Физика. 11 класс

Урок 29. Элементарные частицы и их классификация

Элементарные частицы

Элементарные частицы и их классификация

Необходимо запомнить

ВАЖНО!

Элементарные частицы – это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Элементарные частицы не остаются неизменными.

Все элементарные частицы способны превращаться друг в друга, и эти взаимные превращения – главный факт их существования.

Все частицы имеют двойников – античастицы. Например, по отношению к электрону античастицей является позитрон. Частица и античастица имеют одинаковые массы, а их заряды противоположны по знаку. При столкновении частицы с античастицей они исчезают (аннигилируют), превращаясь в другие частицы.

Кварки – фундаментальные частицы, которые были обнаружены внутри протонов и нейтронов при наблюдении рассеяния электронов и нейтрино больших энергий на нуклонах.

Сильное взаимодействие кварков осуществляется при обмене глюонами.

Принцип Паули: в системе одинаковых фермионов любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии.

Фермионы – электрон, протон, нейтрон и электронное нейтрино.

Бозоны – фотон, $\pi$-мезон и ряд других частиц.

Решение задачи

Квантовая механика и теория относительности

Квантовая механика и теория относительности утверждают, что каждая элементарная частица характеризуется неотрицательной массой и неотрицательным целым или полуцелым спином и что для каждой частицы существует античастица с такими же массой и спином, но с противоположным электрическим зарядом. Частицы, масса которых отлична от нуля, движутся медленнее света, и их можно затормозить, в то время как частицы с нулевой массой (такие, как фотон и гравитон) движутся со скоростью света по отношению ко всем наблюдателям. Спин есть мера собственного момента импульса частицы. Если частица с массой имеет спин s, то она может находиться в любом из (2s + 1) квантовых состояний, отличающихся проекцией спина. Античастица электрона, называемая позитроном, впервые была обнаружена в 1932 году в космических лучах. Антипротоны были впервые получены и зарегистрированы на бэватроне в Беркли в 1955 году. Фотоны совпадают со своими собственными античастицами.

При контакте частицы со своей античастицей они аннигилируют. Всё вещество на Земле (и почти всё вещество во Вселенной) состоит из частиц, а не античастиц. В противном случае не было бы ни нас с вами, ни этого рассказа.

Фермионы и бозоны

Частицы с полуцелым спином (например, электрон со спином 1/2) подчиняются статистике Ферми – Дирака и называются фермионами. Два одинаковых фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии (принцип запрета Паули). Частицы с целым спином (например, фотон) подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Многие из бозонов могут (и, в известном смысле, «любят») собираться в одном и том же квантовом состоянии, что является принципиальной основой работы лазеров.

Фундаментальные фермионыкварки и лептоны

Наш перечень таких частиц содержит двенадцать частиц со спином 1/2: шесть кварков и шесть лептонов. Кварки были придуманы М. Гелл-Манном и Г. Цвейном в 1963 году, u-, с-, t-кварки (от слов «up» – вверх, «charmed» – очарованный, «top» – верхний) несут электрический заряд, равный 2/3, в то время как d-, s-, b-кварки (от слов «down» – вниз, «strange» – странный, «botton» – нижний) несут заряд, равный – 1/3. Отдельный кварк не может быть изолирован от адрона, частью которого он является. Таким образом, кварки нельзя рассматривать как полноправные частицы. Слово лептон происходит от греческого «лептос», означающего «маленький» или «легкий», и было введено в 1948 году Л. Розенфельдом для обозначения любого фермиона небольшой массы, подобного электрону или нейтрино. В настоящее время лептоны включают все шесть известных фермионов, на которые не распространяется сильное ядерное взаимодействие. Три из них имеют электрический заряд: электрон, мюон (примерно в 200 раз тяжелее) и тау-лептон (ещё в 17 раз тяжелее). Каждому из них соответствует свой сорт нейтрино, всего получается шесть лептонов. Нейтрино очень лёгкие; возможно, они имеют нулевую массу. Недавние эксперименты позволяют предположить, что существует не больше трёх разновидностей нейтрино. Это означало бы, что наш список фундаментальных фермионов является полным. Так ли это на самом деле, увидим!

Фундаментальные бозоны

Эти частицы осуществляют связь между фундаментальными фермионами. Электромагнитное взаимодействие является результатом того, что заряжённые частицы обмениваются фотонами – частицами света, имеющими нулевую массу. Сильное ядерное взаимодействие возникает, когда кварки обмениваются глюонами с нулевой массой. Слабое взаимодействие – это результат обмена тяжёлыми W- или Z-бозонами между фундаментальными фермионами. Можно думать, что гравитация обусловлена обменом гравитонами с нулевой массой. Глюоны, подобно кваркам, оказываются «запертыми»: их нельзя наблюдать в свободном состоянии. Заряженные W- и нейтральные Z-бозоны были открыты в 1983 году в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе). Последний из фундаментальных бозонов в нашем «зоопарке» – это бозон Хиггса, открытый на Большом адронном коллйдере (ЦЕРН).

Адроны

В 1962 году советский физик Окунь Л. воспользовался греческим словом «адрос», означающим «толстый и тяжелый», выбирая название для всякой внешне элементарной частицы, которая подобно протону (но не электрону) принимает участие в сильном ядерном взаимодействии. Сейчас адроном называют любую частицу, составленную из кварков. Три кварка, соединенные вместе, образуют барион, кварк, связанный с антикварком, образует мезон, а три антикварка образуют антибарион. Мы перечислили все известные способы, с помощью которых кварки, соединяясь, образуют адроны. Барионы и антибарионы, поскольку они состоят из нечётного числа фермионов, сами являются фермионами. Напротив, мезоны – это бозоны.

Нуклоны

Это слово применяется с 1941 года для обозначения и нейтронов, и протонов. Атомное ядро с атомным номером Z содержит А нуклонов, из них Z протонов. Ядра с одинаковыми Z, но разными А называют изотопами. Нуклоны – это фермионы. Они – самые лёгкие барионы, состоящие исключительно из u- и d- кварков: два u- и один d-кварк образуют протон, а два d-кварка и один u-кварк – нейтрон. Около 99,98 % массы обычного вещества состоит из нуклонов. Остальное – это электроны.

Пионы и мюоны

В начале 1930-х годов Хидеки Юкава предположил, что ядерные силы возникают в результате того, что нуклоны обмениваются гипотетическими элементарными частицами. Он дал своим частицам имя «мезотроны» (вскоре укоротившееся до «мезоны»), поскольку они были по массе промежуточными между электронами и нуклонами. Частицы с такими массами были найдены в конце 30-х годов, но оказались мюонами. Частицы Юкавы были, наконец, открыты в 1947 году. Как и мюоны, они впервые наблюдались в космических лучах. Много других видов мезонов было открыто с тех пор. Мезоны Юкавы стали известны как π-мезоны, или пионы. Они не являются элементарными частицами; как и все мезоны, они состоят из кварка и антикварка.

Топ-кварк

Наша теория требует, чтобы такая частица существовала и «весила» не более двухсот протонов. Экспериментаторы ещё не нашли её. Они уверены, что она должна быть тяжелее, чем сто протонов, иначе бы её уже открыли. Эта щель медленно сужается, и она будет найдена в течение двух лет физиками, работающими в Ферми-лаборатории на протон-антипротонном ускорителе на встречных пучках.

Нейтрино

Нейтрино, полученные в ядерном реакторе, впервые наблюдались в 1953 году. С тех пор физики наблюдали нейтрино, полученные на ускорителях, в космических лучах, в ядерной печи Солнца и при взрыве последней «соседней» сверхновой в 1987 году (она взорвалась «всего лишь» на расстоянии 160 тысяч световых лет). Некоторые учёные полагают, что нейтрино имеют массу и что загадочное чёрное вещество Вселенной состоит из сгустков нейтрино, оставшихся от Большого Взрыва.

Предметы

По алфавиту По предметным областям

Классы

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
angle-skew-bottom mix-copy next-copy-2 no-copy step-1 step-2 step-3 step-4 step-5 step-6 step-6