Kaasaegse elementaarosakeste teooria probleemid. Kokkuvõte: elementaarosakesed. Neutronite elektromagnetiline mudel

William Gilbert sõnastas umbes 400 aastat tagasi postulaadi, mida võib pidada loodusteaduste peamiseks postulaadiks. Hoolimata asjaolust, et meie ajal on võimatu leida teadlast, kes selle väitega ei nõustuks, ei rahulda mitmed kaasaegsed füüsikateooriad seda põhimõtet.

Mikromaailma füüsikas on mitu üldtunnustatud mudelit, mis samuti Hilberti postulaadile ei vasta. Need mudelid ei võimalda arvutada peamisi iseloomulikke parameetreid, nagu elementaarosakeste massid ja magnetmomendid. Selles artiklis käsitletakse alternatiivset lähenemisviisi selle probleemi lahendamiseks.

Kaalutakse uut lähenemist tuumajõudude olemuse probleemile. On näidatud, et prootoni-neutroni paaris võib külgetõmbejõud tekkida relativistliku elektroni vahetuse tõttu. Sellise vahetuse energia hinnang on kooskõlas mõne kerge tuuma sidumisenergia eksperimentaalse väärtusega. Sel juhul käsitletakse neutronit kui prootonist ja relativistlikust elektronist koosnevat liitosakest, mis võimaldab ennustada selle massi, magnetmomenti ja lagunemisenergiat.

Standardse Maxwelli elektromagnetvälja teooria raames on näidatud, et tühjas ruumis (eetris) on võimalik ergutada magnetilist γ-kvanti (magnetvälja purske), millel puudub elektriline komponent ja millel on spin ħ / 2. Sellise magnetilise γ-kvanti iseloomulik tunnus on tema vastastikmõju nõrkus ainega, mis on mitu suurusjärku väiksem kui elektromagnetlainel. Need omadused viitavad sellele, et magnetilist γ-kvanti saab identifitseerida neutriinoga. Selle põhjal on võimalik uue pilguga vaadata π-mesoni, μ-mesoni ja λ-hüperoni olemust, arvutades nende massid ja magnetmomendi.

1. Loodusteaduste põhipostulaat.

1.1. Hilberti postulaat ja kaasaegne füüsika.

2. Prooton ja neutron.

2.1. Prooton ja neutron Gell-Manni kvargimudelis.

2.2. Täisarvulise laenguga kvarkidest koosneva prootoni mudel.

2.3. Neutroni füüsikalised omadused.

2.4. Neutronite struktuur.

2.4.1. Neutronite elektromagnetiline mudel.

2.4.2. Neutroni põhiparameetrid.

2.5. Arutelu.

3. Tuumajõudude olemusest.

3.1. Molekulaarne vesinikioon.

3.2. Deuteron.

3.3. Kernelid.

3.3.1. Tuum 3 2 Ta.

3.3.2. Tuum 4 2 He.

3.3.3. Tuum 6 3 Li.

3.4. Arutelu.

4. Neutriinod ja mesonid.

4.1. Neutriino.

4.2. Mesonid.

4.3. Põnevil olek koos S = 0.

4.4. Põnevil olek koos n= 2 ja S = ħ  / 2.

5. Järeldus.

1. Loodusteaduste põhipostulaat

Meie kaasaegsetele, kelle haridustase vastab teaduse arengule 21. sajandil, võib tunduda, et keskaegne teadus oli koondunud teoloogiasse, astroloogiasse ja alkeemiasse. Kuid see pole absoluutselt tõsi. Keskaeg oli aeg, mil kujunesid välja kaasaegse teaduse alused.

Keskaja teadlane William Gilbert (1544...1603) tõi elektri- ja magnetvälja mõisted teaduslikku kasutusse, astus sellega esimese sammu elektromagnetismi olemuse mõistmise suunas. Ta oli esimene, kes püüdis selgitada Maa magnetvälja olemust. Kuid samas tundub, et tema olulisim panus teadusesse on tema väljatöötatud printsiip, millest on saanud nüüdisaegse loodusteadusliku uurimistöö põhiprintsiip*.

* Võib oletada, et selle põhimõtte idee, nagu öeldakse, oli õhus tolle aja haritud inimeste seas. Aga oma sõnastuse, mis on meieni jõudnud, leidsin selle põhimõtte tänu W. Gilbertile.

Hilberti põhimõte on öeldud lihtsalt:

Kõiki teoreetilisi konstruktsioone, mis väidavad end olevat teaduslikud, tuleb katsetada ja katseliselt kinnitada.

Näib, et meie kaasaegsete teadlaste seas pole kedagi, kes oleks selle vastu. Kahekümnendal sajandil loodi aga terve rida teaduslikke konstruktsioone, mis olid teadusringkondade poolt aktsepteeritud ja mis on endiselt oma teadmistevaldkonnas domineerivad, kuid samas ei vasta Hilberti põhimõttele.

1.1. Hilberti postulaat ja kaasaegne füüsika

Tuleb rõhutada, et valdav enamus kaasaegsetest teoreetilistest mudelitest peegeldavad adekvaatselt ja täpselt mateeria omadusi ja loodusseadusi, kuna nende teooriate konstrueerimine toimub kõigil etappidel täielikult kooskõlas Hilberti põhimõttega.

Kuid mitmel juhul osutusid teoreetikute väljatöötatud mudelid valeks.

Vaatleme mõningaid mikromaailma probleeme, mille lahendamisel rikuti Hilberti põhimõtet.

2. Prooton ja neutron

2.1. Prooton ja neutron Gell-Manni kvargimudelis

Näib, et elementaarosakeste füüsika spetsialistid lähtusid esmalt eeldusest, et maailma loomisel valiti igale elementaarosakesele individuaalselt sobivad parameetrid: laeng, spinn, mass, magnetmoment jne.

Gell-Mann lihtsustas seda tööd mõnevõrra. Ta töötas välja reegli, mille kohaselt kvarkide hulk määrab moodustunud elementaarosakese summaarse laengu ja spinni. Kuid nende osakeste massid ja magnetmomendid ei kuulu selle reegli alla.

Riis. 1. Prootoni ja neutroni kvargi struktuur Gell-Manni järgi. Kvarkide laengud valitakse nii, et neutroni muundumine prootoniks toimub ühe d-kvargi asendamisel u-kvargiga. Gell-Manni mudel ei pretendeeri prootoni ja neutroni masside ja magnetmomentide ennustamisele

Gell-Manni kvargimudel eeldab, et kvarkidel, mis moodustavad kõik elementaarosakesed (välja arvatud kõige kergemad), peaks olema murdosa (võrdne 1/3-ga). e või 2/3 e) elektrilaeng.

60ndatel, pärast selle mudeli koostamist, püüdsid paljud katsetajad leida fraktsioneeriva laenguga osakesi. Aga edutult.

Selle selgitamiseks eeldati, et kvarke iseloomustab suletus, s.t. omadus, mis keelab neil end vabas olekus kuidagi väljendada. Samas on selge, et suletus eemaldab kvargid alluvusest Hilberti printsiibile. Sellisel kujul pretendeerib murdlaengutega kvarkide mudel teaduslikkusele ilma mõõtmisandmetega kinnituseta.

Tuleb märkida, et kvargimudel kirjeldab edukalt mõningaid katseid osakeste hajumise kohta kõrgel energial, näiteks jugade teket või omadust hajutada suure energiaga osakesi ilma hävitamiseta. Tundub, et sellest ei piisa aga murdosa laenguga kvarkide olemasolu äratundmiseks.

2.2. Täisarvulise laenguga kvarkidest koosneva prootoni mudel

Seadkem endale eesmärgiks konstrueerida täisarvulise laenguga kvarkidest prootoni mudel, mis ennustaks prootoni massi ja magnetmomenti. Eeldame, et nagu Gell-Manni mudelis, koosneb prooton kolmest kvargist. Kuid meie puhul on kahel neist laeng + e ja üks - e. Olgu neil kvarkidel oma spinn ja nende kvantliikumine väljendub nende pöörlemises ümber ühise keskpunkti raadiusega ringi R.

Riis. 2.

Las raadius olla R määrab asjaolu, et ümbermõõdul 2π R sobib kvargi de Broglie laine pikkusega λ D:

Süsteemi üldistatud nurkimpulss (spin) koosneb kahest liikmest: kõigi kolme kvargi mehaaniline nurkimpulss 3 p q ×  R ja kompenseerimata laenguga kvargi tekitatud magnetvälja nurkimment \(\frac(e)(c)(\bf(A))\):

ja ringvoolu magnetmoment

siin β = v/c.

Põhineb asjaolul, et prootoni spin on võrdne ħ / 2, meil on

Kolme kvargi kogumass

Võttes arvesse kvargi massi suurust (8), on selle tekitatud magnetmoment võrdne

2.3. Neutroni füüsikalised omadused

Gell-Manni kvarkide mudelis eeldatakse, et neutron on elementaarosake selles mõttes, et see koosneb prootonist erinevast kvarkide komplektist. Eelmise sajandi 30ndatel jõudsid teoreetilised füüsikud järeldusele neutroni elementaarsuse kohta, tuginemata mõõtmisandmetele, mida tol ajal veel polnud.

Neutroni parameetrite mõõtmisandmete - neutroni magnetmomendi, lagunemise massi ja energia - selgitamiseks vaatleme neutroni elektromagnetilist mudelit, milles ta ei ole elementaarosake.

Oletame, et neutron, nagu ka Bohri vesinikuaatom, koosneb prootonist, mille ümber elektron pöörleb temast väga väikesel kaugusel. Prootoni lähedal peaks elektroni liikumine olema relativistlik. Sel juhul tekkiva stabiilse orbiidi eripära on aga see, et selle arvutamisel kõik relativistlikud parandused üksteist kompenseerivad ja täielikult elimineeritakse.

Vaatleme üksikasjalikumalt neutroni elektromagnetilist mudelit.

2.4. Neutronite struktuur

2.4.1. Neutronite elektromagnetiline mudel

Esimestel päevadel pärast neutroni avastamist arutati füüsikas küsimust, kas seda tuleks pidada elementaarosakeseks. Puudusid eksperimentaalsed andmed, mis aitaksid seda probleemi lahendada, ja peagi arvati, et neutron, nagu prooton, on elementaarosake. Kuid asjaolu, et neutron on ebastabiilne ja laguneb prootoniks ja elektroniks (+ antineutriino), annab aluse liigitada ta mitteelementaarseks liitosakeseks.

Vaatleme liitosakest, milles prootoni ümber kiirusega v → c puhkemassiga osake pöörleb m e ja lae - e. (Varem käsitleti sarnast lähenemist töödes ja).

Valime silindrilise koordinaatsüsteemi, milles telg z langeb kokku prootoni magnetmomendi suunaga

Positiivselt laetud prootoni ja negatiivselt laetud elektroni vahel peab olema Coulombi külgetõmbejõud (, §24):

mis avaldub Lorentzi jõus:

ja jõudu, mille tekitab rõnga magnetväli, mis kipub seda purustama

Tulemuseks on tundmatutega tasakaaluvõrrand R 0 ja β on järgmisel kujul:

Süsteemi magnetväli tekib prootoni magnetmomendi mõjul

Siin α = e 2  / ħc– peenstruktuuri konstant,

r c = ħ  / m e c– Comptoni raadius.

Neid parameetreid ühendava teise võrrandi kirja panemiseks kasutame viriaalteoreemi. Selle teoreemi kohaselt on osakeste kineetiline energia, mida ühendab elektromagnetiline interaktsioon nende lõpliku liikumise ajal, poolega nende potentsiaalsest energiast, mis on võetud vastupidise märgiga:

seetõttu on neid parameetreid ühendav teine ​​võrrand järgmine:

Sel juhul vooluringi magnetmoment, väljendatuna tuumamagnetonites μ N

See väärtus ühtib hästi neutronite magnetmomendi mõõdetud väärtusega (ξ n = –1,91304272):

Viriaalteoreemi kohaselt peaks vaadeldava süsteemi koguenergia olema võrdne selle kineetilise energiaga (26):

Neutroni lagunemise ajal muudetakse see energia emiteeritud elektroni (ja antineutriino) kineetiliseks energiaks, mis on täpselt kooskõlas lagunemiselektronide spektri eksperimentaalselt määratud piiriga, mis on 782 keV.

2.5. Arutelu

Eespool vaadeldud integraallaengutega kvarkidest koosneva prootonimudeli puhul ei tule kõne allagi vabas olekus kvarkide vaadeldavusest. Siiski jääb palju tundmatut.

Kuhu kaob prootonit moodustava positroni magnetmoment, pole selge. Neutronit moodustava elektroni magnetmoment ei avaldu tänu sellele, et rõnga voolu spinn on null. Kvark-positroni puhul see aga nii ei ole. Ei ole selge, miks kvark-positron ei annihileeru kvark-elektroniga ja millised vastastikmõjud sunnivad neid ühinema täiesti stabiilseks osakeseks - prootoniks, mille lagunemist looduses ei täheldata.

Saadud kokkulepe hinnangute ja neutroni omaduste mõõtmisandmete vahel näitab, et tegemist ei ole elementaarosakesega. Seda tuleks pidada Bohri vesinikuaatomi omamoodi relativistlikuks analoogiks. Selle erinevusega, et Bohri aatomis hoiavad mitterelativistlikku elektroni kestal Coulombi jõud, neutronis aga relativistlikku elektroni peamiselt magnetilise vastasmõju tõttu. Hilberti postulaadi kohaselt näib eelpool käsitletud neutroni elektromagnetilise mudeli kinnitamine kogemuste kaudu olevat vajalik ja täiesti piisav argument selle usaldusväärsuse kohta.

Mudeli mõistmiseks on aga oluline kasutada selle koostamisel üldtunnustatud teoreetilist aparatuuri. Tuleb märkida, et relativistliku kvantfüüsika keelega harjunud teadlaste jaoks ei aita ülaltoodud hinnangute tegemisel kasutatud metoodika kiirel pilgul saadud tulemuste tajumisele kaasa. On üldtunnustatud, et usaldusväärsuse huvides tuleks Diraci teooria raames arvesse võtta relativismi mõju elektroni käitumisele Coulombi väljas. Konkreetsel neutroni massi, selle magnetmomendi ja lagunemisenergia arvutamise juhul pole see aga vajalik, kuna vaadeldavas olekus elektroni spinn on null ja kõiki relativistlikke efekte kirjeldatakse koefitsientidega \(( \left((1 - \frac((( v^2)))(((c^2)))) \right)^( - 1/2))\), kompenseerivad üksteist ja langevad täielikult välja. Meie mudelis käsitletav neutron on kvantobjekt, kuna raadius R 0 on võrdeline Plancki konstandiga ħ , kuid formaalselt ei saa seda pidada relativistlikuks, sest koefitsient \((\left((1 - \frac(((v^2)))(((c^2)))) \right)^( - 1/2))\) definitsioonis R 0 ei sisaldu. See võimaldab arvutada neutronite massi, selle magnetmomenti ja lagunemisenergiat, leides lihtsalt jõudude tasakaalu seisundist süsteemi tasakaaluparameetrid, nagu mitterelativistlike objektide puhul tavaks. Teisiti on olukord neutronite eluea hindamisega. Ilmselt peaks relativism seda parameetrit mõjutama. Ilma seda arvesse võtmata ei ole võimalik neutronite eluiga õigesti hinnata isegi suurusjärgus.

3. Tuumajõudude olemusest

3.1. Molekulaarne vesinikioon

1927. aastal avaldati kõige lihtsama molekuli, molekulaarse vesinikiooni kvantmehaaniline kirjeldus. Käesoleva artikli autorid W. Heitler ja F. London arvutasid välja külgetõmbe, mis tekib kahe prootoni vahel elektronivahetuse tõttu, kui molekuliooni olekut kirjeldatakse kahesüvendilise potentsiaaliga (joonis 3). See vahetus on kvantmehaaniline efekt ja selle klassikalist analoogi ei eksisteeri. (Mõned üksikasjad selle arvutuse kohta on esitatud).

Selle töö põhijäreldus on, et kahe prootoni vaheline sidumisenergia, mis tuleneb elektroni vahetusest, on suurusjärgus lähedane prootoni ja elektroni sidumisenergiale (elektroni energia esimeses Bohris orbiit). See järeldus on rahuldavalt kooskõlas mõõtmisandmetega, mis annavad tulemuse, mis erineb arvutatust vähem kui kahekordselt.

Riis. 3. Sümmeetrilise kahe süvendiga potentsiaali skemaatiline esitus. Põhiolekus võib elektron olla kas kaevu paremal või vasakul küljel. Häirimata olekus on selle energia võrdne E 0 . Tunnelistumine ühest olekust teise viib maapinna lõhenemiseni ja energeetiliselt soodsa oleku vähenemiseni Δ võrra

Riis. 4. Kergete tuumade ehituse skemaatiline kujutis. Katkendjoon illustreerib relativistliku elektroni vahetussiirde võimalust prootonite vahel

3.2. Deuteron

Eespool käsitletud neutroni elektromagnetiline mudel võimaldab heita uue pilgu neutroni ja prootoni interaktsiooni mehhanismile. Neutron – st. relativistliku elektronipilvega ümbritsetud prooton ja vaba prooton moodustavad koos molekulaarse vesinikiooniga sarnase objekti. Erinevus seisneb selles, et sel juhul on elektron relativistlik, tema orbiidi raadius on R 0 ≈ 10–13 cm (28) ja mass ligikaudu 2,57 m e.

Heitleri-Londoni kvantmehaaniliste arvutuste tulemuste rakendamine antud juhul võimaldab hinnata deuteroni sidumisenergiat ligikaudu sama täpsusega kui molekulaarse vesinikiooni puhul. Hinnanguliselt ennustatakse sidumisenergiaks ligikaudu 2,13 10 –6 erg, samas kui mõõtmised annavad

3.3. Kernelid

3.3.1. Tuum 3 2 Ta

Jooniselt fig. 4, mis skemaatiliselt näitab energiasidemeid 3 2 He tuumas, on selge, et need koosnevad kolmest prootonite paari interaktsioonist. Seetõttu tuleks eeldada, et selle tuuma sidumisenergia peaks olema võrdne deuteroni sidumisenergia kolmekordsega:

Selle tuuma massidefekt

Hindamiskokkulepe E He3 mõõdetud sidumisenergiaga E(3 2 He) võib pidada väga heaks.

3.3.2. Tuum 4 2 Ta

Joonisel fig. 4 näidatud 4 2 He tuuma energiaühenduste diagrammil. Nagu on näidatud joonisel 4, on selge, et need sidemed moodustuvad kuue prootonite paari interaktsiooni teel, mille realiseerivad kaks elektroni. Sel põhjusel võib eeldada, et 4 2 He tuuma sidumisenergia peaks olema võrdne:

Selle tuuma massidefekt

See massidefekt vastab sidumisenergiale

Seda kokkulepet nende väärtuste vahel võib pidada üsna rahuldavaks.

3.3.3. Core 6 3 Li

Võib eeldada, et Li – 6 tuuma sidumisenergia peaks olema lähedane He – 4 tuuma ja deuteroni sidumisenergiate summale, mis asub järgmisel kestal:

See eeldus on võimalik, kui elektronide vahetus erinevate kestade prootonite vahel on keeruline.

Samas selle tuuma massidefekt

ja sellega seotud sidumisenergia

mis tõepoolest kinnitab erinevatel kestadel olevate prootonite vahelist nõrka sidet.

Tuleb märkida, et teiste kergete tuumadega pole olukord nii lihtne. Core 3 1 T koosneb kolmest prootonist ja kahest elektronist, mis omavahel suhtlevad. Kahe elektroni hüpe sellises süsteemis peab alluma Pauli postulaadile. Ilmselt on see põhjus, miks triitiumi sidumisenergia ei ole palju suurem kui He sidumisenergia – 3.

Näib, et 7 3 Li tuumas olevaid tuumasidemeid saab kujutada diagrammiga E Li7 ≈ E He4+ E T, kuid see idee annab üsna umbkaudse hinnangu. Ebastabiilse tuuma Be – 8 puhul on aga sarnane esitus E Be8 ≈ 2 E He4 annab väga hea kokkusobivuse mõõtmistega.

3.4. Arutelu

Mõne kerge tuuma arvutatud sidumisenergia hea kokkulangevus mõõtmisandmetega viitab sellele, et tuumajõududel (vähemalt nende tuumade puhul) on ülalkirjeldatud vahetus iseloom.

Esimest korda juhtis tähelepanu võimalusele seletada tuumajõude elektronivahetuse mõju põhjal ilmselt I.E. Tamm veel eelmise sajandi 30ndatel. Kuid hiljem sai tuumafüüsikas domineerivaks π-mesonite ja seejärel gluoonide vahetuse mudel. Selle põhjus on selge. Tuumajõudude suuruse ja ulatuse selgitamiseks on vaja lühikese siselainepikkusega osakest. Mitterelativistlik elektron selleks ei sobi. Kuid teisest küljest ei osutunud ka π-mesoni või gluoonivahetusmudelid produktiivseks. Need mudelid ei suutnud anda piisavalt täpset kvantitatiivset selgitust isegi kergete tuumade sidumisenergia kohta. Seetõttu on ülaltoodud lihtne ja mõõtmistega järjekindel hinnang selle energia kohta ühemõtteline tõend selle kohta, et nn tugev vastastikmõju (mõnede kergete tuumade puhul) on prootonite vahelise külgetõmbe efekti ilming, mis tekib relativistliku energiavahetuse tõttu. elektron.

4. Neutriinod ja mesonid

4.1. Neutriino

Varem on näidatud, et elektromagnetvälja standardse Maxwelli teooria raames on kaks võimalust. Erinevaid ergastusmeetodeid kasutades on võimalik tühjas ruumis (eeter) ergutada kas ristsuunalist elektromagnetlainet (footonit) või magnetkvanti (magnetsoliton), s.o. laine, millel puudub elektriline komponent. Elektromagnetlainete tekitamiseks vaakumis peate kasutama võnkuvat elektri- või magnetdipooli.

Maxwelli võrrandite kohaselt on footoni poolt kantud elektrivälja suurus võrdeline teise tuletisega footoni tekitatava ajas muutuva magnetmomendi aja suhtes. Kui magnetmomendi sõltuvust ajast kirjeldatakse ideaalselt terava Heaviside'i astmefunktsiooniga, siis selle sammu esimene tuletis on δ-funktsioon ja teine ​​tuletis null. Seetõttu tuleks astme esiservas, mis kestab umbes 10–23 sekundit (see on hinnang π-mesoni μ-mesoniks muundumise aja kohta, mil sünnib antineutriino), olema kvant. kiirgab, millel on δ-kujuline magnetkomponent ja millel puudub elektrikomponent (vt lisateavet jaotisest) .

Magnetsolitoni iseloomulikud tunnused on see, et kuna see on ringpolariseeritud, peab sellel olema spinn ħ  / 2 ja selle koostoime ainega on peaaegu kaks tosinat suurusjärku nõrgem kui elektromagnetlainel. See omadus on tingitud asjaolust, et looduses puuduvad magnetilised monopoolused.

See viitab sellele, et magnetilist solitoni saab identifitseerida neutriinoga. Sellisel juhul tekib magnetmomendi sündides antineutriino ja kui see kaob, siis neutriino.

Seega tekib π  – -mesoni järjestikuse teisenemise käigus esmalt μ  – -mesoniks ja seejärel elektroniks kolm sellist magnetilist γ-kvanti (joonis 5).

Riis. 5. Skeem kolme magnetilise solitoni (neutriino) sünnist π -mesoni lagunemisel. π -mesonil pole magnetmomenti. Lagunemisel muutub see μ – -mesoniks, mis kannab magnetmomenti. Selle protsessiga peab kaasnema magnetilise γ-kvanti emissioon (antineutriinoemissioon). Kui μ – -meson laguneb, kaob selle magnetmoment ja eraldub teine ​​magnetiline γ-kvant (neutriino). Kolmas magnetiline soliton (antineutriino) ilmub elektronide sünni hetkel

4.2. Mesonid

Teisenduste ahelas pion → müon → elektron sünnib kolm neutriinot (joon. 5). Laetud pionitel (π -mesonid), mille spinnid on null, magnetdipoolid puuduvad. π  – mesoni müoniks (μ-mesoniks) muutumise hetkel tekib järsult magnetmoment, millega kaasneb müüoni antineutriino \((\widetilde \nu _\mu )\) emissioon. Muuoni lagunemisel tekib müüoni neutriinokiirgus ν μ, mis on põhjustatud müüoni magnetmomendi kadumisest. Samal ajal sünnib magnetmomendiga elektron, mis toob kaasa elektroni antineutriino \(\mathop (\widetilde \nu )\nlimits_e \) emissiooni.

Asjaolu, et nendes reaktsioonides ei teki peale neutriinode ja antineutriinode muid tooteid, viib meid oletuseni, et pioon ja müüon ei ole iseseisvad elementaarosakesed, vaid on elektroni ergastatud olekud.

Nendel mesonitel on massid

siin λ D= 2π ħ  / P– de Broglie lainepikkus,

P– osakeste üldistatud impulss,

n= 1, 2, 3... – täisarv.

Sellise osakese muutumatu nurkimpulss (spin).

saame

See massiväärtus on väga lähedane π-mesoni massile (46), mille spinn on võrdne nulliga:

See massi väärtus on väga lähedane μ-mesoni massile (46), mille spinn on võrdne ħ  / 2:

\[\frac(((M_(1/2))))(((M_((\mu ^ \pm ))))) \simeq 0,9941.\]

(54)

Avastatud võimalus arvutada mesonite massid ainult nende spinnide põhjal kinnitab oletust, et need mesonid on elektroni ergastatud olekud.

5. Järeldus

Ülaltoodud elementaarosakeste omaduste arvutused paljastavad kvarkide mudeli ebapiisavuse kvarkide fraktsionaallaengutega, mille raames selliseid hinnanguid saada ei ole võimalik. See mudel oma kaasaegsel kujul demonstreerib osakeste klassifitseerimise võimalust, kuid see ei tõesta, et selline klassifikatsioon on ainus võimalik ja õige.

Oluline on märkida, et prootoni-neutroni interaktsiooni kirjeldamiseks (kergetes tuumades) ei ole vaja kaasata gluoonmudelit ega kasutada tugeva ja nõrga interaktsiooni teooriaid.

Tõepoolest, relativistliku elektroni vahetus prootonite vahel deuteronis ja samuti mitterelativistliku elektroni vahetus molekulaarses vesinikioonis on kvantmehaaniline nähtus ja seda vahetusefekti ei ole põhjust seostada deuteron looduse fundamentaalse interaktsiooni roll.

Neutriino emissioon toimub β-lagunemise (või K-püüdmise) protsessis. Tuumade, nii α kui β lagunemisprotsessid ei nõua uue spetsiaalse fundamentaalse loodusliku interaktsiooni sisseviimist. Kuid β-lagunemisel on oluline tunnus: β-lagunemise ajal tekib vaba elektroni magnetmoment (või kaob K-haarde ajal) ülilühikese ajaga. See tekitab eetrile magnetilise löögi ja viib magnetilise γ-kvanti emissioonini, st. neutriino. See nähtus on oma olemuselt puhtalt elektromagnetiline ja selle kirjeldamiseks ei ole vaja kehtestada erilist nõrka või elektronõrka vastastikmõju.

Siiski ei ole formaalselt tõestatud, et mikromaailma teiste objektide kirjeldamisel ei ole vaja lisada tugevaid ja nõrku vastastikmõjusid. On ilmne, et tuumajõudude arvutamiseks rasketes tuumades on vaja kaasata muid mõjusid, mis on seotud näiteks tuumakesta olemasoluga.

Sellegipoolest muudab mõne osakese elektromagnetilise kirjelduse võimalus oluliseks paljude teiste mikromaailma keerukamate objektide olemasoleva kirjelduse õigsuse küsimuse.

Ilmselgelt peaks W. Gilberti loodusteaduste põhipostulaadi kohaselt sellise kirjelduse õigsuse kontrollimine põhinema katseandmetel uuritavate objektide põhiomaduste kohta. Edukat meetodit osakeste teatud tabelisse süstematiseerimiseks ei saa pidada selle lähenemise õigsuse ja kordumatuse ammendavaks tõendiks.

Kirjandus:

1. Gilbert W. Magnetist, magnetkehadest ja suurest magnetist – Maast. M.: NSVL Teaduste Akadeemia kirjastus, 1956.
, 2016.

Elementaarosakeste süstemaatika. Superelementaarosakesed. Peamine raskus, mis elementaarosakese mõiste määratlemisel tekib, tuleneb sellest, et praegu on selliseid osakesi palju rohkem kui keemiliste elementide aatomeid.

Hiljuti avastati prootonist 10 korda raskemad osakesed, mille mass on ligikaudu sama kui boorituum. Püüdes meeleheitlikult tuvastada hierarhiat kasvavas võrdselt elementaarsete objektide hulgas, on mõned füüsikud esitanud idee bootstrap nöörimisest ehk tuumademokraatiast, mille kohaselt iga elementaarosake koosneb kõigist teistest osakestest või õigemini nende struktuurist. elementaarosakese määrab kõigi teiste osakeste vastastikmõju.

See idee ei välista aga rahulolutunnet, mis on tingitud liiga paljudest lihtsamatest entiteetidest, bootstrap-idee järjekindel sõnastus, mis mõneti Demokritose kontseptsiooni meenutab, viib järeldusele lõpmatu hulga elementaarobjektide kohta. Mikroobjektide struktuur bootstrap teoorias omandab suhtelise tähenduse, umbes nagu eriline koordinaatsüsteem, mida saab valida erineval viisil. Struktuurielementide määratlus muutub väga mitmetähenduslikuks.

Kuna üks ja sama osake võib koosneda teistest osakestest erineval viisil. Veelgi enam, jääb ebaselgeks, kas sellisel viisil on üldse võimalik sõnastada täpne suletud võrrandisüsteem, mis määrab erinevaid omadusi, sealhulgas elementaarosakeste struktuuri. Teoreetikud on analüüsinud ainult väga jämedaid alglaadimismudeleid, mis võtavad arvesse vaid kahe või kolme tüüpi osakeste suhet, ja kuigi mitmel juhul on saadud julgustavaid kvalitatiivseid tulemusi, on katsetel neid viimistleda kohe tohutult raske.

Bootstrapi ideed ei saa pidada rahuldavaks lahenduseks kõige lihtsamate elementide probleemile. Märksa viljakamaks osutus osakeste liitmise viis multiplettide suletud rühmadesse, mille iga liikmeid võib tõlgendada sama osakese erinevate olekutena. Juhtpõhimõtteks on siin tuvastada sümmeetriad erinevate osakeste omadustes.

See rühmapõhine lähenemine, mis kasutab hästi arenenud rühmateooria matemaatilist aparaati, on laengu isotoopmultiplettide formalismi edasiarendus. Suur tähtsus oli nn unitaarse sümmeetria avastamine, mis võimaldas tavaliste ja kummaliste osakeste isotoopmultiplete ühendada üksikuteks oktettideks ja dekaplettideks. Spinnide arvessevõtmine võimaldas konstrueerida veelgi keerukamaid osakeste perekondi: mesonite ühtsed multipletid, mis ühendati 35 osakesest koosnevaks perekonnaks 35 - plet, ning barüonide oktett ja dekaplett 56 elemendist koosnevaks perekonnaks 56 - plet. Osakeste taksonoomia edasiarendamine on seotud kvarkide ideega.

Selgus, et üksikud ühtsed multipletid ei ole üksteisest täielikult isoleeritud, vaid on ühendatud rangete sümmeetriareeglitega. Ja kõige hämmastavam oli see, et need reeglid ennustasid kvarkide murdosa elektrilaengutega osakeste olemasolu. Neid osakesi võib teaduse kaasaegsel arengutasemel tõesti pidada kõige elementaarsemateks, sest neist saab ehitada kõik teised interakteeruvad osakesed, mõnikord lihtsa liitmise teel, nagu prootonitest ja neutronitest aatomituumad, mõnikord aga neid kui aatomituumasid. juba konstrueeritud osakeste ergastatud olekud ja sisse Samal ajal ei saa kvarke endid ehitada teistest elementaarosakestest. Selles mõttes erinevad kvargid oluliselt kõigist teistest osakestest, mille hulgas, nagu juba märgitud, on võimatu tuvastada elementaarsemaid ehituselemente.

Kvarke võib vaadelda kui aine organiseerimise järgmist, sügavamat, ülielementaarset taset ja massidefekti suuruse, st prootonite, mesonite ja muude vähem elementaarsete objektide pakkimisest tuleneva tiheduse seisukohalt.

Kvarkide teooria seisukohalt on elementaarosakeste struktuurne tase objektide piirkond, mis koosneb kvarkidest ja antikvarkidest ning mida iseloomustab suur massidefekt seoses nende lagunemise ja virtuaalse dissotsiatsiooniga.

Samas, kuigi kvark on tänapäeval teadaolev lihtsaim osake, on sellel väga keerulised omadused. Kvark erineb kõigist teistest meile teadaolevatest osakestest mitte ainult oma osalise elektrilaengu, vaid ka murdosa barüonarvu poolest. Teiste elementaarosakeste hulgas näeb see välja nagu omamoodi kentaur, oma omadustelt on ta nii meson kui ka barüon. Algselt arvati, et kvargil on kolm olekut, millest kaks erinevad vaid elektrilaengu suuruse poolest ning kolmandas olekus ilmub kvark kummalise osakesena.

Kuid pärast võlutud võlutud osakeste perekondade avastamist tuli kvargi kolmele olekule lisada neljas võlu. Chicago lähedal Batavias asuvas maailma suurimas prootonikiirendis avastati uus hämmastav osake – meson. Selle mass ületab oluliselt nukleoni massi ja selle omadused on sellised, et seda tuleb käsitleda kui kvarki ja antikvarki, mis on kokku kleepunud. Sel juhul peame eeldama, et kvarkil ja antikvargil on veel üks, viies olek.

Seda olekut iseloomustaval kvantarvul pole veel isegi üldtunnustatud nimetust, enamasti nimetatakse seda kvargi iluks või vastavaks ingliskeelseks terminiks beauty. Kvargi viit kvantvabadusastet nimetatakse tavaliselt selle maitseks, mõned autorid eelistavad rääkida kvargi viiest maitseastmest. Kuid need ei ammenda kvargi omaduste loetelu. Eksperimentaalsete andmete analüüs viis järeldusele, et igal viiel kvargi maitsel on kolm värvi, see tähendab, et kõik viiest kvargi olekust on jagatud veel kolmeks sõltumatuks olekuks, mida iseloomustab konkreetse värvikvantarvu väärtus.

Kvargi värvus muutub, kui see kiirgab või neelab gluooni, vahevälja kvanti, mis liimib kvarke ja antikvarke mesoniteks ja barüoniteks. Võime öelda, et gluooniväli on värviväli, selle kvantide ülekandevärv. Mõiste gluons pärineb ingliskeelsest sõnast liim. Praegu tungib ülielementaarsete kvargiosakeste idee sõna otseses mõttes energiafüüsikasse.

Nende abiga selgitatakse nii palju katseandmeid, et füüsikul on lihtsalt võimatu ilma nende hämmastavate osakesteta hakkama, nagu näiteks keemik ei saa hakkama ilma aatomite ja molekulideta. Enamiku füüsikute sõnul on see, kui kvarke looduses reaalsete objektidena ei eksisteeri, jahmatav mõistatus. Ja samal ajal pole kvarke kunagi puhtal kujul vaadeldud, kuigi nende teooriasse toomisest on möödas peaaegu kaks aastakümmet.

Kõik arvukad katsed avastada kvarke või gluoone vabas olekus lõpevad alati ebaõnnestumisega. Rangelt võttes jäävad gluoonid ja kvargid endiselt, kuigi tõenäolisteks, kuid siiski hüpoteetilisteks objektideks. Kaudsed katsed veenavad meid, et kvargid ja gluoonid on füüsilised objektid, mitte lihtsalt mugav fenomenoloogiline viis kirjeldada meile tuttavas korpuskulaarses keeles mõningaid muid elementaarosakeste struktuuri arusaamatuid aspekte. Esiteks on need katsed prootonite sondeerimiseks neutroniteks, kasutades väga kiireid elektrone ja neutriinosid, kui langev osake hajub ja põrkub tagasi, põrkudes kokku ühe sihtosakese sees asuva kvargiga. Kvarke arvesse võttes väheneb tugevalt interakteeruvate superelementaarosakeste loend kolmeks osakeseks: kvark, antikvark ja neid siduv gluoon.

Nendele tuleks lisada kümmekond muud tüüpi lihtsaimat osakest, mille struktuur pole veel eksperimentides avaldunud: elektromagnetvälja kvant, teoreetikute poolt enesekindlalt ennustatud footon, graviton ja leptonite perekond. .

Järeldus. Viimaste aastate jooksul on olukord elementaarosakeste teoorias oluliselt muutunud. Avastati nõrgad neutraalsed voolud, mis põhjustasid selliseid mõjusid nagu müüonneutriinode hajumine elektronide poolt. Avastatud on terve rühm elementaarosakesi, mille eluiga on tuhat korda pikem kui resonantside eluiga, alustades J-mesonist. Tegelikult on nüüd vaja need osakesed lisada suhteliselt stabiilsete elementaarosakeste tabelisse.

Märkimisväärseid edusamme on tehtud elementaarosakeste teoorias. Nõrgade ja elektromagnetiliste vastastikmõjude ühtne teooria on saanud kindla eksperimentaalse kinnituse, kuigi seda ei saa siiski pidada täiesti usaldusväärseks. Hadronite ehituse kvargimudel saab üha enam eksperimentaalset kinnitust. Pärast mitmeaastast stagnatsiooni on tehtud suuri edusamme tugevate vastastikmõjude teoorias, mida tänapäeval peetakse kvarkidevaheliseks interaktsiooniks.

On väga tõenäoline, et tõeliselt elementaarsed osakesed, mis pole enam jagamatud, on leptonid ja kvargid. Valdav enamus hadroneid on ehitatud kvarkidest. Nelja värvilise kvargi ja nelja leptoni mudel võimaldab üldjoontes mõista aine struktuuri. Teadlased on jõudnud lähedale uue probleemi, elementaarosakeste struktuuri probleemi lahendamisele. Statsionaarset sihtmärki suure energiaga prootonitega pommitades avastati ülirasked neutraalsed mesonid, mida nimetatakse upsilonideks, massiga umbes 9,4 GeV. Nendest mesonitest on leitud kolm sarnase massiga modifikatsiooni.

Upsilonide kaasamiseks kvargimudeli raamistikku tuleb eeldada, et leidub c-kvargist massiivsemaid kvarke. Kvark-leptoni sümmeetria säilitamiseks on vaja kasutusele võtta kaks uut kvarki, mis vastavad -leptoni, -neutriino paarile. Need kvargid on juba saanud inglise keeles nimetuse top top ja bottom bottom. Niisiis, põrkuvate osakeste energia suurenemisega tuvastatakse uute, raskemate ja raskemate osakeste sünd.

See muudab elementaarosakeste maailmast niigi keeruka pildi keeruliseks. Tekivad uued probleemid, kuigi paljud vanad probleemid jäävad lahendamata. Tõenäoliselt tuleks peamiseks lahendamata probleemiks pidada kvarkide probleemi: kas nad võivad olla vabad või on nende püüdmine hadronite sees absoluutne? Kui kvarke ei saa põhimõtteliselt isoleerida ja avastada vabas olekus, siis kuidas saab veenda, et nad kahtlemata eksisteerivad? Edasi, vahevektori bosonite W, W- ja W0 olemasolu, mis on nii vajalikud kindluse paikapidavuses. nõrkade ja elektromagnetiliste vastasmõjude ühtne teooria jääb eksperimentaalselt tõestamata.

Pole kahtlust, et elementaarosakeste struktuuri selgitamine on sama oluline samm kui aatomi ja tuuma struktuuri avastamine.

Töö lõpp -

See teema kuulub jaotisesse:

Füüsilise maailmapildi kujunemine Galileost Einsteinini

Sedalaadi kokkuvõtvate teadmiste funktsionaalset tähtsust nähakse teadmiste sünteesi tagamises, loodusteaduse erinevate harude seotuses. Samas on lahknevusi arusaamises, miks süntees on vajalik.See erinevus maailmapildi funktsioonide mõistmises toob omakorda kaasa lahknevuse juba selle analüüsi käsitluses. koht..

Kui vajate sellel teemal lisamaterjali või te ei leidnud seda, mida otsisite, soovitame kasutada otsingut meie tööde andmebaasis:

Mida teeme saadud materjaliga:

Kui see materjal oli teile kasulik, saate selle oma sotsiaalvõrgustike lehele salvestada:

Saada oma head tööd teadmistebaasi on lihtne. Kasutage allolevat vormi

Üliõpilased, magistrandid, noored teadlased, kes kasutavad teadmistebaasi oma õpingutes ja töös, on teile väga tänulikud.

postitatud http://www.allbest.ru/

Sissejuhatus

1. Kvantialaste ideede teke ja areng

1.1 Bohri aatomiteooria

2. Elementaarosakesed ja nende ehituse probleem

Järeldus

Bibliograafia

Sissejuhatus

Looduse uurimisel võib eristada kahte etappi: eelteaduslik ja teaduslik etapp. Eelteaduslik ehk loodusfilosoofiline etapp hõlmab ajavahemikku muinasajast kuni eksperimentaalse loodusteaduse rajamiseni 16.-17.sajandil. Ideed loodusest olid sel perioodil puhtalt loodusfilosoofilist laadi, vaadeldud loodusnähtusi seletati vaimselt kokku pandud filosoofiliste põhimõtete alusel. Loodusteaduse suurim saavutus sel perioodil oli iidse atomismi õpetus, mida peeti mateeria struktuuri diskreetseks kontseptsiooniks. Selle doktriini järgi on kõik kehad moodustatud aatomitest, mida peetakse aine väikseimateks osakesteks. Vastavalt iidsele atomismile, mis andis aatomi esmase teoreetilise mudeli, on aatomid nähtamatud, jagamatud ja läbimatud mikroosakesed, mis erinevad üksteisest ainult kvantitatiivsete suhete poolest - kuju, suurus, struktuur. Iidne atomism, mis seletas tervikut selle moodustavate osade mehaanilise kogumina, oli esimene teoreetiline programm. Demokritose õpetuse järgi on vaakum vajalik selleks, et selgitada kehade mehaanilist paigutust ruumis ja nende deformeerumist (kokkusurumine, pikenemine jne) välisjõudude mõjul. Atomism selgitas looduslike protsesside olemust aatomite mehaanilise vastasmõju, nende külgetõmbe ja tõrjumisega. Vanas atomismis esmakordselt välja pakutud mehaaniline looduse seletamise programm realiseeriti klassikalises mehaanikas, mis pani aluse looduse teaduslikule uurimisele. Kaasaegsed teaduslikud ideed aine moodustumise struktuuritasandite kohta peaksid algama klassikalise füüsika kontseptsiooniga mikromaailma uurimise kohta, mis tekkis klassikalise mehaanika mõistete kriitilise uurimise tulemusena, mida rakendatakse ainult mikromaailmas. . Teaduslike ideede kujunemine aine ehituse kohta ulatub 16. sajandisse, perioodi, mil G. Galileo pani aluse mehaanilisele maailmapildile. Galileo mitte ainult ei põhjendanud N. Koperniku heliotsentrilist süsteemi, avastas liikumisinertsi ja vaba langemise seaduspärasusi, vaid töötas välja ka uue metoodilise looduse kirjeldamise viisi – teaduslik-teoreetilise meetodi. Selle meetodi olemus seisneb selles, et pärast mitmete looduse füüsikaliste ja geomeetriliste omaduste valimist muutis Galileo need teadusliku uurimistöö objektiks. Objekti individuaalsete omaduste valik andis võimaluse luua teoreetilisi mudeleid ja neid katsetada teadusliku katse põhjal. Klassikalise loodusteaduse rajamisel mängis otsustavat rolli Galileo sõnastatud metodoloogiline kontseptsioon.

1. Päritolu jaideede arendamine kvantide kohta

kvantelementaarosake

Füüsika üleminekul makromaailma uurimiselt mikromaailma uurimisele muutusid radikaalselt klassikalise füüsika ideed mateeria ja välja kohta. Teadlastel tekkis mikroosakesi uurides pilt, mis tundus klassikalise füüsika seisukohalt paradoksaalne: sama objekt demonstreerib nii lainelisuse kui korpuskulaarsuse omadust. Seda nähtust nimetatakse laine-osakeste duaalsuseks.

Esimese sammu osakeste vastuolulisuse uurimisel tegi saksa teadlane Max Planck. Kõik sai alguse sellise probleemi nagu "ultraviolettkatastroof" ilmnemisest füüsikas 19. sajandi lõpus. Klassikalise elektrodünaamika valemitel põhinevate arvutuste kohaselt suurenes ainuüksi tumedate objektide kiirguse intensiivsus määramatult. See oli praktikaga vastuolus. Soojuse kiirguse kohta tehtud uuringutest jõudis M. Planck järeldusele, et kiirguse käigus ei eraldu energiat mitte suvalises koguses ja lõpmatult, vaid jagamatutes osades - kvantides. Kvantenergia määratakse kiirgusele vastavate võnkumiste arvuga (V) ja universaalse konstandiga, mida nimetatakse Plancki konstandiks: E=hn. Nagu Planck märkis, ei saa kvantide idee jõudmist füüsikasse veel seostada kvantteooria loomisega, kuid 14. detsember 1900, kvantenergia valemi ilmumise kuupäev, sai munemise kuupäevaks. sama teooria alus, aatomifüüsika sünnipäev ja uue perioodi algus loodusteaduses.

Esimene füüsik, kes tervitas kõrge vaimse inspiratsiooniga elementaarkvanti mõju avastamist ja arendas seda loovuses. Seal oli A. Einstein. 1905. aastal, rakendades ideed kiirguse kvantitatiivsest olemusest ja energia neeldumisest soojuskiirguse ajal kiirgusnähtustele üldiselt, pani ta aluse kvantteooriale. Einstein, rakendades Plancki hüpoteesi valgusnähtustele, jõudis järeldusele, et on vaja aktsepteerida valguse korpuskulaarset struktuuri. Valguse kvantteooria ehk Einsteini footoni teooria kinnitas, et lisaks sellele, et valgus on ruumis leviv lainenähtus, on sellel ka pidev struktuur. Valgust võib pidada jagamatuteks energiaosadeks, valguskvantideks ja footoniteks. Footonite energia määratakse Plancki konstandi (h) ja vastavate võnkumiste kiirusega (n). Erinevat värvi monokromaatiline valgus (punane, kollane, roheline, sinine, violetne jt) koosneb erineva energiaga valguskvantidest. Einsteini idee valguskvantidest andis võimaluse mõista ja visuaalselt kirjeldada fotoelektrilist nähtust, mille olemuseks on elektroni eraldamine valgusainest. Katsed on näidanud, et fotoefekti olemasolu ei määra mitte metallile langeva valguslaine intensiivsus, vaid valguse sagedus. Kui eeldada, et iga fotoelektron on eraldatud ühe footoniga, saab selgeks, et efekt tekib siis, kui footoni energia muutub piisavalt suureks, et katkestada aine ja elektroni vastastikune ühendus.

10 aastat pärast fotoelektrilise efekti tõlgenduse tekkimist sarnases olukorras kinnitasid seda Ameerika füüsiku R.E. Milliken. Avastas 1923. aastal Ameerika teadlane A.H. Comptoni fenomen (“Comptoni efekt”) kinnitas lõpuks kvantteooriat. Üldiselt on valguse kvantteooria üks füüsikateooriatest, mis on korduvalt katsetega kinnitust leidnud. Kuid sel viisil kinnitasid valguse lainelisust lõpuks difraktsioonihäirete nähtuste katsed. Sellega seoses tekkis selline paradoksaalne olukord: sai teatavaks, et valgus käitub korraga nii laine kui ka korpuskulaarsena. Sel juhul toimib footon teatud tüüpi korpuskulaarsena. Footoni diskreetsuse põhiomaduse, erilise energiaosa (E=hn) määrab puhta laine omadus – sagedus (n). Nagu kõik suured loodusteaduslikud avastused, on ka valguse kvantteooria omandanud olulise ideoloogilise, teoreetilise ja kognitiivse iseloomu.

Elektromagnetvälja fononikvantide idee sai kvantteooria arendamisel suureks kingituseks. Seetõttu peetakse A. Einsteini üheks suureks kvantteooria loojaks. Einsteini teooria, arendades M. Plancki seisukohti, andis Taani teadlasele N. Bohrile võimaluse töötada välja uus aatomimudel.

1.1 TBohri pakutud aatomiteooria

Taani teadlane Niels Bohr, rakendades kvantiteedi põhimõtet aatomi struktuuri ja aatomi spektri omaduste probleemide lahendamisel, kõrvaldas 1913. aastal vastuolud Rutherfordi loodud aatomimudelis. Rutherfordi 1911. aastal välja pakutud aatomimudel meenutas Päikesesüsteemi: tuum asus selle keskel ja selle ümber tiirlesid elektronid ringikujulistel orbiitidel. Tuum oli positiivselt laetud, elektronidel negatiivne elektrilaeng. Päikesesüsteemi tõmbejõud aatomis asendati elektriliste jõududega. Aatomituuma positiivset elektrilaengut, mis oli võrdne elemendi aatomnumbriga Mendelejevi perioodilises süsteemis, tasakaalustas elektronide negatiivne elektrilaeng. Seetõttu oli aatom elektriliselt neutraalne.

Aatomi planetaarmudeli analüüs klassikalise elektrodünaamika raames sisaldas kahte võimatut vastuolu. Esimene neist vastuoludest seisnes selles, et elektronid peavad tuuma ümber pöörlema, et mitte kaotada oma stabiilsust. Nagu teada, iseloomustab ringliikumist tsentrifugaalkiirendus. Klassikalise elektrodünaamika seaduste järgi peavad kiirendatud elektronid kindlasti kiirgama elektromagnetilist energiat. Kuid sel juhul peavad elektronid langema tuumale väga lühikese aja jooksul (10-8 sekundit), kulutades oma energia kiirgusele. Teame seda igapäevasest kogemusest hästi. Kui elektronid langeksid tuumale, muudaks neist koosnev keha, näiteks meie ees olev laud, oma suurust 10 tuhat korda.

Aatomi planetaarmudeli teine ​​vastuolu on seotud sellega, et kiirguse mõjul järk-järgult tuumale läheneva elektroni sageduse pidevaks muutumiseks peab aatomi kiirgusspekter olema terve. Kogemused näitavad, et aatomi emissioonispekter on lineaarne. Teisisõnu, Rutherfordi planeedi aatomimudel ei eksisteeri koos Maxwelli elektrodünaamikaga.

Aatomi kvantteooria, mis võiks lahendada mõlemad vastuolud (nn Bohri aatomi ehituse teooria), esitas N. Bohr. Selle teooria sisu moodustati järgmistest sätetest, mis ühendati üheks tervikuks ideeks:

vesinikuaatomi lineaarspektri seaduspärasused;

Rutherfordi pakutud aatomi tuumamudel;

kiirguse kvantolemus ja valguse neeldumine.

N. Bohri uus hüpotees aatomi ehituse selgitamiseks põhines kolmel postulaadil, mis ei harmoneerunud klassikalise füüsika põhimõtetega.

Esimene postulaat: igas aatomis on mitu elektronide statsionaarset olekut (statsionaarsed orbiidid). Piki aatomi statsionaarset orbiiti liikuvad elektromagnetlained ei kiirga ega neeldu.

Teine postulaat: aatom kiirgab või neelab ainult osa energiast, kui elektron liigub ühest statsionaarsest olekust teise.

Kolmas postulaat? Elektron liigub ümber tuuma sellistel ringikujulistel statsionaarsetel orbiitidel, kus elektroni impulsi momendil on Plancki konstant täiesti sarnane suhtelise 2p-ga:

kus m, n, r on vastavalt elektroni mass, liikuva orbiidi kiirus ja raadius, millel ta liigub, n=1,2,3... on täisarvud.

Need postulaadid panid aluse uuele perioodile aatomi omaduste ja struktuuri uurimisel.

Esimene postulaat näitas klassikalise füüsika piiranguid ja erijuhtudel selle seaduste sobimatust statsionaarsete olekute suhtes. Pole nii lihtne nõustuda ideega, et elektronid kiirgavad energiat konkreetselt valitud orbiitidel. Just sel hetkel tekib küsimus: "Miks?" Kuid kuna see postulaat oli katsetulemustega adekvaatne, olid füüsikud sunnitud sellega leppima. Teisest postulaadist järeldub järeldus, et aatomi energia eraldub osadena. Elektroni üleminekuga ühelt orbiidilt teisele kaasnevad tingimata energiakvantide täisarvud. Seega iseloomustab elektronide olekut aatomis 4 kvantarvu – põhi-, orbitaal-, magnet- ja orbitaalkvantarvud. Peamine kvantarv (n) määrab elektroni energia tuuma piirkondades, kompleksaatomites elektronide kihi järjekorranumbri. Orbitaalkvantarv (l) iseloomustab aatomite samaaegsel liikumisel aatomi energiasse sisse viidud kohandusi. Spinni kvantarv (s) määrab elektronide pöörlevat liikumist iseloomustava erilise mehaanilise pöördemomendi. Bohri postulaadid selgitasid aatomi stabiilsust: statsionaarsetes olekutes ei eralda elektron elektromagnetilist energiat ilma väliste põhjuste olemasoluta. Alles nüüd on selgunud, miks olekute pideva hindamisega ei kiirga keemiliste elementide aatomid elektromagnetlaineid. Bohri pakutud aatomimudel, hoolimata asjaolust, et see andis täpse kirjelduse ühest prootonist ja ühest elektronist koosneva vesinikuaatomi kohta ning see kirjeldus sobis üsna hästi eksperimentaalsete faktidega, oli selle mudeli hilisem rakendamine mitmeelektronilisele. aatomitel tekkisid teatud raskused. Ükskõik kui täpselt teoreetikud püüdsid kirjeldada elektronide liikumist ja orbiiti aatomis, jäi erinevus teoreetiliste tulemuste ja katseandmete vahel suureks. Kvantteooria väljatöötamise käigus sai aga selgeks, et need erinevused on peamiselt seotud elektronide lainelisuse omadusega. Aatomis ringorbiidil liikuva elektroni lainepikkus oli osa aatomi mõõtmistest ja oli ligikaudu 10-8 cm. Kuigi igale süsteemile omast osakeste liikumist saab üsna täpselt kirjeldada kui aatomi mehaanilist liikumist. materiaalne punkt suletud orbiidil , kui osakese lainepikkus võrreldes muutuste süsteemiga on nii väike, et seda ei võeta arvesse. Teisisõnu peate arvestama, et elektron ei ole punkt, mitte tugev "pall"; sellel on sisemine struktuur, mis võib muutuda sõltuvalt selle olemustest. Kuid sel juhul jäävad elektroni sisestruktuuri üksikasjad teadmata. Siin selgub, et oletatavate punktelektronide orbiitide ideede põhjal on põhimõtteliselt võimatu ette kujutada aatomi ehitust, seetõttu on aatomi siseorbiidid muutunud ideaalseteks objektideks, tegelikkuses neid isegi ei eksisteeri. Vastavalt oma lainelisele olemusele on elektronid ja nende elektrilaeng aatomis väidetavalt ebaühtlaselt jaotunud ning neil on mõnes punktis madal elektrontihedus ja teistes punktides suurem elektrontihedus. Elektronide laengutiheduse jaotuse kirjeldus aatomi sees on antud kvantmehaanikas: teatud punktides saavutab elektroni laengu tihedus maksimumi. Elektroni laengutiheduse maksimummärkide punkte ühendavat kõverat nimetatakse formaalselt elektroni orbiidiks. Bohri teoorias arvutatud vesinikuaatomi trajektoor langes kokku keskmise laengutiheduse maksimummärkide punkte läbiva kõveraga, mis omakorda vastab täielikult katseandmetele. Bohri teooria näib visandavat kaasaegse füüsika arengu esimese etapi piiri. Bohri aatomiteooria, lisades väikese hulga uusi kaalutlusi, oli viimane katse kirjeldada aatomi ehitust klassikalise füüsika alusel. Bohri postulaadid näitasid, et klassikaline füüsika ei suuda selliseid tulemusi seletada kõige lihtsamate aatomi ehitusega seotud katsetega. Bohri postulaadid, mis olid klassikalisele füüsikale võõrad, rikkusid selle terviklikkust ja suutsid omakorda selgitada vaid väikest piirkonda eksperimentaalsetest andmetest. Seetõttu tekib mõte, et Bohri postulaadid, mis avastasid uusi, teadusele senitundmatuid mateeria omadusi, on samal ajal osaliselt ega kajastanud neid täielikult. Bohri teooria ja tema postulaadid, mida ei saanud rakendada keeruliste aatomite puhul, olid füüsika oluliste nähtuste selgitamisel jõuetud, nagu ka difraktsioon ja interferents ei suutnud seletada valguse ja aine laineomadusi. Paljud aatomi ehitusega seotud küsimused said vastuse alles kvantmehaanika arengu tulemusena. Leiti, et Bohri aatomimudelit ei saa sõna otseses mõttes mõista nii, nagu see oli varem. Aatomi protsesside visuaalne kirjeldamine makrokosmose nähtustega analoogia põhjal loodud mehaaniliste mudelite kujul oleks vale. Peagi sai teatavaks, et makrokosmose jaoks täpselt määratletud aja ja ruumi mõisted ei sobi mikrofüüsikaliste nähtuste kirjeldamiseks. Järk-järgult muutsid teoreetilised füüsikud aatomi veelgi abstraktsemaks süsteemiks – jälgimatute võrrandite kogumiks.

2. Elementaarsed osadobjektid ja nende struktuuri probleem

Aine struktuuri probleem on olnud üks pakilisemaid probleeme, mis on alati olnud loodusteaduste tähelepanu keskpunktis, eriti selle arenenud valdkonnas - füüsikas. Selgelt filosoofia ja loodusteaduse suhet peegeldades on sellel probleemil mitte ainult filosoofiline, vaid ka praktiline ja tööstuslik-tehniline tähendus. Selleks piisab, kui öelda, et kaasaegsed füüsikateooriad, mis moodustavad teaduse ja tehnoloogia revolutsiooni olulise etapi, sealhulgas kvantmehaanika ja elementaarosakeste teooria, on tihedalt seotud tuumaenergia avastamise ja kasutamisega, mis "aatomiajastu" alus.

Kaasaegne füüsika on saavutanud suuri saavutusi aine struktuuri ja omaduste uurimisel. Sellest hoolimata on loodusel aga palju seni avastamata saladusi mateeria ehituse ja omaduste vallas. Tungides teoreetilise kognitiivse aine sügavustesse ja avastades selle struktuuri uusi tasandeid, usume seda üha enam. Füüsika on praeguses arengujärgus astunud teaduslike avastuste täis teele, mis viib teda edasi inimloomuse jõudude veelgi suurema valdamise suunas. Füüsika aga kohe sellele teele ei läinud. Enne teatud saavutuste saavutamist sellel teel läbis see pika ja raske arengutee ning sel perioodil kõrvaldas see ühele ajastule omased loodusfilosoofilised metafüüsilised ideed mateeria struktuuri ja omaduste kohta.

Moodne aine struktuuri õpetus hakkas tekkima stabiilsete praktiliste faktide alusel, alustades alles 19. sajandi lõpust ja 20. sajandi algusest. Peatumata teaduslike teadmiste õnnestumistel, ühendas see õpetus, mida rikastati ja arendati, neli üksteisega orgaaniliselt seotud aspekti: esiteks on see õpetus atomistlik õpetus, sest selle õpetuse järgi on iga keha, iga füüsiline piirkond. moodustub mikroosakestest ja mikroregioonidest , teiseks on see doktriin statistiline õpetus, kuna see määrab statistiliste kontseptsioonide põhjal mikroobjektide omadused ja liikumismustrid, nende vastastikused mõjud ja transformatsioonid statistiliste seadustega, kolmandaks on see doktriin kvantteooria ning mikroosakeste omadused ja liikumismustrid on kvalitatiivselt erinevad klassikalise füüsika poolt määratud mikroskoopiliste kehade omadustest ja liikumismustritest; lõpuks on see õpetus relativistlik õpetus, kuna selles teoorias on seos ruumi, aja ja mateeriat kirjeldatakse läbi relativistliku teooria – relatiivsusteooria.

Inimteadmiste arendamine, peatumata mateeria struktuuri ja omaduste teadmiste väljal, avastas selle struktuuri keerukuse ja omaduste ammendamatuse ning kinnitas seda uute faktidega. Suurim saavutus aine ehituse uurimisel on üleminek aatomitasandilt elementaarosakeste tasemele. Esimene elementaarosake, mis avastati 19. sajandi lõpus, oli elektron, 20. sajandi esimesel poolel avastati footon, prooton, positron, neutron, neutriino ja teised elementaarosakesed. Praegu peetakse elementaarosakesi väikseimateks "elementaarosakesteks" aatomeid ja molekule ümbritsevate mikroobjektide hulgas. Pärast Teist maailmasõda avastati tänu kaasaegse eksperimentaaltehnoloogia ja ennekõike võimsate kiirendite kasutamisele, mis loovad tingimused suure energia ja tohutute kiiruste jaoks, enam kui 300 elementaarosakese olemasolu. Üks osa elementaarosakestest avastati katse käigus, teine ​​osa (resonantsid, kvargid, virtuaalosakesed) peeti teoreetiliseks.

Mida väljendab mõiste “elementaarosake” kaasaegses füüsikas? Enne sellele küsimusele vastamist tuleb märkida loodusteaduslikule kontseptsioonile omast aspekti, et nagu kõik füüsikalised mõisted, on ka mõiste “elementaar” suhteline ja omandab teaduslike teadmiste arengu eri etappidel erineva tähenduse. Kuni meie sajandi 60. aastate keskpaigani meenutasid ideed elementaarosakeste kohta ühte Demokritose väljendatud seisukohtadest aatomite kohta. Need esimesed naiivsed ideed elementaarosakeste kohta ei kestnud aga kaua: peagi tõestati, et muutumatuid, läbimatuid, struktuurita osakesi pole olemas. Reaalsete faktide mõjul on „elementaarosakese” mõiste muutunud ja üldiselt on kõik, mida võib nimetada „elementaarosakeseks”, saanud ebamäärase iseloomu. Praegu märgivad mitmed autorid õigustatult, et mõistet “elementaarne” kasutatakse kahes tähenduses: ühelt poolt kõige lihtsama sünonüümina, teiselt poolt subatomilise osakesena, st fundamentaalsuse indikaatorina. . Võttes arvesse kahte elementaarosakese mõistega väljendatud tähendust, võime sõna täies ja laiemas tähenduses öelda, et nn elementaarosakesed on sellised materiaalsed moodustised, mis koosnevad teistest teadusele teadaolevatest osakestest ja osakestest. leiduvad ühtse tervikuna kõigis vastastikku mõjutavates protsessides, mis sisaldavad neid iseloomustavaid füüsikalisi suurusi – mass, elektronlaeng, spin, paaristumine, üksikusus, isotroopne spin ja muud algparameetrid, mida teoreetiliselt ei saa arvutada ja mida saab täpselt rakendada. füüsikaline teooria ainult eksperimentaalselt.

Teadlase akadeemik I. B. Tammini sõnul on elementaarosakeste füüsika peamine valdkond, mis "viib kaasaegse füüsika oluliste muutuste ja revolutsiooniliste murrangute eel". Elementaarosakesi võrreldi piltlikult "uurimata planeetidega". Pole juhus, et pärast 60. aastaid tehti selles valdkonnas tähelepanuväärseid avastusi füüsikas. Selle valdkonna saavutustest aimu saamiseks piisab, kui öelda, et viimase 25-30 aasta jooksul on elementaarosakeste arv kasvanud 35-lt 340-le ja selle arvu edasist kasvu on oodata tulevik. Seda enam, et meie sajandi 30ndatel avastati lisaks varem tuntud elektronile, footonile ja prootonile veel palju uusi osakesi: neutronid, positronid, erineva massi ja laenguga (ka neutraalsed) neutronid, mesonid, hüperonid ja nende nn. vastavad antiosakesed. “Elementaarosakeste” arvu väljendava arvu suurenemine näitas mõiste “elementaarosakeste” varasema tähenduse kadumist. Sest kõik need osakesed ei suutnud täita viimaste "telliste" funktsiooni maailma ehitamisel. Sellel positsioonil olles püüdsid elementaarosakesed seletada paljusust ja mitmekesisust, klassifitseerida arengu tagamise seisukohalt, klassifitseerida selle valdkonna teaduslike teadmiste saavutuste arengu tagamise seisukohalt. Selliste klassifikatsioonide rakendamine on seotud elementaarosakeste omaduste ja põhiomaduste kirjeldusega.

Praegu on kindlaks tehtud hulgaliselt teaduses tuntud elementaarosakeste omadusi. Pealegi pole paljudel neist omadustest makroskoopiliste objektide teadaolevate omaduste hulgas analooge. Matemaatika abstraktses keeles kirjeldatud elementaarosakeste põhiomadused on järgmised: mass, laeng, keskmine eksistentsiperiood, spinn, isotroopne spin, üksikusus, paaristumine, leptiini laeng, boorilaeng, vastastikune mõju. Püüame seda elementaarosakeste omadust iseloomustada.

Üks olulisemaid elementaarosakesi iseloomustavaid omadusi on mass. Pange tähele, et elementaarosakeste puhkemass määratakse elektroni puhkemassi suhtes (me=9,1×10-31 kg). Praegu on laiemalt levinud elementaarosakeste klassifitseerimine nende puhkemassi väärtuse järgi. Selle klassifikatsiooni järgi jagunevad kõik elementaarosakesed 4 rühma: 1) kerged elementaarosakesed - leptonid. Siia kuuluvad elektronid, neutriinod ja nende antiosakesed – positronid, antineutriinod, aga ka positiivsed ja negatiivsed mu-mesonid. Kui viimane välja arvata, on leptonid stabiilsed enne vastastikuse mõju avaldamist ja eksisteerivad vabas olekus üle 1020 aasta. Mu-mesonid ei ole stabiilsed osakesed, pärast kahesaja miljondiku sekundi pikkust elamist lagunevad nad ja muutuvad elektroniks, neutroniks ja antineutroniks. Neutriinode ja antineutriinode ülejäänud mass on väga väike, kokku on need 0,0005 elektroni massist.

2) keskmise massiga osakesed - mesonid. See hõlmab positiivseid, negatiivseid ja neutraalseid pi-mesoneid massiga 270 me - puhkemass ning teatud tüüpi ka-mesoneid massiga 970 me. Kõik mesonid on ebastabiilsed ja neil on väga lühike eluiga (kuni 7-19 sekundit).

3) rasked osakesed – nukleonid. See hõlmab prootonit, neutronit ja nende antiosakesi – antiprootoneid ja antineutroneid. Prooton ja antiprooton on stabiilsed, neutron ja antineutron on ebastabiilsed osakesed ja nende eluiga on suhteliselt pikk - 17 minutit.

4) hüperonid on kõige raskemad osakesed. Sellesse rühma kuulub palju osakesi ja antiosakesi. Hüperonite mass on vahemikus 2182 me kuni 2585 me. Kõigi hüperonite eluiga on sama – 10-10 sekundit.

Mõnikord ühendatakse nukleonid ja hüperonid üheks rühmaks, mida nimetatakse barüoniteks. Sellesse rühma võib kuuluda ka footon, mis moodustab spetsiaalse rühma ja on elektromagnetvälja kvant. Vaatamata sellele, et selline elementaarosakeste klassifikatsioon ei paljasta neid ühendavaid põhiseadusi, annab see igal juhul võimaluse uurida mitmeid osakeste omadusi ja teisendusi ning isegi ennustada mõne osakese olemasolu. Tuleb märkida, et aine struktuur ja omaduste ammendamatus ei tulene mitte ainult teadaolevate osakeste arvu järkjärgulisest suurenemisest, vaid ka vähemtähtsast faktist "elementaaraine" osakeste vastastikusest muutumisest. Üldisuse (dualismi) määratlus väljaaine osakeste omadustes tõi kaasa ka idee nende vastastikusest muundamisest. Juba mõnda aega pärast positroni avastamist (1932) sai teatavaks, et elektron-positroni aine paarid muutuvad teatud tingimustel kombineerituna valguskvantideks - footoniteks, mis on elektromagnetvälja osakesed ja moodustuvad neist. Siis sai teatavaks, et selline vastastikune transformatsioon ei toimu mitte ainult aineosakeste ja välja vahel, mis on kahte tüüpi aine, vaid ka aineosakeste endi vahel. Selle tulemusena sai selgeks, et aineosakesed ei ole muutumatud ja lihtsad, nad võivad vastastikuse mõju käigus muutuda üksteiseks ning neid võivad moodustada ja absorbeerida erinevad osakeste kompleksid. Teine oluline elementaarosakeste omadus on nende elektrilaeng, mis peegeldab nende seost elektromagnetväljaga. Ühel osal teadaolevatest osakestest on positiivne laeng, teisel osal negatiivne laeng ja osadel osakestel puudub elektrilaeng. Lisaks footonile ja mõlemale mesonile on igas osakeses vastandlaenguga antiosake. Põhjus, miks erinevatel elementaarosakestel ei pruugi olla sama elektrilaengut ja mõnel elementaarosakel puudub elektrilaeng, pole meile veel teada. Väga võimalik, et see on osakeste struktuuris ühisosakeste seni avastamata sügavate sisemustrite ilming. Üks elementaarosakeste olulisi füüsikalisi omadusi on nende eksisteerimise periood. Elementaarosakesed jagunevad eksisteerimise perioodi järgi stabiilseteks, kvaasistabiilseteks ja ebastabiilseteks (resonants)osakesteks. Stabiilseid osakesi on viis: footon, elektronneutrono, mioonneutrono, elektron ja prooton. Makrokehade struktuuris mängivad määravat rolli stabiilsed osakesed. Ülejäänud osakesed ei ole stabiilsed. Need osakesed, mille keskmine eluiga on vahemikus 10–10 kuni 10–24 sekundit, jagunevad lõpuks teisteks osakesteks. Kvasistableid elementaarosakesi, mille keskmine eksisteerimisperiood on 10-10 kuni 10-24 sekundit, nimetatakse resonantsideks. Lühikese eksisteerimisperioodi tõttu ei saa need osakesed aatomist ega aatomituumast lahkuda ja teisteks osakesteks laguneda. Resonantsosakeste olemasolu oli vaid teoreetiliselt välja arvutatud ja reaalses katses pole neid veel võimalik märgata.

Teine oluline osakeste omadus on spin. Spin on osakeste täiesti uus omadus, mis on omane ainult neile ja millel pole makroskoopilises füüsikas analoogi, selle kirjeldus mehaanilise impulsi momendina on iseenesest toores ja ebatäpne. Me võime vaadelda spinni kui erilist "pöörlemist", mis on analoogne osakese pöörlemisega makrokosmoses. Elementaarosakeste spinni mõõdetakse ühikutes ja seda ei saa suurendada ega vähendada. Spin määrab osakeses sisalduva statistika tüübi (Bose-Einsteini ja Fermi-Diraci statistika) üldise olemuse ja selle liikumist kirjeldava teooria. Prootoni, neutroni ja elektroni spinn on S-e, footoni spinn on 1-e. Poolspinniga osakesed järgivad Fermi-Dirac statistikat ja neid nimetatakse fermioonideks, täispöörlemisega osakesed järgivad Bose-Einsteini statistikat ja neid nimetatakse bosoniteks. On teada, et samas olukorras, kui ühtäkki pole fermion enam võimalik, võib samas olukorras olla mitu bosonit. Seega käituvad fermionid "individualistidena", bosonid - "kollektivistidena". Hoolimata asjaolust, et seda elementaarosakeste sisemise olemuse omadust pole veel täielikult uuritud, on nüüdseks kindlaks tehtud nende omaduste seos ruumi sümmeetria ja asümmeetria omadustega. Spinni peetakse elementaarosakeste liikumise sisemise sõltumatuse astme ilminguks. Seega iseloomustab iga elementaarosakest 4 sõltumatusastet: kolm neist on välise vabaduse astmed, väljendades osakese liikumist ruumis; üks on spinni sisemine vabadusaste. Spinni olemasolu viitab ka osakese keerukale struktuurile ja teatud tüüpi sisemistele seostele. Elementaarosakeste üheks oluliseks omaduseks on ka magnetmoment. See omadus esineb nii laetud kui ka laenguta osakestes. Eeldatakse, et teatud osa laetud osakeste magnetmomendist määrab nende paiknemine ruumis. Näiteks eeldatakse, et prootonite ja neutronite magnetmoment on tingitud voolust, mille tekitavad nende ümber koondunud mesonipilved. Vaatame seda probleemi laiemalt. On teada, et vaatamata sellele, et neutronil puudub elektrilaeng, on sellel teatud magnetmoment. See näitab, et osakese magnetmomenti ei tohiks eelkõige määrata selle sisemine struktuur. Kuidas tuleks sel juhul seletada neutroni magnetmomendi tekkimist? Eeldatakse, et kuna neutron on ebastabiilne osake, dissotsieerub see prootoniks ja mesonivälja positiivseks mesonikvandiks ning ligikaudu 25% tema olemasolust on selles asendis. Seetõttu omandab neutron 25% positiivse pimesoni magnetmomendist. Eksperimentaalselt vaadeldud neutroni magnetmoment on väga lähedane teoreetiliselt arvutatud arvule. Elementaarosakesi iseloomustavad lisaks elektrilaengule ka leptoni ja barüoni laengud. Kõigi leptonite leptonilaeng võetakse kui +1, kõigi barüonide barüonlaeng on +1. Paaristumine on ka elementaarosakeste üks olulisi omadusi. See väärtus kehtib parema ja vasakpoolse sümmeetria kohta. Elementaarosakeste teoorias iseloomustab iga osakese koordinaate lainefunktsioon y, mis võib, aga ei pruugi muuta nende koordinaatide märki peegelpildina (x® -x, u® -u, z® -z ). Esimesel juhul on funktsioon y asümmeetriline või üksikfunktsioon, vastava osakese paaris on +1, teisel juhul on funktsioon y sümmeetriline või paaris, kuid osakese paaris on -1. . Elementaarosakeste üheks väga oluliseks tunnuseks on ka vastastikune muundumine, millega kaasneb elementaarosakestele vastava välja kvantide emissioon ja neeldumine vastastikuse mõju perioodil. Need protsessid, mis erinevad üksteisest nende toimumise intensiivsuse poolest, määravad elementaarosakestele omase vastastikuse mõju jagunemise 4 tüüpi: tugev, elektromagnetiline, nõrk ja gravitatsiooniline vastastikune mõju. Elementaarosakeste omadused määravad peamiselt tugevad elektromagnetilised ja nõrgad vastastikused mõjud. Tugevad vastastikused mõjud tekivad aatomituuma tasandil, nende koostisosad koosnevad vastastikusest külgetõmbe- ja tõukejõust. Vastastikuse mõju jõud, mida nimetatakse tuumajõududeks, ulatuvad väga väikesele kaugusele - 10-13 cm.Tugevad vastastikused mõjud, sidudes teatud tingimustel kindlalt prootoneid ja neutroneid, loovad materiaalse süsteemi, mida iseloomustab suur sidumisenergia - aatomi tuum . Vaatamata sellele, et elektromagnetilised vastastikused mõjud on ligikaudu 1000 korda nõrgemad kui tugevad vastastikused mõjud, on nende mõju raadius lõpmatuse lähedal. Seda tüüpi vastastikune mõju on iseloomulik elektriliselt laetud osakestele. Elektromagnetilise vastastikuse mõju kandja on vaba footoni elektrilaengust ja puhkemassist. Footon on elektromagnetvälja kvant. Elektromagnetiliste vastastikuste mõjutuste kaudu, ühendades aatomi tuuma ja elektroni ühtseks süsteemiks, tekivad aatomid ja kombineerides tekivad aatomid molekulid. Elektromagnetilised vastastikused mõjud on peamised vastastikused mõjud, millega kaasnevad keemilised ja bioloogilised protsessid.

Erinevate osakeste vahel on nõrk vastastikune mõju. Nõrgad vastastikused mõjud, mis on seotud osakeste spontaanse lagunemise protsessiga, näiteks tuumas oleva neutroni muundumisega prootoniks, elektroniks ja antineutriinoks (n0® p+ + e- +n), võivad ulatuda üle väga pika aja. väike vahemaa (10-15 - 10-22 cm). Kaasaegsete teaduslike teadmiste kohaselt on enamik osakesi ebastabiilsed ainult nõrkade vastastikuste mõjude tõttu. Gravitatsioonilised vastastikused mõjud on äärmiselt nõrgad jõud, mida elementaarosakeste teoorias arvesse võetakse. Võrdluseks märgime, et need on 1040 korda nõrgemad kui tugevad vastastikku mõjutavad jõud. Üliväikeste vahemaade (suurusjärgus 10-33 cm) ja ülikõrgete energiate puhul muutuvad aga oluliseks gravitatsioonijõud, mis oma tugevuselt omandavad väärilise vormi võrdluseks teiste vastastikuse mõjuga. Kosmilises mastaabis mängivad gravitatsiooni vastastikused mõjud otsustavat rolli. Nende jõudude mõjuraadius on piiramatu. Looduses ei toimi elementaarosakeste vahel mitte üks, vaid mõnikord mitu tüüpi vastastikust mõju ja omadust ning osakeste struktuuri määrab kõigi osalevate vastastikuste mõjude ühisus. Näiteks prooton, mis kuulub hadrooni tüüpi elementaarosakeste hulka, osaleb tugevas vastastikuses mõjus ja elektromagnetilises vastastikuses mõjus, kuna tegemist on elektriliselt laetud osakesega. Teisest küljest võib prooton tekkida neutroni b-lagunemisprotsessis, st nõrkade vastastikuste mõjude korral, seega seostatakse seda nõrkade vastastikuste mõjudega. Ja lõpuks, prooton kui massiline aineline moodustis osaleb gravitatsioonilistes vastastikustes mõjudes. Erinevalt prootonist osalevad mitmed elementaarosakesed igat tüüpi vastastikuses mõjus, kuid ainult teatud tüüpides. Näiteks neutron, kuna ta on laenguta osake, ei osale elektromagnetilistes vastastikustes mõjudes ning elektron ja mu-mesonid ei osale tugevates vastastikustes mõjudes. Osakeste teisenemise – nende hävimise ja tekke – põhjuseks on fundamentaalsed vastastikused mõjud. Näiteks neutroni ja prootoni kokkupõrkes tekib kaks neutronit ja üks positiivne pimeson. Elementaarosakeste teisenemise periood oleneb vastastikku mõjutavast jõust. Tugeva vastastikuse mõjuga seotud tuumareaktsioonid toimuvad 10-24 - 10-23 sekundi jooksul. See on periood, mil elementaarosake muundub suure energiaga osakeseks ja omandab valguse kiirusele lähedase kiiruse, mõõtmed suurusjärgus 10-13 cm. Elektromagnetiliste vastastikuste mõjude põhjustatud muutused toimuvad 10-21 - 10-19 sekundiga, nõrkade vastastikuste mõjude põhjustatud muutused (näiteks elementaarosakeste lagunemisprotsess) - 10-10 sekundiga. Mikrokosmoses toimuvate erinevate muutuste perioodile võib läheneda vastastikust mõju tekitavate mõjutuste arutlemise seisukohalt. Elementaarosakeste vastastikuse mõju kvantid realiseeruvad neile osakestele vastavate füüsikaliste väljade kaudu. Tänapäevases kvantteoorias mõistetakse välja kui arvuliselt muutuvate osakeste süsteemi (sugukvante). Olukorda, mil väli ja üldiselt väljakvandid eksisteerivad madalaima energiaga, nimetatakse vaakumiks. Ergastusseisundis vaakumis olevad elektromagnetvälja osakesed (footonid) kaotavad mehaanilised omadused, mida nad sisaldavad ja mis on omased korpuskulaarsele ainele (näiteks liikumise ajal ei tunne keha hõõrdumist). Vaakum ei sisalda lihtsaid aineid, kuid vaatamata sellele ei ole see tühjus selle sõna otseses tähenduses, nii et vaakumis tekivad ergastamisel elektromagnetvälja kvantid - footonid, mis realiseerivad elektromagnetilist vastastikust mõju. Vaakumis on lisaks elektromagnetväljale ka teisi füüsikalisi välju, sealhulgas gravitatsiooniväli, mida nn gravitonikatsetes pole veel märgatud. Kvantväli on kvantide kogum ja oma olemuselt diskreetne. Seega on elementaarosakeste vastastikune mõju, nende vastastikused muundumised, footonite emissioon ja neeldumine oma olemuselt diskreetne ja esineb ainult kvantiseerimise olukorras. Sellest tulenevalt tekib küsimus: milles täpselt avaldub valdkonna järjepidevus, selle järjepidevus? Nii kvantelektrodünaamikas kui ka kvantmehaanikas kirjeldatakse välja olekut üheselt mitte vaadeldavate reaalsete nähtustega, vaid ainult lainefunktsiooniga, mis on seotud retsiprookkontseptsiooniga. Selle funktsiooni mooduli ruut näitab võimet vaadelda vaadeldavaid füüsikalisi nähtusi. Kvantväljateooria põhiprobleemiks on osakeste erinevat tüüpi vastastikuste mõjude kirjeldamine vastavates võrrandites. See probleem on seni leidnud lahenduse vaid kvantelektrodünaamikas, mis kirjeldab elektronide, positronite ja footonite vastastikust mõju. Tugevate ja nõrkade vastastikuste mõjude jaoks pole kvantväljateooriat veel loodud. Praegu ei kirjeldata seda tüüpi vastastikust mõju rangete meetoditega. Kuigi on teada, et elementaarosakesi on võimatu mõista, kui neid ei ole vastavas füüsikateoorias, on võimatu mõista nende struktuuri, mille määrab nende teooriate struktuur. Seetõttu pole elementaarosakeste struktuuri probleem veel täielikult lahendatud. Kaasaegne füüsika tõestab praegu keeruliste osakeste olemasolu, millel on elementaarseteks peetavate osakeste sisemine struktuur. Sai teatavaks, et prooton ja neutron läbivad neis toimuvate virtuaalsete protsesside tulemusena sisemisi teisendusi. Prootonite struktuuri uurimiseks tehtud katsete tulemusena tehti kindlaks, et prooton, mida veel hiljuti peeti jagamatuks, kõige lihtsamaks ja struktuuritumaks, on tegelikult keeruline osake. Selle keskel on tihe tuum, mida nimetatakse "südamikuks", seda ümbritsevad positiivsed pi-mesonid. “Elementaarosakeste” struktuuri keerukust tõestas 1964. aastal Ameerika teadlase Hel-Manni ja sõltumatult Rootsi teadlase Zweigi kvarkide hüpotees. Selle hüpoteesi kohaselt peaksid kvargiosakestest, mille laeng võrdub ühe kolmandiku või kahe kolmandikuga elektroni laengust, moodustuma elementaarosakesed, millel on seosed, mida iseloomustavad tugevad vastastikused mõjud (hadronid: prooton, neutron, hüperonid). Seega näitab teooria, et osakesi moodustavate markeeritud kvarkide elektri- ja barüonlaenguid tuleks väljendada murdarvuna. Tõepoolest, kvarkideks nimetatud osakesi ei ole veel avastatud ja need jäävad praegusel teaduse arengutasemel mikromaailma hüpoteetilisteks asukateks.

Järeldus

Seega on ühest küljest selge, et elementaarosakestel on eriline struktuur, teisalt jääb selle struktuuri olemus endiselt ebaselgeks. Ülaltoodud andmetest selgub, et elementaarosakesed pole üldse elementaarosakesed, neil on sisemine struktuur ning neid saab jagada ja üksteiseks teisendada. Mõlemast struktuurist teame veel väga vähe. Seega võime tänapäeval mitmele faktile tuginedes väita, et elementaarosakeste aine on uut tüüpi, kvalitatiivselt erinev keerukamatest osakestest (tuum, aatom, molekul). Samas on see erinevus nii märkimisväärne, et kategooriaid ja väljendeid, mida kasutame tuumade, aatomite, molekulide, makroskoopiliste kehade uurimisel (“lihtne” ja “keeruline”, “sisemine struktuur”, “moodustunud”) saab rakendada ka elementaarosakesed. Mõisted "lihtne ja keeruline", "komponendid", "struktuur", "tervik" on üldiselt suhtelised mõisted. Näiteks hoolimata asjaolust, et aatomil on keeruline struktuur ja selle struktuur koosneb tuuma- ja elektroonikatasanditest, on see molekuli koostisest lihtsam. Materiaalsete süsteemide struktuuride hierarhias loovad aatomituum, aatom, molekul ja makroskoopilised kehad ise ühtse struktuuritasandi. Seetõttu on keha elemendid võrreldes järgmise taseme elementidega lihtsamad ja toimivad nende koostisosadena. Teisest küljest on need keerukamad võrreldes madalamatel tasanditel asuvate elementidega, mis on nende komponendid. Kõigil süsteemidel, alates aatomi tuumast kuni nende väga suurte suurusteni, on see omadus: igas neist on võimalik lahutada struktuurielemendid, mis moodustavad vaadeldavaid kehasid ja on lihtsamad kui madalama taseme elemendid. osad. Oma tähenduse poolest on konsolideerumise ja eraldamise protsessid samad. Näiteks teatud keemilise aine molekulid koosnevad teatud arvust aatomitest ja võivad teatud tingimustel nendeks laguneda. Sel juhul on kompleksse terviku mass suurem kui selle iga koostisosa mass. See viimane positsioon ei kehti elementaarosakeste puhul. Seega pole elementaarosakeste lagunemissaadused lihtsamad kui jagatavad, kuid täpsed "muunduvad" osakesed. Need on ka elementaarosakesed. Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt paiknevad lagunemissaadused koos neid tekitavate osakestega ühel hierarhia tasandil. Näiteks jaguneb neutron teatud tingimustel prootoniks, elektroniks ja antineutroniks (n0 ®p+ + e- +). Kuigi neutron pole keerulisem ega lihtsam kui prooton, elektron ja antineutron. Lisaks võib prootoni ja elektroni saada muude reaktsioonide tulemusena. Seetõttu võime öelda, et iga elementaarosakese võimalus on see, et see võib olla teiste elementaarosakeste “komponent”. Teisest küljest pole see nii oluline, et igal algtasemel peaks tervik koosnema nii suurest kuhjast. Sel juhul võib terviku mass olla isegi mitu korda väiksem selle komponentide massist. Näiteks paljudel juhtudel saadakse nyukloni ja antinyukloni liitmise tulemusena meson, mille mass on väiksem kui kummagi mass. See anomaalia on seletatav asjaoluga, et elementaarosakese loomise ajal neelab mass vabanenud energiat

võivad olla nii suured, et tekkivad reaktsioonisaadused ei ole algse osakesega üldse sarnased. Seetõttu omandavad elementaarosakeste maailmas mõisted “lihtne ja keeruline”, “komponent”, “struktuur”, “tervik” hoopis teistsuguse tähenduse kui aatomifüüsikas ja klassikalises füüsikas. Elementaarosakeste eripära avaldub ka energeetilistes vastastikustes mõjutustes. Alustades makroskoopilistest objektidest ja lõpetades aatomi tuumaga, moodustub kõigi materiaalsete süsteemide energia kahest komponendist: erilisest, mis vastab keha massile (E=mc2) ja seda moodustavate elementide sidumisenergiast. Kuigi need energialiigid on üksteisest lahutamatud, on nad oma olemuselt täiesti erinevad. Objektide erienergia on palju suurem kui nende ühendamise energia, seda saab jagada kõigiks selle koostisosadeks. Näiteks välisenergia mõjul saab molekuli jagada aatomiteks (H2O®H+O+H), kuid sel juhul aatomites endis märgatavat muutust ei toimu. Elementaarosakeste puhul omandab see probleem teistsuguse kuju. Kogu elementaarosakeste energia ei jagune eriliseks ja siduvaks. Seetõttu, hoolimata asjaolust, et elementaarosakestel puudub sisemine struktuur, ei saa neid jagada nende koostisosadeks. Elementaarosakesed ei sisalda siseosakesi, mis jäävad enam-vähem muutumatuks. Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt kirjeldatakse elementaarosakeste struktuuri pidevalt genereeritud ja pidevalt jagunevate "virtuaalsete" osakeste abil. Näiteks mesoni annihilatsioon (ladina sõnast "annihilatio" - hävitamine) moodustub pidevalt tekkivatest ja seejärel kaduvatest virtuaalsetest nukleonitest ja virtuaalsetest antinukleonidest. Virtuaalse osakese mõiste formaalne arendamine näitab, et elementaarosakeste sisestruktuuri ei saa kirjeldada teiste osakeste abil. Füüsikuid rahuldavat teooriat elementaarosakeste päritolu ja struktuuri kohta pole veel loodud. Mitmed silmapaistvad teadlased jõudsid ideele, et selle teooria saab luua ainult kosmilisi tingimusi arvesse võttes. Märkimisväärset tähtsust omandab idee elementaarosakeste genereerimisest jõu-, elektromagnet- ja gravitatsiooniväljade vaakumist. Sest mikro-, makro- ja megamaailma suhe kehastub ainult selles idees. Megamaailmas määravad elementaarosakeste struktuuri ja vastastikused teisendused fundamentaalsed vastastikused mõjud. On ilmne, et materiaalse maailma struktuuri adekvaatseks kirjeldamiseks on vaja välja töötada uute mõistete aparaat.

Bibliograafia

1. Makovelsky. Vana-Kreeka atomistid. Bakuu, 1946.

2. Kudrjavtsev. Füüsika ajaloo kursus. M., Haridus, 1974, lk 179.

3. Loodusteaduse filosoofia. M., 1966, lk 45; E. M. Balabanov. Aatomi sügavustesse, M., 1967.

4. Filosoofia ja loodusteadus. M., 1964, lk 74-75; S.T. Meljuhhin. Tänapäevaste välja- ja mateeriakontseptsioonide filosoofilise hindamise poole. Raamatus: Dialektiline materialism ja kaasaegne loodusteadus, M., 1957, lk. 124-127.

5. Kuznetsov B. Füüsilise mõtte teed. Ed. "Teadus", M., 1968, lk. 296-298

6. Akhizer A.I., Rekalo M.P. Elementaarosakeste elulugu, Kiiev, 1978.

7. Stanyukovitš K.P., Lapchinsky V.G. Elementaarosakeste süstemaatika.

8. Raamatus: Osakeste süstemaatikast, M., 1969, lk 74-75.

9. Balabanov E.M. Sügavale aatomisse. M., 1967, lk 38-39.

10. Novožilov Yu.V. Elementaarosakesed. M., 1974; Sproul R. Kaasaegne füüsika. M., 1974;

11. Soddy F. Aatomienergia ajalugu. M., 1979.

12. Gott V.S. Materiaalse maailma ammendamatusest. M., “Teadmised”, 1968, lk 31.

13. Knjazev V.N. Interaktsiooni mõisted kaasaegses füüsikas. M.

14. Svechnikov G.A. Aine lõpmatus. M., 1965, lk. 17-21; Omeljanovski M

Postitatud saidile Allbest.ru

Sarnased dokumendid

Põhimõisted, elementaarosakeste mehhanismid, nende füüsikaliste vastasmõjude liigid (gravitatsiooniline, nõrk, elektromagnetiline, tuuma). Osakesed ja antiosakesed. Elementaarosakeste klassifikatsioon: footonid, leptonid, hadronid (mesonid ja barüonid). Kvarkide teooria.

kursusetöö, lisatud 21.03.2014


Elementaarosakeste põhiomadused ja klassifikatsioon. Nendevahelise interaktsiooni tüübid: tugev, elektromagnetiline, nõrk ja gravitatsiooniline. Aatomituumade koostis ja omadused. Kvargid ja leptonid. Elementaarosakeste meetodid, registreerimine ja uurimine.

kursusetöö, lisatud 08.12.2010


Põhilised füüsilised vastasmõjud. Gravitatsioon. Elektromagnetism. Nõrk interaktsioon. Füüsika ühtsuse probleem. Elementaarosakeste klassifikatsioon. Subatomaarsete osakeste omadused. Leptonid. Hadronid. Osakesed on vastastikmõjude kandjad.

lõputöö, lisatud 02.05.2003


Esimest tüüpi aine struktuurid ja omadused. Teist tüüpi aine (elementaarosakesed) struktuurid ja omadused. Elementaarosakeste lagunemise mehhanismid, vastastikmõju ja sünd. Süüdistuskeelu hävitamine ja rakendamine.

abstraktne, lisatud 20.10.2006


Elementaarosakeste vaatlemise meetodite karakteristikud. Elementaarosakeste mõiste, nende vastasmõju liigid. Aatomituumade koostis ja nukleonide vastastikmõju neis. Radioaktiivsuse määratlus, avastamise ajalugu ja liigid. Lihtsamad ja aheltuumareaktsioonid.

abstraktne, lisatud 12.12.2009


Kõigi elementaarosakeste omadused. Prootonite ja neutronite seos aatomituumades. Elementaarosakeste klassifikatsioon. Neutroni ja prootoni masside erinevuse suurus. Neutronite gravitatsiooniline vastastikmõju. Muuoni eluea eksperimentaalne väärtus.

abstraktne, lisatud 20.12.2011


Universumi arengu stsenaarium pärast Suurt Pauku. Kaasaegsed ideed elementaarosakestest kui universumi aine struktuuri aluspõhimõttest. Elementaarosakeste klassifikatsioon. Laine-osakeste duaalsus kaasaegses füüsikas. N. Bohri aatomiteooria.

abstraktne, lisatud 17.05.2011


Rutherfordi aatomi planetaarmudel. Aatomituuma koostis ja omadused. Tuuma mass ja sidumisenergia. Nukleonide sidumisenergia tuumas. Laetud osakeste vaheline interaktsioon. Suur hadronite põrkur. Elementaarosakeste füüsika teooria sätted.

kursusetöö, lisatud 25.04.2015


Elementaarosake on osake, millel puudub sisemine struktuur, see tähendab, et see ei sisalda teisi osakesi. Elementaarosakeste klassifikatsioon, nende sümbolid ja mass. Värvilaeng ja Pauli põhimõte. Fermioonid kui kogu aine põhiosakesed, nende tüübid.

esitlus, lisatud 27.05.2012


Elementaarosakeste klassifikatsioon. Põhilised interaktsioonid. Rutherfordi aatomimudel. Bohri teooria vesinikuaatomi kohta. Vesinikuaatom kvantmehaanikas. D. Mendelejevi perioodilise seaduse kvantmehaaniline põhjendus. Radioaktiivsuse mõiste.

Föderaalne osariigi haridusasutus

erialane kõrgharidus

"LÕUNA FÖDERAALÜLIKOOL"

majandusteaduskond

Elementaarosakesed.

Nende klassifikatsioon ja põhiomadused.

Esitatud

1. kursuse õpilane, 11. rühm

Bublikova Jekaterina

Rostov Doni ääres – 2009

Sissejuhatus. Elementaarosakeste maailm.

Põhilised füüsilised vastasmõjud.

1. Gravitatsioon.

   Elektromagnetiline interaktsioon.

   Nõrk interaktsioon.

   Tugev interaktsioon.

Elementaarosakeste klassifikatsioon.

1. Subatomaarsete osakeste omadused.

   Elementaarosakeste avastamise ajalugu.

2.5. Kvarkide teooria.

2.6. Osakesed on vastastikmõjude kandjad.

3. Elementaarosakeste teooriad.

3.1. Kvantelektrodünaamika.

3.2. Elektronõrga interaktsiooni teooria.

3.3. Kvantkromodünaamika.

3.4. Teel... Suure ühinemise poole.

Kasutatud kirjanduse loetelu.

Elementaarosakeste maailm.

Kahekümnenda sajandi keskel ja teisel poolel saadi aine põhistruktuuri uurivates füüsikaharudes tõeliselt hämmastavaid tulemusi. Esiteks avaldus see terve hulga uute subatomaarsete osakeste avastamises. Neid nimetatakse tavaliselt elementaarosakesteks, kuid mitte kõik neist pole tõeliselt elementaarsed. Elementaarosakesed selle mõiste täpses tähenduses on primaarsed, edasi lagunematud osakesed, millest kogu aine peaks koosnema, kuid paljud neist koosnevad omakorda veelgi enamatest elementaarosakestest.

Subatomiliste osakeste maailm on tõeliselt mitmekesine. Praegu on teada rohkem kui 350 elementaarosakest. Nende hulka kuuluvad aatomituumadest koosnevad prootonid ja neutronid, aga ka tuumade ümber tiirlevad elektronid. Kuid on ka osakesi, mida meid ümbritsevas aines praktiliselt ei leidu. Kui väljaspool aatomituuma asuva neutroni keskmine eluiga on 15 minutit, siis selliste lühiealiste osakeste eluiga on äärmiselt lühike, see ulatub sekundi väikseimate osadeni. Pärast seda äärmiselt lühikest aega lagunevad nad tavalisteks osakesteks. Selliseid ebastabiilseid lühiealisi osakesi on hämmastavalt palju: neist on teada juba mitusada. Siiski ei saa arvata, et ebastabiilsed elementaarosakesed "koosnevad" stabiilsetest, juba sellepärast, et sama osake võib laguneda mitmel viisil erinevateks elementaarosakesteks.

Igal elementaarosakel (välja arvatud absoluutselt neutraalsed osakesed) on oma antiosake.

Füüsikud avastasid elementaarosakeste olemasolu tuumaprotsesse uurides, mistõttu oli elementaarosakeste füüsika kuni 20. sajandi keskpaigani tuumafüüsika haru. Praegu on elementaarosakeste füüsika ja tuumafüüsika lähedased, kuid iseseisvad füüsikaharud, mida ühendab paljude käsitletavate probleemide ja kasutatavate uurimismeetodite ühisosa. Elementaarosakeste füüsika põhiülesanne on elementaarosakeste olemuse, omaduste ja vastastikuste muundumiste uurimine.

1960. ja 1970. aastatel olid füüsikud äsja avastatud subatomaarsete osakeste arvu, mitmekesisuse ja kummalisuse pärast täiesti hämmingus. Näis, et neil pole lõppu. On täiesti ebaselge, miks seal nii palju osakesi on. Kas need elementaarosakesed on kaootilised ja juhuslikud ainefragmendid? Või võib-olla on neil võti universumi struktuuri mõistmiseks? Füüsika areng järgnevatel aastakümnetel näitas, et sellise struktuuri olemasolus pole kahtlust. Kahekümnenda sajandi lõpus hakkab füüsika mõistma iga elementaarosakese tähtsust.

Subatomiliste osakeste maailma iseloomustab sügav ja ratsionaalne kord. See järjekord põhineb fundamentaalsetel füüsilistel vastasmõjudel.

1. Fundamentaalsed füüsilised vastasmõjud.

Igapäevaelus seisab inimene silmitsi paljude tema kehale mõjuvate jõududega. Siin on tuule jõud või vastutulev veevool, õhurõhk, plahvatusohtlike kemikaalide võimas eraldumine, inimese lihasjõud, raskete esemete kaal, valguskvantide rõhk, elektrilaengute ligitõmbamine ja tõrjumine, seismilised lained mis mõnikord põhjustavad katastroofilist hävingut ja vulkaanipurskeid, mis viisid tsivilisatsiooni surmani jne. Mõned jõud toimivad vahetult kokkupuutel kehaga, teised, näiteks gravitatsioon, mõjuvad eemalt, läbi ruumi. Kuid nagu teoreetilise loodusteaduse arengu tulemusena selgus, saab nii suurest mitmekesisusest hoolimata kõik looduses mõjuvad jõud taandada vaid neljale fundamentaalsele vastastikmõjule: gravitatsiooniline, elektromagnetiline, nõrk ja tugev. Just need vastasmõjud on lõppkokkuvõttes vastutavad kõigi maailmas toimuvate muutuste eest; need on kõigi kehade ja protsesside muutuste allikad. Elementaarosakesed jagatakse rühmadesse vastavalt nende võimetele erinevat tüüpi fundamentaalsete interaktsioonide jaoks. Põhiliste vastastikmõjude omaduste uurimine on kaasaegse füüsika põhiülesanne.

1.1. Gravitatsioon.

Füüsika ajaloos sai gravitatsioonist (gravitatsioon) esimene neljast fundamentaalsest vastastikmõjust, mis oli teadusliku uurimise objektiks. Pärast selle ilmumist 17. sajandil. Newtoni gravitatsiooniteooria – universaalse gravitatsiooni seadus – suutis esimest korda mõista gravitatsiooni kui loodusjõu tegelikku rolli. Gravitatsioonil on mitmeid tunnuseid, mis eristavad seda teistest fundamentaalsetest interaktsioonidest.

Gravitatsiooni kõige üllatavam omadus on madal intensiivsusega. Vesinikuaatomi komponentide vahelise gravitatsioonilise vastastikmõju suurus on 10n, kus n = -39, lähtudes elektrilaengute vastasmõju jõust. Võib tunduda üllatav, et me üldse tunneme gravitatsiooni, kuna see on nii nõrk. Kuidas saab temast universumis domineeriv jõud?

See kõik puudutab gravitatsiooni teist hämmastavat omadust – selle universaalsust. Miski universumis pole gravitatsioonivaba. Iga osake kogeb gravitatsiooni mõju ja on ise gravitatsiooni allikas. Kuna iga aineosake avaldab gravitatsioonilist tõmmet, suureneb gravitatsioon, kui moodustuvad suuremad ainetükid. Me tunneme igapäevaelus gravitatsiooni, sest kõik Maa aatomid töötavad koos, et meid meelitada. Ja kuigi ühe aatomi gravitatsioonilise külgetõmbe mõju on tühine, võib kõigi aatomite külgetõmbejõud olla märkimisväärne.

Gravitatsioon - kaugmaa loodusjõud. See tähendab, et kuigi gravitatsioonilise vastasmõju intensiivsus kaugusega väheneb, levib see ruumis ja võib mõjutada allikast väga kaugel asuvaid kehasid. Astronoomilisel skaalal mängivad olulist rolli gravitatsioonilised vastasmõjud. Tänu pikamaategevusele takistab gravitatsioon Universumi lagunemist: hoiab planeete orbiitidel, tähti galaktikates, galaktikaid parvedena, parved metagalaktikas.

Osakeste vahel mõjuv gravitatsioonijõud on alati ligitõmbav jõud: see kipub osakesi üksteisele lähemale tooma. Gravitatsioonilist tõrjumist pole kunagi varem täheldatud (kuigi kvaasiteadusliku mütoloogia traditsioonides on terve valdkond, mida nimetatakse levitatsiooniks – antigravitatsiooni "faktide" otsimine). Kuna igasse osakesesse salvestatud energia on alati positiivne ja annab sellele positiivse massi, kipuvad osakesed gravitatsiooni mõjul alati lähenema.

Mis on gravitatsioon, teatud väli või aegruumi kõveruse ilming – sellele küsimusele pole siiani selget vastust. Füüsikutel on selles küsimuses erinevaid arvamusi ja arusaamu.

1.2. Elektromagnetiline interaktsioon.

Elektrilised jõud on palju suuremad kui gravitatsioonijõud. Erinevalt nõrgast gravitatsioonilisest vastastikmõjust on normaalse suurusega kehade vahel mõjuvaid elektrilisi jõude lihtne jälgida. Elektromagnetism on inimestele teada juba ammusest ajast (aurorad, välgusähvatused jne).

Pikka aega uuriti elektrilisi ja magnetilisi protsesse üksteisest sõltumatult. Otsustava sammu elektromagnetismi tundmises tegi 19. sajandi keskel J. C. Maxwell, kes ühendas elektri ja magnetismi ühtseks elektromagnetismi teooriaks – esimeseks ühtseks väljateooriaks.

Elektroni olemasolu kinnitati kindlalt eelmise sajandi 90ndatel. Nüüd on teada, et mis tahes aineosakese elektrilaeng on alati laengu põhiühiku kordne - omamoodi laengu aatom. Miks see nii on, on äärmiselt huvitav küsimus. Kuid mitte kõik materjaliosakesed ei ole elektrilaengu kandjad. Näiteks footon ja neutriino on elektriliselt neutraalsed. Selle poolest erineb elekter gravitatsioonist. Kõik materjali osakesed loovad gravitatsioonivälja, samas kui ainult laetud osakesed on seotud elektromagnetväljaga. Laetud osakeste vahelise elektromagnetilise interaktsiooni kandjaks on elektromagnetväli ehk väljakvandid – footonid.

Nagu elektrilaengud, nagu magnetpoolused tõrjuvad ja vastupidised tõmbuvad. Kuid erinevalt elektrilaengutest ei esine magnetpoolused üksikult, vaid ainult paarikaupa – põhjapoolus ja lõunapoolus. Juba iidsetest aegadest on teada, et magneti jagamise teel on püütud saada ainult üks isoleeritud magnetpoolus - monopool. Kuid nad kõik lõppesid ebaõnnestumisega. Võib-olla on isoleeritud magnetpooluste olemasolu looduses välistatud? Sellele küsimusele pole veel kindlat vastust. Mõned teoreetilised kontseptsioonid lubavad monopoli võimalust.

Nagu elektrilised ja gravitatsioonilised vastasmõjud, järgib ka magnetpooluste vastastikmõju ruudu pöördseadust. Järelikult on elektri- ja magnetjõud "pika ulatusega" ja nende mõju on tunda allikast suurtel kaugustel. Seega ulatub Maa magnetväli kaugele avakosmosesse. Päikese võimas magnetväli täidab kogu päikesesüsteemi. Samuti on olemas galaktilised magnetväljad.

Elektromagnetiline vastastikmõju määrab aatomite struktuuri ja vastutab valdava enamuse füüsikaliste ja keemiliste nähtuste ja protsesside eest. Elektromagnetiline interaktsioon põhjustab ka elektromagnetlainete emissiooni.

1.3. Nõrk interaktsioon.

Füüsika on aeglaselt liikunud nõrga interaktsiooni olemasolu tuvastamise suunas. Nõrk jõud on vastutav osakeste lagunemise eest ja selle ilming seisis seetõttu silmitsi radioaktiivsuse avastamise ja beeta-lagunemise uurimisega.

Beeta lagunemine on paljastanud äärmiselt kummalise omaduse. Uuringud viisid järeldusele, et see lagunemine rikub ühte füüsika põhiseadust - energia jäävuse seadust. Tundus, et selles lagunemises kadus osa energiast kuhugi. Energia jäävuse seaduse “päästmiseks” pakkus W. Pauli välja, et koos elektroniga lendab beetalagunemise käigus välja veel üks osake. See on neutraalne ja ebatavaliselt kõrge läbitungimisvõimega, mistõttu seda ei olnud võimalik jälgida. E. Fermi nimetas nähtamatut osakest "neutriinoks".

Neutriino (itaalia neutrino, neutroni deminutiv - neutron), stabiilne laenguta elementaarosake, mille pöörlemine on 1/2 ja võib-olla ka nullmass. Neutriinod liigitatakse leptoniteks. Nad osalevad ainult nõrkades ja gravitatsioonilistes vastasmõjudes ning seetõttu suhtlevad nad ainega äärmiselt nõrgalt. On elektronneutriinosid, mis on alati paaris elektroni või positroniga, müüonneutriinosid, mis on seotud müüoniga, ja tau-neutriinosid, mis on seotud raske leptoniga. Igal neutriinotüübil on oma antiosake, mis erineb neutriinodest vastava leptoni laengu ja helilisuse märgi poolest: neutriinodel on vasakukäeline spiraal (spinn on suunatud osakese liikumise vastu) ja antineutriinodel on parempoolne helilisus ( pöörlemine on liikumissuunas).

Kuid neutriinode ennustamine ja tuvastamine on alles probleemi, selle sõnastuse algus. Neutriinode olemust oli vaja selgitada, kuid siin jäi palju mõistatust. Fakt on see, et nii elektronid kui ka neutriinod kiirgasid välja ebastabiilsed tuumad. Kuid vaieldamatult tõestati, et tuumades pole selliseid osakesi. Kuidas need tekkisid? Arvati, et elektronid ja neutriinod ei eksisteeri tuumas "valmis kujul", vaid tekivad kuidagi radioaktiivse tuuma energiast. Edasised uuringud näitasid, et tuumas sisalduvad neutronid, mis on jäetud omaette, lagunevad mõne minuti pärast prootoniks, elektroniks ja neutriinoks, s.o. ühe osakese asemele ilmub kolm uut. Analüüsi tulemusena jõuti järeldusele, et teadaolevad jõud ei saa sellist lagunemist põhjustada. Ilmselt tekitas selle mingi muu, tundmatu jõud. Uuringud on näidanud, et see jõud vastab mõnele nõrgale vastasmõjule.

See on palju nõrgem kui elektromagnetiline, kuigi tugevam kui gravitatsiooniline. See levib väga lühikestel vahemaadel. Nõrga interaktsiooni raadius on väga väike ja on umbes 2*10^(-16) cm. Nõrk interaktsioon peatub allikast minimaalsel kaugusel ega saa seetõttu mõjutada makroskoopilisi objekte, vaid piirdub üksikute subatomaarsete osakestega. Kõik elementaarosakesed peale footoni osalevad nõrgas vastasmõjus. See määrab enamiku elementaarosakeste lagunemisest, neutriinode vastastikusest mõjust ainega jne. Nõrka vastastikmõju iseloomustab pariteedi, kummalisuse ja "võlu" rikkumine. Nõrga ja elektromagnetilise vastastikmõju ühtse teooria lõid 60ndate lõpus S. Weinberg, S. Glashow ja A. Salam. See kirjeldab kvarkide ja leptonite vastasmõju, mis toimub nelja osakese vahetuse kaudu: massita footonid (elektromagnetiline interaktsioon) ja rasked vahevektori bosonid - osakesed W+, W- ja Z°, mis on nõrga interaktsiooni kandjad (katseliselt avastatud aastal 1983). Seda ühtset interaktsiooni hakati nimetama elektrinõrgaks. Alates Maxwelli elektromagnetvälja teooriast oli selle teooria loomine suurim samm füüsika ühtsuse suunas.

1.4. Tugev interaktsioon.

Põhiliste interaktsioonide reas viimane on tugev vastastikmõju, mis on tohutu energia allikas. Kõige tüüpilisem näide tugeva jõu poolt vabanevast energiast on meie Päike. Päikese ja tähtede sügavustes toimuvad kindlast ajast alates pidevalt tugevast vastasmõjust põhjustatud termotuumareaktsioonid. Kuid inimene on õppinud vabastama ka tugevaid vastastikmõjusid: loodud on vesinikupomm, konstrueeritud ja täiustatud juhitavate termotuumareaktsioonide tehnoloogiaid.

Füüsika jõudis ideele tugeva interaktsiooni olemasolust aatomituuma struktuuri uurimisel. Mingi jõud peab prootoneid tuumas hoidma, vältides nende hajumist elektrostaatilise tõukejõu mõjul. Gravitatsioon on selleks liiga nõrk; Ilmselgelt on vaja mingit uut interaktsiooni, pealegi tugevamat kui elektromagnetiline. Hiljem see avastati. Selgus, et kuigi tugev vastastikmõju ületab oma suurusjärgus oluliselt kõiki teisi fundamentaalseid interaktsioone, ei ole see väljaspool tuuma tunda. Uue jõu mõjuraadius osutus väga väikeseks. Tugev jõud langeb järsult eemale prootonist või neutronist, mis on suurem kui umbes 10^(-15) m.

Lisaks selgus, et mitte kõik osakesed ei koge tugevat vastasmõju. Seda kogevad prootonid ja neutronid, kuid elektronid, neutriinod ja footonid sellele ei allu. See tähendab, et tugevas interaktsioonis osalevad ainult hadronid.

Tugev vastastikmõju ületab elektromagnetilist vastasmõju umbes 100 korda. Tugeva interaktsiooni olemuse teoreetilist selgitust on olnud raske välja töötada. Läbimurre toimus 60ndate alguses, kui pakuti välja kvargi mudel. Selles teoorias ei käsitleta neutroneid ja prootoneid mitte elementaarosakestena, vaid kvarkidest üles ehitatud komposiitsüsteemidena. Kaasaegne tugeva interaktsiooni teooria on kvantkromodünaamika.

Seega on fundamentaalsetes füüsikalistes interaktsioonides selgelt näha erinevus kaug- ja lühimaajõudude vahel. Ühelt poolt on olemas piiramatu ulatusega vastastikmõjud (gravitatsioon, elektromagnetism) ja teiselt poolt lühikese ulatusega vastastikmõjud (tugev ja nõrk). Füüsikaliste elementide maailm tervikuna rullub lahti nende kahe polaarsuse ühtsuses ja on üliväikese ja ülisuure ühtsuse kehastus – lühimaa tegevus mikromaailmas ja kaugtegevus kogu universumis.

1.5. Füüsika ühtsuse probleem.

Teadmised on reaalsuse üldistus ja seetõttu on teaduse eesmärk looduse ühtsuse otsimine, sidudes üksteisest erinevad teadmiste killud ühtseks pildiks. Ühtse süsteemi loomiseks on vaja avada ühendav lüli erinevate teadmisharude vahel, mingi fundamentaalne suhe. Selliste seoste ja seoste otsimine on üks teadusliku uurimistöö põhiülesandeid. Alati, kui on võimalik selliseid uusi seoseid luua, süveneb oluliselt arusaam ümbritsevast maailmast, kujunevad uued teadmisviisid, mis näitavad teed senitundmatute nähtuste juurde.

Sügavate seoste loomine erinevate loodusalade vahel on nii teadmiste süntees kui ka meetod, mis suunab teadusuuringuid mööda uusi, tallamata teid. Newtoni avastus seosest kehade külgetõmbejõu ja planeetide liikumise vahel maapealsetes tingimustes tähistas klassikalise mehaanika sündi, millele tuginedes ehitatakse üles tänapäevase tsivilisatsiooni tehnoloogiline alus. Seose loomine gaasi termodünaamiliste omaduste ja molekulide kaootilise liikumise vahel pani aine aatom-molekulaarsele teooriale kindlale alusele. Eelmise sajandi keskel lõi Maxwell ühtse elektromagnetilise teooria, mis hõlmas nii elektrilisi kui ka magnetnähtusi. Seejärel, kahekümnenda sajandi 20ndatel, tegi Einstein katse ühendada elektromagnetismi ja gravitatsiooni ühes teoorias.

Kuid kahekümnenda sajandi keskpaigaks oli olukord füüsikas kardinaalselt muutunud: avastati kaks uut fundamentaalset vastastikmõju – tugev ja nõrk, s.t. ühtse füüsika loomisel tuleb arvestada mitte kahe, vaid nelja fundamentaalse vastasmõjuga. See jahutas mõnevõrra nende kirglikkust, kes lootsid sellele probleemile kiiret lahendust. Kuid ideed ennast tõsiselt kahtluse alla ei seatud ja entusiasm ühe kirjelduse idee vastu ei kadunud kuhugi.

On seisukoht, et kõik neli (või vähemalt kolm) vastastikmõju esindavad sama laadi nähtusi ja tuleb leida nende ühtne teoreetiline kirjeldus. Väljavaade luua füüsikaliste elementide maailma ühtne teooria, mis põhineb ühel fundamentaalsel interaktsioonil, jääb väga ahvatlevaks. See on kahekümnenda sajandi füüsikute peamine unistus. Kuid see jäi pikaks ajaks vaid unistuseks ja väga ebamääraseks.

Kahekümnenda sajandi teisel poolel tekkisid aga eeldused selle unistuse elluviimiseks ja kindlustunne, et see pole kauge tuleviku küsimus. Näib, et see võib peagi reaalsuseks saada. Otsustav samm ühtse teooria suunas tehti 60-70ndatel, kui loodi esmalt kvarkide teooria ja seejärel elektronõrga interaktsiooni teooria. On põhjust arvata, et oleme võimsama ja sügavama ühinemise lävel kui kunagi varem. Füüsikute seas kasvab arvamus, et kõigi fundamentaalsete vastastikmõjude ühtse teooria – Suure Unifikatsiooni – kontuurid hakkavad tekkima.

2. Elementaarosakeste klassifikatsioon.

2.1. Subatomaarsete osakeste omadused.

19. ja 20. sajandi vahetusel avastati aine omaduste väikseimad kandjad – molekulid ja aatomid – ning tõdeti, et molekulid koosnevad aatomitest, võimaldasid esimest korda kirjeldada kõiki teadaolevaid aineid. lõpliku, kuigi suure hulga struktuurikomponentide – aatomite kombinatsioonidena. Koostisosade aatomite - elektronide ja tuumade - olemasolu edasine tuvastamine, tuumade keeruka olemuse kindlakstegemine, mis osutusid ehitatud ainult kahte tüüpi osakestest (prootonid ja neutronid) , vähendas oluliselt mateeria omadusi moodustavate diskreetsete elementide arvu. Ei saa kindlalt väita, et ülaltoodud määratluse tähenduses elementaarsed osakesed eksisteerivad. Näiteks prootonitel ja neutronitel, mida pikka aega peeti elementaarseteks, on keeruline struktuur. Ei saa välistada, et aine struktuurikomponentide jada on põhimõtteliselt lõpmatu. Samuti võib selguda, et väide “koosneb...” osutub aine uurimise mõnes etapis sisutuks. Sel juhul tuleb ülaltoodud "elementaarse" määratlusest loobuda. Elementaarosakeste (subatomaarsete) olemasolu on omamoodi postulaat ja selle kehtivuse testimine on füüsika üks olulisemaid ülesandeid.

Subatomaarsete osakeste tunnused on mass, elektrilaeng, spin (sisenurkimpulss), osakeste eluiga, magnetmoment, ruumiline paarsus, laengupaarsus, leptoni laeng, barüonlaeng, kummalisus, “võlus” jne.

Kui nad räägivad osakese massist, peavad nad silmas selle puhkemassi, kuna see mass ei sõltu liikumisolekust. Null puhkemassiga osake liigub valguse kiirusel (footon). Kahel osakesel pole sama mass. Elektron on kõige kergem nullist erineva puhkemassiga osake. Prooton ja neutron on peaaegu 2000 korda raskemad kui elektron. Ja kõige raskema teadaoleva elementaarosakese (Z - osakese) mass on 200 000 korda suurem kui elektroni mass.

Elektrilaeng varieerub üsna kitsas vahemikus ja on alati laengu põhiühiku – elektroni laengu (-1) kordne. Mõnedel osakestel, nagu footon ja neutriino, puudub laeng.

Osakese oluline omadus on spin. Sellel pole klassikalist analoogi ja see näitab loomulikult mikroobjekti "sisemist keerukust". Tõsi, mõnikord püütakse võrrelda keerutamise kontseptsiooniga ümber oma telje pöörleva objekti mudelit (sõna "spin" ise tõlgitakse kui "spindel"). See mudel on visuaalne, kuid vale. Igal juhul ei saa seda sõna-sõnalt võtta. Kirjanduses leiduv termin “pöörlev mikroobjekt” ei tähenda mikroobjekti pöörlemist, vaid ainult konkreetse sisemise nurkimpulsi olemasolu. Selleks, et see hetk “muutuks” klassikaliseks nurkimpulsiks (ja seega hakkaks objekt reaalselt pöörlema), on vaja nõuda tingimuse s täitmist. >> 1 (palju rohkem kui üks). See tingimus ei ole aga kunagi täidetud. Spinn on alati ka mõne põhiühiku kordne, milleks valitakse ½. Kõigil sama tüüpi osakestel on sama spinn. Tavaliselt mõõdetakse osakeste spinne Plancki konstandi ћ ühikutes. See võib olla täisarv (0, 1, 2,...) või pooltäisarv (1/2, 3/2,...). Seega on prootoni, neutroni ja elektroni spinn S ja footoni spinn on võrdne 1. Tuntud on osakesed spinniga 0, 3/2, 2. Osake spinniga 0 näeb välja samasugune mis tahes pöördenurga all. Spin 1-ga osakesed omandavad pärast täielikku 360° pööramist sama kuju. Osake, mille pöörlemine on 1/2, omandab oma varasema välimuse pärast 720° pöörlemist jne. Spin 2-ga osake naaseb poole pöörde järel (180°) oma eelmisele positsioonile. Osakesi, mille spinn on suurem kui 2, pole tuvastatud ja võib-olla pole neid üldse olemas. Mikroobjekti spinni tundmine võimaldab meil hinnata selle käitumise olemust omalaadses rühmas (teisisõnu võimaldab see hinnata mikroobjekti statistilisi omadusi). Selgub, et oma statistiliste omaduste järgi jagunevad kõik looduses olevad mikroobjektid kahte rühma: täisarvulise spinniga mikroobjektide rühm ja pooltäisarvulise spinniga mikroobjektide rühm.

Esimese rühma mikroobjektid on võimelised "asustama" sama olekut piiramatul arvul ja mida tugevamalt see olek on "asustatud", seda suurem on arv. Väidetavalt alluvad sellised mikroobjektid Bose-Einsteini statistikale. Lühidalt nimetatakse neid lihtsalt bosoniteks. Teise rühma mikroobjektid saavad olekuid “asustada” ainult ükshaaval. Ja kui kõnealune osariik on hõivatud, siis ükski seda tüüpi mikroobjekt sinna ei pääse. Väidetavalt järgivad sellised mikroobjektid Fermi-Diraci statistikat ja lühiduse huvides nimetatakse neid fermionideks. Elementaarosakestest kuuluvad bosonite hulka footonid ja mesonid ning fermioonid leptonid (eriti elektronid), nukleonid ja hüperonid.

Osakesi iseloomustab ka nende eluiga. Selle kriteeriumi alusel jagatakse osakesed stabiilseteks ja ebastabiilseteks. Stabiilsed osakesed on elektron, prooton, footon ja neutriino. Neutron on aatomi tuumas stabiilne, kuid vaba neutron laguneb umbes 15 minutiga. Kõik teised teadaolevad osakesed on ebastabiilsed, nende eluiga ulatub mõnest mikrosekundist 10n sekundini (kus n = -23). See tähendab, et kui see aeg läbi saab, lagunevad nad spontaanselt, ilma väliste mõjudeta, muutudes teisteks osakesteks. Näiteks neutron laguneb spontaanselt prootoniks, elektroniks ja elektroni antineutriinoks. On võimatu täpselt ennustada, millal konkreetse neutroni näidatud lagunemine toimub, kuna iga konkreetne lagunemissündmus on juhuslik. Iga ebastabiilset elementaarosakest iseloomustab oma eluiga. Mida lühem on eluiga, seda suurem on osakeste lagunemise tõenäosus. Ebastabiilsus on omane mitte ainult elementaarosakestele, vaid ka teistele mikroobjektidele. Radioaktiivsuse nähtus (ühe keemilise elemendi isotoopide spontaanne muundumine teise isotoopideks, millega kaasneb osakeste emissioon) näitab, et aatomituumad võivad olla ebastabiilsed. Ergastatud olekus olevad aatomid ja molekulid osutuvad samuti ebastabiilseteks: nad lähevad spontaanselt maapinnale või vähem ergastatud olekusse.

Ebastabiilsus, mis on määratud tõenäosusseadustega, on koos spinni olemasoluga teine ​​​​mikroobjektidele omane väga spetsiifiline omadus. Seda võib pidada ka mikroobjekti teatud “sisemise keerukuse” märgiks.

Ebastabiilsus on aga mikroobjekti spetsiifiline, kuid mitte mingil juhul kohustuslik omadus. Ebastabiilsete kõrval on palju stabiilseid mikroobjekte: footon, elektron, prooton, neutriino, stabiilsed aatomituumad, aga ka põhiolekus olevad aatomid ja molekulid.

Leptonilaeng (leptoniarv) on leptonite sisemine omadus. Seda tähistatakse tähega L. Leptonite puhul on see +1 ja antileptonitel -1. On olemas: elektrooniline leptonlaeng, mida valdavad ainult elektronid, positronid, elektronneutriinod ja antineutriinod; müoniline leptonilaeng, mida omavad ainult müüonid ja müüonneutriino ja antineutriino; raskete leptonite ja nende neutriinode leptonilaeng. Iga tüübi leptoni laengu algebraline summa säilib kõigi interaktsioonide puhul väga suure täpsusega.

Barüonilaeng (barüoniarv) on üks barüonide sisemisi omadusi. Tähistatakse tähega B. Kõigil barüonitel on B = +1 ja nende antiosakestel on B = -1 (teistel elementaarosakestel B = 0). Osakeste süsteemi kuuluvate barüonilaengute algebraline summa säilib kõigi interaktsioonide korral.

Kummaline on täisarv (null, positiivne või negatiivne) kvantarv, mis iseloomustab hadroneid. Osakeste ja antiosakeste kummalisus on märgilt vastupidine. Hadroneid, mille S on 0, nimetatakse kummaliseks. Kummalisus säilib tugevas ja elektromagnetilises vastasmõjus, kuid rikutakse nõrgas vastasmõjus.

“Charm” (võlus) on hadroneid (või kvarke) iseloomustav kvantarv. See säilib tugevas ja elektromagnetilises vastasmõjus, kuid nõrk vastastikmõju rikub. Nullist erineva võluväärtusega osakesi nimetatakse "võlutud" osakesteks.

Magneton on magnetmomendi mõõtühik aatomi, aatomituuma ja elementaarosakeste füüsikas. Magnetmomenti, mis on põhjustatud elektronide orbitaalliikumisest aatomis ja nende spinnist, mõõdetakse Bohri magnetonites. Nukleonide ja tuumade magnetmomenti mõõdetakse tuumamagnetonites.

Pariteet on teine ​​subatomaarsete osakeste omadus. Paarsus on kvantarv, mis iseloomustab füüsikalise süsteemi või elementaarosakese lainefunktsiooni sümmeetriat mõne diskreetse teisenduse korral: kui sellise teisenduse käigus funktsioon märki ei muuda, siis on paarsus positiivne, kui seda teeb, siis pariteet on negatiivne. Absoluutselt neutraalsete osakeste (või süsteemide) puhul, mis on identsed nende antiosakestega, saab lisaks ruumilisele paarsusele kasutusele võtta laengupaarsuse ja kombineeritud paarsuse mõiste (teiste osakeste puhul muudab nende asendamine antiosakestega lainefunktsiooni ennast).

Ruumipaarsus on kvantmehaaniline karakteristik, mis peegeldab elementaarosakeste või nende süsteemide sümmeetriaomadusi peegelpeegelduse ajal (ruumiline inversioon). Seda pariteeti tähistatakse tähega P ja see säilib kõigis interaktsioonides, välja arvatud nõrkade vastasmõjude korral.

Laengu pariteet - absoluutse neutraalse elementaarosakese või süsteemi paarsus, mis vastab laengu konjugatsiooni operatsioonile. Laengu pariteet säilib ka kõigis interaktsioonides, välja arvatud nõrgad.

Kombineeritud paarsus on absoluutselt neutraalse osakese (või süsteemi) paarsus kombineeritud inversiooni suhtes. Kombineeritud paarsus säilib kõigis interaktsioonides, välja arvatud nõrgast interaktsioonist põhjustatud pikaajalise neutraalse K-mesoni lagunemine (kombineeritud pariteedi rikkumise põhjust pole veel selgitatud).

2.2. Elementaarosakeste avastamise ajalugu.

Ideel, et maailm koosneb põhiosakestest, on pikk ajalugu. Kreeka filosoof Demokritos väljendas 400 aastat eKr esimest korda ideed väikseimate nähtamatute osakeste olemasolust, mis moodustavad kõik ümbritsevad objektid. Ta nimetas neid osakesi aatomiteks, see tähendab jagamatuteks osakesteks. Teadus hakkas aatomite ideed kasutama alles 19. sajandi alguses, kui selle põhjal oli võimalik selgitada mitmeid keemilisi nähtusi. 19. sajandi 30. aastatel ilmus M. Faraday välja töötatud elektrolüüsi teoorias iooni mõiste ja mõõdeti elementaarlaeng. Kuid umbes 19. sajandi keskpaigast hakkasid ilmnema eksperimentaalsed faktid, mis seadsid kahtluse alla aatomite jagamatuse idee. Nende katsete tulemused näitasid, et aatomitel on keeruline struktuur ja need sisaldavad elektriliselt laetud osakesi. Seda kinnitas prantsuse füüsik Henri Becquerel, kes avastas radioaktiivsuse fenomeni 1896. aastal.

Sellele järgnes esimese elementaarosakese avastamine inglise füüsiku Thomsoni poolt 1897. aastal. See oli elektron, mis lõpuks omandas reaalse füüsilise objekti staatuse ja sai esimeseks teadaolevaks elementaarosakeseks inimkonna ajaloos. Selle mass on ligikaudu 2000 korda väiksem kui vesinikuaatomi mass ja on võrdne:

m = 9,11*10^(-31) kg.

Elektroni negatiivset elektrilaengut nimetatakse elementaarseks ja see on võrdne:

e = 0,60*10^(-19) Cl.

Aatomispektrite analüüs näitab, et elektroni spinn on võrdne 1/2-ga ja selle magnetmoment on võrdne ühe Bohri magnetoniga. Elektronid järgivad Fermi statistikat, kuna neil on pooltäisarvu spin. See on kooskõlas eksperimentaalsete andmetega aatomite struktuuri ja elektronide käitumise kohta metallides. Elektronid osalevad elektromagnetilistes, nõrkades ja gravitatsioonilistes vastasmõjudes.

Teine avastatud elementaarosake oli prooton (kreeka keelest protos – esimene). Selle elementaarosakese avastas 1919. aastal Rutherford, uurides erinevate keemiliste elementide aatomituumade lõhustumisprodukte. Sõna otseses mõttes on prooton vesiniku kergeima isotoobi - protiumi - aatomi tuum. Prootoni spin on 1/2. Prootonil on positiivne elementaarlaeng +e. Selle mass on:

m = 1,67*10^(-27) kg.

ehk ligikaudu 1836 elektroni massi. Prootonid on osa kõigi keemiliste elementide aatomite tuumadest. Pärast seda, 1911. aastal, pakkus Rutherford välja aatomi planeedimudeli, mis aitas teadlastel aatomite koostise edasisel uurimisel.

1932. aastal avastas J. Chadwick kolmanda elementaarosakese, neutroni (ladina neutraalsest – ei üks ega teine), millel puudub elektrilaeng ja mille mass on ligikaudu 1839 korda suurem elektroni massist. Neutronite spinn on samuti 1/2.

Järeldus elektromagnetvälja osakese – footoni – olemasolu kohta pärineb M. Plancki (1900) tööst. Eeldusel, et absoluutselt musta keha elektromagnetkiirguse energia on kvantiseeritud (st koosneb kvantidest), sai Planck kiirgusspektri õige valemi. Plancki ideed arendades oletas A. Einstein (1905), et elektromagnetkiirgus (valgus) on tegelikult üksikute kvantide (footonite) voog, ning selgitas selle põhjal fotoelektrilise efekti seaduspärasusi. Otsesed eksperimentaalsed tõendid footoni olemasolu kohta andsid R. Millikan aastatel 1912 - 1915 ja A. Compton 1922. aastal.

Neutriino, ainega vaevu interakteeruva osakese avastamine pärineb W. Pauli teoreetilisest oletusest 1930. aastal, mis võimaldas sellise osakese sündimise oletuse tõttu kõrvaldada jäävusseadusega seotud raskused. energiast radioaktiivsete tuumade beeta-lagunemisprotsessides. Neutriinode olemasolu kinnitasid eksperimentaalselt alles 1953. aastal F. Reines ja K. Cowan.

Kuid aine koosneb enamast kui lihtsalt osakestest. On ka antiosakesi - elementaarosakesi, millel on sama mass, spinn, eluiga ja mõned muud sisemised omadused nagu nende "kaksikutel" - osakesed, kuid erinevad osakestest elektrilaengu ja magnetmomendi tunnuste, barüonilaengu, leptonilaengu, veidruste poolest. jne. Kõikidel elementaarosakestel, välja arvatud absoluutselt neutraalsetel, on oma antiosakesed.

Esimene avastatud antiosake oli positron (ladina sõnast positivus – positiivne) – elektroni massiga, kuid positiivse elektrilaenguga osake. Selle antiosakese avastas kosmilistes kiirtes Ameerika füüsik Carl David Anderson 1932. aastal. Huvitaval kombel ennustas positroni olemasolu teoreetiliselt ligi aasta enne eksperimentaalset avastust inglise füüsik Paul Dirac. Veelgi enam, Dirac ennustas nn annihilatsiooni (kadumise) protsesse ja elektron-positroni paari sündi. Paari enda hävitamine on üks elementaarosakeste teisenemise tüüpe, mis toimuvad osakese põrkumisel antiosakesega. Annihilatsiooni käigus osake ja antiosake kaovad, muutudes teisteks osakesteks, mille hulka ja tüüpi piiravad säilivusseadused. Annihilatsiooni vastupidine protsess on paari sünd. Positron ise on stabiilne, kuid aines eksisteerib väga lühikest aega elektronidega annihilatsiooni tõttu. Elektroni ja positroni annihilatsioon seisneb selles, et kui nad kohtuvad, kaovad nad, muutudes ümber γ- kvantid (footonid). Ja kokkupõrkes γ- Kui mis tahes massiivse tuumaga tekib kvant, sünnib elektron-positroni paar.

1955. aastal avastati veel üks antiosake – antiprooton ja veidi hiljem – antineutron. Antineutronil, nagu ka neutronil, puudub elektrilaeng, kuid see kuulub kahtlemata antiosakeste hulka, kuna osaleb annihilatsiooniprotsessis ja neutron-antineutron paari sünnis.

Antiosakeste saamise võimalus viis teadlased antiaine loomise ideeni. Antiaine aatomid tuleks üles ehitada nii: aatomi keskmes on negatiivselt laetud tuum, mis koosneb antiprootonitest ja antineutronitest ning ümber tuuma tiirlevad positiivse laenguga positronid. Üldiselt osutub aatom samuti neutraalseks. See idee sai hiilgava eksperimentaalse kinnituse. 1969. aastal leidsid Nõukogude füüsikud Serpuhhovi linnas prootonikiirendis antiheeliumi aatomite tuumad. Ka 2002. aastal toodeti CERNi kiirendis Genfis 50 000 antivesiniku aatomit. Kuid vaatamata sellele pole antiaine kogunemist universumis veel avastatud. Samuti saab selgeks, et antiaine vähimalgi interaktsioonil mis tahes ainega toimub nende annihilatsioon, millega kaasneb tohutu energia vabanemine, mis on mitu korda suurem kui aatomituumade energia, mis on inimestele ja keskkonnale äärmiselt ohtlik. .

Praeguseks on eksperimentaalselt avastatud peaaegu kõigi teadaolevate elementaarosakeste antiosakesed.

Suurt rolli elementaarosakeste füüsikas mängivad säilivusseadused, mis kehtestavad võrdsuse teatud suuruste kombinatsioonide vahel, mis iseloomustavad süsteemi alg- ja lõppseisundit. Jäävusseaduste arsenal on kvantfüüsikas suurem kui klassikalises füüsikas. Seda täiendati erinevate pariteetide (ruumiline, laeng), laengute (leptooniline, barüon jne), ühele või teisele interaktsioonitüübile iseloomulike sisesümmeetriate jäävuse seadustega.

Üksikute subatomaarsete osakeste omaduste eraldamine on oluline, kuid alles nende maailma mõistmise esialgne etapp. Järgmises etapis peame ikkagi aru saama, mis on iga üksiku osakese roll, millised on tema funktsioonid aine struktuuris.

Füüsikud on leidnud, et ennekõike määrab osakese omadused tema võime (või suutmatus) osaleda tugevas vastasmõjus. Tugevas interaktsioonis osalevad osakesed moodustavad eriklassi ja neid nimetatakse hadroniteks. Osakesi, mis osalevad nõrgas interaktsioonis ja ei osale tugevas interaktsioonis, nimetatakse leptoniteks. Lisaks on osakesed, mis kannavad vastastikmõju.

2.3. Leptonid.

Leptoneid peetakse tõeliselt elementaarseteks osakesteks. Kuigi leptonitel võib olla või mitte olla elektrilaeng, on nende kõigi pöörlemissagedus 1/2. Leptonitest on kõige kuulsam elektron. Elektron on avastatud elementaarosakestest esimene. Nagu kõik teised leptonid, näib elektron olevat elementaarne (selle sõna õiges tähenduses) objekt. Teadaolevalt ei koosne elektron teistest osakestest.

Teine tuntud lepton on neutriino. Neutriinod on kõige levinumad osakesed kogu universumis. Universumit võib ette kujutada piiritu neutriinomerena, milles aeg-ajalt leidub aatomite kujul saari. Kuid hoolimata neutriinode sellisest levimusest on neid väga raske uurida. Nagu me juba märkisime, on neutriinod peaaegu tabamatud. Osalemata tugevas või elektromagnetilises vastasmõjus, tungivad nad läbi mateeria, nagu poleks seda üldse olemas. Neutriinod on mingid "füüsilise maailma kummitused".

Muuonid on looduses üsna laialt levinud, moodustades olulise osa kosmilisest kiirgusest. Paljuski meenutab müüon elektroni: sellel on sama laeng ja spin, ta osaleb neis vastasmõjudes, kuid sellel on suur mass (umbes 207 elektroni massi) ja see on ebastabiilne. Umbes kahe miljondiku sekundiga laguneb müüon elektroniks ja kaheks neutriinoks. 1970. aastate lõpus avastati kolmas laetud lepton, mida nimetatakse tau leptoniks. See on väga raske osake. Selle mass on umbes 3500 elektroni massi. Kuid kõigis muudes aspektides käitub see nagu elektron ja müüon.

60ndatel laienes leptonite nimekiri oluliselt. Leiti, et neutriinosid on mitut tüüpi: elektronneutriinod, muuonneutriinod ja tau-neutriinod. Seega on neutriinosorte kokku kolm ja leptoneid kokku kuus. Loomulikult on igal leptonil oma antiosake; seega on erinevate leptonite koguarv kaksteist. Neutraalsed leptonid osalevad ainult nõrkades interaktsioonides; laetud - nõrkades ja elektromagnetilistes. Kõik leptonid osalevad gravitatsioonilistes vastasmõjudes, kuid ei ole võimelised tugevaks.

2.4. Hadronid.

Kui leptoneid on veidi üle tosina, siis hadroneid on sadu. Selline hadronite rohkus viitab sellele, et hadronid ei ole elementaarosakesed, vaid on ehitatud väiksematest osakestest. Kõiki hadroneid leidub kahte tüüpi – elektriliselt laetud ja neutraalsed. Hadronitest on tuntumad ja levinumad neutron ja prooton, mis omakorda kuuluvad nukleonide klassi. Ülejäänud hadronid on lühiealised ja lagunevad kiiresti. Hadronid osalevad kõigis fundamentaalsetes interaktsioonides. Need jagunevad barüoniteks ja mesoniteks. Barüonite hulka kuuluvad nukleonid ja hüperonid.

Nukleonide vastastikmõju tuumajõudude olemasolu selgitamiseks nõudis kvantteooria spetsiaalsete elementaarosakeste olemasolu, mille mass on suurem kui elektroni mass, kuid väiksem kui prootoni mass. Neid osakesi, mida kvantteooria ennustas, nimetati hiljem mesoniteks. Mesonid avastati eksperimentaalselt. Selgus, et neid on terve pere. Kõik need osutusid lühiajalisteks ebastabiilseteks osakesteks, mis elasid vabas olekus sekundi miljardikuid. Näiteks laetud pi-mesoni või pioni puhkemass on 273 elektroni massi ja eluiga:

t = 2,6*10^(-8) s.

Lisaks avastati laetud osakeste kiirenditega tehtud uuringute käigus osakesed, mille mass ületas prootoni massi. Neid osakesi nimetati hüperoniteks. Neid avastati isegi rohkem kui mesoneid. Hüperoonide perekonda kuuluvad: lambda-, sigma-, xi- ja oomega-miinus hüperonid.

Enamiku tuntud hadronite olemasolu ja omadused tehti kindlaks kiirendikatsetes. Paljude erinevate hadronite avastamine 50-60ndatel tekitas füüsikutele suurt hämmingut. Kuid aja jooksul klassifitseeriti hadronid massi, laengu ja pöörlemise järgi. Tasapisi hakkas enam-vähem selge pilt tekkima. Tekkisid konkreetsed ideed, kuidas süstematiseerida empiiriliste andmete kaost ja paljastada hadronite mõistatus teadusteoorias. Otsustav samm siin tehti 1963. aastal, mil pakuti välja kvarkide teooria.

2.5. Kvarkide teooria.

Kvarkide teooria on hadronite ehituse teooria. Selle teooria põhiidee on väga lihtne. Kõik hadronid on valmistatud väiksematest osakestest, mida nimetatakse kvarkideks. See tähendab, et kvargid on rohkem elementaarosakesed kui hadronid. Kvargid on hüpoteetilised osakesed, sest vabas riigis ei täheldatud. Kvarkide barüonlaeng on 1/3. Nad kannavad murdosa elektrilaengut: neil on laeng, mille väärtus on kas -1/3 või +2/3 põhiühikust – elektroni laengust. Kahe ja kolme kvargi kombinatsiooni kogulaeng võib olla null või üks. Kõikidel kvarkidel on spin S, seega klassifitseeritakse nad fermioonideks. Kvarkide teooria rajajad Gell-Mann ja Zweig, et võtta arvesse kõiki 60ndatel tuntud hadroneid, tutvustasid kolme tüüpi (värvi) kvarke: u (ülevalt - ülemine), d (alla - madalam) ja s (veidrast - imelik) .

Kvargid võivad omavahel kombineerida kahel võimalikul viisil: kas kolmikutena või kvarkide-antikvarkide paaridena. Suhteliselt rasked osakesed – barüonid – koosnevad kolmest kvargist. Tuntumad barüonid on neutron ja prooton. Kergemad kvark-antikvark paarid moodustavad osakesi, mida nimetatakse mesoniteks - "vaheosakesed". Näiteks prooton koosneb kahest u-kvargist ja ühest d-kvargist (uud) ning neutron kahest d-kvargist ja ühest u-kvargist (udd). Selleks, et see kvarkide “kolmik” ei laguneks, on vaja hoidejõudu, teatud “liimi”.

Selgub, et neutronite ja prootonite vaheline interaktsioon tuumas on lihtsalt kvarkide endi vahelise võimsama interaktsiooni jääkefekt. See selgitas, miks tugevad vastasmõjud tunduvad nii keerulised. Kui prooton "kleepub" neutroni või mõne teise prootoni külge, hõlmab interaktsioon kuut kvarki, millest igaüks interakteerub kõigi teistega. Märkimisväärne osa jõust kulub kvarkide kolmiku tugevale liimimisele ja väike osa kahe kvargitrio üksteise külge kinnitamisele. Kuid hiljem selgus, et kvargid osalevad ka nõrkades interaktsioonides. Nõrk interaktsioon võib muuta kvargi värvi. Nii toimub neutronite lagunemine. Üks neutronis leiduv d-kvark muutub u-kvargiks ja liigne laeng kannab samal ajal sündinud elektroni minema. Samamoodi põhjustab maitset muutes nõrk koostoime teiste hadronite lagunemise.

Asjaolu, et kõiki teadaolevaid hadroneid oli võimalik saada kolme põhiosakese erinevatest kombinatsioonidest, oli kvarkide teooria võidukäik. Kuid 70ndatel avastati uued hadronid (psi osakesed, upsiloni meson jne). See andis löögi kvarkide teooria esimesele versioonile, kuna selles ei olnud enam ruumi ühelegi uuele osakesele. Kõik võimalikud kvarkide ja nende antikvarkide kombinatsioonid on juba ammendatud.

Probleem lahendati kolme uue värvi kasutuselevõtuga. Neid nimetati c - kvark (võlu), b - kvark (alt - alt ja sagedamini ilu - ilu või võlu) ning seejärel võeti kasutusele veel üks värv - t (ülevalt - ülevalt).

Seni pole kvarke ja antikvarke vabal kujul täheldatud. Nende olemasolu reaalsuses pole aga praktiliselt mingit kahtlust. Lisaks otsitakse kvarkidele järgnevaid “päris” elementaarosakesi – gluuone, mis on kvarkide vaheliste interaktsioonide kandjad, sest Kvarke hoiab koos tugev vastastikmõju ja gluoonid (värvilaengud) on tugeva interaktsiooni kandjad. Kvarkide ja gluoonide vastasmõju uurivat osakestefüüsika valdkonda nimetatakse kvantkromodünaamikaks. Nii nagu kvantelektrodünaamika on elektromagnetilise interaktsiooni teooria, on kvantkromodünaamika tugeva interaktsiooni teooria. Kvantkromodünaamika on kvarkide ja gluoonide tugeva interaktsiooni kvantväljateooria, mis toimub nende - gluoonide (kvantelektrodünaamika footonite analoogid) vahelise vahetuse kaudu. Erinevalt footonitest interakteeruvad gluoonid üksteisega, mis põhjustab eelkõige kvarkide ja gluoonide vastastikmõju tugevuse suurenemist, kui nad üksteisest eemalduvad. Eeldatakse, et just see omadus määrab tuumajõudude lühimaategevuse ning vabade kvarkide ja gluoonide puudumise looduses.

Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt on hadronitel keeruline sisemine struktuur: barüonid koosnevad 3 kvargist, mesonid - kvargist ja antikvargist.

Kuigi kvarkide skeemi osas valitseb mõningane rahulolematus, peab enamik füüsikuid kvarke tõeliselt elementaarseteks osakesteks – punkt-sarnasteks, jagamatuteks ja sisemise struktuurita. Selles suhtes meenutavad nad leptoneid ja pikka aega on eeldatud, et nende kahe erineva, kuid struktuurilt sarnase perekonna vahel peab olema sügav seos.

Seega on tõenäolisem tõeliselt elementaarosakeste arv (arvestamata fundamentaalsete vastastikmõjude kandjaid) 20. sajandi lõpus 48. Nendest: leptonid (6x2) = 12 ja kvargid (6x3)x2 = 36.

2.6. Osakesed on vastastikmõjude kandjad.

Teadaolevate osakeste loetelu ei piirdu ainult loetletud osakestega – leptonite ja hadronitega, mis moodustavad aine ehitusmaterjali. See nimekiri ei sisalda näiteks footonit. On ka teist tüüpi osakesi, mis ei ole otseselt aine ehitusmaterjal, kuid tagavad kõik neli fundamentaalset vastastikmõju, s.t. moodustavad omamoodi “liimi”, mis takistab maailma lagunemast. Selliseid osakesi nimetatakse interaktsioonide kandjateks ja teatud tüüpi osakesi edastavad oma vastasmõjud.

Laetud osakeste vahelise elektromagnetilise interaktsiooni kandjaks on footon. Footon on elektromagnetilise kiirguse kvant, nullmassiga neutraalne osake. Footoni spin on 1.

Elektromagnetilise interaktsiooni teooria tutvustas kvantelektrodünaamika.

Tugeva interaktsiooni kandjad on gluoonid. Need on hüpoteetilised elektriliselt neutraalsed osakesed, mille mass on null ja spinn 1. Nagu kvarkidel, on ka gluoonidel “värvuse” kvantkarakteristik. Gluoonid on kvarkide vahelise interaktsiooni kandjad, sest siduge need paari- või kolmekaupa.

Nõrga interaktsiooni kandjateks on kolm osakest – W+, W- ja Z° bosonid. Need avastati alles 1983. Nõrga interaktsiooni raadius on üliväike, mistõttu peavad selle kandjateks olema suure puhkemassiga osakesed. Määramatuse printsiibi järgi peaks nii suure puhkemassiga osakeste eluiga olema äärmiselt lühike – ainult umbes 10n sek (kus n = -26). Nende osakeste koostoime raadius on väga väike, kuna sellistel lühiealistel osakestel pole aega väga kaugele liikuda.

On oletatud, et gravitatsioonivälja kandja - gravitoni - olemasolu on samuti võimalik (nendes gravitatsiooniteooriates, mis ei käsitle seda mitte (ainult) aegruumi kõveruse tagajärjena, vaid väljana). Teoreetiliselt on graviton gravitatsioonivälja kvant, mille puhkemass on null, elektrilaeng on null ja spinn 2. Põhimõtteliselt on gravitoneid võimalik katses tuvastada. Aga kuna gravitatsiooniline vastastikmõju on väga nõrk ja kvantprotsessides praktiliselt ei avaldu, siis on gravitoneid väga raske otseselt tuvastada ja seni pole see ühelgi teadlasel õnnestunud.

Osakeste klassifitseerimine leptoniteks, hadroniteks ja vastastikmõju kandjateks ammendab meile tuntud subatomaarsete osakeste maailma. Iga osakeste tüüp mängib aine ja universumi struktuuri kujundamisel oma rolli.

3. Elementaarosakeste teooriad.

3.1. Kvantelektrodünaamika (QED).

Kvantteooria ühendab kvantmehaanika, kvantstatistika ja kvantväljateooria.

Kvantmehaanika (lainemehaanika) on teooria, mis kehtestab kirjeldusmeetodi ja mikroosakeste liikumisseadused antud välistes väljades. See võimaldab kirjeldada elementaarosakeste liikumist, kuid mitte nende tekkimist või hävimist, st seda kasutatakse ainult konstantse osakeste arvuga süsteemide kirjeldamiseks. Kvantmehaanika on kvantteooria üks peamisi harusid. Kvantmehaanika võimaldas esmakordselt kirjeldada aatomite ehitust ja mõista nende spektreid, määrata keemiliste sidemete olemust, selgitada elementide perioodilist süsteemi jne. Kuna makroskoopiliste kehade omadused on määratud aatomite liikumise ja vastastikmõjuga. osakesed, mis neid moodustavad, on enamiku makroskoopiliste nähtuste mõistmise aluseks kvantmehaanika seadused. Seega võimaldas kvantmehaanika mõista paljusid tahkete ainete omadusi, selgitada ülijuhtivuse, ferromagnetismi, ülivoolavuse nähtusi ja palju muud Kvantmehaanilised seadused on aluseks tuumaenergiale, kvantelektroonikale jne Erinevalt klassikalisest teooriast toimivad kvantmehaanikas kõik osakesed nii korpuskulaarsete kui laineliste omaduste kandjatena, mis ei välista, vaid täiendavad üksteist. Elektronide, prootonite ja teiste osakeste lainelist olemust kinnitavad osakeste difraktsioonikatsed. Kvantsüsteemi olekut kirjeldatakse lainefunktsiooniga, mille mooduli ruut määrab antud oleku tõenäosuse ja sellest tulenevalt ka seda iseloomustavate füüsikaliste suuruste väärtuste tõenäosused. Kvantmehaanikast järeldub, et kõigil füüsikalistel suurustel ei saa korraga olla täpseid väärtusi. Lainefunktsioon järgib superpositsiooni põhimõtet, mis selgitab eelkõige osakeste difraktsiooni. Kvantteooria eripäraks on paljude füüsikaliste suuruste võimalike väärtuste diskreetsus: elektronide energia aatomites, nurkimment ja selle projektsioon suvalises suunas jne; klassikalises teoorias saavad kõik need suurused muutuda ainult pidevalt. Kvantmehaanikas mängib fundamentaalset rolli Plancki konstant – üks looduse põhiskaalasid, mis eraldab klassikalise füüsikaga kirjeldatavate nähtuste valdkonnad valdkondadest, mille õigeks tõlgendamiseks on vaja kvantteooriat. Plancki konstant on oma nime saanud M. Plancki järgi. See on võrdne:

Ћ = h/2π ≈ 1,0546. 10 ^(-34) J. s

Kvantmehaanika üldistus on kvantväljateooria – see on lõpmatu arvu vabadusastmetega (füüsikaliste väljadega) süsteemide kvantteooria. Kvantväljateooria on elementaarosakeste füüsika põhiaparaat, nende vastastikmõjud ja vastastikused teisendused. Vajaduse sellise teooria järele genereerib kvantlaine dualism, laineomaduste olemasolu kõigis osakestes. Kvantväljateoorias kujutatakse interaktsiooni väljakvantide vahetuse tulemusena. See teooria hõlmab elektromagnetilise (kvantelektrodünaamika) ja nõrkade vastastikmõjude teooriat, mis moodsas teoorias ilmnevad ühtse tervikuna (electroweak interaktsioon), ning tugeva (tuuma) interaktsiooni (kvantkromodünaamika) teooria.

Kvantstatistika on suurest hulgast osakestest koosnevate kvantsüsteemide statistiline füüsika. Täisarvulise spinniga osakeste puhul on see Bose Einsteini statistika ja pooltäisarvulise spinniga osakeste puhul Fermi-Diraci statistika.

Kahekümnenda sajandi keskel loodi elektromagnetilise interaktsiooni teooria - kvantelektrodünaamika QED - see on footonite ja elektronide interaktsiooni teooria, mis on peensusteni läbi mõeldud ja varustatud täiusliku matemaatilise aparaadiga. QED põhineb elektromagnetilise interaktsiooni kirjeldusel, kasutades virtuaalsete footonite – selle kandjate – kontseptsiooni. See teooria rahuldab nii kvantteooria kui ka relatiivsusteooria aluspõhimõtteid.

Teooria keskmes on ühe laetud osakese poolt ühe footoni emissiooni- või neeldumisaktide analüüs, samuti elektron-positroni paari annihilatsioon footoniks või sellise paari tekitamine footonite abil.

Kui klassikalises kirjelduses on elektronid kujutatud tahkepunktilise kuulina, siis QED-s käsitletakse elektroni ümbritsevat elektromagnetvälja virtuaalsete footonite pilvena, mis järgib halastamatult elektroni, ümbritsedes seda energiakvantidega. Pärast seda, kui elektron kiirgab footoni, tekitab see (virtuaalse) elektron-positroni paari, mis võib annihileeruda, moodustades uue footoni. Viimast saab neelata algne footon, kuid see võib tekitada uue paari jne. Seega on elektron kaetud virtuaalsete footonite, elektronide ja positronite pilvega, mis on dünaamilises tasakaalus. Footonid tekivad ja kaovad väga kiiresti ning elektronid ei liigu ruumis mööda täpselt määratletud trajektoore. Endiselt on võimalik ühel või teisel viisil määrata tee algus- ja lõpp-punkt - enne ja pärast hajumist, kuid tee ise liikumise alguse ja lõpu vahelises intervallis jääb ebakindlaks.

Koostoime kirjeldus kandjaosakese abil viis footoni mõiste laiendamiseni. Tutvustatakse mõisteid reaalne (meile nähtav valguskvant) ja virtuaalne (põgus, kummituslik) footon, mida “näevad” vaid hajumist läbivad laetud osakesed.

Et kontrollida, kas teooria vastab tegelikkusele, keskendusid füüsikud kahele eriti huvipakkuvale efektile. Esimene puudutas vesinikuaatomi, kõige lihtsama aatomi energiataset. QED kohaselt tuleks tasemeid veidi nihutada võrreldes positsiooniga, mille nad hõivaksid virtuaalsete footonite puudumisel. QED teine ​​otsustav test puudutas elektroni enda magnetmomendi üliväikest korrektsiooni. QED testimise teoreetilised ja eksperimentaalsed tulemused langevad kokku suurima täpsusega – rohkem kui üheksa kohta pärast koma. Selline silmatorkav kirjavahetus annab õiguse pidada QED-d olemasolevatest loodusteaduslikest teooriatest kõige arenenumaks.

Pärast seda triumfi võeti QED kasutusele kolme ülejäänud põhilise interaktsiooni kvantkirjelduse mudelina. Loomulikult peavad muude interaktsioonidega seotud väljad vastama teistele kandjaosakestele.

3.2. Elektronõrga interaktsiooni teooria.

Kahekümnenda sajandi 70ndatel leidis loodusteadustes aset silmapaistev sündmus: kaks fundamentaalset vastasmõju neljast füüsikast ühendati üheks. Pilt looduse aluspõhimõtetest on muutunud mõnevõrra lihtsamaks. Elektromagnetilised ja nõrgad vastasmõjud, mis näivad oma olemuselt väga erinevad, osutusid tegelikult ühe elektroonõrga interaktsiooni kaheks variandiks. Elektrinõrga interaktsiooni teoorial oli kahekümnenda sajandi lõpus otsustav mõju elementaarosakeste füüsika edasisele arengule.

Selle teooria ülesehitamise põhiideeks oli nõrka interaktsiooni kirjeldamine mõõtevälja mõiste keeles, mille kohaselt on interaktsioonide olemuse mõistmise võtmeks sümmeetria. Kahekümnenda sajandi teise poole füüsika üks põhiideed on usk, et kõik vastasmõjud eksisteerivad ainult selleks, et säilitada looduses teatud abstraktsete sümmeetriate kogum. Mida on sümmeetrial pistmist fundamentaalsete interaktsioonidega? Juba ainuüksi oletus sellise seose olemasolust tundub esmapilgul paradoksaalne ja arusaamatu.

Kõigepealt sellest, mida sümmeetria all mõeldakse. Üldtunnustatud seisukoht on, et objektil on sümmeetria, kui objekt jääb ühe või teise teisendustoimingu tulemusena muutumatuks. Seega on kera sümmeetriline, kuna see näeb oma keskpunkti suhtes mis tahes nurga all pööratuna välja samasugune. Elektriseadused on sümmeetrilised positiivsete laengute asendamisel negatiivsetega ja vastupidi. Seega peame sümmeetria all silmas muutumatust teatud tehte all.

Sümmeetriat on erinevat tüüpi: geomeetriline, peegel, mittegeomeetriline. Mittegeomeetriliste hulgas on nn gabariidi sümmeetriaid. Mõõtmete sümmeetriad on oma olemuselt abstraktsed ega ole otseselt fikseeritud. Need on seotud mõne füüsikalise suuruse võrdlustaseme, skaala või väärtuse muutumisega. Süsteemil on gabariidi sümmeetria, kui selle olemus jääb sellise teisenduse korral muutumatuks. Nii et näiteks füüsikas sõltub töö kõrguste erinevusest, mitte absoluutsest kõrgusest; pinge - potentsiaalide erinevusest, mitte nende absoluutväärtustest jne. Sümmeetriad, millel põhineb nelja fundamentaalse vastastikmõju mõistmise revideerimine, on just seda laadi. Mõõturite teisendused võivad olla globaalsed või kohalikud. Punktiti varieeruvaid gabariiditeisendusi nimetatakse "kohalikeks" gabariiditeisendusteks. Looduses on mitmeid lokaalseid rööpmelaiuse sümmeetriaid ja nende gabariidimuutuste kompenseerimiseks on vaja sobivat arvu välju. Jõuvälju võib pidada vahendiks, mille abil loodus loob oma olemusliku lokaalse gabariidi sümmeetria. Gabariidi sümmeetria kontseptsiooni tähtsus seisneb selles, et see modelleerib teoreetiliselt kõiki nelja looduses leiduvat fundamentaalset vastastikmõju. Neid kõiki võib pidada gabariidiväljadeks.

Esitades nõrka interaktsiooni mõõteväljana, lähtuvad füüsikud asjaolust, et kõik nõrgas interaktsioonis osalevad osakesed on uut tüüpi välja - nõrkade jõudude välja - allikad. Nõrgalt interakteeruvad osakesed, nagu elektronid ja neutriinod, kannavad "nõrget laengut", mis on analoogne elektrilaenguga ja seob need osakesed nõrga väljaga.

Nõrga interaktsioonivälja kujutamiseks gabariidiväljana on kõigepealt vaja kindlaks määrata vastava gabariidi sümmeetria täpne vorm. Fakt on see, et nõrga vastasmõju sümmeetria on palju keerulisem kui elektromagnetilisel. Lõppude lõpuks osutub selle interaktsiooni mehhanism ise keerulisemaks. Esiteks, näiteks neutroni lagunemisel hõlmab nõrk interaktsioon vähemalt nelja erinevat tüüpi osakesi (neutron, prooton, elektron ja neutriino). Teiseks viib nõrkade jõudude toime nende olemuse muutumiseni (mõnede osakeste muutumine teisteks nõrga vastasmõju tõttu). Vastupidi, elektromagnetiline interaktsioon ei muuda selles osalevate osakeste olemust.

See määrab asjaolu, et nõrk interaktsioon vastab keerukamale gabariidi sümmeetriale, mis on seotud osakeste olemuse muutumisega. Selgus, et sümmeetria säilitamiseks on siin vaja kolme uut jõuvälja, vastandina ühele elektromagnetväljale. Saadi ka nende kolme välja kvantkirjeldus: uut tüüpi osakesi - interaktsiooni kandjaid - peaks olema kolm, iga välja jaoks üks. Ühiselt nimetatakse neid spin-1 raskevektorbosoniteks ja need on nõrga jõu kandjad.

W+ ja W- osakesed on kahe nõrga interaktsiooniga seotud välja kolmest kandjad. Kolmas väli vastab elektriliselt neutraalsele kandeosakesele, mida nimetatakse Z-osakeseks. Z-osakese olemasolu tähendab, et nõrga vastasmõjuga ei pruugi kaasneda elektrilaengu ülekandmine.

Elektronõrga interaktsiooni teooria loomisel mängis võtmerolli spontaanse sümmeetria katkemise kontseptsioon: igal probleemilahendusel ei pea olema kõiki selle algse taseme omadusi. Seega võivad osakesed, mis on madalal energial täiesti erinevad, suure energia juures tegelikult osutuda üheks ja samaks osakeseks, kuid erinevates olekutes. Tuginedes spontaanse sümmeetria katkemise ideele, suutsid elektronõrga interaktsiooni teooria autorid Weinberg ja Salam lahendada suure teoreetilise probleemi – nad ühendasid näiliselt kokkusobimatuid asju: ühelt poolt märkimisväärse hulga nõrkade interaktsioonikandjaid. küljest ja gabariidi invariantsuse idee, mis eeldab gabariidivälja pikamaa olemust ja tähendab teisest küljest kandeosakeste nullmassi. Seega ühendati elektromagnetism ja nõrk vastastikmõju mõõtevälja ühtseks teooriaks.

See teooria esitab ainult neli välja: elektromagnetväli ja kolm välja, mis vastavad nõrgale interaktsioonile. Lisaks on kogu ruumis kasutusele võetud konstantne skalaarväli (teatud tüüpi Higgsi väli), millega osakesed interakteeruvad erinevalt, mis määrab nende masside erinevuse. Skalaarvälja kvantid on uued nullspinniga elementaarosakesed. Neid kutsutakse Higgsideks (nimetatud füüsik P. Higgsi järgi, kes soovitas nende olemasolu). Selliste Higgsi bosonite arv võib ulatuda mitmekümneni. Selliseid bosoneid pole veel eksperimentaalselt avastatud. Pealegi peavad mitmed füüsikud nende olemasolu ebavajalikuks, kuid täiuslikku teoreetilist mudelit ilma Higgsi bosoniteta pole veel leitud. Algselt ei ole W- ja Z-kvantidel massi, kuid sümmeetria purunemisel ühinevad mõned Higgsi osakesed W- ja Z-osakestega, andes neile massi.

Teooria selgitab elektromagnetilise ja nõrga vastastikmõju omaduste erinevusi sümmeetria purustamisega. Kui sümmeetriat ei rikutaks, oleksid mõlemad vastasmõjud suurusjärgus võrreldavad. Sümmeetria katkestamine toob kaasa nõrga interaktsiooni järsu vähenemise. Võime öelda, et nõrk interaktsioon on nii väike, kuna W ja Z osakesed on väga massiivsed. Leptonid tulevad harva kokku nii lühikestel vahemaadel (r 10n cm, kus n = -16). Kuid kõrgel energial ( > 100 GeV), kui W- ja Z-osakesi saab vabalt toota, toimub W- ja Z-bosonite vahetus sama lihtsalt kui footonite (massivabade osakeste) vahetus. Footonite ja bosonite erinevus kustub Nendes tingimustes peaks elektromagnetilise ja nõrga vastastikmõju vahel olema täielik sümmeetria – elektronõrk vastastikmõju.

Uue teooria testimine seisnes hüpoteetiliste W- ja Z-osakeste olemasolu kinnitamises. Nende avastamine sai võimalikuks alles uusimat tüüpi väga suurte kiirendite loomisega. W- ja Z-osakeste avastamine 1983. aastal tähendas elektrinõrga interaktsiooni teooria võidukäiku. Neljast põhimõttelisest koostoimest polnud enam vaja rääkida. Neid on jäänud kolm.

3.3. Kvantkromodünaamika.

Järgmine samm teel fundamentaalsete interaktsioonide suure ühendamise poole on tugeva interaktsiooni ühendamine elektrinõrga interaktsiooniga. Selleks on vaja anda mõõtevälja tunnused tugevale interaktsioonile ja tutvustada üldistatud ideed isotoopsümmeetriast. Tugevat interaktsiooni võib pidada gluoonide vahetuse tulemuseks, mis tagavad kvarkide (paaris või kolmikutes) sidumise hadroniteks.

Idee on siin järgmine. Igal kvargil on elektrilaengu analoog, mis toimib gluoonvälja allikana. Seda kutsuti värviks (loomulikult pole sellel nimel tavalise värviga midagi pistmist). Kui elektromagnetvälja tekitab ainult ühte tüüpi laeng, siis keerukama gluoonvälja loomiseks oli vaja kolme erinevat värvi laengut. Iga kvark on "värvitud" ühte kolmest võimalikust värvist, mida nimetati üsna meelevaldselt punaseks, roheliseks ja siniseks. Ja vastavalt antiikesemed on anti-punane, anti-roheline ja anti-sinine.

Järgmises etapis töötatakse välja tugeva interaktsiooni teooria sama skeemi järgi nagu nõrga interaktsiooni teooria. Kohaliku gabariidi sümmeetria nõue (st invariantsus värvimuutuste suhtes igas ruumipunktis) toob kaasa vajaduse kehtestada kompenseerivad jõuväljad. Kokku on vaja kaheksat uut kompenseerivat jõuvälja. Nende väljade kandjaosakesed on gluoonid ja seega eeldab teooria, et erinevat tüüpi gluoone peab olema tervelt kaheksa, samas kui elektromagnetilise jõu kandja on ainult üks (footon) ja nõrga jõu kandjaid kolm. . Gluoonidel on null puhkemass ja spin 1. Gluoonidel on ka erinevaid värve, kuid mitte puhtaid, vaid segamini (näiteks sinine-anti-roheline). Seetõttu kaasneb gluooni emissiooni või neeldumisega kvargi värvuse muutumine (“värvide mäng”). Näiteks punane kvark, mis kaotab punase anti-sinise gluooni, muutub siniseks kvargiks ja roheline kvark, mis neelab sinist anti-rohelist glükooni, muutub siniseks kvargiks. Näiteks prootonis vahetavad kolm kvarki pidevalt gluoone, muutes nende värvi. Sellised muutused ei ole aga olemuselt meelevaldsed, vaid alluvad rangele reeglile: igal ajahetkel peab kolme kvargi “kogu” värv olema valge hele, s.t. summa "punane + roheline + sinine". See kehtib ka mesonite kohta, mis koosnevad kvark-antikvark paarist. Kuna antikvarkile on iseloomulik antivärv, on selline kombinatsioon ilmselgelt värvitu (“valge”), näiteks punane kvark koos antipunase kvargiga moodustab värvitu mesoni.

Kvantkromodünaamika (kvantvärviteooria) seisukohalt pole tugev interaktsioon midagi muud kui soov säilitada teatud abstraktne looduse sümmeetria: kõigi hadronite valge värvuse säilitamine, muutes samal ajal nende koostisosade värvi. Kvantkromodünaamika selgitab suurepäraselt reegleid, mis reguleerivad kõiki kvarkide kombinatsioone, gluoonide vastastikmõju, pilvedesse “riidetud” kvarkidest koosneva hadroni keerulist struktuuri jne.

Võib olla ennatlik hinnata kvantkromodünaamikat tugeva interaktsiooni lõplikuks ja täielikuks teooriaks, kuid selle saavutused on siiski paljulubavad.

3.4. Teel... Suure ühinemise poole.

Kvantkromodünaamika loomisega tekkis lootus luua ühtne teooria kõigi (või vähemalt kolme neljast) fundamentaalsete interaktsioonide kohta. Mudeleid, mis kirjeldavad ühtselt vähemalt kolme neljast fundamentaalsest interaktsioonist, nimetatakse Grand Unified mudeliteks. Teoreetilisi skeeme, mis ühendavad kõiki teadaolevaid vastasmõju liike (tugev, nõrk, elektromagnetiline ja gravitatsiooniline), nimetatakse supergravitatsioonimudeliteks.

Nõrkade ja elektromagnetiliste interaktsioonide eduka kombineerimise kogemus, mis põhineb gabariidiväljade ideel, pakkus välja võimalikud viisid füüsika ühtsuse põhimõtte edasiarendamiseks ja fundamentaalsete füüsikaliste vastastikmõjude ühendamiseks. Üks neist põhineb hämmastaval tõsiasjal, et elektromagnetilise, nõrga ja tugeva vastastikmõju interaktsioonikonstandid saavad sama energia juures üksteisega võrdseks. Seda energiat nimetati ühendamise energiaks. Energiatel üle 10n GeV, kus n = 14, või kaugustel r 10n cm, kus n = -29, kirjeldatakse tugevat ja nõrka vastastikmõju ühe konstandiga, st neil on ühine olemus. Kvargid ja leptonid on siin praktiliselt eristamatud.

70-90ndatel töötati välja mitu konkureerivat Suure ühendamise teooriat. Kõik need põhinevad samal ideel. Kui elektrinõrgad ja tugevad jõud on tõesti vaid suure ühtse jõu kaks poolt, siis peaks ka viimasel olema mingi keerulise sümmeetriaga seotud mõõtväli. See (sümmeetria) peab olema piisavalt üldine, suutma katta kõiki mõõtu sümmeetriaid, mis sisalduvad nii kvantkromodünaamikas kui ka elektronõrga interaktsiooni teoorias. Sellise sümmeetria leidmine on peamine ülesanne tugeva ja elektrinõrga interaktsiooni ühtse teooria loomisel. On erinevaid lähenemisviise, mis toovad esile konkureerivad versioonid Suure ühendamise teooriatest.

Kõigil neil Suure ühendamise hüpoteetilistel versioonidel on aga mitmeid ühiseid jooni:

Esiteks on kõigis hüpoteesides kvargid ja leptonid - tugeva ja elektrinõrga interaktsiooni kandjad - ühendatud ühte teoreetilisesse skeemi. Seni on neid peetud täiesti erinevateks objektideks.

Teiseks viib abstraktsete gabariidisümmeetriate kasutamine uut tüüpi väljade avastamiseni, millel on uued omadused, näiteks võime muuta kvarke leptoniteks. Suure ühtse teooria kõige lihtsamas versioonis on kvarkide leptoniteks muutmiseks vaja 24 välja. Nende väljade kvantidest on teada juba kaksteist: footon, kaks W-osakest, Z-osake ja kaheksa gluooni. Ülejäänud kaksteist kvanti on uued ülirasked vahebosonid, mis on ühendatud üldnimetuse X ja Y all - osakesed (elektrilaenguga 1/3 ja 4/3). Need kvantid vastavad väljadele, mis säilitavad laiema gabariidi sümmeetria ja segavad kvarke leptonitega. Järelikult võivad nende väljade kvantid (st X- ja Y-osakesed) muuta kvarke leptoniteks (ja vastupidi).

Grand Unified teooriatele tuginedes ennustatakse vähemalt kahte olulist mustrit, mida saab ja tuleks katseliselt testida: prootoni ebastabiilsus ja magnetiliste monopoolide olemasolu. Prootonite lagunemise ja magnetiliste monopoolide eksperimentaalne tuvastamine võib anda tugeva argumendi Grand Unified teooriate kasuks. Eksperimentaalsed jõupingutused on suunatud nende ennustuste kontrollimisele. Kuid selle teema kohta pole veel kindlalt tõestatud eksperimentaalseid andmeid. Fakt on see, et Grand Unified teooriad käsitlevad osakeste energiat üle 10n GeV, kus n = 14. See on väga kõrge energia. Raske öelda, millal on võimalik kiirendites saada nii suure energiaga osakesi. See seletab eelkõige X- ja Y-bosonite tuvastamise raskust. Seetõttu on Grand Unified teooriate peamine rakendus- ja testimisvaldkond kosmoloogia. Ilma nende teooriateta on võimatu kirjeldada Universumi evolutsiooni varajast etappi, mil primaarse plasma temperatuur jõudis 10n K-ni, kus n = 27. Just sellistes tingimustes võisid sündida ja hävida ülirasked osakesed.

Seega saab selgeks, et Grand Unified teooria tõestamine on tänapäeval füüsikute põhiülesanne, sest see teooria mitte ainult ei aita ühendada erinevad killud inimeste teadmistest üheks pildiks, vaid astub ka sammu Universumi päritolu mõistmise suunas.

Bibliograafia.

Kooliõpilase käsiraamat. 5-11 klassid. 2004. aasta

Cyrili ja Methodiuse arvutientsüklopeedia. 2005

I. L. Rosenthal "Elementaarosakesed ja universumi struktuur". 1984. aasta

Elementaarosakeste probleem

Aine "sügavustesse" liikumise eri etappidel nimetati mitmesuguseid osakesi elementaarseteks (struktuurituteks). Universumi põhiliste "ehituskivide" otsimisel tegi inimene algselt kindlaks, et kõik ühendid koosnevad "elementaarmolekulidest". Siis selgus, et molekulid on ehitatud “elementaaraatomitest”. Sajandeid hiljem avastati, et "elementaaraatomid" on ehitatud "elementaarsetest" tuumadest ja nende ümber tiirlevatest elektronidest. Lõpuks avastati, et tuumad ise on ehitatud prootonitest ja neutronitest, mida veel suhteliselt hiljuti peeti sisemise struktuurita elementaarosakesteks. Pärast neutroni avastamist 1932. aastal tundus, et põhilised ehitusplokid, millest tavaline aine on ehitatud, on loodud: prootonid, neutronid, elektronid ja footonid.

Kuid alates 1933. aastast on avastatud elementaarosakeste arv kiiresti kasvanud. Kui nende arv ületas saja, sai selgeks, et nii suur hulk osakesi ei saa toimida aine elementaarsete komponentidena.

Nad püüdsid äsja avastatud elementaarosakesi klassifitseerida ennekõike massi järgi. Nii ilmnes elementaarosakeste jagunemine leptoniteks (kerged) ja barüoniteks (rasked). Meile tuntud elektron, positroon ja neutriino kuuluvad leptonite hulka ning prooton ja neutron barüonitele. On veel üks elementaarosakeste rühm - mesonid (vahepealsed).

Barüonid ja mesonid kui nn tugevas vastasmõjus osalevad osakesed (vt allpool) liidetakse sageli hadronite rühmaks.

Elementaarosakeste probleem, mille arv ületas kolme ja poolesaja piiri, tundus pikka aega lahendamatu. Läbimurre saabus siis, kui 60ndatel pakuti välja kvarkide mudel, mis põhines hüpoteesil uute tõeliselt elementaarsete osakeste olemasolust, mida nimetati kvarkideks. Kvargimudelis käsitletakse kõiki barüone kolme kvargi kombinatsioonidena ning mesoneid kvargi ja antikvargi kombinatsioonidena.

Elementaarosakeste põhiomadused

Elementaarosakeste peamised omadused on järgmised:

Mass – m

Eluaeg – τ

Elektrilaeng–q

Barüoni- ja leptoniarvud (laengud)– B, L

Spin – s

Subatomaarsete osakeste üks peamisi omadusi on nende mass, mis samaaegselt määrab ka nende puhkeenergia. Nullmassiga osakeste hulgas on footonid tuntuimad. Neutriino mass võib olla ka null. Elektron on nullist erineva massiga stabiilsetest osakestest kergeim (me =0,911·10-30 kg). Prootonil on barüonide seas väikseim mass

(m p =1,672·10 -27 kg). Neutroni mass on veidi suurem kui prootoni mass: mn − mp

2,5 me.

Elektron ja prooton on stabiilsed osakesed. Vaba neutroni eluiga on umbes 900 sekundit. Enamik elementaarosakesi on väga ebastabiilsed, nende eluiga ulatub mõnest mikrosekundist 10-23 sekundini.

Elektrilaeng. Kõikide uuritud elementaarosakeste (v.a kvargid!) elektrilaengud on e täisarvulised kordsed

1,6·10-19 C (e on elementaarlaeng, arvuliselt võrdne elektroni või prootoni laenguga). Meie maailmas kehtib elektrilaengu jäävuse universaalne seadus: isoleeritud süsteemi kogu elektrilaeng säilib.

Barüoni (B) ja leptoni (L) numbrid (laengud) iseloomustada, kas osake kuulub barüonide või leptonite klassi. Barüonitel pole leptonilaengut ( L = 0), barüoni osakeste B jaoks = 1, antiosakeste jaoks B = -1. Leptonitel puudub barüonlaeng ja nende leptonilaeng on võrdne L = 1 – osakeste jaoks (elektron, neutriino) ja vastavalt L = -1 – antiosakeste jaoks (positron, antineutrino).

Elementaarosakeste peamine omadus on nende võime läbi viia vastastikusi teisendusi, mis toimuvad ainult tingimusel, et säilivad kõik ülalkirjeldatud laengutüübid: elektrilised, barüon-, lepton- (lisaks energia jäävuse seadused, impulss ja impulsimoment).

Spin(id) on elementaarosakeste spetsiaalne sisemine omadus, mis on seotud nende enda (spin)impulsiga, mida mõõdetakse

ühikut h (Plancki konstant) või ћ =									(h läbi kriipsutatud).
ћ ühikutes võtab kõigi elementaarosakeste spinn väärtused või
täisarvud: 0, 1, 2, … või pooltäisarvud: 1								, …

Pooltäisarvulise spinniga osakesi nimetatakse fermionideks ja täisarvuliste spinniga osakesi bosoniteks. Fermionid kuuletuvad Pauli välistamispõhimõte mille kohaselt kaks identset osakest ei saa olla samas kvantseisundis.34 Kõik fermioonid on aineosakesed.

Bosonid, vastupidi, kipuvad kõik sattuma samasse olekusse. Kõik bosonid on mingi välja kvantosakesed. Kõigist bosonitest on footonid universumis kõige levinumad.

34 Kvantseisundit iseloomustab täielikult neljast kvantarvust koosnev hulk: kolm neist on seotud ruumi kolmemõõtmelisusega ja neljas spinniga.

Seega toimivad fermionid "puhaste individualistidena", samas kui bosonid on tõelised "kollektivistid".

Fundamentaalsed fermionid – leptonid ja kvargid

Praegu peetakse tõeliselt elementaarseteks osakesteks, millest kogu meie maailma aine on ehitatud, leptoniteks ja kvarkideks, mille spinn on ½.

Leptoni perekond koosneb kolme põlvkonna osakestest: kuni esimene põlvkond hõlmavad elektrone e - ja elektronneutriinoν e; teine ​​põlvkond– muuon μ ja müüoni neutriinoν μ ja lõpuks kolmas põlvkond–

taon τ - ja taon neutriino ν τ:

				μ −
	ν e			νμ		ν τ

Elektron, müüon ja taon ilmuvad paarikaupa ainult koos oma neutriinodega.Nende tohutu läbitungimisvõime, laengu puudumine ja äärmiselt väike, võib-olla nullmass muutsid nad paljudeks aastateks tabamatuks. Kõigist elementaarosakestest kõige tabamatumaks osutus tau neutriino, mis avastati alles 2000. aasta suvel.

Neutriinod on nii "kehatud", et tungivad kergesti läbi Maa paksuse ja suudavad läbida mitme valgusaasta paksuse pliikihi. Samal ajal on neutriinod koos footonitega meie maailmas kõige levinumad osakesed. Kui kogu aine, sealhulgas kõik galaktikad ja galaktikatevaheline tolm, oleks ühtlaselt jaotunud kogu universumi ruumalas, oleks ruumi iga kuupmeetri kohta üks prooton ja üks elektron. Footoneid ja neutriinosid on miljardeid kordi rohkem: igas kuupsentimeetris on umbes 500 osakest.

Neutriinod tutvustas esmakordselt Pauli, et selgitada tuumade beeta-lagunemist,

kus toimub prootoni muundumine neutroniks (nn β + - lagunemine) ja neutroni muundumine prootoniks:

	→ 0 n						→ 1 lk	+− 1 e

Pange tähele, et neutroni muundumine prootoniks on energeetiliselt soodne (kuna prootoni mass on väiksem kui neutroni mass). See seletab vaba neutroni ebastabiilsust.

Kui neutroni prootoniks muundumine toimub tuuma sees,

seda nimetatakse β - - lagunemiseks. Sel juhul on β-osakeseks elektron.

Prootoni neutroniks muutmise protsess nõuab energiat ja saab toimuda ainult tuuma sees. β + - lagunemisega kaasneb elektroniga täiesti sarnase, kuid vastupidise märgiga elektrilaenguga osakese sünd, mida nimetatakse positroniks +1 e 0.

Lisaks elektronile (või positronile) on veel üks elementaarosake, mida nimetatakse neutriinoks − 0 ν 0 (osake,

kaasnev β - − lagunemine).

Antiosakesed

Elektroni ja positroni olemasolu viitab sellele, et teistel elementaarosakestel võivad olla oma kaksikud. Tõepoolest, peaaegu igal osakesel on oma antiosake, mille mass on täpselt võrdne osakese massiga ja laengu märk on vastupidine. Samuti on üsna haruldane tõeliselt neutraalsete osakeste tüüp, millel pole kaksikuid (footoneid). Põhimõtteliselt võib eksisteerida antiaatom, mille tuum koosneb antiprootonitest ja antineutronitest ning elektronid on asendatud antielektronidega (positronitega), antimolekuli ja lõpuks antiainega, mille omadused ei erine omadustest. tavalisest ainest.

Osakeste ja antiosakeste kõige olulisem omadus on nende hävitamisvõime. Osakese hävitamine - antiosakeste paar (ladina sõnast annihilatio -

hävimine, kadumine) on üks elementaarosakeste vastastikuse muundamise tüüpe, millega kaasneb energia vabanemine, näiteks elektroni ja positroni muundumine nende kokkupõrkel footoniteks (elektromagnetkiirgus):

1 e0 + +1 e0 → 2γ

Võimalik on ka vastupidine efekt – elektron-positroni paari tekkimine kahe footoni põrkumisel. On selge, et footoni energia ei tohi olla vähem kui kaks korda suurem elektroni puhkeenergiast E γ > 2m e c 2 (natuke rohkem

1 MeV).

Meie maailm koosneb mateeriast. Maal, Päikesesüsteemis ja Päikesesüsteemi vahetult ümbritsevas kosmoses pole antiainet märgatavalt palju, kuna annihilatsioonireaktsioonide tõttu on osakeste ja antiosakeste tihe kooseksisteerimine võimatu. Need vähesed antiosakesed, mida saab laboritingimustes toota, surevad varem või hiljem. Stabiilsete antiosakeste (näiteks antiprootonite või positronite) pikaajaline olemasolu on võimalik ainult väikese ainetihedusega - spetsiaalsetes laetud osakeste akumulaatorites või kosmoses. Küsimused selle kohta, miks meie maailm koosneb mateeriast, millal ja miks tekkis meie universumi asümmeetria, on põhimõttelise tähtsusega ja köidavad jätkuvalt teoreetiliste füüsikute tähelepanu.

Teist põhiliste elementaarosakeste perekonda, millest on ehitatud hadronid (barüonid ja mesonid), nimetatakse kvarkideks. Kvarke on kuus sorti (füüsikud nimetavad neid “maitseteks”), mis sarnaselt leptonitega rühmituvad paaridesse ja moodustavad kolm põlvkonda. Esimene põlvkond– u ja d kvargid (üles-üles ja alla

Madalam); teine ​​põlvkond - s- ja c-kvargid (kummaline - kummaline ja võluv -

lummatud) ja lõpuks kolmas põlvkond - b ja t kvargid (ilu - ilus ja tõeline - tõsi ; mõnikord kutsutakse neid alt ja ülevalt ). Viimane kuues t-kvark avastati suhteliselt hiljuti (1995. aastal).

Kvargid on fermionid (nende pöörlemine on ½, nagu leptonitel). Sel juhul on võimalik kaks vektorprojektsiooniga sisemist kvantolekut -

tagasi: +1/2 ja –1/2

Kvarkide barüoniarv on antikvarkide puhul võrdne kolmandikuga B = 1/3

− B = –1/3. Igal kvargil on veel üks omadus, mida füüsikud nimetavad maitseks (veidrus, võlu jne).

Kõige üllatavam on see, et kvarkidel on murdosa elektrilaeng, mille väärtus on kas 2/3 elementaarlaengust (kvargi laeng on positiivne) või 1/3 elektroni laengust (laengumärk on negatiivne).

Kõik barüonid on kolme kvargi kombinatsioonid. Nukleonid - aatomituumade põhialus, on kõige kergemad barüonid ja koosnevad esimese põlvkonna kvarkidest. Prooton koosneb kahest u-kvargid ja üks d-kvark, neutron kahest d-kvargist ja ühest u-kvargist:

Lihtne on kontrollida, kas prootonilaeng on võrdne ühtsusega (2/3+2/3–1/3 = +1) ja neutronilaeng on null (2/3 – 1/3 – 1/ 3 = 0).

Neutron on prootonist raskem, kuna d-kvark on raskem kui u-kvark.

β + – ja β – – protsessid lagunevad, kuna kvarkide (u d) omavaheline muundumine saavad uue seletuse.

Mesoneid toodetakse kvark-antikvark paari kombinatsioonist. Selge see
mesonite barüonarv on null,						spin on võrdne	null või üks.
Kolme antikvargi kombinatsioonid moodustavad antibarüone (antiprootonid,
antineutronid jne).
Tabelis 1 on esitatud kõik põhilised fermioonid -
aine struktuuri struktuuriüksused.
			Tabel nr 1
		Fundamentaalsed fermioonid
Sihtasutus-
	Põlvkonnad						III Elektriline
fermionid			põlvkond			põlvkond	põlvkond
	laetud
			elektron					−1
						νμ	ντ
	neutriino		elektrooniline
					võlutud		tõsi
							ilus
Kogu hadronite mitmekesisus tuleneb mitmesugustest kombinatsioonidest
antud						aroomid.

vastavad ainult u- ja d-kvarkidest konstrueeritud seotud olekutele. Kui seotud olekus on koos u - ja d -kvarkidega näiteks s - või c -kvark, siis nimetatakse vastavat hadronit kummaliseks või

võlutud.

Asjaolu, et kõiki teadaolevaid barüone ja mesoneid oli võimalik saada erinevatest kvarkide kombinatsioonidest, sümboliseeris kvarkide teooria peamist võidukäiku. Kõik jõupingutused üksikute kvarkide tuvastamiseks olid aga asjatud. Tekkinud on paradoksaalne olukord. Kahtlemata eksisteerivad kvargid hadronite sees. Seda tõendab mitte ainult hadronite vaadeldav kvarkide süstemaatika, vaid ka nukleonide otsene "ülekanne" kiirete elektronide kaudu. Selles katses (sisuliselt täiesti sarnane Rutherfordi katsega) avastati, et hadronite sees on elektronid hajutatud punktosakestele, mille laengud on võrdsed –1/3 ja +2/3 ning spinn on võrdne ½, st otsesed füüsilised tõendid. kvarkide olemasolust hadronites. Kuid hadronitest on kvarke võimatu eemaldada. Seda nähtust nimetatakse "kinnipidamiseks"

(sulus – vangistus, inglise keel).

Põhilised interaktsioonid

Järgmine fundamentaalne küsimus, millele teadus peab vastama aine struktuuri selgitamiseks, on seotud osakeste vahelise interaktsiooni olemuse ja olemusega, mis teatud tingimustel viib seotud olekute tekkeni. Mis paneb kvargid ühinema nukleonideks, nukleonid tuumadeks, tuumad ja elektronid aatomiteks, aatomid molekulideks? Miks on universumis mateeria kuhjunud planeetide, tähtede ja galaktikate kujul? Mis on nende jõudude olemus, mis põhjustavad kõiki meie materiaalses maailmas toimuvaid muutusi?

Selgub, et kõike, mis looduses toimub, saab taandada õiglaseks

neli põhilist interaktsiooni

Fundamentaalsete vastastikmõjude roll looduses

Gravitatsiooniline interaktsioon on kõige nõrgem ja samas ka universaalsem. Gravitatsiooniline interaktsioon toimib mis tahes massi või energiaga objektide vahel. Just gravitatsioon ei lase universumil laguneda, koguda ainet planeetideks ja tähtedeks, hoida planeete orbiidil, "ühendada" tähti galaktikateks. Üldiselt mängib astronoomilises mastaabis gravitatsiooniline interaktsioon otsustavat rolli. Mikrokosmoses võib gravitatsiooni teiste intensiivsemate vastasmõjudega võrreldes tähelepanuta jätta.

Elektromagnetiline interaktsioon ühine kõigile osakestele

millel on elektrilaeng. Nagu gravitatsiooniline, on ka elektromagnetiline vastastikmõju pikamaa ja seadus, mis määrab puhkeolekus punktlaengute vahel mõjuva jõu, on sarnane gravitatsiooniseadusega – see on koolist tuntud Coulombi seadus:

		m 1 m 2			q 1 q 2

Kuid erinevalt gravitatsioonist, mis on alati külgetõmbejõud, eksisteerib elektriline külgetõmme ainult vastasmärgiliste laengute vahel, samas kui sama märgiga laengud tõrjuvad. Tänu elektromagnetilisele vastasmõjule on võimalik aatomite ja molekulide moodustumine. Molekulidevahelised jõud, mis määravad aine erinevate agregatsiooniseisundite omadusi, on samuti elektrilist laadi. Enamik jälgitavaid füüsikalisi jõude (elastsus, hõõrdumine jne) taanduvad tegelikult sellele; see on ainete keemiliste muundumiste ja kõigi vaadeldavate elektriliste, magnetiliste ja optiliste nähtuste aluseks.

Tugev ja nõrk koostoime ilmuvad ainult mikrokosmoses, subnukleaarsel tasemel.

Tugev interaktsioon omane kvarkidele ja kvarkide moodustistele – hadronitele. Tugeva interaktsiooni põhiülesanne on kvarkide (ja antikvarkide) ühendamine hadroniteks. Tuumajõud, mis ühendavad nukleonid tuumadeks, on tugeva interaktsiooni (mida sageli nimetatakse tugevaks jääkinteraktsiooniks) spetsiifilised kajad.

Nõrk interaktsioon omane kõigile fundamentaalsetele fermionidele. Neutriinode jaoks on see ainus interaktsioon, milles nad osalevad. Erinevalt tugevast interaktsioonist on nõrga interaktsiooni funktsioon osakeste olemuse (maitse) muutmine ehk ühe kvargi teisendamine teiseks (sama kehtib leptonite kohta).

Nõrga interaktsiooni puudumisel poleks stabiilsed mitte ainult prooton ja elektron, vaid ka nõrga interaktsiooni tagajärjel lagunevad müüonid, π - mesonid, kummalised ja võlutud osakesed. Kui suudaksime nõrga vastasmõju "välja lülitada", kustuks Päike,

alates prootoni neutroniks muutmise protsessist (β-lagunemine), mille tulemusena muutuvad neli prootonit 2 He4-ks, kaks positronit ja kaks neutriinot (nn vesiniktsükkel, mis toimib peamise energiaallikana Päike ja enamik tähti.) oleks võimatu.

Fundamentaalsete interaktsioonide tunnused

Interaktsioonide intensiivsust saab hinnata nende põhjustatud protsesside kiiruse järgi. Tavaliselt võrreldakse omavahel protsessi kiirus osakeste füüsikale iseloomulikul energial 1 GeV. Selliste energiate korral on protsess põhjustatud tugevast koostoimest

toimub ajaga 10-24 s, elektromagnetiline protsess ajaga 10-21 s, nõrga interaktsiooni tõttu toimuvate protsesside iseloomulik aeg on palju pikem: 10-10 s.