Particule elementareîn sensul exact al acestui termen, particulele primare, în continuare indecompuse, din care, prin presupunere, constă toată materia. În fizica modernă, acest termen nu este folosit în sensul său exact, ci mai puțin strict - pentru a numi un grup mare de particule cele mai mici de materie, cu condiția ca acestea să nu fie atomi sau nuclee atomice (protonul este o excepție). Particulele elementare sunt cuante specifice de materie, mai precis - cuante ale câmpurilor fizice corespunzătoare.

Cea mai importantă proprietate cuantică a tuturor particulelor elementare este capacitatea de a fi născut și distrus (emis și absorbit) atunci când interacționează cu alte particule. În acest sens, ei sunt complet analogi cu fotonii. Toate procesele cu particule elementare decurg printr-o succesiune de acte de absorbție și emisie a acestora. Doar pe această bază se poate înțelege, de exemplu, procesul nașterii p+-mezon în ciocnirea a doi protoni ( p + p ® p + n + p +) sau procesul de anihilare a unui electron și a unui pozitron, când apar două g-quante în locul particulelor dispărute: e + + e -® g + g. Procesele de împrăștiere elastică a particulelor, de exemplu, e - + p® e - + p, sunt, de asemenea, asociate cu absorbția particulelor inițiale și producerea particulelor finale. Dezintegrarea particulelor elementare instabile în particule mai ușoare, însoțită de eliberarea de energie, corespunde aceleiași regularități și este un proces în care produsele de degradare se nasc în momentul dezintegrarii în sine și nu există până în acel moment. În acest sens, dezintegrarea particulelor elementare este similară cu dezintegrarea unui atom excitat în starea fundamentală și a unui foton. Exemple de dezintegrari ale particulelor elementare pot fi: numărul total particulele elementare cunoscute (împreună cu antiparticulele) se apropie de 400. Pentru a descrie proprietățile particulelor elementare individuale, o serie întreagă de mărimi fizice, ale căror valori diferă. Cele mai faimoase dintre ele sunt masa, durata medie de viață, rotația, incarcare electrica, moment magnetic.

Greutate și dimensiuni. Toate particulele elementare sunt obiecte de mase și dimensiuni excepțional de mici. Pentru majoritatea dintre ele, masele sunt de ordinul mărimii masei protonului, egale cu 1,6 10 -27 kg (doar masa electronului este vizibil mai mică: 9,1,10 -31 kg). Dimensiunile unui proton, un neutron, un p-mezon determinate din experiență în ordinul mărimii sunt 10 -15 m. Dimensiunile electronului și muonului nu au putut fi determinate, se știe doar că sunt mai mici de 10 -17 m. Masele microscopice și dimensiunile particulelor elementare determină specificitatea cuantică a comportamentului lor. Lungimi de undă caracteristice care ar trebui atribuite particulelor elementare în teoria cuantica (), Unde - constanta lui Planck t - masa particulelor, Cu este viteza luminii), sunt apropiate în ordinea mărimii de dimensiunile tipice pe care are loc interacțiunea lor (de exemplu, pentru mezonul p » 1,4 10 -15 m ). Acest lucru duce la faptul că regularitățile cuantice sunt decisive în comportamentul particulelor elementare. Masa particulelor elementare este exprimată în unități de energie (MeV sau GeV) în conformitate cu relația Einstein W \u003d tc 2. Cu alte cuvinte, tabelele nu arată de fapt masa t particulele și energia lor de repaus W0. Acest lucru este convenabil la compilarea ecuațiilor de bilanț energetic pentru procesele de interconversii ale particulelor elementare. Să indicăm masele unor particule:

m g= 0, pe mine= 0,51 MeV, m p= 938,3 MeV, m n= 939,6 MeV.

Cea mai grea dintre particulele elementare cunoscute în prezent (bosonul intermediar) este de aproape 100 de ori mai masivă decât protonul.

Durata medie de viață particula elementară t servește ca măsură a stabilității particulelor și este exprimată în secunde. Timpul de înjumătățire T 1/2 în fizica particulelor elementare nu este utilizat, iar ca măsură a stabilității rezonanțelor se ia lățimea Г~, exprimată în unități de energie.

În funcție de durata de viață, particulele elementare sunt împărțite în stabil, cvasi-stabil și instabil(rezonanțe). Electronul (t>5,1031 ani), protonul (t>1030 ani), fotonii și neutrinii sunt stabili în precizia măsurătorilor moderne. Particulele aproape stabile includ particule care se degradează din cauza interacțiunilor electromagnetice și slabe. Duratele lor de viață >10 -20 sec. Neutronul este o particulă cvasi-stabilă, iar ultima valoare experimentală a duratei sale medii de viață (1986) este (898 ± 16) s. Există grupuri de particule cu o durată medie de viață de ordinul 10-6, 10-8, 10-10, 10-13 s. Pentru particulele cu cea mai scurtă viață, numite rezonanțe, t ~ 10 -24 -10 -23 s. Pentru particulele instabile din tabele, împreună cu durata de viață, sunt indicate și tipurile de degradare.

A învârti este momentul unghiular intrinsec al particulei, adică momentul unghiular al acesteia în cadrul de repaus. Spinul nu are un analog clasic, deoarece o particulă elementară nu poate fi imaginată ca o bilă rotativă. De obicei, spinul J este exprimat în unități și ia doar valori întregi și jumătate întregi. Particulă cu spin J are 2J + 1 stări de spin care diferă în valorile de proiecție Jz, care poate fi egal cu -J, ( -J+ 1),0, .., (J- 1), J. pentru un electron, proton, neutron și neutrin J = 1/2, pentru un foton J= 1. Sunt cunoscute particule cu spin de la 0 (mulți mezoni) la 6 (rezonanța mezonului, descoperită la acceleratorul Serpuhov în 1983. Spinul unei particule elementare este una dintre cele mai importante caracteristici ale sale. Valoarea rotației nu este ambiguă

determină tipul de statistică căruia i se supune particula dată. Toate particulele cu spin întregi sunt bosoni (statistica Bose-Einstein), toate particulele cu spin semiîntregi sunt fermioni (statistica Fermi-Dirac), pentru care este valabil principiul Pauli. De exemplu, electronii sunt fermioni, iar fotonii sunt bosoni.

Incarcare electrica particulă elementară q - mărime fizică care caracterizează capacitatea unei particule de a participa interacțiune electromagnetică, exprimată în unități de sarcină elementară e= 1,6. 10 -19 C.

Pentru toate particulele care există în stare liberă, este nevoie de valori întregi - de obicei 0 și ±1, pentru unele rezonanțe ±2. Această regulă de cuantificare a sarcinii electrice se realizează cu mare precizie.

Particulele elementare sunt principalele elemente structurale ale microlumii. Particulele elementare pot fi constitutiv(proton, neutron) și necompozit(electron, neutrin, foton). Până în prezent, au fost descoperite peste 400 de particule și antiparticulele lor. Unele particule elementare au proprietăți neobișnuite. Astfel, multă vreme s-a crezut că particula de neutrin nu are masă de repaus. În anii 30. Secolului 20 la studierea dezintegrarii beta, s-a constatat că distribuția energiei electronilor emise de nucleele radioactive are loc continuu. De aici rezultă că fie legea conservării energiei nu este îndeplinită, fie, pe lângă electroni, sunt emise particule greu de detectat, asemănătoare fotonilor cu masă de repaus zero, care transportă o parte din energie. Oamenii de știință au sugerat că acesta este un neutrin. Cu toate acestea, înregistrarea experimentală a neutrinilor a fost posibilă abia în 1956 la uriașe instalații subterane. Dificultatea înregistrării acestor particule constă în faptul că captarea particulelor de neutrini este extrem de rară datorită puterii lor mari de penetrare. În timpul experimentelor, s-a constatat că masa în repaus a neutrinului nu este egală cu zero, deși nu diferă mult de zero. Antiparticulele au și proprietăți interesante. Au multe dintre aceleași caracteristici ca și particulele lor gemene (masă, spin, durata de viață etc.), dar diferă de ele în ceea ce privește sarcina electrică sau alte caracteristici.

În 1928, P. Dirac a prezis existența unei antiparticule a electronului - pozitronul, care a fost descoperit patru ani mai târziu de K. Anderson ca parte a razelor cosmice. Un electron și un pozitron nu sunt singura pereche de particule gemene; toate particulele elementare, cu excepția celor neutre, au propriile lor antiparticule. Când o particulă și o antiparticulă se ciocnesc, ele se anihilează (din lat. anihilare- transformarea în nimic) - transformarea particulelor elementare și a antiparticulelor în alte particule, al căror număr și tip sunt determinate de legile de conservare. De exemplu, ca urmare a anihilării unei perechi electron-pozitron, se nasc fotoni. Numărul de particule elementare detectate crește în timp. În același timp, continuă căutarea particulelor fundamentale, care ar putea fi „blocuri de construcție” compozite pentru construirea particulelor cunoscute. Ipoteza despre existența unor particule de acest fel, numite quarci, a fost înaintată în 1964. fizician american M. Gell-Man (Premiul Nobel 1969).

Particulele elementare au un număr mare de caracteristici. Una dintre caracteristicile distinctive ale quarcilor este că au sarcini electrice fracționate. Quarcii se pot combina între ei în perechi și tripleți. Unirea a trei forme de quarci barionii(protoni și neutroni). Quarcii nu au fost observați în stare liberă. Cu toate acestea, modelul de cuarci a făcut posibilă determinarea numerelor cuantice ale multor particule elementare.

Particulele elementare sunt clasificate în funcție de următoarele caracteristici: masa particulelor, sarcina electrică, tipul de interacțiune fizică la care participă particulele elementare, durata de viață a particulei, spin etc.

În funcție de masa în repaus a particulei (masa sa în repaus, care este determinată în raport cu masa în repaus a electronului, care este considerată cea mai ușoară dintre toate particulele cu masă), se disting:

♦ fotoni (gr. fotografii- particule care nu au masă de repaus și se mișcă cu viteza luminii);

♦ leptoni (gr. leptos– lumină) – particule de lumină (electron și neutrini);

♦ mezoni (gr. mesos- mediu) - particule medii cu o masă de la una la o mie de mase ale unui electron (pi-mezon, ka-mezon etc.);

♦ barioni (gr. barys- grele) - particule grele cu o masă mai mare de o mie de mase ale unui electron (protoni, neutroni etc.).

În funcție de sarcina electrică, există:

♦ particule cu sarcină negativă (de exemplu, electroni);

♦ particule cu sarcină pozitivă (ex. protoni, pozitroni);

♦ particule cu sarcină zero (de exemplu, neutrini).

Există particule cu o sarcină fracțională - quarcuri. Luând în considerare tipul de interacțiune fundamentală la care participă particulele, printre acestea se numără:

♦ hadroni (gr. adros- mare, puternic), participând la interacțiune electromagnetică, puternică și slabă;

♦ leptoni care participă numai la interacțiuni electromagnetice și slabe;

♦ particule – purtători de interacțiuni (fotoni – purtători de interacțiune electromagnetică; gravitoni – purtători de interacțiune gravitațională; gluoni – purtători de interacțiune puternică; bosoni vectori intermediari – purtători de interacțiune slabă).

În funcție de durata de viață, particulele sunt împărțite în stabile, cvasi-stabile și instabile. Majoritatea particulelor elementare sunt instabile, durata lor de viață este de 10 -10 -10 -24 s. Particulele stabile nu se descompun mult timp. Ele pot exista de la infinit la 10 -10 s. Fotonul, neutrinul, protonul și electronul sunt considerate particule stabile. Particulele aproape stabile se degradează ca urmare a interacțiunii electromagnetice și slabe, altfel se numesc rezonanțe. Durata lor de viață este de 10 -24 -10 -26 s.

Oamenii de știință au descoperit în studiul proceselor nucleare, prin urmare, până la mijlocul secolului al XX-lea, fizica particulelor elementare a fost o secțiune a fizicii nucleare. În prezent, aceste ramuri ale fizicii sunt apropiate, dar independente, unite prin comunitatea multora dintre problemele luate în considerare și prin metodele de cercetare utilizate. Sarcina principală a fizicii particulelor elementare este studiul naturii, proprietăților și transformărilor reciproce ale particulelor elementare.

În prezent, sunt cunoscute aproximativ 400 de particule subnucleare, care sunt denumite în mod obișnuit elementare. Marea majoritate a acestor particule sunt instabile . Singurele excepții sunt fotonii, electronii, protonii și neutrinii. Toate celelalte particule experimentează la anumite intervale spontan transformarea în alte particule. Particulele elementare instabile diferă puternic unele de altele în timpul vieții. Particula cu cea mai lungă viață este neutronul. Durata de viață a neutronilor este de aproximativ 15 minute. Alte particule „trăiesc” pentru un timp mult mai scurt. De exemplu, durata medie de viață a unui mezon μ este de 2,2∙10 -6 s, iar cea a unui mezon π neutru este de 0,87∙10 -16 s. Multe particule masive - hiperonii - au o durată medie de viață de ordinul a 10-10 s.

Există câteva zeci de particule cu o durată de viață care depășește 10-17 s. În ceea ce privește amploarea microcosmosului, acesta este un moment semnificativ. Astfel de particule sunt numite relativ stabil . Majoritate de scurtă durată particulele elementare au durate de viață de ordinul 10–22–10–23 s.

Capacitatea de transformări reciproce este cea mai importantă proprietate a tuturor particulelor elementare. Ele sunt capabile să se nască și să fie distruse (emise și absorbite). Acest lucru se aplică și particulelor stabile, cu singura diferență că transformările particulelor stabile nu au loc spontan, ci la interacțiunea cu alte particule. Un exemplu ar fi anihilare (adică dispariție ) a unui electron și a unui pozitron, însoțite de producerea de fotoni de înaltă energie. Procesul invers poate avea loc și el. naștere perechea electron-pozitron, de exemplu, când un foton de energie suficient de mare se ciocnește cu un nucleu. Un geamăn atât de periculos, așa cum este pozitronul pentru electron, are și protonul. Se numeste antiproton . Sarcina electrică a antiprotonului este negativă. În prezent antiparticule găsit în toate particulele. Antiparticulele sunt opuse particulelor, deoarece atunci când orice particulă se întâlnește cu antiparticula ei, ele se anihilează, adică ambele particule dispar, transformându-se în cuante de radiație sau alte particule.

Chiar și neutronul are o antiparticulă. Neutronul și antineutronul diferă doar prin semnele momentului magnetic și așa-numita sarcină barionică. Este posibil ca atomii să existe? antimaterie , ale căror nuclei sunt formați din antinucleoni și ale căror învelișuri sunt formate din pozitroni. În timpul anihilării antimateriei cu materie, energia de repaus este convertită în energia cuantelor de radiație. Aceasta este o energie uriașă, mult mai mare decât cea eliberată în reacțiile nucleare și termonucleare.

În varietatea de particule elementare cunoscute până în prezent, se găsește un sistem de clasificare mai mult sau mai puțin armonios.

Particulele elementare sunt combinate în trei grupe: fotonii , leptoni și hadronii.

Pentru grup fotonii singura particulă este fotonul, care este purtătorul interacțiunii electromagnetice.

Următorul grup este format din particule luminoase − leptoni . Acest grup include două tipuri de neutrini (electronici și muoni), electroni și μ-mezon. Leptonii includ, de asemenea, un număr de particule care nu sunt enumerate în tabel. Toți leptonii au spin 1/2.

Al treilea grup mare este format din particule grele numite hadronii . Acest grup este împărțit în două părți. Particulele mai ușoare formează un subgrup mezonii . Cei mai ușori dintre ei sunt încărcați pozitiv și negativ, precum și mezonii π neutri cu mase de ordinul a 250 de mase de electroni. Pionii sunt cuante ale câmpului nuclear, la fel cum fotonii sunt cuante câmp electromagnetic. Acest subgrup include, de asemenea, patru K mezoni și un mezon η 0. Toți mezonii au spin egal cu zero.

Al doilea subgrup barionii – include particule mai grele. Este cel mai extins. Cei mai ușori dintre barioni sunt nucleonii - protoni și neutroni. Ele sunt urmate de așa-numiții hiperoni. Închide tabelul omega-minus-hyperon, descoperit în 1964. Aceasta este o particulă grea cu o masă de 3273 de mase de electroni. Toți barionii au spin 1/2.

Abundența de hadroni descoperiți și recent descoperiți i-a condus pe oamenii de știință la ideea că toți sunt construiti din alte particule mai fundamentale. În 1964, fizicianul american M. Gell-Man a avansat o ipoteză, confirmată de studii ulterioare, că toate particulele grele - hadronii - sunt construite din particule mai fundamentale numite quarcuri . Pe baza ipotezei cuarcilor, nu numai că a fost înțeleasă structura hadronilor deja cunoscuți, dar a fost prezisă și existența altora noi. Teoria Gell-Mann presupunea existența a trei quarci și trei antiquarci, care se combină între ele în diverse combinații. Astfel, fiecare barion este format din trei cuarci, iar un antibarion este format din trei antiquarci. Mezonii sunt formați din perechi quark-antiquark.

Odată cu acceptarea ipotezei cuarcului, a fost posibil să se creeze un sistem coerent de particule elementare. Cu toate acestea, proprietățile prezise ale acestor particule ipotetice s-au dovedit a fi destul de neașteptate. Sarcina electrică a quarcilor trebuie exprimată în numere fracționale egale cu 2/3 și 1/3 din sarcina elementară.

Modelul este realizat sub forma unui tabel interactiv. Utilizatorul poate alege grupul luat în considerare (particule sau antiparticule) și datele afișate în tabele (încărcare, spin, anul descoperirii).

Până acum, doar particule precum electron e proton p neutron n și foton au fost considerate stabile sau cvasi-stabile, adică ele există fie pe termen nedefinit, fie pentru o perioadă suficient de lungă. Cu toate acestea, marea majoritate a particulelor elementare obținute la acceleratoare nu sunt stabile, adică se degradează, transformându-se în cele din urmă în particule stabile. Masa particulei în fizica nucleara Se obișnuiește să se exprime în unități de energie, care se bazează pe legea Einstein a relației dintre masă și energie E = mc2.

Dacă această lucrare nu vă convine, există o listă de lucrări similare în partea de jos a paginii. De asemenea, puteți utiliza butonul de căutare

PRELEȚA #14

PARTICILE ELEMENTARE ȘI PROPRIETĂȚILE LOR

În prezent, sunt cunoscute aproximativ 400 de particule elementare. Până acum, au fost luate în considerare doar particule precum electronul. e , proton p , neutron n și fotonii, care sunt stabili sau cvasistabili, adică există fie pe termen nedefinit, fie pentru o perioadă suficient de lungă. Cu toate acestea, marea majoritate a particulelor elementare produse în acceleratoare nu sunt stabile, adică se degradează, transformându-se în cele din urmă în particule stabile.

Pentru a descrie particulele, sunt introduse o serie de mărimi fizice care le deosebesc: masa, durata medie de viață, sarcina electrică, spin și o serie de altele.

Masa particulelor în fizica nucleară, se obișnuiește să se exprime în unități de energie, care se bazează pe legea Einstein a relației dintre masă și energie. E \u003d mc 2 . Unitatea de măsură este electronvolt (1 eV = 1,6 10–19 J); în practică, milioane de electron volți - MeV (1 MeV = 10 6 eV) și gigaelectronvolt - GeV (1 GeV = 10 9 eV). Deci masa unui electron pe mine = 0,51 MeV, proton - m p = 938,3 MeV, neutron - 939,6 MeV, masa fotonului este zero.

Durata medie de viață este o măsură a stabilității particulelor și este exprimată în secunde.

Particulele cunoscute de noi: electroni, protoni și fotoni sunt absolut stabile ( =  ), neutronul în stare liberă este cvasi-stabil, durata sa de viață este ≈898 s.

A învârti - Momentul unghiular intrinsec al particulei. Spinul este exprimat în unități h / 2  și acceptă numai valori întregi și jumătate întregi. Deci, pentru un electron, un proton și un neutron, spinul este egal pentru un foton - Aceasta este cea mai importantă caracteristică a particulelor elementare, care nu are analogi în fizica clasică.

Incarcare electricacaracterizează capacitatea unei particule de a participa la interacțiuni electromagnetice, iar această valoare ne este bine cunoscută din electrostatică.

Moment magnetic propriuparticula caracterizează interacțiunea particulei cu un câmp magnetic extern.

S-a dovedit că aceste caracteristici nu sunt suficiente pentru a descrie comportamentul particulelor elementare și au fost introduse noi proprietăți:ciudățenie, farmec, farmec, culoare, parfumiar altele care se caracterizează prin lor numere cuantice. Desigur, numele de mai sus nu au nimic de-a face cu sensul obișnuit al acestor cuvinte, ci reflectă proprietățile speciale ale particulelor.

INTERACȚIUNI FUNDAMENTALE

În prezent, în fizică se disting patru tipuri de interacțiuni fundamentale: puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale.

La interacțiuni puternice ( S - puternic) sunt în primul rând forte nucleare, unind nucleonii într-un nucleu.

În interacțiunea electromagnetică(E - electromagnetic ) sunt implicați numai particule încărcate electric și fotoni. Una dintre manifestările sale este forțele Coulomb care determină existența atomilor. Interacțiunea electromagnetică este responsabilă pentru marea majoritate a proprietăților macroscopice ale materiei (forțe de frecare, forțe elastice etc.)

Interacțiuni slabe ( Săptămâna W) manifestată în transformări beta nuclee atomice. Conduce la instabilitatea multor particule elementare și este tipic pentru toate particulele, cu excepția fotonilor.

Interacțiune gravitațională ( G - gravitațional) se manifestă sub formă de forţe gravitatieși comune tuturor organismelor. Interacțiunea gravitațională este foarte slabă și nu joacă un rol semnificativ în microcosmos.

Interacțiunile fundamentale diferă într-un număr de proprietăți, printre care, în primul rând, trebuie remarcată intensitatea (α) interacțiunii și raza acțiunii lor. R . De obicei, pentru a compara diferite interacțiuni, se ia în considerare raportul intensităților acestora, care, într-o aproximare grosieră, este definit ca raportul energiilor de interacțiune. Asumând condiționat intensitatea interacțiunii puternice ca unitate (α S = 1), valorile aproximative ale intensităților pentru alte interacțiuni sunt: ​​α E ≈ 10 –2 , α W ≈ 10 –10 , α G ≈ 10 –38 . Astfel, cea mai intensă interacțiune din microcosmos este interacțiunea puternică, cea mai puțin intensă este cea slabă, în timp ce interacțiunea gravitațională este neglijabilă.

Raza de interacțiune R este determinată de dependența energiei acestei interacțiuni de distanța dintre particule. Conform legii lui Coulomb și a gravitației universale, forțele electromagnetice și gravitaționale sunt invers proporționale cu pătratul distanței dintre particule, adică aceste forțe scad lent. Prin urmare, se presupune că raza acțiunii lor este egală cu infinit: RE = ∞ și R G = ∞. Energia interacțiunilor puternice și slabe scade cu distanța foarte repede conform unei legi exponențiale și afectează doar la distanțe mici. După cum sa determinat experimental, intervalele lor R S ≈ 10–15 m și R W ≈ 10–18 m, adică sunt proporționale cu dimensiunea nucleelor ​​și funcționează în interiorul nucleului atomic.

CLASIFICAREA PARTICLELOR ELEMENTARE

1. Particule și antiparticule. Toate particulele elementare, în primul rând, pot fi împărțite în două clase: particule și antiparticule. Fiecare particulă are propria sa antiparticulă și se caracterizează prin următoarele proprietăți: masa, durata de viață și spin-ul particulei și antiparticulei sunt aceleași, dar alte proprietăți, cum ar fi sarcina și momentul magnetic, au semn opus. Antiparticulele sunt notate cu aceleași simboluri ca și particulele. La ei, doar simbolul ~, numit „tilde”, este adăugat în partea de sus. Exemple de particule și antiparticule sunt electronul și pozitronul (electron încărcat pozitiv), protonul p și antiproton O proprietate importantă a particulelor și antiparticulelor este că atunci când se întâlnesc, are loc anihilarea (distrugerea) particulelor odată cu apariția fie a fotonilor, fie a altor particule. Aceasta nu înseamnă că în primul caz materia este anihilata; de fapt, există o tranziție a unui tip de materie (particulă) la altul ( radiatie electromagnetica). În condiții de laborator, s-a obținut și un antiatom dintr-un antiproton și un pozitron. Toate cele de mai sus conduc la ideea că undeva în Univers, departe de materia noastră obișnuită, pot exista „anti-lumi” (întâlnirea unei astfel de lumi și a unei anti-lumi ar duce la o explozie de putere colosală din cauza anihilării). ). Toate particulele elementare cunoscute, inclusiv antiparticulele, sunt împărțite în trei clase (Fig. 1): hadroni, leptoni și particule responsabile de transferul interacțiunilor.

Orez. unu

2. Hadroni sunt particule elementare care participă la interacțiuni puternice (nucleare). Ele alcătuiesc cea mai mare clasă de particule elementare: sunt peste 300. Cuvântul grecesc „hadros” înseamnă masiv, puternic. cuvânt rusesc„miez” provine și din acest cuvânt. Hadronii sunt particule grele și pot fi numiți rude cu protonul. Hadronii sunt împărțiți în două clase: barioni - particule care au un spin egal cu și mezonii - cu spin Protonii si neutronii sunt cei mai usori barioni, alti barioni (hiperoni) ii depasesc in masa. Mezonii sunt particule a căror masă este intermediară între masa unui electron și masa unui proton.

3. Quarci . La mijlocul anilor '60, a fost înaintată o ipoteză că toți hadronii sunt construiți din particule mai fundamentale, numite quarcuri . În prezent, se crede că există șase tipuri de quarci, ale căror caracteristici sunt date în tabel. 1. Există și șase antiquarci. Toți quarcii au un spin egal cu O caracteristică interesantă quarcii este că au o sarcină electrică fracționată.

Folosind combinații de diferiți quarci, puteți obține orice hadron cunoscut. De exemplu, un proton este format din doi u -quarci și unul d -quark (schematic, folosind notația pentru cuarci din tabel: uud). Într-adevăr, sarcina protonului: (2/3 + 2/3 - 1/3) e = + e . (Nu trebuie uitat că toate celelalte caracteristici ale unei particule sunt verificate în mod similar: spin, moment magnetic și altele). Neutronul este format din doi d -quarci și unul u-quark (ddu ). Pentru a explica structura altor barioni și mezoni, sunt implicați quarcii mai grei.

Tabelul 41.1

Odată cu apariția teoriei quarcilor, fizicienii au încercat să le găsească experimental. Cu toate acestea, toate încercările de a găsi particule cu o sarcină fracțională au eșuat. În prezent se crede căCuarcii liberi pur și simplu nu există.și de aceea nu poate fi găsită experimental.

4. Leptoni. Leptonii sunt particule care nu participă la interacțiuni puternice (nucleare), dar participă la interacțiuni electromagnetice și slabe. În greacă, „leptos” înseamnă mic, iar „acarienul” este o monedă mică. Dacă hadronii sunt „rude” cu protonul, atunci leptonii sunt „rude” cu electronul, iar electronul însuși aparține clasei leptonilor. Ca un electron, alțiileptonii sunt cu adevărat particule elementare,deoarece niciun lepton nu are o structură internă. Leptonii includ electronul, muonul, -lepton și neutrino.

Muon este o particulă ale cărei proprietăți de bază coincid cu proprietățile unui electron. Poate fi numit un electron greu, deoarece masa este de 106 MeV (un electron are 0,51 MeV). Spre deosebire de electron, muonul nu este stabil, durata sa de viață este de 10-6 s (destul de mare la scară atomică). Fizicienii au reușit să obțină artificial un atom în care un muon se învârte în jurul nucleului ( -mezoatom). Mezonii în acest caz respectă aceleași legi ca și electronii. -mezoatomul poate intra în reacții chimiceși formează mezomolecule. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că rolul muonului în univers este de neînțeles: este posibil să se explice structura materiei fără el.

Neutrino . Neutrinul (neutronul mic) a fost descoperit în urma cercetărilor -descompunere. S-a dovedit că la -dezintegrare, pe lângă electron, o altă particulă zboară din nucleu care nu are sarcină, pe care ei l-au numit neutrin și notat cu Deci, neutronul liber, fiind o particulă cvasi-stabilă, se descompune în cele din urmă într-un proton , un electron și un neutrin, care se numește neutrin electronic (mai precis - antineutrin) conform schemei: Studiile ulterioare au arătat că există și neutrini muoni  , formată în timpul dezintegrarii muonilor, precum și a neutrinilor tau. Principalele proprietăți ale neutrinilor:

a) un neutrin nu are sarcină, este o particulă neutră;

b) masa în repaus a neutrinului este zero sau neglijabilă;

c) neutrinul participă doar la interacțiunea slabă, care se manifestă în special în - decădere.

Aceste proprietăți fac neutrinul „invizibil”, o particulă greu de înregistrat, deoarece practic nu interacționează cu nimic. Prin urmare, neutrinul trece liber prin echipamentul cu care încearcă să-l vadă. Interacțiunea neutrinilor cu protoni și neutroni în 10 12 ori mai slab decât forța electromagnetică. Întreaga grosime a globului neutrini poate trece fără a provoca interacțiuni. Prin urmare, neutrinii nu au putut fi „prinși” mult timp. Cu toate acestea, neutrini au fost detectați.

Purtători de interacțiune. Să ne întoarcem la al treilea tip de particule elementare, care sunt responsabile de interacțiunea dintre particulele considerate anterior și din care se formează orice substanță. Să luăm în considerare astfel de particule. Purtătorii interacțiunilor sunt fotonii, gluonii și gravitonii (Fig. 1).

Fotonii (γ) sunt purtători de interacțiuni electromagnetice, masa lor în repaus este zero și nu au sarcină. Interacțiunea a două particule încărcate are loc datorită schimbului de fotoni între ele. Rețineți că quarcurile, toți hadronii, leptonii încărcați, precum și particulele responsabile pentru interacțiunea slabă participă la interacțiunea electromagnetică.

Gluoni [clei - lipici] (g ) sunt purtători de interacțiuni puternice. Nu au masă și sunt neutre din punct de vedere electric. Acestea sunt particulele prin care se realizează interacțiunea cuarcilor.

bozoni intermediari(W, Z) — purtători ai interacțiunilor slabe. Au sarcina electrica q = ± e ) și au mase mari: m W ≈ 81 GeV, m Z ≈ 93 GeV. Bosonii intermediari au fost preziși teoretic și în curând descoperiți, iar toate proprietățile prezise au coincis cu cele experimentale. Bosonii intermediari pot fi emiși și absorbiți atât de quarci, cât și de leptoni și, prin urmare, toate particulele, cu excepția fotonilor și gravitonilor, participă la interacțiunea slabă.

Gravitoni (G) — purtători ai interacțiunii gravitaționale. Gravitonii nu au fost încă detectați experimental în același mod ca undele gravitaționale. Presupusele proprietăți ale gravitonului sunt particule neutre care nu au o masă de repaus, cu spin

SISTEMUL PERIODIC DE PARTICULE ELEMENTARE

Conform teoriei moderne, există 17 particule elementare care formează toate tipurile cunoscute de materie și purtători ai tuturor forțelor care acționează între particule. Particulele elementare materiale (cele care alcătuiesc materia) pot fi reprezentate ca un fel de „sistem periodic” - un tabel de quarci și leptoni (Tabelul 2).

masa 2

Acest model include 6 soiuri de quarci și 6 leptoni. Aceste 12 particule sunt împărțite în coloane în funcție de acestea taxe elementare. Rândurile corespund celor trei familii ale principalelor particule de material.

Principalul este primul rând, care conține particulele necesare pentru a crea un atom: u- și d Quarcii formează nucleoni. Nucleonii, la rândul lor, formează nucleul unui atom. Electronii încărcați negativ sunt atrași de nucleu pentru a forma atomi. În cele din urmă, atomii formează molecule. A patra particulă rămasă, neutrinul electronic, nu este asociată cu materia. Neutrinul joacă un rol major în -dezintegrarea nucleului, cand protonii si neutronii se pot transforma unul in altul. Astfel, prima familie de quarci și leptoni este necesară pentru existența lumii așa cum o cunoaștem.

Al doilea și al treilea rând ale tabelului sunt necesare pentru a explica proprietățile particulelor care vin din spațiu și sunt create la acceleratori. Întrebarea ce rol joacă particulele din al doilea și al treilea rând în structura materiei rămâne deschisă. Cu toate acestea, cu ajutorul acestor particule elementare, sunt explicate toate particulele cunoscute de noi care există în Univers.

Astfel, teoria modernă sugerează că, în această etapă a dezvoltării fizicii, există 17 particule elementare care pot fi folosite pentru a explica existența materiei din care este creat Universul.