Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ФІЗИКА - Золота колекція рефератів - 2018

ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ ТА ЇХ ВЗАЄМОДІЇ

Елементарні частинки — це частинки, у яких па цей момент не виявлено внутрішньої структури. Ще в XIX ст. елементарними частинками вважалися атоми. їхня внутрішня структура — ядра й електрони — була виявлена на початку XX ст. у дослідах Е. Резерфорда. Незабаром стала відомою внутрішня структура атомних ядер. Вони складаються з протонів і нейтронів. Протягом XX ст., в основному завдяки технологіям прискорення заряджених частинок, було відкрито безліч інших елементарних частинок.

Перш ніж описати й класифікувати елементарні частинки, слід визначити, якими бувають взаємодії частинок. Елементарним актом взаємодії слугує перехід а ↔ b + с. Характер його може бути різним залежно від взаємодії, що її викликає. На сьогодні експериментально виявлено чотири типи взаємодій: електромагнітна, гравітаційна, сильна й слабка. Коротко нагадаємо основні їхні риси.

Найдетальніше дослідженою і відомою з макрофізики є електромагнітна взаємодія. Вона виникає при обміні фотонами-частинками, що мають нульову масу й спін j = 1 (в одиницях h). Нульова маса фотона обумовлює далекодійний характер електромагнітної взаємодії, тому вона й спостерігається в макросвіті. Одиничний спін пов’язаний з тим, що електромагнітне поле не скалярне, а векторне. Порушимо питання: якою є сила електромагнітної взаємодії? Її можна оцінити, порівнюючи енергію електромагнітного відштовхування двох частинок (наприклад,

електронів) з їхньою кінетичною енергією: де для повільних частинок і — для релятивістських частинок у їхній системі центра інерції. На перший погляд а може бути будь-яким, оскільки, змінюючи r і p, ми можемо одержати будь-які величини. Але у квантовій фізиці rp ~ h, і тому оцінка α виходить істотно жорсткішою. Для повільних частинок ми знаходимо α = е2(2πhv), де v — швидкість, а для швидких, коли Т ≈ рс, знаходимо

Як видно, сила електромагнітної взаємодії є великою для частинок, що рухаються повільно (і, отже, знаходяться па більших відстанях одна від одної). Натомість на малих відстанях або при вищих швидкостях сила електромагнітної взаємодії знижується й характеризується малою безрозмірною величиною («стала тонкої структури»). Це поводження а пояснює порівняно малу роль, яку електромагнітна взаємодія відіграє у фізиці високих енергій. Як правило, вона виступає у вигляді невеликих поправок до інших взаємодій і не викликає ніяких якісних змін. Навпаки, у макросвіті, коли швидкості частинок малі, а відстані великі, сила електромагнітної взаємодії велика, і вона стає основою виникнення якісно нових форм руху й об’єктів: атоми, молекули, тверді тіла й рідини — усе це прояви електромагнетизму в області великих відстаней. Електромагнітна взаємодія найдетальніше вивчена також і в теоретичному плані. Теорія електромагнітної взаємодії слугує зразком для побудови теорії інших взаємодій.

Гравітаційна взаємодія також дальнодійна й тому проявляється в макросвіті. Порівняємо її силу з електромагнітною і знайдемо співвідношення 1 ≈ 10-40. Разюча малість цього числа показує, наскільки незначною є роль електромагнітної взаємодії в мікросвіті. Ніякі навіть найсучасніші прилади не в змозі побачити її дію на тлі навіть електромагнітної взаємодії (яка сама по собі є слабкою у мікросвіті). Більше того, практично ніякі квантові ефекти в гравітації поки недоступні спостереженню. Абсолютно умоглядно, на підставі тієї інформації, що випливає з класичної теорії гравітації, теоретики роблять висновок, що носієм квантової гравітаційної взаємодії є частинка-гравітон g з нульовою масою й спіном 2. Остання обставина обумовлена тим, що класична гравітаційна взаємодія описується тензором другого рангу. Хоча практичне спостереження квантової гравітації в лабораторії — справа далекого майбутнього (якщо воно взагалі можливе), побудова теорії квантової гравітації перебуває в центрі уваги фізиків-теоретиків. Справа в тому, що безпосереднє застосування методів, використаних для опису всіх інших взаємодій, яке призвело до створення стандартної моделі для них, у випадку гравітації до успіху не приводить. Квантова іра- вітаційна взаємодія тому й донині залишається не зрозумілою до кінця, вона не включається в стандартну модель. Сьогодні існує досить підбадьорюючий напрямок, пов’язаний з теорією квантових струн, що претендує на включення квантової гравітації в єдину картину всіх взаємодій. Незважаючи на певні досягнення, не можна сказати, що ця мета вже досягнута.

Ще дві взаємодії — сильна і слабка — є короткодійними й тому спостерігаються тільки в мікросвіті. Сильна взаємодія, як указує назва, справді є чималою в області ядерних відстаней. Відповідна величина as, аналогічна а для електромагнітної взаємодії, має порядок 1-10. Сильна взаємодія відповідає за утворення ядер і, як найсильніша зі всіх взаємодій між елементарними частинками, майже за всі процеси, що спостерігаються в лабораторних умовах, коли розігнані на прискорювачах частинки взаємодіють із мішенню. Сильна взаємодія — найсиметричніша з усіх, вона характеризується максимальною кількістю законів збереження й правил відбору. Нарешті зауважимо, що сила сильної взаємодії за сучасними уявленнями знижується зі зростанням енергії взаємодіючих частинок. Падіння це повільне (логарифмічне), але вже при енергіях порядку 10 ГеВ (що відповідає відстаням 2 • 10-15 см) воно стає досить слабким.

Слабка взаємодія характеризується величиною па ядерних відстанях (близько 10-13 см і менше). Вона відповідальна за розпади частинок. Сьогодні відомо, що вона обумовлена обміном частинками W± і Z° (індекс зверху означає заряд в одиницях заряду протона), що мають більшу масу: mw = 81 ГеВ, mz = 93 ГеВ, і спін J = 1, як і фотон. Слабка взаємодія — найменш симетрична в порівнянні з сильною і електромагнітною, вона порушує закони збереження, властиві цим взаємодіям. Особливо цікаво, що слабка взаємодія порушує парність: вона змінює вигляд при переході від правої системи відліку до лівої.

Тепер можна звернутися до короткого перерахування й класифікації елементарних частинок, що спостерігаються на сьогодні. їх можна грубо розділити на три групи.

Першу складають частинки-переносники взаємодій: електромагнітної — фотон і слабкої -W±, Z°. Усі вони мають спін j = 1 («векторні бозони»). Фотон безмасовий, маси W± і Z° уже наводилися. Фотон бере участь в електромагнітній взаємодії, заряджені бозони W± — в електромагнітній і слабкій, нейтральний бозон 2° — тільки в слабкій. Зрозуміло, всі частинки беруть участь ще й у гравітаційній взаємодії.

Другу групу утворюють лептони, частинки зі спіном ½ які не беруть участь у сильній взаємодії. Вони утворюють гри сімейства («покоління»): е-, טе (електрон і електронне нейтрино), μ-, טμ (р — мезон і його нейтрино), τ-, טτ, (τ — лептон і його нейтрино). Маси всіх нейтрино нульові; me = 0,5 МеВ, mμ = 110 МеВ, mτ= 1,7 ГеВ. Частинки різних поколінь одна в одну не переходять, так що можна формально вважати, що кожна з них несе свій «лептонний заряд», який зберігається (наприклад, електронний заряд, дорівнює одиниці для е- й טe й нулю для інших лептонів, μ — мезонний заряд, дорівнює одиниці для μ- і טμ і нулю для інших і т. ін.). Тому розпади важчих лептонів на легкі відбуваються за схемою μ - мезонний заряд зберігається, а електронний е- і антинейтрино vе взаємно компенсуються.

Третю, найбільшу групу частинок утворюють адрони, частинки, що беруть участь у сильних взаємодіях. Для них характерна наявність сімейств однакових частинок зі зростаючим спіном, тобто обертальні збудження. Тому адрони не є істинно елементарними частинками. За сучасними поглядами вони складаються з базисних, істинно елементарних частинок, кварків, які, як і лептони, мають спін і утворюють три покоління: u, d, с, s; (t), b.

Кожний вид кварка прийнято називати його «ароматом», так що всього є шість ароматів кварків. Перші кварки в кожному поколінні мають заряд а другі

Кварки у вільному вигляді не спостерігаються, оскільки, як передбачається, між ними діють сили притягання, що зростають із відстанню (на зразок сил пружності). Спостережувані адрони утворюються з них за двома можливими схемами: qq ( q означає антикварк) і q-qq. У першому випадку виникають частинки з цілим спіном (бозони), у другому — з напівцілим (баріони). До баріонів належать усім відомі протон р і нейтрон n, які будуються з u- і d-кварків за схемою р = uud, n = udd. Звідси можна зробити висновок, що маса кварків u і d приблизно однакова й дорівнює ~ 0,3 ГеВ. Аналогічні міркування дозволяють оцінити маси інших кварків. Вони виявляються важчими: ms ~ 0,45 ГеВ, me = 1,5 ГеВ, mb = 4,5 ГеВ. Кварк t дотепер не виявлений. Очевидно, він дуже важкий. У всякому разі mt > 25 ГеВ.

У сильній взаємодії аромати не змінюються й, крім того, виступають абсолютно однаково.

Загальна кількість адронів, включаючи порушення за спіном, досить велика. Згадаємо тут крім р і n тільки найпопулярпіші частинки: мезони π±0(j ,= 0, m = 0,14 ГеВ), які будуються за схемою j = 0. m= 0.49 ГеВ) — за схемою — за схемою й т.ін. баріони — за схемою — за схемою uus, uds, dds;

— за схемою uss, dss; m = 1,67 ГеВ) — за схемою sss. Комбінуючи важчі кварки с і b, с і d, можна побудувати нові адрони, то мають більшу масу.









загрузка...