Просмотров:
-Распечатать статьюСуществование простых частиц физики нашли при исследовании ядерных процессов, потому прямо до середины XX века физика простых частиц была разделом ядерной физики. В текущее время физика простых частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых заморочек и используемыми способами исследования.
Основная задачка физики простых частиц – это исследование природы, параметров и обоюдных перевоплощений простых частиц. Представление о том, что мир состоит из базовых частиц, имеет долгую историю. В первый раз идея о существовании мелких невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эпохи греческим философом Демокритом. Он именовал эти частички атомами, другими словами неразделимыми частичками.
Наука начала использовать представление об атомах исключительно в начале XIX века, когда на этой базе удалось разъяснить целый ряд хим явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение простого заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.), также открытиями электронов (Дж. Томсон, 1897 г.) и α-частиц (Э. Резерфорд, 1899 г.). В 1905 году в физике появилось представление о квантах электрического поля – фотонах (А. Эйнштейн). В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и совсем было подтверждено, что атомы имеют сложное строение.
В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда частей нашел протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Появилась протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг). В том же 1932 году в галлактических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – положительно заряженная частичка, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и изучены обоюдные перевоплощения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частички также не являются постоянными простыми «кирпичиками» природы. В 1937 году в галлактических лучах были обнаружены частички с массой в 207 электрических масс, нареченные мюонами (μ-мезонами). Потом в 1947–1950 годах были открыты пионы (другими словами π-мезоны), которые, по современным представлениям, производят взаимодействие меж нуклонами в ядре.
В следующие годы число вновь открываемых частиц стало стремительно расти. Этому содействовали исследования галлактических лучей, развитие ускорительной техники и исследование ядерных реакций. В текущее время понятно около 400 субъядерных частиц, которые принято именовать простыми. Подавляющее большая часть этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют только фотон, электрон, протон и нейтрино. Все другие частички через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные перевоплощения в другие частички. Нестабильные простые частички очень отличаются друг от друга по временам жизни. Более долгоживущей частичкой является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частички «живут» еще наименьшее время. К примеру, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10–6 с, нейтрального π-мезона – 0,87·10–16 с.
Многие мощные частички – гипероны имеют среднее время жизни порядка 10–10 с. Существует несколько 10-ов частиц с течением времени жизни, превосходящим 10–17 с. По масштабам микромира это существенное время. Такие частички именуют относительно размеренными. Большая часть короткоживущих простых частиц имеют времена жизни порядка 10–22–10–23 с. Способность к обоюдным превращениям – это более принципиальное свойство всех простых частиц. Простые частички способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к размеренным частичкам с той только различием, что перевоплощения размеренных частиц происходят не самопроизвольно, а при содействии с другими частичками. Примером может служить аннигиляция (другими словами исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии.
Может протекать и оборотный процесс – рождение электронно-позитронной пары, к примеру, при столкновении фотона с довольно большой энергией с ядром. Таковой страшный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он именуется антипротоном. Электронный заряд антипротона отрицателен. В текущее время античастицы найдены у всех частиц.
Античастицы противопоставляются частичкам поэтому, что при встрече хоть какой частички со собственной античастицей происходит их аннигиляция, другими словами обе частички исчезают, превращаясь в кванты излучения либо другие частички. Античастица найдена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так именуемого барионного заряда. Может быть существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов.
При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя преобразуется в энергию квантов излучения. Это большая энергия, существенно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях. В обилии простых частиц, узнаваемых к истинному времени, находится более либо наименее стройная система систематизации. В табл. 9.9.1 представлены некие сведенья о свойствах простых частиц с течением времени жизни более 10–20 с. Из многих параметров, характеризующих простую частичку, в таблице указаны только масса частички (в электрических массах), электронный заряд (в единицах простого заряда) и момент импульса (так именуемый спин) в единицах неизменной Планка h = h / 2π. В таблице обозначено также среднее время жизни частички.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Таблица 9.9.1. |
Простые частички соединяются воединыжды в три группы: фотоны, лептоны и адроны. К группе фотонов относится единственная частичка – фотон, которая является носителем электрического взаимодействия. Последующая группа состоит из легких частиц лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электрическое и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не обозначенных в таблице. Все лептоны имеют спин Третью огромную группу составляют томные частички, именуемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частички составляют подгруппу мезонов. Более легкие из их – положительно и негативно заряженные, также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электрических масс (табл. 9.9.1). Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электрического поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η0-мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю. 2-ая подгруппа – барионы – включает более томные частички. Она является более широкой. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так именуемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это томная частичка с массой в 3273 электрических масс. Все барионы имеют спин Богатство открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на идея, что они все построены из каких-либо других более базовых частиц. В 1964 г. южноамериканским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута догадка, подтвержденная следующими исследовательскими работами, что все томные фундаментальные частички – адроны – построены из более базовых частиц, нареченных кварками. На базе кварковой догадки не только лишь была понята структура уже узнаваемых адронов, да и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана подразумевала существование 3-х кварков и 3-х антикварков, соединяющихся меж собой в разных композициях. Так, каждый барион состоит из 3-х кварков, антибарион – из 3-х антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк. С принятием догадки кварков удалось сделать стройную систему простых частиц. Но предсказанные характеристики этих гипотетичных частиц оказались достаточно внезапными. Электронный заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными и простого заряда. Бессчетные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях больших энергий и в галлактических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из обстоятельств ненаблюдаемости свободных кварков являются, может быть, их очень огромные массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Все же, большая часть профессионалов на данный момент убеждены в том, что кварки есть снутри томных частиц – адронов.
Фундаментальные взаимодействия. Процессы, в каких участвуют разные простые частички, очень различаются по соответствующим временам их протекания и энергиям. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более обычным видам взаимодействий: сильное, электрическое, слабенькое и гравитационное. Эти типы взаимодействий именуют базовыми.
Сильное (либо ядерное) взаимодействие – это более насыщенное из всех видов взаимодействий. Они обуславливает только крепкую связь меж протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном содействии могут учавствовать только томные частички – адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и наименее 10–15 м. Потому его именуют короткодействующим. Электрическое взаимодействие. В этом виде взаимодействия могут учавствовать любые электрически заряженные частички, а так же фотоны – кванты электрического поля. Электрическое взаимодействие трепетно, а именно, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие характеристики веществ в жестком, водянистом и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большенными массовыми числами. Электрическое взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.
Слабенькое взаимодействие – более неспешное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут учавствовать любые простые частички, не считая фотонов. Слабенькое взаимодействие трепетно за протекание процессов с ролью нейтрино либо антинейтрино, к примеру, β-распад нейтрона
также безнейтринные процессы распада частиц с огромным временем жизни (τ ≥ 10–10 с).
Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частичкам, но из-за малости масс простых частиц силы гравитационного взаимодействия меж ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при содействии галлактических объектов (звезды, планетки и т. п.) с их большими массами. В 30-е годы XX века появилась догадка о том, что в мире простых частиц взаимодействия осуществляются средством обмена квантами какого-нибудь поля. Эта догадка сначало была выдвинута нашими соотечественниками И. Е. Таммом и Д. Д. Иваненко.
Они представили, что фундаментальные взаимодействия появляются в итоге обмена частичками, подобно тому, как ковалентная хим связь атомов появляется при обмене валентными электронами, которые соединяются воединыжды на незаполненных электрических оболочках. Взаимодействие, осуществляемое методом обмена частичками, получило в физике заглавие обменного взаимодействия.
Так, к примеру, электрическое взаимодействие меж заряженными частичками, появляется вследствие обмена фотонами – квантами электрического поля. Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава на теоретическом уровне показал, что сильное взаимодействие меж нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если представить, что нуклоны обмениваются гипотетичными частичками, получившими заглавие мезонов.
Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась примерно равной 300 электрическим массам. Частички с таковой массой были потом вправду обнаружены. Эти частички получили заглавие π-мезонов (пионов). В текущее время известны три вида пионов: π+, π– и π0 (см. табл. 9.9.1). В 1957 году было на теоретическом уровне предсказано существование томных частиц, так именуемых векторных бозонов W+, W– и Z0, обуславливающих обменный механизм слабенького взаимодействия. Эти частички были обнаружены в 1983 году в опытах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высочайшей энергией.
Открытие векторных бозонов явилось очень принципиальным достижением физики простых частиц. Это открытие ознаменовало фуррор теории, объединившей электрическое и слабенькое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. Эта новенькая теория рассматривает электрическое поле и поле слабенького взаимодействия как различные составляющие 1-го поля, в каком вместе с квантом электрического поля участвуют векторные бозоны. После чего открытия в современной физике существенно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействия плотно сплетены меж собой и, по существу, являются разными проявлениями некого одного поля. Но объединение всех взаимодействий остается пока только симпатичной научной догадкой.
Физики-теоретики прилагают значимые усилия в попытках разглядеть на единой базе не только лишь электрическое и слабенькое, да и сильное взаимодействие. Эта теория получила заглавие Величавого объединения. Ученые подразумевают, что и у гравитационного взаимодействия должен быть собственный переносчик – гипотетичная частичка, нареченная гравитоном.
Но эта частичка до сего времени не найдена. В текущее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при очень огромных энергиях частиц, недосягаемых на современных ускорителях. Такими большенными энергиями частички могли владеть лишь на самых ранешних шагах существования Вселенной, которая появилась в итоге так именуемого Огромного взрыва (Big Bang).
Космология – наука об эволюции Вселенной – подразумевает, что Большой взрыв произошел 18 млрд лет тому вспять. В стандартной модели эволюции Вселенной подразумевается, что в 1-ый период после взрыва температура могла достигать 1032 К, а энергия частиц E = kT достигать значений 1019 ГэВ. В этот период материя была в форме кварков и нейтрино, при всем этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле.
Равномерно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из одного поля взаимодействий поначалу выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ≤ 1019 ГэВ), а потом сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 1014 ГэВ). При энергиях порядка 103 ГэВ все четыре вида базовых взаимодействий оказались разбитыми.
Сразу с этими процессами шло формирование более сложных форм материи – нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в собственной модели пробует проследить эволюцию Вселенной на различных шагах ее развития от Огромного взрыва до наших дней, делая упор на законы физики простых частиц, также ядерной и атомной физики.