно порядковому номеру Z элемента в таблице Менделеева. Поскольку атом в целом нейтрален, то, значит, ядро атома содержит Z протонов.

Ядро с одинаковыми Z, но разными А – атомная масса элемента в таблице Менделеева, называются изотопами. Изотопы имеют одинаковое число протонов и отличаются числом нейтронов. Именно этим при одинаковых электронных оболочках определяются разновидности атомов одного и того же химического элемента. В настоящее время известно более 300 устойчивых и более 2000 неустойчивых изотопов.

Размер ядра характеризуется его радиусом. Объем ядра прямо пропорционален числу нуклонов в нем. Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами. Это сильное взаимодействие.

Ядро в целом – это устойчивая система. Чтобы ее разрушить, необходимо совершить определенную работу, т.е. затратить энергию. Энергия, которую нужно затратить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии, называется энергией связи ядра. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи, т.е. W_уд = W_св / A.

Электрон и позитрон – не единственная пара частиц-двойников, все элементарные частицы, кроме нейтральных, имеют свои античастицы. При столкновении частицы и античастицы происходит их уничтожение - аннигиляция (от лат. annihilatio –превращение в ничто) – превращение элементарных частиц и античастиц в другие частицы, число и вид которых определяются законами сохранения (выделяется энергия). Например, в результате аннигиляции пары электрон – позитрон рождаются фотоны. Число обнаруженных элементарных частиц со временем увеличивается.

Элементарные частицы обладают большим количеством характеристик. Одна из отличительных особенностей кварков заключается в том, что они имеют дробные электрические заряды. Кварки могут соединяться друг с другом парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы (протоны и нейтроны). В свободном состоянии кварки не наблюдались. Однако кварковая модель позволила определить квантовые числа многих элементарных частиц.

Элементарные частицы классифицируют по следующим признакам: массе частицы, электрическому заряду, типу физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, времени жизни частиц, спину и др. Спин - это внутренняя, исключительно квантовая характеристика. Собственный механический момент, в отличие от орбитального углового момента, который порождается движением частицы в пространстве. Спин не связан с движением в пространстве.

В зависимости от массы покоя частицы (масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой легкой из всех частиц, имеющих массу) выделяют:

♦ фотоны (греч. photos – частицы, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью света), относятся к первому классу элементарных частиц. Это квант электромагнитного поля, участвует только в электромагнитном взаимодействии.Их ещё называют калибровочными бозонами - частицы переносящие взаимодействие между фундаментальными фермионами (кварками и лептонами);

♦ лептоны (греч. leptos – легкий), легкие частицы (электрон и нейтрино) - второй класс элементарных частиц. К лептонам относятся электроны, мюоны, таоны, электронное нейтрино, таонное нейтрино. Спин всех лептонов равен (полуцелый спин);

Основную часть элементарных частиц составляют третий класс – адроны («адрос» - крупный, сильный). Класс адронов состоит из двух групп: группы барионов и группы мезонов.

♦ мезоны (греч. mesos – средний) – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона (пи-мезон, ка-мезон и др.);

♦ барионы (греч. barys – тяжелый) – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны и др.).

В зависимости от электрического заряда выделяют:

♦ частицы с отрицательным зарядом (например, электроны);

♦ частицы с положительным зарядом (например, протон, позитроны);

♦ частицы с нулевым зарядом (например, нейтрино).

Существуют частицы с дробным зарядом – кварки. С учетом типа фундаментального взаимодействия, в котором участвуют частицы, среди них выделяют:

♦ адроны (греч. adros – крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;

♦ лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;

♦ частицы – переносчики взаимодействий (фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия; гравитоны – переносчики гравитационного взаимодействия; глюоны – переносчики сильного взаимодействия; промежуточные векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия).

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные.

Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10^-10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, протон и электрон.

К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни – 10^-10-10^-24 с.

Фундаментальная частица - бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. В настоящее время термин применяется преимущественно для лептонов и кварков – по аромату (по 6 частиц каждого рода, вместе с античастицами, составляют набор из 24 фундаментальных частиц) в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий: глюоны, фотоны, промежуточные бозоны и гравитоны).

Дата добавления: 2014-02-28; просмотров: 594; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!