Элементарные частицы и их свойства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по концепции современного естествознания на тему:

«ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИХ СВОЙСТВА»

Выполнила:

Студентка гр. 10ЗЭФ33

Шелманова Е.А.

Проверил:

Першенков П.П.

Пенза 2010

Содержание:

1. ВВЕДЕНИЕ

2. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

3. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

4. КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. ВВЕДЕНИЕ

История исследования элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий насчитывает более двух с половиной тысяч лет и восходит к идеям древнегреческих натурфилософов о строении Мира. Однако серьезная научная разработка данного вопроса началась только в конце XIX-го века. В 1897 году выдающийся английский физик-экспериментатор Дж. Дж. Томсон определил отношение заряда электрона к его массе. Тем самым, электрон окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества. Cуществование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц - это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц. Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т.е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М.Фарадеем, появилось понятие иона, и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности, а также открытиями электронов и ?- частиц. В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля - фотонах.

2. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

В 1911году было открыто атомное ядро (Э.Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер. В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон. Позитрон - положительно заряженная частица, 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 исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и, стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (?-мезонами). Затем в 1947-1950годах были открыты пионы (т.е. ?-мезоны), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций. В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни ?-мезона равно 2,2*10-6с, нейтрального ?-мезона - 0,87*10-16с. Многие массивные частицы - гипероны имеют среднее время жизни порядка 10-10с. Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10-17с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными. Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10-22-10-23 с. Способность к взаимным превращениям - это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т.е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии.

Может протекать и обратный процесс - рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром.

Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т.е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы. Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка - из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях. В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации.

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

К группе фотонов относится единственная частица - фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.

Следующая группа состоит из легких частиц лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и ?-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц. Все лептоны имеют спин ?.

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них - положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные ?-мезоны с массами порядка 250 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один ?0-мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю. Вторая подгруппа - барионы - включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны - протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин ?. Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц.

В 1964г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы - адроны - построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. (Название КВАРК было заимствовано их первооткрывателем физиком М. Гелл-Манном в одном из романов Дж. Джойса. По-немецки «кварк» - «творог», но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное). На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион - из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк-антикварк. С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 2/3 и 1/3 элементарного заряда. Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц - адронов.

3. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по характерным временам их протекания и энергиям. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти типы взаимодействий называют фундаментальными.

Сильное (или ядерное) взаимодействие - это наиболее интенсивное из всех видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы - адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10-15м. Поэтому его называют короткодействующим.

Электромагнитное взаимодействие. В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны - кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.

Слабое взаимодействие - наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, ?-распад нейтрона а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (??10-10с). Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезды, планеты и т.п.) с их огромными массами.

В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках. Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами - квантами электромагнитного поля.

Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935г. японский физик Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название ?-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: ?+, ?- и ?0.

В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W+, W- и Z0, обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены в 1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом электромагнитного поля участвуют векторные бозоны. После этого открытия в современной физике значительно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействия тесно связаны между собой и, по существу, являются различными проявлениями некоторого единого поля. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой. Физики-теоретики прилагают значительные усилия в попытках рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Эта теория получила название Великого объединения.

Ученые предполагают, что и у гравитационного взаимодействия должен быть свой переносчик - гипотетическая частица, названная гравитоном. Однако эта частица до сих пор экспериментально не обнаружена. В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология - наука об эволюции Вселенной - предполагает, что Большой взрыв произошел 18 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 1032 К, а энергия частиц E=kT достигать значений 1019 ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ?1019ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 1014ГэВ). При энергиях порядка 103ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи - нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т.д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах ее развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также ядерной и атомной физики.

4. КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Совокупность внутренних квантовых чисел элементарной частицы полностью ее определяет. Термин «внутренние» оттеняет принадлежность квантовых чисел собственно частице; эти квантовые числа не связаны со свойствами однородности времени и однородности и изотропности пространства, которые предопределяют привычные сохраняющиеся величины: энергию, импульс и момент количества движения. Наиболее известными (привычными) характеристиками элементарных частиц являются их масса и электрический заряд. Эти величины пришли в физику элементарных частиц из классической физики, и их появление не было связано с развитием квантовой механики. Принципиально новым было появление специфически квантовых чисел. Здесь в первую очередь следует назвать спин частиц. Первоначально спин вошел в физику как собственный момент количества движения Ме электрона со значением: Ме =h/2. Однако такая трактовка спина встречает решительные возражения. Дело в том, что по современным представлениям размеры элементарных частиц, не имеющих внутренней структуры (а электрон относится именно к разряду таких частиц), равны нулю. Но момент Ме = [гере] (ре -- импульс частицы). Поскольку ге = 0, то и момент Ме = 0 и, следовательно, не равен h/2. Поэтому отождествление спина с образом вращающегося в пространстве электрона, хотя и весьма наглядно, все же неправомочно более последовательной представляется трактовка спина в рамках квантовомеханических представлений с учетом того, что спиновое состояние системы (в данном случае электрона) определяется вектором в некотором пространстве. Тогда длина (норма) вектора задается так, чтобы его проекция на одну из осей равнялась ±h /2. Спиновое состояние электрона определяется вероятностью того, что проекция спина имеет определенный знак. Все же следует отметить разницу между обычными векторами и вектором, характеризующим спин. Для этого вектора определено лишь вращение вокруг заданного начала, в то время как обычный вектор может перемещаться также в пространстве.

Весьма популярно теоретико-групповое определение спина. Спин -- неприводимое представление группы вращения SU (2). К сожалению, к этому определению можно отнести известную остроту героя Отечественной войны 1812 г. генерала А. П. Ермолова: «В этой фразе русские слова звучат, как иностранные». Знакомым с теорией групп это определение покажется тривиальным; для незнакомых оно непонятно. Более важно другое: спин -- величина, имеющая размерность момента количества движения, и может складываться с ним по стандартным квантовомеханическим правилам.

Далее следует перейти к другим квантовым числам, никак не связанным с привычным физическим пространством.

Изотопический спин. В 1932 г. Гейзенберг обратил внимание на удивительную близость масс протона (тр) и нейтрона (mп): тp = 938,3 МэВ, а тп = 939,6 МэВ. В этой связи Гейзенберг выдвинул в 1932 г. идею, которая по своей значимости (по крайней мере в области элементарных частиц) едва ли уступает сформулированному им принципу неопределенности. Гейзенберг предположил, что протон и нейтрон -- различные состояния одной и той же частицы, названной им нуклоном. Наблюдаемое различие между протонным и нейтронным состояниями нуклона, с точки зрения Гейзенберга, сводится к разнице значений электрического заряда (ер -- е, еп -- 0), которая и обусловливает небольшое различие в массах тр и тп. Если бы Гейзенберг удовлетворился констатацией этого факта, то она не оставила бы никакого следа в физике. Однако Гейзенберг сформулировал квантовую интерпретацию этого явления, которая, разумеется, существенно расширенная, и лежит в основе теории элементарных частиц. Эта концепция базируется на следующей идее: различие в состояниях протона и нейтрона характеризуется новым внутренним квантовым числом, названным им изотопическим спином. Слово «спин» в этом термине подчеркивает то обстоятельство, что математический метод, описывающий изотопический спин, близок к таковому, описывающему обычный спин. Существует вектор изотопического спина I, проекция которого Iz на ось z может принимать два значения ± 1/2 в соответствии с тем, как проекция обычного спина также принимает эти значения. Условились полагать, что значение Iz = 1/2 соответствует протонному состоянию нуклона, а Iz = - 1/2 -- нейтронному. Однако в рамках этой концепции возникает следующий вопрос, в каком пространстве существует вектор изотопического спина? Как мы установили ранее, вектор обычного спина можно было связать с обычным физическим пространством (спин и момент количества движения имеют одинаковую размерность). В концепции изотопического спина эта связь полностью утрачивается. Пространство изотопического спина -- абстрактное пространство в том смысле, что оно не связано с тем физическим пространством, в котором существуют макроскопические тела и функционируют описывающие их динамические законы.

Изотопический спин -- внутреннее квантовое число, для описания которого вводится специальное математическое («воображаемое») пространство. Кардинальность идеи изотопического спина и состояла в том, что впервые в физику элементарных частиц с необходимостью (а не только для удобства вычислений) вводилось нефизическое пространство, в котором определялся вектор изотопического спина. Формализм (метод) изотопического спина впоследствии превосходно оправдался при интерпретации многочисленных экспериментов и послужил образцом для описания совокупности других квантовых чисел.

- Концепция изотопического спина приводит к тому, что в сильных взаимодействиях появляются две сохраняющиеся величины: норма вектора изотопического спина и полная проекция Iz системы элементарных частиц (аналогично обычному спину).

- Пространство, в котором функционирует изотопический спин, является двумерным комплексным евклидовым пространством. Такое пространство можно представить себе как пространство двух измерений, в котором каждая точка х -- комплексное число. Евклидовость означает, что модуль вектора (х1 х2) в этом пространстве задается суммой х12 + х22. Странность в начале 50-х годов было обнаружено следующее явление. Вновь открытые элементарные частицы (K-мезон и ?- частица) не рождались порознь. Например, реакция ?- + p>?0 + ?0 (?-пион), которая, казалось бы, не была запрещена никакими физическими законами, не осуществлялась на опыте. Однако, например, превосходно наблюдалась следующая реакция: ?- + p>?0 +K0. В физике элементарных частиц существует «золотое» правило: все, что не запрещено, должно осуществляться в природе. В макроскопической физике такого категорического правила нет. Категорическое отрицание в микрофизике означает, что существует некое правило запрета. По этой причине отсутствие реакций с появлением одной ?- частицы и обязательное парное рождение должны были найти свое отражение в конкретном правиле. Геллман и Нишиджима сформулировали это правило в 1952 г. В этом правиле К- и ?-частицам приписывалось новое квантовое число -- странность (S), которое строго сохраняется в сильных взаимодействиях. Для простоты было предложено характеризовать странность целыми числами. Для ?- частицы S= -1, для K-мезонов S = +1, странность нуклонов и пионов равна нулю. Тогда легко объясняется «странное» поведение новых элементарных частиц. В реакции с одиночным рождением ?- частиц странность не сохраняется; такая реакция запрещена. При парном рождении странности ?- и K-частиц компенсируются, и, следовательно, такие реакции разрешены. Отметим, что впоследствии были обнаружены элементарные частицы с большими (по абсолютной величине) значениями странности. Общее ограничение на величину странности | S | ? 3. На следующем этапе возникла необходимость в едином описании трех сохраняющихся величин: I, IZ, S. Однозначный метод восстановления симметрии динамических уравнений по сохраняющимся величинам отсутствует. Однако самое простое обобщение схемы изотопического спина оказалось весьма плодотворным. Вместо двумерного пространства изотопического спина было предложено для описания всех трех сохраняющихся величин использовать трехмерное комплексное евклидово пространство. Вектор, соответствующий всем квантовым числам, функционировал именно в таком пространстве.

Цвет. Среди квантовых чисел особое место занимает электрический заряд элементарных частиц. С одной стороны, это типично квантовое число. Все заряженные элементарные частицы имеют заряд, кратный величине е. Введение в физику кварков с их дробным зарядом, по существу, не изменяет этой ситуации. Надо лишь считать за единицу заряда («квант») электрический заряд кварков.

С другой стороны, электрический заряд несет и другую функциональную нагрузку. Заряд электрона -- характеристика электромагнитного взаимодействия, определяющая константу ?е, а, следовательно, и само взаимодействие. В этой двойственной роли электрического заряда заложено, например, его отличие от массы, которая не имеет квантовой природы в том смысле, что отсутствует «квант» массы. Сильное взаимодействие -- типично микроскопическое взаимодействие. Поэтому естественно допустить по аналогии с электромагнитным взаимодействием, что существует квантовое число -- «сильный» заряд. Однако сильные взаимодействия нуклонов не являются дальнодействующими -- сильные заряды не проявляются на больших расстояниях. Поэтому следствием гипотезы «сильного» заряда является (опять-таки по аналогии со свойством ненаблюдаемости кварков) допущение, что внутри нуклона «сильные» заряды трех кварков компенсируют друг друга, так что результирующий сильный заряд нуклонов равен нулю.

Казалось бы, простейший вариант такой гипотезы (по аналогии с электромагнетизмом) -- приписать «сильному» заряду три значения: ±1 и 0. Однако такое простейшее допущение противоречит установившемуся представлению о симметрии частиц с различными знаками электрических зарядов. В соответствии с современной теорией системы, в которых электроны (заряд - е) заменены на позитроны (заряд +е), эквивалентны (так называемая зарядовая инвариантность). Очевидно, что такая эквивалентность исчезает, если заряженные частицы заменить на нейтральные. Поэтому для характеристики «сильного» заряда нужно придумать величину, которая в трех модификациях была бы полностью эквивалентна, и, кроме того, сумма трех различных зарядов обращалась бы в нуль, так как «сильный» заряд (в отличие от электромагнитного) никогда не наблюдался. Оба названных условия исключали использование простых математических образов -- аналогов электромагнетизма, где для описания огромной совокупности данных использовали двузначность шкалы реальных чисел. По этой причине аналогом и термином, определяющим «сильный» заряд, послужил физический образ -- цвет. Общеизвестно, что именно три цвета (например, красный, желтый и синий) имеют свойство дополнительности, т. е. их совокупность образует белый цвет. Белый цвет -- образ обесцвеченности -- соответствует отсутствию «сильного» заряда у наблюдаемых элементарных частиц. Кварки в нуклонах обладают сильным зарядом -- «цветом», различие в цветах кварков, входящих в состав одной и той же частицы, таково, что в результате она обесцвечивается, т. е. сильный заряд (цвет) этих частиц обращается в нуль. Поле нуклона -- результирующее поле кварков -- быстро убывает с расстоянием и аналогично полю электрического мультиполя, формирующего взаимодействие Ван-дер-Ваальса (поле диполя убывает обратно пропорционально кубу расстояния).

Подчеркнем, что термин «цвет», употребляемый как характеристика сильного взаимодействия, не имеет никакого отношения (кроме терминологического) к оптическим цветам. Симметрия кварков относительно трех цветов (в отличие от симметрии электрических зарядов относительно знаков + и -) приводит еще к одному важному нововведению. Частицы, переносящие взаимодействие между кварками,-- глюоны обладают цветом и, следовательно, переносят его, изменяя цвет (но не сорт) кварка. Например, «красный» кварк во время подобного взаимодействия превращается в «желтый». В этом проявляется коренное отличие квантовой хромодинамики от квантовой электродинамики, в которой частицы - переносчики взаимодействия (фотоны) - электронейтральны и, следовательно, не изменяют характеристику электрического заряда -- его знак. Наличие цвета у глюонов приводит к взаимодействию между ними и, следовательно, к кардинальному различию уравнений квантовой электродинамики и квантовой хромодинамики. Электромагнитные уравнения, как правило, линейные; уравнения квантовой хромодинамики принципиально нелинейные. Последнее обстоятельство существенно усложняет их решение. В частности, проблема невылетания кварков (о которой говорилось выше) связана с нелинейностью уравнений квантовой хромодинамики, описывающих взаимодействие кварков.

В настоящее время известно 36 кварков и антикварков, 8 глюонов, 12 лептонов и фотон, т.е. число фундаментальных элементарных частиц, оказывается равным 57.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

элементарный частица ядерный физика

Элементарные частицы невозможно ни потрогать, ни понюхать, ни увидеть, ни попробовать на вкус.

Информацию об их существовании ученые получают посредством громоздких детекторов, которые выдают для обработки наборы электрических или световых сигналов. Только специальным образом анализируя полученные сигналы, физики, могут изучать свойства элементарных частиц. На первый взгляд, нет абсолютно никакой гарантии, что в длинной цепочке передачи сигнала из микромира к макроскопическому наблюдателю физики - экспериметаторы правильно учитывают помехи, ошибки или искажения первичной информации. Следовательно, элементарные частицы могут оказаться лишь мороком, неправильной интерпретацией искаженных сигналов. Иное дело - макроскопические объекты. Человек может узнать характеристики макроскопических объектов без всяких посредников, только при помощи органов чувств. Поэтому в реальности макроскопического окружающего мира, как правило, не сомневается. Но так кажется только на первый весьма поверхностный взгляд. В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, именно эти взаимодействия, в конечном счете, отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов. Открытия в ядерной физике сделали понятным то, откуда берётся гигантская энергия, излучаемая звездами, привели к значительному прогрессу в энергетике и (в результате создания ядерного оружия) поставили Человечество перед угрозой полного уничтожения. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц. Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия. Физика элементарных частиц (более точный современный термин: физика высоких энергий) имеет весьма отдаленное отношение к атомным электростанциям и к атомным бомбам. Её цель - выяснение природы фундаментальных взаимодействий и структуры элементарных частиц.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Д.В.Сивухин «Общий курс физики», том V «Атомная и ядерная физика», М.:ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2002

2. А.И.Наумов «Физика атомного ядра и элементарных частиц» изд. «Просвещение» Москва 1984г.

3. Интернет-ресурс:

Размещено на Allbest.ru