Các vấn đề của lý thuyết hiện đại về hạt cơ bản. Tóm tắt: Hạt cơ bản. Mô hình điện từ của neutron

Bạn có ở đây không: Khu vực dịch vụ

William Gilbert đã đưa ra một định đề khoảng 400 năm trước và có thể được coi là định đề chính của khoa học tự nhiên. Mặc dù thực tế là ở thời đại chúng ta không thể tìm thấy một nhà nghiên cứu nào không đồng ý với tuyên bố này, một số lý thuyết vật lý hiện đại không thỏa mãn nguyên tắc này.

Trong vật lý của thế giới vi mô, có một số mô hình được chấp nhận rộng rãi nhưng cũng không thỏa mãn định đề Hilbert. Những mô hình này không cho phép tính toán các thông số đặc trưng chính, chẳng hạn như khối lượng và mô men từ của các hạt cơ bản. Bài viết này thảo luận về một cách tiếp cận khác để giải quyết vấn đề này.

Một cách tiếp cận mới cho vấn đề bản chất của lực hạt nhân được xem xét. Người ta đã chứng minh rằng lực hút trong cặp proton-neutron có thể phát sinh do sự trao đổi của một electron tương đối tính. Ước tính năng lượng của sự trao đổi như vậy phù hợp với giá trị thực nghiệm của năng lượng liên kết của một số hạt nhân nhẹ. Trong trường hợp này, neutron được coi là một hạt tổng hợp bao gồm một proton và một electron tương đối tính, giúp dự đoán khối lượng, mômen từ và năng lượng phân rã của nó.

Trong khuôn khổ lý thuyết Maxwell tiêu chuẩn về trường điện từ, người ta đã chứng minh rằng có thể kích thích trong không gian trống rỗng (ether) một lượng tử γ từ (vụ nổ từ trường), không có thành phần điện và có spin ħ / 2. Một đặc điểm đặc trưng của lượng tử γ từ tính như vậy là sự tương tác yếu của nó với vật chất, nhỏ hơn nhiều bậc độ lớn so với sóng điện từ. Những tính chất này gợi ý rằng lượng tử γ từ có thể được đồng nhất với neutrino. Trên cơ sở này, có thể có một cái nhìn mới về bản chất của meson π, μ-meson và λ-hyperon, tính toán khối lượng và mômen từ của chúng.

1. Tiên đề cơ bản của khoa học tự nhiên.

1.1. Định đề Hilbert và vật lý hiện đại.

2. Proton và neutron.

2.1. Proton và neutron trong mô hình quark Gell-Mann.

2.2. Mô hình proton gồm các quark có điện tích nguyên.

2.3. Tính chất vật lý của neutron.

2.4. Cấu trúc neutron.

2.4.1. Mô hình điện từ của neutron.

2.4.2. Các thông số cơ bản của neutron.

2.5. Cuộc thảo luận.

3. Về bản chất của lực hạt nhân.

3.1. Ion hydro phân tử.

3.2. Deuteron.

3.3. Hạt nhẹ.

3.3.1. Hạt nhân 3 2 He.

3.3.2. Hạt nhân 4 2 He.

3.3.3. Hạt nhân 6 3 Li.

3.4. Cuộc thảo luận.

4. Neutrino và meson.

4.1. neutrino.

4.2. Meson.

4.3. Trạng thái kích thích với S = 0.

4.4. Trạng thái kích thích với N= 2 và S = ħ / 2.

5. Kết luận.

1. Tiên đề chính của khoa học tự nhiên

Đối với những người cùng thời với chúng ta, những người có trình độ học vấn tương ứng với sự phát triển của khoa học trong thế kỷ 21, có vẻ như khoa học thời Trung cổ tập trung vào thần học, chiêm tinh và thuật giả kim. Nhưng điều này hoàn toàn không đúng sự thật. Thời Trung cổ là thời điểm nền tảng của khoa học hiện đại được phát triển.

Nhà khoa học thời Trung cổ William Gilbert (1544...1603) đã đưa các khái niệm điện trường và từ trường vào sử dụng trong khoa học, thực hiện bước đầu tiên hướng tới sự hiểu biết bản chất của điện từ. Ông là người đầu tiên cố gắng giải thích bản chất của từ trường Trái đất. Nhưng đồng thời, có vẻ như đóng góp quan trọng nhất của ông cho khoa học chính là nguyên lý ông đã phát triển, nguyên tắc này đã trở thành nguyên tắc chính của nghiên cứu khoa học tự nhiên hiện đại*.

* Có thể giả định rằng ý tưởng về nguyên tắc này, như người ta nói, đã phổ biến trong giới học thức thời đó. Nhưng tôi đã tìm ra công thức mà chúng tôi đã truyền lại cho chúng tôi, nguyên tắc này nhờ có W. Gilbert.

Nguyên tắc Hilbert được phát biểu đơn giản:

Tất cả các cấu trúc lý thuyết được cho là khoa học đều phải được kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm.

Dường như không có ai trong số các nhà khoa học hiện đại của chúng ta phản đối điều này. Tuy nhiên, trong thế kỷ XX, hàng loạt công trình khoa học ra đời đã được cộng đồng khoa học chấp nhận và vẫn chiếm ưu thế trong lĩnh vực tri thức của họ nhưng đồng thời không thỏa mãn nguyên lý Hilbert.

1.1. Định đề Hilbert và vật lý hiện đại

Cần nhấn mạnh rằng phần lớn các mô hình lý thuyết hiện đại phản ánh đầy đủ và chính xác các tính chất của vật chất và các quy luật Tự nhiên, vì ở mọi giai đoạn, việc xây dựng các lý thuyết này đều được thực hiện hoàn toàn theo nguyên lý Hilbert.

Nhưng trong một số trường hợp, các mô hình do các nhà lý thuyết phát triển hóa ra lại không chính xác.

Chúng ta hãy xem xét một số vấn đề của thế giới vi mô, trong đó nguyên tắc Hilbert đã bị vi phạm.

2. Proton và neutron

2.1. Proton và neutron trong mô hình quark Gell-Mann

Có vẻ như các chuyên gia về vật lý hạt cơ bản ban đầu đã bắt đầu từ giả định rằng trong quá trình hình thành thế giới, mỗi hạt cơ bản đã được chọn riêng các thông số thích hợp: điện tích, spin, khối lượng, mô men từ, v.v.

Gell-Mann đã đơn giản hóa công việc này phần nào. Ông đã phát triển một quy tắc theo đó tập hợp các quark xác định tổng điện tích và spin của hạt cơ bản được hình thành. Nhưng khối lượng và mômen từ của những hạt này không tuân theo quy luật này.

Cơm. 1. Cấu trúc quark của proton và neutron theo Gell-Mann. Điện tích của các quark được chọn sao cho quá trình biến đổi neutron thành proton được thực hiện bằng cách thay thế một quark d bằng một quark u. Mô hình Gell-Mann không giả vờ dự đoán khối lượng và mô men từ của proton và neutron

Mô hình quark Gell-Mann giả định rằng các quark tạo nên tất cả các hạt cơ bản (trừ hạt nhẹ nhất) phải có tỷ lệ phân số (bằng 1/3). e hoặc 2/3 e) sạc điện.

Vào những năm 60, sau khi xây dựng mô hình này, nhiều nhà thí nghiệm đã cố gắng tìm kiếm các hạt có điện tích nhỏ. Nhưng không thành công.

Để giải thích điều này, người ta giả định rằng các quark được đặc trưng bởi sự giam cầm, tức là một tài sản cấm họ thể hiện bản thân dưới bất kỳ hình thức nào trong trạng thái tự do. Đồng thời, rõ ràng là sự giam cầm đã loại bỏ các quark khỏi sự phụ thuộc vào nguyên lý Hilbert. Ở dạng này, mô hình quark với điện tích phân số được cho là mang tính khoa học mà không cần xác nhận bằng dữ liệu đo lường.

Cần lưu ý rằng mô hình quark mô tả thành công một số thí nghiệm về tán xạ hạt ở năng lượng cao, ví dụ như sự hình thành các tia hoặc đặc điểm tán xạ các hạt năng lượng cao mà không bị phá hủy. Tuy nhiên, điều này dường như không đủ để nhận ra sự tồn tại của các quark có điện tích phân số.

2.2. Mô hình proton gồm các quark có điện tích nguyên

Chúng ta hãy đặt mục tiêu xây dựng một mô hình proton từ các quark có điện tích nguyên sao cho nó dự đoán được khối lượng và mô men từ của proton. Chúng ta sẽ giả sử rằng, giống như trong mô hình Gell-Mann, proton bao gồm ba quark. Nhưng trong trường hợp của chúng tôi, hai người trong số họ có tội + e và một - e. Giả sử các quark này không có spin riêng và chuyển động lượng tử của chúng được biểu thị bằng cách chúng quay quanh một tâm chung dọc theo một vòng tròn bán kính R.

Cơm. 2.

Gọi bán kính là Rđược xác định bởi thực tế là trên chu vi 2π R phù hợp với độ dài sóng de Broglie của quark λ D:

Động lượng góc tổng quát (spin) của hệ sẽ gồm hai số hạng: động lượng góc cơ học của cả ba quark 3 pq × R và mômen động lượng của từ trường được tạo ra bởi một quark có điện tích không bù \(\frac(e)(c)(\bf(A))\):

và mômen từ của dòng điện tròn

ở đây β = v/c.

Dựa trên thực tế là spin của proton bằng ħ / 2, ta có

Tổng khối lượng của ba quark

Có tính đến độ lớn của khối lượng quark (8), mômen từ do nó tạo ra bằng

2.3. Tính chất vật lý của neutron

Trong mô hình quark Gell-Mann, neutron được coi là một hạt cơ bản theo nghĩa là nó bao gồm một tập hợp quark khác với proton. Vào những năm 30 của thế kỷ trước, các nhà vật lý lý thuyết đã đi đến kết luận về tính nguyên tố của neutron mà không dựa vào dữ liệu đo lường, vốn không tồn tại vào thời điểm đó.

Để giải thích dữ liệu đo các thông số neutron - mô men từ của neutron, khối lượng và năng lượng phân rã của nó - hãy xem xét mô hình điện từ của neutron, trong đó nó không phải là hạt cơ bản.

Chúng ta hãy giả sử rằng neutron, giống như nguyên tử hydro Bohr, bao gồm một proton mà xung quanh nó có một electron quay ở một khoảng cách rất nhỏ so với nó. Ở gần proton, chuyển động của electron phải mang tính tương đối. Tuy nhiên, điểm đặc biệt của quỹ đạo ổn định được hình thành trong trường hợp này là khi tính toán nó, mọi hiệu chỉnh tương đối tính đều bù trừ lẫn nhau và bị loại bỏ hoàn toàn.

Chúng ta hãy xem xét mô hình điện từ của neutron chi tiết hơn.

2.4. cấu trúc neutron

2.4.1. Mô hình điện từ của neutron

Trong những ngày đầu sau khi phát hiện ra neutron, câu hỏi liệu nó có nên được coi là hạt cơ bản hay không đã được thảo luận trong vật lý. Không có dữ liệu thực nghiệm nào có thể giúp giải quyết vấn đề này, và chẳng bao lâu người ta tin rằng neutron, giống như proton, là một hạt cơ bản. Tuy nhiên, việc neutron không ổn định và phân rã thành proton và electron (+ phản neutrino) tạo cơ sở để phân loại nó là hạt hợp chất không cơ bản.

Chúng ta hãy xem xét một hạt hợp chất trong đó xung quanh một proton với vận tốc v → c một hạt có khối lượng nghỉ quay Tôi và tính phí - e. (Trước đây, một cách tiếp cận tương tự đã được xem xét trong các công trình và).

Chúng ta hãy chọn một hệ tọa độ trụ trong đó trục z trùng với hướng mômen từ của proton

Giữa một proton tích điện dương và một electron tích điện âm phải có lực hút Coulomb (, §24):

biểu hiện ở lực Lorentz:

và lực do từ trường của vòng tạo ra có xu hướng làm vỡ nó

Kết quả là một phương trình cân bằng với ẩn số R 0 và β có dạng:

Từ trường trong hệ được tạo ra bởi mô men từ của proton

Ở đây α = e 2 / ħc- hằng số cấu trúc mịn,

r c = ħ / tôi và tôi- Bán kính Compton.

Để viết phương trình thứ hai kết nối các tham số này, chúng tôi sử dụng định lý virial. Theo định lý này, động năng của các hạt thống nhất bởi tương tác điện từ trong quá trình chuyển động hữu hạn của chúng bằng một nửa thế năng của chúng, lấy dấu ngược lại:

do đó, phương trình thứ hai kết nối các tham số này có dạng:

Trong trường hợp này, mô men từ của vòng dòng điện, biểu thị bằng nam châm hạt nhân μ N

Giá trị này phù hợp tốt với giá trị đo được của mômen từ neutron (ξ N = –1,91304272):

Theo định lý virus, tổng năng lượng của hệ đang xét phải bằng động năng của nó (26):

Trong quá trình phân rã của neutron, năng lượng này sẽ được chuyển thành động năng của electron phát ra (và phản neutrino), hoàn toàn phù hợp với giới hạn xác định bằng thực nghiệm của quang phổ của electron phân rã, bằng 782 keV.

2.5. Cuộc thảo luận

Trong mô hình proton được xem xét ở trên, bao gồm các quark có điện tích nguyên, không có vấn đề gì về khả năng quan sát được các quark ở trạng thái tự do. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều điều chưa biết.

Người ta không rõ mô men từ của positron tạo thành proton biến mất ở đâu. Mô men từ của electron tạo thành neutron không tự biểu hiện do spin của dòng điện trong vòng bằng không. Tuy nhiên, đây không phải là trường hợp của quark-positron. Người ta không rõ tại sao quark-positron không hủy diệt với quark-electron và những tương tác nào buộc chúng kết hợp thành một hạt hoàn toàn ổn định - proton, sự phân rã của hạt này không được quan sát thấy trong tự nhiên.

Sự thống nhất thu được giữa các ước tính và dữ liệu đo lường về các tính chất của neutron chỉ ra rằng nó không phải là một hạt cơ bản. Nó nên được coi là một loại tương tự tương đối tính của nguyên tử hydro Bohr. Với sự khác biệt là trong nguyên tử Bohr, electron phi tương đối được giữ trên vỏ bởi lực Coulomb, và trong neutron, electron tương đối được giữ chủ yếu do tương tác từ. Theo định đề của Hilbert, sự xác nhận bằng kinh nghiệm về mô hình điện từ của neutron được thảo luận ở trên dường như là một lập luận cần thiết và hoàn toàn đủ cho độ tin cậy của nó.

Tuy nhiên, để hiểu mô hình, điều quan trọng là phải sử dụng bộ máy lý thuyết được chấp nhận rộng rãi khi xây dựng nó. Cần lưu ý rằng đối với các nhà khoa học đã quen với ngôn ngữ của vật lý lượng tử tương đối tính, phương pháp được sử dụng ở trên để đưa ra ước tính, nhìn thoáng qua, không góp phần vào nhận thức về kết quả thu được. Người ta thường chấp nhận rằng, để đảm bảo độ tin cậy, ảnh hưởng của thuyết tương đối đến hành trạng của electron trong trường Coulomb cần được tính đến trong khuôn khổ lý thuyết Dirac. Tuy nhiên, trong trường hợp cụ thể là tính khối lượng neutron, mô men từ và năng lượng phân rã của nó, điều này là không cần thiết, vì spin của electron ở trạng thái đang xét bằng 0 và tất cả các hiệu ứng tương đối tính được mô tả bằng các thuật ngữ có hệ số \(( \left((1 - \frac((( v^2)))(((c^2)))) \right)^( - 1/2))\), bù trừ cho nhau và loại bỏ hoàn toàn. Neutron được xem xét trong mô hình của chúng ta là một vật thể lượng tử, vì bán kính R 0 tỷ lệ thuận với hằng số Planck ħ , nhưng về mặt hình thức nó không thể được coi là có tính tương đối, bởi vì hệ số \((\left((1 - \frac(((v^2)))(((c^2)))) \right)^( - 1/2))\)trong định nghĩa R 0 không được bao gồm. Điều này cho phép tính khối lượng neutron, mô men từ và năng lượng phân rã của nó bằng cách đơn giản tìm các thông số cân bằng của hệ từ điều kiện cân bằng lực, như thông lệ đối với các vật thể phi tương đối tính. Tình hình lại khác với việc đánh giá thời gian tồn tại của neutron. Rõ ràng thuyết tương đối sẽ ảnh hưởng đến thông số này. Nếu không tính đến nó thì không thể ước tính chính xác thời gian sống của neutron ngay cả theo bậc độ lớn.

3. Về bản chất của lực hạt nhân

3.1. Ion hydro phân tử

Năm 1927, mô tả cơ học lượng tử của phân tử đơn giản nhất, ion hydro phân tử, đã được công bố. Các tác giả của bài báo này, W. Heitler và F. London, đã tính toán lực hút xuất hiện giữa hai proton do sự trao đổi electron nếu trạng thái của ion phân tử được mô tả bằng thế năng giếng kép (Hình 3). Sự trao đổi này là một hiệu ứng cơ học lượng tử và sự tương tự cổ điển của nó không tồn tại. (Một số chi tiết của tính toán này được đưa ra trong).

Kết luận chính của công trình này là năng lượng liên kết giữa hai proton, phát sinh do sự trao đổi của một electron, gần về độ lớn với năng lượng liên kết của một proton và một electron (năng lượng của electron trong Bohr thứ nhất). quỹ đạo). Kết luận này phù hợp thỏa đáng với dữ liệu đo, cho kết quả sai khác so với kết quả tính toán ít hơn hai lần.

Cơm. 3. Sơ đồ biểu diễn thế năng giếng đôi đối xứng. Ở trạng thái cơ bản, electron có thể ở bên phải hoặc bên trái của giếng. Ở trạng thái không bị xáo trộn, năng lượng của nó bằng E 0 . Việc đào hầm từ trạng thái này sang trạng thái khác dẫn đến sự chia cắt mặt đất và giảm trạng thái thuận lợi về mặt năng lượng bằng Δ

Cơm. 4. Sơ đồ biểu diễn cấu trúc của hạt nhân nhẹ. Đường đứt nét minh họa khả năng chuyển đổi trao đổi của một electron tương đối tính giữa các proton

3.2. Deuteron

Mô hình điện từ của neutron, đã thảo luận ở trên, cho phép chúng ta có một cái nhìn mới mẻ về cơ chế tương tác của neutron với proton. Neutron – tức là một proton được bao quanh bởi một đám mây điện tử tương đối tính và một proton tự do cùng nhau tạo thành một vật thể tương tự như ion hydro phân tử. Sự khác biệt là trong trường hợp này electron có tính tương đối, bán kính quỹ đạo của nó là R 0 ≈ 10–13 cm (28) và khối lượng xấp xỉ 2,57 Tôi.

Việc áp dụng các kết quả tính toán cơ học lượng tử Heitler–London vào trường hợp này cho phép ước tính năng lượng liên kết của deuteron với độ chính xác xấp xỉ như trong trường hợp ion hydro phân tử. Ước tính này dự đoán năng lượng liên kết xấp xỉ 2,13 10 –6 erg, trong khi các phép đo cho kết quả

3.3. Hạt nhẹ

3.3.1. Hạt nhân 3 2 Anh

Từ hình. 4, biểu diễn dưới dạng sơ đồ các liên kết năng lượng trong hạt nhân 3 2 He, rõ ràng là chúng bao gồm ba cặp tương tác proton. Do đó, nên giả định rằng năng lượng liên kết của hạt nhân này phải bằng ba lần năng lượng liên kết của deuteron:

Độ lệch khối lượng của hạt nhân này

Thỏa thuận đánh giá E He3 với năng lượng liên kết đo được E(3 2 Anh) có thể coi là rất giỏi.

3.3.2. Hạt nhân 4 2 He

Từ sơ đồ kết nối năng lượng trong hạt nhân 4 2 He được thể hiện trên hình. Như được hiển thị trong Hình 4, rõ ràng là các liên kết này được hình thành bởi sáu cặp proton tương tác, được thực hiện bởi hai electron. Vì lý do này, có thể giả định rằng năng lượng liên kết của hạt nhân 4 2 He phải bằng:

Độ lệch khối lượng của hạt nhân này

Độ lệch khối lượng này tương ứng với năng lượng liên kết

Sự thỏa thuận giữa các giá trị này có thể được coi là khá thỏa đáng.

3.3.3. Lõi 6 3 Lý

Có thể giả định rằng năng lượng liên kết của hạt nhân Li – 6 phải gần bằng tổng năng lượng liên kết của hạt nhân He – 4 và deuteron nằm ở lớp vỏ sau:

Giả định này có thể xảy ra nếu việc trao đổi electron giữa các proton của các lớp vỏ khác nhau khó khăn.

Đồng thời, độ hụt khối lượng của hạt nhân này

và năng lượng liên kết liên quan

điều này thực sự xác nhận sự liên kết yếu giữa các proton trên các lớp vỏ khác nhau.

Cần lưu ý rằng tình huống với các hạt nhân nhẹ khác không đơn giản như vậy. Cốt lõi 3 1 T bao gồm ba proton và hai electron liên lạc giữa chúng. Bước nhảy của hai electron trong hệ thống như vậy phải tuân theo định đề Pauli. Rõ ràng, đây là lý do khiến năng lượng liên kết của triti không cao hơn nhiều so với năng lượng liên kết của He – 3.

Dường như các liên kết hạt nhân trong hạt nhân 7 3 Li có thể được biểu diễn bằng sơ đồ E Li7 ≈ E He4+ ET, nhưng ý tưởng này dẫn đến một ước tính khá sơ bộ. Tuy nhiên, đối với hạt nhân không ổn định Be – 8 cách biểu diễn tương tự E Be8 ≈ 2 E He4 dẫn đến sự phù hợp rất tốt với các phép đo.

3.4. Cuộc thảo luận

Sự phù hợp tốt giữa năng lượng liên kết được tính toán của một số hạt nhân nhẹ và dữ liệu đo cho thấy lực hạt nhân (ít nhất là trong trường hợp những hạt nhân này) có đặc tính trao đổi được mô tả ở trên.

Lần đầu tiên, sự chú ý đến khả năng giải thích lực hạt nhân trên cơ sở tác động của sự trao đổi điện tử rõ ràng đã được I.E. Tamm trở lại những năm 30 của thế kỷ trước. Tuy nhiên, sau này trong vật lý hạt nhân, mô hình trao đổi meson pi và sau đó là gluon trở nên chiếm ưu thế. Lý do cho điều này là rõ ràng. Để giải thích độ lớn và phạm vi của lực hạt nhân, cần có một hạt có bước sóng nội tại ngắn. Một electron phi tương đối không thích hợp cho việc này. Tuy nhiên, mặt khác, các mô hình trao đổi π-meson hay gluon cũng không mang lại hiệu quả. Những mô hình này không thể đưa ra lời giải thích định lượng đủ chính xác về năng lượng liên kết của các hạt nhân nhẹ. Do đó, ước tính đơn giản và nhất quán về phép đo ở trên của năng lượng này là bằng chứng rõ ràng cho thấy cái gọi là tương tác mạnh (trong trường hợp một số hạt nhân nhẹ) là biểu hiện của hiệu ứng hút giữa các proton phát sinh do sự trao đổi lực tương đối tính. điện tử.

4. Neutrino và meson

4.1. neutrino

Trước đây người ta đã chứng minh rằng trong khuôn khổ lý thuyết Maxwell tiêu chuẩn về trường điện từ có hai khả năng. Sử dụng các phương pháp kích thích khác nhau, có thể kích thích sóng điện từ ngang (photon) hoặc lượng tử từ tính (soliton từ tính) trong không gian trống (ether), tức là sóng không có thành phần điện. Để tạo ra sóng điện từ trong chân không, bạn cần sử dụng một lưỡng cực điện hoặc từ dao động.

Theo các phương trình Maxwell, độ lớn của điện trường mà một photon mang theo tỉ lệ với đạo hàm bậc hai theo thời gian của mô men từ biến thiên theo thời gian mà photon tạo ra. Nếu sự phụ thuộc thời gian của mô men từ được mô tả bằng hàm bước Heaviside sắc nét lý tưởng thì đạo hàm bậc nhất của bước này là hàm δ và đạo hàm bậc hai bằng 0. Do đó, ở cạnh đầu của bước, kéo dài khoảng 10–23 giây (đây là ước tính thời gian biến đổi của meson π thành meson μ, tại đó phản neutrino được sinh ra), một lượng tử sẽ là phát ra có thành phần từ tính hình δ và không có thành phần điện (xem để biết thêm chi tiết ở phần ).

Đặc điểm đặc trưng của soliton từ là do bị phân cực tròn nên nó phải có spin ħ / 2, và tương tác của nó với vật chất yếu hơn gần hai chục bậc độ lớn so với sóng điện từ. Đặc điểm này là do trong tự nhiên không có đơn cực từ.

Điều này gợi ý rằng soliton từ tính có thể được xác định bằng neutrino. Trong trường hợp này, khi mômen từ sinh ra, phản neutrino xuất hiện và khi nó biến mất, neutrino xuất hiện.

Do đó, trong quá trình biến đổi tuần tự của một π – -meson, đầu tiên thành μ – -meson, sau đó thành electron, ba lượng tử γ từ tính như vậy xuất hiện (Hình 5).

Cơm. 5. Sơ đồ sự ra đời của ba soliton từ tính (neutrino) trong quá trình phân rã của meson π . Meson π -meson không có mô men từ. Trong quá trình phân rã, nó biến thành μ – -meson, mang mô men từ. Quá trình này phải đi kèm với sự phát ra lượng tử γ từ tính (phát xạ phản neutrino). Khi một μ –-meson phân rã, mômen từ của nó biến mất và một γ-lượng tử từ tính (neutrino) khác được phát ra. Soliton từ tính thứ ba (antineutrino) xuất hiện vào thời điểm electron ra đời

4.2. Meson

Trong chuỗi biến đổi pion → muon → electron, ba neutrino được sinh ra (Hình 5). Các pion tích điện (π -meson), có spin bằng 0, không có lưỡng cực từ. Tại thời điểm biến đổi π – meson thành muon (μ‑meson), một mô men từ xuất hiện đột ngột, kèm theo sự phát xạ của phản neutrino muon \((\widetilde \nu _\mu )\). Khi muon phân rã, bức xạ neutrino muon ν μ được tạo ra, nguyên nhân là do mômen từ của muon biến mất. Đồng thời, một electron có mô men từ được sinh ra, dẫn đến sự phát xạ của một phản neutrino electron \(\mathop (\widetilde \nu )\nolimits_e \).

Việc không có sản phẩm nào khác ngoài neutrino và phản neutrino phát sinh trong các phản ứng này dẫn chúng ta đến giả định rằng pion và muon không phải là các hạt cơ bản độc lập mà là trạng thái kích thích của electron.

Những meson này có khối lượng

đây λ D= 2π ħ / P– bước sóng de Broglie,

P– động lượng hạt tổng quát,

N= 1, 2, 3... – số nguyên.

Động lượng góc bất biến (spin) của hạt đó

chúng tôi nhận được

Giá trị khối lượng này rất gần với khối lượng của meson π (46), có spin bằng 0:

Giá trị khối lượng này rất gần với khối lượng của μ-meson (46), nó có spin bằng ħ / 2:

\[\frac(((M_(1/2))))(((M_((\mu ^ \pm ))))) \simeq 0.9941.\]

(54)

Khả năng được phát hiện là tính toán khối lượng của meson chỉ dựa trên spin của chúng xác nhận giả thuyết rằng các meson này là trạng thái kích thích của electron.

5. Kết luận

Các tính toán trên về tính chất của các hạt cơ bản cho thấy sự thiếu sót của mô hình quark với điện tích phân số của quark, trong đó không thể thu được những ước tính như vậy. Mô hình này ở dạng hiện đại chứng minh khả năng phân loại các hạt, nhưng điều này không chứng minh rằng cách phân loại như vậy là cách duy nhất có thể và đúng.

Điều quan trọng cần lưu ý là để mô tả tương tác proton-neutron (trong hạt nhân nhẹ) không cần sử dụng mô hình gluon, cũng như không cần sử dụng các lý thuyết về tương tác mạnh và tương tác yếu.

Thật vậy, sự trao đổi electron tương đối giữa các proton trong deuteron và cũng như sự trao đổi electron không tương đối trong ion hydro phân tử là một hiện tượng cơ học lượng tử và không có lý do gì để quy cho hiệu ứng trao đổi này trong trường hợp deuteron đóng vai trò tương tác cơ bản của Tự nhiên.

Sự phát xạ neutrino xảy ra trong quá trình phân rã β (hoặc bắt K). Các quá trình phân rã của hạt nhân, cả α và β, đều không yêu cầu đưa vào bất kỳ tương tác tự nhiên cơ bản đặc biệt mới nào. Nhưng phân rã β có một đặc điểm thiết yếu: trong quá trình phân rã β, mômen từ của electron tự do xuất hiện (hoặc biến mất trong quá trình bắt K) trong một thời gian cực kỳ ngắn. Điều này tạo ra một tác động từ tính lên ether và dẫn tới sự phát xạ lượng tử γ từ tính, tức là. neutrino. Hiện tượng này hoàn toàn có bản chất điện từ và để mô tả nó không cần phải đưa ra một tương tác yếu hoặc điện yếu đặc biệt.

Tuy nhiên, việc không cần đưa các tương tác mạnh và yếu vào mô tả các đối tượng khác của thế giới vi mô vẫn chưa được chứng minh chính thức. Rõ ràng là để tính lực hạt nhân trong hạt nhân nặng sẽ cần phải tính đến những hiệu ứng khác liên quan, chẳng hạn, với sự tồn tại của vỏ hạt nhân.

Tuy nhiên, khả năng mô tả điện từ của một số hạt khiến cho câu hỏi về tính đúng đắn của mô tả hiện có của nhiều vật thể phức tạp hơn khác của thế giới vi mô trở nên phù hợp.

Rõ ràng, theo định đề chính về khoa học tự nhiên của W. Gilbert, việc xác minh tính đúng đắn của mô tả đó phải dựa trên dữ liệu thực nghiệm về các đặc tính cơ bản của đối tượng được nghiên cứu. Một phương pháp thành công trong việc hệ thống hóa các hạt thành một bảng nhất định không thể được coi là bằng chứng đầy đủ về tính đúng đắn và độc đáo của phương pháp này.

Văn học:

Gilbert W. Về nam châm, vật từ và nam châm lớn - Trái đất. M.: Nhà xuất bản Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, 1956.

Hệ thống các hạt cơ bản. Các hạt siêu cơ bản Khó khăn chính nảy sinh trong việc xác định khái niệm hạt cơ bản là do hiện nay có nhiều hạt như vậy hơn số nguyên tử của các nguyên tố hóa học.

Các hạt nặng gấp 10 lần proton và có khối lượng xấp xỉ hạt nhân boron gần đây đã được phát hiện. Mong muốn xác định bất kỳ hệ thống phân cấp nào trong tập hợp ngày càng tăng của các đối tượng cơ bản như nhau, một số nhà vật lý đã đưa ra ý tưởng về dây buộc bootstrap, hay nền dân chủ hạt nhân, theo đó mỗi hạt cơ bản bao gồm tất cả các hạt khác, hay nói đúng hơn là cấu trúc của mỗi hạt. hạt cơ bản được xác định bởi sự tương tác của tất cả các hạt khác.

Tuy nhiên, ý tưởng này không loại bỏ cảm giác hài lòng do có quá nhiều thực thể đơn giản nhất; một công thức nhất quán của ý tưởng bootstrap, phần nào gợi nhớ đến khái niệm của Democritus, dẫn đến kết luận về vô số đối tượng cơ bản. Cấu trúc của các vật thể vi mô trong lý thuyết bootstrap mang ý nghĩa tương đối, giống như một hệ tọa độ đặc biệt có thể được chọn theo nhiều cách khác nhau. Định nghĩa về các phần tử cấu trúc trở nên rất mơ hồ.

Vì cùng một hạt có thể được tạo thành từ các hạt khác theo những cách khác nhau. Hơn nữa, vẫn chưa rõ liệu theo cách này có thể xây dựng được một hệ phương trình khép kín chính xác xác định các tính chất khác nhau, bao gồm cả cấu trúc của các hạt cơ bản hay không. Các nhà lý thuyết chỉ phân tích các mô hình bootstrap rất thô chỉ tính đến mối quan hệ của hai hoặc ba loại hạt, và mặc dù trong một số trường hợp đã thu được kết quả định tính đáng khích lệ, những nỗ lực tinh chỉnh chúng ngay lập tức gặp phải những khó khăn to lớn.

Ý tưởng bootstrap không thể coi là giải pháp thỏa đáng cho bài toán về những phần tử đơn giản nhất. Cách kết hợp các hạt thành các nhóm bội số khép kín, các thành viên của mỗi nhóm có thể được hiểu là các trạng thái khác nhau của cùng một hạt, hóa ra lại hiệu quả hơn nhiều. Nguyên tắc hướng dẫn ở đây là xác định sự đối xứng về tính chất của các hạt khác nhau.

Cách tiếp cận nhóm này, sử dụng bộ máy toán học phát triển tốt của lý thuyết nhóm, là sự phát triển hơn nữa của hình thức bội số đồng vị điện tích. Tầm quan trọng lớn nhất là việc phát hiện ra cái gọi là tính đối xứng đơn nhất, cho phép kết hợp các bội số đồng vị của các hạt thông thường và lạ thành các octet và decaplet đơn lẻ. Việc tính đến các spin giúp có thể xây dựng các họ hạt thậm chí còn phức tạp hơn: các tập hợp meson đơn nhất hợp nhất thành một họ gồm 35 hạt 35 - plet, và octet và decaplet của baryon thành một họ gồm 56 phần tử 56 - plet. Sự phát triển hơn nữa của phân loại hạt gắn liền với ý tưởng về quark.

Hóa ra các bội số đơn nhất riêng lẻ không hoàn toàn tách biệt với nhau mà được kết nối bằng các quy tắc đối xứng chặt chẽ. Và điều đáng kinh ngạc nhất là những quy tắc này dự đoán sự tồn tại của các hạt có điện tích nhỏ của quark. Những hạt này, ở trình độ phát triển hiện đại của khoa học, thực sự có thể được coi là cơ bản nhất, bởi vì từ chúng, tất cả các hạt tương tác khác có thể được tạo ra, đôi khi bằng cách cộng đơn giản, như hạt nhân nguyên tử từ proton và neutron, và đôi khi bằng cách coi chúng là trạng thái kích thích của các hạt đã được cấu tạo và đồng thời, bản thân các quark không thể được tạo ra từ các hạt cơ bản khác. Theo nghĩa này, các quark khác biệt đáng kể so với tất cả các hạt khác, trong đó, như đã lưu ý, không thể xác định được bất kỳ nguyên tố cấu tạo cơ bản nào nữa.

Quark có thể được coi là cấp độ tổ chức vật chất tiếp theo, sâu hơn, siêu cơ bản và từ quan điểm về độ lớn của độ lệch khối lượng, tức là mật độ từ sự đóng gói bên trong các proton, meson và các vật thể kém cơ bản hơn khác.

Từ quan điểm của lý thuyết quark, cấp độ cấu trúc của các hạt cơ bản là vùng của các vật thể bao gồm quark và phản quark và được đặc trưng bởi độ lệch khối lượng lớn liên quan đến bất kỳ sự phân rã và phân ly ảo nào của chúng.

Đồng thời, mặc dù quark là hạt đơn giản nhất được biết đến ngày nay nhưng nó có những tính chất rất phức tạp. Một quark khác với tất cả các hạt khác mà chúng ta biết không chỉ ở phân số điện tích mà còn ở phân số baryon của nó. Trong số các hạt cơ bản khác, nó trông giống như một loại nhân mã; về tính chất của nó, nó vừa là meson vừa là baryon. Ban đầu người ta tin rằng một quark có ba trạng thái, hai trong số đó chỉ khác nhau về độ lớn của điện tích, và ở trạng thái thứ ba, quark xuất hiện dưới dạng một hạt lạ.

Tuy nhiên, sau khi phát hiện ra các họ hạt quyến rũ, duyên dáng thứ tư đã được bổ sung vào ba trạng thái của quark. Tại máy gia tốc proton lớn nhất thế giới ở Batavia, gần Chicago, một loại hạt mới đáng ngạc nhiên đã được phát hiện - meson. Khối lượng của nó vượt quá đáng kể khối lượng của một nucleon, và tính chất của nó đến mức nó phải được coi như một quark và một phản quark dính chặt với nhau. Trong trường hợp này, chúng ta phải giả sử rằng quark và phản quark có thêm một trạng thái thứ năm.

Số lượng tử đặc trưng cho trạng thái này thậm chí còn chưa có một cái tên được chấp nhận chung; nó thường được gọi là vẻ đẹp của quark hoặc thuật ngữ vẻ đẹp tiếng Anh tương ứng. Năm bậc tự do lượng tử của một quark thường được gọi là hương vị của nó; một số tác giả thích nói về năm bậc hương vị của một quark. Nhưng những tính chất này không làm cạn kiệt danh sách các tính chất của quark. Phân tích dữ liệu thực nghiệm dẫn đến kết luận rằng mỗi trong số năm mùi quark có ba màu, nghĩa là mỗi trạng thái trong số năm trạng thái quark được chia thành ba trạng thái độc lập hơn, được đặc trưng bởi giá trị của một số lượng tử màu cụ thể.

Màu sắc của quark thay đổi khi nó phát ra hoặc hấp thụ gluon, một lượng tử của trường trung gian gắn các quark và phản quark thành meson và baryon. Chúng ta có thể nói rằng trường gluon là trường màu, màu chuyển lượng tử của nó. Thuật ngữ gluon xuất phát từ từ keo trong tiếng Anh. Hiện nay, ý tưởng về các hạt quark siêu cơ bản đã thâm nhập vào vật lý năng lượng theo đúng nghĩa đen.

Với sự giúp đỡ của họ, rất nhiều dữ liệu thực nghiệm được giải thích rằng một nhà vật lý đơn giản là không thể làm được nếu không có những hạt tuyệt vời này, chẳng hạn như một nhà hóa học không thể làm gì nếu không có nguyên tử và phân tử. Theo hầu hết các nhà vật lý, nếu các quark không tồn tại trong tự nhiên như những vật thể thực sự thì bản thân điều này sẽ là một bí ẩn đáng kinh ngạc. Đồng thời, các quark chưa bao giờ được quan sát thấy ở dạng nguyên chất, mặc dù gần hai thập kỷ đã trôi qua kể từ khi chúng được đưa vào lý thuyết.

Mọi nỗ lực nhằm phát hiện quark hoặc gluon ở trạng thái tự do đều kết thúc trong thất bại. Nói một cách chính xác, gluon và quark vẫn còn, mặc dù có thể xảy ra nhưng vẫn là những đối tượng giả thuyết. Các thí nghiệm gián tiếp thuyết phục chúng ta rằng quark và gluon là những vật thể vật lý, chứ không chỉ là một cách hiện tượng luận thuận tiện để mô tả bằng ngôn ngữ hạt quen thuộc với chúng ta một số khía cạnh khó hiểu khác của cấu trúc của các hạt cơ bản. Trước hết, đây là những thí nghiệm thăm dò proton thành neutron bằng cách sử dụng các electron và neutrino rất nhanh, khi hạt tới phân tán và bật lại, va chạm với một trong các quark nằm bên trong hạt mục tiêu. Khi tính đến các quark, danh sách các hạt siêu cơ bản tương tác mạnh sẽ được rút gọn thành ba hạt: một quark, một phản quark và gluon liên kết chúng.

Cần bổ sung thêm khoảng chục loại hạt đơn giản nhất khác, cấu trúc của chúng vẫn chưa được thể hiện trong thực nghiệm: lượng tử của trường điện từ, photon, được các nhà lý thuyết dự đoán một cách chắc chắn, graviton và họ lepton. .

Phần kết luận. Trong những năm qua, tình hình trong lý thuyết hạt cơ bản đã thay đổi đáng kể. Các dòng trung tính yếu được phát hiện, dẫn đến những hiệu ứng như sự tán xạ của neutrino muon bởi các electron. Một nhóm hạt cơ bản có thời gian sống dài hơn thời gian sống cộng hưởng cả nghìn lần đã được phát hiện, bắt đầu từ meson J. Trên thực tế hiện nay cần phải đưa các hạt này vào bảng các hạt cơ bản tương đối ổn định.

Những tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong lý thuyết về các hạt cơ bản. Lý thuyết thống nhất về tương tác yếu và tương tác điện từ đã nhận được sự xác nhận thực nghiệm chắc chắn, mặc dù nó vẫn chưa thể được coi là đáng tin cậy tuyệt đối. Mô hình quark về cấu trúc của hadron ngày càng nhận được nhiều xác nhận thực nghiệm hơn. Sau nhiều năm trì trệ, đã có tiến bộ lớn trong lý thuyết về tương tác mạnh, ngày nay được coi là tương tác giữa các quark.

Rất có thể các hạt cơ bản thực sự, không còn phân chia được nữa, là các lepton và quark. Phần lớn các hadron được tạo thành từ quark. Mô hình bốn quark màu và bốn lepton cho phép chúng ta hiểu một cách tổng quát về cấu trúc của vật chất. Các nhà khoa học đã tiến gần đến việc giải quyết một bài toán mới, bài toán về cấu trúc của các hạt cơ bản. Khi bắn phá một mục tiêu đứng yên bằng proton năng lượng cao, người ta phát hiện ra các meson trung tính siêu nặng, gọi là upsilon, có khối lượng khoảng 9,4 GeV. Ba biến thể của các meson này có khối lượng tương tự nhau đã được tìm thấy.

Để đưa upsilon vào khuôn khổ mô hình quark, người ta phải giả sử rằng có những quark nặng hơn quark c. Để duy trì tính đối xứng quark-lepton, cần phải đưa vào hai quark mới, tương ứng với cặp -lepton, -neutrino. Những quark này đã nhận được tên top top trong tiếng Anh và Bottom Bottom trong tiếng Anh. Vì vậy, với sự gia tăng năng lượng của các hạt va chạm, sự ra đời của các hạt mới, nặng hơn và nặng hơn được phát hiện.

Điều này làm phức tạp thêm bức tranh vốn đã phức tạp của thế giới các hạt cơ bản. Những vấn đề mới đang nảy sinh, mặc dù nhiều vấn đề cũ vẫn chưa được giải quyết. Có lẽ, vấn đề chính chưa được giải quyết nên được coi là vấn đề của quark: chúng có thể tự do hay việc bắt giữ chúng bên trong các hadron là tuyệt đối? Nếu về nguyên tắc các quark không thể bị cô lập và phát hiện ở trạng thái tự do thì làm sao người ta có thể tin chắc rằng chúng tồn tại một cách chắc chắn? một lý thuyết thống nhất về tương tác yếu và tương tác điện từ sẽ vẫn chưa được chứng minh bằng thực nghiệm.

Không còn nghi ngờ gì nữa, việc làm sáng tỏ cấu trúc của các hạt cơ bản sẽ là một bước quan trọng như việc khám phá ra cấu trúc của nguyên tử và hạt nhân.

Kết thúc công việc -

Chủ đề này thuộc chuyên mục:

Sự hình thành bức tranh vật lý của thế giới từ Galileo đến Einstein

Ý nghĩa chức năng của loại kiến thức tóm tắt này thể hiện ở việc đảm bảo tính tổng hợp kiến thức, kết nối các ngành khác nhau của khoa học tự nhiên. Đồng thời, có sự khác biệt trong cách hiểu tại sao tổng hợp lại cần thiết.Sự khác biệt trong cách hiểu về các chức năng của bức tranh thế giới, đến lượt nó, dẫn đến sự khác biệt trong chính cách tiếp cận phân tích của nó. địa điểm..

Nếu bạn cần thêm tài liệu về chủ đề này hoặc bạn không tìm thấy những gì bạn đang tìm kiếm, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu tác phẩm của chúng tôi:

Chúng ta sẽ làm gì với tài liệu nhận được:

Nếu tài liệu này hữu ích với bạn, bạn có thể lưu nó vào trang của mình trên mạng xã hội:

Gửi công việc tốt của bạn trong cơ sở kiến thức rất đơn giản. Sử dụng mẫu dưới đây

Các sinh viên, nghiên cứu sinh, các nhà khoa học trẻ sử dụng nền tảng kiến thức trong học tập và công việc sẽ rất biết ơn các bạn.

Đăng trên http://www.allbest.ru/

Giới thiệu

1. Nguồn gốc và sự phát triển của các ý tưởng về lượng tử

1.1 Lý thuyết nguyên tử của Bohr

2. Hạt cơ bản và bài toán cấu tạo của chúng

Phần kết luận

Thư mục

Giới thiệu

Trong nghiên cứu về tự nhiên, có thể phân biệt hai giai đoạn: giai đoạn tiền khoa học và giai đoạn khoa học. Giai đoạn tiền khoa học hay triết học tự nhiên bao gồm thời kỳ từ thời cổ đại đến khi hình thành khoa học tự nhiên thực nghiệm ở thế kỷ 16-17. Các ý tưởng về tự nhiên trong thời kỳ này mang tính chất triết học thuần túy tự nhiên; các hiện tượng tự nhiên được quan sát được giải thích trên cơ sở các nguyên tắc triết học được lắp ráp trong đầu. Thành tựu lớn nhất của khoa học tự nhiên trong thời kỳ này là học thuyết về thuyết nguyên tử cổ đại, được coi là một khái niệm rời rạc về cấu trúc của vật chất. Theo học thuyết này, mọi vật thể đều được hình thành từ các nguyên tử, được coi là những hạt vật chất nhỏ nhất. Theo chủ nghĩa nguyên tử cổ đại, nơi cung cấp mô hình lý thuyết cơ bản của nguyên tử, nguyên tử là những vi hạt vô hình, không thể phân chia và không thể xuyên thủng, chỉ khác nhau ở các mối quan hệ định lượng - hình dạng, kích thước, cấu trúc. Chủ nghĩa nguyên tử cổ đại, giải thích tổng thể như một tập hợp cơ học các bộ phận hình thành nên nó, là chương trình lý thuyết đầu tiên. Theo lời dạy của Democritus, chân không là cần thiết để giải thích vị trí cơ học của các vật thể trong không gian và sự biến dạng của chúng (nén, giãn dài, v.v.) dưới tác động của ngoại lực. Chủ nghĩa nguyên tử giải thích bản chất của các quá trình tự nhiên bằng sự tương tác cơ học của các nguyên tử, lực hút và lực đẩy của chúng. Chương trình cơ học để giải thích tự nhiên, lần đầu tiên được đưa ra trong thuyết nguyên tử cổ đại, đã được hiện thực hóa trong cơ học cổ điển, đặt nền móng cho việc nghiên cứu tự nhiên một cách khoa học. Những ý tưởng khoa học hiện đại về mức độ cấu trúc của sự hình thành vật chất nên bắt đầu bằng khái niệm vật lý cổ điển về nghiên cứu thế giới vi mô, nảy sinh từ một nghiên cứu quan trọng về các khái niệm cơ học cổ điển, chỉ được áp dụng trong thế giới vi mô. . Sự hình thành các ý tưởng khoa học về cấu trúc của vật chất có từ thế kỷ 16, thời kỳ G. Galileo đặt nền móng cho bức tranh cơ học về thế giới. Galileo không chỉ chứng minh hệ nhật tâm của N. Copernicus, phát hiện ra định luật quán tính của chuyển động và rơi tự do, ông còn phát triển một phương pháp mô tả tự nhiên mới - phương pháp lý thuyết khoa học. Bản chất của phương pháp này nằm ở chỗ, sau khi chọn lọc một số đặc điểm vật lý và hình học của tự nhiên, Galileo đã biến chúng thành đối tượng nghiên cứu khoa học. Việc lựa chọn các đặc điểm riêng lẻ của một đối tượng đã tạo cơ hội cho việc tạo ra các mô hình lý thuyết và kiểm tra chúng dựa trên thí nghiệm khoa học. Khái niệm phương pháp luận do Galileo hình thành đã đóng một vai trò quyết định trong việc hình thành khoa học tự nhiên cổ điển.

1. Nguồn gốc vàphát triển ý tưởng về lượng tử

hạt cơ bản lượng tử

Trong quá trình chuyển đổi vật lý từ nghiên cứu thế giới vĩ mô sang nghiên cứu thế giới vi mô, các ý tưởng của vật lý cổ điển về vật chất và trường đã thay đổi hoàn toàn. Trong khi nghiên cứu các vi hạt, các nhà khoa học đã bắt gặp một bức tranh có vẻ nghịch lý theo quan điểm của vật lý cổ điển: cùng một vật thể hiện cả tính chất sóng và tính chất hạt. Hiện tượng này được gọi là lưỡng tính sóng-hạt.

Bước đầu tiên trong lĩnh vực nghiên cứu bản chất mâu thuẫn của các hạt được thực hiện bởi nhà khoa học người Đức Max Planck. Mọi chuyện bắt đầu với sự xuất hiện trong vật lý học vào cuối thế kỷ 19 về một vấn đề như “thảm họa tia cực tím”. Theo tính toán dựa trên các công thức của điện động lực học cổ điển, cường độ bức xạ từ riêng vật thể tối đã tăng vô hạn. Điều này trái với thực tế. Từ nghiên cứu về bức xạ nhiệt, M. Planck đã đi đến kết luận rằng trong quá trình bức xạ, năng lượng được phát ra không phải với một lượng tùy ý và vô hạn mà ở những phần không thể chia nhỏ - lượng tử. Năng lượng lượng tử được xác định bởi số dao động tương ứng với bức xạ (V) và hằng số phổ quát gọi là hằng số Planck: E=hn. Như Planck đã lưu ý, sự xuất hiện của ý tưởng lượng tử trong vật lý vẫn chưa thể gắn liền với việc tạo ra lý thuyết lượng tử, tuy nhiên, ngày 14 tháng 12 năm 1900, ngày xuất hiện công thức cho năng lượng lượng tử, đã trở thành ngày đặt ra nền tảng của cùng một lý thuyết, ngày ra đời của vật lý nguyên tử và sự khởi đầu của một thời kỳ mới trong khoa học tự nhiên.

Nhà vật lý đầu tiên chào đón việc khám phá ra ảnh hưởng của lượng tử cơ bản với nguồn cảm hứng tinh thần cao độ và đã phát triển nó trong sự sáng tạo. Có A. Einstein. Năm 1905, áp dụng ý tưởng về bản chất định lượng của bức xạ và sự hấp thụ năng lượng trong quá trình bức xạ nhiệt vào các hiện tượng bức xạ nói chung, ông đã đặt nền móng cho thuyết lượng tử. Einstein, áp dụng giả thuyết Planck cho các hiện tượng ánh sáng, đã đi đến kết luận rằng cần phải chấp nhận cấu trúc hạt của ánh sáng. Thuyết lượng tử ánh sáng hay thuyết photon của Einstein đã khẳng định rằng cùng với việc ánh sáng là hiện tượng sóng lan truyền trong không gian, nó còn có cấu trúc liên tục. Ánh sáng có thể coi là những phần năng lượng không thể chia cắt, lượng tử ánh sáng và photon. Năng lượng của photon được xác định bởi hằng số Planck (h) và tốc độ dao động tương ứng (n). Ánh sáng đơn sắc có nhiều màu sắc khác nhau (đỏ, vàng, lục, lam, tím và các màu khác) bao gồm các lượng tử ánh sáng có năng lượng khác nhau. Ý tưởng về lượng tử ánh sáng của Einstein đã tạo cơ hội để hiểu và mô tả trực quan hiện tượng quang điện, bản chất của nó là sự tách electron khỏi vật chất ánh sáng. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng sự tồn tại của hiệu ứng quang điện được xác định không phải bởi cường độ sóng ánh sáng tới trên kim loại mà bởi tần số của ánh sáng. Nếu chúng ta giả sử rằng mỗi quang điện tử cách nhau một photon thì rõ ràng hiệu ứng xảy ra khi năng lượng của photon trở nên đủ lớn để phá vỡ liên kết lẫn nhau giữa vật chất và electron.

10 năm sau khi xuất hiện cách giải thích hiệu ứng quang điện trong tình huống tương tự, điều đó đã được xác nhận bởi các thí nghiệm của nhà vật lý người Mỹ R.E. Milliken. Được phát hiện vào năm 1923 bởi nhà khoa học người Mỹ A.H. Hiện tượng Compton (“Hiệu ứng Compton”) cuối cùng đã xác nhận thuyết lượng tử. Nhìn chung, lý thuyết lượng tử ánh sáng là một trong những lý thuyết vật lý đã được nhiều lần xác nhận bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, bằng cách này, bản chất sóng của ánh sáng cuối cùng đã được xác nhận bằng các thí nghiệm về hiện tượng giao thoa nhiễu xạ. Về vấn đề này, một tình huống nghịch lý như vậy đã được tạo ra: người ta biết rằng ánh sáng hoạt động đồng thời như một sóng và như một hạt. Trong trường hợp này, photon hoạt động như một loại hạt cụ thể. Đặc tính chính của tính rời rạc của photon, phần năng lượng đặc biệt (E=hn) được xác định bởi đặc tính sóng thuần - tần số (n). Giống như tất cả những khám phá khoa học tự nhiên vĩ đại, lý thuyết lượng tử về ánh sáng đã có được một đặc tính ý thức hệ, lý thuyết và nhận thức quan trọng.

Ý tưởng về phonon-lượng tử của trường điện từ đã trở thành một món quà tuyệt vời cho sự phát triển của lý thuyết lượng tử. Vì vậy, A. Einstein được coi là một trong những người sáng tạo vĩ đại của thuyết lượng tử. Lý thuyết của Einstein, phát triển quan điểm của M. Planck, đã tạo cơ hội cho nhà khoa học Đan Mạch N. Bohr phát triển một mô hình nguyên tử mới.

1.1 Tlý thuyết nguyên tử do Bohr đề xuất

Năm 1913, nhà khoa học người Đan Mạch Niels Bohr, áp dụng nguyên lý lượng để giải các bài toán về cấu trúc nguyên tử và đặc tính quang phổ của nguyên tử, đã loại bỏ những mâu thuẫn trong mô hình nguyên tử do Rutherford tạo ra. Mô hình nguyên tử do Rutherford đề xuất năm 1911 giống với hệ mặt trời: hạt nhân nằm ở trung tâm và các electron quay quanh nó theo quỹ đạo tròn. Hạt nhân mang điện tích dương, các electron mang điện tích âm. Lực hấp dẫn trong hệ mặt trời trong nguyên tử được thay thế bằng lực điện. Điện tích dương của hạt nhân nguyên tử, bằng số nguyên tử của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn của Mendeleev, được cân bằng bởi điện tích âm của các electron. Do đó, nguyên tử trung hòa về điện.

Việc phân tích mô hình hành tinh của nguyên tử trong khuôn khổ điện động lực học cổ điển chứa đựng hai mâu thuẫn không thể xảy ra. Mâu thuẫn đầu tiên là các electron, để không mất đi tính ổn định, phải quay quanh hạt nhân. Như đã biết, chuyển động tròn đều được đặc trưng bởi gia tốc ly tâm. Theo các định luật điện động lực học cổ điển, các electron được gia tốc chắc chắn phải phát ra năng lượng điện từ. Tuy nhiên, trong trường hợp này, các electron phải rơi vào hạt nhân trong khoảng thời gian rất ngắn (10-8 giây), tiêu tốn năng lượng của chúng cho bức xạ. Chúng tôi biết rõ điều này từ kinh nghiệm hàng ngày. Nếu các electron rơi vào hạt nhân, một vật thể bao gồm chúng, chẳng hạn như cái bàn trước mặt chúng ta, sẽ thay đổi kích thước của nó 10 nghìn lần.

Mâu thuẫn thứ hai của mô hình hành tinh của nguyên tử liên quan đến thực tế là electron, dần dần tiến gần đến hạt nhân do bức xạ, để thay đổi tần số liên tục, phổ bức xạ của nguyên tử phải còn nguyên vẹn. Kinh nghiệm cho thấy phổ phát xạ của một nguyên tử là tuyến tính. Nói cách khác, mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford không cùng tồn tại với điện động lực học của Maxwell.

Lý thuyết lượng tử của nguyên tử, có thể giải quyết cả hai mâu thuẫn này (còn gọi là “Lý thuyết về cấu trúc của nguyên tử của Bohr”) được đưa ra bởi N. Bohr. Nội dung của lý thuyết này được hình thành từ những quy định sau đây, kết hợp lại thành một ý duy nhất:

tính đều đặn của phổ tuyến tính của nguyên tử hydro;

mô hình hạt nhân nguyên tử do Rutherford đề xuất;

tính chất lượng tử của bức xạ và sự hấp thụ ánh sáng.

Giả thuyết mới do N. Bohr đưa ra để giải thích cấu trúc của nguyên tử dựa trên ba định đề không hài hòa với các nguyên tắc của vật lý cổ điển.

Tiên đề thứ nhất: trong mỗi nguyên tử có một số trạng thái đứng yên của các electron (quỹ đạo đứng yên). Sóng điện từ chuyển động dọc theo quỹ đạo đứng yên của nguyên tử không bị phát ra cũng như không bị hấp thụ.

Tiên đề thứ hai: nguyên tử chỉ phát ra hoặc hấp thụ một phần năng lượng khi electron chuyển từ trạng thái đứng yên này sang trạng thái dừng khác.

Định đề thứ ba? Electron chuyển động xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo tĩnh tròn như vậy, tại thời điểm động lượng của electron, hằng số Planck hoàn toàn giống với 2p tương đối:

trong đó m, n, r lần lượt là khối lượng của electron, tốc độ và bán kính quỹ đạo đứng yên mà nó chuyển động, n=1,2,3... là các số nguyên.

Những định đề này đã đặt nền móng cho một thời kỳ mới trong việc nghiên cứu các tính chất và cấu trúc của nguyên tử.

Định đề đầu tiên cho thấy những hạn chế của vật lý cổ điển, và trong những trường hợp đặc biệt, sự không phù hợp của các định luật của nó đối với các trạng thái dừng. Không dễ để chấp nhận ý tưởng các electron phát ra năng lượng trong các quỹ đạo được chọn cụ thể. Ngay lúc này câu hỏi được đặt ra: “Tại sao?” Tuy nhiên, do định đề này phù hợp với kết quả thực nghiệm nên các nhà vật lý buộc phải chấp nhận nó. Từ tiên đề thứ hai, kết luận là năng lượng của một nguyên tử được phát ra theo từng phần. Sự chuyển đổi của một electron từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác nhất thiết phải đi kèm với số nguyên lượng tử năng lượng. Như vậy, trạng thái của các electron trong nguyên tử được đặc trưng bởi 4 số lượng tử - số lượng tử chính, quỹ đạo, từ tính và quỹ đạo. Số lượng tử chính (n) xác định năng lượng của electron trong các vùng của hạt nhân; trong các nguyên tử phức tạp, số thứ tự của lớp electron. Số lượng tử quỹ đạo (l) đặc trưng cho sự điều chỉnh được đưa vào năng lượng của nguyên tử do chuyển động đồng thời của các nguyên tử. (Các) số lượng tử spin xác định mômen cơ học đặc biệt đặc trưng cho chuyển động quay của các electron. Các định đề của Bohr giải thích tính ổn định của nguyên tử: ở trạng thái đứng yên, một electron không phát ra năng lượng điện từ nếu không có nguyên nhân bên ngoài. Đến bây giờ người ta mới hiểu rõ tại sao, với việc đánh giá liên tục các trạng thái, các nguyên tử của các nguyên tố hóa học không phát ra sóng điện từ. Mô hình nguyên tử do Bohr đề xuất, mặc dù nó đưa ra một mô tả chính xác về nguyên tử hydro, gồm một proton và một electron, và mô tả này khá phù hợp với các thực tế thực nghiệm, việc áp dụng mô hình này sau này cho các nguyên tử nhiều electron gặp phải một số vấn đề nhất định. nỗi khó khăn. Cho dù các nhà lý thuyết có cố gắng mô tả chuyển động và quỹ đạo của các electron trong nguyên tử chính xác đến đâu thì sự khác biệt giữa kết quả lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm vẫn rất lớn. Tuy nhiên, trong quá trình phát triển lý thuyết lượng tử, người ta thấy rõ rằng những khác biệt này chủ yếu liên quan đến tính chất sóng của các electron. Bước sóng của một electron chuyển động theo quỹ đạo tròn trong nguyên tử là một phần của phép đo nguyên tử và xấp xỉ 10-8 cm, mặc dù chuyển động của các hạt vốn có trong bất kỳ hệ thống nào chỉ có thể được mô tả khá chính xác là chuyển động cơ học của một hệ thống. điểm vật chất trong một quỹ đạo khép kín, khi đó bước sóng của hạt so với hệ biến thiên sẽ nhỏ đến mức không tính đến. Nói cách khác, bạn cần lưu ý rằng electron không phải là một điểm, không phải là một “quả bóng” mạnh, nó có cấu trúc bên trong có thể thay đổi tùy theo trạng thái vốn có của nó. Tuy nhiên, trong trường hợp này, chi tiết về cấu trúc bên trong của electron vẫn chưa được biết. Ở đây, rõ ràng là về cơ bản không thể tưởng tượng được cấu trúc của một nguyên tử trên cơ sở các ý tưởng về quỹ đạo của các electron điểm được cho là, do đó quỹ đạo bên trong của nguyên tử đã trở thành đối tượng lý tưởng; chúng thậm chí không tồn tại trong thực tế. Theo bản chất sóng của chúng, các electron và điện tích của chúng được cho là phân bố không đều khắp nguyên tử và có mật độ electron thấp ở một số điểm và mật độ electron cao hơn ở những điểm khác. Mô tả về sự phân bố mật độ điện tích bên trong nguyên tử được đưa ra trong cơ học lượng tử: tại một số điểm, mật độ điện tích đạt cực đại. Đường cong nối các điểm cực đại của mật độ điện tích được gọi chính thức là quỹ đạo của electron. Quỹ đạo của nguyên tử hydro tính toán trong lý thuyết của Bohr trùng với đường cong đi qua các điểm cực đại của mật độ điện tích trung bình, từ đó hoàn toàn tương ứng với dữ liệu thực nghiệm. Lý thuyết của Bohr dường như vạch ra ranh giới của giai đoạn đầu tiên trong quá trình phát triển của vật lý hiện đại. Lý thuyết nguyên tử của Bohr, bằng cách bổ sung thêm một số ít những cân nhắc mới, là nỗ lực cuối cùng nhằm mô tả cấu trúc của nguyên tử trên cơ sở vật lý cổ điển. Các định đề của Bohr cho thấy vật lý cổ điển không thể giải thích được những kết quả như vậy từ những thí nghiệm đơn giản nhất liên quan đến cấu trúc của nguyên tử. Các định đề của Bohr, xa lạ với vật lý cổ điển, đã vi phạm tính toàn vẹn của nó và do đó, chỉ có thể giải thích một phần nhỏ dữ liệu thực nghiệm. Do đó, nảy sinh ý tưởng rằng các định đề của Bohr, vốn đã khám phá ra những tính chất mới, cho đến nay khoa học chưa biết đến, của vật chất, đồng thời không phản ánh một phần và không phản ánh đầy đủ chúng. Lý thuyết của Bohr và các định đề của ông không thể áp dụng cho các nguyên tử phức tạp, đã bất lực trong việc giải thích các hiện tượng cơ bản của vật lý, cũng như nhiễu xạ và giao thoa không thể giải thích được tính chất sóng của ánh sáng và vật chất. Nhiều câu hỏi liên quan đến cấu trúc của nguyên tử chỉ được trả lời nhờ sự phát triển của cơ học lượng tử. Người ta thấy rằng mô hình nguyên tử của Bohr không thể hiểu theo nghĩa đen như trước đây. Sẽ là không chính xác nếu mô tả trực quan các quá trình của nguyên tử dưới dạng các mô hình cơ học được tạo ra bằng cách tương tự với các hiện tượng của vũ trụ vĩ mô. Người ta sớm biết rằng các khái niệm về thời gian và không gian được xác định chính xác cho vũ trụ vĩ mô là không phù hợp để mô tả các hiện tượng vi vật lý. Dần dần, các nhà vật lý lý thuyết đã biến nguyên tử thành một hệ thậm chí còn trừu tượng hơn - một tập hợp các phương trình không thể quan sát được.

2. phần cơ bảncác đối tượng và vấn đề về cấu trúc của chúng

Bài toán về cấu trúc của vật chất từ lâu đã là một trong những bài toán cấp bách luôn là tâm điểm chú ý của khoa học tự nhiên, đặc biệt là trong lĩnh vực tiên tiến của nó - vật lý. Phản ánh rõ ràng mối quan hệ giữa triết học và khoa học tự nhiên, vấn đề này không chỉ có ý nghĩa triết học mà còn có ý nghĩa thực tiễn, công nghiệp - kỹ thuật. Để làm được điều này, chỉ cần nói rằng các lý thuyết vật lý hiện đại, tạo thành một giai đoạn quan trọng trong cuộc cách mạng khoa học và công nghệ, trong đó có cơ học lượng tử và lý thuyết về các hạt cơ bản, có liên quan mật thiết đến việc phát hiện và sử dụng năng lượng hạt nhân, điều đã đặt ra nền tảng cho “thời đại nguyên tử”.

Vật lý hiện đại đã đạt được những thành tựu to lớn trong lĩnh vực nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật chất. Tuy nhiên, bất chấp điều này, thiên nhiên vẫn còn nhiều bí mật chưa được khám phá trong lĩnh vực cấu trúc và tính chất của vật chất. Đi sâu vào vấn đề nhận thức lý thuyết và khám phá những cấp độ mới trong cấu trúc của nó, chúng tôi ngày càng tin vào điều này. Ở giai đoạn phát triển hiện nay, vật lý đã bước vào một con đường đầy những khám phá khoa học đưa nó tiến tới hướng làm chủ thậm chí còn lớn hơn các sức mạnh của bản chất con người. Tuy nhiên, vật lý không ngay lập tức đi theo con đường này. Trước khi đạt được những thành tựu nhất định trên con đường này, nó đã trải qua một chặng đường phát triển lâu dài và khó khăn, và trong thời kỳ này nó đã loại bỏ những tư tưởng triết học siêu hình tự nhiên về cấu trúc và tính chất của vật chất vốn có của một trong các thời đại.

Học thuyết hiện đại về cấu trúc của vật chất bắt đầu xuất hiện trên cơ sở những thực tế thực tiễn ổn định, chỉ bắt đầu từ cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20. Không dừng lại ở những thành công của tri thức khoa học, lời dạy này được phong phú và phát triển, thống nhất bốn khía cạnh gắn kết hữu cơ với nhau: trước hết, lời dạy này là lời dạy nguyên tử, bởi vì theo lời dạy này, mọi cơ thể, mọi vùng vật chất được hình thành từ các vi hạt và vi vùng, thứ hai, học thuyết này là một học thuyết thống kê, bởi vì, dựa trên các khái niệm thống kê, nó xác định tính chất và mô hình chuyển động của các vật thể vi mô, sự ảnh hưởng và biến đổi lẫn nhau của chúng theo các quy luật thống kê, thứ ba, học thuyết này là lý thuyết lượng tử, và các tính chất cũng như mô hình chuyển động của các hạt vi mô khác biệt về mặt chất lượng với các tính chất và mô hình chuyển động của các vật thể vi mô được xác định bởi vật lý cổ điển; cuối cùng, cách dạy này là một cách dạy tương đối, bởi vì trong lý thuyết này, mối liên hệ giữa không gian, thời gian và vật chất được mô tả thông qua thuyết tương đối tính - thuyết tương đối.

Sự phát triển kiến thức của con người, không dừng lại ở lĩnh vực kiến thức về cấu trúc và tính chất của vật chất, đã phát hiện ra sự phức tạp về cấu trúc và tính chất vô tận của nó và khẳng định điều này bằng những sự thật mới. Thành tựu lớn nhất đạt được trong lĩnh vực nghiên cứu cấu trúc của vật chất là sự chuyển đổi từ cấp độ nguyên tử sang cấp độ hạt cơ bản. Hạt cơ bản đầu tiên được phát hiện vào cuối thế kỷ 19 là electron; vào nửa đầu thế kỷ 20, photon, proton, positron, neutron, neutrino và các hạt cơ bản khác được phát hiện. Hiện nay, các hạt cơ bản được coi là hạt “cơ bản” nhỏ nhất trong số các vật thể vi mô xung quanh nguyên tử và phân tử. Sau Thế chiến thứ hai, nhờ sử dụng công nghệ thí nghiệm hiện đại và trước hết là các máy gia tốc cực mạnh tạo ra điều kiện năng lượng cao và tốc độ cực lớn, người ta đã phát hiện ra sự tồn tại của hơn 300 hạt cơ bản. Một phần của các hạt cơ bản được phát hiện trong thí nghiệm, phần còn lại (cộng hưởng, quark, hạt ảo) được coi là lý thuyết.

Khái niệm “hạt cơ bản” thể hiện điều gì trong vật lý hiện đại? Trước khi trả lời câu hỏi này, cần lưu ý khía cạnh vốn có của khái niệm khoa học tự nhiên, giống như tất cả các khái niệm vật lý, khái niệm “sơ cấp” là tương đối và mang những ý nghĩa khác nhau ở các giai đoạn phát triển khác nhau của kiến thức khoa học. Cho đến giữa những năm 60 của thế kỷ chúng ta, những ý tưởng về các hạt cơ bản giống với một trong những kiểu quan điểm về nguyên tử được Democritus thể hiện. Tuy nhiên, những ý tưởng ngây thơ đầu tiên này về các hạt cơ bản không tồn tại được lâu: người ta đã sớm chứng minh rằng không có hạt nào không thay đổi, không thể xuyên thủng, không có cấu trúc. Dưới ảnh hưởng của các sự kiện thực tế, khái niệm “cơ bản” đã trải qua những thay đổi và nói chung, mọi thứ có thể được gọi là “hạt cơ bản” đều mang tính chất không xác định. Hiện nay, một số tác giả đã lưu ý một cách đúng đắn rằng khái niệm “cơ bản” được sử dụng theo hai nghĩa: một mặt, là từ đồng nghĩa với cái đơn giản nhất, mặt khác, là một hạt hạ nguyên tử, tức là một chỉ báo về tính cơ bản. . Xét cả hai ý nghĩa được biểu thị bằng khái niệm “hạt cơ bản”, chúng ta có thể nói theo nghĩa đầy đủ và rộng rãi của từ này rằng cái gọi là hạt “cơ bản” là những dạng vật chất bao gồm các hạt khác được khoa học và khoa học biết đến. được tìm thấy dưới dạng một tổng thể duy nhất trong tất cả các quá trình có ảnh hưởng lẫn nhau, bao gồm các đại lượng vật lý đặc trưng cho chúng - khối lượng, điện tích, spin, ghép cặp, độ đơn, spin đẳng hướng và các thông số ban đầu khác không thể tính toán được về mặt lý thuyết và có thể được áp dụng chính xác cho thuyết vật lý chỉ mang tính thực nghiệm.

Vật lý học về các hạt cơ bản, theo lời của nhà khoa học hàn lâm I.B. Tammin, là lĩnh vực chính “dẫn vật lý hiện đại đến trước những thay đổi đáng kể và những biến động mang tính cách mạng”. Các hạt cơ bản được ví theo nghĩa bóng là “các hành tinh chưa được khám phá”. Không phải ngẫu nhiên mà những khám phá đáng chú ý trong vật lý lại được thực hiện sau thập niên 60 ở lĩnh vực này. Để có thể hình dung được những thành tựu trong lĩnh vực này, chỉ cần nói rằng trong 25-30 năm qua, số lượng hạt cơ bản đã tăng từ 35 lên 340 và con số này dự kiến sẽ còn tăng thêm trong tương lai. Đặc biệt kể từ những năm 30 của thế kỷ chúng ta, ngoài electron, photon và proton đã biết trước đó, nhiều hạt mới đã được phát hiện: neutron, positron, neutron có khối lượng và điện tích khác nhau (cũng trung tính), meson, hyperon và cái gọi là của chúng. phản hạt tương ứng. Sự gia tăng số lượng biểu thị số lượng hạt “cơ bản” cho thấy sự mất đi ý nghĩa trước đây của khái niệm “cơ bản”. Bởi vì tất cả những hạt này không thể hoàn thành chức năng của những “viên gạch” cuối cùng trong việc xây dựng thế giới. Ở vị trí này, các hạt cơ bản cố gắng giải thích sự đa dạng và phong phú, phân loại theo quan điểm đảm bảo sự phát triển, phân loại theo quan điểm đảm bảo phát triển các thành tựu tri thức khoa học trong lĩnh vực này. Việc thực hiện các phân loại như vậy gắn liền với việc mô tả các tính chất và đặc điểm chính của các hạt cơ bản.

Hiện nay, rất nhiều tính chất của các hạt cơ bản được biết đến trong khoa học đã được xác định. Hơn nữa, nhiều đặc tính trong số này không có điểm tương đồng giữa các đặc tính đã biết của các vật thể vĩ mô. Các đặc điểm chính của các hạt cơ bản được mô tả bằng ngôn ngữ trừu tượng của toán học như sau: khối lượng, điện tích, thời gian tồn tại trung bình, spin, spin đẳng hướng, độ đơn, ghép đôi, điện tích leptin, điện tích borion, ảnh hưởng lẫn nhau. Chúng ta sẽ cố gắng mô tả đặc tính này của các hạt cơ bản.

Một trong những tính chất quan trọng nhất đặc trưng cho các hạt cơ bản là khối lượng. Lưu ý rằng khối lượng nghỉ của các hạt cơ bản được xác định tương ứng với khối lượng nghỉ của electron (me=9,1×10-31 kg). Hiện nay, việc phân loại các hạt cơ bản tùy theo giá trị khối lượng nghỉ của chúng ngày càng phổ biến. Theo cách phân loại này, tất cả các hạt cơ bản được chia thành 4 nhóm: 1) các hạt cơ bản nhẹ - lepton. Điều này bao gồm electron, neutrino và các phản hạt của chúng - positron, phản neutrino, cũng như các meson dương và âm. Ngoại trừ trường hợp sau, các lepton ổn định trước khi có ảnh hưởng lẫn nhau và tồn tại ở trạng thái tự do trong hơn 1020 năm. Mu-meson không phải là những hạt ổn định; sau khi sống được hai trăm phần triệu giây, chúng phân rã và biến thành electron, neutron và phản neutron. Khối lượng nghỉ của neutrino và phản neutrino rất nhỏ; gộp lại chúng bằng 0,0005 khối lượng của một electron.

2) hạt có khối lượng trung bình - meson. Điều này bao gồm các meson pi dương, âm và trung tính có khối lượng 270 me - khối lượng nghỉ, và một số loại meson ka có khối lượng 970 me. Tất cả các meson đều không ổn định và có thời gian tồn tại rất ngắn (tối đa 7-19 giây).

3) hạt nặng - nucleon. Điều này bao gồm proton, neutron và phản hạt của chúng - phản proton và phản neutron. Proton và phản proton ổn định, neutron và phản neutron là những hạt không ổn định và có thời gian tồn tại tương đối dài - 17 phút.

4) hyperon là hạt nặng nhất. Nhóm này bao gồm rất nhiều hạt và phản hạt. Khối lượng của hyperon là từ 2182 m đến 2585 m. Thời gian tồn tại của tất cả các hyperon là như nhau - 10-10 giây.

Đôi khi các nucleon và hyperon được kết hợp thành một nhóm duy nhất gọi là baryon. Nhóm này cũng có thể bao gồm photon, tạo thành một nhóm đặc biệt và là lượng tử của trường điện từ. Mặc dù thực tế là việc phân loại các hạt cơ bản như vậy không tiết lộ các định luật cơ bản hợp nhất chúng, nhưng trong mọi trường hợp, nó mang lại cơ hội nghiên cứu một số tính chất và sự biến đổi của các hạt và thậm chí dự đoán sự tồn tại của một số hạt. Cần lưu ý rằng cấu trúc của vật chất và tính chất vô tận của các tính chất không chỉ xuất hiện ở sự tăng dần về số lượng hạt đã biết mà còn ở thực tế ít quan trọng hơn là sự biến đổi lẫn nhau của các hạt của vật chất “cơ bản”. Định nghĩa về tính tổng quát (nhị nguyên) trong tính chất của các hạt vật chất trường cũng dẫn đến ý tưởng về sự biến đổi lẫn nhau của chúng. Một thời gian sau khi phát hiện ra positron (1932), người ta biết rằng các cặp vật chất electron-positron, khi kết hợp trong những điều kiện nhất định, sẽ biến thành lượng tử ánh sáng - photon, là các hạt của trường điện từ và được hình thành từ chúng. Sau đó, người ta biết rằng sự biến đổi lẫn nhau như vậy không chỉ xảy ra giữa các hạt vật chất và trường, vốn là hai loại vật chất, mà còn xảy ra giữa chính các hạt vật chất. Kết quả là, người ta thấy rõ rằng các hạt vật chất không phải là bất biến và đơn giản; chúng có thể biến đổi thành nhau trong quá trình ảnh hưởng lẫn nhau và có thể được hình thành và hấp thụ bởi các phức hợp hạt khác nhau. Một tính chất quan trọng khác của các hạt cơ bản là điện tích của chúng, phản ánh mối liên hệ của chúng với trường điện từ. Một phần của các hạt đã biết có điện tích dương, phần còn lại có điện tích âm và một số hạt không có điện tích. Ngoài photon và cả hai meson, mỗi hạt còn có một phản hạt mang điện tích trái dấu. Lý do các hạt cơ bản khác nhau không nhất thiết phải có cùng điện tích và một số hạt cơ bản không có điện tích vẫn chưa được chúng ta biết đến. Rất có thể đây là biểu hiện của những mô hình nội tại sâu xa chưa được khám phá của các hạt cơ bản có tính tương đồng trong cấu trúc của các hạt. Một trong những đặc tính vật lý thiết yếu của các hạt cơ bản là thời gian tồn tại của chúng. Theo thời gian tồn tại, các hạt cơ bản được chia thành các hạt ổn định, bán ổn định và không ổn định (cộng hưởng). Có năm hạt ổn định: photon, electron neutrono, neutrono mion, electron và proton. Trong cấu trúc của macrobody, các hạt ổn định đóng vai trò quyết định. Các hạt còn lại không ổn định. Những hạt này, có thời gian tồn tại trung bình từ 10-10 đến 10-24 giây, cuối cùng sẽ phân chia thành các hạt khác. Các hạt cơ bản có thể xác định được có thời gian tồn tại trung bình từ 10-10 đến 10-24 giây được gọi là cộng hưởng. Do thời gian tồn tại ngắn ngủi nên các hạt này không thể rời khỏi nguyên tử hoặc hạt nhân của nguyên tử và phân hủy thành các hạt khác. Sự tồn tại của các hạt cộng hưởng chỉ được tính toán trên lý thuyết và vẫn chưa thể nhận thấy chúng trong một thí nghiệm thực tế.

Một đặc tính quan trọng khác của hạt là spin. Spin là một tính chất hoàn toàn mới của các hạt vốn chỉ có ở chúng và không có tính chất tương tự trong vật lý vĩ mô; sự mô tả nó như một mô men động lượng cơ học tự nó là thô thiển và không chính xác. Chúng ta có thể xem spin như một “vòng quay” đặc biệt, tương tự như sự quay của một hạt trong vũ trụ vĩ mô. Spin của các hạt cơ bản được đo bằng đơn vị và không thể tăng hay giảm. Spin xác định bản chất chung của loại thống kê có trong hạt (thống kê Bose-Einstein và Fermi-Dirac) và lý thuyết mô tả chuyển động của nó. Spin của proton, neutron và electron là S-e, spin của photon là 1-e. Các hạt có spin một nửa tuân theo thống kê Fermi-Dirac và được gọi là fermion, các hạt có spin hoàn toàn tuân theo thống kê Bose-Einstein và được gọi là boson. Người ta biết rằng trong cùng một tình huống, khi đột nhiên một fermion không còn tồn tại nữa thì có thể có một số boson trong cùng một tình huống. Do đó, fermion hoạt động như những “người theo chủ nghĩa cá nhân”, boson - như những “người theo chủ nghĩa tập thể”. Mặc dù thực tế là tính chất bên trong của các hạt cơ bản vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ, nhưng mối liên hệ của các tính chất này với các tính chất đối xứng và bất đối xứng của không gian hiện đã được xác định. Spin được coi là biểu hiện của mức độ độc lập nội tại trong chuyển động của các hạt cơ bản. Như vậy, mỗi hạt cơ bản được đặc trưng bởi 4 bậc độc lập: ba trong số đó là bậc tự do bên ngoài, biểu thị sự chuyển động của hạt trong không gian; một là bậc tự do nội tại của spin. Sự tồn tại của spin còn cho thấy cấu trúc phức tạp của hạt và một loại liên kết bên trong nhất định. Một trong những tính chất quan trọng của các hạt cơ bản còn là mômen từ. Tính chất này xảy ra ở cả hạt tích điện và không tích điện. Người ta cho rằng một phần mômen từ nhất định của các hạt tích điện được xác định bởi vị trí của chúng trong không gian. Ví dụ, người ta cho rằng mômen từ của proton và neutron là do dòng điện tạo ra bởi các đám mây meson tập trung xung quanh chúng. Chúng ta hãy nhìn rộng hơn về vấn đề này. Người ta biết rằng mặc dù neutron không có điện tích nhưng nó vẫn có một mômen từ nhất định. Điều này chứng tỏ rằng mômen từ của một hạt không thể chủ yếu được xác định bởi cấu trúc bên trong của nó. Trong trường hợp này, việc tạo ra mô men từ neutron nên được giải thích như thế nào? Người ta cho rằng do neutron là một hạt không ổn định nên nó phân ly thành proton và thành lượng tử meson dương của trường meson, và khoảng 25% sự tồn tại của nó là ở vị trí này. Do đó, neutron thu được 25% mô men từ của pimeson dương. Mô men từ quan sát được bằng thực nghiệm của neutron rất gần với con số được tính toán trên lý thuyết. Các hạt cơ bản, ngoài điện tích, còn được đặc trưng bởi điện tích của lepton và baryon. Điện tích Lepton của tất cả các lepton được lấy là +1, điện tích baryon của tất cả các baryon được lấy là +1. Sự ghép cặp cũng là một trong những đặc tính quan trọng của các hạt cơ bản. Giá trị này áp dụng cho sự đối xứng phải và trái. Trong lý thuyết về các hạt cơ bản, tọa độ của mỗi hạt được đặc trưng bởi hàm sóng y, hàm này có thể thay đổi hoặc không thay đổi dấu của các tọa độ này thành ảnh phản chiếu (x® -x, u® -u, z® -z ). Trong trường hợp thứ nhất, hàm y là hàm không đối xứng hoặc là hàm đơn, cặp của hạt tương ứng là +1, trong trường hợp thứ hai, hàm y là đối xứng hoặc ghép, nhưng cặp của hạt được lấy là -1 . Một trong những đặc tính rất quan trọng của các hạt cơ bản còn là sự biến đổi lẫn nhau, kèm theo sự phát xạ và hấp thụ lượng tử của trường tương ứng với các hạt cơ bản trong khoảng thời gian tương tác. Các quá trình này khác nhau về cường độ xảy ra, xác định sự phân chia ảnh hưởng lẫn nhau vốn có trong các hạt cơ bản thành 4 loại: ảnh hưởng lẫn nhau mạnh, điện từ, yếu và hấp dẫn. Tính chất của các hạt cơ bản chủ yếu được xác định bởi ảnh hưởng lẫn nhau của điện từ mạnh và yếu. Những ảnh hưởng lẫn nhau mạnh mẽ xảy ra ở cấp độ hạt nhân nguyên tử, các bộ phận cấu thành của chúng bao gồm lực hút và lực đẩy lẫn nhau. Các lực tương tác, gọi là lực hạt nhân, kéo dài trong một khoảng cách rất nhỏ - 10-13 cm. Các lực tương tác mạnh, liên kết chặt chẽ các proton và neutron trong những điều kiện nhất định, tạo ra một hệ vật chất có đặc tính năng lượng liên kết cao - hạt nhân nguyên tử . Mặc dù thực tế là ảnh hưởng lẫn nhau của điện từ yếu hơn khoảng 1000 lần so với ảnh hưởng lẫn nhau mạnh, nhưng bán kính ảnh hưởng của chúng gần như vô cực. Kiểu ảnh hưởng lẫn nhau này là đặc trưng của các hạt tích điện. Chất mang ảnh hưởng lẫn nhau điện từ không có điện tích và khối lượng nghỉ của photon. Photon là một lượng tử của trường điện từ. Thông qua các ảnh hưởng lẫn nhau về điện từ, kết hợp hạt nhân của nguyên tử và electron thành một hệ thống duy nhất, các nguyên tử được tạo ra và bằng cách kết hợp, các nguyên tử tạo ra các phân tử. Ảnh hưởng lẫn nhau điện từ là ảnh hưởng lẫn nhau chính đi kèm với các quá trình hóa học và sinh học.

Ảnh hưởng lẫn nhau yếu tồn tại giữa các hạt khác nhau. Những ảnh hưởng lẫn nhau yếu liên quan đến quá trình phân rã tự phát của các hạt, ví dụ, với quá trình biến đổi neutron trong hạt nhân thành proton, electron và phản neutrino (n0® p+ + e- +n), có thể kéo dài trong một khoảng thời gian rất ngắn. khoảng cách nhỏ (10-15 - 10-22 cm). Theo kiến thức khoa học hiện đại, hầu hết các hạt đều không ổn định chỉ do ảnh hưởng lẫn nhau yếu. Lực hấp dẫn tác động lẫn nhau là lực cực yếu được xét đến trong lý thuyết về các hạt cơ bản. Để so sánh, chúng tôi lưu ý rằng chúng yếu hơn 1040 lần so với các lực tác động lẫn nhau mạnh mẽ. Tuy nhiên, đối với những khoảng cách cực nhỏ (ở mức 10-33 cm) và năng lượng cực cao, lực hấp dẫn trở nên đáng kể; xét về độ mạnh, chúng có được một dạng xứng đáng để so sánh với các loại ảnh hưởng lẫn nhau khác. Ở quy mô vũ trụ, ảnh hưởng lẫn nhau của lực hấp dẫn đóng vai trò quyết định. Bán kính ảnh hưởng của các lực này là không giới hạn. Trong tự nhiên, không phải một, mà đôi khi có nhiều loại ảnh hưởng lẫn nhau và tính chất tác động giữa các hạt cơ bản, và cấu trúc của các hạt được xác định bởi điểm chung của tất cả các loại ảnh hưởng lẫn nhau tham gia. Ví dụ, proton, một phần của loại hạt cơ bản hadronic, tham gia vào ảnh hưởng lẫn nhau mạnh mẽ và ảnh hưởng lẫn nhau về điện từ do thực tế nó là hạt tích điện. Mặt khác, một proton có thể được tạo ra trong quá trình phân rã b của neutron, tức là trong các ảnh hưởng lẫn nhau yếu, do đó nó gắn liền với các ảnh hưởng lẫn nhau yếu. Và cuối cùng, proton, với tư cách là một vật chất có khối lượng, tham gia vào các ảnh hưởng lẫn nhau của lực hấp dẫn. Không giống như proton, một số hạt cơ bản tham gia vào tất cả các loại ảnh hưởng lẫn nhau, nhưng chỉ trong một số loại của chúng. Ví dụ, neutron, do thực tế là nó là hạt không tích điện, nên không tham gia vào các ảnh hưởng lẫn nhau điện từ, và electron và mu-meson không tham gia vào các ảnh hưởng lẫn nhau mạnh mẽ. Những ảnh hưởng cơ bản lẫn nhau là nguyên nhân dẫn đến sự biến đổi của các hạt - sự phá hủy và hình thành của chúng. Ví dụ, sự va chạm của neutron và proton tạo ra hai neutron và một pimeson dương. Chu kỳ biến đổi của các hạt cơ bản phụ thuộc vào lực tác dụng lẫn nhau. Phản ứng hạt nhân liên quan đến ảnh hưởng lẫn nhau mạnh mẽ xảy ra trong 10-24 - 10-23 giây. Đây là giai đoạn một hạt cơ bản biến đổi thành hạt năng lượng cao và đạt tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, kích thước khoảng 10-13 cm. Những thay đổi do ảnh hưởng lẫn nhau của điện từ xảy ra trong 10-21 - 10-19 giây, những thay đổi do ảnh hưởng lẫn nhau yếu (ví dụ, quá trình phân rã của các hạt cơ bản) - trong 10-10 giây. Thời kỳ của những thay đổi khác nhau xảy ra trong thế giới vi mô có thể được tiếp cận từ quan điểm lý luận về việc tạo ra những ảnh hưởng lẫn nhau. Lượng tử ảnh hưởng lẫn nhau của các hạt cơ bản được hiện thực hóa thông qua các trường vật lý tương ứng với các hạt này. Trong lý thuyết lượng tử hiện đại, trường được hiểu là một hệ các hạt thay đổi về số lượng (lượng tử giới tính). Trạng thái khi trường và nói chung lượng tử trường tồn tại với năng lượng thấp nhất được gọi là chân không. Các hạt của trường điện từ (photon) trong chân không ở trạng thái kích thích sẽ mất đi các tính chất cơ học vốn có trong vật chất hạt (ví dụ, trong quá trình chuyển động, cơ thể không cảm nhận được ma sát). Chân không không chứa các loại vật chất đơn giản, tuy nhiên, mặc dù vậy, nó không phải là sự trống rỗng theo đúng nghĩa của từ này, do đó, trong chân không kích thích lượng tử của trường điện từ phát sinh - các photon nhận ra sự ảnh hưởng lẫn nhau của điện từ. Trong chân không, ngoài trường điện từ, còn có các trường vật lý khác, trong đó có trường hấp dẫn, trường này vẫn chưa được ghi nhận trong cái gọi là thí nghiệm graviton. Trường lượng tử là một tập hợp các lượng tử và có bản chất rời rạc. Do đó, sự ảnh hưởng lẫn nhau của các hạt cơ bản, sự biến đổi lẫn nhau, sự phát xạ và hấp thụ photon của chúng có bản chất rời rạc và chỉ xảy ra trong tình huống lượng tử hóa. Kết quả là, câu hỏi sau đây được đặt ra: tính liên tục của trường, tính liên tục của nó, được biểu hiện chính xác ở đâu? Trong cả điện động lực học lượng tử và cơ học lượng tử, trạng thái trường được mô tả một cách rõ ràng không phải bằng những hiện tượng thực tế có thể quan sát được mà chỉ bằng hàm sóng gắn liền với khái niệm nghịch đảo. Bình phương mô đun của hàm này cho thấy khả năng quan sát các hiện tượng vật lý đang được xem xét. Vấn đề chính của lý thuyết trường lượng tử là việc mô tả các loại ảnh hưởng lẫn nhau của các hạt trong các phương trình tương ứng. Vấn đề này cho đến nay chỉ được giải quyết trong điện động lực học lượng tử, mô tả sự ảnh hưởng lẫn nhau của electron, positron và photon. Một lý thuyết trường lượng tử vẫn chưa được tạo ra cho những ảnh hưởng lẫn nhau mạnh và yếu. Hiện tại, những loại ảnh hưởng lẫn nhau này không được mô tả bằng các phương pháp nghiêm ngặt. Mặc dù người ta biết rằng không thể hiểu được các hạt cơ bản nếu chúng không có trong lý thuyết vật lý tương ứng, nhưng cũng không thể hiểu được cấu trúc của chúng, được xác định bởi cấu trúc của các lý thuyết này. Vì vậy, bài toán về cấu trúc của các hạt cơ bản vẫn chưa được giải quyết triệt để. Vật lý hiện đại hiện đang chứng minh sự tồn tại của các hạt phức tạp có cấu trúc bên trong của các hạt được coi là “cơ bản”. Người ta biết rằng proton và neutron, do các quá trình ảo xảy ra trong chúng, trải qua các biến đổi bên trong. Kết quả của các thí nghiệm được thực hiện để nghiên cứu cấu trúc của proton, người ta đã xác định được rằng proton, cho đến gần đây vẫn được coi là không thể phân chia, đơn giản nhất và không có cấu trúc nhất, trên thực tế là một hạt phức tạp. Ở trung tâm của nó có một lõi dày đặc gọi là “lõi”, nó được bao quanh bởi các meson pi dương. Sự phức tạp trong cấu trúc của các hạt “cơ bản” đã được chứng minh bằng giả thuyết quark do nhà khoa học người Mỹ Hel-Mann đưa ra vào năm 1964 và một cách độc lập bởi nhà khoa học Thụy Điển Zweig. Theo giả thuyết này, các hạt cơ bản có mối quan hệ đặc trưng bởi sự ảnh hưởng lẫn nhau mạnh mẽ (hadron: proton, neutron, hyperon) nên được hình thành từ các hạt quark có điện tích bằng 1/3 hoặc 2/3 điện tích của electron. Do đó, lý thuyết này chứng tỏ rằng điện tích và điện tích baryon của các quark được đánh dấu hình thành nên các hạt phải được biểu thị dưới dạng số phân số. Thật vậy, các hạt gọi là quark vẫn chưa được phát hiện và vẫn là những cư dân giả định của thế giới vi mô ở mức độ phát triển khoa học hiện nay.

Phần kết luận

Như vậy, một mặt, rõ ràng các hạt cơ bản có cấu trúc đặc biệt, mặt khác, bản chất của cấu trúc này vẫn chưa rõ ràng. Từ dữ liệu trên, có thể thấy rõ rằng các hạt cơ bản hoàn toàn không phải là hạt cơ bản, chúng có cấu trúc bên trong và có thể được phân chia và biến đổi thành nhau. Chúng ta vẫn biết rất ít về cả hai cấu trúc. Như vậy, ngày nay, dựa trên một số sự thật, chúng ta có thể khẳng định rằng vật chất của các hạt cơ bản là một loại mới, khác biệt về chất so với các hạt phức tạp hơn (hạt nhân, nguyên tử, phân tử). Đồng thời, sự khác biệt này đáng kể đến mức các phạm trù và biểu thức mà chúng ta sử dụng khi nghiên cứu hạt nhân, nguyên tử, phân tử, vật thể vĩ mô (“đơn giản” và “phức tạp”, “cấu trúc bên trong”, “hình thành”) cũng có thể được áp dụng cho Các hạt cơ bản. Các khái niệm “đơn giản và phức tạp”, “bộ phận cấu thành”, “cấu trúc”, “tổng thể” nói chung là những khái niệm tương đối. Ví dụ, mặc dù thực tế là một nguyên tử có cấu trúc phức tạp và cấu trúc của nó bao gồm các bậc hạt nhân và điện tử, nhưng nó đơn giản hơn so với phân tử cấu thành của nó. Trong hệ thống phân cấp cấu trúc của các hệ vật chất, bản thân hạt nhân nguyên tử, nguyên tử, phân tử và các vật thể vĩ mô tạo nên một cấp độ cấu trúc duy nhất. Do đó, các phần tử của cơ thể, so với các phần tử của cấp độ tiếp theo, đơn giản hơn và đóng vai trò là bộ phận cấu thành của chúng. Mặt khác, chúng phức tạp hơn so với các phần tử nằm ở cấp độ thấp hơn và là thành phần của chúng. Tất cả các hệ thống, bắt đầu từ hạt nhân nguyên tử cho đến những kích thước rất lớn đó, đều có đặc tính này: trong mỗi hệ thống đó có thể tách các phần tử cấu trúc hình thành nên các vật thể đang được xem xét và đơn giản hơn các phần tử ở cấp độ thấp hơn thành các phần tử cấu thành của chúng. các bộ phận. Xét về ý nghĩa thì quá trình hợp nhất và phân tách đều giống nhau. Ví dụ, các phân tử của một chất hóa học nhất định bao gồm một số lượng nguyên tử nhất định và có thể phân hủy thành chúng trong những điều kiện nhất định. Trong trường hợp này, khối lượng của tổng thể phức tạp lớn hơn khối lượng của từng bộ phận cấu thành của nó. Vị trí cuối cùng này không đúng đối với các hạt cơ bản. Do đó, sản phẩm phân rã của các hạt cơ bản không đơn giản hơn các hạt “biến đổi” có thể chia được nhưng chính xác. Chúng cũng là các hạt cơ bản. Theo các khái niệm hiện đại, các sản phẩm phân rã cùng với các hạt tạo ra chúng được đặt ở một cấp bậc duy nhất. Ví dụ, một neutron trong những điều kiện nhất định được chia thành một proton, một electron và một phản neutron (n0 ®p+ + e- +). Mặc dù neutron không phức tạp hơn hay đơn giản hơn proton, electron và phản neutron. Ngoài ra, một proton và một electron có thể thu được từ các phản ứng khác. Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng khả năng mỗi hạt cơ bản là nó có thể là “thành phần” của các hạt cơ bản khác. Mặt khác, điều không quá quan trọng là ở mỗi cấp tiểu học, tổng thể phải bao gồm một sự tích lũy lớn như vậy. Trong trường hợp này, khối lượng của tổng thể thậm chí có thể nhỏ hơn khối lượng của các bộ phận cấu thành nó vài lần. Ví dụ, trong một số trường hợp, là kết quả của sự hợp nhất giữa nyuklon và antinyuklon, thu được một meson có khối lượng nhỏ hơn khối lượng của cả hai. Điều bất thường này được giải thích là do trong quá trình hình thành một hạt cơ bản, khối lượng hấp thụ năng lượng giải phóng

có thể lớn đến mức sản phẩm phản ứng thu được không giống hạt ban đầu chút nào. Vì vậy, trong thế giới của các hạt cơ bản, các khái niệm “đơn giản và phức tạp”, “thành phần”, “cấu trúc”, “tổng thể” mang một ý nghĩa hoàn toàn khác so với trong vật lý nguyên tử và vật lý cổ điển. Tính đặc hiệu của các hạt cơ bản còn thể hiện ở sự ảnh hưởng lẫn nhau về năng lượng. Bắt đầu từ các vật thể vĩ mô và kết thúc bằng hạt nhân nguyên tử, năng lượng của mọi hệ vật chất được hình thành từ hai thành phần: một thành phần đặc biệt tương ứng với khối lượng của cơ thể (E=mc2) và năng lượng liên kết của các phần tử cấu thành nó. Mặc dù các loại năng lượng này không thể tách rời nhau nhưng về bản chất chúng hoàn toàn khác nhau. Năng lượng đặc biệt của các vật thể lớn hơn nhiều so với năng lượng kết nối của chúng, nó có thể được tách thành tất cả các phần cấu thành của nó. Ví dụ, do năng lượng bên ngoài, một phân tử có thể được chia thành các nguyên tử (H2O®H+O+H), nhưng trong trường hợp này, sự thay đổi đáng chú ý sẽ không xảy ra ở bản thân các nguyên tử. Ở các hạt cơ bản, vấn đề này có một dạng khác. Tất cả năng lượng của các hạt cơ bản không được chia thành đặc biệt và liên kết. Do đó, mặc dù thực tế là các hạt cơ bản không có cấu trúc bên trong nhưng chúng không thể chia thành các phần cấu thành của chúng. Các hạt cơ bản không chứa các hạt bên trong ít nhiều không thay đổi. Theo các khái niệm hiện đại, cấu trúc của các hạt cơ bản được mô tả bằng các hạt “ảo” được tạo ra và phân chia liên tục. Ví dụ, sự hủy diệt meson (từ tiếng Latin “annihilatio” - sự hủy diệt) được hình thành từ việc liên tục tạo ra và sau đó biến mất các nucleon ảo và phản nucleon ảo. Sự tiến bộ chính thức của khái niệm hạt ảo cho thấy cấu trúc bên trong của các hạt cơ bản không thể được mô tả bằng các hạt khác. Một lý thuyết về nguồn gốc và cấu trúc của các hạt cơ bản vẫn chưa làm hài lòng các nhà vật lý. Một số nhà khoa học nổi tiếng đã đi đến ý tưởng rằng lý thuyết này có thể được tạo ra chỉ khi tính đến các điều kiện vũ trụ. Ý tưởng tạo ra các hạt cơ bản từ chân không trong trường lực, điện từ và hấp dẫn đang có ý nghĩa quan trọng. Bởi vì mối quan hệ giữa các thế giới vi mô, vĩ mô và siêu lớn chỉ được thể hiện trong ý tưởng này. Trong siêu thế giới, cấu trúc và sự biến đổi lẫn nhau của các hạt cơ bản được xác định bởi những ảnh hưởng cơ bản lẫn nhau. Rõ ràng là để mô tả đầy đủ cấu trúc của thế giới vật chất, cần phải phát triển một bộ máy các khái niệm mới.

Thư mục

1. Makovelsky. Các nhà nguyên tử Hy Lạp cổ đại. Baku, 1946.

2. Kudryavtsev. Khóa học về lịch sử vật lý. M., Giáo dục, 1974, tr.179.

3. Triết học khoa học tự nhiên. M., 1966, tr.45; E.M. Balabanov. Vào sâu trong nguyên tử, M., 1967.

4. Triết học và khoa học tự nhiên. M., 1964, trang 74-75; S.T. Melyukhin. Hướng tới một đánh giá triết học về các khái niệm hiện đại về trường và vật chất. Trong cuốn: Chủ nghĩa duy vật biện chứng và khoa học tự nhiên hiện đại, M., 1957, tr. 124-127.

5. Kuznetsov B. Con đường tư duy vật lý. Ed. “Khoa học”, M., 1968, tr. 296-298

6. Akhizer A.I., Rekalo M.P. Tiểu sử các hạt cơ bản, Kyiv, 1978.

7. Stanyukovich K.P., Lapchinsky V.G. Hệ thống các hạt cơ bản.

8. Trong cuốn sách: Về hệ thống hạt, M., 1969, trang 74-75.

9. Balabanov E.M. Đi sâu vào nguyên tử. M., 1967, trang 38-39.

10. Novozhilov Yu.V. Các hạt cơ bản. M., 1974; Sproul R. Vật lý hiện đại. M., 1974;

11. Soddy F. Lịch sử năng lượng nguyên tử. M., 1979.

12. Gott V.S. Về sự vô tận của thế giới vật chất. M., “Kiến thức”, 1968, tr.31.

13. Knyazev V.N. Các khái niệm về tương tác trong vật lý hiện đại. M.

14. Svechnikov G.A. Vô hạn của vật chất. M., 1965, tr. 17-21; Omelyanovsky M

Đăng trên Allbest.ru

Tài liệu tương tự

Các khái niệm cơ bản, cơ chế của các hạt cơ bản, các loại tương tác vật lý của chúng (hấp dẫn, yếu, điện từ, hạt nhân). Hạt và phản hạt. Phân loại các hạt cơ bản: photon, lepton, hadron (meson và baryon). Lý thuyết quark.

bài tập khóa học, được thêm vào ngày 21/03/2014

Đặc điểm cơ bản và phân loại hạt cơ bản. Các loại tương tác giữa chúng: mạnh, điện từ, yếu và hấp dẫn. Thành phần hạt nhân nguyên tử và tính chất. Quark và lepton. Phương pháp, đăng ký và nghiên cứu các hạt cơ bản.

bài tập khóa học, được thêm vào ngày 08/12/2010

Tương tác vật lý cơ bản. Trọng lực. Điện từ. Tương tác yếu. Vấn đề thống nhất của vật lý. Phân loại hạt cơ bản. Đặc điểm của các hạt hạ nguyên tử. Lepton. Hadron. Các hạt là chất mang tương tác.

luận văn, bổ sung ngày 05/02/2003

Cấu trúc và tính chất của vật chất thuộc loại thứ nhất. Cấu trúc và tính chất của vật chất loại thứ hai (hạt cơ bản). Cơ chế phân rã, tương tác và hình thành của các hạt cơ bản. Tiêu diệt và thực hiện lệnh cấm thu phí.

tóm tắt, thêm vào ngày 20/10/2006

Đặc điểm của phương pháp quan sát hạt cơ bản. Khái niệm hạt cơ bản và các loại tương tác của chúng. Thành phần hạt nhân nguyên tử và sự tương tác của các nucleon trong chúng. Định nghĩa, lịch sử phát hiện và các loại phóng xạ. Các phản ứng hạt nhân chuỗi và đơn giản nhất.

tóm tắt, thêm vào ngày 12/12/2009

Tính chất của mọi hạt cơ bản. Mối liên hệ giữa proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử. Phân loại hạt cơ bản. Độ lớn chênh lệch khối lượng của neutron và proton. Tương tác hấp dẫn của neutron. Giá trị thực nghiệm của thời gian sống của muon.

tóm tắt, thêm vào ngày 20/12/2011

Kịch bản phát triển của Vũ trụ sau vụ nổ Big Bang. Những ý tưởng hiện đại về các hạt cơ bản là nguyên lý cơ bản của cấu trúc vật chất trong Vũ trụ. Phân loại hạt cơ bản. Lưỡng tính sóng-hạt trong vật lý hiện đại. Lý thuyết nguyên tử của N. Bohr.

tóm tắt, được thêm vào ngày 17/05/2011

Mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford. Thành phần và đặc điểm của hạt nhân nguyên tử. Khối lượng và năng lượng liên kết của hạt nhân. Năng lượng liên kết của các nucleon trong hạt nhân. Tương tác giữa các hạt tích điện. Máy va chạm Hadron lớn. Những quy định của lý thuyết vật lý hạt cơ bản.

bài tập khóa học, được thêm vào ngày 25/04/2015

Hạt cơ bản là hạt không có cấu trúc bên trong, tức là không chứa các hạt khác. Phân loại các hạt cơ bản, ký hiệu và khối lượng của chúng. Điện tích màu và nguyên lý Pauli. Fermion là hạt cấu thành cơ bản của mọi vật chất, loại của chúng.

trình bày, thêm vào ngày 27/05/2012

Phân loại hạt cơ bản. Tương tác cơ bản. Mô hình nguyên tử của Rutherford. Lý thuyết của Bohr về nguyên tử hydro. Nguyên tử hydro trong cơ học lượng tử. Cơ học lượng tử chứng minh Định luật tuần hoàn của D. Mendeleev. Khái niệm về phóng xạ.

Cơ quan giáo dục nhà nước liên bang

giáo dục chuyên nghiệp cao hơn

"ĐẠI HỌC LIÊN BANG NAM"

Khoa Kinh tế

Các hạt cơ bản.

Phân loại và tính chất cơ bản của chúng.

Đã thực hiện

Sinh viên năm thứ nhất, nhóm 11

Bublikova Ekaterina

Rostov trên sông Đông – 2009

Giới thiệu. Thế giới của các hạt cơ bản

Tương tác vật lý cơ bản.

Trọng lực.
Tương tác điện từ.
Tương tác yếu.
Tương tác mạnh mẽ.

Phân loại hạt cơ bản.

Đặc điểm của các hạt hạ nguyên tử.
Lịch sử phát hiện ra các hạt cơ bản.

2.5. Lý thuyết quark.

2.6. Các hạt là chất mang tương tác.

3. Lý thuyết về hạt cơ bản.

3.1. Điện động lực học lượng tử.

3.2. Lý thuyết tương tác điện yếu.

3.3. Sắc động học lượng tử.

3.4. Trên đường đến... Sự thống nhất vĩ đại.

Danh sách tài liệu được sử dụng

Thế giới của các hạt cơ bản

Vào giữa và nửa sau thế kỷ XX, người ta đã thu được những kết quả thực sự đáng kinh ngạc trong các ngành vật lý nghiên cứu cấu trúc cơ bản của vật chất. Trước hết, điều này thể hiện ở việc phát hiện ra một loạt các hạt hạ nguyên tử mới. Chúng thường được gọi là hạt cơ bản, nhưng không phải tất cả chúng đều thực sự cơ bản. Các hạt cơ bản theo nghĩa chính xác của thuật ngữ này là các hạt cơ bản, không thể phân hủy hơn nữa, mà mọi vật chất được cho là bao gồm trong đó, nhưng nhiều hạt trong số chúng lại bao gồm các hạt thậm chí còn cơ bản hơn.

Thế giới của các hạt hạ nguyên tử thực sự đa dạng. Hiện nay người ta đã biết hơn 350 hạt cơ bản. Chúng bao gồm các proton và neutron tạo nên hạt nhân nguyên tử, cũng như các electron quay quanh hạt nhân. Nhưng cũng có những hạt thực tế không bao giờ được tìm thấy trong vật chất xung quanh chúng ta. Nếu tuổi thọ trung bình của một neutron nằm bên ngoài hạt nhân nguyên tử là 15 phút, thì thời gian sống của những hạt có thời gian tồn tại ngắn như vậy là cực kỳ ngắn, nó chỉ bằng những phần nhỏ nhất của một giây. Sau thời gian cực kỳ ngắn này, chúng tan rã thành các hạt thông thường. Có một số lượng đáng kinh ngạc các hạt có thời gian sống ngắn không ổn định như vậy: hàng trăm hạt trong số đó đã được biết đến. Tuy nhiên, không thể coi các hạt cơ bản không ổn định “bao gồm” các hạt ổn định, nếu chỉ vì cùng một hạt có thể phân hủy theo nhiều cách thành các hạt cơ bản khác nhau.

Mỗi hạt cơ bản (ngoại trừ các hạt trung hòa tuyệt đối) đều có phản hạt riêng.

Các nhà vật lý phát hiện ra sự tồn tại của hạt cơ bản khi nghiên cứu các quá trình hạt nhân nên cho đến giữa thế kỷ 20, vật lý hạt cơ bản vẫn là một nhánh của vật lý hạt nhân. Hiện nay, vật lý hạt cơ bản và vật lý hạt nhân là những nhánh vật lý gần gũi nhưng độc lập, được thống nhất bởi điểm chung của nhiều vấn đề được xem xét và phương pháp nghiên cứu được sử dụng. Nhiệm vụ chính của vật lý hạt cơ bản là nghiên cứu bản chất, tính chất và sự biến đổi lẫn nhau của các hạt cơ bản.

Trong những năm 1960 và 1970, các nhà vật lý hoàn toàn bối rối trước số lượng, sự đa dạng và sự kỳ lạ của các hạt hạ nguyên tử mới được phát hiện. Dường như không có kết thúc cho họ. Hoàn toàn không rõ tại sao lại có nhiều hạt như vậy. Những hạt cơ bản này có phải là những mảnh vật chất hỗn loạn và ngẫu nhiên không? Hoặc có lẽ họ nắm giữ chìa khóa để hiểu được cấu trúc của Vũ trụ? Sự phát triển của vật lý trong những thập kỷ tiếp theo cho thấy không còn nghi ngờ gì về sự tồn tại của một cấu trúc như vậy. Vào cuối thế kỷ XX, vật lý bắt đầu hiểu được ý nghĩa của từng hạt cơ bản.

Thế giới của các hạt hạ nguyên tử được đặc trưng bởi một trật tự sâu sắc và hợp lý. Trật tự này dựa trên các tương tác vật lý cơ bản.

1. Tương tác vật lý cơ bản.

Trong cuộc sống hàng ngày, một người phải đối mặt với rất nhiều lực tác động lên cơ thể mình. Đây là lực của gió hoặc dòng nước đang tới, áp suất không khí, sự giải phóng mạnh mẽ các chất hóa học gây nổ, sức mạnh cơ bắp của con người, trọng lượng của vật nặng, áp suất của lượng tử ánh sáng, lực hút và lực đẩy của điện tích, sóng địa chấn đôi khi gây ra sự tàn phá thảm khốc và các vụ phun trào núi lửa dẫn đến cái chết của nền văn minh, v.v. Một số lực tác động trực tiếp khi tiếp xúc với cơ thể, những lực khác, chẳng hạn như trọng lực, tác động từ xa, xuyên qua không gian. Tuy nhiên, hóa ra là kết quả của sự phát triển của khoa học tự nhiên lý thuyết, mặc dù có sự đa dạng lớn như vậy, nhưng tất cả các lực tác dụng trong tự nhiên có thể giảm xuống chỉ còn bốn tương tác cơ bản: hấp dẫn, điện từ, yếu và mạnh. Chính những tương tác này chịu trách nhiệm cuối cùng cho mọi thay đổi trên thế giới; chúng là nguồn gốc của mọi biến đổi của cơ thể và quá trình. Các hạt cơ bản được chia thành các nhóm tùy theo khả năng của chúng đối với các loại tương tác cơ bản khác nhau. Nghiên cứu tính chất của các tương tác cơ bản là nhiệm vụ chính của vật lý hiện đại.

1.1. Trọng lực.

Trong lịch sử vật lý, lực hấp dẫn (trọng lực) trở thành tương tác đầu tiên trong bốn tương tác cơ bản được làm đối tượng nghiên cứu khoa học. Sau khi xuất hiện vào thế kỷ 17. Lý thuyết về lực hấp dẫn của Newton - định luật vạn vật hấp dẫn - lần đầu tiên đã nhận ra được vai trò thực sự của lực hấp dẫn như một lực của tự nhiên. Lực hấp dẫn có một số đặc điểm giúp phân biệt nó với các tương tác cơ bản khác.

Đặc điểm đáng ngạc nhiên nhất của trọng lực là nó thấp cường độ. Độ lớn tương tác hấp dẫn giữa các thành phần của nguyên tử hydro là 10n, trong đó n = -39, dựa trên lực tương tác của các điện tích. Có vẻ ngạc nhiên khi chúng ta cảm nhận được lực hấp dẫn vì nó rất yếu. Làm thế nào cô ấy có thể trở thành thế lực thống trị trong Vũ trụ?

Đó là đặc điểm đáng kinh ngạc thứ hai của lực hấp dẫn - tính phổ quát của nó. Không có gì trong vũ trụ thoát khỏi lực hấp dẫn. Mỗi hạt chịu tác dụng của trọng lực và bản thân nó là nguồn của lực hấp dẫn. Vì mọi hạt vật chất đều tác dụng lực hấp dẫn nên lực hấp dẫn tăng lên khi các khối vật chất lớn hơn hình thành. Chúng ta cảm nhận được lực hấp dẫn trong cuộc sống hàng ngày vì tất cả các nguyên tử trên Trái đất phối hợp với nhau để thu hút chúng ta. Và mặc dù tác dụng của lực hấp dẫn của một nguyên tử là không đáng kể, nhưng lực hút tạo ra từ tất cả các nguyên tử có thể rất đáng kể.

Trọng lực - sức mạnh tầm xa của thiên nhiên. Điều này có nghĩa là, mặc dù cường độ tương tác hấp dẫn giảm theo khoảng cách, nhưng nó vẫn lan truyền trong không gian và có thể ảnh hưởng đến các vật thể ở rất xa nguồn. Ở quy mô thiên văn, tương tác hấp dẫn có xu hướng đóng vai trò chính. Nhờ tác dụng tầm xa, lực hấp dẫn ngăn cản Vũ trụ tan rã: nó giữ các hành tinh trên quỹ đạo, các ngôi sao trong các thiên hà, các thiên hà trong các cụm, các cụm trong Siêu thiên hà.

Lực hấp dẫn tác dụng giữa các hạt luôn là lực hút: nó có xu hướng đưa các hạt lại gần nhau hơn. Lực đẩy hấp dẫn chưa bao giờ được quan sát trước đây (mặc dù trong truyền thống thần thoại gần như khoa học có cả một lĩnh vực gọi là bay lên - việc tìm kiếm "sự thật" về phản hấp dẫn). Vì năng lượng tích trữ trong bất kỳ hạt nào luôn dương và cho nó khối lượng dương nên các hạt dưới tác dụng của trọng lực luôn có xu hướng tiến lại gần nhau hơn.

Trọng lực là gì, một trường nào đó hay là biểu hiện của độ cong của không-thời gian - vẫn chưa có câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi này. Có nhiều ý kiến và khái niệm khác nhau của các nhà vật lý về vấn đề này.

1.2. Tương tác điện từ.

Lực điện lớn hơn nhiều so với lực hấp dẫn. Không giống như tương tác hấp dẫn yếu, lực điện tác dụng giữa các vật thể có kích thước bình thường có thể dễ dàng quan sát được. Điện từ đã được con người biết đến từ thời xa xưa (cực quang, tia chớp, v.v.).

Trong một thời gian dài, các quá trình điện và từ được nghiên cứu độc lập với nhau. Một bước đi mang tính quyết định trong hiểu biết về điện từ được thực hiện vào giữa thế kỷ 19 bởi J. C. Maxwell, người đã hợp nhất điện và từ trong một lý thuyết thống nhất về điện từ - lý thuyết trường thống nhất đầu tiên.

Sự tồn tại của electron đã được xác lập chắc chắn vào những năm 90 của thế kỷ trước. Ngày nay người ta biết rằng điện tích của bất kỳ hạt vật chất nào luôn là bội số của đơn vị điện tích cơ bản - một loại điện tích “nguyên tử”. Tại sao lại như vậy là một câu hỏi cực kỳ thú vị. Tuy nhiên, không phải tất cả các hạt vật chất đều mang điện tích. Ví dụ, photon và neutrino trung hòa về điện. Về mặt này, điện khác với trọng lực. Tất cả các hạt vật chất đều tạo ra trường hấp dẫn, trong khi chỉ các hạt tích điện mới liên kết với trường điện từ. Chất mang tương tác điện từ giữa các hạt tích điện là trường điện từ, hay lượng tử trường - photon.

Các điện tích giống nhau thì các điện tích cùng loại thì đẩy nhau, các điện tích trái dấu thì hút nhau. Tuy nhiên, không giống như điện tích, các cực từ không xuất hiện riêng lẻ mà chỉ xuất hiện theo cặp - cực bắc và cực nam. Từ thời cổ đại, người ta đã biết nỗ lực thu được bằng cách chia một nam châm chỉ một cực từ cô lập - một đơn cực. Nhưng tất cả đều kết thúc trong thất bại. Có lẽ sự tồn tại của các cực từ bị cô lập trong tự nhiên bị loại trừ? Vẫn chưa có câu trả lời chắc chắn cho câu hỏi này. Một số khái niệm lý thuyết cho phép có khả năng xảy ra hiện tượng đơn cực.

Giống như tương tác điện và tương tác hấp dẫn, tương tác giữa các cực từ tuân theo định luật bình phương nghịch đảo. Do đó, lực điện và lực từ là “tầm xa” và tác dụng của chúng được cảm nhận ở khoảng cách lớn tính từ nguồn. Như vậy, từ trường của Trái đất mở rộng ra xa ngoài vũ trụ. Từ trường mạnh của Mặt trời lấp đầy toàn bộ Hệ Mặt trời. Ngoài ra còn có từ trường thiên hà.

Tương tác điện từ xác định cấu trúc của các nguyên tử và chịu trách nhiệm cho phần lớn các hiện tượng và quá trình vật lý và hóa học. Tương tác điện từ cũng dẫn đến sự phát xạ sóng điện từ.

1.3. Tương tác yếu.

Vật lý đã dần dần tiến tới việc xác định sự tồn tại của tương tác yếu. Lực yếu gây ra sự phân rã hạt, và do đó sự biểu hiện của nó dẫn đến việc phát hiện ra tính phóng xạ và nghiên cứu phân rã beta.

Phân rã Beta đã bộc lộ một đặc điểm cực kỳ kỳ lạ. Nghiên cứu dẫn đến kết luận rằng sự phân rã này vi phạm một trong những định luật cơ bản của vật lý - định luật bảo toàn năng lượng. Dường như trong sự phân rã này một phần năng lượng đã biến mất ở đâu đó. Để “bảo toàn” định luật bảo toàn năng lượng, W. Pauli cho rằng, cùng với electron, trong quá trình phân rã beta, một hạt khác bay ra ngoài. Nó trung tính và có khả năng xuyên thấu cao bất thường, do đó không thể quan sát được. E. Fermi gọi hạt vô hình là "neutrino".

Neutrino (neutrino tiếng Ý, viết tắt của neutrone - neutron), một hạt cơ bản ổn định không tích điện với spin 1/2 và có thể có khối lượng bằng không. Neutrino được phân loại là lepton. Chúng chỉ tham gia vào các tương tác yếu và hấp dẫn và do đó tương tác cực kỳ yếu với vật chất. Có neutrino electron, luôn ghép đôi với một electron hoặc positron, neutrino muon, ghép đôi với muon, và neutrino tau, liên kết với một lepton nặng. Mỗi loại neutrino có phản hạt riêng, khác với neutrino ở dấu của điện tích lepton và độ xoắn tương ứng: neutrino có độ xoắn thuận trái (spin hướng theo chuyển động của hạt), và phản neutrino có độ xoắn thuận tay phải ( quay theo hướng chuyển động).

Nhưng việc dự đoán và phát hiện neutrino chỉ là bước khởi đầu của bài toán, cách phát biểu của nó. Cần phải giải thích bản chất của neutrino, nhưng ở đây vẫn còn rất nhiều điều bí ẩn. Thực tế là cả electron và neutrino đều được phát ra từ các hạt nhân không ổn định. Nhưng người ta đã chứng minh một cách không thể chối cãi rằng không có những hạt như vậy bên trong hạt nhân. Họ đã phát sinh như thế nào? Có ý kiến cho rằng các electron và neutrino không tồn tại trong hạt nhân ở “dạng sẵn sàng”, mà bằng cách nào đó được hình thành từ năng lượng của hạt nhân phóng xạ. Nghiên cứu sâu hơn cho thấy rằng các neutron có trong hạt nhân, được để lại cho các thiết bị riêng của chúng, sau vài phút phân rã thành proton, electron và neutrino, tức là. thay vì một hạt, ba hạt mới xuất hiện. Phân tích dẫn đến kết luận rằng các lực đã biết không thể gây ra sự phân rã như vậy. Nó rõ ràng được tạo ra bởi một thế lực khác, chưa được biết đến. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng lực này tương ứng với một số tương tác yếu.

Nó yếu hơn nhiều so với điện từ, mặc dù mạnh hơn lực hấp dẫn. Nó lây lan trên một khoảng cách rất ngắn. Bán kính tương tác yếu rất nhỏ và khoảng 2*10^(-16) cm. Tương tác yếu dừng lại ở một khoảng cách tối thiểu so với nguồn và do đó không thể ảnh hưởng đến các vật thể vĩ mô mà chỉ giới hạn ở các hạt hạ nguyên tử riêng lẻ. Tất cả các hạt cơ bản ngoại trừ photon đều tham gia vào tương tác yếu. Nó xác định hầu hết sự phân rã của các hạt cơ bản, sự tương tác của neutrino với vật chất, v.v. Tương tác yếu được đặc trưng bởi sự vi phạm tính chẵn lẻ, tính kỳ lạ và “sự quyến rũ”. Một lý thuyết thống nhất về tương tác yếu và tương tác điện từ được tạo ra vào cuối những năm 60 bởi S. Weinberg, S. Glashow và A. Salam. Nó mô tả sự tương tác của quark và lepton, được thực hiện thông qua sự trao đổi của bốn hạt: photon không khối lượng (tương tác điện từ) và boson vectơ trung gian nặng - các hạt W+, W- và Z°, là những hạt mang tương tác yếu (được phát hiện bằng thực nghiệm ở 1983). Tương tác đơn lẻ này được gọi là điện yếu. Kể từ lý thuyết trường điện từ của Maxwell, việc tạo ra lý thuyết này là bước tiến lớn nhất hướng tới sự thống nhất của vật lý.

1.4. Tương tác mạnh mẽ.

Tương tác cuối cùng trong chuỗi tương tác cơ bản là tương tác mạnh, là nguồn năng lượng khổng lồ. Ví dụ điển hình nhất về năng lượng được giải phóng bởi lực mạnh là Mặt trời của chúng ta. Trong sâu thẳm Mặt trời và các ngôi sao, bắt đầu từ một thời điểm nhất định, các phản ứng nhiệt hạch do tương tác mạnh liên tục xảy ra. Nhưng con người cũng đã học cách giải phóng các tương tác mạnh: một quả bom hydro đã được tạo ra, các công nghệ cho phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát đã được thiết kế và cải tiến.

Vật lý nảy ra ý tưởng về sự tồn tại của tương tác mạnh trong quá trình nghiên cứu cấu trúc của hạt nhân nguyên tử. Một lực nào đó phải giữ các proton trong hạt nhân, ngăn chúng tán xạ dưới tác dụng của lực đẩy tĩnh điện. Lực hấp dẫn quá yếu cho việc này; Rõ ràng là cần có một số tương tác mới, hơn nữa, mạnh hơn tương tác điện từ. Sau đó nó đã được phát hiện. Hóa ra là mặc dù tương tác mạnh vượt xa đáng kể tất cả các tương tác cơ bản khác về độ lớn của nó, nhưng nó không được cảm nhận ở bên ngoài hạt nhân. Bán kính tác dụng của lực mới hóa ra rất nhỏ. Lực mạnh giảm mạnh ở khoảng cách từ proton hoặc neutron lớn hơn khoảng 10^(-15) m.

Ngoài ra, hóa ra không phải tất cả các hạt đều trải qua tương tác mạnh. Nó được trải nghiệm bởi các proton và neutron, nhưng các electron, neutrino và photon không chịu ảnh hưởng của nó. Điều này có nghĩa là chỉ có các hadron mới tham gia vào tương tác mạnh.

Tương tác mạnh vượt quá tương tác điện từ khoảng 100 lần. Việc giải thích lý thuyết về bản chất của tương tác mạnh rất khó phát triển. Một bước đột phá xảy ra vào đầu những năm 60, khi mô hình quark được đề xuất. Trong lý thuyết này, neutron và proton không được coi là các hạt cơ bản mà là các hệ thống tổng hợp được tạo ra từ các quark. Lý thuyết hiện đại về tương tác mạnh là sắc động lực học lượng tử.

Do đó, trong các tương tác vật lý cơ bản, có thể thấy rõ sự khác biệt giữa lực tầm xa và lực tầm ngắn. Một mặt, có những tương tác trong phạm vi không giới hạn (trọng lực, điện từ), mặt khác là những tương tác trong phạm vi ngắn (mạnh và yếu). Thế giới của các yếu tố vật lý nói chung mở ra trong sự thống nhất của hai cực này và là hiện thân của sự thống nhất giữa hành động cực kỳ nhỏ và cực lớn - hành động tầm ngắn trong thế giới vi mô và hành động tầm xa trong toàn Vũ trụ.

1.5. Vấn đề thống nhất của vật lý.

Kiến thức là sự khái quát hóa của thực tế, và do đó mục tiêu của khoa học là tìm kiếm sự thống nhất trong tự nhiên, liên kết những mảnh kiến thức rời rạc thành một bức tranh duy nhất. Để tạo nên một hệ thống thống nhất, cần mở ra mối liên kết giữa các nhánh tri thức khác nhau, một số mối quan hệ cơ bản. Việc tìm kiếm những kết nối và mối quan hệ như vậy là một trong những nhiệm vụ chính của nghiên cứu khoa học. Bất cứ khi nào có thể thiết lập những kết nối mới như vậy, sự hiểu biết về thế giới xung quanh sẽ trở nên sâu sắc hơn đáng kể, những cách hiểu biết mới được hình thành sẽ chỉ ra những hiện tượng chưa từng được biết đến trước đây.

Thiết lập mối liên hệ sâu sắc giữa các khu vực khác nhau của tự nhiên vừa là sự tổng hợp kiến thức vừa là phương pháp hướng dẫn nghiên cứu khoa học dọc theo những con đường mới, chưa có người đi qua. Việc Newton phát hiện ra mối liên hệ giữa lực hút các vật thể trong điều kiện trên Trái đất và chuyển động của các hành tinh đã đánh dấu sự ra đời của cơ học cổ điển, trên cơ sở đó xây dựng nền tảng công nghệ của nền văn minh hiện đại. Việc thiết lập mối liên hệ giữa các tính chất nhiệt động của chất khí và chuyển động hỗn loạn của các phân tử đã đặt lý thuyết nguyên tử-phân tử của vật chất trên một cơ sở vững chắc. Vào giữa thế kỷ trước, Maxwell đã tạo ra một lý thuyết điện từ thống nhất bao hàm cả hiện tượng điện và từ. Sau đó, vào những năm 20 của thế kỷ XX, Einstein đã nỗ lực kết hợp điện từ và lực hấp dẫn trong một lý thuyết duy nhất.

Nhưng đến giữa thế kỷ XX, tình hình vật lý đã thay đổi hoàn toàn: hai tương tác cơ bản mới được phát hiện - mạnh và yếu, tức là tương tác giữa hai lực. khi tạo ra một vật lý thống nhất, người ta phải tính đến không phải hai mà là bốn tương tác cơ bản. Điều này phần nào làm nguội đi sự nhiệt tình của những người hy vọng vào một giải pháp nhanh chóng cho vấn đề này. Nhưng bản thân ý tưởng này đã không bị đặt câu hỏi nghiêm túc và sự nhiệt tình đối với ý tưởng về một mô tả duy nhất vẫn không mất đi.

Có quan điểm cho rằng cả bốn (hoặc ít nhất ba) tương tác đều thể hiện những hiện tượng có cùng bản chất và phải tìm ra mô tả lý thuyết thống nhất của chúng. Triển vọng tạo ra một lý thuyết thống nhất về thế giới của các yếu tố vật lý dựa trên một tương tác cơ bản duy nhất vẫn rất hấp dẫn. Đây là giấc mơ chính của các nhà vật lý thế kỷ XX. Nhưng trong một thời gian dài nó vẫn chỉ là một giấc mơ và rất mơ hồ.

Tuy nhiên, vào nửa sau thế kỷ XX, những điều kiện tiên quyết để thực hiện ước mơ này và niềm tin rằng đây không phải là chuyện của tương lai xa đã xuất hiện. Có vẻ như nó có thể sớm trở thành hiện thực. Một bước quyết định hướng tới một lý thuyết thống nhất đã được thực hiện vào những năm 60-70 với sự ra đời đầu tiên của lý thuyết quark, và sau đó là lý thuyết tương tác điện yếu. Có lý do để tin rằng chúng ta đang ở ngưỡng cửa của một sự thống nhất mạnh mẽ và sâu sắc hơn bao giờ hết. Các nhà vật lý ngày càng tin tưởng rằng đường nét của một lý thuyết thống nhất về mọi tương tác cơ bản - Sự Thống nhất Vĩ đại - đang bắt đầu xuất hiện.

2. Phân loại hạt cơ bản.

2.1. Đặc điểm của các hạt hạ nguyên tử.

Việc phát hiện vào đầu thế kỷ 19 và 20 về những chất nhỏ nhất mang các đặc tính của vật chất - phân tử và nguyên tử - và việc xác lập thực tế rằng các phân tử được cấu tạo từ nguyên tử, lần đầu tiên đã giúp người ta có thể mô tả tất cả các chất đã biết. như sự kết hợp của một số lượng thành phần cấu trúc hữu hạn, mặc dù lớn - các nguyên tử. Xác định thêm về sự hiện diện của các nguyên tử cấu thành - electron và hạt nhân, thiết lập tính chất phức tạp của hạt nhân, hóa ra chỉ được tạo thành từ hai loại hạt (proton và neutron) , giảm đáng kể số lượng các phần tử rời rạc hình thành nên tính chất của vật chất. Không thể nói chắc chắn rằng các hạt cơ bản theo nghĩa của định nghĩa trên có tồn tại hay không. Ví dụ, proton và neutron, vốn từ lâu được coi là cơ bản, hóa ra lại có cấu trúc phức tạp. Không thể loại trừ khả năng trình tự các thành phần cấu trúc của vật chất về cơ bản là vô hạn. Cũng có thể phát biểu “bao gồm…” ở một giai đoạn nào đó của quá trình nghiên cứu vật chất sẽ trở nên thiếu nội dung. Trong trường hợp này, định nghĩa “sơ cấp” ở trên sẽ phải bị loại bỏ. Sự tồn tại của các hạt cơ bản (hạ nguyên tử) là một loại định đề và việc kiểm tra tính đúng đắn của nó là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của vật lý.

Các đặc điểm của các hạt hạ nguyên tử là khối lượng, điện tích, spin (momen động lượng nội tại), thời gian sống của hạt, mômen từ, tính chẵn lẻ về không gian, tính chẵn lẻ điện tích, điện tích lepton, điện tích baryon, tính lạ, “duyên”, v.v.

Khi nói về khối lượng của một hạt, họ muốn nói đến khối lượng nghỉ của nó, vì khối lượng này không phụ thuộc vào trạng thái chuyển động. Một hạt có khối lượng nghỉ bằng 0 chuyển động với tốc độ ánh sáng (photon). Không có hai hạt nào có cùng khối lượng. Electron là hạt nhẹ nhất có khối lượng nghỉ khác 0. Proton và neutron nặng hơn electron gần 2000 lần. Và hạt cơ bản nặng nhất được biết đến (hạt Z) có khối lượng gấp 200.000 lần khối lượng của electron.

Điện tích thay đổi trong một phạm vi khá hẹp và luôn là bội số của đơn vị điện tích cơ bản - điện tích của electron (-1). Một số hạt, chẳng hạn như photon và neutrino, không có điện tích nào cả.

Một đặc tính quan trọng của hạt là spin. Nó không có dạng tương tự cổ điển và tất nhiên, biểu thị “độ phức tạp bên trong” của một vật thể vi mô. Đúng vậy, đôi khi họ cố gắng so sánh với khái niệm quay một mô hình của một vật quay quanh trục của nó (bản thân từ “quay” được dịch là “trục xoay”). Mô hình này trực quan nhưng không chính xác. Trong mọi trường hợp, nó không thể được hiểu theo nghĩa đen. Thuật ngữ “vật thể vi mô quay” được tìm thấy trong tài liệu không có nghĩa là sự quay của vật thể vi mô mà chỉ có sự hiện diện của một xung lượng góc cụ thể bên trong. Để khoảnh khắc này “biến” thành xung lượng góc cổ điển (và do đó vật thực sự bắt đầu quay), cần phải thỏa mãn điều kiện s >> 1 (nhiều hơn một). Tuy nhiên, điều kiện này không bao giờ được đáp ứng. Spin cũng luôn là bội số của một đơn vị cơ bản nào đó, được chọn là ½. Tất cả các hạt cùng loại đều có cùng spin. Thông thường, spin của hạt được đo bằng đơn vị hằng số Planck ћ. Nó có thể là số nguyên (0, 1, 2,...) hoặc nửa số nguyên (1/2, 3/2,...). Do đó, proton, neutron và electron có spin bằng S, và spin của photon bằng 1. Các hạt có spin bằng 0, 3/2, 2 được biết đến. Hạt có spin bằng 0 trông giống nhau ở bất kỳ góc quay nào. Các hạt có spin 1 có dạng tương tự sau khi quay hết 360°. Một hạt có spin 1/2 sẽ có hình dạng trước đó sau khi quay một góc 720°, v.v. Một hạt có spin 2 trở về vị trí cũ sau nửa vòng quay (180°). Các hạt có spin lớn hơn 2 vẫn chưa được phát hiện và có lẽ chúng hoàn toàn không tồn tại. Biết được độ quay của một vi vật thể cho phép chúng ta đánh giá bản chất hành vi của nó trong một nhóm thuộc loại riêng của nó (nói cách khác, nó cho phép chúng ta đánh giá các đặc tính thống kê của vật thể vi mô). Hóa ra, theo các đặc tính thống kê của chúng, tất cả các vật thể vi mô trong tự nhiên được chia thành hai nhóm: một nhóm các vật thể vi mô có spin nguyên và một nhóm các vật thể vi mô có spin nửa số nguyên.

Các đối tượng vi mô thuộc nhóm đầu tiên có khả năng “điền vào” cùng một trạng thái với số lượng không giới hạn, và trạng thái này được “điền vào” càng mạnh thì số lượng càng cao. Những vật thể vi mô như vậy được cho là tuân theo thống kê Bose-Einstein. Nói tóm lại, chúng được gọi đơn giản là boson. Các đối tượng vi mô thuộc nhóm thứ hai chỉ có thể “điền” từng trạng thái một. Và nếu trạng thái được đề cập đã bị chiếm giữ, thì không có vi mô nào thuộc loại này có thể xâm nhập vào đó. Những vật thể vi mô như vậy được cho là tuân theo thống kê Fermi-Dirac, và để cho ngắn gọn, chúng được gọi là fermion. Trong số các hạt cơ bản, boson bao gồm photon và meson, và fermion bao gồm lepton (đặc biệt là electron), nucleon và hyperon.

Các hạt cũng được đặc trưng bởi tuổi thọ của chúng. Dựa trên tiêu chí này, các hạt được chia thành ổn định và không ổn định. Các hạt ổn định là electron, proton, photon và neutrino. Neutron ổn định khi ở trong hạt nhân nguyên tử, nhưng neutron tự do sẽ phân rã trong khoảng 15 phút. Tất cả các hạt đã biết khác đều không ổn định, thời gian tồn tại của chúng dao động từ vài micro giây đến 10n giây (trong đó n = -23). Điều này có nghĩa là khi hết thời gian này, chúng tự phát, không chịu bất kỳ tác động nào từ bên ngoài, tan rã, biến thành các hạt khác. Ví dụ, neutron tự phát phân rã thành proton, electron và phản neutrino electron. Không thể dự đoán chính xác khi nào sự phân rã được chỉ định của một neutron cụ thể sẽ xảy ra, bởi vì mỗi sự kiện phân rã cụ thể là ngẫu nhiên. Mỗi hạt cơ bản không ổn định được đặc trưng bởi thời gian sống của chính nó. Thời gian tồn tại càng ngắn thì khả năng phân rã hạt càng lớn. Tính không ổn định vốn có không chỉ ở các hạt cơ bản mà còn ở các vật thể vi mô khác. Hiện tượng phóng xạ (sự biến đổi tự phát các đồng vị của nguyên tố hóa học này thành đồng vị của nguyên tố hóa học khác, kèm theo sự phát xạ của các hạt) cho thấy hạt nhân nguyên tử có thể không ổn định. Các nguyên tử và phân tử ở trạng thái kích thích cũng trở nên không ổn định: chúng tự phát đi vào trạng thái cơ bản hoặc ít bị kích thích hơn.

Tính không ổn định, được xác định bởi các định luật xác suất, cùng với sự hiện diện của spin, là đặc tính đặc biệt thứ hai vốn có ở các vật thể vi mô. Nó cũng có thể được coi là dấu hiệu cho thấy “độ phức tạp bên trong” nhất định của một vật thể vi mô.

Tuy nhiên, tính không ổn định là một thuộc tính cụ thể, nhưng không có nghĩa là bắt buộc, của một vật thể vi mô. Cùng với những vật thể không ổn định, còn có nhiều vật thể vi mô ổn định: photon, electron, proton, neutrino, hạt nhân nguyên tử ổn định, cũng như các nguyên tử và phân tử ở trạng thái cơ bản.

Điện tích lepton (số lepton) là đặc tính bên trong của lepton. Nó được chỉ định bởi chữ L. Đối với lepton là +1 và đối với phản lepton là -1. Có: điện tích lepton điện tử, chỉ có electron, positron, neutrino electron và phản neutrino; điện tích lepton muon, thứ chỉ có ở muon, muon neutrino và phản neutrino; điện tích lepton của các lepton nặng và neutrino của chúng. Tổng đại số của điện tích lepton của từng loại được bảo toàn với độ chính xác rất cao trong mọi tương tác.

Điện tích baryon (số baryon) là một trong những đặc tính bên trong của baryon. Ký hiệu bằng chữ B. Tất cả các baryon đều có B = +1, và phản hạt của chúng có B = -1 (đối với các hạt cơ bản khác B = 0). Tổng đại số của các điện tích baryon có trong hệ hạt được bảo toàn trong mọi tương tác.

Độ lạ là một số lượng tử nguyên (không, dương hoặc âm) đặc trưng cho các hadron. Sự kỳ lạ của hạt và phản hạt trái dấu nhau. Hadron có S bằng 0 được gọi là lạ. Tính lạ được bảo toàn trong tương tác mạnh và tương tác điện từ, nhưng bị vi phạm trong tương tác yếu.

“Duyên” (duyên) là một số lượng tử đặc trưng cho các hadron (hay quark). Nó được bảo toàn trong tương tác mạnh và tương tác điện từ, nhưng bị vi phạm bởi tương tác yếu. Các hạt có giá trị duyên khác 0 được gọi là hạt "duyên".

Magneton là đơn vị đo mô men từ trong vật lý nguyên tử, hạt nhân nguyên tử và các hạt cơ bản. Mômen từ, gây ra bởi chuyển động quỹ đạo của các electron trong nguyên tử và spin của chúng, được đo bằng magneton Bohr. Mômen từ của nucleon và hạt nhân được đo bằng magneton hạt nhân.

Tính chẵn lẻ là một đặc tính khác của các hạt hạ nguyên tử. Tính chẵn lẻ là một số lượng tử đặc trưng cho tính đối xứng của hàm sóng của một hệ vật lý hoặc một hạt cơ bản dưới một số phép biến đổi rời rạc: nếu trong quá trình biến đổi như vậy, hàm số không đổi dấu thì tính chẵn lẻ là dương; nếu đúng như vậy thì hàm số chẵn lẻ là dương; tính chẵn lẻ là âm. Đối với các hạt (hoặc hệ) trung hòa tuyệt đối giống hệt với phản hạt của chúng, ngoài tính chẵn lẻ về không gian, người ta có thể đưa ra các khái niệm về tính chẵn lẻ điện tích và tính chẵn lẻ kết hợp (đối với các hạt khác, việc thay thế chúng bằng phản hạt sẽ làm thay đổi chính hàm sóng).

Tính chẵn lẻ của không gian là một đặc tính cơ lượng tử phản ánh tính chất đối xứng của các hạt cơ bản hoặc hệ thống của chúng trong quá trình phản xạ gương (đảo ngược không gian). Tính chẵn lẻ này được ký hiệu bằng chữ P và được bảo toàn trong mọi tương tác ngoại trừ tương tác yếu.

Tính phí ngang bằng - tính chẵn lẻ của một hạt hoặc hệ cơ bản trung hòa tuyệt đối, tương ứng với hoạt động liên hợp điện tích. Tính chẵn lẻ của điện tích cũng được bảo toàn trong tất cả các tương tác ngoại trừ các tương tác yếu.

Tính chẵn lẻ kết hợp là tính chẵn lẻ của một hạt (hoặc hệ thống) hoàn toàn trung tính so với nghịch đảo kết hợp. Tính chẵn lẻ kết hợp được bảo toàn trong mọi tương tác, ngoại trừ sự phân hủy của meson K trung hòa tồn tại lâu dài do tương tác yếu gây ra (lý do cho sự vi phạm tính chẵn lẻ kết hợp này vẫn chưa được làm rõ).

2.2. Lịch sử phát hiện ra các hạt cơ bản.

Ý tưởng cho rằng thế giới được tạo thành từ các hạt cơ bản đã có lịch sử lâu đời. Lần đầu tiên, ý tưởng về sự tồn tại của những hạt vô hình nhỏ nhất tạo nên mọi vật thể xung quanh đã được nhà triết học Hy Lạp Democritus thể hiện cách đây 400 năm trước Công nguyên. Ông gọi những hạt này là nguyên tử, tức là những hạt không thể phân chia được. Khoa học chỉ bắt đầu sử dụng ý tưởng về nguyên tử vào đầu thế kỷ 19, khi trên cơ sở này người ta có thể giải thích một số hiện tượng hóa học. Vào những năm 30 của thế kỷ 19, trong lý thuyết điện phân do M. Faraday phát triển, khái niệm ion xuất hiện và điện tích cơ bản được đo. Nhưng từ khoảng giữa thế kỷ 19, những sự thật thực nghiệm bắt đầu xuất hiện khiến người ta nghi ngờ về ý tưởng về tính không thể phân chia của nguyên tử. Kết quả của những thí nghiệm này cho thấy nguyên tử có cấu trúc phức tạp và chúng chứa các hạt tích điện. Điều này đã được xác nhận bởi nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel, người đã phát hiện ra hiện tượng phóng xạ vào năm 1896.

Tiếp theo đó là việc nhà vật lý người Anh Thomson phát hiện ra hạt cơ bản đầu tiên vào năm 1897. Chính electron cuối cùng đã có được trạng thái của một vật thể vật lý thực sự và trở thành hạt cơ bản đầu tiên được biết đến trong lịch sử loài người. Khối lượng của nó nhỏ hơn khoảng 2000 lần so với khối lượng của nguyên tử hydro và bằng:

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

Điện tích âm của electron được gọi là điện tích cơ bản và bằng:

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

Phân tích quang phổ nguyên tử cho thấy spin của electron bằng 1/2 và mô men từ của nó bằng một magneton Bohr. Các electron tuân theo thống kê Fermi vì chúng có spin bán nguyên. Điều này phù hợp với dữ liệu thực nghiệm về cấu trúc nguyên tử và hoạt động của các electron trong kim loại. Electron tham gia vào các tương tác điện từ, yếu và hấp dẫn.

Hạt cơ bản thứ hai được phát hiện là proton (từ tiếng Hy Lạp protos - thứ nhất). Hạt cơ bản này được Rutherford phát hiện vào năm 1919 khi đang nghiên cứu sản phẩm phân hạch của hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố hóa học khác nhau. Theo nghĩa đen, proton là hạt nhân của nguyên tử đồng vị nhẹ nhất của hydro - protium. Spin của proton là 1/2. Một proton có điện tích cơ bản dương +e. Khối lượng của nó là:

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

hoặc xấp xỉ 1836 khối lượng electron. Proton là một phần hạt nhân của tất cả các nguyên tử của các nguyên tố hóa học. Sau đó, vào năm 1911, Rutherford đề xuất một mô hình hành tinh của nguyên tử, giúp các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn về thành phần của nguyên tử.

Năm 1932, J. Chadwick phát hiện ra hạt cơ bản thứ ba, neutron (từ tiếng Latin trung tính - không phải cái này hay cái kia), không mang điện tích và có khối lượng xấp xỉ 1839 lần khối lượng của một electron. Spin neutron cũng là 1/2.

Kết luận về sự tồn tại của một hạt trong trường điện từ - photon - bắt nguồn từ công trình của M. Planck (1900). Giả sử rằng năng lượng của bức xạ điện từ từ một vật thể hoàn toàn đen bị lượng tử hóa (tức là bao gồm lượng tử), Planck đã thu được công thức đúng cho phổ bức xạ. Phát triển ý tưởng của Planck, A. Einstein (1905) đã đưa ra giả thuyết rằng bức xạ điện từ (ánh sáng) thực chất là một dòng lượng tử riêng lẻ (photon), và trên cơ sở đó đã giải thích các định luật về hiệu ứng quang điện. Bằng chứng thực nghiệm trực tiếp về sự tồn tại của photon được đưa ra bởi R. Millikan vào năm 1912 – 1915 và A. Compton vào năm 1922.

Việc phát hiện ra neutrino, một hạt hầu như không tương tác với vật chất, bắt nguồn từ phỏng đoán lý thuyết của W. Pauli vào năm 1930, giả định về sự ra đời của một hạt như vậy đã giúp loại bỏ những khó khăn với định luật bảo toàn. năng lượng trong quá trình phân rã beta của hạt nhân phóng xạ. Sự tồn tại của neutrino chỉ được xác nhận bằng thực nghiệm vào năm 1953 bởi F. Reines và K. Cowan.

Nhưng vật chất không chỉ bao gồm các hạt. Ngoài ra còn có phản hạt - hạt cơ bản có cùng khối lượng, spin, tuổi thọ và một số đặc tính bên trong khác như “anh em song sinh” của chúng - hạt nhưng khác hạt ở các dấu hiệu điện tích và mô men từ, điện tích baryon, điện tích lepton, độ lạ. v.v. Tất cả các hạt cơ bản, ngoại trừ những hạt trung hòa tuyệt đối, đều có phản hạt riêng của chúng.

Phản hạt đầu tiên được phát hiện là positron (từ tiếng Latin positivus - dương) - một hạt có khối lượng bằng electron nhưng mang điện tích dương. Phản hạt này được phát hiện trong các tia vũ trụ bởi nhà vật lý người Mỹ Carl David Anderson vào năm 1932. Điều thú vị là, sự tồn tại của positron đã được nhà vật lý người Anh Paul Dirac dự đoán về mặt lý thuyết gần một năm trước khi phát hiện thực nghiệm. Hơn nữa, Dirac còn dự đoán cái gọi là quá trình hủy diệt (biến mất) và sự ra đời của cặp electron-positron. Sự hủy diệt của một cặp là một trong những dạng biến đổi của các hạt cơ bản xảy ra khi một hạt va chạm với một phản hạt. Trong quá trình hủy diệt, một hạt và một phản hạt biến mất, biến thành các hạt khác, số lượng và loại của chúng bị giới hạn bởi các định luật bảo toàn. Quá trình hủy diệt ngược lại là sự ra đời của một cặp vợ chồng. Bản thân positron ổn định nhưng trong vật chất nó tồn tại trong thời gian rất ngắn do sự hủy diệt với các electron. Sự hủy diệt của một electron và một positron là khi chúng gặp nhau thì chúng biến mất, biến thành γ- lượng tử (photon). Và trong một vụ va chạm γ- Khi một lượng tử xảy ra với bất kỳ hạt nhân có khối lượng lớn nào, một cặp electron-positron sẽ được sinh ra.

Năm 1955, một phản hạt khác được phát hiện - phản proton, và một thời gian sau - phản neutron. Phản neutron, giống như neutron, không có điện tích, nhưng chắc chắn nó thuộc về phản hạt, vì nó tham gia vào quá trình hủy diệt và hình thành cặp neutron-phản neutron.

Khả năng thu được phản hạt đã khiến các nhà khoa học nảy ra ý tưởng tạo ra phản vật chất. Các nguyên tử phản vật chất nên được xây dựng theo cách này: ở trung tâm nguyên tử có một hạt nhân tích điện âm, bao gồm các phản proton và phản neutron, và các positron mang điện tích dương quay xung quanh hạt nhân. Nói chung, nguyên tử cũng trung tính. Ý tưởng này đã nhận được sự xác nhận thực nghiệm tuyệt vời. Năm 1969, tại máy gia tốc proton ở thành phố Serpukhov, các nhà vật lý Liên Xô đã thu được hạt nhân của các nguyên tử phản helium. Cũng trong năm 2002, 50.000 nguyên tử phản hydro đã được tạo ra tại máy gia tốc CERN ở Geneva. Nhưng bất chấp điều này, sự tích tụ phản vật chất trong Vũ trụ vẫn chưa được phát hiện. Cũng rõ ràng rằng chỉ với một tương tác nhỏ nhất của phản vật chất với bất kỳ chất nào, sự hủy diệt của chúng sẽ xảy ra, kèm theo sự giải phóng năng lượng khổng lồ, gấp nhiều lần năng lượng của hạt nhân nguyên tử, cực kỳ không an toàn cho con người và môi trường. .

Hiện nay, phản hạt của hầu hết các hạt cơ bản đã biết đều đã được phát hiện bằng thực nghiệm.

Một vai trò quan trọng trong vật lý của các hạt cơ bản được thực hiện bởi các định luật bảo toàn thiết lập sự bằng nhau giữa các tổ hợp đại lượng nhất định đặc trưng cho trạng thái ban đầu và cuối cùng của hệ thống. Kho các định luật bảo toàn trong vật lý lượng tử lớn hơn trong vật lý cổ điển. Nó được bổ sung các định luật bảo toàn các tính chẵn lẻ khác nhau (không gian, điện tích), điện tích (leptonic, baryon, v.v.), tính đối xứng bên trong đặc trưng của loại tương tác này hoặc loại tương tác khác.

Việc tách biệt các đặc điểm của từng hạt hạ nguyên tử là một điều quan trọng nhưng chỉ là giai đoạn đầu để hiểu thế giới của chúng. Ở giai đoạn tiếp theo, chúng ta vẫn cần hiểu vai trò của từng hạt riêng lẻ là gì, chức năng của nó trong cấu trúc của vật chất.

Các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng, trước hết, tính chất của một hạt được xác định bởi khả năng (hoặc không có khả năng) tham gia vào các tương tác mạnh của nó. Các hạt tham gia tương tác mạnh tạo thành một lớp đặc biệt và được gọi là hadron. Các hạt tham gia tương tác yếu và không tham gia tương tác mạnh được gọi là lepton. Ngoài ra, còn có các hạt mang tương tác.

2.3. Lepton.

Lepton được coi là hạt cơ bản thực sự. Mặc dù các lepton có thể mang điện hoặc không mang điện nhưng chúng đều có spin 1/2. Trong số các lepton, nổi tiếng nhất là electron. Electron là hạt cơ bản đầu tiên được phát hiện. Giống như tất cả các lepton khác, electron dường như là một vật thể cơ bản (theo đúng nghĩa của từ này). Theo những gì được biết, electron không bao gồm bất kỳ hạt nào khác.

Một lepton nổi tiếng khác là neutrino. Neutrino là những hạt phổ biến nhất trong Vũ trụ. Vũ trụ có thể được hình dung như một biển neutrino vô biên, trong đó thỉnh thoảng người ta tìm thấy những hòn đảo ở dạng nguyên tử. Nhưng bất chấp sự phổ biến của neutrino như vậy, việc nghiên cứu chúng vẫn rất khó khăn. Như chúng ta đã lưu ý, neutrino hầu như khó nắm bắt. Không tham gia vào các tương tác mạnh hoặc tương tác điện từ, chúng xuyên qua vật chất như thể nó không hề tồn tại ở đó. Neutrino là một loại “bóng ma của thế giới vật chất”.

Muon khá phổ biến trong tự nhiên, chiếm một phần đáng kể trong bức xạ vũ trụ. Ở nhiều khía cạnh, muon giống với một electron: nó có cùng điện tích và spin, tham gia vào các tương tác đó, nhưng có khối lượng lớn (khoảng 207 khối lượng electron) và không ổn định. Trong khoảng hai phần triệu giây, muon phân rã thành một electron và hai neutrino. Vào cuối những năm 1970, lepton tích điện thứ ba được phát hiện, gọi là lepton tau. Đây là một hạt rất nặng. Khối lượng của nó là khoảng 3500 khối lượng electron. Nhưng ở mọi khía cạnh khác, nó hành xử giống như một electron và muon.

Vào những năm 60, danh sách các lepton đã mở rộng đáng kể. Người ta phát hiện ra rằng có một số loại neutrino: neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau. Như vậy, tổng số loại neutrino là ba, và tổng số lepton là sáu. Tất nhiên, mỗi lepton có phản hạt riêng; do đó tổng số lepton khác nhau là mười hai. Các lepton trung tính chỉ tham gia vào các tương tác yếu; tích điện - ở dạng yếu và điện từ. Tất cả các lepton đều tham gia vào tương tác hấp dẫn nhưng không có khả năng tương tác mạnh.

2.4. Hadron.

Nếu chỉ có hơn một chục lepton thì sẽ có hàng trăm hadron. Vô số hadron như vậy cho thấy các hadron không phải là các hạt cơ bản mà được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn. Tất cả các hadron đều có hai loại - tích điện và trung tính. Trong số các hadron, nổi tiếng và phổ biến nhất là neutron và proton, chúng thuộc lớp nucleon. Các hadron còn lại tồn tại trong thời gian ngắn và phân rã nhanh chóng. Hadron tham gia vào tất cả các tương tác cơ bản. Chúng được chia thành baryon và meson. Baryon bao gồm nucleon và hyperon.

Để giải thích sự tồn tại của lực hạt nhân tương tác giữa các nucleon, lý thuyết lượng tử đòi hỏi sự tồn tại của các hạt cơ bản đặc biệt có khối lượng lớn hơn khối lượng của electron nhưng nhỏ hơn khối lượng của proton. Những hạt này, được dự đoán bởi lý thuyết lượng tử, sau này được gọi là meson. Meson được phát hiện bằng thực nghiệm. Hóa ra có cả một gia đình trong số họ. Tất cả chúng hóa ra đều là những hạt không ổn định có thời gian tồn tại ngắn, sống ở trạng thái tự do trong một phần tỷ giây. Ví dụ, một pi-meson hoặc pion tích điện có khối lượng nghỉ bằng 273 khối lượng electron và thời gian tồn tại:

t = 2,6*10^(-8) giây.

Hơn nữa, trong quá trình nghiên cứu tại các máy gia tốc hạt tích điện, người ta đã phát hiện ra các hạt có khối lượng vượt quá khối lượng của một proton. Những hạt này được gọi là hyperon. Thậm chí nhiều trong số chúng đã được phát hiện hơn cả meson. Họ hyperon bao gồm: hyperon lambda-, sigma-, xi- và omega-trừ.

Sự tồn tại và tính chất của hầu hết các hadron đã biết đều được xác lập trong các thí nghiệm máy gia tốc. Việc phát hiện ra nhiều hadron khác nhau vào những năm 50-60 đã khiến các nhà vật lý hết sức bối rối. Nhưng theo thời gian, hadron được phân loại theo khối lượng, điện tích và spin. Dần dần một bức tranh ít nhiều rõ ràng bắt đầu xuất hiện. Những ý tưởng cụ thể nảy sinh về cách hệ thống hóa sự hỗn loạn của dữ liệu thực nghiệm và khám phá bí ẩn về hadron trong lý thuyết khoa học. Bước quyết định ở đây được thực hiện vào năm 1963, khi lý thuyết về quark được đề xuất.

2.5. Lý thuyết quark.

Lý thuyết quark là một lý thuyết về cấu trúc của hadron. Ý tưởng chính của lý thuyết này rất đơn giản. Tất cả các hadron đều được tạo thành từ các hạt nhỏ hơn gọi là quark. Điều này có nghĩa là quark có nhiều hạt cơ bản hơn hadron. Quark là các hạt giả thuyết vì không được quan sát ở trạng thái tự do. Điện tích baryon của quark là 1/3. Chúng mang điện tích phân đoạn: chúng có điện tích có giá trị bằng -1/3 hoặc +2/3 đơn vị cơ bản - điện tích của electron. Sự kết hợp của hai và ba quark có thể có tổng điện tích bằng 0 hoặc một. Tất cả các quark đều có spin S nên chúng được phân loại là fermion. Những người sáng lập lý thuyết quark, Gell-Mann và Zweig, để tính đến tất cả các hadron được biết đến trong thập niên 60, đã đưa ra ba loại (màu sắc) của quark: u (từ trên - trên), d (từ dưới - thấp hơn) và s (từ lạ - lạ).

Các quark có thể kết hợp với nhau theo một trong hai cách: hoặc theo bộ ba hoặc theo cặp quark-phản quark. Các hạt tương đối nặng – baryon – được tạo thành từ ba quark. Các baryon được biết đến nhiều nhất là neutron và proton. Các cặp quark-phản quark nhẹ hơn tạo thành các hạt gọi là meson - “các hạt trung gian”. Ví dụ, một proton bao gồm hai quark u và một quark d (uud), và một neutron bao gồm hai quark d và một quark u (udd). Để “bộ ba” quark này không bị phân rã, cần có một lực giữ, một “chất keo” nhất định.

Hoá ra là sự tương tác thu được giữa neutron và proton trong hạt nhân chỉ đơn giản là hiệu ứng còn sót lại của sự tương tác mạnh hơn giữa bản thân các quark. Điều này giải thích tại sao các tương tác mạnh lại có vẻ phức tạp đến vậy. Khi một proton “dính” vào một neutron hoặc một proton khác, sự tương tác bao gồm sáu quark, mỗi quark tương tác với tất cả các quark khác. Một phần đáng kể của lực được dùng để gắn chặt ba quark và một phần nhỏ được dùng để gắn chặt hai bộ ba quark với nhau. Nhưng sau đó hóa ra các quark cũng tham gia vào các tương tác yếu. Tương tác yếu có thể làm thay đổi màu sắc của quark. Đây là cách phân rã neutron xảy ra. Một trong các d-quark trong neutron biến thành quark u và điện tích dư sẽ mang đi electron được sinh ra cùng lúc. Tương tự, bằng cách thay đổi mùi vị, tương tác yếu dẫn tới sự phân rã của các hadron khác.

Việc tất cả các hadron đã biết đều có thể thu được từ những tổ hợp khác nhau của ba hạt cơ bản là một thắng lợi cho lý thuyết quark. Nhưng vào những năm 70, các hadron mới đã được phát hiện (hạt psi, meson upsilon, v.v.). Điều này giáng một đòn mạnh vào phiên bản đầu tiên của lý thuyết quark, vì không còn chỗ cho một hạt mới nào trong đó nữa. Tất cả những tổ hợp có thể có của quark và phản quark của chúng đều đã cạn kiệt.

Vấn đề đã được giải quyết bằng cách giới thiệu ba màu mới. Chúng được đặt tên là c - quark (quyến rũ), b - quark (từ dưới lên - dưới, và thường là vẻ đẹp - vẻ đẹp hoặc sự quyến rũ), và sau đó một màu khác được giới thiệu - t (từ trên xuống).

Cho đến nay, quark và phản quark chưa được quan sát thấy ở dạng tự do. Tuy nhiên, thực tế không có nghi ngờ gì về thực tế tồn tại của chúng. Hơn nữa, một cuộc tìm kiếm đang được tiến hành đối với các hạt cơ bản “thực” theo sau các quark - gluon, chúng là chất mang tương tác giữa các quark, bởi vì Các quark được giữ với nhau bằng tương tác mạnh và gluon (điện tích màu) là chất mang tương tác mạnh. Lĩnh vực vật lý hạt nghiên cứu sự tương tác của quark và gluon được gọi là sắc động lực học lượng tử. Giống như điện động lực học lượng tử là lý thuyết về tương tác điện từ, sắc động lực học lượng tử là lý thuyết về tương tác mạnh. Sắc động lực học lượng tử là một lý thuyết trường lượng tử về sự tương tác mạnh mẽ của quark và gluon, được thực hiện thông qua sự trao đổi giữa chúng - gluon (tương tự như photon trong điện động lực học lượng tử). Không giống như photon, gluon tương tác với nhau, đặc biệt dẫn đến sự tăng cường độ tương tác giữa quark và gluon khi chúng di chuyển ra xa nhau. Người ta cho rằng chính tính chất này quyết định tác dụng tầm ngắn của lực hạt nhân và sự vắng mặt của các quark và gluon tự do trong tự nhiên.

Theo các khái niệm hiện đại, hadron có cấu trúc bên trong phức tạp: baryon gồm 3 quark, meson - gồm một quark và một phản quark.

Mặc dù có một số người không hài lòng với sơ đồ quark, nhưng hầu hết các nhà vật lý đều coi quark là các hạt cơ bản thực sự - giống như điểm, không thể phân chia và không có cấu trúc bên trong. Về mặt này, chúng giống với các lepton, và từ lâu người ta đã cho rằng phải có một mối quan hệ sâu sắc giữa hai họ khác biệt nhưng có cấu trúc tương tự nhau này.

Do đó, số hạt thực sự cơ bản có xác suất lớn nhất (không tính các hạt mang tương tác cơ bản) vào cuối thế kỷ XX là 48. Trong số này: lepton (6x2) = 12 và quark (6x3)x2 = 36.

2.6. Các hạt là chất mang tương tác.

Danh sách các hạt đã biết không chỉ giới hạn ở các hạt được liệt kê - lepton và hadron, những hạt tạo thành vật liệu xây dựng của vật chất. Ví dụ, danh sách này không bao gồm một photon. Ngoài ra còn có một loại hạt khác không trực tiếp là vật liệu cấu tạo nên vật chất nhưng cung cấp cả bốn tương tác cơ bản, tức là. tạo thành một loại “keo” ngăn thế giới tan rã. Những hạt như vậy được gọi là chất mang tương tác và một loại hạt cụ thể sẽ truyền tương tác của nó.

Hạt truyền tương tác điện từ giữa các hạt tích điện là photon. Photon là một lượng tử bức xạ điện từ, một hạt trung tính có khối lượng bằng không. Spin của photon là 1.

Lý thuyết tương tác điện từ được đưa ra bởi điện động lực học lượng tử.

Chất mang tương tác mạnh là gluon. Đây là những hạt trung hòa về điện được giả định có khối lượng bằng 0 và có spin bằng 1. Giống như quark, gluon có đặc tính lượng tử là “màu sắc”. Gluon là vật mang tương tác giữa các quark, bởi vì buộc chúng theo cặp hoặc ba.

Hạt mang tương tác yếu là ba hạt - boson W+, W- và Z°. Chúng chỉ được phát hiện vào năm 1983. Bán kính của tương tác yếu là cực kỳ nhỏ nên hạt mang nó phải là các hạt có khối lượng nghỉ lớn. Theo nguyên lý bất định, thời gian tồn tại của các hạt có khối lượng nghỉ lớn như vậy sẽ cực kỳ ngắn - chỉ khoảng 10n giây (trong đó n = -26). Bán kính tương tác mà những hạt này mang theo là rất nhỏ vì những hạt có thời gian tồn tại ngắn như vậy không có thời gian để di chuyển rất xa.

Có ý kiến cho rằng sự tồn tại của chất mang trường hấp dẫn - graviton - cũng có thể xảy ra (trong những lý thuyết về lực hấp dẫn coi nó không (chỉ) là hệ quả của độ cong của không-thời gian, mà là một trường). Về mặt lý thuyết, graviton là một lượng tử của trường hấp dẫn, có khối lượng nghỉ bằng 0, điện tích bằng 0 và spin 2. Về nguyên tắc, graviton có thể được phát hiện trong thí nghiệm. Nhưng vì tương tác hấp dẫn rất yếu và thực tế không biểu hiện trong các quá trình lượng tử nên rất khó phát hiện trực tiếp graviton và cho đến nay vẫn chưa có nhà khoa học nào thành công.

Việc phân loại các hạt thành các lepton, hadron và các hạt mang tương tác đã làm cạn kiệt thế giới các hạt hạ nguyên tử mà chúng ta đã biết. Mỗi loại hạt đều có vai trò trong việc hình thành cấu trúc của vật chất và Vũ trụ.

3. Lý thuyết về hạt cơ bản.

3.1. Điện động lực học lượng tử (QED).

Lý thuyết lượng tử kết hợp cơ học lượng tử, thống kê lượng tử và lý thuyết trường lượng tử.

Cơ học lượng tử (cơ học sóng) là một lý thuyết thiết lập phương pháp mô tả và định luật chuyển động của các hạt vi mô trong các trường bên ngoài nhất định. Nó cho phép chúng ta mô tả chuyển động của các hạt cơ bản, nhưng không cho phép chúng ta tạo ra hoặc phá hủy chúng, tức là nó chỉ được sử dụng để mô tả các hệ thống có số lượng hạt không đổi. Cơ học lượng tử là một trong những nhánh chính của lý thuyết lượng tử. Cơ học lượng tử lần đầu tiên có thể mô tả cấu trúc của các nguyên tử và hiểu được quang phổ của chúng, thiết lập bản chất của các liên kết hóa học, giải thích hệ thống tuần hoàn của các nguyên tố, v.v. Vì tính chất của các vật thể vĩ mô được xác định bởi sự chuyển động và tương tác của các vật thể vĩ mô. các hạt hình thành nên chúng, các định luật cơ học lượng tử làm nền tảng cho sự hiểu biết về hầu hết các hiện tượng vĩ mô. Do đó, cơ học lượng tử giúp hiểu được nhiều tính chất của chất rắn, giải thích các hiện tượng siêu dẫn, sắt từ, siêu chảy, v.v.. Các định luật cơ học lượng tử làm nền tảng cho năng lượng hạt nhân, điện tử lượng tử, v.v. Không giống như lý thuyết cổ điển, tất cả các hạt đều hoạt động trong cơ học lượng tử là những chất mang cả tính chất hạt và tính chất sóng, chúng không loại trừ mà bổ sung cho nhau. Bản chất sóng của electron, proton và các hạt khác được xác nhận bằng các thí nghiệm nhiễu xạ hạt. Trạng thái của một hệ lượng tử được mô tả bằng hàm sóng, bình phương mô đun xác định xác suất của một trạng thái nhất định và do đó, xác suất của các giá trị của đại lượng vật lý đặc trưng cho nó. Theo cơ học lượng tử, không phải tất cả các đại lượng vật lý đều có thể có giá trị chính xác cùng một lúc. Hàm sóng tuân theo nguyên lý chồng chất, đặc biệt, nguyên lý này giải thích sự nhiễu xạ của các hạt. Một đặc điểm nổi bật của lý thuyết lượng tử là tính rời rạc của các giá trị có thể có đối với một số đại lượng vật lý: năng lượng của electron trong nguyên tử, động lượng góc và hình chiếu của nó lên một hướng tùy ý, v.v.; trong lý thuyết cổ điển, tất cả những đại lượng này chỉ có thể thay đổi liên tục. Một vai trò cơ bản trong cơ học lượng tử được thực hiện bởi hằng số Planck - một trong những thang đo chính của tự nhiên, tách các khu vực hiện tượng có thể được mô tả bằng vật lý cổ điển khỏi các khu vực để giải thích chính xác lý thuyết lượng tử là cần thiết. Hằng số Planck được đặt theo tên của M. Planck. Nó bằng:

Ћ = h/2π ≈ 1,0546. 10 ^(-34) J. s

Một dạng khái quát của cơ học lượng tử là lý thuyết trường lượng tử - đây là lý thuyết lượng tử của các hệ có vô số bậc tự do (trường vật lý). Lý thuyết trường lượng tử là bộ máy chính của vật lý các hạt cơ bản, sự tương tác và chuyển đổi lẫn nhau của chúng. Sự cần thiết của một lý thuyết như vậy được tạo ra bởi thuyết nhị nguyên sóng lượng tử, sự tồn tại của tính chất sóng trong mọi hạt. Trong lý thuyết trường lượng tử, sự tương tác được biểu diễn như là kết quả của sự trao đổi lượng tử trường. Lý thuyết này bao gồm lý thuyết về điện từ (điện động lực học lượng tử) và tương tác yếu, xuất hiện trong lý thuyết hiện đại dưới dạng một tổng thể duy nhất (tương tác điện yếu) và lý thuyết về tương tác mạnh (hạt nhân) (sắc động lực học lượng tử).

Thống kê lượng tử là vật lý thống kê của các hệ lượng tử bao gồm một số lượng lớn các hạt. Đối với các hạt có spin nguyên, đây là thống kê Bose Einstein, và đối với các hạt có spin nửa nguyên, đây là thống kê Fermi-Dirac.

Vào giữa thế kỷ XX, một lý thuyết về tương tác điện từ đã được tạo ra - điện động lực học lượng tử QED - đây là lý thuyết về sự tương tác giữa các photon và electron, được nghĩ ra đến từng chi tiết nhỏ nhất và được trang bị một bộ máy toán học hoàn hảo. QED dựa trên sự mô tả tương tác điện từ sử dụng khái niệm photon ảo - hạt tải điện của nó. Lý thuyết này đáp ứng các nguyên tắc cơ bản của cả lý thuyết lượng tử và thuyết tương đối.

Trọng tâm của lý thuyết là phân tích các tác động phát xạ hoặc hấp thụ của một photon bởi một hạt tích điện, cũng như sự hủy diệt của một cặp electron-positron thành một photon hoặc sự tạo ra một cặp như vậy bởi các photon.

Nếu trong mô tả cổ điển, các electron được biểu diễn dưới dạng một quả cầu điểm đặc, thì trong QED, trường điện từ xung quanh electron được coi là một đám mây gồm các photon ảo không ngừng đi theo electron, bao quanh nó bằng các lượng tử năng lượng. Sau khi một electron phát ra một photon, nó sẽ tạo ra một cặp electron-positron (ảo), cặp này có thể hủy nhau để tạo thành một photon mới. Cái sau có thể bị hấp thụ bởi photon ban đầu, nhưng có thể tạo ra một cặp mới, v.v. Do đó, electron được bao phủ bởi một đám mây gồm các photon, electron và positron ảo, chúng ở trạng thái cân bằng động. Các photon xuất hiện và biến mất rất nhanh và các electron không chuyển động trong không gian theo những quỹ đạo được xác định rõ ràng. Bằng cách này hay cách khác, vẫn có thể xác định điểm bắt đầu và điểm kết thúc của đường đi - trước và sau khi phân tán, nhưng bản thân đường đi trong khoảng thời gian giữa điểm bắt đầu và điểm kết thúc của chuyển động vẫn không chắc chắn.

Việc mô tả sự tương tác sử dụng hạt mang đã dẫn đến sự mở rộng khái niệm về photon. Các khái niệm về một photon thực (lượng tử ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy được) và một photon ảo (thoáng qua, ma quái), chỉ được “nhìn thấy” bởi các hạt tích điện đang trải qua sự tán xạ, được giới thiệu.

Để kiểm tra xem lý thuyết có phù hợp với thực tế hay không, các nhà vật lý tập trung vào hai hiệu ứng được đặc biệt quan tâm. Vấn đề đầu tiên liên quan đến mức năng lượng của nguyên tử hydro, nguyên tử đơn giản nhất. Theo QED, các mức này sẽ hơi dịch chuyển so với vị trí mà chúng sẽ chiếm giữ khi không có các photon ảo. Thử nghiệm mang tính quyết định thứ hai của QED liên quan đến sự hiệu chỉnh cực kỳ nhỏ đối với mô men từ của chính electron. Các kết quả lý thuyết và thực nghiệm của việc kiểm tra QED trùng khớp với độ chính xác cao nhất - hơn chín chữ số thập phân. Sự tương ứng đáng chú ý như vậy mang lại quyền coi QED là lý thuyết tiên tiến nhất trong số các lý thuyết khoa học tự nhiên hiện có.

Sau chiến thắng này, QED được sử dụng làm mô hình mô tả lượng tử của ba tương tác cơ bản còn lại. Tất nhiên, các trường liên quan đến các tương tác khác phải tương ứng với các hạt mang khác.

3.2. Lý thuyết tương tác điện yếu.

Vào những năm 70 của thế kỷ XX, một sự kiện nổi bật đã xảy ra trong khoa học tự nhiên: hai tương tác cơ bản trong bốn tương tác vật lý đã được kết hợp thành một. Bức tranh về các nguyên tắc cơ bản của tự nhiên đã trở nên đơn giản hơn một chút. Tương tác điện từ và tương tác yếu, dường như rất khác nhau về bản chất, thực ra lại là hai dạng của một tương tác điện yếu. Lý thuyết tương tác điện yếu có ảnh hưởng quyết định đến sự phát triển tiếp theo của vật lý hạt cơ bản vào cuối thế kỷ XX.

Ý tưởng chính khi xây dựng lý thuyết này là mô tả tương tác yếu theo ngôn ngữ của khái niệm trường chuẩn, theo đó chìa khóa để hiểu bản chất của tương tác là tính đối xứng. Một trong những ý tưởng cơ bản của vật lý học nửa sau thế kỷ 20 là niềm tin rằng mọi tương tác chỉ tồn tại để duy trì một tập hợp đối xứng trừu tượng nhất định trong tự nhiên. Tính đối xứng có liên quan gì đến các tương tác cơ bản? Thoạt nhìn, giả định về sự tồn tại của mối liên hệ như vậy có vẻ nghịch lý và khó hiểu.

Trước hết, về ý nghĩa của sự đối xứng. Người ta thường chấp nhận rằng một vật thể có tính đối xứng nếu vật thể đó không thay đổi do một thao tác nào đó để biến đổi nó. Do đó, một hình cầu có tính đối xứng vì nó trông giống nhau khi quay ở bất kỳ góc nào so với tâm của nó. Các định luật về điện là đối xứng trong việc thay thế các điện tích dương bằng các điện tích âm và ngược lại. Vì vậy, khi nói đến tính đối xứng, chúng tôi muốn nói đến sự bất biến trong một phép toán nhất định.

Có nhiều loại đối xứng khác nhau: hình học, gương, phi hình học. Trong số những đối xứng phi hình học có cái gọi là đối xứng chuẩn. Đối xứng chuẩn có bản chất trừu tượng và không cố định trực tiếp. Chúng gắn liền với sự thay đổi về mức tham chiếu, thang đo hoặc giá trị của một số đại lượng vật lý. Một hệ thống có tính đối xứng chuẩn nếu bản chất của nó không thay đổi dưới loại biến đổi này. Vì vậy, ví dụ, trong vật lý, công phụ thuộc vào sự chênh lệch độ cao chứ không phụ thuộc vào độ cao tuyệt đối; điện áp - từ hiệu điện thế, chứ không phải từ giá trị tuyệt đối của chúng, v.v. Sự đối xứng làm cơ sở cho việc xem xét lại sự hiểu biết về bốn tương tác cơ bản chính xác là thuộc loại này. Các phép biến đổi gauge có thể là toàn cục hoặc cục bộ. Các phép biến đổi gauge thay đổi từ điểm này sang điểm khác được gọi là các phép biến đổi gauge "cục bộ". Có một số đối xứng chuẩn cục bộ trong tự nhiên và cần có một số lượng trường thích hợp để bù cho những biến đổi chuẩn này. Trường lực có thể được coi là phương tiện mà thiên nhiên tạo ra thước đo cục bộ vốn có của nó đối diện. Tầm quan trọng của khái niệm đối xứng chuẩn là về mặt lý thuyết nó mô hình hóa tất cả bốn tương tác cơ bản được tìm thấy trong tự nhiên. Tất cả chúng có thể được coi là trường đo.

Biểu diễn tương tác yếu như một trường đo, các nhà vật lý tiến hành từ thực tế là tất cả các hạt tham gia vào tương tác yếu đều đóng vai trò là nguồn của một loại trường mới - trường của lực yếu. Các hạt tương tác yếu, chẳng hạn như electron và neutrino, mang “điện tích yếu”, tương tự như điện tích và liên kết các hạt này với một trường yếu.

Để biểu diễn trường tương tác yếu dưới dạng trường chuẩn, trước tiên cần thiết lập dạng chính xác của đối xứng chuẩn tương ứng. Thực tế là tính đối xứng của tương tác yếu phức tạp hơn nhiều so với tương tác điện từ. Rốt cuộc, cơ chế của sự tương tác này hóa ra lại phức tạp hơn. Đầu tiên, trong sự phân rã của neutron chẳng hạn, tương tác yếu liên quan đến các hạt thuộc ít nhất bốn loại khác nhau (neutron, proton, electron và neutrino). Thứ hai, tác dụng của các lực yếu dẫn đến sự thay đổi bản chất của chúng (sự biến đổi của một số hạt thành hạt khác do tương tác yếu). Ngược lại, tương tác điện từ không làm thay đổi bản chất của các hạt tham gia vào nó.

Điều này xác định thực tế là tương tác yếu tương ứng với một đối xứng chuẩn phức tạp hơn gắn liền với sự thay đổi bản chất của các hạt. Hóa ra là để duy trì tính đối xứng, ở đây cần có ba trường lực mới, trái ngược với một trường điện từ duy nhất. Một mô tả lượng tử của ba trường này cũng đã thu được: cần có ba loại hạt mới - hạt mang tương tác, mỗi loại cho một trường. Nói chung chúng được gọi là boson vectơ nặng spin-1 và là vật mang lực yếu.

Các hạt W+ và W- là những hạt mang hai trong số ba trường liên quan đến tương tác yếu. Trường thứ ba tương ứng với hạt mang điện trung hòa, gọi là hạt Z. Sự tồn tại của hạt Z có nghĩa là tương tác yếu có thể không đi kèm với sự truyền điện tích.

Trong việc hình thành lý thuyết tương tác điện yếu, khái niệm phá vỡ đối xứng tự phát đóng một vai trò then chốt: không phải mọi lời giải của một bài toán đều phải có đầy đủ các tính chất của mức độ ban đầu của nó. Do đó, các hạt hoàn toàn khác nhau ở năng lượng thấp thực sự có thể trở thành một hạt giống nhau ở năng lượng cao, nhưng ở các trạng thái khác nhau. Dựa trên ý tưởng về sự phá vỡ đối xứng tự phát, các tác giả của lý thuyết tương tác điện yếu, Weinberg và Salam, đã có thể giải quyết một vấn đề lý thuyết lớn - họ đã kết hợp những thứ dường như không tương thích: một mặt là một khối lượng đáng kể các hạt mang tương tác yếu. mặt khác, và ý tưởng về tính bất biến của máy đo, giả định tính chất tầm xa của trường máy đo và có nghĩa là khối lượng nghỉ của các hạt mang bằng không. Như vậy, điện từ và tương tác yếu đã được kết hợp thành một lý thuyết thống nhất về trường đo.

Lý thuyết này chỉ trình bày bốn trường: trường điện từ và ba trường tương ứng với tương tác yếu. Ngoài ra, một trường vô hướng không đổi (một loại trường Higgs) đã được đưa vào khắp không gian, trong đó các hạt tương tác khác nhau, xác định sự khác biệt về khối lượng của chúng. Lượng tử trường vô hướng là các hạt cơ bản mới có spin bằng không. Chúng được gọi là Higgs (được đặt theo tên của nhà vật lý P. Higgs, người đã đề xuất sự tồn tại của chúng). Số lượng boson Higgs như vậy có thể lên tới vài chục. Những boson như vậy vẫn chưa được phát hiện bằng thực nghiệm. Hơn nữa, một số nhà vật lý cho rằng sự tồn tại của chúng là không cần thiết, nhưng một mô hình lý thuyết hoàn hảo không có boson Higgs vẫn chưa được tìm thấy. Ban đầu, lượng tử W và Z không có khối lượng, nhưng sự phá vỡ đối xứng khiến một số hạt Higgs hợp nhất với các hạt W và Z, tạo cho chúng khối lượng.

Lý thuyết này giải thích sự khác biệt về tính chất của tương tác điện từ và tương tác yếu bằng cách phá vỡ tính đối xứng. Nếu sự đối xứng không bị phá vỡ thì cả hai tương tác sẽ có độ lớn tương đương nhau. Sự phá vỡ tính đối xứng kéo theo sự giảm mạnh về tương tác yếu. Chúng ta có thể nói rằng tương tác yếu rất nhỏ vì các hạt W và Z rất nặng. Các lepton hiếm khi đến gần nhau ở khoảng cách ngắn như vậy (r 10n cm, trong đó n = -16). Nhưng ở mức năng lượng cao ( > 100 GeV), khi các hạt W và Z có thể được tạo ra tự do, sự trao đổi boson W và Z xảy ra dễ dàng như sự trao đổi các photon (các hạt không có khối lượng). Sự khác biệt giữa photon và boson bị xóa bỏ, trong những điều kiện này cần có sự đối xứng hoàn toàn giữa tương tác điện từ và tương tác yếu - tương tác điện yếu.

Việc kiểm tra lý thuyết mới bao gồm việc xác nhận sự tồn tại của các hạt W và Z giả định. Việc khám phá của họ chỉ có thể thực hiện được nhờ việc tạo ra các máy gia tốc rất lớn thuộc loại mới nhất. Việc phát hiện ra các hạt W và Z vào năm 1983 có nghĩa là sự thắng lợi của lý thuyết tương tác điện yếu. Không còn cần thiết phải nói về bốn tương tác cơ bản nữa. Còn lại ba người trong số họ.

3.3. Sắc động học lượng tử.

Bước tiếp theo trên con đường dẫn tới sự Thống nhất Vĩ đại của các tương tác cơ bản là sự hợp nhất giữa tương tác mạnh với tương tác điện yếu. Để làm được điều này, cần phải cung cấp các đặc điểm của trường đo cho tương tác mạnh và đưa ra ý tưởng tổng quát về tính đối xứng đồng vị. Tương tác mạnh có thể được coi là kết quả của sự trao đổi gluon, đảm bảo sự liên kết của các quark (theo cặp hoặc bộ ba) thành các hadron.

Ý tưởng ở đây là như sau. Mỗi quark có một điện tích tương tự, đóng vai trò là nguồn của trường gluon. Nó được gọi là màu (tất nhiên, tên này không liên quan gì đến màu thông thường). Nếu trường điện từ được tạo ra bởi một loại điện tích thì cần có ba điện tích màu khác nhau để tạo ra trường gluon phức tạp hơn. Mỗi quark được “tô màu” theo một trong ba màu có thể có, được gọi khá tùy tiện là đỏ, lục và lam. Và theo đó, đồ cổ có tính phản đỏ, phản lục và phản lam.

Ở giai đoạn tiếp theo, lý thuyết tương tác mạnh được phát triển theo sơ đồ tương tự như lý thuyết tương tác yếu. Yêu cầu về tính đối xứng của thước đo cục bộ (tức là tính bất biến đối với sự thay đổi màu sắc tại mỗi điểm trong không gian) dẫn đến nhu cầu đưa vào các trường lực bù. Cần có tổng cộng tám trường lực bù mới. Các hạt mang của các trường này là gluon, và do đó lý thuyết ngụ ý rằng phải có tới tám loại gluon khác nhau, trong khi hạt mang lực điện từ chỉ có một (photon) và hạt mang lực yếu là ba. . Gluon có khối lượng nghỉ bằng 0 và spin 1. Gluon cũng có các màu khác nhau, nhưng không thuần khiết mà hỗn hợp (ví dụ: xanh lam phản xanh lục). Do đó, sự phát xạ hoặc hấp thụ gluon đi kèm với sự thay đổi màu sắc của quark (“sự chơi màu”). Vì vậy, ví dụ, một quark đỏ, mất đi gluon đỏ phản xanh, biến thành quark xanh, và một quark lục, hấp thụ gluon phản xanh, biến thành quark xanh. Ví dụ, trong một proton, ba quark liên tục trao đổi gluon, làm thay đổi màu sắc của chúng. Tuy nhiên, những thay đổi như vậy về bản chất không phải là tùy tiện mà phải tuân theo một quy tắc nghiêm ngặt: tại bất kỳ thời điểm nào, màu “tổng” của ba quark phải là ánh sáng trắng, tức là. tổng "đỏ + lục + lam". Điều này cũng áp dụng cho các meson gồm một cặp quark-phản quark. Vì một phản quark được đặc trưng bởi một phản màu, nên sự kết hợp như vậy rõ ràng là không màu (“trắng”), ví dụ, một quark đỏ kết hợp với một quark phản đỏ tạo thành meson không màu.

Từ quan điểm của sắc động lực học lượng tử (lý thuyết màu lượng tử), sự tương tác mạnh mẽ không gì khác hơn là mong muốn duy trì một sự đối xứng trừu tượng nhất định của tự nhiên: duy trì màu trắng của tất cả các hadron trong khi thay đổi màu sắc của các bộ phận cấu thành của chúng. Sắc động lực học lượng tử giải thích một cách hoàn hảo các quy luật chi phối mọi tổ hợp quark, sự tương tác của các gluon với nhau, cấu trúc phức tạp của một hadron gồm các quark “mặc quần áo” trong đám mây, v.v.

Có thể còn quá sớm để đánh giá sắc động lực học lượng tử là lý thuyết cuối cùng và hoàn chỉnh về tương tác mạnh, nhưng những thành tựu của nó dù sao cũng đầy hứa hẹn.

3.4. Trên đường đến... Sự thống nhất vĩ đại.

Với việc tạo ra sắc động lực học lượng tử, nảy sinh hy vọng tạo ra một lý thuyết thống nhất về tất cả (hoặc ít nhất ba trong số bốn) tương tác cơ bản. Các mô hình mô tả ít nhất ba trong số bốn tương tác cơ bản một cách thống nhất được gọi là các mô hình Thống nhất Lớn. Các sơ đồ lý thuyết kết hợp tất cả các loại tương tác đã biết (mạnh, yếu, điện từ và hấp dẫn) được gọi là mô hình siêu hấp dẫn.

Kinh nghiệm kết hợp thành công các tương tác yếu và tương tác điện từ dựa trên ý tưởng về trường đo đã gợi ý những cách khả thi để phát triển hơn nữa nguyên lý thống nhất vật lý và thống nhất các tương tác vật lý cơ bản. Một trong số đó dựa trên thực tế đáng kinh ngạc là các hằng số tương tác của tương tác điện từ, tương tác yếu và mạnh trở nên bằng nhau ở cùng một năng lượng. Năng lượng này được gọi là năng lượng của sự thống nhất. Ở những năng lượng trên 10n GeV, trong đó n = 14, hoặc ở khoảng cách r 10n cm, trong đó n = -29, tương tác mạnh và tương tác yếu được mô tả bằng một hằng số duy nhất, tức là chúng có bản chất chung. Ở đây thực tế không thể phân biệt được quark và lepton.

Trong những năm 70-90, một số lý thuyết cạnh tranh về Đại thống nhất đã được phát triển. Tất cả đều dựa trên cùng một ý tưởng. Nếu lực điện yếu và lực mạnh thực sự chỉ là hai mặt của lực thống nhất lớn, thì lực mạnh cũng phải có một trường đo liên quan với một số đối xứng phức tạp. Nó (sự đối xứng) phải đủ tổng quát, có khả năng bao trùm tất cả các đối xứng chuẩn có trong cả sắc động lực học lượng tử và lý thuyết tương tác điện yếu. Tìm ra sự đối xứng như vậy là nhiệm vụ chính hướng tới việc tạo ra một lý thuyết thống nhất về tương tác mạnh và tương tác điện yếu. Có nhiều cách tiếp cận khác nhau làm nảy sinh các phiên bản cạnh tranh của lý thuyết Thống nhất lớn.

Tuy nhiên, tất cả các phiên bản giả định này của Đại Thống Nhất đều có một số đặc điểm chung:

Thứ nhất, trong tất cả các giả thuyết, quark và lepton - những hạt mang tương tác mạnh và tương tác điện yếu - đều được đưa vào một sơ đồ lý thuyết duy nhất. Cho đến nay chúng vẫn được coi là những đối tượng hoàn toàn khác nhau.

Thứ hai, việc sử dụng các phép đối xứng chuẩn trừu tượng dẫn đến việc khám phá ra các loại trường mới có những tính chất mới, chẳng hạn như khả năng biến đổi quark thành lepton. Trong phiên bản đơn giản nhất của Lý thuyết Thống nhất Lớn, cần có 24 trường để biến đổi quark thành lepton. Mười hai lượng tử của các trường này đã được biết đến: một photon, hai hạt W, một hạt Z và tám gluon. Mười hai lượng tử còn lại là các boson trung gian siêu nặng mới, hợp nhất dưới tên chung là các hạt X và Y - (có điện tích 1/3 và 4/3). Những lượng tử này tương ứng với các trường duy trì tính đối xứng chuẩn rộng hơn và trộn lẫn các quark với lepton. Do đó, lượng tử của các trường này (tức là các hạt X và Y) có thể biến đổi quark thành lepton (và ngược lại).

Dựa trên các lý thuyết Grand Unified, ít nhất hai mô hình quan trọng được dự đoán có thể và nên được kiểm tra bằng thực nghiệm: sự mất ổn định của proton và sự tồn tại của các đơn cực từ. Việc phát hiện bằng thực nghiệm sự phân rã proton và các đơn cực từ có thể mang lại một lập luận mạnh mẽ ủng hộ các lý thuyết Thống nhất Lớn. Những nỗ lực thử nghiệm nhằm mục đích kiểm tra những dự đoán này. Nhưng vẫn chưa có dữ liệu thực nghiệm chắc chắn về vấn đề này. Thực tế là các lý thuyết Thống nhất Lớn đề cập đến năng lượng của hạt trên 10n GeV, trong đó n = 14. Đây là năng lượng rất cao. Thật khó để nói khi nào người ta có thể thu được những hạt có năng lượng cao như vậy trong máy gia tốc. Đặc biệt, điều này giải thích sự khó khăn trong việc phát hiện các boson X và Y. Và do đó, lĩnh vực ứng dụng và thử nghiệm chính của các lý thuyết Thống nhất Lớn là vũ trụ học. Nếu không có những lý thuyết này, không thể mô tả giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa của Vũ trụ, khi nhiệt độ của plasma sơ cấp đạt tới 10n K, trong đó n = 27. Chính trong những điều kiện như vậy mà các hạt siêu nặng có thể được sinh ra và hủy diệt.

Như vậy, rõ ràng là việc chứng minh Lý thuyết Thống nhất Lớn là nhiệm vụ chính của các nhà vật lý ngày nay, bởi vì lý thuyết này không chỉ giúp kết nối những mảnh kiến thức rời rạc của con người thành một bức tranh duy nhất mà còn tiến một bước tới việc tìm hiểu nguồn gốc của Vũ trụ.

Thư mục.

Sổ tay học sinh của trường. lớp 5-11. 2004

Bách khoa toàn thư máy tính của Cyril và Methodius. 2005

I. L. Rosenthal “Các hạt cơ bản và cấu trúc của vũ trụ.” 1984

Bài toán về hạt cơ bản

Ở các giai đoạn phát triển khác nhau “vào độ sâu” của một chất, nhiều loại hạt khác nhau được gọi là cơ bản (không có cấu trúc). Để tìm kiếm những “khối xây dựng” cơ bản của vũ trụ, ban đầu con người đã xác định rằng tất cả các hợp chất đều bao gồm các phân tử “cơ bản”. Sau đó, hóa ra các phân tử được tạo ra từ các nguyên tử “cơ bản”. Nhiều thế kỷ sau, người ta phát hiện ra rằng các nguyên tử “cơ bản” được tạo thành từ các hạt nhân “cơ bản” và các electron quay quanh chúng. Cuối cùng, người ta phát hiện ra rằng bản thân hạt nhân được cấu tạo từ proton và neutron, những hạt này cho đến gần đây vẫn được coi là các hạt cơ bản không có cấu trúc bên trong. Sau khi phát hiện ra neutron vào năm 1932, dường như các khối cơ bản cấu tạo nên vật chất thông thường đã được thiết lập: proton, neutron, electron và photon.

Nhưng kể từ năm 1933, số lượng hạt cơ bản được phát hiện đã tăng lên nhanh chóng. Khi số lượng của chúng vượt quá một trăm, rõ ràng là một số lượng lớn các hạt như vậy không thể đóng vai trò là thành phần cơ bản của vật chất.

Họ đã cố gắng phân loại các hạt cơ bản mới được phát hiện, trước hết là theo khối lượng. Do đó, sự phân chia các hạt cơ bản thành lepton (ánh sáng) và baryon (nặng) đã xuất hiện. Electron, positron và neutrino mà chúng ta biết thuộc về lepton, còn proton và neutron thuộc về baryon. Có một nhóm hạt cơ bản khác - meson (trung gian).

Baryon và meson, là những hạt tham gia vào cái gọi là tương tác mạnh (xem bên dưới), thường được kết hợp thành một nhóm hadron.

Vấn đề về các hạt cơ bản, số lượng vượt quá ba trăm rưỡi, dường như không thể giải quyết được trong một thời gian dài. Bước đột phá xảy ra khi mô hình quark được đề xuất vào những năm 60, dựa trên giả thuyết về sự tồn tại của các hạt cơ bản thực sự mới, được gọi là quark. Trong mô hình quark, tất cả các baryon được coi là sự kết hợp của ba quark, và meson được coi là sự kết hợp của một quark và một phản quark.

Đặc tính cơ bản của hạt cơ bản

Các đặc tính cơ bản của hạt cơ bản là:

Khối lượng – m

Thời gian sống – τ

Sạc điện–q

Số baryon và số lepton (điện tích)– B, L

Quay – s

Một trong những đặc điểm chính của các hạt hạ nguyên tử là khối lượng của chúng, đồng thời xác định năng lượng nghỉ của chúng. Trong số các hạt có khối lượng bằng không, photon được biết đến nhiều nhất. Khối lượng neutrino cũng có thể bằng không. Electron là hạt nhẹ nhất trong số các hạt ổn định có khối lượng khác 0 (me = 0,911·10-30 kg). Proton có khối lượng nhỏ nhất trong các baryon

(mp =1,672·10 -27 kg). Khối lượng của neutron lớn hơn khối lượng của proton một chút: mn − mp

2,5 tôi.

Electron và proton là những hạt ổn định. Tuổi thọ của neutron tự do là khoảng 900 giây. Hầu hết các hạt cơ bản đều rất không ổn định, thời gian sống của chúng dao động từ vài micro giây đến 10-23 giây.

Sạc điện.Điện tích của tất cả các hạt cơ bản được nghiên cứu (trừ quark!) đều là bội số nguyên của e

1,6·10-19 C (e là điện tích cơ bản, bằng điện tích của electron hoặc proton). Trong thế giới của chúng ta, định luật bảo toàn điện tích được áp dụng: tổng điện tích của một hệ cô lập được bảo toàn.

Số Baryon (B) và số lepton (L) (điện tích) xác định xem hạt thuộc lớp baryon hay lepton. Baryon không có điện tích lepton ( L = 0), đối với hạt baryon B = 1, đối với phản hạt B = -1. Lepton không có điện tích baryon và điện tích lepton của chúng bằng L = 1 – đối với các hạt (electron, neutrino) và tương ứng L = -1 – đối với phản hạt (positron, phản neutrino).

Tính chất chính của các hạt cơ bản là khả năng chúng biến đổi lẫn nhau, chúng chỉ xảy ra với điều kiện tất cả các loại điện tích nói trên đều được bảo toàn: điện, baryon, lepton (cộng với các định luật bảo toàn năng lượng, động lượng và động lượng góc).

(Các) spin là một đặc tính bên trong đặc biệt của các hạt cơ bản liên quan đến động lượng (spin) của chính chúng, được đo bằng


đơn vị của h (hằng số Planck) hoặc ћ =		(h bị gạch bỏ).

Theo đơn vị ћ, spin của tất cả các hạt cơ bản lấy giá trị hoặc
số nguyên: 0, 1, 2,… hoặc nửa số nguyên: 1	, …

Các hạt có spin nửa số nguyên được gọi là fermion và các hạt có spin nguyên được gọi là boson. Fermion tuân theo Nguyên lý loại trừ Pauli theo đó hai hạt giống hệt nhau không thể ở cùng trạng thái lượng tử.34 Mọi fermion đều là hạt vật chất.

Ngược lại, các boson đều có xu hướng chuyển sang trạng thái giống nhau. Mọi boson đều là hạt lượng tử của một trường nào đó. Trong số tất cả các boson, photon là loại phổ biến nhất trong Vũ trụ.

34 Một trạng thái lượng tử được đặc trưng hoàn toàn bởi một tập hợp gồm bốn số lượng tử: ba trong số đó liên quan đến không gian ba chiều, và số thứ tư liên quan đến spin.

Do đó, fermion hoạt động như “những người theo chủ nghĩa cá nhân thuần túy”, trong khi boson là những “người theo chủ nghĩa tập thể” thực sự.

Fermion cơ bản - lepton và quark

Hiện nay, các hạt cơ bản thực sự tạo nên mọi vật chất trong thế giới của chúng ta được coi là lepton và quark, có spin bằng ½.

Họ lepton bao gồm các hạt thuộc ba thế hệ: Thế hệ đầu tiên bao gồm electron e - và neutrino electronν e ; thế hệ thứ hai– muon μ và neutrino muonν μ và cuối cùng, thế hệ thứ ba–

taon τ - và taon neutrino ν τ:

	μ −


ν e	νμ	ν τ

Electron, muon và taon chỉ xuất hiện theo cặp với neutrino của chúng. Sức xuyên thấu cực lớn, thiếu điện tích và khối lượng cực kỳ nhỏ, có thể bằng 0 khiến chúng khó nắm bắt trong nhiều năm. Hạt cơ bản khó nắm bắt nhất hóa ra là neutrino tau, chỉ được phát hiện vào mùa hè năm 2000.

Neutrino “vô hình” đến mức chúng dễ dàng xuyên qua độ dày của Trái đất và có thể xuyên qua một lớp chì dày vài năm ánh sáng. Trong khi đó, neutrino cùng với photon là những hạt phổ biến nhất trên thế giới của chúng ta. Nếu tất cả vật chất, bao gồm tất cả các thiên hà và bụi giữa các thiên hà, được phân bổ đều trong toàn bộ thể tích của Vũ trụ, thì cứ mỗi mét khối không gian sẽ có một proton và một electron. Có số lượng photon và neutrino nhiều gấp hàng tỷ lần: có khoảng 500 hạt trong mỗi cm khối.

Neutrino lần đầu tiên được Pauli giới thiệu để giải thích sự phân rã beta của hạt nhân,

trong đó xảy ra sự biến đổi proton thành neutron (gọi là phân rã β + -) và neutron thành proton:


	→ 0 n						→ 1 phút	+− 1 e

Lưu ý rằng sự biến đổi neutron thành proton là thuận lợi về mặt năng lượng (vì khối lượng của proton nhỏ hơn khối lượng của neutron). Đây là điều giải thích tính không ổn định của neutron tự do.

Nếu quá trình biến đổi neutron thành proton xảy ra bên trong hạt nhân,

nó được gọi là β - - phân rã. Trong trường hợp này, hạt β - là một electron.

Quá trình chuyển đổi proton thành neutron cần năng lượng và chỉ có thể xảy ra bên trong hạt nhân. β + - phân rã đi kèm với sự ra đời của một hạt hoàn toàn giống electron, nhưng có điện tích trái dấu, được gọi là positron +1 e 0.

Ngoài electron (hoặc positron), phân rã β − còn liên quan đến một hạt cơ bản khác, gọi là neutrino − 0 ν 0 (một hạt

kèm theo β - − phân rã).

Phản hạt

Sự tồn tại của electron và positron gợi ý rằng các hạt cơ bản khác có thể có “anh em song sinh” của riêng chúng. Thật vậy, hầu hết mọi hạt đều có phản hạt của riêng nó, khối lượng của nó hoàn toàn bằng khối lượng của hạt và dấu của điện tích thì ngược lại. Ngoài ra còn có một loại hạt thực sự trung tính khá hiếm không có cặp song sinh (photon). Về nguyên tắc, có thể tồn tại một phản nguyên tử, hạt nhân của nó bao gồm các phản proton và phản neutron, và các electron được thay thế bằng các phản electron (positron), một phản phân tử và cuối cùng là một phản vật chất, tính chất của chúng sẽ không khác gì các tính chất của vật chất thông thường.

Tính chất quan trọng nhất của hạt và phản hạt là khả năng hủy của chúng. Sự hủy diệt của một cặp hạt - phản hạt (từ tiếng Latin annihilatio -

phá hủy, biến mất) là một trong những dạng chuyển hóa lẫn nhau của các hạt cơ bản, kèm theo sự giải phóng năng lượng, ví dụ sự biến đổi của một electron và một positron khi chúng va chạm thành photon (bức xạ điện từ):

1 e0 + +1 e0 → 2γ

Hiệu ứng ngược lại cũng có thể xảy ra - sự hình thành cặp electron-positron khi hai photon va chạm nhau. Rõ ràng năng lượng của photon phải không nhỏ hơn hai lần năng lượng nghỉ của electron E γ > 2m e c 2 (nhiều hơn một chút

1MeV).

Thế giới của chúng ta bao gồm vật chất. Trên Trái đất, trong Hệ Mặt trời và trong không gian bên ngoài ngay xung quanh Hệ Mặt trời, không có lượng phản vật chất đáng chú ý, vì do các phản ứng hủy diệt nên sự cùng tồn tại chặt chẽ của các hạt và phản hạt là không thể. Một số ít phản hạt có thể được tạo ra trong điều kiện phòng thí nghiệm sớm hay muộn sẽ chết. Sự tồn tại lâu dài của các phản hạt ổn định (ví dụ, phản proton hoặc positron) chỉ có thể xảy ra ở mật độ vật chất thấp - trong các bộ tích tụ đặc biệt của các hạt tích điện hoặc trong không gian vũ trụ. Các câu hỏi về lý do tại sao thế giới của chúng ta bao gồm vật chất, khi nào và tại sao sự bất đối xứng của Vũ trụ của chúng ta nảy sinh, có tầm quan trọng cơ bản và tiếp tục thu hút sự chú ý của các nhà vật lý lý thuyết.

Họ hạt cơ bản thứ hai mà từ đó các hadron (baryon và meson) được tạo thành được gọi là quark. Có sáu loại quark (các nhà vật lý gọi chúng là “hương vị”), giống như lepton, nhóm thành từng cặp và tạo thành ba thế hệ. Thế hệ đầu tiên– quark u và d (up - top và down

Thấp hơn); thế hệ thứ hai - quark s và c (lạ - lạ và quyến rũ -

mê hoặc) và cuối cùng là thế hệ thứ ba - quark b và t (vẻ đẹp - đẹp và chân thực - chân thực ; đôi khi họ được gọi dưới cùng và trên cùng ). Thứ sáu cuối cùng quark t được phát hiện tương đối gần đây (năm 1995).

Quark là fermion (spin của chúng là ½, giống như lepton). Trong trường hợp này, có thể có hai trạng thái lượng tử bên trong có phép chiếu vectơ -

trở lại: +1/2 và –1/2

Số baryon của quark bằng một phần ba B = 1/3, đối với phản quark

− B = –1/3. Mỗi quark có một đặc tính khác mà các nhà vật lý gọi là hương vị (sự lạ, sự quyến rũ, v.v.).

Điều đáng ngạc nhiên nhất là các quark có điện tích phân đoạn, giá trị của nó bằng 2/3 điện tích cơ bản (điện tích quark là dương) hoặc 1/3 điện tích của electron (dấu điện tích là âm).

Tất cả các baryon đều là sự kết hợp của ba quark. nucleon - cơ sở cơ bản của hạt nhân nguyên tử, là các baryon nhẹ nhất và bao gồm các quark thế hệ thứ nhất. Một proton được tạo thành từ hai quark u và một quark d, một neutron từ hai quark d và một quark u:

Dễ dàng kiểm tra xem điện tích proton có bằng đơn vị hay không (2/3+2/3–1/3 = +1), và điện tích neutron bằng 0 (2/3 – 1/3 – 1/ 3 = 0).

Neutron nặng hơn proton vì quark d nặng hơn quark u.

Các quá trình β + – và β – – phân rã khi sự chuyển đổi lẫn nhau của các quark (ud) nhận được lời giải thích mới.

Meson được tạo ra từ sự kết hợp của cặp quark-phản quark. Rõ ràng là
số lượng meson baryon bằng không,					quay bằng	không hoặc một.
Sự kết hợp của ba phản quark tạo thành các phản baryon (phản proton,
phản neutron, v.v.).
Bảng 1 trình bày tất cả các fermion cơ bản -
đơn vị cấu trúc của cấu trúc của vật chất.
			Bảng số 1
		Fermion cơ bản
Sự thành lập-
	Các thế hệ					III Điện
fermion			thế hệ		thế hệ	thế hệ

	tính phí
			điện tử				−1
					νμ	ντ
					νμ	ντ
	neutrino		điện tử
				quyến rũ		ĐÚNG VẬY




						Xinh đẹp



Tất cả sự đa dạng của hadron phát sinh do sự kết hợp khác nhau
được cho					hương thơm.

tương ứng với các trạng thái giới hạn được xây dựng chỉ từ các quark u và d. Nếu ở một trạng thái giới hạn, cùng với các quark u - và d - chẳng hạn, có một quark s - hoặc c -, thì hadron tương ứng được gọi là quark lạ hoặc

quyến rũ.

Thực tế là tất cả các baryon và meson đã biết có thể thu được từ nhiều tổ hợp quark khác nhau tượng trưng cho thắng lợi chính của lý thuyết quark. Tuy nhiên, mọi nỗ lực phát hiện các quark đơn lẻ đều vô ích. Một tình huống nghịch lý đã nảy sinh. Quark chắc chắn tồn tại bên trong hadron. Điều này được chứng minh không chỉ bởi hệ thống quark của các hadron đã được xem xét, mà còn bởi sự “truyền” trực tiếp các nucleon bởi các electron nhanh. Trong thí nghiệm này (về cơ bản hoàn toàn giống với thí nghiệm của Rutherford), người ta phát hiện ra rằng bên trong các hadron, các electron phân tán trên các hạt điểm có điện tích bằng –1/3 và +2/3 và có spin bằng ½, tức là bằng chứng vật lý trực tiếp về sự tồn tại của quark bên trong hadron. Nhưng không thể loại bỏ quark khỏi hadron. Hiện tượng này gọi là “sự giam cầm”

(giam giữ - giam cầm, tiếng Anh).

Tương tác cơ bản

Câu hỏi cơ bản tiếp theo mà khoa học phải trả lời để giải thích cấu trúc của vật chất có liên quan đến bản chất và bản chất của sự tương tác giữa các hạt, trong những điều kiện nhất định sẽ dẫn đến sự hình thành các trạng thái liên kết. Điều gì làm cho các quark kết hợp thành nucleon, nucleon thành hạt nhân, hạt nhân và electron thành nguyên tử, nguyên tử thành phân tử? Tại sao có sự tích tụ vật chất dưới dạng các hành tinh, ngôi sao và thiên hà trong Vũ trụ? Bản chất của các lực gây ra mọi thay đổi xảy ra trong thế giới vật chất của chúng ta là gì?

Hóa ra mọi thứ xảy ra trong tự nhiên đều có thể được thu gọn lại chỉ còn

bốn tương tác cơ bản

Vai trò của các tương tác cơ bản trong tự nhiên

Tương tác hấp dẫn là yếu nhất và đồng thời là phổ biến nhất. Tương tác hấp dẫn diễn ra giữa bất kỳ vật thể nào có khối lượng hoặc năng lượng. Chính lực hấp dẫn đã ngăn cản Vũ trụ tan rã, tập hợp vật chất thành các hành tinh và các ngôi sao, giữ các hành tinh trên quỹ đạo, “nối” các ngôi sao thành các thiên hà. Nhìn chung, ở quy mô thiên văn, tương tác hấp dẫn đóng vai trò quyết định. Trong thế giới vi mô, lực hấp dẫn có thể bị bỏ qua so với các tương tác mạnh hơn khác.

Tương tác điện từ chung cho mọi hạt

có điện tích. Giống như lực hấp dẫn, tương tác điện từ có tầm xa và định luật xác định lực tác dụng giữa các điện tích điểm đứng yên cũng tương tự như định luật hấp dẫn - đây là định luật Coulomb, được biết đến từ trường học:

		m 1 m 2			q 1 q 2

Tuy nhiên, không giống như lực hấp dẫn luôn là lực hút, lực hút điện chỉ tồn tại giữa các điện tích trái dấu, trong khi các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau. Chính nhờ tương tác điện từ mà có thể hình thành các nguyên tử và phân tử. Các lực liên phân tử xác định tính chất của các trạng thái kết hợp khác nhau của một chất cũng có tính chất điện. Hầu hết các lực vật lý có thể quan sát được (độ đàn hồi, ma sát, v.v.) thực sự đều quy về nó; nó là nguyên nhân làm nền tảng cho sự biến đổi hóa học của các chất và tất cả các hiện tượng điện, từ và quang học có thể quan sát được.

Tương tác mạnh và tương tác yếu chỉ xuất hiện ở vi mô, ở cấp độ hạt nhân.

Tương tác mạnh vốn có của quark và sự hình thành của quark - hadron. Chức năng chính của tương tác mạnh là kết hợp các quark (và phản quark) thành các hadron. Các lực hạt nhân hợp nhất các nucleon thành hạt nhân là tiếng vang đặc trưng của tương tác mạnh (thường được gọi là tương tác mạnh dư).

Tương tác yếu vốn có trong mọi fermion cơ bản. Đối với neutrino, đây là tương tác duy nhất mà chúng tham gia. Không giống như tương tác mạnh, chức năng của tương tác yếu là thay đổi bản chất (hương vị) của các hạt, nghĩa là biến đổi quark này thành quark khác (điều tương tự cũng áp dụng cho lepton).

Trong trường hợp không có tương tác yếu, không chỉ proton và electron sẽ ổn định mà cả muon, π - meson, các hạt lạ và quyến rũ cũng phân rã do tương tác yếu. Nếu chúng ta có thể “tắt” tương tác yếu, Mặt trời sẽ tắt,

kể từ quá trình chuyển đổi một proton thành neutron (phân rã β), kết quả là bốn proton biến thành 2 He4, hai positron và hai neutrino (cái gọi là chu trình hydro, đóng vai trò là nguồn năng lượng chính cho Mặt trời và hầu hết các ngôi sao.) sẽ là không thể.

Đặc điểm của các tương tác cơ bản

Cường độ tương tác có thể được đánh giá bằng tốc độ của các quá trình mà chúng gây ra. Thường được so sánh với nhau tốc độ xử lýở mức năng lượng 1 GeV, đặc trưng của vật lý hạt. Ở mức năng lượng như vậy, quá trình gây ra bởi sự tương tác mạnh

xảy ra trong thời gian 10-24 giây, quá trình điện từ trong thời gian 10-21 giây, thời gian đặc trưng của các quá trình xảy ra do tương tác yếu dài hơn nhiều: 10-10 giây.

Lựa chọn của người biên tập

Dự án quản lý dựa trên ví dụ về bài thuyết trình của doanh nghiệp

Để sử dụng bản xem trước bản trình bày, hãy tạo tài khoản Google và đăng nhập:...

Tóm tắt: Hạt cơ bản

William Gilbert đã đưa ra một định đề khoảng 400 năm trước và có thể được coi là định đề chính của khoa học tự nhiên. Cho dù...

Thuyết trình về chủ đề “quản lý”

Chức năng quản lý Slide: 9 Từ: 245 Âm thanh: 0 Hiệu ứng: 60 Bản chất của quản lý. Ý chính. Chìa khóa quản lý quản lý...

Lịch sử phát triển của công nghệ máy tính trình bày bài học về chủ đề Lịch sử phát triển của công nghệ máy tính trình bày

Máy đo chu kỳ cơ học - máy tính toán thực hiện cả 4 phép tính số học (1874, Odner) Máy phân tích -...

Bài thuyết trình về thiên văn học Các chủ đề thú vị cho bài thuyết trình về thiên văn học

Để sử dụng bản xem trước bản trình bày, hãy tạo tài khoản Google và đăng nhập:...

Thuyết trình về lịch sử “Đếm năm lịch sử”

Xem trước: Để sử dụng bản xem trước bản trình bày, hãy tạo tài khoản Google và...

Mẫu thuyết trình thiên văn học Mẫu thuyết trình thiên văn học

Để sử dụng bản xem trước bản trình bày, hãy tạo tài khoản Google và đăng nhập:...

Lễ kỷ niệm trục xuất người Karachais nhắc lại vấn đề phục hồi các dân tộc bị đàn áp

Năm 1943, người Karachais bị trục xuất trái phép khỏi quê hương của họ. Chỉ sau một đêm họ đã mất tất cả - quê hương, quê hương và...

Người Udmurt Những dân tộc sống trên lãnh thổ Udmurtia

Khi nói về vùng Mari và Vyatka trên trang web của chúng tôi, chúng tôi thường đề cập đến và. Nguồn gốc của nó rất bí ẩn; hơn nữa, người Mari (bản thân họ...

Mới

Phổ biến

Các vấn đề của lý thuyết hiện đại về hạt cơ bản. Tóm tắt: Hạt cơ bản. Mô hình điện từ của neutron

1. Tiên đề chính của khoa học tự nhiên

1.1. Định đề Hilbert và vật lý hiện đại

2. Proton và neutron

2.1. Proton và neutron trong mô hình quark Gell-Mann

2.2. Mô hình proton gồm các quark có điện tích nguyên

2.3. Tính chất vật lý của neutron

2.4. cấu trúc neutron

2.4.1. Mô hình điện từ của neutron

2.5. Cuộc thảo luận

3. Về bản chất của lực hạt nhân

3.1. Ion hydro phân tử

3.2. Deuteron

3.3. Hạt nhẹ

3.3.1. Hạt nhân 3 2 Anh

3.3.2. Hạt nhân 4 2 He

3.3.3. Lõi 6 3 Lý

3.4. Cuộc thảo luận

4. Neutrino và meson

4.1. neutrino

4.2. Meson

5. Kết luận

Sự hình thành bức tranh vật lý của thế giới từ Galileo đến Einstein

Chúng ta sẽ làm gì với tài liệu nhận được:

Gửi công việc tốt của bạn trong cơ sở kiến ​​thức rất đơn giản. Sử dụng mẫu dưới đây

Tài liệu tương tự

Khoa Kinh tế

Bài toán về hạt cơ bản

Đặc tính cơ bản của hạt cơ bản

Gửi công việc tốt của bạn trong cơ sở kiến thức rất đơn giản. Sử dụng mẫu dưới đây