Problemy współczesnej teorii cząstek elementarnych. Streszczenie: Cząstki elementarne. Elektromagnetyczny model neutronu

Około 400 lat temu William Gilbert sformułował postulat, który można uznać za główny postulat nauk przyrodniczych. Pomimo tego, że w naszych czasach nie można znaleźć badacza, który nie zgodziłby się z tym stwierdzeniem, wiele współczesnych teorii fizycznych nie spełnia tej zasady.

W fizyce mikroświata istnieje kilka ogólnie przyjętych modeli, które również nie spełniają postulatu Hilberta. Modele te nie umożliwiają obliczenia głównych parametrów charakterystycznych, takich jak masy i momenty magnetyczne cząstek elementarnych. W artykule omówiono alternatywne podejście do rozwiązania tego problemu.

Rozważane jest nowe podejście do problemu natury sił jądrowych. Wykazano, że przyciąganie w parze proton-neutron może powstać w wyniku wymiany relatywistycznego elektronu. Oszacowanie energii takiej wymiany jest zgodne z eksperymentalną wartością energii wiązania niektórych lekkich jąder. W tym przypadku neutron jest uważany za cząstkę złożoną składającą się z protonu i relatywistycznego elektronu, co pozwala przewidzieć jego masę, moment magnetyczny i energię rozpadu.

W ramach standardowej Maxwellowskiej teorii pola elektromagnetycznego wykazano, że możliwe jest wzbudzenie w pustej przestrzeni (eterze) magnetycznego kwantu γ (rozbłysku pola magnetycznego), pozbawionego elementu elektrycznego i posiadającego spin ħ / 2 Cechą charakterystyczną takiego magnetycznego kwantu γ jest słabość jego oddziaływania z materią, która jest o wiele rzędów wielkości mniejsza niż w przypadku fali elektromagnetycznej. Właściwości te sugerują, że magnetyczny kwant γ można utożsamić z neutrinem. Na tej podstawie można na nowo spojrzeć na naturę π-mezonu, μ-mezonu i λ-hiperonu, obliczając ich masy i moment magnetyczny.

1. Główny postulat nauk przyrodniczych.

1.1. Postulat Hilberta a fizyka współczesna.

2. Proton i neutron.

2.1. Proton i neutron w modelu kwarku Gella-Manna.

2.2. Model protonu składającego się z kwarków o ładunku całkowitym.

2.3. Właściwości fizyczne neutronu.

2.4. Struktura neutronów.

2.4.1. Elektromagnetyczny model neutronu.

2.4.2. Podstawowe parametry neutronu.

2.5. Dyskusja.

3. O naturze sił nuklearnych.

3.1. Molekularny jon wodoru.

3.2. Deuteron.

3.3. Jądra lekkie.

3.3.1. Jądro 3 2 He.

3.3.2. Jądro 4 2 He.

3.3.3. Jądro 6 3 Li.

3.4. Dyskusja.

4. Neutrina i mezony.

4.1. Neutrino.

4.2. Mezony.

4.3. Stan podekscytowania z S = 0.

4.4. Stan podekscytowania z N= 2 i S = ħ  / 2.

5. Wniosek.

1. Główny postulat nauk przyrodniczych

Naszym współczesnym, których poziom wykształcenia odpowiada rozwojowi nauki w XXI wieku, może się wydawać, że nauka średniowieczna skupiała się na teologii, astrologii i alchemii. Ale to absolutnie nie jest prawdą. Średniowiecze to czas, w którym ukształtowały się podstawy nowożytnej nauki.

Średniowieczny uczony William Gilbert (1544...1603) wprowadził do użytku naukowego pojęcia pola elektrycznego i magnetycznego, stawiając pierwszy krok w kierunku zrozumienia natury elektromagnetyzmu. Jako pierwszy podjął próbę wyjaśnienia natury pola magnetycznego Ziemi. Ale jednocześnie wydaje się, że najważniejszym jego wkładem w naukę jest opracowana przez niego zasada, która stała się główną zasadą badań współczesnych nauk przyrodniczych*.

* Można założyć, że idea tej zasady, jak mówią, wisiała w powietrzu wśród wykształconych ludzi tamtych czasów. Ale znalazłem swoje sformułowanie, które do nas sprowadziło tę zasadę, dzięki W. Gilbertowi.

Zasada Hilberta jest sformułowana w prosty sposób:

Wszystkie konstrukty teoretyczne, które pretendują do miana naukowego, muszą zostać przetestowane i potwierdzone eksperymentalnie.

Wydaje się, że wśród naszych współczesnych naukowców nie ma nikogo, kto by się temu sprzeciwił. Jednak w XX wieku powstał cały szereg konstrukcji naukowych, które zostały zaakceptowane przez środowisko naukowe i nadal dominują w swoich dziedzinach wiedzy, ale jednocześnie nie spełniają zasady Hilberta.

1.1. Postulat Hilberta a fizyka współczesna

Należy podkreślić, że zdecydowana większość współczesnych modeli teoretycznych odpowiednio i dokładnie odzwierciedla właściwości materii i prawa Natury, ponieważ na wszystkich etapach konstrukcja tych teorii odbywa się w pełnej zgodności z zasadą Hilberta.

Jednak w wielu przypadkach modele opracowane przez teoretyków okazały się błędne.

Rozważmy niektóre problemy mikroświata, przy rozwiązaniu których naruszona została zasada Hilberta.

2. Proton i neutron

2.1. Proton i neutron w modelu kwarku Gella-Manna

Wydaje się, że specjaliści w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych najpierw wychodzili z założenia, że ​​podczas tworzenia świata każdej cząstce elementarnej zostały indywidualnie dobrane odpowiednie parametry: ładunek, spin, masa, moment magnetyczny itp.

Gell-Mann nieco uprościł tę pracę. Opracował regułę, według której zbiór kwarków określa całkowity ładunek i spin powstałej cząstki elementarnej. Ale masy i momenty magnetyczne tych cząstek nie podlegają tej regule.

Ryż. 1. Struktura kwarkowa protonu i neutronu według Gell-Manna. Ładunki kwarków dobiera się tak, aby przemiana neutronu w proton odbywała się poprzez zastąpienie jednego kwarku d kwarkiem u. Model Gell-Manna nie pretenduje do przewidywania mas i momentów magnetycznych protonu i neutronu

Model kwarkowy Gell-Manna zakłada, że ​​kwarki wchodzące w skład wszystkich cząstek elementarnych (z wyjątkiem najlżejszych) powinny mieć ułamkowy (równy 1/3 mi lub 2/3 mi) ładunek elektryczny.

W latach 60. po sformułowaniu tego modelu wielu eksperymentatorów próbowało znaleźć cząstki o ładunku ułamkowym. Ale bezskutecznie.

Aby to wyjaśnić założono, że kwarki charakteryzują się uwięzieniem, tj. właściwość, która zabrania im wyrażania się w jakikolwiek sposób w wolnym państwie. Jednocześnie jasne jest, że zamknięcie powoduje, że kwarki nie są podporządkowane zasadzie Hilberta. W tej formie model kwarków z ładunkami ułamkowymi pretenduje do miana naukowego bez potwierdzenia danymi pomiarowymi.

Należy zauważyć, że model kwarkowy z powodzeniem opisuje niektóre eksperymenty dotyczące rozpraszania cząstek przy wysokich energiach, na przykład powstawanie dżetów czy cechę rozpraszania cząstek wysokoenergetycznych bez zniszczenia. Nie wydaje się to jednak wystarczające, aby uznać istnienie kwarków o ładunku ułamkowym.

2.2. Model protonu składającego się z kwarków o ładunku całkowitym

Postawmy sobie za cel zbudowanie modelu protonu z kwarków o ładunku całkowitym tak, aby przewidywał masę i moment magnetyczny protonu. Założymy, że podobnie jak w modelu Gell-Manna proton składa się z trzech kwarków. Ale w naszym przypadku dwa z nich mają ładunek + mi i jeden - mi. Niech te kwarki nie mają własnego spinu, a ich ruch kwantowy wyraża się przez ich obrót wokół wspólnego środka po okręgu o promieniu R.

Ryż. 2.

Niech promień będzie R jest określona przez fakt, że na obwodzie 2π R odpowiada długości fali de Broglie’a kwarka λ D:

Uogólniony moment pędu (spin) układu będzie się składał z dwóch składników: mechanicznego momentu pędu wszystkich trzech kwarków 3 p q ×  R oraz moment pędu pola magnetycznego wytworzonego przez kwark o nieskompensowanym ładunku \(\frac(e)(c)(\bf(A))\):

i moment magnetyczny prądu kołowego

tutaj β = w/C.

Opierając się na fakcie, że spin protonu jest równy ħ / 2, mamy

Całkowita masa trzech kwarków

Biorąc pod uwagę wielkość masy kwarku (8), wytworzony przez nią moment magnetyczny jest równy

2.3. Właściwości fizyczne neutronu

W modelu kwarków Gella-Manna zakłada się, że neutron jest cząstką elementarną w tym sensie, że składa się z innego zestawu kwarków niż proton. W latach 30. ubiegłego wieku fizycy teoretyczni doszli do wniosku o elementarności neutronu, nie opierając się na danych pomiarowych, które wówczas nie istniały.

Aby wyjaśnić dane pomiarowe parametrów neutronu – momentu magnetycznego neutronu, masy i energii jego rozpadu – rozważmy elektromagnetyczny model neutronu, w którym nie jest on cząstką elementarną.

Załóżmy, że neutron, podobnie jak atom wodoru Bohra, składa się z protonu, wokół którego w bardzo małej odległości od niego obraca się elektron. W pobliżu protonu ruch elektronu powinien być relatywistyczny. Jednak osobliwością stabilnej orbity utworzonej w tym przypadku jest to, że przy jej obliczaniu wszystkie poprawki relatywistyczne kompensują się wzajemnie i są całkowicie eliminowane.

Rozważmy bardziej szczegółowo elektromagnetyczny model neutronu.

2.4. Struktura neutronów

2.4.1. Elektromagnetyczny model neutronu

W pierwszych dniach po odkryciu neutronu w fizyce dyskutowano nad tym, czy należy go uważać za cząstkę elementarną. Nie było danych eksperymentalnych, które mogłyby pomóc rozwiązać ten problem i wkrótce uznano, że neutron, podobnie jak proton, jest cząstką elementarną. Jednakże fakt, że neutron jest niestabilny i rozpada się na proton i elektron (+antyneutrino) daje podstawy do zaklasyfikowania go jako nieelementarnej cząstki złożonej.

Rozważmy cząstkę złożoną, w której wokół protonu porusza się prędkość w → C cząstka o masie spoczynkowej obraca się Ja i ładuję - mi. (Wcześniej podobne podejście rozważano w pracach i).

Wybierzmy cylindryczny układ współrzędnych, w którym oś z pokrywa się z kierunkiem momentu magnetycznego protonu

Pomiędzy dodatnio naładowanym protonem a ujemnie naładowanym elektronem musi istnieć siła przyciągania kulombowskiego (, §24):

co objawia się siłą Lorentza:

oraz siła wytworzona przez pole magnetyczne pierścienia, dążąca do jego rozerwania

Rezultatem jest równanie równowagi z niewiadomymi R 0 i β przyjmuje postać:

Pole magnetyczne w układzie tworzone jest przez moment magnetyczny protonu

Tutaj α = mi 2  / ħc– stała struktury drobnej,

r = ħ  / ja c– Promień Comptona.

Aby zapisać drugie równanie łączące te parametry, korzystamy z twierdzenia o wirialu. Zgodnie z tym twierdzeniem energia kinetyczna cząstek połączonych oddziaływaniem elektromagnetycznym podczas ich skończonego ruchu jest równa połowie ich energii potencjalnej, przyjętej z przeciwnym znakiem:

dlatego drugie równanie łączące te parametry przyjmuje postać:

W tym przypadku moment magnetyczny pierścienia prądowego wyrażony w magnetonach jądrowych μ N

Wartość ta dobrze zgadza się ze zmierzoną wartością momentu magnetycznego neutronu (ξ N = –1,91304272):

Zgodnie z twierdzeniem wirialnym całkowita energia rozpatrywanego układu powinna być równa jego energii kinetycznej (26):

Podczas rozpadu neutronu energia ta zostanie zamieniona na energię kinetyczną wyemitowanego elektronu (i antyneutrina), która jest dokładnie zgodna z wyznaczoną eksperymentalnie granicą widma rozpadu elektronów, równą 782 keV.

2.5. Dyskusja

W rozważanym modelu protonu, złożonego z kwarków o ładunkach całkowitych, nie ma mowy o obserwowalności kwarków w stanie swobodnym. Jednak pozostaje wiele niewiadomych.

Nie jest jasne, gdzie zanika moment magnetyczny pozytonu tworzącego proton. Moment magnetyczny elektronu tworzącego neutron nie objawia się tym, że spin prądu pierścieniowego wynosi zero. Nie dotyczy to jednak kwarku-pozytonu. Nie jest jasne, dlaczego kwark-pozyton nie anihiluje z kwarkiem-elektronem i jakie interakcje zmuszają je do połączenia się w całkowicie stabilną cząstkę - proton, którego rozpadu nie obserwuje się w przyrodzie.

Uzyskana zgodność szacunków z danymi pomiarowymi właściwości neutronu wskazuje, że nie jest on cząstką elementarną. Należy go uważać za swego rodzaju relatywistyczny odpowiednik atomu wodoru Bohra. Z tą różnicą, że w atomie Bohra nierelatywistyczny elektron jest utrzymywany na powłoce przez siły Coulomba, a w neutronie relatywistyczny elektron jest utrzymywany głównie dzięki oddziaływaniu magnetycznemu. Zgodnie z postulatem Hilberta potwierdzenie przez doświadczenie omawianego powyżej modelu elektromagnetycznego neutronu wydaje się koniecznym i całkowicie wystarczającym argumentem za jego wiarygodnością.

Aby jednak zrozumieć model, ważne jest, aby podczas jego budowy posłużyć się ogólnie przyjętą aparaturą teoretyczną. Należy zaznaczyć, że dla naukowców przyzwyczajonych do języka relatywistycznej fizyki kwantowej zastosowana powyżej metodologia dokonywania szacunków na pierwszy rzut oka nie przyczynia się do percepcji uzyskanych wyników. Powszechnie przyjmuje się, że dla niezawodności należy uwzględnić wpływ relatywizmu na zachowanie elektronu w polu Coulomba w ramach teorii Diraca. Jednak w konkretnym przypadku obliczenia masy neutronu, jego momentu magnetycznego i energii rozpadu nie jest to konieczne, ponieważ spin elektronu w rozpatrywanym stanie wynosi zero, a wszystkie efekty relatywistyczne opisują pojęcia ze współczynnikami \(( \left((1 - \frac((( v^2)))(((c^2)))) \right)^( - 1/2))\), kompensują się wzajemnie i całkowicie rezygnują. Neutron rozważany w naszym modelu jest obiektem kwantowym ze względu na promień R 0 jest proporcjonalne do stałej Plancka ħ , ale formalnie nie można go uznać za relatywistyczny, ponieważ współczynnik \((\left((1 - \frac(((v^2)))(((c^2)))) \right)^( - 1/2))\)w definicji R 0 nie jest uwzględnione. Umożliwia to obliczenie masy neutronu, jego momentu magnetycznego i energii rozpadu poprzez proste znalezienie parametrów równowagi układu na podstawie warunku równowagi sił, jak to jest zwykle w przypadku obiektów nierelatywistycznych. Inaczej wygląda sytuacja w przypadku oceny czasu życia neutronów. Najwyraźniej relatywizm powinien wpływać na ten parametr. Bez uwzględnienia tego nie jest możliwe prawidłowe oszacowanie czasu życia neutronów nawet o rząd wielkości.

3. O naturze sił nuklearnych

3.1. Molekularny jon wodoru

W 1927 roku opublikowano kwantowo-mechaniczny opis najprostszej cząsteczki, molekularnego jonu wodorowego. Autorzy tego artykułu, W. Heitler i F. London, obliczyli przyciąganie, jakie powstaje pomiędzy dwoma protonami w wyniku wymiany elektronu, jeśli stan jonu molekularnego opisuje potencjał podwójnej studzienki (ryc. 3). Wymiana ta jest efektem mechaniki kwantowej i jej klasyczny odpowiednik nie istnieje. (Podano niektóre szczegóły tego obliczenia).

Głównym wnioskiem z tej pracy jest to, że energia wiązania między dwoma protonami, powstająca w wyniku wymiany elektronu, jest bliska rzędu wielkości energii wiązania protonu i elektronu (energia elektronu w pierwszej fazie Bohra orbita). Wniosek ten jest w zadowalający sposób zgodny z danymi pomiarowymi, które dają wynik różniący się od obliczonego mniej niż dwukrotnie.

Ryż. 3. Schematyczne przedstawienie symetrycznego potencjału podwójnej studni. W stanie podstawowym elektron może znajdować się po prawej lub lewej stronie studni. W stanie niezakłóconym jego energia jest równa mi 0. Tunelowanie z jednego stanu do drugiego prowadzi do rozszczepienia poziomu gruntu i obniżenia stanu korzystnego energetycznie o Δ

Ryż. 4. Schematyczne przedstawienie struktury lekkich jąder. Linia przerywana ilustruje możliwość przejścia wymiany relatywistycznego elektronu pomiędzy protonami

3.2. Deuteron

Omówiony powyżej elektromagnetyczny model neutronu pozwala na świeże spojrzenie na mechanizm oddziaływania neutronu z protonem. Neutron – tj. proton otoczony relatywistyczną chmurą elektronów i wolny proton tworzą razem obiekt podobny do molekularnego jonu wodorowego. Różnica polega na tym, że w tym przypadku elektron jest relatywistyczny, promień jego orbity tak R 0 ≈ 10–13 cm (28) i masa około 2,57 Ja.

Zastosowanie w tym przypadku wyników obliczeń mechaniki kwantowej Heitlera – Londona pozwala oszacować energię wiązania deuteronu z dokładnością w przybliżeniu taką samą jak w przypadku cząsteczkowego jonu wodorowego. Szacunki przewidują, że energia wiązania będzie wynosić około 2,13 10 –6 erg, choć pomiary podają

3.3. Jądra lekkie

3.3.1. Jądro 3 2 He

Z ryc. 4, który schematycznie przedstawia wiązania energetyczne w jądrze 3 2 He, widać, że składają się one z oddziaływań trójparowych protonów. Należy zatem przyjąć, że energia wiązania tego jądra powinna być równa trzykrotności energii wiązania deuteronu:

Defekt masy tego jądra

Umowa oceny mi He3 ze zmierzoną energią wiązania mi(3 2 He) można uznać za bardzo dobry.

3.3.2. Jądro 4 2 He

Ze schematu połączeń energetycznych w jądrze 4 2 He pokazanego na ryc. 4 widać, że wiązania te powstają w wyniku oddziaływań sześciu par protonów, realizowanych przez dwa elektrony. Z tego powodu można przyjąć, że energia wiązania jądra 4 2He powinna być równa:

Defekt masy tego jądra

Ten defekt masy odpowiada energii wiązania

Tę zgodność pomiędzy tymi wartościami można uznać za całkiem zadowalającą.

3.3.3. Rdzeń 6 3 Li

Można przyjąć, że energia wiązania jądra Li – 6 powinna być zbliżona do sumy energii wiązania jądra He – 4 i deuteronu znajdującego się na następującej powłoce:

Założenie to jest możliwe, jeśli wymiana elektronów pomiędzy protonami różnych powłok jest utrudniona.

Jednocześnie defekt masy tego jądra

i związaną z nią energię wiązania

co rzeczywiście potwierdza słabe sprzężenie między protonami na różnych powłokach.

Należy zaznaczyć, że sytuacja z innymi lekkimi jądrami nie jest już taka prosta. Rdzeń 3 1 T składa się z trzech protonów i dwóch elektronów, które komunikują się między sobą. Skok dwóch elektronów w takim układzie musi być zgodny z postulatem Pauliego. Najwyraźniej z tego właśnie powodu energia wiązania trytu jest niewiele wyższa od energii wiązania He – 3.

Wydaje się, że wiązania jądrowe w jądrze 7 3 Li można przedstawić na schemacie mi Li7 ≈ mi He4+ ET, ale pomysł ten prowadzi do dość przybliżonych szacunków. Natomiast dla niestabilnego jądra Be – 8 podobna reprezentacja mi Be8 ≈ 2 mi He4 prowadzi do bardzo dobrej zgodności z pomiarami.

3.4. Dyskusja

Dobra zgodność obliczonej energii wiązania dla niektórych lekkich jąder z danymi pomiarowymi sugeruje, że siły jądrowe (przynajmniej w przypadku tych jąder) mają opisany powyżej charakter wymiany.

Po raz pierwszy uwagę na możliwość wyjaśnienia sił jądrowych na podstawie efektu wymiany elektronów zwrócił najwyraźniej I.E. Tamm już w latach 30. ubiegłego wieku. Jednak później w fizyce jądrowej dominował model wymiany π-mezonów, a następnie gluonów. Powód tego jest jasny. Aby wyjaśnić wielkość i zakres sił jądrowych, potrzebna jest cząstka o wewnętrznej krótkiej długości fali. Nierelatywistyczny elektron nie nadaje się do tego. Jednak z drugiej strony modele wymiany π-mezonowej czy gluonowej również nie okazały się produktywne. Modele te nie były w stanie zapewnić wystarczająco dokładnego ilościowego wyjaśnienia energii wiązania nawet lekkich jąder. Zatem powyższe proste i spójne pomiarowo oszacowanie tej energii jest jednoznacznym dowodem na to, że tzw. oddziaływanie silne (w przypadku niektórych lekkich jąder) jest przejawem efektu przyciągania pomiędzy protonami powstającego w wyniku wymiany relatywistycznej elektron.

4. Neutrina i mezony

4.1. Neutrino

Wykazano wcześniej, że w ramach standardowej Maxwellowskiej teorii pola elektromagnetycznego istnieją dwie możliwości. Stosując różne metody wzbudzenia, można wzbudzić albo poprzeczną falę elektromagnetyczną (foton), albo kwant magnetyczny (soliton magnetyczny) w pustej przestrzeni (eterze), tj. fala pozbawiona elementu elektrycznego. Aby wygenerować fale elektromagnetyczne w próżni, należy użyć oscylującego dipola elektrycznego lub magnetycznego.

Zgodnie z równaniami Maxwella wielkość pola elektrycznego przenoszonego przez foton jest proporcjonalna do drugiej pochodnej względem czasu zmieniającego się w czasie momentu magnetycznego generowanego przez foton. Jeżeli zależność momentu magnetycznego od czasu opisuje idealnie ostra funkcja kroku Heaviside'a, to pierwszą pochodną tego stopnia jest funkcja δ, a druga pochodna ma wartość zero. Zatem na krawędzi natarcia kroku, który trwa około 10–23 sekund (jest to oszacowanie czasu przemiany mezonu π w μ-mezon, w którym rodzi się antyneutrino), kwant powinien zostać emitowany, który ma składową magnetyczną w kształcie δ i jest pozbawiony składnika elektrycznego (więcej szczegółów można znaleźć w ).

Charakterystyczną cechą solitonu magnetycznego jest to, że będąc spolaryzowanym kołowo, musi mieć spin ħ  / 2, a jego oddziaływanie z materią jest prawie dwa tuziny wielkości słabsze niż w przypadku fali elektromagnetycznej. Cecha ta wynika z faktu, że w przyrodzie nie ma monopoli magnetycznych.

Sugeruje to, że soliton magnetyczny można utożsamić z neutrinem. W tym przypadku, gdy rodzi się moment magnetyczny, pojawia się antyneutrino, a gdy znika, pojawia się neutrino.

Zatem w procesie sekwencyjnej transformacji π  – -mezonu, najpierw w μ  – -mezon, a następnie w elektron, pojawiają się trzy takie magnetyczne γ-kwanty (rys. 5).

Ryż. 5. Schemat narodzin trzech solitonów magnetycznych (neutrin) podczas rozpadu π -mezonu. π -mezon nie posiada momentu magnetycznego. Podczas rozpadu zamienia się w μ –mezon przenoszący moment magnetyczny. Procesowi temu musi towarzyszyć emisja magnetycznego kwantu γ (emisja antyneutrina). Kiedy μ –mezon rozpada się, jego moment magnetyczny zanika i emitowany jest kolejny magnetyczny kwant γ (neutrino). Trzeci soliton magnetyczny (antineutrino) pojawia się w momencie narodzin elektronu

4.2. Mezony

W łańcuchu przemian pion → mion → elektron rodzą się trzy neutrina (rys. 5). Naładowane piony (π -mezony), których spiny wynoszą zero, nie mają dipoli magnetycznych. W momencie przemiany π  – mezonu w mion (µ‑mezon) następuje nagłe pojawienie się momentu magnetycznego, któremu towarzyszy emisja antyneutrina mionowego \((\widetilde \nu _\mu )\). Podczas rozpadu mionu generowane jest promieniowanie neutrin mionowych ν μ, które jest spowodowane zanikiem momentu magnetycznego mionu. Jednocześnie rodzi się elektron z momentem magnetycznym, co prowadzi do emisji antyneutrina elektronowego \(\mathop (\widetilde \nu )\nolimits_e \).

Fakt, że w reakcjach tych nie powstają żadne inne produkty poza neutrinami i antyneutrinami, prowadzi do założenia, że ​​pion i mion nie są niezależnymi cząstkami elementarnymi, lecz stanami wzbudzonymi elektronu.

Te mezony mają masę

tutaj λ D= 2π ħ  / P– długość fali de Broglie’a,

P– uogólniony pęd cząstki,

N= 1, 2, 3... – liczba całkowita.

Niezmienny moment pędu (spin) takiej cząstki

dostajemy

Ta wartość masy jest bardzo zbliżona do masy mezonu π (46), którego spin jest równy zero:

Ta wartość masy jest bardzo zbliżona do masy μ-mezonu (46), którego spin wynosi ħ  / 2:

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

(54)

Odkryta możliwość obliczania mas mezonów wyłącznie na podstawie ich spinów potwierdza założenie, że mezony te są stanami wzbudzonymi elektronu.

5. Wniosek

Powyższe obliczenia właściwości cząstek elementarnych ujawniają niewystarczalność modelu kwarkowego z ułamkowymi ładunkami kwarków, w ramach którego nie można uzyskać takich szacunków. Model ten w nowoczesnej formie demonstruje możliwość klasyfikacji cząstek, nie dowodzi to jednak, że taka klasyfikacja jest jedyną możliwą i poprawną.

Warto zaznaczyć, że do opisu oddziaływania proton-neutron (w lekkich jądrach) nie trzeba odwoływać się do modelu gluonowego, ani korzystać z teorii oddziaływań silnych i słabych.

Rzeczywiście, wymiana relatywistycznego elektronu pomiędzy protonami w deuteronie, a także wymiana nierelatywistycznego elektronu w cząsteczkowym jonie wodorowym jest zjawiskiem mechaniki kwantowej i nie ma powodu przypisywać temu efektowi wymiany w przypadku deuteron rolę fundamentalnego oddziaływania Natury.

Emisja neutrin zachodzi podczas procesu rozpadu β (lub wychwytu K). Procesy rozpadu jąder α i β nie wymagają wprowadzenia żadnego nowego, specjalnego, fundamentalnego oddziaływania naturalnego. Ale rozpad β ma zasadniczą cechę: podczas rozpadu β moment magnetyczny wolnego elektronu pojawia się (lub znika podczas wychwytu K) w niezwykle krótkim czasie. Wytwarza to magnetyczne oddziaływanie na eter i prowadzi do emisji magnetycznego kwantu γ, tj. neutrino. Zjawisko to ma charakter czysto elektromagnetyczny i do jego opisu nie ma potrzeby wprowadzania specjalnego oddziaływania słabego czy elektrosłabego.

Jednakże brak konieczności wprowadzania oddziaływań silnych i słabych do opisu innych obiektów mikroświata nie został formalnie udowodniony. Jest oczywiste, że do obliczenia sił jądrowych w ciężkich jądrach konieczne będzie uwzględnienie innych efektów związanych np. z istnieniem powłok jądrowych.

Niemniej jednak możliwość elektromagnetycznego opisu niektórych cząstek stawia istotne pytanie o poprawność istniejącego opisu wielu innych, bardziej złożonych obiektów mikroświata.

Oczywiście, zgodnie z głównym postulatem nauk przyrodniczych W. Gilberta, weryfikacja poprawności takiego opisu powinna opierać się na danych eksperymentalnych dotyczących podstawowych właściwości badanych obiektów. Skutecznej metody usystematyzowania cząstek w określoną tabelę nie można uznać za wyczerpujący dowód na poprawność i wyjątkowość tego podejścia.

Literatura:

1. Gilbert W. O magnesie, ciałach magnetycznych i wielkim magnesie - Ziemi. M.: Wydawnictwo Akademii Nauk ZSRR, 1956.
, 2016.

Systematyka cząstek elementarnych. Cząstki superelementowe. Główna trudność, jaka pojawia się w zdefiniowaniu pojęcia cząstki elementarnej, wynika z faktu, że obecnie takich cząstek jest znacznie więcej niż atomów pierwiastków chemicznych.

Niedawno odkryto cząstki 10 razy cięższe od protonu i mające w przybliżeniu tę samą masę co jądro boru. Zdesperowani, aby zidentyfikować jakąkolwiek hierarchię w rosnącym zestawie równie elementarnych obiektów, niektórzy fizycy wysunęli ideę sznurowania bootstrap, czyli demokracji nuklearnej, zgodnie z którą każda cząstka elementarna składa się ze wszystkich innych cząstek, a raczej ze struktury każdej cząstka elementarna jest zdeterminowana interakcjami wszystkich innych cząstek.

Idea ta nie eliminuje jednak poczucia satysfakcji z powodu zbyt dużej liczby bytów najprostszych; spójne sformułowanie idei bootstrap, przypominające nieco koncepcję Demokryta, prowadzi do wniosku o nieskończonej liczbie obiektów elementarnych. Struktura mikroobiektów w teorii bootstrap nabiera względnego znaczenia, jest czymś w rodzaju specjalnego układu współrzędnych, który można wybierać na różne sposoby. Definicja elementów konstrukcji staje się bardzo niejednoznaczna.

Ponieważ jedna i ta sama cząstka może składać się z innych cząstek na różne sposoby. Co więcej, nie jest jasne, czy w ogóle możliwe jest w ten sposób sformułowanie dokładnego, zamkniętego układu równań wyznaczającego różne właściwości, w tym budowę cząstek elementarnych. Teoretycy przeanalizowali jedynie bardzo przybliżone modele bootstrap, które uwzględniają związek tylko dwóch lub trzech typów cząstek i chociaż w wielu przypadkach uzyskano zachęcające wyniki jakościowe, próby ich udoskonalenia natychmiast napotykają ogromne trudności.

Pomysłu bootstrap nie można uznać za zadowalające rozwiązanie problemu najprostszych elementów. Znacznie bardziej owocny okazał się sposób łączenia cząstek w zamknięte grupy multipletów, których składowe każdego z nich można interpretować jako różne stany tej samej cząstki. Zasadą przewodnią jest tu identyfikacja symetrii właściwości różnych cząstek.

To podejście grupowe, wykorzystujące dobrze rozwinięty aparat matematyczny teorii grup, stanowi dalszy rozwój formalizmu multipletów izotopowych ładunku. Duże znaczenie miało odkrycie tzw. symetrii jednostkowej, która umożliwiła łączenie multipletów izotopowych cząstek zwykłych i dziwnych w pojedyncze oktety i dekaplety. Uwzględnienie spinów umożliwiło skonstruowanie jeszcze bardziej złożonych rodzin cząstek: unitarnych multipletów mezonów połączonych w rodzinę składającą się z 35 cząstek 35 - plet oraz oktetu i dekapletu barionów w rodzinę 56 elementów 56 - plet. Dalszy rozwój taksonomii cząstek wiąże się z ideą kwarków.

Okazało się, że poszczególne multiplety unitarne nie są od siebie całkowicie odizolowane, lecz połączone ścisłymi regułami symetrii. A najbardziej zdumiewające było to, że reguły te przewidywały istnienie cząstek z ułamkowymi ładunkami elektrycznymi kwarków. Cząstki te, na współczesnym poziomie rozwoju nauki, można naprawdę uznać za najbardziej elementarne, ponieważ można z nich zbudować wszystkie inne oddziałujące cząstki, czasem przez proste dodawanie, jak jądra atomowe z protonów i neutronów, a czasem przez rozważenie ich jako stany wzbudzone już skonstruowanych cząstek i jednocześnie same kwarki nie mogą być zbudowane z innych cząstek elementarnych. W tym sensie kwarki znacznie różnią się od wszystkich innych cząstek, wśród których, jak już wspomniano, nie da się zidentyfikować bardziej elementarnych elementów budulcowych.

Kwarki można uznać za kolejny, głębszy, ponadelementarny poziom organizacji materii i to z punktu widzenia wielkości defektu masy, czyli gęstości wynikającej z upakowania wewnątrz protonów, mezonów i innych mniej elementarnych obiektów.

Z punktu widzenia teorii kwarków poziom strukturalny cząstek elementarnych to obszar obiektów składających się z kwarków i antykwarków, charakteryzujących się dużym defektem masy w stosunku do któregokolwiek z ich rozpadów i dysocjacji wirtualnych.

Jednocześnie kwark, choć jest najprostszą znaną współcześnie cząstką, ma bardzo złożone właściwości. Kwark różni się od wszystkich innych znanych nam cząstek nie tylko ułamkowym ładunkiem elektrycznym, ale także ułamkową liczbą barionową. Wśród innych cząstek elementarnych wygląda jak rodzaj centaura, w swoich właściwościach jest zarówno mezonem, jak i barionem. Początkowo sądzono, że kwark ma trzy stany, z których dwa różnią się jedynie wielkością ładunku elektrycznego, a w trzecim stanie kwark pojawia się jako dziwna cząstka.

Jednakże po odkryciu rodzin zaczarowanych cząstek zaczarowanych do trzech stanów kwarka trzeba było dodać czwarty urok. W największym na świecie akceleratorze protonów w Batavii niedaleko Chicago odkryto nową niesamowitą cząstkę – mezon. Jego masa znacznie przewyższa masę nukleonu, a właściwości są takie, że należy go uważać za kwark i antykwark sklejone razem. W tym przypadku musimy założyć, że kwark i antykwark mają jeszcze jeden, piąty stan.

Liczba kwantowa charakteryzująca ten stan nie ma jeszcze nawet ogólnie przyjętej nazwy, najczęściej nazywana jest pięknem kwarka lub odpowiadającym mu angielskim terminem piękno. Pięć kwantowych stopni swobody kwarka nazywa się zwykle jego smakiem; niektórzy autorzy wolą mówić o pięciu stopniach smaku kwarku. Ale to nie wyczerpuje listy właściwości kwarków. Analiza danych eksperymentalnych doprowadziła do wniosku, że każdy z pięciu smaków kwarków ma trzy barwy, czyli każdy z pięciu stanów kwarków dzieli się na trzy kolejne niezależne stany, charakteryzujące się wartością określonej liczby kwantowej koloru.

Kolor kwarka zmienia się, gdy emituje lub pochłania gluon, kwant pola pośredniego, który skleja kwarki i antykwarki w mezony i bariony. Można powiedzieć, że pole gluonowe jest polem koloru, jego barwą transferu kwantowego. Termin gluony pochodzi od angielskiego słowa klej. Obecnie idea cząstek kwarków superelementarnych dosłownie przenika fizykę energii.

Za ich pomocą wyjaśnia się tak wiele danych eksperymentalnych, że fizyk nie może obejść się bez tych niesamowitych cząstek, tak jak na przykład chemik nie może obejść się bez atomów i cząsteczek. Według większości fizyków, jeśli kwarki nie istnieją w przyrodzie jako rzeczywiste obiekty, to samo w sobie byłoby to oszałamiającą tajemnicą. A jednocześnie kwarków w czystej postaci nigdy nie zaobserwowano, choć od ich wprowadzenia do teorii minęło prawie dwie dekady.

Wszelkie liczne próby wykrycia kwarków czy gluonów w stanie wolnym niezmiennie kończą się niepowodzeniem. Ściśle mówiąc, gluony i kwarki nadal pozostają, choć prawdopodobnymi, ale wciąż hipotetycznymi obiektami. Pośrednie eksperymenty przekonują nas, że kwarki i gluony są obiektami fizycznymi, a nie tylko wygodnym fenomenologicznym sposobem opisu w znanym nam języku korpuskularnym innych niezrozumiałych aspektów budowy cząstek elementarnych. Przede wszystkim są to eksperymenty polegające na sondowaniu protonów w neutrony przy użyciu bardzo szybkich elektronów i neutrin, gdy padająca cząstka rozprasza się i odbija, zderzając się z jednym z kwarków znajdujących się wewnątrz cząstki docelowej. Biorąc pod uwagę kwarki, lista silnie oddziałujących cząstek superelementarnych zostanie zredukowana do trzech cząstek: kwarka, antykwarku i wiążącego je gluonu.

Do tego należy dodać kilkanaście najprostszych cząstek innych typów, których struktura nie ujawniła się jeszcze w eksperymencie: kwant pola elektromagnetycznego, foton, pewnie przewidywany przez teoretyków, grawiton i rodzina leptonów .

Wniosek. Na przestrzeni ostatnich lat sytuacja w teorii cząstek elementarnych uległa istotnej zmianie. Odkryto słabe prądy neutralne, prowadzące do takich efektów, jak rozpraszanie neutrin mionowych przez elektrony. Odkryto całą grupę cząstek elementarnych o czasie życia tysiąckrotnie dłuższym od czasu życia rezonansów, począwszy od mezonu J. Właściwie teraz konieczne jest włączenie tych cząstek do tabeli stosunkowo stabilnych cząstek elementarnych.

Znaczący postęp nastąpił w teorii cząstek elementarnych. Jednolita teoria oddziaływań słabych i elektromagnetycznych otrzymała solidne potwierdzenie eksperymentalne, choć nadal nie można jej uznać za całkowicie wiarygodną. Kwarkowy model budowy hadronów znajduje coraz więcej eksperymentalnych potwierdzeń. Po wielu latach stagnacji nastąpił ogromny postęp w teorii oddziaływań silnych, które obecnie uważa się za oddziaływania międzykwarkowe.

Jest bardzo prawdopodobne, że prawdziwie elementarnymi cząstkami, które przestały być niepodzielne, są leptony i kwarki. Zdecydowana większość hadronów zbudowana jest z kwarków. Model czterech kolorowych kwarków i czterech leptonów pozwala nam ogólnie zrozumieć budowę materii. Naukowcy byli bliscy rozwiązania nowego problemu, jakim jest problem budowy cząstek elementarnych. Podczas bombardowania nieruchomego celu protonami o wysokiej energii odkryto superciężkie mezony neutralne, zwane upsilonami, o masie około 9,4 GeV. Znaleziono trzy modyfikacje tych mezonów o podobnych masach.

Aby włączyć upsilony do modelu kwarków, należy założyć, że istnieją kwarki masywniejsze niż kwark c. Aby zachować symetrię kwark-lepton, wymagane jest wprowadzenie dwóch nowych kwarków, odpowiadających parze -lepton, -neutrino. Kwarki te otrzymały już w języku angielskim nazwę góra góra i dół dół. Tak więc wraz ze wzrostem energii zderzających się cząstek wykrywa się narodziny nowych, coraz cięższych cząstek.

Komplikuje to i tak już złożony obraz świata cząstek elementarnych. Pojawiają się nowe problemy, chociaż wiele starych problemów pozostaje nierozwiązanych. Prawdopodobnie za główny nierozwiązany problem należy uznać problem kwarków: czy mogą być wolne, czy też ich wychwytywanie w hadronach jest absolutne? Jeśli kwarków w zasadzie nie da się wyizolować i wykryć w stanie swobodnym, to jak można przekonać się, że niewątpliwie istnieją?Ponadto istnienie bozonów wektorów pośrednich W, W- i W0, które są tak niezbędne dla pewności ważności ujednolicona teoria oddziaływań słabych i elektromagnetycznych, pozostanie niepotwierdzona eksperymentalnie.

Nie ma wątpliwości, że wyjaśnienie budowy cząstek elementarnych będzie krokiem równie znaczącym, jak odkrycie budowy atomu i jądra.

Koniec pracy -

Ten temat należy do działu:

Kształtowanie się fizycznego obrazu świata od Galileusza do Einsteina

Funkcjonalne znaczenie tego rodzaju wiedzy sumarycznej upatruje się w zapewnieniu syntezy wiedzy, połączeniu różnych dziedzin nauk przyrodniczych. Jednocześnie istnieją rozbieżności w rozumieniu potrzeby syntezy. Ta różnica w rozumieniu funkcji obrazu świata prowadzi z kolei do rozbieżności w samym podejściu do jego analizy. miejsce..

Jeśli potrzebujesz dodatkowych materiałów na ten temat lub nie znalazłeś tego czego szukałeś, polecamy skorzystać z wyszukiwarki w naszej bazie dzieł:

Co zrobimy z otrzymanym materiałem:

Jeśli ten materiał był dla Ciebie przydatny, możesz zapisać go na swojej stronie w sieciach społecznościowych:

Wyślij swoją dobrą pracę do bazy wiedzy jest prosta. Skorzystaj z poniższego formularza

Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy, którzy wykorzystują bazę wiedzy w swoich studiach i pracy, będą Państwu bardzo wdzięczni.

Wysłany dnia http://www.allbest.ru/

Wstęp

1. Geneza i rozwój idei kwantowych

1.1 Teoria atomu Bohra

2. Cząstki elementarne i problem ich budowy

Wniosek

Bibliografia

Wstęp

W badaniu przyrody można wyróżnić dwa etapy: etap przednaukowy i etap naukowy. Etap przednaukowy lub przyrodniczo-filozoficzny obejmuje okres od starożytności do powstania eksperymentalnych nauk przyrodniczych w XVI-XVII wieku. Idee o przyrodzie w tym okresie miały charakter czysto przyrodniczo-filozoficzny, a obserwowane zjawiska naturalne wyjaśniano w oparciu o zbudowane w myślach zasady filozoficzne. Największym osiągnięciem nauk przyrodniczych tego okresu była doktryna starożytnego atomizmu, którą uważano za dyskretną koncepcję budowy materii. Zgodnie z tą doktryną wszystkie ciała składają się z atomów, uważanych za najmniejsze cząstki materii. Według starożytnego atomizmu, który dostarczył pierwotnego modelu teoretycznego atomu, atomy są niewidzialnymi, niepodzielnymi i nieprzeniknionymi mikrocząstkami, różniącymi się od siebie jedynie związkami ilościowymi - kształtem, rozmiarem, strukturą. Pierwszym programem teoretycznym był starożytny atomizm, który wyjaśniał całość jako mechaniczny zbiór tworzących ją części. Według nauk Demokryta próżnia jest konieczna do wyjaśnienia mechanicznego rozmieszczenia ciał w przestrzeni i ich deformacji (ściskanie, wydłużenie itp.) pod wpływem sił zewnętrznych. Atomizm wyjaśnił istotę procesów naturalnych poprzez mechaniczne oddziaływanie atomów, ich przyciąganie i odpychanie. Mechaniczny program wyjaśniania natury, wysunięty po raz pierwszy w starożytnym atomizmie, został zrealizowany w mechanice klasycznej, która położyła podwaliny pod naukowe badanie przyrody. Współczesne idee naukowe dotyczące strukturalnych poziomów powstawania materii powinny zaczynać się od koncepcji fizyki klasycznej dotyczącej badania mikroświata, która powstała w wyniku krytycznego badania koncepcji mechaniki klasycznej, które są stosowane tylko w mikroświecie . Formowanie się poglądów naukowych na temat budowy materii datuje się na XVI wiek, czyli na okres, w którym G. Galileusz położył podwaliny pod mechaniczny obraz świata. Galileusz nie tylko uzasadnił system heliocentryczny Mikołaja Kopernika, odkrył prawa bezwładności ruchu i swobodnego spadania, ale także opracował nowy metodologiczny sposób opisu przyrody - metodę naukowo-teoretyczną. Istota tej metody polega na tym, że Galileusz, wybierając szereg cech fizycznych i geometrycznych przyrody, uczynił z nich przedmiot badań naukowych. Dobór indywidualnych cech obiektu dał możliwość stworzenia modeli teoretycznych i przetestowania ich w oparciu o eksperyment naukowy. Koncepcja metodologiczna sformułowana przez Galileusza odegrała decydującą rolę w powstaniu klasycznych nauk przyrodniczych.

1. Pochodzenie irozwój idei kwantowych

kwantowa cząstka elementarna

Podczas przejścia fizyki od badania makroświata do badania mikroświata idee fizyki klasycznej na temat materii i pola radykalnie się zmieniły. Badając mikrocząstki, naukowcy natknęli się na obraz, który z punktu widzenia fizyki klasycznej wydawał się paradoksalny: ten sam obiekt wykazuje zarówno właściwość falistości, jak i właściwość korpuskularności. Zjawisko to nazywa się dualizmem korpuskularno-falowym.

Pierwszy krok w badaniu sprzecznej natury cząstek wykonał niemiecki naukowiec Max Planck. Wszystko zaczęło się od pojawienia się w fizyce pod koniec XIX wieku takiego problemu, jak „katastrofa ultrafioletowa”. Według obliczeń opartych na wzorach elektrodynamiki klasycznej, natężenie promieniowania samych ciemnych obiektów rosło w nieskończoność. Było to sprzeczne z praktyką. Z badań przeprowadzonych nad promieniowaniem ciepła M. Planck doszedł do wniosku, że w procesie promieniowania energia emitowana jest nie w dowolnej ilości i nieskończoności, ale w niepodzielnych porcjach - kwantach. Energię kwantową wyznacza liczba oscylacji odpowiadających promieniowaniu (V) oraz uniwersalna stała zwana stałą Plancka: E=hn. Jak zauważył Planck, pojawienia się idei kwantowej w fizyce nie można jeszcze wiązać z powstaniem teorii kwantowej, jednakże data 14 grudnia 1900 r., czyli data pojawienia się wzoru na energię kwantową, stała się datą ustanowienia fundament tej samej teorii, dzień narodzin fizyki atomowej i początek nowego okresu w naukach przyrodniczych.

Pierwszy fizyk, który przyjął odkrycie wpływu kwantu elementarnego z dużą duchową inspiracją i rozwinął go w kreatywności. Był A. Einstein. W 1905 roku, stosując ideę ilościowego charakteru promieniowania i absorpcji energii podczas promieniowania cieplnego do zjawisk radiacyjnych w ogóle, położył podwaliny pod teorię kwantową. Einstein, odnosząc hipotezę Plancka do zjawisk świetlnych, doszedł do wniosku, że konieczne jest przyjęcie korpuskularnej struktury światła. Kwantowa teoria światła czy teoria fotonu Einsteina potwierdziły, że światło oprócz tego, że jest zjawiskiem falowym rozchodzącym się w przestrzeni, ma także strukturę ciągłą. Światło można rozpatrywać jako niepodzielne porcje energii, kwanty światła i fotony. Energię fotonów wyznacza stała Plancka (h) i prędkość odpowiednich oscylacji (n). Światło monochromatyczne o różnych kolorach (czerwonym, żółtym, zielonym, niebieskim, fioletowym i innych) składa się z kwantów światła o różnych energiach. Einsteinowska koncepcja kwantów światła umożliwiła zrozumienie i wizualne opisanie zjawiska fotoelektrycznego, którego istotą jest oddzielenie elektronu od materii świetlnej. Doświadczenia wykazały, że o istnieniu efektu fotoelektrycznego nie decyduje natężenie fali świetlnej padającej na metal, ale częstotliwość światła. Jeśli przyjmiemy, że każdy fotoelektron jest oddzielony jednym fotonem, stanie się jasne, że efekt wystąpi, gdy energia fotonu stanie się na tyle duża, że ​​rozerwie wzajemne połączenie materii i elektronu.

10 lat po powstaniu interpretacji efektu fotoelektrycznego w podobnej sytuacji potwierdziły to eksperymenty amerykańskiego fizyka R.E. Milliken. Odkryty w 1923 roku przez amerykańskiego naukowca A.H. Zjawisko Comptona („efekt Comptona”) ostatecznie potwierdziło teorię kwantową. Ogólnie rzecz biorąc, kwantowa teoria światła jest jedną z teorii fizyki, która została wielokrotnie potwierdzona eksperymentami. Jednak w ten sposób ostatecznie potwierdzono falową naturę światła poprzez eksperymenty ze zjawiskami interferencji dyfrakcyjnej. W związku z tym powstała taka paradoksalna sytuacja: okazało się, że światło zachowuje się jednocześnie jako fala i cząsteczka. W tym przypadku foton pełni rolę specyficznego rodzaju korpuskularnego. Główną cechą dyskretności fotonu jest specjalna porcja energii (E=hn) określona przez charakterystykę czystej fali – częstotliwość (n). Jak wszystkie wielkie odkrycia nauk przyrodniczych, kwantowa teoria światła nabrała istotnego charakteru ideologicznego, teoretycznego i poznawczego.

Idea fononów-kwantów pola elektromagnetycznego stała się wielkim darem dla rozwoju teorii kwantów. Dlatego A. Einstein uważany jest za jednego z największych twórców teorii kwantowej. Teoria Einsteina, rozwijająca poglądy M. Plancka, dała duńskiemu naukowcowi N. Bohrowi możliwość opracowania nowego modelu atomu.

1.1 Tteoria atomu zaproponowana przez Bohra

W 1913 roku duński naukowiec Niels Bohr, stosując zasadę ilości do rozwiązywania problemów budowy atomu i charakterystyki widma atomu, wyeliminował sprzeczności w modelu atomu stworzonym przez Rutherforda. Model atomu zaproponowany w 1911 roku przez Rutherforda przypominał układ słoneczny: jądro znajdowało się w centrum, a elektrony krążały wokół niego po orbitach kołowych. Jądro było naładowane dodatnio, elektrony miały ujemny ładunek elektryczny. Siły przyciągania w Układzie Słonecznym w atomie zostały zastąpione siłami elektrycznymi. Dodatni ładunek elektryczny jądra atomowego, równy liczbie atomowej pierwiastka w układzie okresowym Mendelejewa, był równoważony ujemnym ładunkiem elektrycznym elektronów. Dlatego atom był elektrycznie obojętny.

Analiza planetarnego modelu atomu w ramach elektrodynamiki klasycznej zawierała dwie niemożliwe sprzeczności. Pierwszą z tych sprzeczności było to, że elektrony, aby nie stracić swojej stabilności, muszą obracać się wokół jądra. Jak wiadomo, ruch po okręgu charakteryzuje się przyspieszeniem odśrodkowym. Zgodnie z prawami elektrodynamiki klasycznej, przyspieszone elektrony z pewnością muszą emitować energię elektromagnetyczną. Jednak w tym przypadku elektrony muszą spaść na jądro w bardzo krótkim czasie (10-8 sekund), wydając swoją energię na promieniowanie. Wiemy to dobrze z codziennego doświadczenia. Gdyby elektrony spadły na jądro, składające się z nich ciało, na przykład stół przed nami, zmieniłoby swoje rozmiary 10 tysięcy razy.

Druga sprzeczność planetarnego modelu atomu wiąże się z faktem, że elektron, stopniowo zbliżając się do jądra w wyniku promieniowania, aby stale zmieniać swoją częstotliwość, widmo promieniowania atomu musi być nienaruszone. Doświadczenie pokazuje, że widmo emisyjne atomu jest liniowe. Innymi słowy, planetarny model atomu Rutherforda nie współistnieje z elektrodynamiką Maxwella.

Kwantową teorię atomu, która mogłaby rozwiązać obie te sprzeczności (tzw. „Teoria budowy atomu Bohra”) zaproponował N. Bohr. Treść tej teorii uformowała się z następujących zapisów, połączonych w jedną, całość:

prawidłowości widma liniowego atomu wodoru;

model jądrowy atomu zaproponowany przez Rutherforda;

kwantowa natura promieniowania i absorpcja światła.

Nowa hipoteza wysunięta przez N. Bohra w celu wyjaśnienia budowy atomu opierała się na trzech postulatach, które nie harmonizowały z zasadami fizyki klasycznej.

Postulat pierwszy: w każdym atomie występuje kilka stanów stacjonarnych elektronów (orbity stacjonarne). Fale elektromagnetyczne poruszające się po stacjonarnych orbitach atomu nie są ani emitowane, ani absorbowane.

Postulat drugi: atom emituje lub pochłania tylko część energii, gdy elektron przechodzi z jednego stanu stacjonarnego do drugiego.

Trzeci postulat? Elektron porusza się wokół jądra po takich kołowych orbitach stacjonarnych, po których w momencie pędu elektronu stała Plancka jest całkowicie zbliżona do względnej 2p:

gdzie m, n, r to odpowiednio masa elektronu, prędkość i promień orbity stacjonarnej, po której się on porusza, n=1,2,3... są liczbami całkowitymi.

Postulaty te położyły podwaliny pod nowy okres w badaniach właściwości i struktury atomu.

Pierwszy postulat wskazywał na ograniczenia fizyki klasycznej, a w szczególnych przypadkach na nieadekwatność jej praw do stanów stacjonarnych. Nie tak łatwo zaakceptować koncepcję elektronów emitujących energię na specjalnie wybranych orbitach. W tym momencie pojawia się pytanie: „Dlaczego?” Ponieważ jednak postulat ten był adekwatny do wyników eksperymentów, fizycy zmuszeni byli go zaakceptować. Z drugiego postulatu wynika wniosek, że energia atomu jest emitowana porcjami. Przejściu elektronu z jednej orbity na drugą koniecznie towarzyszą całkowite liczby kwantów energii. Zatem stan elektronów w atomie charakteryzuje się 4 liczbami kwantowymi - główną, orbitalną, magnetyczną i orbitalną liczbą kwantową. Główna liczba kwantowa (n) określa energię elektronu w obszarach jądra, w atomach złożonych numer seryjny warstwy elektronów. Orbitalna liczba kwantowa (l) charakteryzuje korekty wprowadzane do energii atomu w wyniku jednoczesnego ruchu atomów. Spinowa liczba kwantowa (s) określa specjalny moment mechaniczny charakteryzujący ruch obrotowy elektronów. Postulaty Bohra wyjaśniały stabilność atomu: w stanach stacjonarnych elektron nie emituje energii elektromagnetycznej bez istnienia przyczyn zewnętrznych. Dopiero teraz stało się jasne, dlaczego przy ciągłej ocenie stanów atomy pierwiastków chemicznych nie emitują fal elektromagnetycznych. Model atomu zaproponowany przez Bohra, mimo że dawał dokładny opis atomu wodoru, składającego się z jednego protonu i jednego elektronu, a opis ten całkiem dobrze zgadzał się z faktami eksperymentalnymi, to późniejsze zastosowanie tego modelu do wieloelektronów atomy napotkały pewne trudności. Niezależnie od tego, jak dokładnie teoretycy próbowali opisać ruch i orbitę elektronów w atomie, różnica między wynikami teoretycznymi a danymi eksperymentalnymi pozostawała duża. Jednak w trakcie rozwoju teorii kwantowej stało się jasne, że różnice te są związane głównie z właściwością falistości elektronów. Długość fali elektronu poruszającego się po orbicie kołowej w atomie była częścią pomiarów atomu i wynosiła około 10-8 cm. Chociaż ruch cząstek właściwy każdemu układowi można dość dokładnie opisać jedynie jako ruch mechaniczny punkt materialny na orbicie zamkniętej, gdy długość fali cząstki w porównaniu do układu zmian będzie tak mała, że ​​nie będzie brana pod uwagę. Innymi słowy, należy wziąć pod uwagę, że elektron nie jest punktem, nie jest mocną „kulą”, ma wewnętrzną strukturę, która może się zmieniać w zależności od swoich nieodłącznych stanów. Jednak w tym przypadku szczegóły wewnętrznej struktury elektronu pozostają nieznane. Tutaj staje się jasne, że zasadniczo niemożliwe jest wyobrażenie sobie budowy atomu na podstawie pomysłów o orbitach rzekomo punktowych elektronów, dlatego wewnętrzne orbity atomu stały się obiektami idealnymi, w rzeczywistości nawet nie istnieją. Zgodnie z ich falową naturą, elektrony i ich ładunek elektryczny są przypuszczalnie nierównomiernie rozmieszczone w całym atomie i mają w niektórych punktach niską gęstość elektronową, a w innych większą. Opis rozkładu gęstości ładunku elektronów wewnątrz atomu podany jest w mechanice kwantowej: w niektórych punktach gęstość ładunku elektronów osiąga maksimum. Krzywa łącząca punkty maksymalnych znaków gęstości ładunku elektronowego nazywana jest formalnie orbitą elektronową. Trajektoria atomu wodoru obliczona w teorii Bohra pokrywała się z krzywą przechodzącą przez punkty maksymalnych znaków średniej gęstości ładunku, co z kolei w pełni odpowiada danym eksperymentalnym. Teoria Bohra zdaje się wyznaczać linię graniczną pierwszego etapu rozwoju fizyki współczesnej. Teoria atomowa Bohra, dodając niewielką liczbę nowych rozważań, była ostatnią próbą opisu budowy atomu w oparciu o fizykę klasyczną. Postulaty Bohra pokazały, że fizyka klasyczna nie jest w stanie wytłumaczyć takich wyników najprostszymi eksperymentami związanymi z budową atomu. Postulaty Bohra, obce fizyce klasycznej, naruszyły jej integralność i z kolei były w stanie wyjaśnić jedynie niewielki obszar danych eksperymentalnych. Powstaje zatem pomysł, że postulaty Bohra, który odkrył nowe, nieznane dotychczas nauce właściwości materii, jednocześnie częściowo i nie w pełni je odzwierciedlały. Teoria Bohra i jego postulaty, których nie można było zastosować do złożonych atomów, były bezsilne w wyjaśnianiu podstawowych zjawisk fizycznych, podobnie jak dyfrakcja i interferencja nie były w stanie wyjaśnić falowych właściwości światła i materii. Odpowiedzi na wiele pytań związanych z budową atomu dał dopiero rozwój mechaniki kwantowej. Stwierdzono, że modelu atomu Bohra nie można rozumieć dosłownie tak jak wcześniej. Błędem byłoby wizualne opisywanie procesów zachodzących w atomie w postaci modeli mechanicznych tworzonych przez analogię do zjawisk makrokosmosu. Szybko okazało się, że precyzyjnie określone dla makrokosmosu pojęcia czasu i przestrzeni nie nadają się do opisu zjawisk mikrofizycznych. Stopniowo fizycy teoretyczni przekształcili atom w jeszcze bardziej abstrakcyjny układ – zbiór nieobserwowalnych równań.

2. Części elementarneobiekty i problem ich struktury

Problem budowy materii jest jednym z palących problemów, który od zawsze znajduje się w centrum uwagi nauk przyrodniczych, zwłaszcza ich zaawansowanej dziedziny – fizyki. Odzwierciedlając wyraźnie związek filozofii z naukami przyrodniczymi, problem ten ma znaczenie nie tylko filozoficzne, ale także praktyczne i przemysłowo-techniczne. Aby to zrobić, wystarczy powiedzieć, że współczesne teorie fizyczne, które stanowią ważny etap rewolucji naukowo-technicznej, w tym mechanika kwantowa i teoria cząstek elementarnych, są ściśle związane z odkryciem i wykorzystaniem energii jądrowej, która położyła podstawą „ery atomowej”.

Współczesna fizyka osiągnęła wielkie osiągnięcia w dziedzinie badania struktury i właściwości materii. Jednak pomimo tego natura kryje w sobie wiele wciąż nieodkrytych tajemnic z zakresu budowy i właściwości materii. Wnikając w głąb teoretycznej materii poznawczej i odkrywając nowe poziomy jej struktury, wierzymy w to coraz bardziej. Fizyka na obecnym etapie swojego rozwoju wkroczyła na drogę pełną odkryć naukowych, która wiedzie ją naprzód w kierunku jeszcze większego opanowania sił natury ludzkiej. Jednak fizyka nie od razu poszła tą drogą. Zanim osiągnął pewne osiągnięcia na tej drodze, przeszedł długą i trudną ścieżkę rozwoju i w tym okresie wyeliminował naturalne filozoficzne idee metafizyczne na temat struktury i właściwości materii właściwe jednej z epok.

Nowoczesna doktryna budowy materii zaczęła się kształtować w oparciu o stabilne fakty praktyczne dopiero pod koniec XIX i na początku XX wieku. Nie zatrzymując się na sukcesach wiedzy naukowej, nauczanie to, wzbogacane i rozwijane, jednoczyło cztery aspekty organicznie ze sobą powiązane: po pierwsze, nauczanie to jest nauczaniem atomistycznym, ponieważ zgodnie z tym nauczaniem każde ciało, każdy obszar fizyczny powstaje z mikrocząstek i mikroregionów, po drugie, doktryna ta jest doktryną statystyczną, ponieważ w oparciu o pojęcia statystyczne określa właściwości i wzorce ruchu mikroobiektów, ich wzajemne oddziaływanie i przemiany za pomocą praw statystycznych, po trzecie, doktryna ta jest teorii kwantowej, a właściwości i wzorce ruchu mikrocząstek różnią się jakościowo od właściwości i wzorców ruchu ciał mikroskopowych określonych przez fizykę klasyczną; w końcu nauka ta jest nauką relatywistyczną, ponieważ w tej teorii związek między przestrzenią, czasem i materię opisuje teoria relatywistyczna – teoria względności.

Rozwijając wiedzę ludzką, nie zatrzymując się na polu poznania budowy i właściwości materii, odkryłem jej złożoność budowy i niewyczerpaność właściwości oraz potwierdziłem to nowymi faktami. Największym osiągnięciem w badaniu budowy materii jest przejście z poziomu atomowego na poziom cząstek elementarnych. Pierwszą cząstką elementarną odkrytą pod koniec XIX wieku był elektron, w pierwszej połowie XX wieku odkryto foton, proton, pozyton, neutron, neutrino i inne cząstki elementarne. Obecnie cząstki elementarne są uważane za najmniejsze cząstki „elementarne” wśród mikroobiektów otaczających atomy i cząsteczki. Po drugiej wojnie światowej, dzięki zastosowaniu nowoczesnej technologii eksperymentalnej, a przede wszystkim potężnych akceleratorów tworzących warunki o dużej energii i ogromnych prędkościach, odkryto istnienie ponad 300 cząstek elementarnych. Jedną część cząstek elementarnych odkryto eksperymentalnie, drugą część (rezonanse, kwarki, cząstki wirtualne) uznano za teoretyczne.

Co pojęcie „cząstki elementarnej” wyraża we współczesnej fizyce? Zanim odpowiemy na to pytanie, należy zwrócić uwagę na nieodłączny aspekt koncepcji nauk przyrodniczych, że podobnie jak wszystkie pojęcia fizyczne, pojęcie „elementarne” jest względne i nabiera różnych znaczeń na różnych etapach rozwoju wiedzy naukowej. Do połowy lat 60. naszego stulecia poglądy na temat cząstek elementarnych przypominały jeden z typów poglądów na atomy wyrażany przez Demokryta. Jednak te pierwsze naiwne wyobrażenia o cząstkach elementarnych nie przetrwały długo: wkrótce udowodniono, że nie ma cząstek stałych, nieprzeniknionych i pozbawionych struktury. Pod wpływem realnych faktów pojęcie „elementarnego” uległo zmianom i w ogóle wszystko, co można nazwać „cząstką elementarną”, nabrało charakteru nieokreślonego. Obecnie wielu autorów słusznie zauważa, że ​​pojęcie „elementarny” jest używane w dwóch znaczeniach: z jednej strony jako synonim najprostszego, z drugiej strony jako cząstka subatomowa, czyli wskaźnik fundamentalności . Biorąc pod uwagę każde dwa znaczenia wyrażone przez pojęcie „cząstki elementarnej”, można w pełnym i szerokim tego słowa znaczeniu powiedzieć, że tzw. cząstki „elementarne” to takie formacje materialne, które składają się z innych cząstek znanych nauce i występują jako jedna całość we wszystkich procesach wzajemnie na siebie oddziałujących, co obejmuje wielkości fizyczne je charakteryzujące - masę, ładunek elektronu, spin, parowanie, pojedynczość, spin izotropowy i inne parametry początkowe, których nie można teoretycznie obliczyć i które można dokładnie zastosować do teoria fizyczna tylko eksperymentalnie.

Fizyka cząstek elementarnych jest, według słów naukowca, akademika I.B. Tammina, główną dziedziną „prowadzącą współczesną fizykę do przedednia znaczących zmian i rewolucyjnych wstrząsów”. Cząstki elementarne w przenośni porównano do „nieodkrytych planet”. To nie przypadek, że godnych uwagi odkryć w fizyce dokonano w tym zakresie po latach 60. XX wieku. Aby mieć pojęcie o osiągnięciach w tej dziedzinie, wystarczy powiedzieć, że w ciągu ostatnich 25-30 lat liczba cząstek elementarnych wzrosła z 35 do 340, a dalszy wzrost tej liczby przewidywany jest w latach przyszły. Zwłaszcza, że ​​od lat 30. naszego stulecia, oprócz znanych już wcześniej elektronów, fotonów i protonów, odkryto wiele dodatkowych nowych cząstek: neutron, pozyton, neutrony o różnych masach i ładunkach (również obojętnych), mezony, hiperony i ich tzw. odpowiednie antycząstki. Wzrost liczby wyrażającej liczbę cząstek „elementarnych” pokazał utratę dotychczasowego znaczenia pojęcia „elementarnego”. Ponieważ wszystkie te cząstki nie mogły spełnić funkcji ostatnich „cegieł” w budowie świata. Będąc w tym położeniu, cząstki elementarne próbowały wyjaśnić wielość i różnorodność, klasyfikować z punktu widzenia zapewnienia rozwoju, klasyfikować z punktu widzenia zapewnienia rozwoju osiągnięć wiedzy naukowej w tym obszarze. Wdrożenie takich klasyfikacji wiąże się z opisem właściwości i głównych cech cząstek elementarnych.

Obecnie poznano bogactwo właściwości cząstek elementarnych znanych nauce. Co więcej, wiele z tych właściwości nie ma odpowiedników wśród znanych właściwości obiektów makroskopowych. Główne cechy cząstek elementarnych opisywane w abstrakcyjnym języku matematyki to: masa, ładunek, średni okres istnienia, spin, spin izotropowy, pojedynczość, parowanie, ładunek leptyny, ładunek boru, wzajemne oddziaływanie. Spróbujemy scharakteryzować tę właściwość cząstek elementarnych.

Jedną z najważniejszych właściwości charakteryzujących cząstki elementarne jest masa. Należy pamiętać, że masę spoczynkową cząstek elementarnych wyznacza się w stosunku do masy spoczynkowej elektronu (me=9,1×10-31 kg). Obecnie bardziej rozpowszechniona jest klasyfikacja cząstek elementarnych ze względu na wartość ich masy spoczynkowej. Według tej klasyfikacji wszystkie cząstki elementarne dzielą się na 4 grupy: 1) lekkie cząstki elementarne – leptony. Obejmuje to elektron, neutrino i ich antycząstki - pozyton, antyneutrino, a także dodatnie i ujemne mu-mezony. Z wyjątkiem tego ostatniego leptony są stabilne przed wejściem w wzajemne oddziaływanie i istnieją w stanie wolnym przez ponad 1020 lat. Mu-mezony nie są cząstkami stabilnymi; po życiu przez dwieście milionowych sekundy rozpadają się i zamieniają w elektron, neutron i antyneutron. Masa spoczynkowa neutrin i antyneutrin jest bardzo mała; w sumie wynoszą one 0,0005 masy elektronu.

2) cząstki o średniej masie – mezony. Należą do nich dodatnie, ujemne i neutralne mezony pi o masie 270 me – masa spoczynkowa oraz niektóre rodzaje ka-mezonów o masie 970 me. Wszystkie mezony są niestabilne i mają bardzo krótki okres istnienia (do 7-19 sekund).

3) cząstki ciężkie - nukleony. Obejmuje to proton, neutron i ich antycząstki - antyproton i antyneutron. Proton i antyproton są stabilne, neutron i antyneutron są cząstkami niestabilnymi i mają stosunkowo długi czas życia - 17 minut.

4) hiperony są najcięższymi cząstkami. Do tej grupy zalicza się wiele cząstek i antycząstek. Masa hiperonów wynosi od 2182 me do 2585 me. Żywotność wszystkich hiperonów jest taka sama - 10-10 sekund.

Czasami nukleony i hiperony są łączone w jedną grupę zwaną barionami. Do tej grupy można zaliczyć także foton, który tworzy specjalną grupę i jest kwantem pola elektromagnetycznego. Pomimo tego, że taka klasyfikacja cząstek elementarnych nie ujawnia podstawowych praw, które je jednoczą, w każdym razie daje możliwość badania szeregu właściwości i przemian cząstek, a nawet przewidywania istnienia niektórych cząstek. Należy zauważyć, że budowa materii i niewyczerpanie jej właściwości przejawiają się nie tylko w stopniowym wzroście liczby znanych cząstek, ale także w mniej istotnym fakcie wzajemnego przekształcania się cząstek materii „elementarnej”. Zdefiniowanie ogólności (dualizmu) właściwości cząstek materii polowej doprowadziło także do idei ich wzajemnego przekształcenia. Już jakiś czas po odkryciu pozytonu (1932 r.) okazało się, że pary elektron-pozyton, połączone w określonych warunkach, zamieniają się w kwanty światła - fotony, które są cząstkami pola elektromagnetycznego i z nich powstają. Wtedy okazało się, że taka wzajemna przemiana zachodzi nie tylko pomiędzy cząstkami materii i pola, które są dwoma rodzajami materii, ale także pomiędzy samymi cząstkami materii. W rezultacie stało się jasne, że cząstki materii nie są niezmienne i proste, mogą przekształcać się w siebie w procesie wzajemnego oddziaływania, mogą być tworzone i absorbowane przez różne kompleksy cząsteczkowe. Kolejną ważną właściwością cząstek elementarnych jest ich ładunek elektryczny, który odzwierciedla ich związek z polem elektromagnetycznym. Jedna część znanych cząstek ma ładunek dodatni, druga część ma ładunek ujemny, a niektóre cząstki nie mają ładunku elektrycznego. Oprócz fotonu i obu mezonów każda cząstka ma antycząstkę o przeciwnym ładunku. Powód, dla którego różne cząstki elementarne niekoniecznie mają ten sam ładunek elektryczny i że niektórym cząstkom elementarnym brakuje ładunku elektrycznego, nie jest nam jeszcze znany. Jest bardzo prawdopodobne, że jest to przejaw nieodkrytych jeszcze głębokich wewnętrznych wzorców cząstek elementarnych podobieństwa w strukturze cząstek. Jedną z podstawowych cech fizycznych cząstek elementarnych jest okres ich istnienia. Ze względu na okres istnienia cząstki elementarne dzielą się na cząstki stabilne, quasi-stabilne i niestabilne (rezonansowe). Istnieje pięć stabilnych cząstek: foton, neutron elektronowy, neutron mionowy, elektron i proton. W strukturze makrociał decydującą rolę odgrywają cząstki stabilne. Pozostałe cząstki nie są stabilne. Cząstki te, których średni czas życia waha się od 10–10 do 10–24 sekund, ostatecznie dzielą się na inne cząstki. Kwazistabilne cząstki elementarne o średnich okresach istnienia od 10-10 do 10-24 sekund nazywane są rezonansami. Cząstki te, ze względu na krótki czas istnienia, nie mogą opuścić atomu ani jądra atomu i rozpaść się na inne cząstki. Istnienie cząstek rezonansowych zostało obliczone jedynie teoretycznie i nie można jeszcze ich zauważyć w rzeczywistym eksperymencie.

Kolejną ważną cechą cząstek jest spin. Spin jest zupełnie nową właściwością cząstek, właściwą tylko im i nie mającą odpowiednika w fizyce makroskopowej; jego opis jako momentu pędu mechanicznego jest sam w sobie prymitywny i niedokładny. Możemy spojrzeć na spin jako specjalny „obrót”, analogiczny do rotacji cząstki w makrokosmosie. Spin cząstek elementarnych mierzy się w jednostkach i nie można go ani zwiększać, ani zmniejszać. Spin określa ogólny charakter statystyk zawartych w cząstce (statystyki Bosego-Einsteina i Fermiego-Diraca) oraz teorię opisującą jej ruch. Spin protonu, neutronu i elektronu to S-e, spin fotonu to 1-e. Cząstki o spinie połówkowym podlegają statystyce Fermiego-Diraca i nazywane są fermionami, cząstki o spinie pełnym podlegają statystyce Bosego-Einsteina i nazywane są bozonami. Wiadomo, że w tej samej sytuacji, gdy nagle fermion nie jest już możliwy, w tej samej sytuacji może znajdować się kilka bozonów. Zatem fermiony zachowują się jak „indywidualiści”, bozony – jak „kolektywiści”. Pomimo tego, że ta właściwość wewnętrznej natury cząstek elementarnych nie została jeszcze w pełni zbadana, obecnie ustalono powiązanie tych właściwości z właściwościami symetrii i asymetrii przestrzeni. Spin uważany jest za przejaw stopnia wewnętrznej niezależności ruchu cząstek elementarnych. Zatem każda cząstka elementarna charakteryzuje się 4 stopniami niezależności: trzy z nich to stopnie swobody zewnętrznej, wyrażające ruch cząstki w przestrzeni; jeden to wewnętrzny stopień swobody spinu. Istnienie spinu wskazuje również na złożoną budowę cząstki i pewien rodzaj połączeń wewnętrznych. Jedną z ważnych właściwości cząstek elementarnych jest także moment magnetyczny. Właściwość ta występuje zarówno w cząstkach naładowanych, jak i nienaładowanych. Zakłada się, że pewna część momentu magnetycznego naładowanych cząstek jest zdeterminowana ich położeniem w przestrzeni. Zakłada się na przykład, że moment magnetyczny protonów i neutronów wynika z prądu wytwarzanego przez zgromadzone wokół nich chmury mezonów. Spójrzmy na ten problem szerzej. Wiadomo, że pomimo tego, że neutron nie ma ładunku elektrycznego, posiada pewien moment magnetyczny. Pokazuje to, że moment magnetyczny cząstki nie powinien być determinowany przede wszystkim jej strukturą wewnętrzną. Jak w takim wypadku wytłumaczyć powstanie neutronowego momentu magnetycznego? Zakłada się, że ze względu na to, że neutron jest cząstką niestabilną, dysocjuje na proton i na dodatni kwant mezonowy pola mezonowego i w tej pozycji znajduje się około 25% jego istnienia. Dlatego neutron przejmuje 25% momentu magnetycznego dodatniego pimezonu. Zaobserwowany eksperymentalnie moment magnetyczny neutronu jest bardzo zbliżony do wartości obliczonej teoretycznie. Cząstki elementarne, oprócz ładunku elektrycznego, charakteryzują się dodatkowo ładunkami leptonu i barionu. Ładunek leptonowy wszystkich leptonów przyjmuje się jako +1, ładunek barionowy wszystkich barionów przyjmuje się jako +1. Parowanie jest również jedną z ważnych cech cząstek elementarnych. Wartość ta dotyczy symetrii prawej i lewej. W teorii cząstek elementarnych współrzędne każdej cząstki charakteryzują się funkcją falową y, która może, ale nie musi, zmieniać przebieg tych współrzędnych w postaci lustrzanego odbicia (x® -x, u® -u, z® -z ). W pierwszym przypadku funkcja y jest asymetryczna lub jest pojedynczą funkcją, parowanie odpowiedniej cząstki wynosi +1, w drugim przypadku funkcja y jest symetryczna lub sparowana, ale przyjmuje się, że parowanie cząstki wynosi -1 . Jedną z bardzo ważnych cech cząstek elementarnych jest także wzajemna przemiana, której towarzyszy emisja i absorpcja kwantów pola odpowiadających cząstkom elementarnym w okresie wzajemnego oddziaływania. Procesy te, różniące się między sobą intensywnością ich występowania, determinują podział wzajemnego oddziaływania cząstek elementarnych na 4 typy: silne, elektromagnetyczne, słabe i grawitacyjne. O właściwościach cząstek elementarnych decydują głównie silne oddziaływania elektromagnetyczne i słabe wzajemne oddziaływania. Silne wzajemne oddziaływania zachodzą na poziomie jądra atomowego, którego części składowe polegają na wzajemnym przyciąganiu i odpychaniu. Siły wzajemnego oddziaływania, zwane siłami jądrowymi, rozciągają się na bardzo małą odległość - 10-13 cm Silne wzajemne oddziaływania, mocno wiążąc protony i neutrony w określonych warunkach, tworzą układ materialny charakteryzujący się wysoką energią wiązania - jądro atomu . Pomimo tego, że wzajemne oddziaływania elektromagnetyczne są około 1000 razy słabsze od wzajemnych oddziaływań silnych, promień ich oddziaływania jest bliski nieskończoności. Ten rodzaj wzajemnego oddziaływania jest charakterystyczny dla cząstek naładowanych elektrycznie. Nośnik wzajemnego oddziaływania elektromagnetycznego jest wolny od ładunku elektrycznego i masy spoczynkowej fotonu. Foton jest kwantem pola elektromagnetycznego. Poprzez wzajemne oddziaływania elektromagnetyczne, łączące jądro atomu i elektron w jeden układ, powstają atomy, a łącząc się, atomy tworzą cząsteczki. Wzajemne oddziaływania elektromagnetyczne to główne wzajemne oddziaływania, którym towarzyszą procesy chemiczne i biologiczne.

Pomiędzy różnymi cząstkami istnieją słabe wzajemne wpływy. Słabe wzajemne oddziaływania związane z procesem samoistnego rozpadu cząstek, na przykład z procesem przemiany neutronu w jądrze w proton, elektron i antyneutrino (n0® p+ + e- +n), mogą rozciągać się na bardzo mała odległość (10-15 - 10-22 cm). Według współczesnej wiedzy naukowej większość cząstek jest niestabilna tylko z powodu słabych wzajemnych wpływów. Wzajemne oddziaływania grawitacyjne to niezwykle słabe siły, które uwzględnia się w teorii cząstek elementarnych. Dla porównania zauważamy, że są one 1040 razy słabsze od silnych, wzajemnie wpływających sił. Jednak w przypadku bardzo małych odległości (rzędu 10-33 cm) i bardzo wysokich energii siły grawitacyjne stają się znaczące, a pod względem siły zyskują godną formę do porównania z innymi rodzajami wzajemnego oddziaływania. W skali kosmicznej decydującą rolę odgrywają wzajemne oddziaływania grawitacyjne. Promień działania tych sił jest nieograniczony. W przyrodzie między cząstkami elementarnymi działa nie jeden, ale czasami kilka rodzajów wzajemnego oddziaływania i właściwości, a strukturę cząstek określa wspólność wszystkich rodzajów wzajemnego oddziaływania. Na przykład proton, należący do cząstek elementarnych typu hadronowego, bierze udział we wzajemnym silnym oddziaływaniu oraz we wzajemnym oddziaływaniu elektromagnetycznym, ponieważ jest cząstką naładowaną elektrycznie. Natomiast proton może powstać w procesie rozpadu b neutronu, czyli przy słabych wzajemnych oddziaływaniach, stąd wiąże się to ze słabymi wzajemnymi wpływami. I wreszcie proton, jako formacja materialna posiadająca masę, bierze udział we wzajemnych oddziaływaniach grawitacyjnych. W przeciwieństwie do protonu wiele cząstek elementarnych bierze udział we wszystkich rodzajach wzajemnego oddziaływania, ale tylko w niektórych ich typach. Przykładowo neutron ze względu na to, że jest cząstką nienaładowaną, nie bierze udziału we wzajemnych oddziaływaniach elektromagnetycznych, zaś elektron i mu-mezony nie uczestniczą w silnych wzajemnych oddziaływaniach. Zasadnicze wzajemne oddziaływanie jest przyczyną przemian cząstek – ich niszczenia i powstawania. Na przykład zderzenie neutronu i protonu powoduje powstanie dwóch neutronów i jednego dodatniego pimezonu. Okres transformacji cząstek elementarnych zależy od wzajemnie oddziałujących sił. Reakcje jądrowe związane z silnymi wzajemnymi wpływami zachodzą w ciągu 10-24 - 10-23 sekund. Jest to okres, w którym cząstka elementarna przekształca się w cząstkę wysokoenergetyczną i osiąga prędkość bliską prędkości światła, o wymiarach rzędu 10-13 cm. Zmiany spowodowane wzajemnymi wpływami elektromagnetycznymi zachodzą w ciągu 10-21 - 10-19 sekund, zmiany spowodowane słabymi wzajemnymi wpływami (na przykład proces rozpadu cząstek elementarnych) - w ciągu 10-10 sekund. Do okresu różnorodnych zmian zachodzących w mikrokosmosie można podejść z punktu widzenia rozumowania o tworzeniu się wzajemnych wpływów. Kwanty wzajemnego oddziaływania cząstek elementarnych realizowane są poprzez odpowiadające tym cząstkom pola fizyczne. We współczesnej teorii kwantowej pole jest rozumiane jako układ cząstek zmieniających się pod względem liczby (kwanty płci). Stan, w którym pole i w ogóle kwanty pola istnieją o najniższej energii, nazywa się próżnią. Cząsteczki pola elektromagnetycznego (fotony) w próżni w stanie wzbudzenia tracą właściwości mechaniczne, które zawierają, a które są właściwe materii korpuskularnej (na przykład podczas ruchu ciało nie odczuwa tarcia). Próżnia nie zawiera prostych rodzajów materii, mimo to nie jest pustką w pełnym tego słowa znaczeniu, dlatego w próżni powstają kwanty wzbudzenia pola elektromagnetycznego – fotony realizujące wzajemne oddziaływanie elektromagnetyczne. W próżni, oprócz pola elektromagnetycznego, istnieją inne pola fizyczne, w tym pole grawitacyjne, które nie zostało dotychczas odnotowane w tzw. eksperymentach grawitonowych. Pole kwantowe jest zbiorem kwantów i ma charakter dyskretny. Zatem wzajemne oddziaływanie cząstek elementarnych, ich wzajemne przemiany, emisja i absorpcja fotonów ma charakter dyskretny i zachodzi tylko w sytuacji kwantyzacji. W rezultacie pojawia się pytanie: w czym właściwie przejawia się ciągłość pola, jego ciągłość? Zarówno w elektrodynamice kwantowej, jak i mechanice kwantowej stan pola opisywany jest jednoznacznie nie przez obserwowalne zjawiska rzeczywiste, a jedynie przez funkcję falową związaną z pojęciem odwrotności. Kwadrat modułu tej funkcji pokazuje możliwość obserwacji rozpatrywanych zjawisk fizycznych. Głównym problemem kwantowej teorii pola jest opis różnego rodzaju wzajemnych wpływów cząstek w odpowiednich równaniach. Problem ten znalazł dotychczas rozwiązanie jedynie w elektrodynamice kwantowej, która opisuje wzajemne oddziaływanie elektronów, pozytonów i fotonów. Kwantowa teoria pola nie została jeszcze stworzona dla silnych i słabych wzajemnych wpływów. Obecnie tego typu wzajemne oddziaływanie nie jest opisywane ścisłymi metodami. Chociaż wiadomo, że nie da się zrozumieć cząstek elementarnych, jeśli nie mieszczą się one w odpowiedniej teorii fizycznej, nie da się zrozumieć ich budowy, wyznaczonej przez strukturę tych teorii. Dlatego problem budowy cząstek elementarnych nie został jeszcze w pełni rozwiązany. Współczesna fizyka udowadnia obecnie istnienie cząstek złożonych, których wewnętrzna struktura cząstek uważana jest za „elementarną”. Wiadomo było, że proton i neutron w wyniku zachodzących w nich procesów wirtualnych ulegają wewnętrznym przemianom. W wyniku eksperymentów prowadzonych w celu zbadania struktury protonów ustalono, że proton, który do niedawna uważany był za niepodzielny, najprostszy i najbardziej pozbawiony struktury, w rzeczywistości jest cząstką złożoną. W jego centrum znajduje się gęsty rdzeń zwany „rdzeniem”, otoczony jest on dodatnimi mezonami pi. Złożoność struktury cząstek „elementarnych” udowodniła hipoteza kwarkowa wysunięta w 1964 roku przez amerykańskiego naukowca Hel-Manna i niezależnie przez szwedzkiego naukowca Zweiga. Zgodnie z tą hipotezą cząstki elementarne powiązane ze sobą związkami charakteryzującymi się silnym wzajemnym oddziaływaniem (hadrony: proton, neutron, hiperony) powinny powstawać z cząstek kwarkowych, których ładunek jest równy jednej trzeciej lub dwóm trzecim ładunku elektronu. Zatem teoria pokazuje, że ładunki elektryczne i barionowe zaznaczonych kwarków tworzących cząstki należy wyrazić jako liczbę ułamkową. Rzeczywiście, cząstki zwane kwarkami nie zostały jeszcze odkryte i pozostają hipotetycznymi mieszkańcami mikroświata na obecnym poziomie rozwoju nauki.

Wniosek

Zatem z jednej strony jasne jest, że cząstki elementarne mają specjalną strukturę, z drugiej strony charakter tej struktury wciąż pozostaje niejasny. Z powyższych danych wynika, że ​​cząstki elementarne wcale nie są elementarne, mają strukturę wewnętrzną i można je dzielić i przekształcać w siebie. Wciąż niewiele wiemy o obu konstrukcjach. Zatem dzisiaj, na podstawie szeregu faktów, można stwierdzić, że materia cząstek elementarnych jest nowym typem, jakościowo odmiennym od cząstek bardziej złożonych (jądro, atom, cząsteczka). Jednocześnie różnica ta jest na tyle znacząca, że ​​kategorie i wyrażenia, których używamy badając jądra, atomy, cząsteczki, ciała makroskopowe („proste” i „złożone”, „struktura wewnętrzna”, „uformowane”) można zastosować także do cząstki elementarne. Pojęcia „proste i złożone”, „części składowe”, „struktura”, „całość” są na ogół pojęciami względnymi. Na przykład, pomimo tego, że atom ma złożoną strukturę, a jego struktura składa się z warstw jądrowych i elektronicznych, jest prostszy w porównaniu z cząsteczką składową. W hierarchii struktur układów materialnych jądro atomowe, atom, cząsteczka i ciała makroskopowe same tworzą jeden poziom strukturalny. Dlatego elementy ciała, w porównaniu z elementami następnego poziomu, są prostsze i działają jak ich części składowe. Z drugiej strony są one bardziej złożone w porównaniu do elementów znajdujących się na niższych poziomach i będących ich elementami składowymi. Wszystkie układy, począwszy od jądra atomowego aż do tych bardzo dużych rozmiarów, mają tę właściwość: w każdym z nich można rozdzielić elementy konstrukcyjne tworzące rozważane ciała i są prostsze niż elementy niższego poziomu na ich składowe Części. Pod względem znaczenia procesy konsolidacji i separacji są takie same. Przykładowo cząsteczki danej substancji chemicznej składają się z określonej liczby atomów i w określonych warunkach mogą się na nie rozpaść. W tym przypadku masa złożonej całości jest większa niż masa każdej z jej części składowych. To ostatnie stanowisko nie jest prawdziwe w przypadku cząstek elementarnych. Zatem produkty rozpadu cząstek elementarnych nie są prostsze niż cząstki podzielne, ale dokładnie „przekształcające”. Są to także cząstki elementarne. Według współczesnych koncepcji produkty rozpadu wraz z cząsteczkami je generującymi znajdują się na jednym poziomie hierarchii. Na przykład neutron w pewnych warunkach dzieli się na proton, elektron i antyneutron (n0 ®p+ + e- +). Chociaż neutron nie jest bardziej złożony ani prostszy niż proton, elektron i antyneutron. Ponadto proton i elektron można otrzymać w wyniku innych reakcji. Można zatem powiedzieć, że możliwość każdej cząstki elementarnej polega na tym, że może być „składnikiem” innych cząstek elementarnych. Z drugiej strony nie jest tak istotne, aby na każdym poziomie elementarnym całość składała się z tak dużej akumulacji. W tym przypadku masa całości może być nawet kilkukrotnie mniejsza niż masa jej składników. Na przykład w wielu przypadkach w wyniku połączenia nyuklonu i antynyuklonu powstaje mezon, którego masa jest mniejsza niż masa któregokolwiek z nich. Anomalię tę tłumaczy się faktem, że podczas tworzenia cząstki elementarnej masa pochłania uwolnioną energię

może być tak duży, że powstałe produkty reakcji w ogóle nie są podobne do pierwotnej cząstki. Dlatego w świecie cząstek elementarnych pojęcia „prosty i złożony”, „składnik”, „struktura”, „całość” nabierają zupełnie innego znaczenia niż w fizyce atomowej i fizyce klasycznej. Specyfika cząstek elementarnych przejawia się także we wzajemnych oddziaływaniach energetycznych. Począwszy od obiektów makroskopowych, a kończąc na jądrze atomu, energia wszystkich układów materialnych składa się z dwóch składników: specjalnego odpowiadającego masie ciała (E=mc2) i energii wiązania jego elementów składowych. Choć te rodzaje energii są od siebie nierozłączne, to mają zupełnie odmienny charakter. Specjalna energia obiektów jest znacznie większa niż energia ich połączenia, można ją rozdzielić na wszystkie części składowe. Na przykład pod wpływem energii zewnętrznej cząsteczkę można podzielić na atomy (H2O®H+O+H), ale w tym przypadku zauważalna zmiana nie nastąpi w samych atomach. W cząstkach elementarnych problem ten przybiera inną postać. Cała energia cząstek elementarnych nie jest podzielona na specjalną i wiążącą. Dlatego pomimo tego, że cząstki elementarne nie mają struktury wewnętrznej, nie można ich podzielić na części składowe. Cząstki elementarne nie zawierają cząstek wewnętrznych, które pozostają mniej więcej niezmienione. Według współczesnych koncepcji strukturę cząstek elementarnych opisuje się za pomocą stale generowanych i ciągle dzielących się cząstek „wirtualnych”. Przykładowo anihilacja mezonów (od łacińskiego słowa „annihilatio” – zniszczenie) powstaje z ciągle tworzonych, a następnie zanikających wirtualnych nukleonów i wirtualnych antynukleonów. Formalny rozwój koncepcji cząstki wirtualnej pokazuje, że wewnętrznej struktury cząstek elementarnych nie da się opisać innymi cząstkami. Nie powstała jeszcze zadowalająca fizyków teoria pochodzenia i budowy cząstek elementarnych. Szereg wybitnych naukowców wpadło na pomysł, że teorię tę można stworzyć, biorąc pod uwagę wyłącznie warunki kosmiczne. Dużego znaczenia nabiera koncepcja generowania cząstek elementarnych z próżni, pól elektromagnetycznych i grawitacyjnych. Ponieważ związek między mikro, makro i mega światem ucieleśnia się tylko w tej idei. W megaświecie o strukturze i wzajemnych przemianach cząstek elementarnych decydują fundamentalne wzajemne oddziaływania. Jest oczywiste, że aby właściwie opisać strukturę świata materialnego, konieczne jest opracowanie aparatu nowych pojęć.

Bibliografia

1. Makovelsky. Starożytni greccy atomiści. Baku, 1946.

2. Kudryavtsev. Kurs z historii fizyki. M., Edukacja, 1974, s.179.

3. Filozofia nauk przyrodniczych. M., 1966, s. 45; E. M. Bałabanow. W głąb atomu, M., 1967.

4. Filozofia i nauki przyrodnicze. M., 1964, s. 74-75; ST Meluchin. W stronę filozoficznej oceny współczesnych koncepcji pola i materii. W książce: Materializm dialektyczny a współczesne nauki przyrodnicze, M., 1957, s. 23. 124-127.

5. Kuzniecow B. Ścieżki myśli fizycznej. wyd. „Nauka”, M., 1968, s. 25. 296-298

6. Akhizer AI, Rekalo M.P. Biografia cząstek elementarnych, Kijów, 1978.

7. Stanyukovich K.P., Lapchinsky V.G. Systematyka cząstek elementarnych.

8. W książce: O systematyce cząstek, M., 1969, s. 74-75.

9. Balabanov E.M. Głęboko w atomie. M., 1967, s. 38-39.

10. Nowozhiłow Yu.V. Cząstki elementarne. M., 1974; Sproul R. Fizyka współczesna. M., 1974;

11. Soddy F. Historia energii atomowej. M., 1979.

12. Gott V.S. O niewyczerpalności świata materialnego. M., „Wiedza”, 1968, s.31.

13. Knyazev V.N. Koncepcje oddziaływania we współczesnej fizyce. M.

14. Svechnikov G.A. Nieskończoność materii. M., 1965, s. 13. 17-21; Omieljanowski M

Opublikowano na Allbest.ru

Podobne dokumenty

Podstawowe pojęcia, mechanizmy cząstek elementarnych, rodzaje ich oddziaływań fizycznych (grawitacyjne, słabe, elektromagnetyczne, jądrowe). Cząstki i antycząstki. Klasyfikacja cząstek elementarnych: fotony, leptony, hadrony (mezony i bariony). Teoria kwarków.

praca na kursie, dodano 21.03.2014


Podstawowe charakterystyki i klasyfikacja cząstek elementarnych. Rodzaje oddziaływań między nimi: silne, elektromagnetyczne, słabe i grawitacyjne. Skład i właściwości jąder atomowych. Kwarki i leptony. Metody, rejestracja i badanie cząstek elementarnych.

praca na kursie, dodano 12.08.2010


Podstawowe interakcje fizyczne. Powaga. Elektromagnetyzm. Słaba interakcja. Problem jedności fizyki. Klasyfikacja cząstek elementarnych. Charakterystyka cząstek subatomowych. Leptony. Hadrony. Cząstki są nośnikami oddziaływań.

praca magisterska, dodana 05.02.2003


Struktury i właściwości materii pierwszego typu. Struktury i właściwości materii drugiego typu (cząstki elementarne). Mechanizmy rozpadu, oddziaływania i narodzin cząstek elementarnych. Anihilacja i wprowadzenie zakazu opłat.

streszczenie, dodano 20.10.2006


Charakterystyka metod obserwacji cząstek elementarnych. Pojęcie cząstek elementarnych, rodzaje ich oddziaływań. Skład jąder atomowych i oddziaływanie nukleonów w nich. Definicja, historia odkryć i rodzaje promieniotwórczości. Najprostsze i łańcuchowe reakcje jądrowe.

streszczenie, dodano 12.12.2009


Właściwości wszystkich cząstek elementarnych. Związek protonów i neutronów w jądrach atomowych. Klasyfikacja cząstek elementarnych. Wielkość różnicy między masami neutronu i protonu. Oddziaływania grawitacyjne neutronów. Eksperymentalna wartość czasu życia mionu.

streszczenie, dodano 20.12.2011


Scenariusz rozwoju Wszechświata po Wielkim Wybuchu. Współczesne wyobrażenia o cząstkach elementarnych jako podstawowej zasadzie budowy materii we Wszechświecie. Klasyfikacja cząstek elementarnych. Dualizm korpuskularno-falowy we współczesnej fizyce. Teoria atomu N. Bohra.

streszczenie, dodano 17.05.2011


Planetarny model atomu Rutherforda. Skład i charakterystyka jądra atomowego. Masa i energia wiązania jądra. Energia wiązania nukleonów w jądrze. Oddziaływanie pomiędzy naładowanymi cząstkami. Wielki Zderzacz Hadronów. Założenia teorii fizyki cząstek elementarnych.

praca na kursie, dodano 25.04.2015


Cząstka elementarna to cząstka pozbawiona struktury wewnętrznej, czyli niezawierająca innych cząstek. Klasyfikacja cząstek elementarnych, ich symbole i masy. Ładunek koloru i zasada Pauliego. Fermiony jako podstawowe cząstki składowe wszelkiej materii, ich rodzaje.

prezentacja, dodano 27.05.2012


Klasyfikacja cząstek elementarnych. Podstawowe interakcje. Model atomu Rutherforda. Teoria Bohra dla atomu wodoru. Atom wodoru w mechanice kwantowej. Mechaniczne uzasadnienie prawa okresowego D. Mendelejewa. Pojęcie radioaktywności.

Federalna państwowa instytucja edukacyjna

wyższe wykształcenie zawodowe

„POŁUDNIOWY UNIWERSYTET FEDERALNY”

Wydział Ekonomii

Cząstki elementarne.

Ich klasyfikacja i podstawowe właściwości.

Wykonano

Studentka I roku, grupa 11

Bublikowa Ekaterina

Rostów nad Donem – 2009

Wstęp. Świat cząstek elementarnych.

Podstawowe interakcje fizyczne.

1. Powaga.

   Oddziaływanie elektromagnetyczne.

   Słaba interakcja.

   Silna interakcja.

Klasyfikacja cząstek elementarnych.

1. Charakterystyka cząstek subatomowych.

   Historia odkrycia cząstek elementarnych.

2.5. Teoria kwarków.

2.6. Cząstki są nośnikami oddziaływań.

3. Teorie cząstek elementarnych.

3.1. Elektrodynamika kwantowa.

3.2. Teoria oddziaływań elektrosłabych.

3.3. Chromodynamika kwantowa.

3.4. W drodze do... Wielkiego Zjednoczenia.

Wykaz używanej literatury.

Świat cząstek elementarnych.

W połowie i drugiej połowie XX wieku uzyskano naprawdę zdumiewające wyniki w tych gałęziach fizyki, które badają podstawową strukturę materii. Przede wszystkim przejawiło się to w odkryciu całego szeregu nowych cząstek subatomowych. Nazywa się je zwykle cząstkami elementarnymi, ale nie wszystkie z nich są naprawdę elementarne. Cząstki elementarne w ścisłym tego słowa znaczeniu to cząstki pierwotne, dalsze, nierozkładalne, z których rzekomo składa się wszelka materia, ale wiele z nich z kolei składa się z jeszcze większej liczby cząstek elementarnych.

Świat cząstek subatomowych jest naprawdę różnorodny. Obecnie znanych jest ponad 350 cząstek elementarnych. Należą do nich protony i neutrony tworzące jądra atomowe, a także elektrony krążące wokół jąder. Ale są też cząstki, których praktycznie nigdy nie spotyka się w otaczającej nas materii. Jeśli średni czas życia neutronu znajdującego się poza jądrem atomowym wynosi 15 minut, to czas życia takich krótkotrwałych cząstek jest niezwykle krótki i wynosi najmniejsze ułamki sekundy. Po tym niezwykle krótkim czasie rozpadają się na zwykłe cząstki. Istnieje niesamowita liczba takich niestabilnych, krótkotrwałych cząstek: znanych jest już kilkaset z nich. Nie można jednak uważać, że niestabilne cząstki elementarne „składają się” ze stabilnych, choćby dlatego, że ta sama cząstka może rozpaść się na kilka sposobów na różne cząstki elementarne.

Każda cząstka elementarna (z wyjątkiem cząstek absolutnie obojętnych) ma swoją antycząstkę.

Fizycy odkryli istnienie cząstek elementarnych podczas badania procesów jądrowych, dlatego do połowy XX wieku fizyka cząstek elementarnych była gałęzią fizyki jądrowej. Obecnie fizyka cząstek elementarnych i fizyka jądrowa to bliskie, choć niezależne gałęzie fizyki, które łączy wspólność wielu rozpatrywanych problemów i stosowanych metod badawczych. Głównym zadaniem fizyki cząstek elementarnych jest badanie natury, właściwości i wzajemnych przemian cząstek elementarnych.

W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych fizycy byli całkowicie zaskoczeni liczbą, różnorodnością i dziwnością nowo odkrytych cząstek subatomowych. Wydawało się, że nie mają końca. Nie jest całkowicie jasne, dlaczego jest tak wiele cząstek. Czy te cząstki elementarne są chaotycznymi i przypadkowymi fragmentami materii? A może kryją w sobie klucz do zrozumienia budowy Wszechświata? Rozwój fizyki w kolejnych dziesięcioleciach pokazał, że nie ma wątpliwości co do istnienia takiej konstrukcji. Pod koniec XX wieku fizyka zaczyna rozumieć znaczenie każdej z cząstek elementarnych.

Świat cząstek subatomowych charakteryzuje się głębokim i racjonalnym porządkiem. Porządek ten opiera się na podstawowych interakcjach fizycznych.

1. Podstawowe interakcje fizyczne.

W życiu codziennym człowiek styka się z wieloma siłami działającymi na jego ciało. Oto siła wiatru lub nadchodzącego strumienia wody, ciśnienie powietrza, potężne uwolnienie wybuchowych chemikaliów, siła mięśni człowieka, ciężar ciężkich przedmiotów, ciśnienie kwantów światła, przyciąganie i odpychanie ładunków elektrycznych, fale sejsmiczne które czasami powodują katastrofalne zniszczenia, erupcje wulkanów, które doprowadziły do ​​​​zagłady cywilizacji itp. Niektóre siły działają bezpośrednio w kontakcie z ciałem, inne, np. Grawitacja, działają na odległość, poprzez przestrzeń. Jednak, jak się okazało w wyniku rozwoju teoretycznych nauk przyrodniczych, pomimo tak dużej różnorodności, wszystkie siły działające w przyrodzie można sprowadzić do zaledwie czterech podstawowych oddziaływań: grawitacyjnego, elektromagnetycznego, słabego i silnego. To właśnie te interakcje są ostatecznie odpowiedzialne za wszelkie zmiany w świecie, są źródłem wszelkich przemian ciał i procesów. Cząstki elementarne dzielą się na grupy ze względu na ich zdolność do różnego rodzaju oddziaływań podstawowych. Badanie właściwości oddziaływań fundamentalnych jest głównym zadaniem współczesnej fizyki.

1.1. Powaga.

W historii fizyki grawitacja (grawitacja) stała się pierwszym z czterech podstawowych oddziaływań, które stały się przedmiotem badań naukowych. Po pojawieniu się w XVII w. Teoria grawitacji Newtona – prawo powszechnego ciążenia – po raz pierwszy zdołała uświadomić sobie prawdziwą rolę grawitacji jako siły natury. Grawitacja ma wiele cech, które odróżniają ją od innych podstawowych oddziaływań.

Najbardziej zaskakującą cechą grawitacji jest jej niski poziom intensywność. Wielkość oddziaływania grawitacyjnego pomiędzy składnikami atomu wodoru wynosi 10n, gdzie n = -39, w oparciu o siłę oddziaływania ładunków elektrycznych. Może wydawać się zaskakujące, że w ogóle odczuwamy grawitację, ponieważ jest ona tak słaba. Jak może stać się dominującą siłą we Wszechświecie?

Chodzi o drugą niesamowitą cechę grawitacji – jej uniwersalność. Nic we Wszechświecie nie jest wolne od grawitacji. Każda cząstka doświadcza działania grawitacji i sama jest jej źródłem. Ponieważ każda cząsteczka materii wywiera przyciąganie grawitacyjne, grawitacja wzrasta w miarę tworzenia się większych skupisk materii. W życiu codziennym odczuwamy grawitację, ponieważ wszystkie atomy Ziemi współpracują, aby nas przyciągnąć. I chociaż efekt przyciągania grawitacyjnego jednego atomu jest znikomy, wynikająca z tego siła przyciągania wszystkich atomów może być znacząca.

Grawitacja - dalekosiężna siła natury. Oznacza to, że chociaż intensywność oddziaływania grawitacyjnego maleje wraz z odległością, rozprzestrzenia się ono w przestrzeni i może oddziaływać na ciała bardzo odległe od źródła. W skali astronomicznej główną rolę odgrywają oddziaływania grawitacyjne. Dzięki działaniu dalekiego zasięgu grawitacja zapobiega rozpadowi Wszechświata: utrzymuje planety na orbitach, gwiazdy w galaktykach, galaktyki w gromadach, gromady w Metagalaktyce.

Siła grawitacji działająca pomiędzy cząsteczkami jest zawsze siłą przyciągającą: ma tendencję do zbliżania cząstek do siebie. Nigdy wcześniej nie zaobserwowano odpychania grawitacyjnego (choć w tradycji mitologii quasi-naukowej istnieje cała dziedzina zwana lewitacją – poszukiwaniem „faktów” antygrawitacji). Ponieważ energia zgromadzona w dowolnej cząstce jest zawsze dodatnia i nadaje jej dodatnią masę, cząstki pod wpływem grawitacji zawsze mają tendencję do zbliżania się.

Czym jest grawitacja, pewne pole lub przejaw krzywizny czasoprzestrzeni - wciąż nie ma jasnej odpowiedzi na to pytanie. Istnieją różne opinie i koncepcje fizyków na ten temat.

1.2. Oddziaływanie elektromagnetyczne.

Siły elektryczne są znacznie większe niż siły grawitacyjne. W przeciwieństwie do słabego oddziaływania grawitacyjnego, siły elektryczne działające pomiędzy ciałami o normalnej wielkości można łatwo zaobserwować. Elektromagnetyzm jest znany ludziom od niepamiętnych czasów (zorze, błyskawice itp.).

Przez długi czas badano procesy elektryczne i magnetyczne niezależnie od siebie. Decydujący krok w wiedzy o elektromagnetyzmie dokonał w połowie XIX wieku J. C. Maxwell, który połączył elektryczność i magnetyzm w jednolitą teorię elektromagnetyzmu – pierwszą zunifikowaną teorię pola.

Istnienie elektronu zostało mocno ugruntowane w latach 90. ubiegłego wieku. Obecnie wiadomo, że ładunek elektryczny dowolnej cząstki materii jest zawsze wielokrotnością podstawowej jednostki ładunku - rodzaju „atomu” ładunku. Dlaczego tak się dzieje, to niezwykle interesujące pytanie. Jednak nie wszystkie cząstki materialne są nośnikami ładunku elektrycznego. Na przykład foton i neutrino są elektrycznie obojętne. Pod tym względem elektryczność różni się od grawitacji. Wszystkie cząstki materialne tworzą pole grawitacyjne, natomiast jedynie cząstki naładowane są skojarzone z polem elektromagnetycznym. Nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego pomiędzy naładowanymi cząstkami jest pole elektromagnetyczne, czyli kwanty pola – fotony.

Podobnie jak ładunki elektryczne, tak jak bieguny magnetyczne odpychają się, a przeciwne przyciągają. Jednak w przeciwieństwie do ładunków elektrycznych, bieguny magnetyczne nie występują pojedynczo, lecz jedynie parami – biegun północny i biegun południowy. Od czasów starożytnych znane były próby uzyskania przez podzielenie magnesu tylko jednego izolowanego bieguna magnetycznego - monopolu. Ale wszystkie zakończyły się porażką. Być może wykluczone jest istnienie izolowanych biegunów magnetycznych w przyrodzie? Na to pytanie nie ma jeszcze jednoznacznej odpowiedzi. Niektóre koncepcje teoretyczne dopuszczają możliwość istnienia monopolu.

Podobnie jak oddziaływania elektryczne i grawitacyjne, oddziaływanie biegunów magnetycznych podlega prawu odwrotnych kwadratów. W rezultacie siły elektryczne i magnetyczne mają charakter „dalekiego zasięgu”, a ich działanie jest odczuwalne w dużych odległościach od źródła. Zatem ziemskie pole magnetyczne rozciąga się daleko w przestrzeń kosmiczną. Potężne pole magnetyczne Słońca wypełnia cały Układ Słoneczny. Istnieją również galaktyczne pola magnetyczne.

Oddziaływanie elektromagnetyczne determinuje budowę atomów i jest odpowiedzialne za zdecydowaną większość zjawisk i procesów fizycznych i chemicznych. Oddziaływanie elektromagnetyczne prowadzi również do emisji fal elektromagnetycznych.

1.3. Słaba interakcja.

Fizyka powoli zmierza w kierunku ustalenia istnienia oddziaływania słabego. Oddziaływanie słabe jest odpowiedzialne za rozpady cząstek, dlatego jego manifestację skonfrontowano z odkryciem radioaktywności i badaniem rozpadu beta.

Rozpad beta ujawnił niezwykle dziwną cechę. Badania doprowadziły do ​​wniosku, że rozpad ten narusza jedno z podstawowych praw fizyki – prawo zachowania energii. Wydawało się, że w tym rozpadzie część energii gdzieś zniknęła. Aby „uratować” prawo zachowania energii, W. Pauli zasugerował, że wraz z elektronem podczas rozpadu beta wylatuje kolejna cząstka. Jest neutralny i ma niezwykle wysoką zdolność penetracji, w wyniku czego nie można go było zaobserwować. E. Fermi nazwał niewidzialną cząstkę „neutrinem”.

Neutrino (neutrino włoskie, zdrobnienie od neutronu – neutron), stabilna, nienaładowana cząstka elementarna o spinie 1/2 i możliwie zerowej masie. Neutrina zaliczane są do leptonów. Uczestniczą jedynie w oddziaływaniach słabych i grawitacyjnych, przez co oddziałują niezwykle słabo z materią. Istnieją neutrina elektronowe, zawsze sparowane z elektronem lub pozytonem, neutrina mionowe, sparowane z mionem i neutrina taonowe, związane z ciężkim leptonem. Każdy typ neutrina ma swoją własną antycząstkę, która różni się od neutrin znakiem odpowiedniego ładunku leptonowego i helikalności: neutrina mają lewoskrętną helikalność (spin jest skierowany przeciwnie do ruchu cząstki), a antyneutrina mają prawoskrętną helikalność ( obrót jest zgodny z kierunkiem ruchu).

Ale przewidywanie i wykrywanie neutrin to dopiero początek problemu, jego sformułowanie. Trzeba było wyjaśnić naturę neutrin, ale pozostało tu wiele tajemnic. Faktem jest, że zarówno elektrony, jak i neutrina zostały wyemitowane przez niestabilne jądra. Jednak niezbicie udowodniono, że w jądrach nie ma takich cząstek. Jak powstały? Sugerowano, że elektrony i neutrina nie istnieją w jądrze w „gotowej formie”, ale powstają w jakiś sposób z energii radioaktywnego jądra. Dalsze badania wykazały, że neutrony zawarte w jądrze, pozostawione samym sobie, po kilku minutach rozpadają się na proton, elektron i neutrino, tj. zamiast jednej cząstki pojawiają się trzy nowe. Analiza doprowadziła do wniosku, że znane siły nie mogły spowodować takiego rozpadu. Najwyraźniej została wygenerowana przez jakąś inną, nieznaną siłę. Badania wykazały, że siła ta odpowiada jakiejś słabej interakcji.

Jest znacznie słabszy od elektromagnetycznego, choć silniejszy od grawitacyjnego. Rozprzestrzenia się na bardzo małe odległości. Promień słabego oddziaływania jest bardzo mały i wynosi około 2*10^(-16) cm. Oddziaływanie słabe zatrzymuje się w minimalnej odległości od źródła i dlatego nie może oddziaływać na obiekty makroskopowe, lecz ogranicza się do pojedynczych cząstek subatomowych. Wszystkie cząstki elementarne z wyjątkiem fotonu uczestniczą w oddziaływaniach słabych. Determinuje większość rozpadów cząstek elementarnych, oddziaływanie neutrin z materią itp. Oddziaływanie słabe charakteryzuje się naruszeniem parzystości, obcości i „uroku”. Jednolitą teorię oddziaływania słabego i elektromagnetycznego stworzyli pod koniec lat 60. XX wieku S. Weinberg, S. Glashow i A. Salam. Opisuje oddziaływania kwarków i leptonów, przeprowadzane poprzez wymianę czterech cząstek: bezmasowych fotonów (oddziaływanie elektromagnetyczne) i ciężkich bozonów wektorów pośrednich – cząstek W+, W- i Z°, które są nośnikami oddziaływania słabego (odkrytego doświadczalnie w 1983). Tę pojedynczą interakcję zaczęto nazywać elektrosłabą. Od czasu teorii pola elektromagnetycznego Maxwella stworzenie tej teorii było największym krokiem w kierunku jedności fizyki.

1.4. Silna interakcja.

Ostatnim z szeregu oddziaływań fundamentalnych jest oddziaływanie silne, będące źródłem ogromnej energii. Najbardziej typowym przykładem energii uwalnianej przez oddziaływanie silne jest nasze Słońce. W głębi Słońca i gwiazd, począwszy od pewnego czasu, w sposób ciągły zachodzą reakcje termojądrowe spowodowane silnym oddziaływaniem. Ale człowiek nauczył się także uwalniać oddziaływania silne: stworzono bombę wodorową, opracowano i udoskonalono technologie kontrolowanych reakcji termojądrowych.

Fizyka wpadła na pomysł istnienia silnego oddziaływania podczas badania struktury jądra atomowego. Pewna siła musi utrzymać protony w jądrze, zapobiegając ich rozproszeniu pod wpływem odpychania elektrostatycznego. Grawitacja jest na to za słaba; Oczywiście potrzebne jest jakieś nowe oddziaływanie, w dodatku silniejsze niż elektromagnetyczne. Później odkryto. Okazało się, że chociaż oddziaływanie silne znacznie przewyższa swoją wielkością wszystkie inne oddziaływania podstawowe, to nie jest ono odczuwalne poza jądrem. Promień działania nowej siły okazał się bardzo mały. Oddziaływanie silne gwałtownie maleje w odległości od protonu lub neutronu większej niż około 10^(-15) m.

Ponadto okazało się, że nie wszystkie cząstki ulegają silnym oddziaływaniom. Doświadczają go protony i neutrony, ale elektrony, neutrina i fotony nie podlegają temu. Oznacza to, że w oddziaływaniu silnym uczestniczą tylko hadrony.

Silne oddziaływanie przewyższa oddziaływanie elektromagnetyczne około 100 razy. Teoretyczne wyjaśnienie natury silnego oddziaływania było trudne do opracowania. Przełom nastąpił na początku lat 60., kiedy zaproponowano model kwarkowy. W tej teorii neutrony i protony są uważane nie za cząstki elementarne, ale jako układy złożone zbudowane z kwarków. Współczesna teoria oddziaływania silnego to chromodynamika kwantowa.

Zatem w podstawowych oddziaływaniach fizycznych wyraźnie widać różnicę pomiędzy siłami dalekiego i krótkiego zasięgu. Z jednej strony mamy do czynienia z oddziaływaniami o nieograniczonym zasięgu (grawitacja, elektromagnetyzm), z drugiej zaś oddziaływaniami o krótkim zasięgu (silnym i słabym). Świat elementów fizycznych jako całość rozwija się w jedności tych dwóch biegunów i jest ucieleśnieniem jedności niezwykle małego i niezwykle dużego - działania krótkiego zasięgu w mikroświecie i działania dalekiego zasięgu w całym Wszechświecie.

1,5. Problem jedności fizyki.

Wiedza jest uogólnieniem rzeczywistości, dlatego celem nauki jest poszukiwanie jedności w przyrodzie, łączenie odmiennych fragmentów wiedzy w jeden obraz. Aby stworzyć jednolity system, konieczne jest otwarcie ogniwa łączącego różne gałęzie wiedzy, jakiejś zasadniczej zależności. Poszukiwanie takich powiązań i relacji jest jednym z głównych zadań badań naukowych. Ilekroć możliwe jest nawiązanie takich nowych powiązań, zrozumienie otaczającego świata znacznie się pogłębia, powstają nowe sposoby poznawania, które wskazują drogę do nieznanych wcześniej zjawisk.

Tworzenie głębokich powiązań pomiędzy różnymi obszarami przyrody jest zarówno syntezą wiedzy, jak i metodą ukierunkowującą badania naukowe na nowe, nieprzejezdne drogi. Odkrycie przez Newtona związku między przyciąganiem ciał w warunkach ziemskich a ruchem planet zapoczątkowało narodziny mechaniki klasycznej, na podstawie której budowane są podstawy technologiczne współczesnej cywilizacji. Ustalenie związku pomiędzy termodynamicznymi właściwościami gazu i chaotycznym ruchem cząsteczek stanowi solidną podstawę atomowo-molekularnej teorii materii. W połowie ubiegłego wieku Maxwell stworzył ujednoliconą teorię elektromagnetyczną, która obejmowała zarówno zjawiska elektryczne, jak i magnetyczne. Następnie, w latach 20. XX wieku, Einstein podejmował próby połączenia elektromagnetyzmu i grawitacji w jednej teorii.

Ale w połowie XX wieku sytuacja w fizyce zmieniła się radykalnie: odkryto dwie nowe fundamentalne interakcje - silną i słabą, tj. tworząc ujednoliconą fizykę, należy wziąć pod uwagę nie dwie, ale cztery podstawowe interakcje. To nieco ostudziło zapał tych, którzy liczyli na szybkie rozwiązanie tego problemu. Ale sam pomysł nie był poważnie kwestionowany, a entuzjazm dla idei pojedynczego opisu nie minął.

Istnieje pogląd, że wszystkie cztery (lub co najmniej trzy) oddziaływania reprezentują zjawiska o tej samej naturze i należy znaleźć ich jednolity opis teoretyczny. Perspektywa stworzenia jednolitej teorii świata elementów fizycznych, opartej na jednej fundamentalnej interakcji, pozostaje bardzo atrakcyjna. To główne marzenie fizyków XX wieku. Ale przez długi czas był to tylko sen, i to bardzo niejasny.

Jednak w drugiej połowie XX wieku pojawiły się przesłanki realizacji tego marzenia i pewność, że nie jest to kwestia odległej przyszłości. Wygląda na to, że już niedługo może to stać się rzeczywistością. Zdecydowany krok w stronę jednolitej teorii nastąpił w latach 60. i 70. XX wieku wraz z utworzeniem najpierw teorii kwarków, a następnie teorii oddziaływań elektrosłabych. Istnieją podstawy, by sądzić, że stoimy u progu potężniejszego i głębszego zjednoczenia niż kiedykolwiek wcześniej. Wśród fizyków rośnie przekonanie, że zaczynają wyłaniać się zarysy jednolitej teorii wszystkich podstawowych interakcji – Wielkiego Zjednoczenia.

2. Klasyfikacja cząstek elementarnych.

2.1. Charakterystyka cząstek subatomowych.

Odkrycie na przełomie XIX i XX wieku najmniejszych nośników właściwości materii – cząsteczek i atomów – oraz ustalenie faktu, że cząsteczki zbudowane są z atomów, po raz pierwszy umożliwiło opisanie wszystkich znanych substancji jako kombinacje skończonej, choć dużej liczby elementów strukturalnych - atomów. Dalsza identyfikacja obecności atomów składowych - elektronów i jąder, ustalenie złożonej natury jąder, które okazały się zbudowane tylko z dwóch rodzajów cząstek (protonów i neutronów) , znacznie zmniejszyło liczbę dyskretnych elementów tworzących właściwości materii. Nie można z całą pewnością stwierdzić, że istnieją cząstki elementarne w rozumieniu powyższej definicji. Na przykład protony i neutrony, które przez długi czas uważano za elementarne, jak się okazało, mają złożoną budowę. Nie można wykluczyć, że kolejność składników strukturalnych materii jest zasadniczo nieskończona. Może się też okazać, że stwierdzenie „składa się z…” na którymś etapie badania materii okaże się pozbawione treści. W takim wypadku trzeba będzie porzucić podaną powyżej definicję słowa „elementarny”. Istnienie cząstek elementarnych (subatomowych) jest swego rodzaju postulatem, a sprawdzenie jego zasadności jest jednym z najważniejszych zadań fizyki.

Cechami cząstek subatomowych są masa, ładunek elektryczny, spin (wewnętrzny moment pędu), czas życia cząstki, moment magnetyczny, parzystość przestrzenna, parzystość ładunku, ładunek leptonowy, ładunek barionowy, dziwność, „urok” itp.

Kiedy mówią o masie cząstki, mają na myśli jej masę spoczynkową, ponieważ masa ta nie zależy od stanu ruchu. Cząstka o zerowej masie spoczynkowej porusza się z prędkością światła (foton). Żadne dwie cząstki nie mają tej samej masy. Elektron jest najlżejszą cząstką o niezerowej masie spoczynkowej. Proton i neutron są prawie 2000 razy cięższe od elektronu. A najcięższa znana cząstka elementarna (cząstka Z) ma masę 200 000 razy większą od masy elektronu.

Ładunek elektryczny zmienia się w dość wąskim zakresie i zawsze jest wielokrotnością podstawowej jednostki ładunku - ładunku elektronu (-1). Niektóre cząstki, takie jak foton i neutrino, nie mają żadnego ładunku.

Ważną cechą cząstki jest spin. Nie ma klasycznego odpowiednika i oczywiście wskazuje na „wewnętrzną złożoność” mikroobiektu. To prawda, że ​​​​czasami próbują porównać z koncepcją spinu model obiektu obracającego się wokół własnej osi (samo słowo „spin” jest tłumaczone jako „wrzeciono”). Ten model jest wizualny, ale niepoprawny. W każdym razie nie można tego brać dosłownie. W literaturze spotykane określenie „obracający się mikroobiekt” nie oznacza obrotu mikroobiektu, a jedynie występowanie określonego wewnętrznego momentu pędu. Aby moment ten „zamienił się” w klasyczny moment pędu (a tym samym obiekt faktycznie zaczął się obracać), konieczne jest spełnienie warunku s >> 1 (znacznie więcej niż jeden). Jednak ten warunek nigdy nie jest spełniony. Spin jest zawsze wielokrotnością jakiejś podstawowej jednostki, którą wybiera się jako ½. Wszystkie cząstki tego samego typu mają ten sam spin. Zazwyczaj spiny cząstek mierzy się w jednostkach stałej Plancka ћ. Może to być liczba całkowita (0, 1, 2,...) lub półliczba całkowita (1/2, 3/2,...). Zatem proton, neutron i elektron mają spin S, a spin fotonu jest równy 1. Znane są cząstki o spinie 0, 3/2, 2. Cząstka o spinie 0 wygląda tak samo pod dowolnym kątem obrotu. Cząstki o spinie 1 przyjmują tę samą postać po pełnym obrocie o 360°. Cząstka o spinie 1/2 przyjmuje swój poprzedni wygląd po obrocie o 720° itd. Cząstka o spinie 2 powraca do poprzedniego położenia po pół obrotu (180°). Cząstki o spinie większym niż 2 nie zostały wykryte, a być może w ogóle ich nie ma. Znajomość spinu mikroobiektu pozwala nam ocenić charakter jego zachowania w grupie własnego rodzaju (innymi słowy, pozwala nam ocenić właściwości statystyczne mikroobiektu). Okazuje się, że zgodnie ze swoimi właściwościami statystycznymi wszystkie mikroobiekty w przyrodzie dzielą się na dwie grupy: grupę mikroobiektów o spinie całkowitym i grupę mikroobiektów o spinie półcałkowitym.

Mikroobiekty z pierwszej grupy są w stanie „zapełnić” ten sam stan w nieograniczonej liczbie, przy czym im silniej ten stan jest „zapełniony”, tym liczba ta jest większa. Mówi się, że takie mikroobiekty spełniają statystyki Bosego-Einsteina. W skrócie nazywa się je po prostu bozonami. Mikroobiekty drugiej grupy mogą „zapełniać” stany tylko jeden po drugim. A jeśli dany stan jest zajęty, to żaden mikroobiekt tego typu nie może się do niego przedostać. Mówi się, że takie mikroobiekty podlegają statystyce Fermiego-Diraca i dla uproszczenia nazywane są fermionami. Spośród cząstek elementarnych bozony obejmują fotony i mezony, a fermiony obejmują leptony (w szczególności elektrony), nukleony i hiperony.

Cząstki charakteryzują się także czasem życia. Na podstawie tego kryterium cząstki dzieli się na stabilne i niestabilne. Cząstki trwałe to elektron, proton, foton i neutrino. Neutron jest stabilny, gdy znajduje się w jądrze atomu, ale wolny neutron rozpada się w ciągu około 15 minut. Wszystkie inne znane cząstki są niestabilne, ich czas życia waha się od kilku mikrosekund do 10 n sekund (gdzie n = -23). Oznacza to, że po upływie tego czasu samoistnie, bez żadnych wpływów zewnętrznych, rozpadają się, zamieniając się w inne cząstki. Na przykład neutron spontanicznie rozpada się na proton, elektron i antyneutrino elektronowe. Nie da się dokładnie przewidzieć, kiedy nastąpi wskazany rozpad konkretnego neutronu, ponieważ każde konkretne zdarzenie rozpadu jest losowe. Każda niestabilna cząstka elementarna charakteryzuje się własnym czasem życia. Im krótszy czas życia, tym większe prawdopodobieństwo rozpadu cząstek. Niestabilność jest nieodłączną cechą nie tylko cząstek elementarnych, ale także innych mikroobiektów. Zjawisko radioaktywności (spontaniczne przekształcenie izotopów jednego pierwiastka chemicznego w izotopy drugiego, któremu towarzyszy emisja cząstek) pokazuje, że jądra atomowe mogą być niestabilne. Atomy i cząsteczki w stanach wzbudzonych również okazują się niestabilne: samoistnie przechodzą w stan podstawowy lub mniej wzbudzony.

Niestabilność, określona prawami probabilistycznymi, jest obok obecności spinu drugą wysoce specyficzną właściwością mikroobiektów. Można to również uznać za przejaw pewnej „wewnętrznej złożoności” mikroobiektu.

Jednak niestabilność jest specyficzną, choć w żadnym wypadku nieobowiązkową właściwością mikroobiektu. Oprócz niestabilnych istnieje wiele mikroobiektów stabilnych: foton, elektron, proton, neutrino, stabilne jądra atomowe, a także atomy i cząsteczki w stanie podstawowym.

Ładunek leptonowy (liczba leptonowa) jest wewnętrzną cechą leptonów. Jest on oznaczony literą L. Dla leptonów jest to +1, a dla antyleptonów -1. Wyróżnia się: ładunek leptonu elektronowego, który posiadają wyłącznie elektrony, pozytony, neutrina i antyneutrina elektronowe; mionowy ładunek leptonowy, który posiadają tylko miony oraz neutrina i antyneutrina mionowe; ładunek leptonowy ciężkich leptonów i ich neutrin. Suma algebraiczna ładunku leptonowego każdego typu jest zachowywana z bardzo dużą dokładnością we wszystkich interakcjach.

Ładunek barionowy (liczba barionowa) jest jedną z wewnętrznych cech barionów. Oznaczone literą B. Wszystkie bariony mają B = +1, a ich antycząstki mają B = -1 (dla pozostałych cząstek elementarnych B = 0). Suma algebraiczna ładunków barionowych wchodzących w skład układu cząstek jest zachowana przy wszystkich oddziaływaniach.

Dziwność to liczba całkowita (zero, dodatnia lub ujemna) charakteryzująca hadrony. Dziwność cząstek i antycząstek ma przeciwny znak. Hadrony, w których S jest równe 0, nazywane są dziwnymi. Obcość zostaje zachowana w oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych, ale zostaje naruszona w oddziaływaniach słabych.

„Urok” (urok) to liczba kwantowa charakteryzująca hadrony (lub kwarki). Zachowuje się w oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych, natomiast zostaje naruszona przez oddziaływanie słabe. Cząsteczki o niezerowej wartości uroku nazywane są cząsteczkami „czarowanymi”.

Magneton jest jednostką miary momentu magnetycznego w fizyce atomu, jądra atomowego i cząstek elementarnych. Moment magnetyczny, wywołany ruchem orbitalnym elektronów w atomie i ich spinem, mierzony jest w magnetonach Bohra. Moment magnetyczny nukleonów i jąder mierzy się w magnetonach jądrowych.

Parzystość to kolejna cecha cząstek subatomowych. Parzystość to liczba kwantowa charakteryzująca symetrię funkcji falowej układu fizycznego lub cząstki elementarnej pod wpływem dyskretnych przekształceń: jeśli podczas takiego przekształcenia funkcja nie zmienia znaku, to parzystość jest dodatnia, jeśli tak, to parytet jest ujemny. Dla całkowicie neutralnych cząstek (lub układów), które są identyczne ze swoimi antycząstkami, oprócz parzystości przestrzennej, można wprowadzić pojęcia parzystości ładunku i parzystości złożonej (w przypadku innych cząstek zastąpienie ich antycząstkami zmienia samą funkcję falową).

Parzystość przestrzenna to cecha mechaniki kwantowej, która odzwierciedla właściwości symetrii cząstek elementarnych lub ich układów podczas odbicia lustrzanego (inwersja przestrzenna). Ta parzystość jest oznaczona literą P i jest zachowana we wszystkich interakcjach z wyjątkiem słabych.

Parzystość ładunku - parzystość absolutnie neutralnej cząstki elementarnej lub układu, odpowiadająca działaniu koniugacji ładunku. Parytet ładunku jest również zachowany we wszystkich interakcjach z wyjątkiem słabych.

Połączona parzystość to parzystość absolutnie neutralnej cząstki (lub układu) w stosunku do połączonej inwersji. Złożona parzystość jest zachowana we wszystkich oddziaływaniach, z wyjątkiem rozpadów długożyciowego neutralnego mezonu K, spowodowanych oddziaływaniem słabym (przyczyna tego naruszenia połączonej parzystości nie została jeszcze wyjaśniona).

2.2. Historia odkrycia cząstek elementarnych.

Pomysł, że świat składa się z cząstek elementarnych, ma długą historię. Po raz pierwszy ideę istnienia najmniejszych niewidzialnych cząstek tworzących wszystkie otaczające obiekty wyraził grecki filozof Demokryt 400 lat p.n.e. Cząstki te nazwał atomami, czyli cząstkami niepodzielnymi. Nauka zaczęła posługiwać się ideą atomów dopiero na początku XIX wieku, kiedy na tej podstawie udało się wyjaśnić szereg zjawisk chemicznych. W latach 30. XIX wieku w teorii elektrolizy opracowanej przez M. Faradaya pojawiło się pojęcie jonu i zmierzono ładunek elementarny. Jednak mniej więcej od połowy XIX wieku zaczęły pojawiać się fakty eksperymentalne, które podają w wątpliwość ideę niepodzielności atomów. Wyniki tych eksperymentów sugerują, że atomy mają złożoną strukturę i zawierają cząstki naładowane elektrycznie. Potwierdził to francuski fizyk Henri Becquerel, który odkrył zjawisko radioaktywności w 1896 roku.

Następnie w 1897 roku angielski fizyk Thomson odkrył pierwszą cząstkę elementarną. To właśnie elektron uzyskał w końcu status prawdziwego obiektu fizycznego i stał się pierwszą znaną cząstką elementarną w historii ludzkości. Jego masa jest około 2000 razy mniejsza od masy atomu wodoru i wynosi:

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

Ujemny ładunek elektryczny elektronu nazywa się elementarnym i jest równy:

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

Z analizy widm atomowych wynika, że ​​spin elektronu wynosi 1/2, a jego moment magnetyczny jest równy jednemu magnetonowi Bohra. Elektrony podlegają statystyce Fermiego, ponieważ mają spin półcałkowity. Jest to zgodne z danymi eksperymentalnymi dotyczącymi struktury atomów i zachowania elektronów w metalach. Elektrony biorą udział w oddziaływaniach elektromagnetycznych, słabych i grawitacyjnych.

Drugą odkrytą cząstką elementarną był proton (z greckiego protos – pierwsza). Tę cząstkę elementarną odkrył w 1919 roku Rutherford podczas badania produktów rozszczepienia jąder atomowych różnych pierwiastków chemicznych. Dosłownie proton to jądro atomu najlżejszego izotopu wodoru - protium. Spin protonu wynosi 1/2. Proton ma dodatni ładunek elementarny +e. Jego masa wynosi:

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

lub około 1836 mas elektronów. Protony są częścią jąder wszystkich atomów pierwiastków chemicznych. Następnie w 1911 roku Rutherford zaproponował planetarny model atomu, który pomógł naukowcom w dalszych badaniach nad składem atomów.

W 1932 roku J. Chadwick odkrył trzecią cząstkę elementarną, neutron (od łacińskiego słowa nijaki – ani jedna, ani druga), która nie ma ładunku elektrycznego i ma masę około 1839 mas elektronu. Spin neutronu również wynosi 1/2.

Wniosek o istnieniu cząstki pola elektromagnetycznego – fotonu – wywodzi się z prac M. Plancka (1900). Zakładając, że energia promieniowania elektromagnetycznego ciała absolutnie czarnego jest skwantowana (tj. składa się z kwantów), Planck uzyskał prawidłowy wzór na widmo promieniowania. Rozwijając koncepcję Plancka, A. Einstein (1905) postulował, że promieniowanie elektromagnetyczne (światło) jest w rzeczywistości przepływem pojedynczych kwantów (fotonów) i na tej podstawie wyjaśnił prawa efektu fotoelektrycznego. Bezpośrednie eksperymentalne dowody na istnienie fotonu przedstawili R. Millikan w latach 1912 - 1915 i A. Compton w 1922.

Odkrycie neutrina, cząstki prawie nie oddziałującej z materią, datuje się od domysłu teoretycznego W. Pauliego z 1930 r., który pozwolił, dzięki założeniu o narodzinach takiej cząstki, wyeliminować trudności z prawem zachowania energii w procesach rozpadu beta jąder promieniotwórczych. Istnienie neutrin zostało eksperymentalnie potwierdzone dopiero w 1953 roku przez F. Reinesa i K. Cowana.

Ale materia składa się z czegoś więcej niż tylko cząstek. Istnieją również antycząstki - cząstki elementarne, które mają tę samą masę, spin, czas życia i inne cechy wewnętrzne co ich „bliźniaki” - cząstki, ale różnią się od cząstek znakami ładunku elektrycznego i momentu magnetycznego, ładunku barionowego, ładunku leptonowego, obcości i itp. Wszystkie cząstki elementarne, z wyjątkiem całkowicie obojętnych, mają swoje własne antycząstki.

Pierwszą odkrytą antycząstką był pozyton (od łacińskiego positivus – dodatni) – cząstka o masie elektronu, ale o dodatnim ładunku elektrycznym. Tę antycząstkę odkrył w promieniowaniu kosmicznym amerykański fizyk Carl David Anderson w 1932 roku. Co ciekawe, istnienie pozytonu teoretycznie przepowiedział angielski fizyk Paul Dirac prawie rok przed eksperymentalnym odkryciem. Ponadto Dirac przewidział tzw. procesy anihilacji (zanikania) i narodziny pary elektron-pozyton. Anihilacja pary jest jednym z rodzajów transformacji cząstek elementarnych zachodzącym podczas zderzenia cząstki z antycząstką. Podczas anihilacji cząstka i antycząstka znikają, zamieniając się w inne cząstki, których liczba i rodzaj są ograniczone prawami zachowania. Odwrotnym procesem anihilacji są narodziny pary. Sam pozyton jest stabilny, jednak w materii istnieje bardzo krótko na skutek anihilacji z elektronami. Anihilacja elektronu i pozytonu polega na tym, że kiedy się spotkają, znikają, zamieniając się w γ- kwanty (fotony). I w kolizji γ- Kiedy kwant pojawia się w dowolnym masywnym jądrze, rodzi się para elektron-pozyton.

W 1955 roku odkryto kolejną antycząstkę - antyproton, a nieco później - antyneutron. Antyneutron, podobnie jak neutron, nie ma ładunku elektrycznego, niewątpliwie jednak należy do antycząstek, gdyż bierze udział w procesie anihilacji i narodzinach pary neutron-antyneutron.

Możliwość otrzymania antycząstek skłoniła naukowców do pomysłu stworzenia antymaterii. Atomy antymaterii powinny być zbudowane w ten sposób: w środku atomu znajduje się ujemnie naładowane jądro, składające się z antyprotonów i antyneutronów, a wokół jądra krążą pozytony o ładunku dodatnim. Ogólnie rzecz biorąc, atom również okazuje się obojętny. Pomysł ten otrzymał znakomite potwierdzenie eksperymentalne. W 1969 roku w akceleratorze protonów w mieście Serpuchow radzieccy fizycy uzyskali jądra atomów antyhelu. Również w 2002 roku w akceleratorze CERN w Genewie wyprodukowano 50 000 atomów antywodoru. Mimo to nie odkryto jeszcze nagromadzeń antymaterii we Wszechświecie. Staje się także jasne, że przy najmniejszym oddziaływaniu antymaterii z jakąkolwiek substancją nastąpi ich anihilacja, której będzie towarzyszyć ogromne uwolnienie energii, kilkakrotnie większej niż energia jąder atomowych, co jest wyjątkowo niebezpieczne dla ludzi i środowiska .

Obecnie odkryto eksperymentalnie antycząstki prawie wszystkich znanych cząstek elementarnych.

Główną rolę w fizyce cząstek elementarnych odgrywają prawa zachowania, które ustanawiają równość między pewnymi kombinacjami wielkości charakteryzujących stan początkowy i końcowy układu. Arsenał praw zachowania w fizyce kwantowej jest większy niż w fizyce klasycznej. Uzupełniono go prawami zachowania różnych parytetów (przestrzennych, ładunków), ładunków (leptonowych, barionowych itp.), Symetrii wewnętrznych charakterystycznych dla tego lub innego rodzaju interakcji.

Wyodrębnienie cech poszczególnych cząstek subatomowych jest ważnym, ale jedynie początkowym etapem zrozumienia ich świata. Na kolejnym etapie musimy jeszcze zrozumieć, jaka jest rola każdej pojedynczej cząstki, jakie pełni jej funkcje w strukturze materii.

Fizycy odkryli, że przede wszystkim o właściwościach cząstki decyduje jej zdolność (lub niezdolność) do uczestniczenia w oddziaływaniach silnych. Cząstki uczestniczące w oddziaływaniach silnych tworzą specjalną klasę i nazywane są hadronami. Cząstki, które biorą udział w oddziaływaniu słabym i nie biorą udziału w oddziaływaniu silnym, nazywane są leptonami. Ponadto istnieją cząstki, które przenoszą interakcje.

2.3. Leptony.

Leptony są uważane za prawdziwie elementarne cząstki. Chociaż leptony mogą mieć ładunek elektryczny lub nie, wszystkie mają spin 1/2. Wśród leptonów najbardziej znany jest elektron. Elektron jest pierwszą z odkrytych cząstek elementarnych. Podobnie jak wszystkie inne leptony, elektron wydaje się być obiektem elementarnym (we właściwym tego słowa znaczeniu). O ile wiadomo, elektron nie składa się z żadnych innych cząstek.

Innym dobrze znanym leptonem jest neutrino. Neutrina są najpowszechniejszymi cząstkami we Wszechświecie. Wszechświat można sobie wyobrazić jako nieograniczone morze neutrin, w którym czasami można znaleźć wyspy w postaci atomów. Jednak pomimo tak dużej przewagi neutrin, bardzo trudno jest je badać. Jak już zauważyliśmy, neutrina są prawie nieuchwytne. Nie uczestnicząc w oddziaływaniach silnych ani elektromagnetycznych, przenikają przez materię tak, jakby jej w ogóle nie było. Neutrina to swego rodzaju „duchy świata fizycznego”.

Miony są dość powszechne w przyrodzie i odpowiadają za znaczną część promieniowania kosmicznego. Pod wieloma względami mion przypomina elektron: ma ten sam ładunek i spin, uczestniczy w tych oddziaływaniach, ale ma dużą masę (około 207 mas elektronów) i jest niestabilny. W ciągu około dwóch milionowych sekundy mion rozpada się na elektron i dwa neutrina. Pod koniec lat siedemdziesiątych odkryto trzeci naładowany lepton, zwany leptonem tau. To bardzo ciężka cząsteczka. Jego masa wynosi około 3500 mas elektronów. Ale pod wszystkimi innymi względami zachowuje się jak elektron i mion.

W latach 60. lista leptonów znacznie się poszerzyła. Stwierdzono, że istnieje kilka rodzajów neutrin: neutrina elektronowe, neutrina mionowe i neutrina taonowe. Zatem całkowita liczba odmian neutrin wynosi trzy, a całkowita liczba leptonów wynosi sześć. Oczywiście każdy lepton ma swoją własną antycząstkę; zatem całkowita liczba różnych leptonów wynosi dwanaście. Leptony neutralne uczestniczą tylko w oddziaływaniach słabych; naładowany - słaby i elektromagnetyczny. Wszystkie leptony uczestniczą w oddziaływaniach grawitacyjnych, ale nie są zdolne do silnych.

2.4. Hadrony.

Jeśli istnieje nieco kilkanaście leptonów, to istnieją setki hadronów. Taka mnogość hadronów sugeruje, że hadrony nie są cząstkami elementarnymi, lecz zbudowane są z mniejszych cząstek. Wszystkie hadrony występują w dwóch odmianach – naładowanej elektrycznie i neutralnej. Wśród hadronów najbardziej znane i rozpowszechnione są neutron i proton, które z kolei należą do klasy nukleonów. Pozostałe hadrony są krótkotrwałe i szybko się rozpadają. Hadrony uczestniczą we wszystkich podstawowych interakcjach. Dzielą się na bariony i mezony. Bariony obejmują nukleony i hiperony.

Aby wyjaśnić istnienie sił jądrowych oddziaływania pomiędzy nukleonami, teoria kwantowa wymagała istnienia specjalnych cząstek elementarnych o masie większej niż masa elektronu, ale mniejszej niż masa protonu. Cząstki te, przewidywane przez teorię kwantową, nazwano później mezonami. Mezony odkryto eksperymentalnie. Okazało się, że jest ich cała rodzina. Wszystkie okazały się krótkotrwałymi, niestabilnymi cząsteczkami, żyjącymi w stanie wolnym przez miliardowe części sekundy. Na przykład naładowany pi-mezon lub pion ma masę spoczynkową wynoszącą 273 masy elektronów i czas życia:

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

Ponadto podczas badań w akceleratorach cząstek naładowanych odkryto cząstki o masach przekraczających masę protonu. Cząstki te nazwano hiperonami. Odkryto ich nawet więcej niż mezonów. Do rodziny hiperonów zaliczamy hiperony lambda-, sigma-, xi- i omega-minus.

Istnienie i właściwości większości znanych hadronów ustalono w eksperymentach akceleratorowych. Odkrycie wielu różnych hadronów w latach 50. i 60. XX wieku wielce zaintrygowało fizyków. Jednak z biegiem czasu hadrony zostały sklasyfikowane według masy, ładunku i spinu. Stopniowo zaczął się wyłaniać mniej więcej jasny obraz. Pojawiły się konkretne pomysły, jak usystematyzować chaos danych empirycznych i odkryć tajemnicę hadronów w teorii naukowej. Decydujący krok w tym kierunku został zrobiony w 1963 roku, kiedy zaproponowano teorię kwarków.

2.5. Teoria kwarków.

Teoria kwarków jest teorią budowy hadronów. Główna idea tej teorii jest bardzo prosta. Wszystkie hadrony składają się z mniejszych cząstek zwanych kwarkami. Oznacza to, że kwarki są bardziej cząstkami elementarnymi niż hadrony. Kwarki są cząstkami hipotetycznymi, ponieważ w stanie wolnym nie zaobserwowano. Ładunek barionowy kwarków wynosi 1/3. Niosą ułamkowy ładunek elektryczny: mają ładunek, którego wartość wynosi -1/3 lub +2/3 podstawowej jednostki - ładunku elektronu. Kombinacja dwóch i trzech kwarków może mieć całkowity ładunek wynoszący zero lub jeden. Wszystkie kwarki mają spin S, dlatego zalicza się je do fermionów. Twórcy teorii kwarków Gell-Mann i Zweig, chcąc uwzględnić wszystkie hadrony znane w latach 60. XX wieku, wprowadzili trzy typy (kolory) kwarków: u (od góry – góra), d (od dołu – niższy) i s (od dziwnego - dziwnego) .

Kwarki mogą łączyć się ze sobą na jeden z dwóch możliwych sposobów: albo w trójki, albo w pary kwark-antykwark. Stosunkowo ciężkie cząstki – bariony – składają się z trzech kwarków. Najbardziej znane bariony to neutron i proton. Lżejsze pary kwark-antykwark tworzą cząstki zwane mezonami – „cząstkami pośrednimi”. Na przykład proton składa się z dwóch kwarków u i jednego kwarku d (uud), a neutron składa się z dwóch kwarków d i jednego kwarku u (udd). Aby to „trio” kwarków nie uległo rozkładowi, potrzebna jest siła trzymająca, swoisty „klej”.

Okazuje się, że powstałe oddziaływanie pomiędzy neutronami i protonami w jądrze jest po prostu efektem resztkowym silniejszego oddziaływania pomiędzy samymi kwarkami. To wyjaśniało, dlaczego silne interakcje wydają się tak złożone. Kiedy proton „przykleja się” do neutronu lub innego protonu, w interakcji bierze udział sześć kwarków, z których każdy oddziałuje ze wszystkimi pozostałymi. Znaczna część siły jest zużywana na mocne sklejenie trio kwarków, a niewielka część na sklejenie ze sobą dwóch trio kwarków. Ale później okazało się, że kwarki biorą także udział w oddziaływaniach słabych. Oddziaływanie słabe może zmienić kolor kwarka. W ten sposób następuje rozpad neutronów. Jeden z kwarków d w neutronie zamienia się w kwark u, a nadmiar ładunku zabiera elektron, który rodzi się w tym samym czasie. Podobnie, zmieniając smak, słabe oddziaływanie prowadzi do rozpadu innych hadronów.

Fakt, że wszystkie znane hadrony można było otrzymać z różnych kombinacji trzech cząstek podstawowych, był triumfem teorii kwarków. Jednak w latach 70. odkryto nowe hadrony (cząstki psi, mezon upsilon itp.). Zadawało to cios pierwszej wersji teorii kwarków, ponieważ nie było już w niej miejsca na ani jedną nową cząstkę. Wszystkie możliwe kombinacje kwarków i ich antykwarków zostały już wyczerpane.

Problem rozwiązano wprowadzając trzy nowe kolory. Nazywano je c - kwark (urok), b - kwark (od dołu do dołu, a częściej piękno - piękno lub urok), a następnie wprowadzono inny kolor - t (od góry do góry).

Do tej pory nie obserwowano kwarków i antykwarków w postaci wolnej. Jednak praktycznie nie ma wątpliwości co do realności ich istnienia. Ponadto trwają poszukiwania „prawdziwych” cząstek elementarnych podążających za kwarkami – gluonami, które są nośnikami oddziaływań między kwarkami, gdyż Kwarki spajają się dzięki oddziaływaniu silnemu, a gluony (ładunki barwne) są nośnikami oddziaływania silnego. Dziedzina fizyki cząstek elementarnych badająca oddziaływanie kwarków i gluonów nazywa się chromodynamiką kwantową. Tak jak elektrodynamika kwantowa jest teorią oddziaływania elektromagnetycznego, tak chromodynamika kwantowa jest teorią silnego oddziaływania. Chromodynamika kwantowa jest kwantową teorią pola dotyczącą silnego oddziaływania kwarków i gluonów, które odbywa się poprzez wymianę między nimi - gluony (analogi fotonów w elektrodynamice kwantowej). W odróżnieniu od fotonów, gluony oddziałują ze sobą, co w szczególności prowadzi do wzrostu siły oddziaływania pomiędzy kwarkami i gluonami w miarę ich oddalania się od siebie. Zakłada się, że to właśnie ta właściwość determinuje krótkotrwałe działanie sił jądrowych i brak wolnych kwarków i gluonów w przyrodzie.

Według współczesnych koncepcji hadrony mają złożoną strukturę wewnętrzną: bariony składają się z 3 kwarków, mezony - z kwarka i antykwarka.

Chociaż istnieje pewne niezadowolenie ze schematu kwarków, większość fizyków uważa kwarki za prawdziwie elementarne cząstki - punktowe, niepodzielne i pozbawione wewnętrznej struktury. Pod tym względem przypominają leptony i od dawna zakładano, że pomiędzy tymi dwiema odrębnymi, ale strukturalnie podobnymi rodzinami musi istnieć głęboki związek.

Zatem najbardziej prawdopodobna liczba cząstek prawdziwie elementarnych (nie licząc nośników oddziaływań fundamentalnych) pod koniec XX wieku wynosi 48. W tym: leptony (6x2) = 12 i kwarki (6x3)x2 = 36.

2.6. Cząstki są nośnikami oddziaływań.

Lista znanych cząstek nie ogranicza się do wymienionych cząstek – leptonów i hadronów, które stanowią budulec materii. Na tej liście nie ma np. fotonu. Istnieje również inny rodzaj cząstek, które nie są bezpośrednio budulcem materii, ale zapewniają wszystkie cztery podstawowe oddziaływania, tj. tworzą rodzaj „kleju”, który zapobiega rozpadowi świata. Cząstki takie nazywane są nośnikami oddziaływań, a określony rodzaj cząstek przenosi swoje oddziaływania.

Nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego pomiędzy naładowanymi cząstkami jest foton. Foton to kwant promieniowania elektromagnetycznego, cząstka neutralna o zerowej masie. Spin fotonu wynosi 1.

Teorię oddziaływań elektromagnetycznych wprowadziła elektrodynamika kwantowa.

Nośnikami oddziaływania silnego są gluony. Są to hipotetyczne elektrycznie obojętne cząstki o zerowej masie i spinie 1. Podobnie jak kwarki, gluony mają kwantową charakterystykę „koloru”. Gluony są nośnikami interakcji między kwarkami, ponieważ połącz je w pary lub trójki.

Nośnikami oddziaływania słabego są trzy cząstki - bozony W+, W- i Z°. Odkryto je dopiero w 1983 roku. Promień oddziaływania słabego jest niezwykle mały, więc jego nośnikami muszą być cząstki o dużych masach spoczynkowych. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności czas życia cząstek o tak dużej masie spoczynkowej powinien być niezwykle krótki – tylko około 10n s (gdzie n = -26). Promień oddziaływania tych cząstek jest bardzo mały, ponieważ tak krótkotrwałe cząstki nie mają czasu na przemieszczenie się na duże odległości.

Sugeruje się, że istnienie nośnika pola grawitacyjnego – grawitonu – jest również możliwe (w tych teoriach grawitacji, które uważają je nie (tylko) za konsekwencję zakrzywienia czasoprzestrzeni, ale jako pole). Teoretycznie grawiton jest kwantem pola grawitacyjnego mającym zerową masę spoczynkową, zerowy ładunek elektryczny i spin 2. W zasadzie grawitony można wykryć eksperymentalnie. Ponieważ jednak oddziaływanie grawitacyjne jest bardzo słabe i praktycznie nie objawia się w procesach kwantowych, bezpośrednie wykrycie grawitonów jest bardzo trudne i jak dotąd żadnemu naukowcowi się to nie udało.

Klasyfikacja cząstek na leptony, hadrony i nośniki oddziaływań wyczerpuje znany nam świat cząstek subatomowych. Każdy rodzaj cząstek odgrywa swoją rolę w kształtowaniu struktury materii i Wszechświata.

3. Teorie cząstek elementarnych.

3.1. Elektrodynamika kwantowa (QED).

Teoria kwantowa łączy mechanikę kwantową, statystykę kwantową i kwantową teorię pola.

Mechanika kwantowa (mechanika falowa) jest teorią ustalającą sposób opisu i prawa ruchu mikrocząstek w danych polach zewnętrznych. Pozwala opisać ruch cząstek elementarnych, ale nie ich powstawanie czy niszczenie, tzn. służy jedynie do opisu układów o stałej liczbie cząstek. Mechanika kwantowa jest jedną z głównych gałęzi teorii kwantowej. Mechanika kwantowa po raz pierwszy pozwoliła opisać budowę atomów i zrozumieć ich widma, ustalić naturę wiązań chemicznych, wyjaśnić okresowy układ pierwiastków itp. Ponieważ o właściwościach ciał makroskopowych decyduje ruch i oddziaływanie tworzących je cząstek, prawa mechaniki kwantowej leżą u podstaw zrozumienia większości zjawisk makroskopowych. W ten sposób mechanika kwantowa umożliwiła zrozumienie wielu właściwości ciał stałych, wyjaśnienie zjawisk nadprzewodnictwa, ferromagnetyzmu, nadciekłości itp. Prawa mechaniki kwantowej leżą u podstaw energii jądrowej, elektroniki kwantowej itp. W przeciwieństwie do teorii klasycznej, w mechanice kwantowej działają wszystkie cząstki jako nośniki właściwości zarówno korpuskularnych, jak i falowych, które nie wykluczają się, a wręcz uzupełniają. Falową naturę elektronów, protonów i innych cząstek potwierdzają eksperymenty dyfrakcyjne cząstek. Stan układu kwantowego opisuje funkcja falowa, której kwadrat modułu określa prawdopodobieństwo danego stanu, a co za tym idzie, prawdopodobieństwa wartości charakteryzujących go wielkości fizycznych. Z mechaniki kwantowej wynika, że ​​nie wszystkie wielkości fizyczne mogą jednocześnie mieć dokładne wartości. Funkcja falowa podlega zasadzie superpozycji, która wyjaśnia w szczególności dyfrakcję cząstek. Charakterystyczną cechą teorii kwantów jest dyskretność możliwych wartości wielu wielkości fizycznych: energii elektronów w atomach, momentu pędu i jego rzutu na dowolny kierunek itp.; w teorii klasycznej wszystkie te wielkości mogą się zmieniać jedynie w sposób ciągły. Zasadniczą rolę w mechanice kwantowej odgrywa stała Plancka – jedna z głównych skal przyrody, oddzielająca obszary zjawisk, które daje się opisać fizyka klasyczna, od obszarów, do prawidłowej interpretacji, których konieczna jest teoria kwantowa. Stała Plancka nosi imię M. Plancka. Jest równe:

Ћ = h/2π ≈ 1,0546. 10 ^(-34) J. s

Uogólnieniem mechaniki kwantowej jest kwantowa teoria pola - jest to kwantowa teoria układów o nieskończonej liczbie stopni swobody (pól fizycznych). Kwantowa teoria pola jest głównym aparatem fizyki cząstek elementarnych, ich oddziaływań i wzajemnych konwersji. Potrzeba takiej teorii wynika z dualizmu kwantowo-falowego, czyli istnienia właściwości falowych we wszystkich cząstkach. W kwantowej teorii pola interakcja jest reprezentowana w wyniku wymiany kwantów pola. Do teorii tej zalicza się teorię oddziaływań elektromagnetycznych (elektrodynamika kwantowa) i oddziaływań słabych, które we współczesnej teorii występują jako jedną całość (oddziaływanie elektrosłabe) oraz teorię oddziaływań silnych (jądrowych) (chromodynamika kwantowa).

Statystyka kwantowa to fizyka statystyczna układów kwantowych składających się z dużej liczby cząstek. W przypadku cząstek o spinie całkowitym jest to statystyka Bosego Einsteina, a dla cząstek o spinie półcałkowitym jest to statystyka Fermiego-Diraca.

W połowie XX wieku powstała teoria oddziaływania elektromagnetycznego – elektrodynamika kwantowa QED – jest to przemyślana w najdrobniejszych szczegółach i wyposażona w doskonały aparat matematyczny teoria oddziaływania fotonów i elektronów. QED opiera się na opisie oddziaływań elektromagnetycznych z wykorzystaniem koncepcji wirtualnych fotonów – ich nośników. Teoria ta spełnia podstawowe zasady zarówno teorii kwantowej, jak i teorii względności.

W centrum teorii znajduje się analiza aktów emisji lub absorpcji jednego fotonu przez jedną naładowaną cząstkę, a także anihilacja pary elektron-pozyton w foton lub wygenerowanie takiej pary przez fotony.

Jeśli w klasycznym opisie elektrony są przedstawiane jako kula punktowa, to w QED pole elektromagnetyczne otaczające elektron jest traktowane jako chmura wirtualnych fotonów, które nieubłaganie podążają za elektronem, otaczając go kwantami energii. Gdy elektron wyemituje foton, wytwarza (wirtualną) parę elektron-pozyton, która może anihilować, tworząc nowy foton. Ten ostatni może zostać zaabsorbowany przez oryginalny foton, ale może wygenerować nową parę itp. W ten sposób elektron zostaje pokryty chmurą wirtualnych fotonów, elektronów i pozytonów, które znajdują się w stanie równowagi dynamicznej. Fotony pojawiają się i znikają bardzo szybko, a elektrony nie poruszają się w przestrzeni po ściśle określonych trajektoriach. Nadal możliwe jest w ten czy inny sposób określenie punktów początkowych i końcowych ścieżki - przed i po rozproszeniu, ale sama ścieżka w przedziale między początkiem a końcem ruchu pozostaje niepewna.

Opis oddziaływania za pomocą cząstki nośnej doprowadził do rozwinięcia pojęcia fotonu. Wprowadzono pojęcia fotonu rzeczywistego (kwant światła, który widzimy) i fotonu wirtualnego (ulotnego, widmowego), który „widzią” jedynie naładowane cząstki ulegające rozproszeniu.

Aby sprawdzić, czy teoria jest zgodna z rzeczywistością, fizycy skupili się na dwóch efektach, które wzbudziły szczególne zainteresowanie. Pierwsza dotyczyła poziomów energetycznych atomu wodoru, najprostszego atomu. Według QED poziomy powinny być nieznacznie przesunięte w stosunku do pozycji, jaką zajmowałyby w przypadku braku wirtualnych fotonów. Drugi decydujący test QED dotyczył niezwykle małej korekty własnego momentu magnetycznego elektronu. Teoretyczne i eksperymentalne wyniki testów QED pokrywają się z najwyższą dokładnością - więcej niż dziewięć miejsc po przecinku. Tak uderzająca zgodność daje prawo uznać QED za najbardziej zaawansowaną z istniejących teorii nauk przyrodniczych.

Po tym triumfie QED przyjęto jako model kwantowego opisu pozostałych trzech podstawowych interakcji. Oczywiście pola związane z innymi oddziaływaniami muszą odpowiadać innym cząstkom nośnika.

3.2. Teoria oddziaływań elektrosłabych.

W latach 70. XX wieku w naukach przyrodniczych miało miejsce niezwykłe wydarzenie: dwa fundamentalne oddziaływania z czterech fizyki zostały połączone w jedno. Obraz podstawowych zasad przyrody stał się nieco prostszy. Oddziaływania elektromagnetyczne i słabe, pozornie bardzo odmienne w naturze, w rzeczywistości okazały się dwiema odmianami pojedynczego oddziaływania elektrosłabego. Teoria oddziaływań elektrosłabych miała decydujący wpływ na dalszy rozwój fizyki cząstek elementarnych pod koniec XX wieku.

Główną ideą konstruowania tej teorii było opisanie oddziaływania słabego w języku koncepcji pola cechowania, według którego kluczem do zrozumienia natury oddziaływań jest symetria. Jedną z podstawowych idei fizyki drugiej połowy XX wieku jest przekonanie, że wszelkie interakcje istnieją tylko po to, aby zachować pewien zestaw abstrakcyjnych symetrii w przyrodzie. Co symetria ma wspólnego z fundamentalnymi interakcjami? Na pierwszy rzut oka samo założenie o istnieniu takiego związku wydaje się paradoksalne i niezrozumiałe.

Przede wszystkim o tym, co rozumiemy przez symetrię. Ogólnie przyjmuje się, że obiekt ma symetrię, jeśli obiekt pozostaje niezmieniony w wyniku tej czy innej operacji mającej na celu jego przekształcenie. Zatem kula jest symetryczna, ponieważ wygląda tak samo po obróceniu pod dowolnym kątem w stosunku do jej środka. Prawa elektryczności są symetryczne, jeśli chodzi o zamianę ładunków dodatnich na ujemne i odwrotnie. Zatem przez symetrię rozumiemy niezmienność w ramach określonej operacji.

Istnieją różne rodzaje symetrii: geometryczna, lustrzana, niegeometryczna. Do niegeometrycznych zalicza się tzw. symetrie cechowania. Symetrie mierników mają charakter abstrakcyjny i nie są bezpośrednio ustalone. Są one związane ze zmianą poziomu odniesienia, skali lub wartości jakiejś wielkości fizycznej. Układ ma symetrię cechowania, jeśli jego natura pozostaje niezmieniona pod wpływem tego rodzaju transformacji. I tak na przykład w fizyce praca zależy od różnicy wysokości, a nie od wysokości bezwzględnej; napięcie - z różnicy potencjałów, a nie z ich wartości bezwzględnych itp. Symetrie, na których opiera się rewizja rozumienia czterech podstawowych oddziaływań, są właśnie tego rodzaju. Transformacje mierników mogą być globalne lub lokalne. Transformacje cechowania, które zmieniają się w zależności od punktu, nazywane są „lokalnymi” transformacjami cechowania. W przyrodzie istnieje wiele lokalnych symetrii cechowania i potrzebna jest odpowiednia liczba pól, aby skompensować te przekształcenia cechowania. Pola siłowe można uznać za środek, za pomocą którego natura tworzy swój nieodłączny lokalny miernik symetria. Znaczenie koncepcji symetrii cechowania polega na tym, że teoretycznie modeluje ona wszystkie cztery podstawowe interakcje występujące w przyrodzie. Wszystkie z nich można uznać za pola miernikowe.

Przedstawiając oddziaływanie słabe jako pole cechowania, fizycy wychodzą z faktu, że wszystkie cząstki uczestniczące w oddziaływaniu słabym służą jako źródła nowego rodzaju pola - pola sił słabych. Słabo oddziałujące cząstki, takie jak elektrony i neutrina, niosą „słaby ładunek”, który jest analogiczny do ładunku elektrycznego i wiąże te cząstki ze słabym polem.

Aby przedstawić słabe pole interakcji jako pole cechowania, należy najpierw ustalić dokładną postać odpowiedniej symetrii cechowania. Faktem jest, że symetria oddziaływania słabego jest znacznie bardziej złożona niż elektromagnetyczna. Wszak sam mechanizm tej interakcji okazuje się bardziej złożony. Po pierwsze, na przykład podczas rozpadu neutronu oddziaływanie słabe obejmuje cząstki co najmniej czterech różnych typów (neutron, proton, elektron i neutrino). Po drugie, działanie słabych sił prowadzi do zmiany ich natury (przekształcenia jednych cząstek w inne na skutek słabego oddziaływania). Wręcz przeciwnie, oddziaływanie elektromagnetyczne nie zmienia natury uczestniczących w nim cząstek.

To determinuje fakt, że oddziaływaniu słabemu odpowiada bardziej złożona symetria cechowania związana ze zmianą charakteru cząstek. Okazało się, że do zachowania symetrii potrzebne są tu trzy nowe pola siłowe, a nie jedno pole elektromagnetyczne. Uzyskano także kwantowy opis tych trzech pól: powinny powstać trzy nowe typy cząstek – nośniki oddziaływania, po jednym na każde pole. Łącznie nazywane są one ciężkimi bozonami wektorowymi o spinie 1 i są nośnikami oddziaływań słabych.

Cząstki W+ i W- są nośnikami dwóch z trzech pól związanych z oddziaływaniem słabym. Trzecie pole odpowiada elektrycznie obojętnej cząstce nośnej, zwanej cząstką Z. Istnienie cząstki Z oznacza, że ​​oddziaływaniu słabemu nie może towarzyszyć przenoszenie ładunku elektrycznego.

W tworzeniu teorii oddziaływania elektrosłabego kluczową rolę odegrała koncepcja spontanicznego łamania symetrii: nie każde rozwiązanie problemu musi posiadać wszystkie właściwości swojego pierwotnego poziomu. Zatem cząstki zupełnie różne przy niskich energiach mogą w rzeczywistości okazać się jedną i tą samą cząstką przy wysokich energiach, ale w różnych stanach. Opierając się na idei spontanicznego łamania symetrii, autorom teorii oddziaływań elektrosłabych, Weinbergowi i Salamowi, udało się rozwiązać wielki problem teoretyczny - połączyli pozornie niezgodne rzeczy: z jednej strony znaczną masę nośników oddziaływań słabych strony, a z drugiej strony koncepcja niezmienności cechowania, która zakłada dalekosiężny charakter pola cechowania i oznacza zerową masę spoczynkową cząstek nośnika. W ten sposób elektromagnetyzm i oddziaływanie słabe połączono w jednolitą teorię pola cechowania.

Teoria ta przedstawia tylko cztery pola: pole elektromagnetyczne i trzy pola odpowiadające oddziaływaniom słabym. Dodatkowo w całej przestrzeni wprowadzono stałe pole skalarne (rodzaj pola Higgsa), z którym cząstki oddziałują w różny sposób, co determinuje różnicę w ich masach. Kwanty pola skalarnego to nowe cząstki elementarne o zerowym spinie. Nazywa się je Higgs (na cześć fizyka P. Higgsa, który zasugerował ich istnienie). Liczba takich bozonów Higgsa może sięgać kilkudziesięciu. Takich bozonów nie odkryto jeszcze eksperymentalnie. Co więcej, wielu fizyków uważa ich istnienie za niepotrzebne, ale jak dotąd nie znaleziono doskonałego modelu teoretycznego bez bozonów Higgsa. Początkowo kwanty W i Z nie mają masy, ale złamanie symetrii powoduje, że niektóre cząstki Higgsa łączą się z cząstkami W i Z, nadając im masę.

Teoria wyjaśnia różnice we właściwościach oddziaływań elektromagnetycznych i słabych poprzez łamanie symetrii. Gdyby symetria nie została naruszona, wówczas obie interakcje byłyby porównywalne pod względem wielkości. Złamanie symetrii pociąga za sobą gwałtowny spadek oddziaływania słabego. Można powiedzieć, że oddziaływanie słabe jest tak małe, ponieważ cząstki W i Z są bardzo masywne. Leptony rzadko spotykają się na tak krótkich dystansach (r 10n cm, gdzie n = -16). Ale przy wysokich energiach ( > 100 GeV), gdy można swobodnie wytwarzać cząstki W i Z, wymiana bozonów W i Z zachodzi równie łatwo, jak wymiana fotonów (cząstek bezmasowych). Zaciera się różnica między fotonami i bozonami.W tych warunkach powinna istnieć pełna symetria pomiędzy oddziaływaniami elektromagnetycznymi i słabymi - oddziaływaniami elektrosłabymi.

Testowanie nowej teorii polegało na potwierdzeniu istnienia hipotetycznych cząstek W i Z. Ich odkrycie stało się możliwe dopiero dzięki stworzeniu bardzo dużych akceleratorów najnowszego typu. Odkrycie cząstek W i Z w 1983 roku oznaczało triumf teorii oddziaływań elektrosłabych. Nie było już potrzeby mówić o czterech podstawowych interakcjach. Zostało ich trzech.

3.3. Chromodynamika kwantowa.

Kolejnym krokiem na drodze do Wielkiej Unifikacji oddziaływań fundamentalnych jest połączenie oddziaływania silnego z oddziaływaniem elektrosłabym. Aby to zrobić, konieczne jest nadanie silnym oddziaływaniom cech pola cechowania i wprowadzenie uogólnionej idei symetrii izotopowej. O oddziaływaniu silnym można myśleć jako o wyniku wymiany gluonów, która zapewnia wiązanie kwarków (w parach lub trójkach) w hadrony.

Pomysł jest następujący. Każdy kwark ma odpowiednik ładunku elektrycznego, który służy jako źródło pola gluonowego. Nazywano to kolorem (oczywiście nazwa ta nie ma nic wspólnego ze zwykłym kolorem). Jeśli pole elektromagnetyczne jest generowane przez ładunek tylko jednego rodzaju, wówczas do wytworzenia bardziej złożonego pola gluonowego potrzebne były trzy ładunki o różnych kolorach. Każdy kwark jest „zabarwiany” na jeden z trzech możliwych kolorów, które dość arbitralnie nazwano czerwonym, zielonym i niebieskim. I odpowiednio, antyki są anty-czerwone, antyzielone i antyniebieskie.

W kolejnym etapie rozwijana jest teoria oddziaływania silnego według tego samego schematu, co teoria oddziaływania słabego. Wymóg lokalnej symetrii cechowania (czyli niezmienności względem zmian barwy w każdym punkcie przestrzeni) prowadzi do konieczności wprowadzenia kompensacyjnych pól sił. W sumie potrzebnych jest osiem nowych pól sił kompensacyjnych. Cząstkami nośnikowymi tych pól są gluony, a zatem z teorii wynika, że ​​musi być ich aż osiem różnych typów, podczas gdy nośnik siły elektromagnetycznej jest tylko jeden (foton), a nośnikiem oddziaływania słabego są trzy . Gluony mają zerową masę spoczynkową i spin 1. Gluony również mają różne kolory, ale nie czyste, ale mieszane (na przykład niebieski-anty-zielony). Dlatego emisji lub absorpcji gluonu towarzyszy zmiana koloru kwarku („gra kolorów”). I tak na przykład czerwony kwark, tracąc czerwony-anty-niebieski gluon, zamienia się w niebieski kwark, a zielony kwark, pochłaniając niebiesko-anty-zielony gluon, zamienia się w niebieski kwark. Na przykład w protonie trzy kwarki stale wymieniają gluony, zmieniając ich kolor. Zmiany te nie mają jednak charakteru arbitralnego, lecz podlegają ścisłej zasadzie: w dowolnym momencie „całkowitym” kolorem trzech kwarków musi być światło białe, tj. suma „czerwony + zielony + niebieski”. Dotyczy to również mezonów składających się z pary kwark-antykwark. Ponieważ antykwark charakteryzuje się antykolorem, to takie połączenie jest oczywiście bezbarwne („białe”), np. kwark czerwony w połączeniu z kwarkiem antyczerwonym tworzy bezbarwny mezon.

Z punktu widzenia chromodynamiki kwantowej (kwantowej teorii koloru) silne oddziaływanie to nic innego jak chęć zachowania pewnej abstrakcyjnej symetrii natury: utrzymanie białego koloru wszystkich hadronów przy jednoczesnej zmianie koloru ich części składowych. Chromodynamika kwantowa doskonale wyjaśnia zasady rządzące wszelkimi kombinacjami kwarków, oddziaływaniem gluonów między sobą, złożoną strukturą hadronu składającego się z kwarków „ubranych” w chmury itp.

Ocena chromodynamiki kwantowej jako ostatecznej i kompletnej teorii silnego oddziaływania może być przedwczesna, niemniej jednak jej osiągnięcia są obiecujące.

3.4. W drodze do... Wielkiego Zjednoczenia.

Wraz z powstaniem chromodynamiki kwantowej pojawiła się nadzieja na stworzenie jednolitej teorii wszystkich (lub co najmniej trzech z czterech) podstawowych interakcji. Modele, które w ujednolicony sposób opisują co najmniej trzy z czterech podstawowych interakcji, nazywane są modelami Wielkiego Ujednolicenia. Schematy teoretyczne łączące wszystkie znane rodzaje oddziaływań (silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne) nazywane są modelami supergrawitacji.

Doświadczenie skutecznego łączenia oddziaływań słabych i elektromagnetycznych w oparciu o ideę pól cechowania zasugerowało możliwe drogi dalszego rozwoju zasady jedności fizyki i ujednolicenia podstawowych oddziaływań fizycznych. Jedna z nich opiera się na zadziwiającym fakcie, że stałe oddziaływania elektromagnetycznego, słabego i silnego zrównują się przy tej samej energii. Energię tę nazwano energią zjednoczenia. Przy energiach powyżej 10n GeV, gdzie n = 14, lub w odległości r 10n cm, gdzie n = -29, oddziaływania mocne i słabe opisane są jedną stałą, czyli mają wspólną naturę. Kwarki i leptony są tu praktycznie nie do odróżnienia.

W latach 70. i 90. powstało kilka konkurencyjnych teorii Wielkiego Zjednoczenia. Wszystkie opierają się na tej samej idei. Jeśli siły elektrosłabe i silne są w rzeczywistości tylko dwiema stronami wielkiej zunifikowanej siły, wówczas ta ostatnia powinna również mieć powiązane pole cechowania z pewną złożoną symetrią. Musi ona (symetria) być wystarczająco ogólna, zdolna objąć wszystkie symetrie cechowania zawarte zarówno w chromodynamice kwantowej, jak i teorii oddziaływań elektrosłabych. Znalezienie takiej symetrii jest głównym zadaniem w kierunku stworzenia jednolitej teorii oddziaływań silnych i elektrosłabych. Istnieją różne podejścia, które prowadzą do konkurencyjnych wersji teorii Wielkiego Zjednoczenia.

Jednak wszystkie te hipotetyczne wersje Wielkiego Zjednoczenia mają wiele cech wspólnych:

Po pierwsze, we wszystkich hipotezach kwarki i leptony – nośniki oddziaływań silnych i elektrosłabych – ujęte są w jednym schemacie teoretycznym. Do tej pory uważano je za zupełnie różne obiekty.

Po drugie, zastosowanie abstrakcyjnych symetrii cechowania prowadzi do odkrycia nowych typów pól, które mają nowe właściwości, na przykład zdolność do przekształcania kwarków w leptony. W najprostszej wersji Wielkiej Zunifikowanej Teorii do przekształcenia kwarków w leptony potrzebne są dwadzieścia cztery pola. Znanych jest już dwanaście kwantów tych pól: foton, dwie cząstki W, cząstka Z i osiem gluonów. Pozostałe dwanaście kwantów to nowe superciężkie bozony pośrednie, zjednoczone pod wspólną nazwą X i Y - cząstki (o ładunku elektrycznym 1/3 i 4/3). Kwanty te odpowiadają polom, które zachowują szerszą symetrię cechowania i mieszają kwarki z leptonami. W konsekwencji kwanty tych pól (tj. cząstki X i Y) mogą przekształcić kwarki w leptony (i odwrotnie).

W oparciu o teorie Wielkiej Unifikacji przewiduje się co najmniej dwa ważne wzorce, które można i należy przetestować eksperymentalnie: niestabilność protonów i istnienie monopoli magnetycznych. Eksperymentalne wykrywanie rozpadu protonów i monopoli magnetycznych mogłoby stanowić mocny argument na rzecz teorii Wielkiej Unifikacji. Wysiłki eksperymentalne mają na celu przetestowanie tych przewidywań. Jednak nadal nie ma solidnych danych eksperymentalnych na ten temat. Faktem jest, że teorie Wielkiej Unifikacji zajmują się energiami cząstek powyżej 10n GeV, gdzie n = 14. Jest to bardzo wysoka energia. Trudno powiedzieć, kiedy będzie możliwe uzyskanie w akceleratorach cząstek o tak wysokich energiach. Wyjaśnia to w szczególności trudność w wykryciu bozonów X i Y. Dlatego głównym obszarem zastosowania i testowania teorii Wielkiej Unifikacji jest kosmologia. Bez tych teorii nie da się opisać wczesnego etapu ewolucji Wszechświata, kiedy temperatura pierwotnej plazmy osiągnęła 10n K, gdzie n = 27. W takich warunkach mogły powstawać i anihilować superciężkie cząstki.

Staje się zatem jasne, że udowodnienie teorii Wielkiej Unifikacji jest dziś głównym zadaniem fizyków, ponieważ teoria ta nie tylko pomoże połączyć odmienne fragmenty ludzkiej wiedzy w jeden obraz, ale także zrobi krok w kierunku zrozumienia pochodzenia Wszechświata.

Bibliografia.

Podręcznik ucznia szkoły. 5-11 klas. 2004

Encyklopedia komputerowa Cyryla i Metodego. 2005

I. L. Rosenthal „Cząstki elementarne i budowa Wszechświata”. 1984

Problem cząstek elementarnych

Na różnych etapach zaawansowania „w głąb” substancji różne cząstki nazywano elementarnymi (bezstrukturalnymi). W poszukiwaniu podstawowych „cegiełek” wszechświata człowiek początkowo ustalił, że wszystkie związki składają się z „elementarnych” cząsteczek. Potem okazało się, że cząsteczki zbudowane są z „elementarnych” atomów. Wieki później odkryto, że „elementarne” atomy zbudowane są z „elementarnych” jąder i krążących wokół nich elektronów. Wreszcie odkryto, że same jądra zbudowane są z protonów i neutronów, które do niedawna uważano za cząstki elementarne nieposiadające struktury wewnętrznej. Po odkryciu neutronu w 1932 roku wydawało się, że zostały ustalone podstawowe elementy budulcowe, z których zbudowana jest zwykła materia: protony, neutrony, elektrony i fotony.

Jednak od 1933 roku liczba wykrywanych cząstek elementarnych gwałtownie rośnie. Kiedy ich liczba przekroczyła sto, stało się jasne, że tak ogromna liczba cząstek nie może działać jako elementarne składniki materii.

Nowo odkryte cząstki elementarne próbowali sklasyfikować przede wszystkim według masy. W ten sposób pojawił się podział cząstek elementarnych na leptony (lekkie) i bariony (ciężkie). Znane nam elektron, pozyton i neutrino należą do leptonów, a proton i neutron do barionów. Istnieje inna grupa cząstek elementarnych - mezony (pośrednie).

Bariony i mezony, jako cząstki uczestniczące w tzw. oddziaływaniu silnym (patrz niżej), często łączą się w grupę hadronów.

Problem cząstek elementarnych, których liczba przekroczyła trzy i pół setki, przez długi czas wydawał się nierozwiązywalny. Przełom nastąpił, gdy w latach 60. XX wieku zaproponowano model kwarkowy, który opierał się na hipotezie o istnieniu nowych cząstek prawdziwie elementarnych, które nazwano kwarkami. W modelu kwarkowym wszystkie bariony są uważane za kombinacje trzech kwarków, a mezony za kombinacje kwarku i antykwarku.

Podstawowe charakterystyki cząstek elementarnych

Główne cechy cząstek elementarnych są następujące:

Msza – m.in

Czas życia – τ

Ładunek elektryczny-Q

Liczby barionowe i leptonowe (ładunki)– B, L

Kręci się

Jedną z głównych cech cząstek subatomowych jest ich masa, która jednocześnie określa ich energię spoczynkową. Spośród cząstek o zerowej masie najbardziej znane są fotony. Masa neutrina może również wynosić zero. Elektron jest najlżejszą ze stabilnych cząstek o niezerowej masie (me =0,911·10-30 kg). Proton ma najmniejszą masę spośród barionów

(m p =1,672·10 -27 kg). Masa neutronu jest nieco większa niż masa protonu: mn – mp

2,5 mnie.

Elektron i proton są cząstkami stabilnymi. Żywotność swobodnego neutronu wynosi około 900 sekund. Większość cząstek elementarnych jest wysoce niestabilna, ich czas życia waha się od kilku mikrosekund do 10-23 s.

Ładunek elektryczny.Ładunki elektryczne wszystkich badanych cząstek elementarnych (z wyjątkiem kwarków!) są całkowitymi wielokrotnościami e

1,6·10-19 C (e jest ładunkiem elementarnym, liczbowo równym ładunkowi elektronu lub protonu). W naszym świecie obowiązuje uniwersalne prawo zachowania ładunku elektrycznego: całkowity ładunek elektryczny izolowanego układu jest zachowany.

Liczby barionowe (B) i leptonowe (L) (ładunki) scharakteryzować, czy cząstka należy do klasy barionów, czy leptonów. Bariony nie mają ładunku leptonowego ( L = 0), dla cząstek barionowych B = 1, dla antycząstek B = -1. Leptony nie mają ładunku barionowego, a ich ładunek leptonowy jest równy L = 1 – dla cząstek (elektron, neutrino) i odpowiednio L = -1 – dla antycząstek (pozyton, antyneutrino).

Główną właściwością cząstek elementarnych jest ich zdolność do ulegania wzajemnym przekształceniom, które zachodzą tylko pod warunkiem zachowania wszystkich omawianych powyżej typów ładunków: elektrycznego, barionowego, leptonowego (plus zasady zachowania energii, pędu i momentu pędu).

Spin (s) to specjalna wewnętrzna cecha cząstek elementarnych, powiązana z ich własnym pędem (spinowym), mierzona w

jednostki h (stała Plancka) lub ћ =									(h przekreślone).
W jednostkach ћ spin wszystkich cząstek elementarnych przyjmuje wartości lub
liczby całkowite: 0, 1, 2, … lub liczby półcałkowite: 1								, …

Cząstki o spinie półcałkowitym nazywane są fermionami, a cząstki o spinie całkowitym nazywane są bozonami. Fermiony są posłuszne Zasada wykluczenia Pauliego zgodnie z którą dwie identyczne cząstki nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym.34 Wszystkie fermiony są cząstkami materii.

Wręcz przeciwnie, wszystkie bozony mają tendencję do przechodzenia w ten sam stan. Wszystkie bozony są kwantami jakiegoś pola. Ze wszystkich bozonów fotony występują najczęściej we Wszechświecie.

34 Stan kwantowy charakteryzuje się całkowicie zbiorem czterech liczb kwantowych: trzy z nich związane są z trójwymiarowością przestrzeni, a czwarta ze spinem.

Zatem fermiony działają jak „czyści indywidualiści”, podczas gdy bozony są prawdziwymi „kolektywistami”.

Fermiony fundamentalne - leptony i kwarki

Obecnie za prawdziwie elementarne cząstki, z których zbudowana jest cała materia naszego świata, uważa się leptony i kwarki, których spin wynosi ½.

Rodzina leptonów składa się z cząstek trzech pokoleń: do pierwsza generacja obejmują elektron e - i neutrino elektronoweν mi ; drugie pokolenie– mion μ i neutrino mionoweν μ i wreszcie trzecia generacja–

taon τ - i neutrino taonowe ν τ:

				μ −
	ν e			νμ		ν τ

Elektron, mion i taon pojawiają się w parach tylko ze swoimi neutrinami, a ich ogromna siła penetracji, brak ładunku i niezwykle mała, być może zerowa masa sprawiły, że przez wiele lat były nieuchwytne. Najbardziej nieuchwytną ze wszystkich cząstek elementarnych okazało się neutrino taonowe, odkryte dopiero latem 2000 roku.

Neutrina są na tyle „bezcielesne”, że z łatwością przenikają przez grubość Ziemi i są w stanie przejść przez warstwę ołowiu o grubości kilku lat świetlnych. Tymczasem neutrina, wraz z fotonami, są najpowszechniejszymi cząstkami w naszym świecie. Gdyby cała materia, w tym wszystkie galaktyki i pył międzygalaktyczny, była równomiernie rozłożona w całej objętości Wszechświata, wówczas na każdy metr sześcienny przestrzeni przypadałby jeden proton i jeden elektron. Fotonów i neutrin jest miliardy razy więcej: w każdym centymetrze sześciennym znajduje się około 500 cząstek.

Neutrina zostały po raz pierwszy wprowadzone przez Pauliego w celu wyjaśnienia rozpadów beta jąder,

w którym następuje przemiana protonu w neutron (tzw. rozpad β+ -) i neutronu w proton:

	→ 0 rz						→ 1 s	+− 1 mi

Należy zauważyć, że przemiana neutronu w proton jest energetycznie korzystna (ponieważ masa protonu jest mniejsza niż masa neutronu). To właśnie wyjaśnia niestabilność swobodnego neutronu.

Jeżeli proces przemiany neutronu w proton zachodzi wewnątrz jądra,

nazywa się to rozpadem β - -. W tym przypadku cząstką β jest elektron.

Proces przemiany protonu w neutron wymaga energii i może zachodzić tylko wewnątrz jądra. Rozpadowi β + - towarzyszą narodziny cząstki całkowicie podobnej do elektronu, ale o ładunku elektrycznym o przeciwnym znaku, która nazywa się pozytonem +1 e 0.

Oprócz elektronu (lub pozytonu) inna cząstka elementarna, zwana neutrinem - 0 ν 0 (cząstka,

towarzyszący rozpadowi β - -).

Antycząstki

Istnienie elektronu i pozytonu sugeruje, że inne cząstki elementarne mogą mieć swoich własnych „bliźniaków”. Rzeczywiście prawie każda cząstka ma swoją antycząstkę, której masa jest ściśle równa masie cząstki, a znak ładunku jest przeciwny. Istnieje również dość rzadki rodzaj prawdziwie neutralnych cząstek, które nie mają bliźniaków (fotonów). W zasadzie może istnieć antyatom, którego jądro składa się z antyprotonów i antyneutronów, a elektrony są zastępowane przez antyelektrony (pozytony), antycząsteczkę i wreszcie antymaterię, której właściwości nie będą się różnić od właściwości zwykłej materii.

Najważniejszą właściwością cząstek i antycząstek jest ich zdolność do anihilacji. Anihilacja pary cząstka – antycząstka (od łacińskiego annihilatio –

zniszczenie, zanik) to jeden z rodzajów wzajemnej konwersji cząstek elementarnych, któremu towarzyszy uwolnienie energii, na przykład przemiana elektronu i pozytonu po ich zderzeniu w fotony (promieniowanie elektromagnetyczne):

1 e0 + +1 e0 → 2γ

Możliwy jest również efekt odwrotny - utworzenie pary elektron-pozyton w wyniku zderzenia dwóch fotonów. Oczywiste jest, że energia fotonu nie może być mniejsza niż dwukrotność energii spoczynkowej elektronu E γ > 2m e c 2 (nieco więcej

1 MeV).

Nasz świat składa się z materii. Na Ziemi, w Układzie Słonecznym i w przestrzeni kosmicznej bezpośrednio otaczającej Układ Słoneczny nie ma zauważalnej ilości antymaterii, gdyż w wyniku reakcji anihilacji niemożliwe jest ścisłe współistnienie cząstek i antycząstek. Te nieliczne antycząstki, które można wytworzyć w warunkach laboratoryjnych, prędzej czy później giną. Długotrwałe istnienie stabilnych antycząstek (na przykład antyprotonów lub pozytonów) jest możliwe tylko przy małej gęstości materii - w specjalnych akumulatorach naładowanych cząstek lub w przestrzeni kosmicznej. Pytania o to, dlaczego nasz świat składa się z materii, kiedy i dlaczego powstała asymetria naszego Wszechświata, mają fundamentalne znaczenie i nadal przyciągają uwagę fizyków teoretyków.

Druga rodzina podstawowych cząstek elementarnych, z których zbudowane są hadrony (bariony i mezony), nazywa się kwarkami. Istnieje sześć odmian kwarków (fizycy nazywają je „smakami”), które podobnie jak leptony łączą się w pary i tworzą trzy pokolenia. Pierwsza generacja– kwarki u i d (górny – górny i dolny

Niżej); druga generacja - kwarki s i c (dziwne - dziwne i urocze -

zaczarowany) i wreszcie trzecia generacja - kwarki b i t (piękno - piękne i prawdziwe - prawdziwe ; czasami tak się nazywają dół i góra ). Ostatnia szósta t-kwark została odkryta stosunkowo niedawno (w 1995 r.).

Kwarki są fermionami (ich spin wynosi ½, jak leptony). W tym przypadku możliwe są dwa wewnętrzne stany kwantowe z rzutami wektorowymi -

tył: +1/2 i –1/2

Liczba barionowa dla kwarków jest równa jednej trzeciej B = 1/3 dla antykwarków

− B = –1/3. Każdy kwark ma inną cechę, którą fizycy nazywają smakiem (dziwność, urok itp.).

Najbardziej zaskakujące jest to, że kwarki mają ułamkowy ładunek elektryczny, którego wartość wynosi albo 2/3 ładunku elementarnego (ładunek kwarku jest dodatni), albo 1/3 ładunku elektronu (znak ładunku jest ujemny).

Wszystkie bariony są kombinacjami trzech kwarków. Nukleony - podstawową podstawą jąder atomowych, są najlżejsze bariony i składają się z kwarków pierwszej generacji. Proton składa się z dwóch kwarki u i jeden kwark d, neutron z dwóch kwarków d i jednego kwarku u:

Łatwo sprawdzić, że ładunek protonu okazuje się równy jedności (2/3+2/3–1/3 = +1), a ładunek neutronu wynosi zero (2/3 – 1/3 – 1/ 3 = 0).

Neutron jest cięższy od protonu, ponieważ kwark d jest cięższy od kwarku u.

Procesy rozpadu β + – i β – – zanikają, gdy wzajemna konwersja kwarków (ud) otrzymuje nowe wyjaśnienie.

Mezony powstają w wyniku połączenia pary kwark-antykwark. Jest oczywiste, że
liczba barionowa mezonów wynosi zero,						spin jest równy	zero lub jeden.
Kombinacje trzech antykwarków tworzą antybariony (antyprotony,
antyneutrony itp.).
Tabela 1 przedstawia wszystkie podstawowe fermiony -
jednostki strukturalne struktury materii.
			Tabela nr 1
		Podstawowe fermiony
Fundacja-
	Pokolenia						III Elektryczny
fermiony			Pokolenie			Pokolenie	Pokolenie
	naładowany
			elektron					−1
						νμ	ντ
	neutrino		elektroniczny
					oczarowany		PRAWDA
							Piękny
Cała różnorodność hadronów powstaje w wyniku różnych kombinacji
dany						aromaty.

odpowiadają stanom związanym zbudowanym wyłącznie z kwarków u i d. Jeśli w stanie związanym wraz z kwarkami u i d znajduje się na przykład kwark s lub c, wówczas odpowiadający mu hadron nazywa się dziwnym lub

oczarowany.

Fakt, że wszystkie znane bariony i mezony można było otrzymać z różnych kombinacji kwarków, symbolizował główny triumf teorii kwarków. Jednak wszelkie wysiłki mające na celu wykrycie pojedynczych kwarków poszły na marne. Doszło do paradoksalnej sytuacji. Kwarki niewątpliwie istnieją wewnątrz hadronów. Świadczy o tym nie tylko rozważana systematyka kwarkowa hadronów, ale także bezpośrednia „przenoszenie” nukleonów przez szybkie elektrony. W tym eksperymencie (w zasadzie całkowicie podobnym do eksperymentu Rutherforda) odkryto, że wewnątrz hadronów elektrony są rozproszone na cząstkach punktowych o ładunkach równych –1/3 i +2/3 i spinie równym ½, czyli bezpośredni dowód fizyczny istnienia kwarków wewnątrz hadronów. Ale nie da się usunąć kwarków z hadronów. Zjawisko to nazywa się „uwięzieniem”

(powięzienie - niewola, angielski).

Podstawowe interakcje

Kolejne fundamentalne pytanie, na które nauka musi odpowiedzieć, aby wyjaśnić budowę materii, wiąże się z naturą i naturą oddziaływań między cząstkami, które w określonych warunkach prowadzą do powstania stanów związanych. Co sprawia, że ​​kwarki łączą się w nukleony, nukleony w jądra, jądra i elektrony w atomy, a atomy w cząsteczki? Dlaczego we Wszechświecie gromadzi się materia w postaci planet, gwiazd i galaktyk? Jaka jest natura sił powodujących wszystkie zmiany zachodzące w naszym materialnym świecie?

Okazuje się, że wszystko, co dzieje się w przyrodzie, można sprowadzić do sprawiedliwego

cztery podstawowe interakcje

Rola oddziaływań podstawowych w przyrodzie

Oddziaływanie grawitacyjne jest najsłabszy i jednocześnie najbardziej uniwersalny. Oddziaływanie grawitacyjne zachodzi pomiędzy dowolnymi obiektami posiadającymi masę lub energię. To grawitacja zapobiega rozpadowi Wszechświata, gromadząc materię w planety i gwiazdy, utrzymując planety na orbitach, „łącząc” gwiazdy w galaktyki. Ogólnie rzecz biorąc, w skali astronomicznej decydującą rolę odgrywa oddziaływanie grawitacyjne. W mikrokosmosie grawitację można pominąć w porównaniu z innymi, bardziej intensywnymi interakcjami.

Oddziaływanie elektromagnetyczne wspólne dla wszystkich cząstek

posiadający ładunek elektryczny. Podobnie jak grawitacja, oddziaływanie elektromagnetyczne ma charakter dalekiego zasięgu, a prawo określające siłę działającą pomiędzy ładunkami punktowymi w spoczynku jest podobne do prawa grawitacji - jest to znane ze szkoły prawo Coulomba:

		m 1 m 2			q 1 q 2

Jednakże w przeciwieństwie do grawitacji, która zawsze jest przyciąganiem, przyciąganie elektryczne istnieje tylko pomiędzy ładunkami przeciwnych znaków, natomiast ładunki tego samego znaku odpychają się. To dzięki oddziaływaniu elektromagnetycznemu możliwe jest powstawanie atomów i cząsteczek. Siły międzycząsteczkowe określające właściwości różnych stanów skupienia substancji mają także charakter elektryczny. Większość obserwowalnych sił fizycznych (elastyczność, tarcie itp.) w rzeczywistości sprowadza się do tego, co leży u podstaw przemian chemicznych substancji i wszystkich obserwowalnych zjawisk elektrycznych, magnetycznych i optycznych.

Oddziaływania mocne i słabe pojawiają się jedynie w mikrokosmosie, na poziomie subjądrowym.

Silna interakcja nieodłącznie związany z kwarkami i formacjami kwarków - hadronami. Główną funkcją oddziaływania silnego jest łączenie kwarków (i antykwarków) w hadrony. Siły jądrowe łączące nukleony w jądra są specyficznymi echami silnego oddziaływania (często nazywanego resztkowym silnym oddziaływaniem).

Słaba interakcja nieodłącznie związany ze wszystkimi podstawowymi fermionami. W przypadku neutrin jest to jedyna interakcja, w której biorą udział. W odróżnieniu od oddziaływania silnego, oddziaływanie słabe ma na celu zmianę natury (zapachu) cząstek, czyli przekształcenie jednego kwarku w drugi (to samo tyczy się leptonów).

W przypadku braku oddziaływania słabego stabilne byłyby nie tylko proton i elektron, ale także miony, π - mezony, cząstki dziwne i zaczarowane, które rozpadają się w wyniku oddziaływania słabego. Gdybyśmy mogli „wyłączyć” słabe oddziaływanie, Słońce by zgasło,

ponieważ proces zamiany protonu w neutron (rozpad β), w wyniku którego cztery protony zamieniają się w 2 He4, dwa pozytony i dwa neutrina (tzw. obieg wodorowy, będący głównym źródłem energii dla Słońca i większości gwiazd.) byłoby niemożliwe.

Charakterystyka oddziaływań podstawowych

Intensywność oddziaływań można ocenić na podstawie szybkości procesów, które powodują. Zwykle porównywane ze sobą prędkość procesu przy energii 1 GeV, charakterystycznej dla fizyki cząstek elementarnych. Przy takich energiach proces jest spowodowany silnym oddziaływaniem

proces elektromagnetyczny zachodzi w czasie 10-24 s, proces elektromagnetyczny w czasie 10-21 s, charakterystyczny czas procesów zachodzących na skutek oddziaływania słabego jest znacznie dłuższy: 10-10 s.