Temel parçacıklar bu terimin tam anlamıyla, varsayıma göre tüm maddeyi oluşturan birincil, daha fazla ayrıştırılamaz parçacıklar. Modern fizikte, bu terim tam anlamıyla kullanılmaz, ancak daha az katı bir şekilde - atom veya atom çekirdeği (proton bir istisnadır) olma koşuluna tabi olan en küçük madde parçacıklarının büyük bir grubunu adlandırmak için kullanılır. Temel parçacıklar, maddenin spesifik kuantumlarıdır, daha kesin olarak - karşılık gelen fiziksel alanların kuantumları.

Tüm temel parçacıkların en önemli kuantum özelliği, diğer parçacıklarla etkileşime girdiğinde doğma ve yok olma (yayılma ve emilme) yeteneğidir. Bu bakımdan fotonlara tamamen benzerler. Temel parçacıklarla ilgili tüm işlemler, bir dizi absorpsiyon ve emisyon eyleminden geçer. Örneğin doğum süreci ancak bu temelde anlaşılabilir. p+- iki protonun çarpışmasında mezon ( p + p ® p + n + p +) veya bir elektron ve bir pozitronun yok olma süreci, kaybolan parçacıklar yerine iki g-kuanta göründüğünde: e + + e -® g + g. Parçacıkların elastik saçılma süreçleri, örneğin, e - + p® e - + p, ayrıca ilk parçacıkların absorpsiyonu ve son parçacıkların üretimi ile de ilişkilidir. Kararsız temel parçacıkların, enerjinin serbest bırakılmasıyla birlikte daha hafif parçacıklara bozunması, aynı düzenliliğe karşılık gelir ve bozunma ürünlerinin, bozunma anında doğduğu ve o ana kadar var olmadığı bir süreçtir. Bu bakımdan, temel parçacıkların bozunması, uyarılmış bir atomun temel duruma ve bir fotona bozunmasına benzer. Temel parçacıkların bozunma örnekleri şunlar olabilir: toplam sayısı bilinen temel parçacıklar (karşıt parçacıklarla birlikte) 400'e yaklaşır. Tek tek temel parçacıkların özelliklerini tanımlamak için, bir dizi fiziksel özellikler, değerleri farklıdır. Aralarında en ünlüsü kütle, ortalama ömür, spin, elektrik şarjı, manyetik moment.

Ağırlık ve boyutlar. Tüm temel parçacıklar, son derece küçük kütlelere ve boyutlara sahip nesnelerdir. Çoğu için kütleler, 1,6 10 -27 kg (yalnızca elektronun kütlesi gözle görülür şekilde daha küçüktür: 9.1.10 -31 kg) olan proton kütlesinin büyüklük mertebesindedir. Bir protonun, bir nötronun, bir p-mezonun büyüklük sırasına göre deneyimle belirlenen boyutları 10-15'tir. m. Elektron ve müonun boyutları belirlenemedi, sadece 10 -17'den küçük oldukları biliniyor. m. Temel parçacıkların mikroskobik kütleleri ve boyutları, davranışlarının kuantum özgüllüğünü belirler. Temel parçacıklara atfedilmesi gereken karakteristik dalga boyları kuantum teorisi (), nerede - Planck sabiti, t - parçacık kütlesi, İle birlikteışık hızıdır), büyüklük sırasına göre etkileşimlerinin gerçekleştiği tipik boyutlara yakındır (örneğin, p-mezonu için). » 1.4 10-15 m ). Bu, kuantum düzenliliklerinin temel parçacıkların davranışında belirleyici olduğu gerçeğine yol açar. Temel parçacıkların kütlesi, Einstein ilişkisine göre enerji birimleri (MeV veya GeV) olarak ifade edilir. W \u003d tc 2. Başka bir deyişle, tablolar aslında kütleyi göstermez. t parçacıklar ve dinlenme enerjileri W0. Bu, temel parçacık dönüşümlerinin süreçleri için enerji dengesi denklemlerini derlerken kullanışlıdır. Bazı parçacıkların kütlelerini gösterelim:

m g= 0, ben= 0,51 MeV, m p= 938,3 MeV, mn= 939.6 MeV.

Şu anda bilinen temel parçacıkların (ara bozon) en ağırı, protondan neredeyse 100 kat daha büyüktür.

Ortalama yaşam süresi temel parçacık t, parçacık kararlılığının bir ölçüsü olarak hizmet eder ve saniye cinsinden ifade edilir. Temel parçacık fiziğinde yarı ömür T 1/2 kullanılmaz ve rezonansların kararlılığının bir ölçüsü olarak, enerji birimlerinde ifade edilen genişlik Г~ alınır.

Ömrüne bağlı olarak, temel parçacıklar ayrılır: kararlı, yarı kararlı ve kararsız(rezonanslar). Elektron (t>5.1031 yıl), proton (t>1030 yıl), foton ve nötrino, modern ölçümlerin doğruluğu dahilinde kararlıdır. Yarı kararlı parçacıklar, elektromanyetik ve zayıf etkileşimler nedeniyle bozunan parçacıkları içerir. Ömürleri >10 -20 saniye. Nötron yarı kararlı bir parçacıktır ve ortalama ömrünün (1986) son deneysel değeri (898 ± 16) s'dir. Ortalama ömrü 10 -6 , 10 -8 , 10 -10 , 10 -13 s olan parçacık grupları vardır. Rezonans adı verilen en kısa ömürlü parçacıklar için t ~ 10 -24 -10 -23 s. Tablolardaki kararsız parçacıklar için ömürleri ile birlikte bozunma türleri de belirtilmiştir.

Döndürmek parçacığın içsel açısal momentumudur, yani hareketsiz çerçevedeki açısal momentumudur. Temel bir parçacık dönen bir top olarak düşünülemeyeceğinden, Spin'in klasik bir benzeri yoktur. Genellikle, J dönüşü birimlerle ifade edilir ve yalnızca tamsayı ve yarım tamsayı değerleri alır. spinli parçacık J projeksiyon değerlerinde farklılık gösteren 2J + 1 dönüş durumuna sahiptir jz , hangi -J'ye eşit olabilir, ( -J+ 1),0, .., (J- 1), J. bir elektron, proton, nötron ve nötrino için J = 1/2, bir foton için J= 1. Spinleri 0'dan (birçok mezon) 6'ya (1983'te Serpukhov hızlandırıcısında keşfedilen mezon rezonansı) olan parçacıklar bilinmektedir.Bir temel parçacığın dönüşü, onun en önemli özelliklerinden biridir. Spin değeri açık

verilen parçacığın uyduğu istatistik türünü belirler. Tamsayı dönüşlü tüm parçacıklar bozondur (Bose-Einstein istatistikleri), yarı tamsayılı dönüşlü tüm parçacıklar, Pauli ilkesinin geçerli olduğu fermiyonlardır (Fermi-Dirac istatistikleri). Örneğin elektronlar fermiyon, fotonlar bozondur.

Elektrik şarjı temel parçacık q - bir parçacığın katılma yeteneğini karakterize eden fiziksel nicelik elektromanyetik etkileşim, temel yük birimlerinde ifade edilir e= 1.6. 10 -19 C.

Serbest halde bulunan tüm parçacıklar için, bazı rezonanslar ±2 için genellikle 0 ve ±1, tamsayı değerleri alır. Bu elektrik yükünün nicelleştirilmesi kuralı büyük bir doğrulukla gerçekleştirilir.

Temel parçacıklar, mikro dünyanın ana yapısal unsurlarıdır. Temel parçacıklar olabilir kurucu(proton, nötron) ve kompozit olmayan(elektron, nötrino, foton). Bugüne kadar 400'den fazla parçacık ve onların antiparçacıkları keşfedilmiştir. Bazı temel parçacıklar olağandışı özelliklere sahiptir. Bu nedenle, uzun süre nötrino parçacığının durgun kütlesi olmadığına inanılıyordu. 30'larda. 20. yüzyıl beta bozunumunu incelerken, radyoaktif çekirdekler tarafından yayılan elektronların enerji dağılımının sürekli olarak meydana geldiği bulundu. Bundan, ya enerjinin korunumu yasasının yerine getirilmediği ya da elektronlara ek olarak, enerjinin bir kısmını taşıyan sıfır durgun kütleli fotonlara benzer şekilde tespit edilmesi zor parçacıkların yayıldığı ortaya çıktı. Bilim adamları bunun bir nötrino olduğunu öne sürdüler. Bununla birlikte, nötrinoların deneysel kaydı ancak 1956'da devasa yeraltı tesislerinde mümkün oldu. Bu parçacıkları kaydetmenin zorluğu, yüksek nüfuz etme güçleri nedeniyle nötrino parçacıklarının yakalanmasının son derece nadir olması gerçeğinde yatmaktadır. Deneyler sırasında, nötrino'nun durgun kütlesinin sıfırdan çok farklı olmamasına rağmen sıfıra eşit olmadığı bulundu. Antiparçacıkların da ilginç özellikleri vardır. İkiz parçacıklarıyla (kütle, dönüş, 1 ömür, vb.) aynı niteliklerin çoğuna sahiptirler, ancak elektriksel yük işaretleri veya diğer özellikler bakımından onlardan farklıdırlar.

1928'de P. Dirac, elektronun bir antiparçacığının - dört yıl sonra K. Anderson tarafından kozmik ışınların bir parçası olarak keşfedilen pozitron - varlığını öngördü. Bir elektron ve bir pozitron tek ikiz parçacık çifti değildir; nötr olanlar hariç tüm temel parçacıkların kendi karşıparçacıkları vardır. Bir parçacık ve bir antiparçacık çarpıştığında, yok olurlar (lat. yok etme- hiçliğe dönüşüm) - temel parçacıkların ve antiparçacıkların sayısı ve türü koruma yasalarıyla belirlenen diğer parçacıklara dönüşümü. Örneğin, bir elektron-pozitron çiftinin yok edilmesinin bir sonucu olarak fotonlar doğar. Tespit edilen temel parçacıkların sayısı zamanla artar. Aynı zamanda, bilinen parçacıkları oluşturmak için kompozit "yapı taşları" olabilecek temel parçacıklar için araştırmalar devam etmektedir. Kuark adı verilen bu tür parçacıkların varlığına dair hipotez 1964'te ortaya atıldı. Amerikalı fizikçi M. Gell-Man (1969 Nobel Ödülü).

Temel parçacıklar çok sayıda özelliğe sahiptir. Kuarkların ayırt edici özelliklerinden biri, kesirli elektrik yüklerine sahip olmalarıdır. Kuarklar birbirleriyle çiftler ve üçüzler halinde birleşebilir. Üç kuark formunun birleşimi baryonlar(protonlar ve nötronlar). Serbest durumda kuarklar gözlenmedi. Ancak kuark modeli, birçok temel parçacığın kuantum sayılarını belirlemeyi mümkün kıldı.

Temel parçacıklar şu özelliklere göre sınıflandırılır: parçacık kütlesi, elektrik yükü, temel parçacıkların katıldığı fiziksel etkileşim türü, parçacık ömrü, dönüş, vb.

Parçacığın geri kalan kütlesine bağlı olarak (kütlesi olan tüm parçacıkların en hafifi olarak kabul edilen elektronun geri kalan kütlesine göre belirlenen dinlenme kütlesi), aşağıdakileri ayırt eder:

♦ fotonlar (gr. fotoğraflar- durgun kütlesi olmayan ve ışık hızında hareket eden parçacıklar);

♦ leptonlar (gr. leptos– ışık) – hafif parçacıklar (elektron ve nötrino);

♦ mezonlar (gr. mezo- orta) - bir ila bin elektron kütlesine sahip orta parçacıklar (pi-meson, ka-meson, vb.);

♦ baryonlar (gr. bary- ağır) - binden fazla elektron kütlesine sahip ağır parçacıklar (protonlar, nötronlar, vb.).

Elektrik yüküne bağlı olarak, şunlar vardır:

♦ negatif yüklü parçacıklar (örneğin elektronlar);

♦ pozitif yüklü parçacıklar (örn. proton, pozitronlar);

♦ sıfır yüklü parçacıklar (örneğin, nötrinolar).

Kesirli yüke sahip parçacıklar var - kuarklar. Parçacıkların katıldığı temel etkileşim türünü dikkate alarak, bunlar arasında şunlar bulunur:

♦ hadronlar (gr. adros- büyük, güçlü), elektromanyetik, güçlü ve zayıf etkileşime katılan;

♦ sadece elektromanyetik ve zayıf etkileşimlere katılan leptonlar;

♦ Parçacıklar – etkileşim taşıyıcıları (fotonlar – elektromanyetik etkileşimin taşıyıcıları; gravitonlar – yerçekimi etkileşiminin taşıyıcıları; gluonlar – güçlü etkileşimin taşıyıcıları; ara vektör bozonları – zayıf etkileşimin taşıyıcıları).

Parçacıkların ömrüne göre kararlı, yarı kararlı ve kararsız olarak ayrılır. Temel parçacıkların çoğu kararsızdır, ömürleri 10 -10 -10 -24 s'dir. Kararlı parçacıklar uzun süre bozunmaz. Sonsuzdan 10 -10 s'ye kadar var olabilirler. Foton, nötrino, proton ve elektron kararlı parçacıklar olarak kabul edilir. Yarı kararlı parçacıklar, elektromanyetik ve zayıf etkileşimin bir sonucu olarak bozunur, aksi takdirde bunlara rezonans denir. Ömürleri 10 -24 -10 -26 s'dir.

Bilim adamları nükleer süreçlerin çalışmasında keşfettiler, bu nedenle 20. yüzyılın ortalarına kadar temel parçacık fiziği nükleer fiziğin bir bölümüydü. Şu anda, fiziğin bu dalları birbirine yakındır, ancak bağımsızdır, incelenen birçok problemin ortak özelliği ve kullanılan araştırma yöntemleri ile birleştirilmiştir. Temel parçacık fiziğinin ana görevi, temel parçacıkların doğası, özellikleri ve karşılıklı dönüşümlerinin incelenmesidir.

Şu anda, yaygın olarak temel olarak adlandırılan yaklaşık 400 alt nükleer parçacık bilinmektedir. Bu parçacıkların büyük çoğunluğu kararsız . Tek istisna foton, elektron, proton ve nötrinodur. Diğer tüm parçacıklar belirli aralıklarla deneyimlenir doğal diğer parçacıklara dönüşmesi. Kararsız temel parçacıklar yaşamları boyunca birbirlerinden çok farklıdır. En uzun ömürlü parçacık nötrondur. Nötron ömrü yaklaşık 15 dakikadır. Diğer parçacıklar çok daha kısa bir süre için "yaşar". Örneğin, bir μ mezonunun ortalama ömrü 2,2∙10 -6 s ve nötr bir π mezonunun ömrü 0,87∙10 -16 s'dir. Birçok büyük parçacık (hiperon) 10-10 s mertebesinde ortalama bir ömre sahiptir.

Ömrü 10-17 s'yi geçen onlarca parçacık vardır. Mikrokozmosun ölçeği açısından, bu önemli bir zamandır. Bu tür parçacıklara denir nispeten istikrarlı . Çoğunluk kısa ömürlü temel parçacıkların ömürleri 10-22-10-23 s mertebesindedir.

Karşılıklı dönüşüm yeteneği, tüm temel parçacıkların en önemli özelliğidir. Doğabilir ve yok edilebilirler (yayılabilir ve emilebilirler). Bu aynı zamanda kararlı parçacıklar için de geçerlidir, tek fark, kararlı parçacıkların dönüşümlerinin kendiliğinden değil, diğer parçacıklarla etkileşim üzerine meydana gelmesidir. Bir örnek olurdu yok etme (yani kaybolma ) yüksek enerjili fotonların üretimi ile birlikte bir elektron ve bir pozitron. Ters işlem de gerçekleşebilir. doğum elektron-pozitron çifti, örneğin yeterince yüksek enerjili bir foton bir çekirdekle çarpıştığında. Pozitronun elektron için olduğu gibi, protonun da böyle tehlikeli bir ikizi vardır. denir antiproton . Antiprotonun elektrik yükü negatiftir. Şu anda antiparçacıklar tüm parçacıklarda bulunur. Karşı parçacıklar parçacıklara karşıdır çünkü herhangi bir parçacık kendi karşı parçacığıyla karşılaştığında yok olurlar, yani her iki parçacık da yok olur ve radyasyon nicemlerine veya başka parçacıklara dönüşür.

Nötronun bile bir karşı parçacığı vardır. Nötron ve antinötron, yalnızca manyetik moment ve baryon yükü olarak adlandırılan işaretlerde farklılık gösterir. Atomların var olması mümkün mü? antimadde çekirdekleri antinükleonlardan ve kabukları pozitronlardan oluşan. Antimaddenin madde ile yok edilmesi sırasında, kalan enerji radyasyon kuantumunun enerjisine dönüştürülür. Bu, nükleer ve termonükleer reaksiyonlarda açığa çıkandan çok daha büyük bir enerjidir.

Bugüne kadar bilinen çeşitli temel parçacıklarda, az çok uyumlu bir sınıflandırma sistemi bulunur.

Temel parçacıklar üç grupta birleştirilir: fotonlar , leptonlar ve hadronlar.

gruba fotonlar tek parçacık, elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı olan fotondur.

Bir sonraki grup hafif parçacıklardan oluşur - leptonlar . Bu grup iki tür nötrino (elektronik ve müon), elektron ve μ-mezonu içerir. Leptonlar ayrıca tabloda listelenmeyen bir dizi parçacık içerir. Tüm leptonlar 1/2 spinlidir.

Üçüncü büyük grup, adı verilen ağır parçacıklardan oluşur. hadronlar . Bu grup iki bölüme ayrılmıştır. Daha hafif parçacıklar bir alt grup oluşturur mezonlar . Bunların en hafifi, pozitif ve negatif yüklü ve 250 elektron kütlesi mertebesinde kütleli nötr π-mezonlardır. Pionlar nükleer alanın kuantalarıdır, tıpkı fotonların kuanta olması gibi elektromanyetik alan. Bu alt grup ayrıca dört K mezonu ve bir η 0 mezonunu içerir. Tüm mezonların spinleri sıfıra eşittir.

İkinci alt grup baryonlar – daha ağır parçacıklar içerir. En kapsamlı olanıdır. Baryonların en hafifi nükleonlardır - protonlar ve nötronlar. Bunları hiperonlar takip eder. 1964'te keşfedilen omega-eksi-hiperon tablosunu kapatır. Bu, 3273 elektron kütlesi kütlesine sahip ağır bir parçacıktır. Tüm baryonların spinleri 1/2'dir.

Keşfedilen ve yeni keşfedilen hadronların bolluğu, bilim adamlarını hepsinin daha temel parçacıklardan oluştuğu fikrine götürdü. 1964'te Amerikalı fizikçi M. Gell-Man, sonraki çalışmalarla doğrulanan, tüm ağır parçacıkların - hadronların - denilen daha temel parçacıklardan oluştuğuna dair bir hipotez ortaya koydu. kuarklar . Kuark hipotezine dayanarak, sadece bilinen hadronların yapısı anlaşılmakla kalmadı, aynı zamanda yenilerinin varlığı da tahmin edildi. Gell-Mann teorisi, birbirleriyle çeşitli kombinasyonlarda birleşen üç kuark ve üç antikuarkın varlığını varsayıyordu. Böylece, her baryon üç kuarktan oluşur ve bir antibaryon üç antikuarktan oluşur. Mezonlar kuark-antikuark çiftlerinden oluşur.

Kuark hipotezinin kabul edilmesiyle, temel parçacıklardan oluşan tutarlı bir sistem yaratmak mümkün oldu. Ancak, bu varsayımsal parçacıkların tahmin edilen özelliklerinin oldukça beklenmedik olduğu ortaya çıktı. Kuarkların elektrik yükü, temel yükün 2/3 ve 1/3'üne eşit kesirli sayılarla ifade edilmelidir.

Model etkileşimli bir tablo şeklinde yapılmıştır. Kullanıcı, söz konusu grubu (parçacıklar veya karşı parçacıklar) ve tablolarda görüntülenen verileri (şarj, dönüş, keşif yılı) seçebilir.

Şimdiye kadar, yalnızca elektron e proton p nötron n ve foton gibi kararlı veya yarı kararlı, yani ya süresiz olarak ya da yeterince uzun bir süre var olan parçacıklar kabul edildi. Bununla birlikte, hızlandırıcılarda elde edilen temel parçacıkların büyük çoğunluğu kararlı değildir, yani bozunurlar ve sonunda kararlı parçacıklara dönüşürler. içindeki parçacığın kütlesi nükleer Fizik Kütle ve enerji E = mc2 arasındaki ilişkinin Einstein yasasına dayanan enerji birimlerinde ifade etmek gelenekseldir.

Bu çalışma size uymuyorsa sayfanın alt kısmında benzer çalışmaların listesi bulunmaktadır. Arama butonunu da kullanabilirsiniz

DERS #14

TEMEL PARÇACIKLAR VE ÖZELLİKLERİ

Şu anda, yaklaşık 400 temel parçacık bilinmektedir. Şimdiye kadar sadece elektron gibi parçacıklar ele alındı. e , proton p , nötron n ve kararlı veya yarı kararlı olan foton, yani ya süresiz olarak ya da yeterince uzun bir süre boyunca var olurlar. Bununla birlikte, hızlandırıcılarda üretilen temel parçacıkların büyük çoğunluğu kararlı değildir, yani bozunurlar ve sonunda kararlı parçacıklara dönüşürler.

Parçacıkları tanımlamak için, onları birbirinden ayıran bir dizi fiziksel nicelik tanıtılır: kütle, ortalama ömür, elektrik yükü, dönüş ve bir dizi diğerleri.

parçacık kütlesi nükleer fizikte, kütle ve enerji arasındaki ilişkinin Einstein yasasına dayanan enerji birimlerinde ifade etmek gelenekseldir. E \u003d mc2 . Ölçüm birimi elektron volt (1 eV = 1,6 10 19 J); pratikte milyonlarca elektron volt MeV kullanılır (1 MeV = 10 6 eV) ve gigaelektronvolt GeV (1 GeV = 10 9 eV). Yani bir elektronun kütlesi ben = 0,51 MeV, proton m p = 938.3 MeV, nötron 939.6 MeV, foton kütlesi sıfırdır.

Ortalama yaşam süresi parçacık stabilitesinin bir ölçüsüdür ve saniye cinsinden ifade edilir.

Bildiğimiz parçacıklar: elektron, proton ve foton kesinlikle kararlıdır ( =  ), serbest durumdaki nötron yarı kararlıdır, ömrü ≈ ​​898 s'dir.

Döndürmek parçacığın içsel açısal momentumu. Spin birimlerle ifade edilir h / 2  ve yalnızca tamsayı ve yarı tamsayı değerlerini kabul eder. Yani bir elektron, bir proton ve bir nötron için, bir foton için spin eşittir Bu, klasik fizikte benzeri olmayan temel parçacıkların en önemli özelliğidir.

Elektrik şarjıbir parçacığın elektromanyetik etkileşimlere katılma yeteneğini karakterize eder ve bu değer bizim için elektrostatikten iyi bilinir.

Kendi manyetik momentiparçacık, parçacığın harici bir manyetik alanla etkileşimini karakterize eder.

Bu özelliklerin temel parçacıkların davranışını tanımlamak için yeterli olmadığı ortaya çıktı ve yeni özellikler tanıtıldı:tuhaflık, çekicilik, çekicilik, renk, kokuve özellikleriyle karakterize edilen diğerleri Kuantum sayıları. Tabii ki, yukarıdaki isimlerin bu kelimelerin olağan anlamlarıyla hiçbir ilgisi yoktur, ancak parçacıkların özel özelliklerini yansıtır.

TEMEL ETKİLEŞİMLER

Şu anda fizikte dört tür temel etkileşim ayırt edilir: güçlü, elektromanyetik, zayıf ve yerçekimi.

Güçlü etkileşimlere ( güçlü) öncelikle nükleer kuvvetler, nükleonları bir çekirdeğe birleştirerek.

elektromanyetik etkileşimde(E elektromanyetik ) sadece elektrik yüklü parçacıklar ve fotonlar söz konusudur. Bunun tezahürlerinden biri, atomların varlığını belirleyen Coulomb kuvvetleridir. Maddenin makroskopik özelliklerinin büyük çoğunluğundan (sürtünme kuvvetleri, elastik kuvvetler vb.)

Zayıf etkileşimler ( W hafta) beta dönüşümlerinde kendini gösterir atom çekirdeği. Birçok temel parçacığın kararsızlığına yol açar ve fotonlar hariç tüm parçacıklar için tipiktir.

Yerçekimi etkileşimi ( G yerçekimi ) kuvvetler şeklinde kendini gösterir Yerçekimi ve tüm bedenler için ortaktır. Yerçekimi etkileşimi çok zayıftır ve mikro kozmosta önemli bir rol oynamaz.

Temel etkileşimler, bir dizi özellikte farklılık gösterir; bunların arasında, her şeyden önce, etkileşimin yoğunluğu (α) ve eylemlerinin yarıçapı not edilmelidir. R . Genellikle, farklı etkileşimleri karşılaştırmak için, kaba bir yaklaşımla etkileşim enerjilerinin oranı olarak tanımlanan yoğunluklarının oranı dikkate alınır. Güçlü etkileşimin yoğunluğunu koşullu olarak birlik olarak varsayarsak (α S = 1), diğer etkileşimler için yoğunlukların yaklaşık değerleri: α E ≈ 10 2 , α W ≈ 10 10 , α G ≈ 10 38 . Böylece, mikro kozmosta en yoğun etkileşim güçlü etkileşimdir, en az yoğun olan zayıf olandır, yerçekimi etkileşimi ise ihmal edilebilir düzeydedir.

Etkileşim yarıçapı R Bu etkileşimin enerjisinin parçacıklar arasındaki mesafeye bağımlılığı ile belirlenir. Coulomb yasasına ve evrensel yerçekimine göre, elektromanyetik ve yerçekimi kuvvetleri, parçacıklar arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır, yani bu kuvvetler yavaş yavaş azalır. Bu nedenle, eylemlerinin yarıçapının sonsuza eşit olduğu varsayılır: R E = ∞ ve R G = ∞. Güçlü ve zayıf etkileşimlerin enerjisi, üstel bir yasaya göre çok hızlı bir şekilde azalır ve sadece küçük mesafelerde etkilenirler. Deneysel olarak belirlendiği gibi, aralıkları R S ≈ 10 15 m ve R W ≈ 10 18 m, yani çekirdeğin boyutuyla orantılıdır ve atom çekirdeği içinde çalışırlar.

TEMEL PARÇACIKLARIN SINIFLANDIRILMASI

1. Parçacıklar ve karşı parçacıklar. Tüm temel parçacıklar, her şeyden önce, iki sınıfa ayrılabilir: parçacıklar ve antiparçacıklar. Her parçacığın kendi karşı parçacığı vardır ve bunlar aşağıdaki özelliklerle karakterize edilir: parçacığın kütlesi, ömrü ve dönüşü ile karşı parçacığın dönüşü aynıdır, ancak yük ve manyetik moment gibi diğer özellikler zıt işaretlidir. Antiparçacıklar, parçacıklarla aynı sembollerle gösterilir. Onlara sadece "tilde" adı verilen ~ sembolü üste eklenir. Parçacık ve antiparçacık örnekleri elektron ve pozitron (pozitif yüklü elektron), protondur. p ve antiproton Parçacıkların ve karşıparçacıkların önemli bir özelliği, karşılaştıklarında ya fotonların ya da diğer parçacıkların ortaya çıkmasıyla parçacıkların yok edilmesinin (yıkılmasının) gerçekleşmesidir. Bu, birinci durumda maddenin yok olduğu anlamına gelmez; aslında, bir tür maddenin (parçacık) diğerine geçişi vardır ( Elektromanyetik radyasyon). Laboratuvar koşullarında, bir antiproton ve bir pozitrondan da bir antiatom elde edildi. Yukarıdakilerin tümü, Evrende bir yerde, sıradan maddemizden uzakta, “anti-dünyaların” var olabileceği fikrine yol açar (böyle bir dünya ile bir anti-dünyanın buluşması, yok olma nedeniyle muazzam bir güç patlamasına yol açacaktır). ). Antiparçacıklar da dahil olmak üzere bilinen tüm temel parçacıklar üç sınıfa ayrılır (Şekil 1): hadronlar, leptonlar ve etkileşimlerin transferinden sorumlu parçacıklar.

Pirinç. bir

2. Hadronlar bunlar güçlü (nükleer) etkileşimlere katılan temel parçacıklardır. Temel parçacıkların en büyük sınıfını oluştururlar: 300'den fazla vardır.Yunanca "hadros" kelimesi büyük, güçlü anlamına gelir. Rusça kelime"çekirdek" de bu kelimeden gelir. Hadronlar ağır parçacıklardır ve protonun akrabaları olarak adlandırılabilirler. Hadronlar iki sınıfa ayrılır: baryonlar spini eşit olan parçacıklar ve mezonlar spin ile Protonlar ve nötronlar en hafif baryonlardır, diğer baryonlar (hiperonlar) kütle olarak onları aşar. Mezonlar, kütlesi bir elektronun kütlesi ile bir protonun kütlesi arasında orta düzeyde olan parçacıklardır.

3. Kuarklar . 60'ların ortalarında, tüm hadronların daha temel parçacıklardan oluştuğuna dair bir hipotez ortaya atıldı. kuarklar . Şu anda, özellikleri Tabloda verilen altı tür kuark olduğuna inanılmaktadır. 1. Ayrıca altı tane antikuark vardır. Tüm kuarkların spinleri eşittir İlginç bir özellik kuarklar, onların kesirli bir elektrik yüküne sahip olmalarıdır.

Farklı kuark kombinasyonlarını kullanarak bilinen herhangi bir hadron elde edebilirsiniz. Örneğin, bir proton iki parçadan oluşur. sen -kuarklar ve bir d -quark (şematik olarak, tablodaki kuarklar için gösterimi kullanarak: uud). Gerçekten de proton yükü: (2/3 + 2/3 1/3) e = +e . (Bir parçacığın diğer tüm özelliklerinin benzer şekilde kontrol edildiği unutulmamalıdır: spin, manyetik moment ve diğerleri). nötron iki parçadan oluşur d -kuarklar ve bir u-kuark (ddu ). Diğer baryon ve mezonların yapısını açıklamak için daha ağır kuarklar söz konusudur.

Tablo 41.1

Kuark teorisinin ortaya çıkmasıyla birlikte fizikçiler onları deneysel olarak bulmaya çalıştılar. Bununla birlikte, kesirli bir yüke sahip parçacıkları bulmaya yönelik tüm girişimler başarısız oldu. Şu anda inanılıyorSerbest kuarklar basitçe mevcut değildir.ve bu nedenle deneysel olarak bulunamaz.

4. Leptonlar. Leptonlar, güçlü (nükleer) etkileşimlere katılmayan, ancak elektromanyetik ve zayıf etkileşimlere katılan parçacıklardır. Yunanca'da "leptos" küçük, "mite" ise küçük bir madeni para anlamına gelir. Hadronlar protonun "akrabaları" ise, o zaman leptonlar elektronun "akrabalarıdır" ve elektronun kendisi lepton sınıfına aittir. Bir elektron gibi, diğerlerileptonlar gerçekten temel parçacıklar,çünkü hiçbir leptonun iç yapısı yoktur. Leptonlar elektron, müon, -lepton ve nötrino.

müon temel özellikleri bir elektronun özellikleriyle örtüşen bir parçacıktır. Ağır elektron olarak adlandırılabilir, çünkü kütle 106 MeV'dir (bir elektronun 0,51 MeV'si vardır). Elektronun aksine müon kararlı değildir, ömrü 10'dur. 6 s (atomik ölçekte oldukça büyük). Fizikçiler, bir müonun çekirdeğin etrafında döndüğü bir atomu yapay olarak elde etmeyi başardılar ( -mezoatom). Bu durumda mezonlar elektronlarla aynı yasalara uyarlar. -mezoatom girebilir kimyasal reaksiyonlar ve mezomoleküller oluşturur. Ancak müonun evrendeki rolünün anlaşılmaz olduğunu belirtmek gerekir: Maddenin yapısını onsuz açıklamak mümkündür.

nötrino . Araştırmalar sonucunda nötrino (küçük nötron) keşfedildi -çürümek. Şu ortaya çıktı ki - bozunma, elektrona ek olarak, nötrino olarak adlandırdıkları ve So ile gösterilen yükü olmayan başka bir parçacık çekirdekten uçar, yarı kararlı bir parçacık olan serbest nötron sonunda bir protona bozunur , bir elektron ve şemaya göre elektron nötrino (daha doğrusu antineutrino) olarak adlandırılan bir nötrino: Daha ileri çalışmalar, müon nötrinolarının da olduğunu göstermiştir.  , müonların yanı sıra tau nötrinolarının çürümesi sırasında oluşur. Nötrinoların ana özellikleri:

a) bir nötrino yükü yoktur, nötr bir parçacıktır;

b) nötrino'nun kalan kütlesi sıfır veya ihmal edilebilir;

c) nötrino, yalnızca zayıf etkileşime katılır, bu da özellikle kendini gösterir. - çürüme.

Bu özellikler nötrinoyu "görünmez" yapar, pratikte hiçbir şeyle etkileşime girmediği için kaydedilmesi zor bir parçacıktır. Bu nedenle, nötrino, onu görmeye çalıştıkları ekipmandan serbestçe geçer. 10'da nötrinoların proton ve nötronlarla etkileşimi 12 elektromanyetik kuvvetten çok daha zayıftır. Küre nötrinolarının tüm kalınlığı, etkileşime neden olmadan geçebilir. Bu nedenle, nötrinolar uzun süre "yakalanamadı". Ancak nötrinolar tespit edildi.

Etkileşim taşıyıcıları. Daha önce düşünülen parçacıklar arasındaki etkileşimden sorumlu olan ve herhangi bir maddenin oluşturulduğu üçüncü tip temel parçacıklara dönelim. Bu tür parçacıkları ele alalım. Etkileşimlerin taşıyıcıları fotonlar, gluonlar ve gravitonlardır (Şekil 1).

fotonlar (γ) elektromanyetik etkileşimlerin taşıyıcılarıdır, durgun kütleleri sıfırdır ve yükleri yoktur. İki yüklü parçacığın etkileşimi, aralarındaki foton alışverişi nedeniyle gerçekleşir. Elektromanyetik etkileşime kuarkların, tüm hadronların, yüklü leptonların ve zayıf etkileşimden sorumlu parçacıkların katıldığına dikkat edin.

Gluonlar [tutkal yapıştırıcı] (g ) güçlü etkileşimlerin taşıyıcıları. Kütleleri yoktur ve elektriksel olarak nötrdürler. Bunlar, kuarkların etkileşiminin gerçekleştirildiği parçacıklardır.

ara bozonlar(W, Z) zayıf etkileşimlerin taşıyıcıları. Elektrik yükü var q = ± e ) ve büyük kütlelere sahip: mW ≈ 81 GeV, mZ ≈ 93 GeV. Ara bozonlar teorik olarak tahmin edildi ve kısa sürede keşfedildi ve tahmin edilen tüm özellikler deneysel olanlarla çakıştı. Ara bozonlar hem kuarklar hem de leptonlar tarafından yayılabilir ve soğurulabilir ve bu nedenle fotonlar ve gravitonlar dışındaki tüm parçacıklar zayıf etkileşime katılır.

Gravitonlar (G ) yerçekimi etkileşiminin taşıyıcıları. Gravitonlar henüz yerçekimi dalgaları gibi deneysel olarak tespit edilmemiştir. Gravitonun iddia edilen özellikleri, durağan bir kütlesi olmayan, bir spin ile nötr parçacıklardır.

TEMEL PARÇACIKLARIN PERİYODİK SİSTEMİ

Modern teoriye göre, bilinen tüm madde türlerini oluşturan ve parçacıklar arasında hareket eden tüm kuvvetlerin taşıyıcılarını oluşturan 17 temel parçacık vardır. Maddi temel parçacıklar (maddeyi oluşturanlar), bir tür "periyodik sistem", bir kuark ve lepton tablosu olarak temsil edilebilir (Tablo 2).

Tablo 2

Bu model 6 çeşit kuark ve 6 lepton içerir. Bu 12 parçacık, yapılarına göre sütunlara ayrılır. temel ücretler. Sıralar, ana malzeme parçacıklarının üç ailesine karşılık gelir.

Ana olan, bir atom oluşturmak için gerekli parçacıkları içeren ilk satırdır: u- ve d Kuarklar nükleonları oluşturur. Nükleonlar sırayla bir atomun çekirdeğini oluşturur. Negatif yüklü elektronlar atomları oluşturmak için çekirdeğe çekilir. Son olarak, atomlar molekülleri oluşturur. Kalan dördüncü parçacık elektron nötrinosu madde ile ilişkili değildir. nötrino önemli bir rol oynar -proton ve nötronların birbirine dönüşebildiği çekirdeğin parçalanması. Böylece, ilk kuark ve lepton ailesi, bildiğimiz şekliyle dünyanın varlığı için gereklidir.

Tablonun ikinci ve üçüncü satırları, uzaydan gelen ve hızlandırıcılarda oluşturulan parçacıkların özelliklerini açıklamak için gereklidir. İkinci ve üçüncü sıradaki parçacıkların maddenin yapısında nasıl bir rol oynadığı sorusu ise hala yanıtsız. Ancak bu temel parçacıklar yardımıyla Evrende var olduğunu bildiğimiz tüm parçacıklar açıklanmıştır.

Bu nedenle, modern teori, fiziğin gelişiminin bu aşamasında, Evrenin yaratıldığı maddenin varlığını açıklamak için kullanılabilecek 17 temel parçacık olduğunu öne sürüyor.