Элементар бөлшектер. Физика, 9 сынып, қосымша материал.

Приложение 1

Теория

 В истории развития физики элементарных частиц принято выделять 3 этапа:

1 этап – от атомов Демокрита до 1932 года.

Превращения, наблюдаемые в мире – это простая перестановка атомов. Атомы неизменны.

2 этап – от 1932 года до 1964 года.

 1932 год вошел в историю науки как «год чудес». Первое чудо – открытие нейтрона, которое имело революционное значение, так как фактически означало крушение электромагнитной концепции в физике. До этого ФКМ строилась на двух фундаментальных взаимодействиях: электромагнитном и гравитационном и обходилась всего тремя «кирпичиками мироздания»: электроном, протоном и фотоном. С появлением нейтрона в физике появилось дополнительное фундаментальное взаимодействие, его стали называть ядерным или сильным. Сразу же была предложена протонно – нейтронная модель ядра, согласно которой ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных сильным взаимодействием.

При дальнейших исследованиях оказалось, что в отличие от уже известных частиц, нейтрон нестабилен – он спонтанно превращается в другие частицы, одна из которых - нейтрино, частица, которая была открыта позднее, в 1955г, хотя ее существование было предсказано еще П. Дираком в 1931г.

Данное превращение нейтрона обусловлено еще одним взаимодействием – слабым. Это четвертое из фундаментальных взаимодействий.

Американский физик К.Д. Андерсон обнаружил первую античастицу – позитрон, существование которой теоретически предсказал П.Дирак в 1928 году.

Позитрон образуется из гамма - кванта с большой энергией:

γ → е ^- + е⁺ 

(электронно – позитронная пара).

Здесь необходимо упомянуть еще об одном важном моменте:

с открытием позитрона рушилась перегородка между веществом и полем. Оказывается, поле может превращаться в вещество, а вещество в поле.

Реакция аннигиляции:

е ^- + е ⁺ → γ + γ

В настоящее время обнаружено, что античастица есть у каждой частицы. Представление ученых об «элементарности» частиц изменилось, когда были открыты античастицы.

Если к началу 1932 г было известны 4 элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон, фотон, то к середине 20 века в арсенале экспериментальной физики появились мощные ускорители, и число элементарных частиц, открытых с помощью новой техники, сильно возросло, их число стало измеряться сотнями ( на сегодняшний день открыто около 400 частиц). Среди них мезоны, бозоны, гипероны и другие.

Практически все они оказались нестабильными. Самая долгоживущая частица – нейтрон (15 минут).

Кроме того, выяснилось, что все частицы могут испытывать различные превращения (самопроизвольные или при столкновении с другими частицами) и это является их характерной особенностью. (записать)

В 1964 г американский физик М.Гелл-Манн и независимо от него Дж. Цвейг выдвинули гипотезу о том, что сильновзаимодействующие частицы построены из трех частиц, получивших название кварков. С этого момента в физике элементарных частиц начался

3 этап, который продолжается по сей день. Более сложными стали и экспериментальные методы.

 В 2008 году в работу был запущен Большой Адронный Коллайдер, расположенный на территории Швейцарии и Франции. Большим он называется из-за своих размеров: диаметр кольца 27 км. На строительство БАК было потрачено 8 миллиардов долларов и 20 лет. Для записи информации с тысяч детекторов было создано одно из самых больших файловых хранилищ на планете. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее провести было невозможно.

    Элементарные частицы – материальные объекты, которые нельзя разделить на составные части. В соответствии с этим определением к элементарным частицам не могут быть отнесены молекулы, атомы и атомные ядра, которые поддаются делению на составные части – атом делится на ядро и орбитальные электроны, ядро – на нуклоны. В то же время нуклоны, состоящие из более мелких и фундаментальных частиц – кварков, нельзя разделить на эти кварки. Поэтому нуклоны относят к элементарным частицам. Учитывая то обстоятельство, что нуклон и другие адроны имеют сложную внутреннюю структуру, состоящую из более фундаментальных частиц – кварков, более целесообразно адроны называть не элементарными частицами, а просто частицами.    Частицы имеют размеры меньшие, чем атомные ядра. Размеры ядер 10 ^-13 − 10^-12 см. Наиболее “крупные” частицы (к ним относятся и нуклоны) состоят из кварков (двух или трёх) и называются адронами. Их размеры ≈ 10^-13 см. Существуют также бесструктурные (на современном уровне знаний) точечноподобные (< 10^-17 см) частицы, которые называют фундаментальными. Это кварки, лептоны, фотон и некоторые другие. Всего известно несколько сот частиц. Это в подавляющем большинстве адроны.

Таблица 1

    Фундаментальными частицами являются 6 кварков и 6 лептонов (табл. 1), имеющих спин 1/2 (это фундаментальные фермионы) и несколько частиц со спином 1 (глюон, фотон, бозоны W^± и Z), а также гравитон (спин 2), называемые фундаментальными бозонами (табл. 2). Фундаментальные фермионы делятся на три группы (поколения), в каждой из которых 2 кварка и 2 лептона. Из частиц первого поколения (кварки u, d, электрон е⁻) состоит вся наблюдаемая материя: из кварков u и d состоят нуклоны, из нуклонов состоят ядра. Ядра с электронами на орбитах образуют атомы и т.д.

Таблица 2

    Роль фундаментальных бозонов в том, что они реализуют взаимодействие между частицами, являясь “переносчиками” взаимодействий. В процессе различных взаимодействий частицы обмениваются фундаментальными бозонами. Частицы участвуют в четырёх фундаментальных взаимодействиях – сильном (1), электромагнитном (10^-2), слабом (10^-6) и гравитационном (10^-38). В скобках указаны цифры, характеризующие относительную силу каждого взаимодействия в области энергий меньше 1 ГэВ. Кварки (и адроны) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Переносчиком сильного взаимодействия является глюон (8 типов), электромагнитного – фотон, слабого – бозоны W^± и Z, гравитационного – гравитон.     Подавляющее число частиц в свободном состоянии нестабильно, т.е. распадается. Характерные времена жизни частиц 10^-24–10^-6 сек. Время жизни свободного нейтрона около 900 сек. Электрон, фотон, электронное нейтрино и возможно протон (и их античастицы) – стабильны.    Основой теоретического описания частиц является квантовая теория поля. Для описания электромагнитных взаимодействий используется квантовая электродинамика (КЭД), слабое и электромагнитное взаимодействие совместно описываются объединённой теорией – электрослабой моделью (ЭСМ), сильное взаимодействие – квантовой хромодинамикой (КХД). КХД и ЭСМ, совместно описывающие сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия кварков и лептонов, образуют теоретическую схему, называемую Стандартной Моделью.