Реферат на тему Елементарні частинки та їх застосування
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2014-08-13Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Реферат на тему:
Елементарні частинки
та їх застосування
Виконав учень
10-Б класу
Легіневич Тарас
План
1) Вступ
2) Короткі історичні відомості
3) Основні властивості елементарних частинок. Класи взаємодій
4) Характеристики елементарних частинок
5) Елементарні частинки і квантова теорія поля
6) Застосування елементарних частинок
7) Висновок
Вступ
Елементарні частинки – це первинні частинки, які дальше не розпадаються, з них складається вся матерія. Поняття елементарні частинки сформувалося в тісному зв'язку з встановленням дискретного характеру будови речовини на мікроскопічному рівні. Відкриття на рубежі 19-20 ст. найдрібніших носіїв властивостей речовини – молекул і атомів – і встановлення того факту , що молекули побудовані із атомів , дозволило описати всі відомі речовини як комбінації кінцевого числа структурних складових – атомів . Виявлення в подальшому наявності складових атомів–електронів і ядер , встановлення складної природи ядер , які складаються із двох типів частинок (протонів і нейтронів) , дало можливість передбачити , що ланцюжок складових матерії завершиться дискретними безструктурними утвореннями – елементарними частинками. Але не можна впевнено стверджувати , що такі елементарні частинки існують. Протони і нейтрони , наприклад , довгий час рахувалися елементарними , а тепер вияснилось , що вони мають складну будову.
Не виключена можливість того , що послідовність структурних складових матерії безкінечна.
Термін “елементарні частинки” часто використовується в сучасній фізиці для найменування великої групи найдрібніших частинок матерії , які не являються атомами і атомними ядрами (виняток складає ядро атома водню–протон). Як показали дослідження , ця група частинок дуже велика . Крім згадуваних протона , нейтрона і електрона до неї відносяться : фотон , пімезони, мюони, нейтрино, дивні частинки (К-мезони і гіперони) , різноманітні резонанси , “зачаровані” частинки , іпсилон-частинки і важкі лептони–всього більше 350 частинок, в основному нестабільних . Число частинок , що входить в цю групу , продовжує рости , і скоріше всього , необмежено велике. Використання назви “елементарні частинки ” до всіх цих частинок має історичні причини і пов'язано з тим періодом досліджень (початок 30-х років 20 ст.), коли єдиними представниками даної групи були протон , нейтрон і частинка електромагнітного поля – фотон. Ці чотири частинки тоді рахувалися елементарними , так як вони служили основою для побудови речовини і електромагнітного поля , яке з нею взаємодіє , а складна структура протона і нейтрона не була відома.
Відкриття нових мікроскопічних частинок матерії поступово зруйнувало цю просту картину. Нові відкриті частинки дуже були близькі до перших чотирьох відомих частинок. Спільним для них є те, що вони являються специфічними формами існування матерії , яка не асоціюється в ядра і атоми , тому їх іноді називають “суб'ядерними частинками”. До тих пір , поки кількість таких частинок була не дуже велика , існувала думка , що вони відіграють фундаментальну роль в будові матерії , і їх відносили до елементарних частинок . Зростання кількості суб'ядерних частинок , виявлення у багатьох із них складної будови показало , що вони , як правило , не мають властивості елементарності , але традиційна назва “елементарні частинки ” за ними збереглась.
Короткі історичні відомості
Першою відкритою елементарною частинкою був електрон – носій негативного елементарного електричного заряду в атомах. В 1897р. Дж. Дж. Томсон встановив, що катодні промені утворені потоком найдрібніших частинок , які були названі електронами. В 1911р. Е. Резерфорд , пропускаючи альфа-частинки від природного радіоактивного джерела через тонку фольгу різних речовин , вияснив, що позитивний заряд в атомах зосереджений в компактних утвореннях–ядрах, а в 1919р. виявив серед частинок , вибитих із атомних ядер, протони–частинки з одиничним позитивним зарядом і масою , в 1840 разів перевищуючи масу електрона. Інша частинка , яка входить до складу ядра, – нейтрон – була відкрита в 1932р. Дж. Чедвіком під час дослідження взаємодії альфа-частинки з берилієм.
Нейтрон має масу , яка близька до маси протона ,але не має електричного заряду .
Відкриттям нейтрону завершилося виявлення частинок – структурних елементів атомів і їх ядер.
Висновок про існування частинки електромагнітного поля –фотона– бере свій початок із роботи М. Планка (1900р.) Передбачивши , що енергія електромагнітного випромінювання абсолютно чорного тіла квантована , Планк одержав прави- льну формулу для спектра випромінювання . Розвиваючи ідею Планка , А. Ейнштейн (1905р.) доказав , що світло в дійсності являється потоком окремих квантів (фотонів), і на цій основі пояснив закономірності фотоефекту. Експери- ментальні докази існування фотона були дані Р. Мілікеном (1912-1915рр.) і А.
Комптоном (1922р.) Відкриття нейтрино–частинки , яка майже не взаємодіє з речовиною , веде свій початок від теоретичної здогадки В. Паулі (1930р.) Експериментально існування нейтрино було доведено лише в 1953р.(Ф.Райнес і К.Коуен, США).
З 30-х до початку 50-х років вивчення елементарних частинок було тісно пов'язано з дослідженням космічних променів. В 1932р. в складі космічних променів К. Андерсоном було винайдено позитрон–частинку з масою електрона , але з негативним електричним зарядом .Позитрон був першою відкритою античастинкою . Існування позитрона безпосередньо витікало із релятивістської теорії електрона , розвинутої П. Діраком (1928-1931рр.) незадовго до відкриття позитрона . В 1936 р. американські фізики К. Андерсон і С. Недермейєр відкрили при дослідженні космічних променів мюони–частинки з масою в 200 мас електрона і дуже близькі до властивостей електрона і позитрона. В 1947 р. також в космічних променях групою С. Пауела були відкриті p+ и p-мезони з масою в 274 електронні маси , які відіграють важливу роль при взаємодії протонів з нейтронами в ядрах .
Кінець 40-х– початок 50-х рр. 20 ст. ознаменувалось відкриттям великої групи частинок з незвичайними властивостями , які одержали назву “незвичайних”. Перші частинки цієї групи К+- і К--мезони, L-, S+ -, S- -, X- -гіперони були відкриті в космічних променях , наступні відкриття незвичайних частинок були зроблені на прискорювачах. З початку 50-х р. прискорювачі перетворилися на основний інструмент для дослідження елементарних частинок. Після введення в роботу протонних прискорювачів з енергіями в мільярди разів дозволило відкрити важкі античастинки: антипротон, антинейтрон, антисигма-гіперони. В 1960-х рр. на прискорювачах було відкрито велику кількість нестійких частинок , які отримали назву “резонансів.” Маси більшості резонансів перевищують масу протона.
У 1962р. було досліджено , що існують два різних нейтрино: електронне і мюонне .В 1974р. були знайдені масивні і в той же час відносно стійкі у-частинки.
Вони тісно пов'язані з новою родиною елементарних частинок – “зачарованих.”
В 1975 р. були одержані перші відомості про існування важкого аналога електрона і мюона (важкого лептона t). В 1977 р. були відкриті Ў-частинки з масою порядку десятка протонних мас. Таким чином, за роки , які пройшли після відкриття електрона , було виявлено величезну кількість різноманітних мікрочастинок матерії .
Основні властивості елементарних частинок.
Класи взаємодій.
Всі елементарні частинки являються об'єктами виключно малих мас і розмірів. У більшості з них маси мають порядок величини маси протона , яка дорівнює 1,6Ч10-24 г (менше лише маси електрона : 9Ч10-28 г). Розміри протона , нейтрона , p-мезона по величині дорівнюють 10-13 см. Розміри електрона і мюона визначити не вдалося , відомо лише , що вони менші 10-15 см . Мікроскопічні маси і розміри елементарних частинок лежать в основі квантової специфіки їх поведінки . Найбільш важлива квантова властивість всіх елементарних частинок – їх здатність створюватися і знищуватися при взаємодії з іншими частинками. В цьому відношенні вони повністю аналогічні фотонам . Елементарні частинки – це специфічні кванти матерії, більш точно – кванти відповідних фізичних полів . Всі процеси з елементарними частинками протікають через послідовність актів їх поглинання і випускання. Тільки на цій основі можна зрозуміти , наприклад , процес створення p+-мезона при зіткненні двох протонів (р + р ® р + n+ p+) або процес анігіляції електрона і позитрона , коли замість зниклих частинок виникають , наприклад , два g-кванти (е+ +е- ® g + g). Розпад нестабільних елементарних частинок на більш легкі частинки , супроводжується виділенням енергії , відповідає тій же закономірності і являється процесом, в якому продукти розпаду створюються в момент самого розпаду і до цього моменту не існують. Різні процеси з елементарними частинками відрізняються по інтенсивності протікання . У відповідності з цим взаємодію елементарних частинок можна поділити на декілька класів: сильні, електромагнітні і слабкі взаємодії. Всі елементарні частинки крім цього мають гравітаційну взаємодію.
Сильні взаємодії протікають з найбільшої інтенсивністю. Тому сильні взаємодії зумовлюють зв'язок протонів і нейтронів в ядрах атомів і зумовлюють виключну міцність цих утворень , що лежать в основі стабільності речовини в земних умовах.
Електромагнітні взаємодії характеризуються як взаємодії , в основі яких лежить зв'язок з електромагнітним полем. Процеси , зумовлені ними , менш інтенсивні , ніж процеси сильних взаємодій. Електромагнітні взаємодії відповідальні за зв'язок атомних електронів з ядрами і зв'язок атомів в молекулах. Слабкі взаємодії , як показує сама назва , викликають процеси , які дуже повільно протікають з елементарними частинками . Ілюстрацією їх слабкої інтенсивності може служити той факт , що нейтрино , яке володіє тільки слабкими взаємодіями , без перешкод проходить товщу Землі і Сонця . Слабкі взаємодії зумовлюють також повільні розпади квазістбільних елементарних частинок. Час життя цих частинок лежить в діапазоні 10-8-10-10 сек , тоді як час життя для сильних взаємодій елементарних частинок складає 10-23-10-24 сек
Гравітаційні взаємодії , добре відомі за своїми макроскопічними проявами , у випадку елеметнарних частинок на характерних відстанях ~10-13 см дають надзвичайно малі ефекти . Силу різних класів взаємодій можна приблизно охарактеризувати безрозмірними параметрами , пов'язаними з квадратами констант відповідних взаємодій. Для сильних , електромагнітних слабких і гравітаційних взаємодій протонів при середній енергії процесів ~1 Г ев ці параметри відносяться , як 1:10-2: l0-10:10-38. Необхідність врахування середньої енергії процесу пов'язаного з тим , що для слабких взаємодій безрозмірний параметр залежить від енергії.
В залежності від участі в тих чи інших видах взаємодій всі вивчені елементарні частинки , за винятком фотона , можна поділити на дві основні групи: адрони(з грецької hadros – великий , сильний)і лептони (з грецької leptos –дрібний, тонкий, легкий ). Адрони характеризуються перш за все тим , що вони володіють сильними взаємодіями, тоді як лептони беруть участь тільки в електромагнітних і слабких взаємодіях. Маси адронів близькі до маси протона (mр) ; мінімальну масу серед адронів має p-мезон : mp"м 1/7Чmр. Маси лептонів , відомих до 1975-1976-х рр. , були невеликі (0,1mр ) , але нові дані вказують на можливість існування важких лептонів з такими ж масами , як у адронів . Першими дослідженими представниками адронів були протон і нейтрон, лептонів–електрон . Фотон , який володіє тільки електромагнітними взаємодіями , не можна віднести ні до адронів, ні до лептонів і повинен бути віднесений до окремої групи . Фотон , частинка з нульовою масою спокою , входить в одну групу з дуже масивними частинками–проміжними векторними бозонами , які відповідають за слабкі взаємодії.
Характеристики елементарних частинок
Кожна елементарна частинка описується набором дискретних значень певних фізичних величин , або своїми характеристиками. У певних випадках ці дискретні значення виражаються через цілі або дробові числа і загальний множник–одиницю виміру ; про ці числа говорять , як про квантові числа елементарних частинок, при цьому опускаючи одиниці виміру .
Загальними характеристиками всіх елементарних частинок являються маса (m), час життя (t) , спін(J), електричний заряд (Q). Поки що немає достатнього розуміння , по якому закону розподілені маси елементарних частинок і чи існує для них будь-яка одиниця виміру.
В залежності від часу життя елементарні частинки поділяються на стабільні , квазістабільні і нестабільні (резонанси). Стабільними являються електрон (t > 5Ч1021 років), протон (t > 2Ч1030 років), фотон і нейтрино. До квазістабільних відносять частинки , які розпадаються за рахунок електромагнітних і слабких взаємодій. Їх час життя > 10-20 сек (для вільного нейтрона навіть ~ 1000 сек). Резонансами називаються елементарні частинки , які розпадаються за рахунок сильних взаємодій. Їх характерний час життя 10-23-10-24 сек. В деяких випадках розпад тяжких резонансів (з масою і 3 Гев ) за рахунок сильних взаємодій являється подавленим і час життя збільшується до значень– ~10-20 сек.
Спін елементарних частинок являється цілим кратним від величини . В цих одиницях спін р- і К-мезонів дорівнює нулю, у протона, нейтрона і електрона J= 1/2, у фотона J = 1. Існують частинки і з більш високим спіном.
Елементарні частинки крім того характеризуються ще рядом квантових чисел , які називаються внутрішніми . Лептони несуть специфічний лептонний заряд L двох типів :електронний (Le) і мюонний (Lm); Le = +1 для електрона і електронного нейтрино , Lm= +1 для від'ємного мюона і мюонного нейтрино. Важкий лептон t і зв'язаний з ним нейтрино являються носіями нового типу лептонного заряду Lt. Для адронів L = 0, і це ще одна відмінність від лептонів. В свою чергу , значній частині адронів належить баріонний заряд В (|Е| = 1). Адрони з В = +1 утворюють підгрупу баріонів(сюди відносяться протон, нейтрон, гіперони, баріонні резонанси), а адрони з В = 0 – підгрупу мезонів(р- і К-мезони, бозонні резонанси). Останні дослідження показали , що маси баріонів і мезонів можна співставити. Для лептонів В = 0 .Для фотонів В = 0 і L = 0. Баріони і мезони поділяються на звичайні частинки (протон, нейтрон, р-мезони), дивні частинки (гіперони, К-мезони) і зачаровані частинки.
Для всіх елементарних частинок з нульовими значеннями хоча б одного із зарядів існують античастинки з тими самими значеннями маси , часу життя ,спіну, але з протилежними знаками всіх зарядів. Частинки , які не мають античастинок , називаються абсолютно нейтральними. Прикладом таких частинок служить фотон.
В наведеній нижче таблиці вказані всі відомі елементарні частинки (за винятком так званих резонансів) і дано деякі їх характеристики. Частинки в таблиці розміщені в порядку зростання їх мас . Частинки з масами, які не перевищують 207 електроних мас (крім однієї з них), складають групу легких частинок – лептонів, частинки з масами понад 207 електронних мас, але меншими за масу протона, входять до групи мезонів(середніх частинок), протон і більш масивні частинки складають групу баріонів. Особливе місце посідає в таблиці фотон.
При розгляді таблиці 1 звертають на себе увагу такі факти. По-перше, лише три з елементарних частинок – електрон, протон і нейтрон є основними: з них побудовані атоми і відповідно весь навколишній речовинний світ. Заряд елементарної частинки (виражений в елементарних зарядах) дорівнює або +1, або -1, або ж 0;дво- і багатозарядних частинок немає. Більшість елементарних частинок є нестійкими і мають дуже малий період життя. Кожній частинці (крім фотона і пі-нуль-мезона) відповідає античастинка. У 1964 році австрійським фізиком Дж. Цейгом і незалежно від нього американським фізиком М. Гелл-Манном запропонована гіпотеза про існування в природі невеликої кількості більш фундаментальних,” справді елементарних частинок ”, названих кварками . Згідно з цією гіпотезою, всі мезони і баріони побудовані з кварків і антикварків, з'єднаних між собою в різних комбінаціях. Найбільш дивна(майже неймовірна) властивість кварків пов'язана з їх електричним зарядом – припускається , що кварки мають дробове зна- чення елементарного електричного заряду. Нині в багатьох фізичних лабораторіях світу ведуться експерементальні пошуки кварків.
Елементарні частинки
та їх застосування
Виконав учень
10-Б класу
Легіневич Тарас
План
1) Вступ
2) Короткі історичні відомості
3) Основні властивості елементарних частинок. Класи взаємодій
4) Характеристики елементарних частинок
5) Елементарні частинки і квантова теорія поля
6) Застосування елементарних частинок
7) Висновок
Вступ
Елементарні частинки – це первинні частинки, які дальше не розпадаються, з них складається вся матерія. Поняття елементарні частинки сформувалося в тісному зв'язку з встановленням дискретного характеру будови речовини на мікроскопічному рівні. Відкриття на рубежі 19-20 ст. найдрібніших носіїв властивостей речовини – молекул і атомів – і встановлення того факту , що молекули побудовані із атомів , дозволило описати всі відомі речовини як комбінації кінцевого числа структурних складових – атомів . Виявлення в подальшому наявності складових атомів–електронів і ядер , встановлення складної природи ядер , які складаються із двох типів частинок (протонів і нейтронів) , дало можливість передбачити , що ланцюжок складових матерії завершиться дискретними безструктурними утвореннями – елементарними частинками. Але не можна впевнено стверджувати , що такі елементарні частинки існують. Протони і нейтрони , наприклад , довгий час рахувалися елементарними , а тепер вияснилось , що вони мають складну будову.
Не виключена можливість того , що послідовність структурних складових матерії безкінечна.
Термін “елементарні частинки” часто використовується в сучасній фізиці для найменування великої групи найдрібніших частинок матерії , які не являються атомами і атомними ядрами (виняток складає ядро атома водню–протон). Як показали дослідження , ця група частинок дуже велика . Крім згадуваних протона , нейтрона і електрона до неї відносяться : фотон , пімезони, мюони, нейтрино, дивні частинки (К-мезони і гіперони) , різноманітні резонанси , “зачаровані” частинки , іпсилон-частинки і важкі лептони–всього більше 350 частинок, в основному нестабільних . Число частинок , що входить в цю групу , продовжує рости , і скоріше всього , необмежено велике. Використання назви “елементарні частинки ” до всіх цих частинок має історичні причини і пов'язано з тим періодом досліджень (початок 30-х років 20 ст.), коли єдиними представниками даної групи були протон , нейтрон і частинка електромагнітного поля – фотон. Ці чотири частинки тоді рахувалися елементарними , так як вони служили основою для побудови речовини і електромагнітного поля , яке з нею взаємодіє , а складна структура протона і нейтрона не була відома.
Відкриття нових мікроскопічних частинок матерії поступово зруйнувало цю просту картину. Нові відкриті частинки дуже були близькі до перших чотирьох відомих частинок. Спільним для них є те, що вони являються специфічними формами існування матерії , яка не асоціюється в ядра і атоми , тому їх іноді називають “суб'ядерними частинками”. До тих пір , поки кількість таких частинок була не дуже велика , існувала думка , що вони відіграють фундаментальну роль в будові матерії , і їх відносили до елементарних частинок . Зростання кількості суб'ядерних частинок , виявлення у багатьох із них складної будови показало , що вони , як правило , не мають властивості елементарності , але традиційна назва “елементарні частинки ” за ними збереглась.
Короткі історичні відомості
Першою відкритою елементарною частинкою був електрон – носій негативного елементарного електричного заряду в атомах. В 1897р. Дж. Дж. Томсон встановив, що катодні промені утворені потоком найдрібніших частинок , які були названі електронами. В 1911р. Е. Резерфорд , пропускаючи альфа-частинки від природного радіоактивного джерела через тонку фольгу різних речовин , вияснив, що позитивний заряд в атомах зосереджений в компактних утвореннях–ядрах, а в 1919р. виявив серед частинок , вибитих із атомних ядер, протони–частинки з одиничним позитивним зарядом і масою , в 1840 разів перевищуючи масу електрона. Інша частинка , яка входить до складу ядра, – нейтрон – була відкрита в 1932р. Дж. Чедвіком під час дослідження взаємодії альфа-частинки з берилієм.
Нейтрон має масу , яка близька до маси протона ,але не має електричного заряду .
Відкриттям нейтрону завершилося виявлення частинок – структурних елементів атомів і їх ядер.
Висновок про існування частинки електромагнітного поля –фотона– бере свій початок із роботи М. Планка (1900р.) Передбачивши , що енергія електромагнітного випромінювання абсолютно чорного тіла квантована , Планк одержав прави- льну формулу для спектра випромінювання . Розвиваючи ідею Планка , А. Ейнштейн (1905р.) доказав , що світло в дійсності являється потоком окремих квантів (фотонів), і на цій основі пояснив закономірності фотоефекту. Експери- ментальні докази існування фотона були дані Р. Мілікеном (1912-1915рр.) і А.
Комптоном (1922р.) Відкриття нейтрино–частинки , яка майже не взаємодіє з речовиною , веде свій початок від теоретичної здогадки В. Паулі (1930р.) Експериментально існування нейтрино було доведено лише в 1953р.(Ф.Райнес і К.Коуен, США).
З 30-х до початку 50-х років вивчення елементарних частинок було тісно пов'язано з дослідженням космічних променів. В 1932р. в складі космічних променів К. Андерсоном було винайдено позитрон–частинку з масою електрона , але з негативним електричним зарядом .Позитрон був першою відкритою античастинкою . Існування позитрона безпосередньо витікало із релятивістської теорії електрона , розвинутої П. Діраком (1928-1931рр.) незадовго до відкриття позитрона . В 1936 р. американські фізики К. Андерсон і С. Недермейєр відкрили при дослідженні космічних променів мюони–частинки з масою в 200 мас електрона і дуже близькі до властивостей електрона і позитрона. В 1947 р. також в космічних променях групою С. Пауела були відкриті p+ и p-мезони з масою в 274 електронні маси , які відіграють важливу роль при взаємодії протонів з нейтронами в ядрах .
Кінець 40-х– початок 50-х рр. 20 ст. ознаменувалось відкриттям великої групи частинок з незвичайними властивостями , які одержали назву “незвичайних”. Перші частинки цієї групи К+- і К--мезони, L-, S+ -, S- -, X- -гіперони були відкриті в космічних променях , наступні відкриття незвичайних частинок були зроблені на прискорювачах. З початку 50-х р. прискорювачі перетворилися на основний інструмент для дослідження елементарних частинок. Після введення в роботу протонних прискорювачів з енергіями в мільярди разів дозволило відкрити важкі античастинки: антипротон, антинейтрон, антисигма-гіперони. В 1960-х рр. на прискорювачах було відкрито велику кількість нестійких частинок , які отримали назву “резонансів.” Маси більшості резонансів перевищують масу протона.
У 1962р. було досліджено , що існують два різних нейтрино: електронне і мюонне .В 1974р. були знайдені масивні і в той же час відносно стійкі у-частинки.
Вони тісно пов'язані з новою родиною елементарних частинок – “зачарованих.”
В 1975 р. були одержані перші відомості про існування важкого аналога електрона і мюона (важкого лептона t). В 1977 р. були відкриті Ў-частинки з масою порядку десятка протонних мас. Таким чином, за роки , які пройшли після відкриття електрона , було виявлено величезну кількість різноманітних мікрочастинок матерії .
Основні властивості елементарних частинок.
Класи взаємодій.
Всі елементарні частинки являються об'єктами виключно малих мас і розмірів. У більшості з них маси мають порядок величини маси протона , яка дорівнює 1,6Ч10-24 г (менше лише маси електрона : 9Ч10-28 г). Розміри протона , нейтрона , p-мезона по величині дорівнюють 10-13 см. Розміри електрона і мюона визначити не вдалося , відомо лише , що вони менші 10-15 см . Мікроскопічні маси і розміри елементарних частинок лежать в основі квантової специфіки їх поведінки . Найбільш важлива квантова властивість всіх елементарних частинок – їх здатність створюватися і знищуватися при взаємодії з іншими частинками. В цьому відношенні вони повністю аналогічні фотонам . Елементарні частинки – це специфічні кванти матерії, більш точно – кванти відповідних фізичних полів . Всі процеси з елементарними частинками протікають через послідовність актів їх поглинання і випускання. Тільки на цій основі можна зрозуміти , наприклад , процес створення p+-мезона при зіткненні двох протонів (р + р ® р + n+ p+) або процес анігіляції електрона і позитрона , коли замість зниклих частинок виникають , наприклад , два g-кванти (е+ +е- ® g + g). Розпад нестабільних елементарних частинок на більш легкі частинки , супроводжується виділенням енергії , відповідає тій же закономірності і являється процесом, в якому продукти розпаду створюються в момент самого розпаду і до цього моменту не існують. Різні процеси з елементарними частинками відрізняються по інтенсивності протікання . У відповідності з цим взаємодію елементарних частинок можна поділити на декілька класів: сильні, електромагнітні і слабкі взаємодії. Всі елементарні частинки крім цього мають гравітаційну взаємодію.
Сильні взаємодії протікають з найбільшої інтенсивністю. Тому сильні взаємодії зумовлюють зв'язок протонів і нейтронів в ядрах атомів і зумовлюють виключну міцність цих утворень , що лежать в основі стабільності речовини в земних умовах.
Електромагнітні взаємодії характеризуються як взаємодії , в основі яких лежить зв'язок з електромагнітним полем. Процеси , зумовлені ними , менш інтенсивні , ніж процеси сильних взаємодій. Електромагнітні взаємодії відповідальні за зв'язок атомних електронів з ядрами і зв'язок атомів в молекулах. Слабкі взаємодії , як показує сама назва , викликають процеси , які дуже повільно протікають з елементарними частинками . Ілюстрацією їх слабкої інтенсивності може служити той факт , що нейтрино , яке володіє тільки слабкими взаємодіями , без перешкод проходить товщу Землі і Сонця . Слабкі взаємодії зумовлюють також повільні розпади квазістбільних елементарних частинок. Час життя цих частинок лежить в діапазоні 10-8-10-10 сек , тоді як час життя для сильних взаємодій елементарних частинок складає 10-23-10-24 сек
Гравітаційні взаємодії , добре відомі за своїми макроскопічними проявами , у випадку елеметнарних частинок на характерних відстанях ~10-13 см дають надзвичайно малі ефекти . Силу різних класів взаємодій можна приблизно охарактеризувати безрозмірними параметрами , пов'язаними з квадратами констант відповідних взаємодій. Для сильних , електромагнітних слабких і гравітаційних взаємодій протонів при середній енергії процесів ~1 Г ев ці параметри відносяться , як 1:10-2: l0-10:10-38. Необхідність врахування середньої енергії процесу пов'язаного з тим , що для слабких взаємодій безрозмірний параметр залежить від енергії.
В залежності від участі в тих чи інших видах взаємодій всі вивчені елементарні частинки , за винятком фотона , можна поділити на дві основні групи: адрони(з грецької hadros – великий , сильний)і лептони (з грецької leptos –дрібний, тонкий, легкий ). Адрони характеризуються перш за все тим , що вони володіють сильними взаємодіями, тоді як лептони беруть участь тільки в електромагнітних і слабких взаємодіях. Маси адронів близькі до маси протона (mр) ; мінімальну масу серед адронів має p-мезон : mp"м 1/7Чmр. Маси лептонів , відомих до 1975-1976-х рр. , були невеликі (0,1mр ) , але нові дані вказують на можливість існування важких лептонів з такими ж масами , як у адронів . Першими дослідженими представниками адронів були протон і нейтрон, лептонів–електрон . Фотон , який володіє тільки електромагнітними взаємодіями , не можна віднести ні до адронів, ні до лептонів і повинен бути віднесений до окремої групи . Фотон , частинка з нульовою масою спокою , входить в одну групу з дуже масивними частинками–проміжними векторними бозонами , які відповідають за слабкі взаємодії.
Характеристики елементарних частинок
Кожна елементарна частинка описується набором дискретних значень певних фізичних величин , або своїми характеристиками. У певних випадках ці дискретні значення виражаються через цілі або дробові числа і загальний множник–одиницю виміру ; про ці числа говорять , як про квантові числа елементарних частинок, при цьому опускаючи одиниці виміру .
Загальними характеристиками всіх елементарних частинок являються маса (m), час життя (t) , спін(J), електричний заряд (Q). Поки що немає достатнього розуміння , по якому закону розподілені маси елементарних частинок і чи існує для них будь-яка одиниця виміру.
В залежності від часу життя елементарні частинки поділяються на стабільні , квазістабільні і нестабільні (резонанси). Стабільними являються електрон (t > 5Ч1021 років), протон (t > 2Ч1030 років), фотон і нейтрино. До квазістабільних відносять частинки , які розпадаються за рахунок електромагнітних і слабких взаємодій. Їх час життя > 10-20 сек (для вільного нейтрона навіть ~ 1000 сек). Резонансами називаються елементарні частинки , які розпадаються за рахунок сильних взаємодій. Їх характерний час життя 10-23-10-24 сек. В деяких випадках розпад тяжких резонансів (з масою і 3 Гев ) за рахунок сильних взаємодій являється подавленим і час життя збільшується до значень– ~10-20 сек.
Спін елементарних частинок являється цілим кратним від величини . В цих одиницях спін р- і К-мезонів дорівнює нулю, у протона, нейтрона і електрона J= 1/2, у фотона J = 1. Існують частинки і з більш високим спіном.
Елементарні частинки крім того характеризуються ще рядом квантових чисел , які називаються внутрішніми . Лептони несуть специфічний лептонний заряд L двох типів :електронний (Le) і мюонний (Lm); Le = +1 для електрона і електронного нейтрино , Lm= +1 для від'ємного мюона і мюонного нейтрино. Важкий лептон t і зв'язаний з ним нейтрино являються носіями нового типу лептонного заряду Lt. Для адронів L = 0, і це ще одна відмінність від лептонів. В свою чергу , значній частині адронів належить баріонний заряд В (|Е| = 1). Адрони з В = +1 утворюють підгрупу баріонів(сюди відносяться протон, нейтрон, гіперони, баріонні резонанси), а адрони з В = 0 – підгрупу мезонів(р- і К-мезони, бозонні резонанси). Останні дослідження показали , що маси баріонів і мезонів можна співставити. Для лептонів В = 0 .Для фотонів В = 0 і L = 0. Баріони і мезони поділяються на звичайні частинки (протон, нейтрон, р-мезони), дивні частинки (гіперони, К-мезони) і зачаровані частинки.
Для всіх елементарних частинок з нульовими значеннями хоча б одного із зарядів існують античастинки з тими самими значеннями маси , часу життя ,спіну, але з протилежними знаками всіх зарядів. Частинки , які не мають античастинок , називаються абсолютно нейтральними. Прикладом таких частинок служить фотон.
В наведеній нижче таблиці вказані всі відомі елементарні частинки (за винятком так званих резонансів) і дано деякі їх характеристики. Частинки в таблиці розміщені в порядку зростання їх мас . Частинки з масами, які не перевищують 207 електроних мас (крім однієї з них), складають групу легких частинок – лептонів, частинки з масами понад 207 електронних мас, але меншими за масу протона, входять до групи мезонів(середніх частинок), протон і більш масивні частинки складають групу баріонів. Особливе місце посідає в таблиці фотон.
При розгляді таблиці 1 звертають на себе увагу такі факти. По-перше, лише три з елементарних частинок – електрон, протон і нейтрон є основними: з них побудовані атоми і відповідно весь навколишній речовинний світ. Заряд елементарної частинки (виражений в елементарних зарядах) дорівнює або +1, або -1, або ж 0;дво- і багатозарядних частинок немає. Більшість елементарних частинок є нестійкими і мають дуже малий період життя. Кожній частинці (крім фотона і пі-нуль-мезона) відповідає античастинка. У 1964 році австрійським фізиком Дж. Цейгом і незалежно від нього американським фізиком М. Гелл-Манном запропонована гіпотеза про існування в природі невеликої кількості більш фундаментальних,” справді елементарних частинок ”, названих кварками . Згідно з цією гіпотезою, всі мезони і баріони побудовані з кварків і антикварків, з'єднаних між собою в різних комбінаціях. Найбільш дивна(майже неймовірна) властивість кварків пов'язана з їх електричним зарядом – припускається , що кварки мають дробове зна- чення елементарного електричного заряду. Нині в багатьох фізичних лабораторіях світу ведуться експерементальні пошуки кварків.
Елементарні частинки і квантова теорія поля
Для опису властивостей і взаємодій елементарних частинок в сучасній теорії суттєве значення має поняття фізичного поля, яке ставиться у відповідність кожній частинці . Поле – це специфічна форма матерії ; воно описується функцією, яка задається у всіх точках (x) простору-часу, яка характеризується певними трансформаційними властивостями по відношенню до групи Лоренца (скаляр, спінор, вектор і т.д.)і груп “внутрішніх” симетрій (ізотопічний скаляр, ізотопічний спінор і т.д.). Електромагнітне поле , яке характеризується властивостями чотирьох вимірного вектора Аm(х) (m = 1, 2, 3, 4), – історично перший приклад фізичного поля. Поля , які можна співставити з елементарними частинками , мають квантову природу, тобто їх енергія і імпульс складаються із багатьох окремих порцій–квантів, причому енергія і імпульс кванта зв'язані співвідношенням спеціальної теорії відносності : Ek2 = pk2c2 + m2c2. Кожний такий квант і є елементарна частинка із заданою енергією, імпульсом і масою .Квантами електромагнітного поля являються фотони , кванти інших полів відповідають всім іншим відомим елементарним частинкам. Поле є фізичне відображення існування безкінечної сукупності частинок – квантів. Спеціальний математичний апарат квантової теорії поля дозволяє описати народження і знищення частинки в кожній точці x.
Для опису процесів , що відбуваються з елементарними частинками , необхідно знати , як різні фізичні поля пов'язані один з одним, тобто знати динаміку полів . У сучасному апараті квантової теорії поля повідомлення про динаміку полів містяться в особливій величині, яка виявляється через поля–лагранжіана (L).Знання L дозволяє в принципі розраховувати ймовірність переходів від однієї сукупності частинок до іншої під впливом різних взаємодій .
Таблиця 1
В період 50-70-х років був досягнутий значний прогрес в розумінні струк- тури лагранжиана , який дозволив істотно уточнити його форму для сильних і слабких взаємодій. Вирішальну роль в цьому відіграло вияснення тісного взаємозв'язку між властивостями симетрії взаємодій елементарних частинок і формою лагранжиана.
Симетрія взаємодій елементарних частинок знаходить своє відображення в існуванні законів збереження певних фізичних величин і ,відповідно, в збереженні звязаних з ними квантових чисел елементарних частинок. Точна симетрія , яка має місце для всіх класів взаємодій, відповідає наявності у елементарних частинок точних квантових чисел ; наближена симетрія , характерна лише для деяких кла- сів взаємодій (сильних, електромагнітних), приводить до неточних квантових чисел. Якщо симетрія точна , то маса кванта поля дорівнює нулю. Для наближеної симетрії маса кванта векторного поля відмінна від нуля.
Тепер перейдемо до питання про взаємодію кварків в нуклоні. Експерименти по розсіюванню нейтрино і антинейтрино на нуклоні показали , що імпульс нуклона лише частково (приблизно на 50%) переноситься карками , а інша його частина переноситься іншим видом матерії, яка не взаємодіє з нейтрино. Передбачається , що ця частина матерії складається із частинок , якими обмінюються кварки і за рахунок яких вони утримуються в нуклоні. Ці частинки одержали назву “глюонів” (з англійської glue - клей). З викладеної вище точки зору на взаємодію ці частинки рахують векторними. В сучасній теорії їх існування пов'язується з симетрією , що зумовлює появу “кольору” у кварків.
Отже , на рівні елементарних частинок фактично відсутні істотні відмінності між речовиною і полем як видами матерії .І електрон , і позитрон , і протон , і фотон є як елементарними частинками речовини, так і квантами відповідних полів. Про відносність поділу матерії на рівні елементарних частинок на частинки речовини і частинки поля переконливо свідчить взаємоперетворюваність частинок речовини й поля . Наприклад, у 1934 році було встановлено , що при зіткненні електрона з позитроном відбувається їх перетворення в два фотони, тобто відбувається перетворення частинок речовини в частинки електромагнітного поля. Можна також говорити про перетворення квантів електронно-позитронного поля в кванти електромагнітного поля. Можливий також і зворотний процес перетворення фотона великої енергії під час зіткнення з ядром в пару електрон –позитрон. У цьому випадку частинка поля–фотон–перетворюється в частинку речовини (електрон–позитрон). Природно , під час цих перетворень виконується всі закони збереження. Так , маса фотона виявляється точно рівною сумі мас частинок , які утворилися. Тому не може бути й мови ні про яке “знищення” або “створення” маси , а тим більше матерії в цих процесах.
Дослідження показали , що перетворення в фотони і створення за рахунок фотонів спостерігається для всіх заряджених частинок і античастинок: протона й антипротона ,м-- мезона й м+ -мезона , р+ - мезона і р-- мезона , К- - мезона і К+ - мезона , а також для нейтрона і антинейтрона. Як і у випадку перетворення пари електрон– позитрон , під час всіх цих процесів перетворення частинок речовини в частинки електромагнітного поля (фотони) і зворотно зберігаються маса, енергія , імпульс і деякі інші характеристики частинок.
Застосування елементарних частинок
Встановлення факту існування античастинок–позитронів , антинейтронів, антипротонів – привело до нової проблеми–проблеми антиречовини. Відкриття антипротона дало можливість висловити припущення , що антипротон може захоплювати на зовнішню орбіту позитрон і утворювати “антиатом”, аналогічний до атома Гідрогену, з тією лише різницею, що позитивні й негативні заряди міняються місцями . З антипротонів і антинейтронів можуть утворюватися “антиядра”
й інших елементів, які, захопивши на зовнішню орбіту відповідну кількість позитронів, утворюють антиатоми цих елементів. Сукупність таких антиатомів утворює антиречовину .
Ці припущення дістали експериментальне підтвердження. На сьогодні одержано важкий антиводень (антидейтерій), антигелій і антитритій.
Властивості антиречовини нічим не відрізняються від властивостей звичайної речовини, але разом речовина й антиречовина існувати не можуть взаємодіючи , атоми речовини й антиречовини зникають , перетворюючись у фотони та інші частинки . При такому перетворенні дефект маси досягає максимуму і виділяється максимально можлива , згідно з законом взаємозв'язку маси й енергії , кількість повної енергії 2mcІ, де m – маса однієї частинки. Таким чином , антиречовина є найбільш досконалим , найбільш “калорійним” паливом. Але це паливо необхідно не лише навчитися добувати , а й зберігати , оскільки воно має бути старанно ізольоване від звичайної речовини . Чи зможе людство успішно розв'язати цю проблему, покаже майбутнє.
Вчені припускають можливість існування окремих зір , а можливо , й цілих зоряних систем (галактик), які складаються з антиречовини , – антисвітів. Зустріч у світовому просторі зірок з двома типами речовини закінчилося б гігантським вибухом, зумовленим спільним зникнення атомів і антиатомів–перетворенням їх у фотони та інші частинки.
Частинки нейтрино характеризуються величезною проникаючою здатністю : одна така частинка може пройти крізь шар сталі товщиною в діаметр нашої галактики. Також вдається зафіксувати окремі взаємодії антинейтрино з атомами речовини . Такі взаємодії зрідка спостерігаються поблизу атомних реакторів , які випромінюють дуже сильні нейтринні потоки.
В останні роки високого розвитку досягла астрономія. Появилися нові розділи астрономії: радіо-і рентгеноастрономія , нейтринна астрономія . Відкриті нові космічні об'єкти – радіозірки, квазари, пульсари і т. д. Загальноприйнятим стало відкриття пульсарів як нейтронних зірок , деякі з них являються залишками вибухів понад нових зірок , як знаменитий пульсар в центрі Крабовидної туманності .
Спостерігається розвиток нейтринної астрономії. Великі маси речовини , здатними взаємодіяти з антинейтрино, містяться в балонах під горою Андирчі в Баксанській ущелині на Кавказі так, щоб можна було зафіксувати частинки , які пройшли через товщину Землі . Це робиться для того , щоб виключити випадкові взаємодії з частинками космічних променів. Потоки нейтрино несуть інформацію із тих місць , де вони зародилися . Це , як правило , внутрішній вміст зірок , в тому числі Сонця . Світло, що досягає поверхні Землі через 8,5 хв , випускається поверхнею нашого світила . Антинейтрино , що випускається і з надр Сонця, досягає Землі менше ніж за 9 хв, не взаємодіючи по дорозі ні з чим. Біля 10% енергії , що випромінюється Сонцем , забирає антинейтрино. На поверхні Землі густина потоку антинейтрино повинна дорівнювати 10 частинок/(смІ с). Поки-що зафіксувати таке випромінювання не вдалося.
В наш час відомими нам закономірностями не можна пояснити інтенсивність випромінювання квазарів , які ми спостерігаємо, не все зрозуміло в процесах утворення чорних дірок , не знайдено на досліді антинейтринне випромінювання Сонця, яке повинно супроводжувати термоядерну реакцію в надрах нашого світила.
Зміщення спектральних ліній доказує , що галактики розбігаються , чим дальше від нас галактика , тим більша її швидкість зникнення . Причини розбігання ми не знаємо , але існує думка , що колись всі галактики почали розбігатися з однієї точки . Тоді в цій точці повинна була вибухнути якась частинка , енергія якої розподілилася між всіма галактиками , які виникли внаслідок цього вибуху. Так наука про макрокосмос – астрономія – поєднується з наукою про мікрокосмос – фізикою елементарних частинок .
Цікавим являється питання про модель нашої Вселеної: чи припиниться коли-небудь розбігання галактик і чи воно буде продовжуватися вічно? Іншими словами, чи справедлива модель пульсуючої Вселеної? Існує гіпотеза, що наявність маси спокою у всіх нейтрино робить середню густину Вселеної достатньою для існування пульсуючої Вселеної.
Висновок
Роблячи висновок, можна назвати три моменти , які відзначають значення фізики елементарних частинок.
По-перше , фізика високих енергій вивчає фундаментальну структуру матерії , із якої побудований весь навколишній фізичний і біологічний світ . Вона являє собою природні продовження успішної традиції у фізиці , яка пройшла від вивчення макроскопічної матерії до молекул , атомів і ядер...
По-друге, розвиток спеціальної теорії відносності і квантової механіки залишило глибокий слід навіть у філософському мисленні людства. У своїй роботі над явищами при дуже високих енергіях і дуже малих відстанях фізики досліджують основну структуру не тільки речовини , але й простору часу, енергії електричного заряду . Це привело до глибоких змін самих основ фізики .
По-третє, ми живемо в епоху новітньої техніки , в якій людина починає маніпулювати все більш дрібними одиницями аж до атомних і субатомних розмірів.
Ряд фундаментальних відкриттів на початку 20ст– квантованості енергії і енергетичних рівнів електронів в атомах , єдності корпускулярних і хвильових властивостей у мікрочастинок , різноманітності типів елементарних частинок і їх властивостей, взаємодій і перетворень – все це привело до заміни електромагнітної картини якісно новою квантово-польовою картиною світу. Сучасна квантово-польова картина світу , як і будь яка інша наукова картина , ґрунтується на визнані матеріальності і єдності світу, загального зв'язку і зумовленості структурних рівнів, на визнанні невичерпності властивостей матерії і необмеженості її пізнання.
З погляду сучасної фізики , існують дві форми матерії – речовина і поле. Речовина має переривчасту (дискретну) будову, а поле – безперервну. Однак розвиток фізики показав , що поділ матерії на речовину й поле втратив абсолютний смисл . Ми знаємо , що кожному полю відповідають кванти цього поля : електромагнітному полю – фотони , ядерному – р-мезони тощо . В свою чергу всі частинки речовини мають хвильові властивості .За відповідних умов частинки речовини можуть перетворюватися в кванти відповідних полів і , навпаки, кванти полів можуть перетворюватися в частинки речовини .
Відображенням матеріальної єдності світу є також і те , що вся різноманітність різних форм руху мікрочастинок і макроскопічних тіл виявляється через чотири основних типи взаємодій : 1) сильну , яка здійснює зв'язок нуклонів у ядрах атомів ;2) електромагнітну , яка зумовлює зв'язок між електрично зарядженими частинками ; 3) слабку , яка зумовлює бета-розпад ядер і перетворення нейтрона в протон ; 4) гравітаційну , яка зумовлює тяжіння між всіма матеріальними об'єктами. Сильні й слабкі взаємодії разом з електромагнітними зумовлюють будову і властивості атомних ядер і елементарних частинок .
Матеріальна єдність світу виявляється також в абсолютності і відносності існування матерії , в її нестворюваності і незнищуваності , підтвердженних всім розвитком природознавства . Сучасна фізична картина світу є результатом узагальнення найважливіших досягнень усіх фізичних наук. Одна хоч ця частина світу і успішно пояснює багато явищ , все ж у природі існує невичерпна кількість явищ , які сучасна фізична частина світу пояснити не може. З таких трудностей слід насамперед вказати ті , що пов'язані із створенням єдиної теорії елементарних частинок . Складність світу переважає і завжди переважатиме складність людських уявлень про нього .
Список використаної літератури
1) Ахієзер А.И. , Рекало М.П. “Біографія елементарних частинок” . К. Наукова думка , 1983
2) Евграфова Н.Н. , Каган В.Л. Курс физики . М. “Высшая школа” ,1984
3)Марков М.А. О природе материи. М., 1976
4) И., Иоффе Б. Л., Окунь Л. Б., Новые элементарные частицы, “Успехи физических наук”, 1975, т. 117, в. 2, с. 227
5)Новости фундаментальной физики, пер. с англ., М., 1977, с 120-240.
6) Гончаренка С.У. Фізика . К. “ Освіта” , 2002
Для опису властивостей і взаємодій елементарних частинок в сучасній теорії суттєве значення має поняття фізичного поля, яке ставиться у відповідність кожній частинці . Поле – це специфічна форма матерії ; воно описується функцією, яка задається у всіх точках (x) простору-часу, яка характеризується певними трансформаційними властивостями по відношенню до групи Лоренца (скаляр, спінор, вектор і т.д.)і груп “внутрішніх” симетрій (ізотопічний скаляр, ізотопічний спінор і т.д.). Електромагнітне поле , яке характеризується властивостями чотирьох вимірного вектора Аm(х) (m = 1, 2, 3, 4), – історично перший приклад фізичного поля. Поля , які можна співставити з елементарними частинками , мають квантову природу, тобто їх енергія і імпульс складаються із багатьох окремих порцій–квантів, причому енергія і імпульс кванта зв'язані співвідношенням спеціальної теорії відносності : Ek2 = pk2c2 + m2c2. Кожний такий квант і є елементарна частинка із заданою енергією, імпульсом і масою .Квантами електромагнітного поля являються фотони , кванти інших полів відповідають всім іншим відомим елементарним частинкам. Поле є фізичне відображення існування безкінечної сукупності частинок – квантів. Спеціальний математичний апарат квантової теорії поля дозволяє описати народження і знищення частинки в кожній точці x.
Для опису процесів , що відбуваються з елементарними частинками , необхідно знати , як різні фізичні поля пов'язані один з одним, тобто знати динаміку полів . У сучасному апараті квантової теорії поля повідомлення про динаміку полів містяться в особливій величині, яка виявляється через поля–лагранжіана (L).Знання L дозволяє в принципі розраховувати ймовірність переходів від однієї сукупності частинок до іншої під впливом різних взаємодій .
Таблиця 1
Назва частинки | Символ частинка | Символ античастинка | Електричний заряд | Маса спокою | Час життя всек. (наближено) |
| Лептони: Фотон Нейтрино електронне Нейтрино мюонне Нейтрино таонне Електрон Мюон Таон | V Ve Vм Vф e- м- ф - | Ve Vм Vф e+ м+ ф+ | 0 0 0 0 1 1 1 | 0 0 0 0 1 206,8 3487 | Стабільний Стабільне Стабільне Стабільне Стабільний -6 10 -12 10 |
| Мезони: Піони Каони Ета-мезони | { р0 , р+ { К0 , К+ з0 | р0 р- К0 К- з0 | 0 1 0 1 0 | 264,1 273,1 974,0 966,2 1074 | -6 10 -8 10 -10 -8 10 - 10 -8 10 -19 10 |
| Баріони: Протон Нейтрон Гіперони: лямбда сигма ксі омега | р n л0 У0 {У+ У- О0 О- Щ- | р n л0 У0 У+ У- О0 О- Щ- | 1 0 0 0 1 1 0 1 1 | 1836,2 1838,7 2183 2334 2328 2343 2573 2586 3273 | Стабільний 3 10 -10 10 -20 10 -10 10 -10 10 -10 10 -10 10 -10 10 |
В період 50-70-х років був досягнутий значний прогрес в розумінні струк- тури лагранжиана , який дозволив істотно уточнити його форму для сильних і слабких взаємодій. Вирішальну роль в цьому відіграло вияснення тісного взаємозв'язку між властивостями симетрії взаємодій елементарних частинок і формою лагранжиана.
Симетрія взаємодій елементарних частинок знаходить своє відображення в існуванні законів збереження певних фізичних величин і ,відповідно, в збереженні звязаних з ними квантових чисел елементарних частинок. Точна симетрія , яка має місце для всіх класів взаємодій, відповідає наявності у елементарних частинок точних квантових чисел ; наближена симетрія , характерна лише для деяких кла- сів взаємодій (сильних, електромагнітних), приводить до неточних квантових чисел. Якщо симетрія точна , то маса кванта поля дорівнює нулю. Для наближеної симетрії маса кванта векторного поля відмінна від нуля.
Тепер перейдемо до питання про взаємодію кварків в нуклоні. Експерименти по розсіюванню нейтрино і антинейтрино на нуклоні показали , що імпульс нуклона лише частково (приблизно на 50%) переноситься карками , а інша його частина переноситься іншим видом матерії, яка не взаємодіє з нейтрино. Передбачається , що ця частина матерії складається із частинок , якими обмінюються кварки і за рахунок яких вони утримуються в нуклоні. Ці частинки одержали назву “глюонів” (з англійської glue - клей). З викладеної вище точки зору на взаємодію ці частинки рахують векторними. В сучасній теорії їх існування пов'язується з симетрією , що зумовлює появу “кольору” у кварків.
Отже , на рівні елементарних частинок фактично відсутні істотні відмінності між речовиною і полем як видами матерії .І електрон , і позитрон , і протон , і фотон є як елементарними частинками речовини, так і квантами відповідних полів. Про відносність поділу матерії на рівні елементарних частинок на частинки речовини і частинки поля переконливо свідчить взаємоперетворюваність частинок речовини й поля . Наприклад, у 1934 році було встановлено , що при зіткненні електрона з позитроном відбувається їх перетворення в два фотони, тобто відбувається перетворення частинок речовини в частинки електромагнітного поля. Можна також говорити про перетворення квантів електронно-позитронного поля в кванти електромагнітного поля. Можливий також і зворотний процес перетворення фотона великої енергії під час зіткнення з ядром в пару електрон –позитрон. У цьому випадку частинка поля–фотон–перетворюється в частинку речовини (електрон–позитрон). Природно , під час цих перетворень виконується всі закони збереження. Так , маса фотона виявляється точно рівною сумі мас частинок , які утворилися. Тому не може бути й мови ні про яке “знищення” або “створення” маси , а тим більше матерії в цих процесах.
Дослідження показали , що перетворення в фотони і створення за рахунок фотонів спостерігається для всіх заряджених частинок і античастинок: протона й антипротона ,м-- мезона й м+ -мезона , р+ - мезона і р-- мезона , К- - мезона і К+ - мезона , а також для нейтрона і антинейтрона. Як і у випадку перетворення пари електрон– позитрон , під час всіх цих процесів перетворення частинок речовини в частинки електромагнітного поля (фотони) і зворотно зберігаються маса, енергія , імпульс і деякі інші характеристики частинок.
Застосування елементарних частинок
Встановлення факту існування античастинок–позитронів , антинейтронів, антипротонів – привело до нової проблеми–проблеми антиречовини. Відкриття антипротона дало можливість висловити припущення , що антипротон може захоплювати на зовнішню орбіту позитрон і утворювати “антиатом”, аналогічний до атома Гідрогену, з тією лише різницею, що позитивні й негативні заряди міняються місцями . З антипротонів і антинейтронів можуть утворюватися “антиядра”
й інших елементів, які, захопивши на зовнішню орбіту відповідну кількість позитронів, утворюють антиатоми цих елементів. Сукупність таких антиатомів утворює антиречовину .
Ці припущення дістали експериментальне підтвердження. На сьогодні одержано важкий антиводень (антидейтерій), антигелій і антитритій.
Властивості антиречовини нічим не відрізняються від властивостей звичайної речовини, але разом речовина й антиречовина існувати не можуть взаємодіючи , атоми речовини й антиречовини зникають , перетворюючись у фотони та інші частинки . При такому перетворенні дефект маси досягає максимуму і виділяється максимально можлива , згідно з законом взаємозв'язку маси й енергії , кількість повної енергії 2mcІ, де m – маса однієї частинки. Таким чином , антиречовина є найбільш досконалим , найбільш “калорійним” паливом. Але це паливо необхідно не лише навчитися добувати , а й зберігати , оскільки воно має бути старанно ізольоване від звичайної речовини . Чи зможе людство успішно розв'язати цю проблему, покаже майбутнє.
Вчені припускають можливість існування окремих зір , а можливо , й цілих зоряних систем (галактик), які складаються з антиречовини , – антисвітів. Зустріч у світовому просторі зірок з двома типами речовини закінчилося б гігантським вибухом, зумовленим спільним зникнення атомів і антиатомів–перетворенням їх у фотони та інші частинки.
Частинки нейтрино характеризуються величезною проникаючою здатністю : одна така частинка може пройти крізь шар сталі товщиною в діаметр нашої галактики. Також вдається зафіксувати окремі взаємодії антинейтрино з атомами речовини . Такі взаємодії зрідка спостерігаються поблизу атомних реакторів , які випромінюють дуже сильні нейтринні потоки.
В останні роки високого розвитку досягла астрономія. Появилися нові розділи астрономії: радіо-і рентгеноастрономія , нейтринна астрономія . Відкриті нові космічні об'єкти – радіозірки, квазари, пульсари і т. д. Загальноприйнятим стало відкриття пульсарів як нейтронних зірок , деякі з них являються залишками вибухів понад нових зірок , як знаменитий пульсар в центрі Крабовидної туманності .
Спостерігається розвиток нейтринної астрономії. Великі маси речовини , здатними взаємодіяти з антинейтрино, містяться в балонах під горою Андирчі в Баксанській ущелині на Кавказі так, щоб можна було зафіксувати частинки , які пройшли через товщину Землі . Це робиться для того , щоб виключити випадкові взаємодії з частинками космічних променів. Потоки нейтрино несуть інформацію із тих місць , де вони зародилися . Це , як правило , внутрішній вміст зірок , в тому числі Сонця . Світло, що досягає поверхні Землі через 8,5 хв , випускається поверхнею нашого світила . Антинейтрино , що випускається і з надр Сонця, досягає Землі менше ніж за 9 хв, не взаємодіючи по дорозі ні з чим. Біля 10% енергії , що випромінюється Сонцем , забирає антинейтрино. На поверхні Землі густина потоку антинейтрино повинна дорівнювати 10 частинок/(смІ с). Поки-що зафіксувати таке випромінювання не вдалося.
В наш час відомими нам закономірностями не можна пояснити інтенсивність випромінювання квазарів , які ми спостерігаємо, не все зрозуміло в процесах утворення чорних дірок , не знайдено на досліді антинейтринне випромінювання Сонця, яке повинно супроводжувати термоядерну реакцію в надрах нашого світила.
Зміщення спектральних ліній доказує , що галактики розбігаються , чим дальше від нас галактика , тим більша її швидкість зникнення . Причини розбігання ми не знаємо , але існує думка , що колись всі галактики почали розбігатися з однієї точки . Тоді в цій точці повинна була вибухнути якась частинка , енергія якої розподілилася між всіма галактиками , які виникли внаслідок цього вибуху. Так наука про макрокосмос – астрономія – поєднується з наукою про мікрокосмос – фізикою елементарних частинок .
Цікавим являється питання про модель нашої Вселеної: чи припиниться коли-небудь розбігання галактик і чи воно буде продовжуватися вічно? Іншими словами, чи справедлива модель пульсуючої Вселеної? Існує гіпотеза, що наявність маси спокою у всіх нейтрино робить середню густину Вселеної достатньою для існування пульсуючої Вселеної.
Висновок
Роблячи висновок, можна назвати три моменти , які відзначають значення фізики елементарних частинок.
По-перше , фізика високих енергій вивчає фундаментальну структуру матерії , із якої побудований весь навколишній фізичний і біологічний світ . Вона являє собою природні продовження успішної традиції у фізиці , яка пройшла від вивчення макроскопічної матерії до молекул , атомів і ядер...
По-друге, розвиток спеціальної теорії відносності і квантової механіки залишило глибокий слід навіть у філософському мисленні людства. У своїй роботі над явищами при дуже високих енергіях і дуже малих відстанях фізики досліджують основну структуру не тільки речовини , але й простору часу, енергії електричного заряду . Це привело до глибоких змін самих основ фізики .
По-третє, ми живемо в епоху новітньої техніки , в якій людина починає маніпулювати все більш дрібними одиницями аж до атомних і субатомних розмірів.
Ряд фундаментальних відкриттів на початку 20ст– квантованості енергії і енергетичних рівнів електронів в атомах , єдності корпускулярних і хвильових властивостей у мікрочастинок , різноманітності типів елементарних частинок і їх властивостей, взаємодій і перетворень – все це привело до заміни електромагнітної картини якісно новою квантово-польовою картиною світу. Сучасна квантово-польова картина світу , як і будь яка інша наукова картина , ґрунтується на визнані матеріальності і єдності світу, загального зв'язку і зумовленості структурних рівнів, на визнанні невичерпності властивостей матерії і необмеженості її пізнання.
З погляду сучасної фізики , існують дві форми матерії – речовина і поле. Речовина має переривчасту (дискретну) будову, а поле – безперервну. Однак розвиток фізики показав , що поділ матерії на речовину й поле втратив абсолютний смисл . Ми знаємо , що кожному полю відповідають кванти цього поля : електромагнітному полю – фотони , ядерному – р-мезони тощо . В свою чергу всі частинки речовини мають хвильові властивості .За відповідних умов частинки речовини можуть перетворюватися в кванти відповідних полів і , навпаки, кванти полів можуть перетворюватися в частинки речовини .
Відображенням матеріальної єдності світу є також і те , що вся різноманітність різних форм руху мікрочастинок і макроскопічних тіл виявляється через чотири основних типи взаємодій : 1) сильну , яка здійснює зв'язок нуклонів у ядрах атомів ;2) електромагнітну , яка зумовлює зв'язок між електрично зарядженими частинками ; 3) слабку , яка зумовлює бета-розпад ядер і перетворення нейтрона в протон ; 4) гравітаційну , яка зумовлює тяжіння між всіма матеріальними об'єктами. Сильні й слабкі взаємодії разом з електромагнітними зумовлюють будову і властивості атомних ядер і елементарних частинок .
Матеріальна єдність світу виявляється також в абсолютності і відносності існування матерії , в її нестворюваності і незнищуваності , підтвердженних всім розвитком природознавства . Сучасна фізична картина світу є результатом узагальнення найважливіших досягнень усіх фізичних наук. Одна хоч ця частина світу і успішно пояснює багато явищ , все ж у природі існує невичерпна кількість явищ , які сучасна фізична частина світу пояснити не може. З таких трудностей слід насамперед вказати ті , що пов'язані із створенням єдиної теорії елементарних частинок . Складність світу переважає і завжди переважатиме складність людських уявлень про нього .
Список використаної літератури
1) Ахієзер А.И. , Рекало М.П. “Біографія елементарних частинок” . К. Наукова думка , 1983
2) Евграфова Н.Н. , Каган В.Л. Курс физики . М. “Высшая школа” ,1984
3)Марков М.А. О природе материи. М., 1976
4) И., Иоффе Б. Л., Окунь Л. Б., Новые элементарные частицы, “Успехи физических наук”, 1975, т. 117, в. 2, с. 227
5)Новости фундаментальной физики, пер. с англ., М., 1977, с 120-240.
6) Гончаренка С.У. Фізика . К. “ Освіта” , 2002
