Презентаций

17-ТЕМА

Элементарные частицы.

СОДЕРЖАНИЕ

Элементарные частицы.
Фундаментальные взаимодействия.
Сильное взаимодействие (ядерное)
Электромагнитное взаимодействие
Слабое взаимодействие
Гравитационное взаимодействие

Элементарные частицы.
Задача физики элементарных частиц – это исследование при-роды, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.
В 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андер-сон). Позитрон – положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. Были обнару-жены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы

В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами). Затем в 1947–1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны), которые, по современным пред-ставлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее боль-шинство этих частиц являются нестабильными. Стабильными элементарными частицами являются: фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно

отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10–6 с, нейтрального π-мезона – 0,87·10–16 с. Многие массивные частицы – гипероны имеют среднее время жизни порядка 10–10 с.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, пре-восходящим 10–17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными. Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10–22–10–23 с.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии.

Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и анти-нейтрон отличаются только знаками магнитного момента и барии-онного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

В многообразии элементарных частиц, известных к настоя-щему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. В таблице представлены некоторые сведенья о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10–20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице указаны масса частицы (в электронных массах), электри-ческий заряд (в единицах элементарного заряда), момент импульса (спин) в единицах постоянной Планка ħ = h / 2π и среднее время жизни частицы.

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны.
К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.
Следующая группа состоит из легких частиц лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин .1/2

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, назы-ваемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтраль-ные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η0-мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю.

Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые части-цы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барио-нов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин .1/2

Кварки. Идея кварков возникла в результате попытки клас-сифицировать большое количество частиц, участвующих в сильных взаимодействиях и называемых адронами. В 1964 г. американские физики М. Гелл-Ман и Г. Цвейг предположили, что все адроны сос-тоят из соответствующего набора фундаментальных частиц – квар-ков, их антикварков и переносчиков сильного взаимодействия – глюонов.
В теории кварков (квантовой хромодинамике) в настоящее вре-мя различают шесть кварков: u (up), d(down), s(strange), c(charm), b(beauty) t (truth) и шесть соответствующих им антикварков: .

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными2/3 и 1/3элементарного заряда (т.е.1 е/3 и 2е/3).

Фундаментальные взаимодействия.

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

Сильное взаимодействие (ядерное)

– это наиболее интен-сивное из всех видов взаимодействий. Они обуславливает исклю-чительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимо-действие проявляется на расстояниях порядка и менее 10–15 м. Поэтому его называют короткодействующим.

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

Слабое взаимодействие

наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона
.
а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10–10 с).

Гравитационное взаимодействие

присуще всем без исклю-чения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитаци-онные силы играют решающую роль при взаимодействии косми-ческих объектов (звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами.
В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире эле-ментарных частиц фундаментальные взаимодействия осуществля-ются посредством обмена квантами какого-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута И. Е. Таммом и Д. Д. Иваненко.

Гравитационное взаимодействие

Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами – квантами электромагнитного поля.
Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов мо-жет быть объяснено, если предположить, что нуклоны обменивают-ся гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизи-тельно равной 300 электронным массам.

Тестовые задания.

23. (03/8-57). В какое атомное ядро превращается ядро азота, поглощая нейтрон в ядерной реакции ?
A) . В) . С) . D) . Е) .
24. (98/7-70). Энергия связи ядра гелия равна 4,5·10 -12 Дж. Определите его дефект масс (в кг).
А) 1,5·10 -24кг. В) 2·10 -29кг.
С) 5·10 -29кг. D) 2,25·10 -29кг. Е) 9·10 -29кг.

Тестовые задания.

25. (03/10-49). Укажите выражение энергии связи ядра алюминия
(тр — масса протона, тп— масса нейтрона, Мя— масса ядра).
А) Мя·с2. В) (13тр-14тп-Мя )·с2. С) (27тр+13тп-Мя)·с2.
D) (27тp-13тп-Мя)·с2. Е) (13тр+14тп-Мя)·с2.
26. (03/10-48). Каков период полураспада (сутки) радиоактивного элемента, если его активность за 8 суток уменьшилась в 4 раза?
А) 8. В) 4. С) 3. D) 2. Е) 1.

Тестовые задания.

27. (03/). Каков период полураспада радиоактивного элемента (в сутках), если его активность в течении 160 суток уменьшилась в 16 раз?
А) 80. В) 40. С) 20. D) 16. Е) 10.
28. (03/11-40). Период полураспада изотопа йода равен 8 суткам. Какой процент изотопа йода распадется через 32 суток?
А) 12,5. В) 25. С) 81,25. D) 87,5. Е) 93,75.

Тестовые задания.

29. (03/11-39). Период полураспада изотопа радия равен 1600 годам. Сколько ядер распадется за 3200 лет, если их исходное число равно No=109?
А) 10 8. В) 2,5·10 8. С) 5·10 8. D) 7,5·10 8. E) 2·10 8.
30. (01/1-1). При слиянии двух частиц массы покоя т0 выделилась энергия Е. Какова масса покоя получившейся частицы?
А) 2то+Е/с2. В) 2тос2+Е. С) 2то-Е/с2. D) 2то-Ес2. Е) 2тос2-Е.