План
1 Основнi характеристики елементарних частинок
1. 1. Маса й заряд елементарних частинок
1. 2. Спiн елементарних частинок i мiкрооб'єктiв.
2 Класифiкацiя елементарних частинок
2. 2. Адрони Мезони Гiперони
3 Античастинки
5 Взаємодiї елементарних частинок.
Основнi характеристики елементарних частинок
Маса i заряд елементарних частинок
Елементарнi частинки — найпростiшi частинки в складi атома. Сучасний рiвень знань не дозволяє точно встановити їхню структуру. Але властивостi багатьох частинок вивченi досить добре
Зародження фiзики елементарних частинок можна вiднести до 90-х рокiв дев'ятнадцятого сторiччя, коли був вiдкритий електрон (є) Услiд за ним ученим стали вiдомi протон (р) i фотон (у) Далi подiї розвивалися настiльки бурхливо, що це дотепер викликає здивування 1932 рiк ввiйшов в iсторiю фiзики за назвою «рiк чудес». Першим з'явилося повiдомлення англiйського фiзика Дж. Чедвiка про вiдкриття нейтрона (я). Потiм американцевi К. Андерсону за допомогою камери Вiльсона вдалося знайти в космiчному випромiнюваннi позитрон (є*) — античастинку електрона. Одночасно широко розгорнулися дослiдження, покликанi визначити властивостi цих нових частинок. Було з'ясовано, що вiльний нейтрон перетворюється не на двi частинки — протон i електрон, а на три — протон, електрон i якусь нову частинку Е. Фермi дав їй назву «нейтрино» (n), а В. Паулi теоретично обґрунтував її властивостi У 1953 рот Райнес i Коуен змогли експериментально пiдтвердити iснування нейтрино Фiзика елементарних частинок наочно довела, що далеко не всi фiзичнi процеси вписуються в рамки класичної електромагнiтної моделi Двi новi частинки — нейтрон i позитрон — виявили вузькiсть сприйняття свiту фiзичних явищ, що спирався винятково на теорiї електромагнiтної й гравiтацiйної взаємодiй. Виявилося, що стабiльнiсть електронiв, протонiв i фотонiв — це виняток у природi елементарних частинок, адже всi iншi елементарнi частинки здатнi або довiльно, або в результатi зiткнень перетворюватися на iншi частинки.
До середини XX столiття було вiдомо бiльше 30 елементарних частинок Ретельне вивчення дозволило виявити їхнi загальнi властивостi.
Маси спокою частинок:
Сумарна маса всiх частинок, що утворюють молекулу, атом або ядро, є масою цього мiкрооб'єкта, якщо її зменшити на величину дефекту маси Дефект маси прямо пропорцiйний енергiї, яку потрiбно витратити, щоб розщепити мiкрооб'єкт на елементарнi частинки. У ядрах атомiв, в яких дефект маси перевищує Ют, нуклони зв'язанi мiж собою найсильнiше.
Електричний заряд складного мiкрооб'єкта дорiвнює сумi зарядiв складових його частинок.
Спiн елементарних частинок i мiкрооб'єктiв
Спiн є дуже важливою характеристикою як елементарної частинки, так i всього мiкрооб'єкта загалом.
Спiн елементарної частинки — квантова величина, яка не має аналога в класичнiй механiцi й електродинамiцi. Це власна невiд'ємна властивiсть елементарної частинки, настiльки ж фундаментальна, як заряд або маса. її можна пояснити як момент iмпульсу елементарної частинки, що не пов'язаний з її рухом i не залежить вiд зовнiшнiх умов.
Інодi пiд спiном мається на увазi обертання елементарної частинки навколо своєї осi, але це неправильно. Спiн не можна розумiти як обертання, вiн позначає лише наявнiсть у частинки можливостей для цього. Щоб внутрiшнiй момент iмпульсу перетворився на класичний момент iмпульсу (тобто щоб частинка справдi почала обертатися), необхiдним є виконання умови s>>1, де s — спiн частинки. Ця умова нездiйсненна, тому що максимально можливе значення спiну дорiвнює 1.
Спiн мiкрооб'єкта, наприклад ядра, складається зi спiнiв нуклонiв i орбiтальних моментiв iмпульсу нуклонiв, обумовлених рухом нуклонiв усерединi ядра.
Бозони — частинки з цiлочисловим або нульовим спiном. Вони описуються симетричними хвильовими функцiями i пiдкоряються статистичному розподiлу Бозе — Ейнштейна.
Фермiони — загальна назва частинок iз нецiлочисловим спiном. Вони описуються несиметричними хвильовими функцiями i пiдкоряються статистичному розподiлу Фермi — Дiрака. Складнi утворення (ядра атомiв), складенi з непарного числа фермюнiв, є фермiонами, тобто мають нецiлочисловий сумарний спiн.
Якщо ж мiкрооб'єкт складається з парного числа фермiонiв, то його сумарний спiн цiлий, i такi ядра називаються бозонами.
Класифiкацiя елементарних частинок
Елементарнi частинки поєднують у три групи:
— фотони;
— адрони
До групи лептонiв належать електрон, мюон, електронне i мюонне нейтрино i вiдповiднi античастинки. Усi лептони є фермiонами, тому що їхнiй спiн дорiвнює 1/2. Вони не беруть участi в сильних (ядерних) взаємодiях.
Розглянемо основнi властивостi мюона. Мюон був уперше виявлений у 1936 роцi, i тодi ж було встановлено, що вiн є твердим компонентом вторинного космiчного випромiнювання. Вiн є продуктом розпаду важчих частинок Маса мюона складає 207тс, що дозволяє зарахувати його до легких частинок Заряд мюона чисельно дорiвнює зарядовi електрона, але мюони можуть бути як позитивними (μ+), так i негативними (μ-)
Мюони належать до нестабiльних частинок, час їхнього життя складає 2,2•10 -6 с Вони зазнають спонтанного розпаду вiдповiдно до наступної схеми:
Мюони взаємодiють iз ядрами атомiв дуже слабко, тому вони не можуть бути носiями ядерної взаємодiї.
Адрони. Мезони. Гiперони
Адрони, на вiдмiну вiд лептонiв, можуть брати участь у сильнiй ядернiй взаємодiї. До цiєї групи належать нуклони (протон i нейтрон), мезони (група частинок j масою меншою, нiж маса протона) i гiперони (група частинок iз масою бiльшою, нiж маса протона).
Мезони бувають двох типiв:
π-мезони (пiони);
К-мезони (каони).
Пiони були вперше штучно отриманi бомбардуванням а-частинками атомiв Be, С i Сu. π-Мезони сильно взаємодiють iз нуклонами й атомними ядрами; вони є головним чинником iснування ядерних сил.
Пiони можуть бути позитивно (π+) i негативно (π ) зарядженими Чисельно величина їхнього заряду дорiвнює величинi заряду електрона Крiм того, iснують i нейтральнi (π0) пiони.
Пiони нестабiльнi. Час життя заряджених пiонiв складає 2,6 10-8 с. незаряджених - 0,8 •10-16 с.
Спонтанно я-мезони розпадаються за такою схемою
Маси позитивно i негативно заряджених π-мезонiв однаковi й складають 273,1 от. Маса π°-мезона дорiвнює 264,1 тс Усi мезони належать до легких частинок. Зарядженi пiони мають нульовий спiн.
К-мезони — частинки з нульовим спiном i масою 970/и, Вiдомi 4 типи каонiв
К+ — позитивно заряджений кцон;
К" — негативно заряджений каон;
Час життя К-мезонiв коливається в перiодi вiд 10 8 до 10 10 с i залежить вiд їхнього типу. Розпад заряджених каонiв вiдбувається вiдповiдно до такої схеми
Гiперони — важкi нестабiльнi елементарнi частинки масою (2183-3273)тс, що перевищує масу протона. Вiдомо кiлька типiв гiперонiв
Спiн гiперонiв дорiвнює 1/2 (для Ω -гiперону 3/2). Час життя гiперонiв складає 10-10 с (для Ω°-гiперонiв 10-20 с). Розпад гiперонiв супроводжується утворенням нуклонiв i легких частинок (я-мезонiв, електронiв, нейтрино i у-квантiв)
Властивостi гiперонiв дозволили виявити ще одну квантову характеристику елементарних частинок — дивнiсть Справа в тому, що розрахований теоретично час життя гiперонiв був у 1013 разiв менший, нiж експериментально встановлений Закон збереження дивностi s пояснив цей факт, а також i те, що гiперон народжується кожного разу у парi з К-мезоном. Слiд зауважити, що закон збереження дивностi виконується тiльки при сильних i електромагнiтних взаємодiях.
Квантова теорiя передбачала iснування античастинок задовго до експериментального доказу цього факту. Наявнiсть у кожної елементарної частинки античастинки пiдтверджується принципом зарядового спряження. Справдi, кожнiй частинцi, m винятком фотона i π°-мезона, вiдповiдає античастинка.
Частинка та античастинка мають однакову масу i рiвну тривалiсть життя у вакуумi. їхнiй заряд однаковий за величиною i протилежний за знаком. Спiн частинки та античастинки однаковий.
Довгий час вважалося, що, завдяки подiбностi характеристик, частинки та античастинки повиннi брати участь в аналогiчних процесах (повна симетрiя). Пiзнiше було доведено, що подiбна симетрiя характерна тiльки для сильної й електромагнiтної взаємодiй, а для слабкої порушується.
Процес зiткнення частинки з античастинкою, у результатi чого виникають iншi елементарнi частинки або фотони, одержав назву анiгiїяцiя. Першим прикладом анiгiляцiї у фiзицi стала взаємодiя електрона й позитрона з утворенням двох у-квантiв:
Для створення пари «частинка-античастинка» потрiбна енергiя, яка дорiвнює або перевищує подвоєну енергiю спокою пари. Це вiдбувається тому, що частинкам необхiдно надати значної кiнетичної енергiї. Наприклад, для створення пари «протон-антипротон» (р-р) потрiбно витратити 4,4 ГеВ.
Античастинки можуть анiгiлювати не тiльки з вiдповiдними до них частинками, але i з iншими частинками також. Наприклад, антипротон анiгiлює i з протоном, i з нейтроном вiдповiдно до наступних схем:
Вiдмiннiсть частинки та античастинки полягає не тiльки в рiзнойменностi їхнiх зарядiв. Крiм цього, розрiзняються їхнi магнiтнi моменти. Так, нейтрон (π) i антинейтрон (π) вiдрiзняються знаком власних магнiтних моментiв.
снує група елементарних частинок, для яких немає античастинок. Це так званi iстинно нейтральнi частинки. До них належать фотон, π°-мезон i π-мезон (тη = 1074mt, час життя 7 10 19,с, при розпадi утворюються π-мезони i γ-кванти). Вважають, що iстинно нейтральна частинка тотожна зi своєю античастинкою. У силу цього iстинно нейтральнi частинки не здатнi анiгiлювати, зате вони зазнають взаємних перетворень.
Перетворення елементарних частинок
Розглянемо схему розпаду мюона:
На пiдставi цiєї схеми можна зробити висновок, що мюон складається з трьох елементарних частинок, але це твердження не буде правильним. Досить узяти до уваги той факт, що для деяких частинок iснує кiлька схем розпаду.
Розпад частинки — перетворення її на деяку сукупнiсть нових частинок, породжених у результатi її знищення.
При зiткненнях частинок картина взаємних перетворень не менш багата, нiж при їхньому розпадi. Наприклад, при зiткненнi фотона з нейтроном мають мiсце такi перетворення:
ΔЕ = Δтс2.
Також зi схем випливає, що неможливо розщепити елементарнi частинки ! (зокрема нейтрони), бомбардуючи їх iншими частинками (у цьому випадку фотонами): насправдi ж вiдбувається не розщеплення обстрiлюваних частинок, а народження нових, причому значною мiрою це вiдбувається за рахунок енергiї частинок, що зiштовхуються.
Взаємнi перетворення елементарних частинок мають свої закономiрностi, що перегукуються iз законами класичної фiзики. Так, дуже важливим є той факт, що для елементарних частинок також можуть бути застосованi закони збереження їхнiх фундаментальних характеристик. Наприклад, для елементарних частинок виконується закон збереження електричного заряду: при будь-якому взаємному перетвореннi частинок алгебраїчнi суми електричних зарядiв вихiдних i кiнцевих частинок рiвнi. Це дозволяє вiдразу виключити з аналiзу тi схеми, де ця умова не виконується.
Але як iде справа у свiтi мiкрооб'єктiв з описом їхнього руху i стану? Вiдомо, що в класичнiй механiцi на це питання вiдповiдають закони збереження енергiї (1), iмпульсу (2) i моменту iмпульсу (3):
AU=Q-A, (1)
де тг т2 — маса тiл 1 i 2;
V1, V2 — швидкiсть тiл 1 i 2.
L — const, (3)
де L — момент iмпульсу замкненої системи.
Усi закони збереження є наслiдками певних властивостей простору й часу.
Час однорiдний, тобто протiкання фiзичних процесiв не залежить вiд того, який момент обраний за початковий вiдлiк. Наслiдком однорiдностi часу є закон збереження енергiї.
Усi точки в просторi фiзично рiвноправнi, що дозволяє вважати однорiдним простiр. Наслiдком цього є закон збереження iмпульсу.
Закон збереження моменту iмпульсу є наслiдком iзотропностi простору, тобто фiзичної рiвноправностi всiх напрямкiв у просторi.
Ще жоден експеримент не довiв, що в мiкросвiтi цi закони не виконуються, тому такi динамiчнi змiннi, як енергiя, iмпульс i момент iмпульсу, для елементарних частинок також зберiгають свiй змiст. Однак специфiчна природа мiкрооб'єктiв вносить деякi змiни в закони, що їх описують. Поправки при описi мiкрооб'єктiв вносяться на пiдставi iдеї квантування фiзичних величин i корпускулярно-хвильового дуалiзму.
Взаємодiї елементарних частинок
У мiкросвiтi здiйснюються чотири типи фундаментальних взаємодiй. З них тiльки двi (гравiтацiйна i електромагнiтна) вiдповiдають процесам макросвiту.
винятку.
взаємодiя обумовлює iснування атомiв i молекул, тому що зв'язок мiж ядром i електронами здiйснюється завдяки їхнiм рiзнойменним зарядам.
Слабка взаємодiя охоплює процеси, що вiдбуваються за участю нейтрино або антинейтрино. Це найповiльнiша з усiх взаємодiй мiкросвiту. До неї зараховують такi процеси, як β- i μ-розпади, безнейтриннi процеси розпаду частинок з великою тривалiстю життя (τ = 10-10 с).
1. Ядернi сили — це сили притягання, тому що вони утримують нуклони всерединi ядра; у тому числi вони забезпечують зв'язок мiж однойменно зарядженими протонами. При дуже тiсному зближеннi нуклонiв ядернi сили мiж ними мають характер вiдштовхування.
2. Ядернi сили — це не електричнi сили, тому що вони дiють не тiльки мiж зарядженими протонами, але i нейтронами, що не мають заряду. Вони також не є гравiтацiйними силами, якi мiзерно малi для пояснення ядерних ефектiв.
3. Радiус дiї ядерних сил (1 - 2)10 -13 см. При великих вiдстанях мiж частинками ядерна взаємодiя не виявляється, тому її називають короткодiючою, тобто такою, що слабшає зi збiльшенням вiдстанi.
4. В областi своєї дiї ядернi сили дуже iнтенсивнi. їхня iнтенсивнiсть значно бiльша за iнтенсивнiсть електромагнiтних сил, тобто ядернi сили утримують всерединi ядра однойменно зарядженi протони, мiж якими iснує сильне електричне вiдштовхування.
τяд — ядерний час.
аналiз цiєї властивостi ядерних сил дозволив установити, що ядерна взаємодiя нуклонiв здiйснюється за рахунок л-мезонiв, якi є квантами ядерної взаємодiї (аналогiчно до фотонiв — квантiв електромагнiтного поля).
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Кучерук І. М., Горбачук І. Т., Луцик П. П. Загальний курс фiзики. Т. 1. Механiка. Молекулярна фiзика i термодинамiка. –К, 1999.–532 с.
2. Матвеєв О. М. Механiка i теорiя вiдносностi. –К., 1993.–288 с.
4. Іванкiв Л.І., Палюх Б. М. Механiка.– К., 1995.– 227 с.
5. Хайкiн С. Е. Фiзичнi основи механiки.– К., 1966.– 743 с.
6. Кушнiр Р. Курс фiзики. Ч. 1: Механiка. –Львiв, 2000.– 196 с.
Иродов Н. Е. Основ
| 
