Елементарна частинка

Елементарна частинка

Елемента́рна  части́нка — збірний термін, що відноситься до мікрооб'єктів в суб'ядерному масштабі, які неможливо розщепити на складові частини. Їх будова і поведінка вивчається фізикою елементарних частинок. Поняття елементарних частинок ґрунтується на факті дискретної будови речовини. Низка елементарних частинок має складну внутрішню структуру, проте розділити їх на частини неможливо. Інші елементарні частинки є безструктурними і можуть вважатися первинними фундаментальними частинками.

Загальна інформація

Елементарні частинки – найдрібніші суб’ядерні частинки речовини або фізичного поля. Це дискретні структурні елементи, які можуть існувати в неасоційованому стані. Найхарактернішою особливістю елементарних частинок є їхня здатність до перетворень і взаємодії. При цьому дочірні частинки не є структурними складовими материнських, а народжуються при актах перетворення. За властивостями елементарні частинки поділяють на такі групи: фотони, лептони, мезони й баріони (нуклони й гіперони). Майже всі елементарні частинки нестабільні (за винятком електрона, протона, нейтрона, нейтрино, фотона). Основні характеристики елементарних частинок:електричний заряд, маса, тривалість життя, спін, лептонний і баріонний заряди, дивність (квантове число).

Починаючи з 1932 року було відкрито понад 400 елементарних частинок і це число продовжує зростати.

Дослідження останніх десятиліть ХХ ст. показали відносність вживання терміну “елементарні” до ряду частинок. Зокрема виявлено внутрішню структуру протона, нейтрона, інших частинок. Вони складаються з кварків, пар “кварк-антикварк” та глюонів (кванти поля). В свою чергу кварки, можливо, теж мають свою структуру, хоча на сучасному рівні знань вони є фундаментальними складовимиадронів.

Сучасний нам набір елементарних частинок не був таким протягом всього існування Всесвіту. На самих його початках у момент часу 10^-33 c після Великого вибуху існували частинки-прабатьки, так звані преони, з енергією понад 10¹⁵ ГеВ. Прямими “нащадками” преонів стали кварки, що близько 10^-6 с після Великого вибуху утворили вже згадані протони і нейтрони. За цими уявленнями через приблизно 3 хв. після початку процесу утворилася більша частина ядер гелію, які існують у Всесвіті.

Класифікація

За величиною спіну всі елементарні частинки поділяють на два класи:

• ферміони — частинки з напівцілим спіном (наприклад, електрон, протон, нейтрон, нейтрино);
• бозони — частинки з цілим спином (наприклад, фотон).

За видами взаємодій  елементарні частинки поділяють  на такі групи:

• адрони — частинки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій. Вони складаються з кварків і поділяються, у свою чергу, на:
• мезони (адрони з цілим спіном, тобто бозони);
• баріони (адрони з напівцілим спином, тобто ферміони). До них, зокрема, відносяться частинки, що становлять ядро атома, —протон і нейтрон.
• лептони — ферміони, які мають вид точкових частинок (тобто, що не складаються ні з чого) аж до масштабів порядку 10⁻¹⁸ м. Не беруть участь в сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалася тільки для заряджених лептонів (електрони, мюони, тау-лептони) і не спостерігалася для нейтрино. Відомі 6 типів лептонів.
• кварки — дробовозаряджені частинки, що входять до складу адронів. У вільному стані не спостерігалися. Як і лептони, діляться на 6 типів і є безструктурними, проте, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.
• калібрувальні бозони — частинки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії:
• фотон — частинка, що переносить електромагнітну взаємодію;
• вісім глюонів — частинок, що переносять сильну взаємодію;
• три проміжні векторні бозони W⁺, W^- і Z⁰, що переносять слабку взаємодію;
• гравітон — частинка, що переносить гравітаційну взаємодію. Існування гравітонів, хоча поки не доведено експериментально, у зв'язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, вважається цілком імовірним.

Адрони і лептони  утворюють речовину. Калібрувальні бозони — це кванти різних видів випромінювання.

Крім того, в Стандартній Моделі з необхідності присутній бозон Хігса, який, втім, поки що не знайдений експериментально.

Спочатку термін «елементарна частинка» мав на увазі щось абсолютно  елементарне, першоцеглинка матерії. Проте, коли в 1950-х і 1960-х роках  були відкриті сотні адронів зі схожими властивостями, стало ясно, що принаймні адрони мають внутрішні ступені свободи, тобто не є в строгому значенні слова елементарними. Ця підозра надалі підтвердилася, коли з'ясувалося, що адронискладаються з кварків.

Таким чином, наука  просунулася ще трошки вглиб будови речовини: найелементарнішими, точковими  частинами речовини зараз вважаються лептони і кварки. Саме щодо них (разом із калібрувальними бозонами) застосовується термін «фундаментальні частинки».

Основні характеристики елементарних частинок

Маса  і заряд елементарних частинок

Елементарні частинки — найпростіші частинки в складі атома. Сучасний рівень знань не дозволяє точно встановити їхню структуру. Але властивості багатьох частинок вивчені досить добре

Зародження фізики елементарних частинок можна віднести до 90-х років дев'ятнадцятого сторіччя, коли був відкритий електрон (є) Услід  за ним ученим стали відомі протон (р) і фотон (у) Далі події розвивалися  настільки бурхливо, що це дотепер  викликає здивування 1932 рік ввійшов в історію фізики за назвою «рік чудес». Першим з'явилося повідомлення англійського фізика Дж. Чедвіка про відкриття нейтрона (я). Потім американцеві К. Андерсону за допомогою камери Вільсона вдалося знайти в космічному випромінюванні позитрон (є*) — античастинку електрона. Одночасно широко розгорнулися дослідження, покликані визначити властивості цих нових частинок. Було з'ясовано, що вільний нейтрон перетворюється не на дві частинки — протон і електрон, а на три — протон, електрон і якусь нову частинку Е. Фермі дав їй назву «нейтрино» (n), а В. Паулі теоретично обґрунтував її властивості У 1953 рот Райнес і Коуен змогли експериментально підтвердити існування нейтрино Фізика елементарних частинок наочно довела, що далеко не всі фізичні процеси вписуються в рамки класичної електромагнітної моделі Дві нові частинки — нейтрон і позитрон — виявили вузькість сприйняття світу фізичних явищ, що спирався винятково на теорії електромагнітної й гравітаційної взаємодій. Виявилося, що стабільність електронів, протонів і фотонів — це виняток у природі елементарних частинок, адже всі інші елементарні частинки здатні або довільно, або в результаті зіткнень перетворюватися на інші частинки.

Усе це підвело фізиків до ідеї про існування ще двох типів фундаментальних сил: ядерних і слабких. Однак знадобиться ще чимало часу, щоб ця теорія набула остаточної стрункості й завершеності.

До середини XX століття було відомо більше 30 елементарних частинок Ретельне вивчення дозволило виявити  їхні загальні властивості.

Так, основними характеристиками елементарних частинок вважають їхню масу спокою й елементарний заряд.

Маси спокою частинок:

Сумарна маса всіх частинок, що утворюють молекулу, атом або ядро, є масою цього мікрооб'єкта, якщо її зменшити на величину дефекту маси Дефект маси прямо пропорційний енергії, яку потрібно витратити, щоб розщепити мікрооб'єкт на елементарні частинки. У ядрах атомів, в яких дефект маси перевищує Ют, нуклони зв'язані між собою найсильніше.

Електричний заряд  складного мікрооб'єкта дорівнює сумі зарядів складових його частинок.

Спін  елементарних частинок і мікрооб'єктів

Спін є дуже важливою характеристикою як елементарної частинки, так і всього мікрооб'єкта загалом.

Спін елементарної частинки — квантова величина, яка  не має аналога в класичній  механіці й електродинаміці. Це власна невід'ємна властивість елементарної частинки, настільки ж фундаментальна, як заряд або маса. її можна пояснити як момент імпульсу елементарної частинки, що не пов'язаний з її рухом і не залежить від зовнішніх умов.

Іноді під спіном мається  на увазі обертання елементарної частинки навколо своєї осі, але  це неправильно. Спін не можна розуміти як обертання, він позначає лише наявність  у частинки можливостей для цього. Щоб внутрішній момент імпульсу перетворився на класичний момент імпульсу (тобто  щоб частинка справді почала обертатися), необхідним є виконання умови s>>1, де s — спін частинки. Ця умова нездійсненна, тому що максимально можливе значення спіну дорівнює 1.

Спін мікрооб'єкта, наприклад ядра, складається зі спінів нуклонів і орбітальних моментів імпульсу нуклонів, обумовлених рухом нуклонів усередині ядра.

Вивчення спіну  елементарних частинок дозволило зробити  висновки про їх поведінку серед  інших частинок. Спін частинок може бути цілим або дробовим. Це і є підставою для розподілу частинок на бозони і ферміони.

Бозони — частинки з цілочисловим або нульовим спіном. Вони описуються симетричними хвильовими функціями і підкоряються статистичному розподілу Бозе — Ейнштейна.

Ферміони — загальна назва частинок із нецілочисловим спіном. Вони описуються несиметричними хвильовими функціями і підкоряються статистичному розподілу Фермі — Дірака. Складні утворення (ядра атомів), складені з непарного числа фермюнів, є ферміонами, тобто мають нецілочисловий сумарний спін.

Якщо ж мікрооб'єкт складається з парного числа ферміонів, то його сумарний спін цілий, і такі ядра називаються бозонами.

Класифікація  елементарних частинок

Елементарні частинки поєднують у три групи:

— фотони;

— лептони;

— адрони.

Група фотонів містить у собі тільки одну частинку — фотон, який є носієм електромагнітної взаємодії.

Лептони. Мюони

До групи лептонів належать електрон, мюон, електронне і мюонне нейтрино і відповідні античастинки. Усі лептони є ферміонами, тому що їхній спін дорівнює 1/2. Вони не беруть участі в сильних (ядерних) взаємодіях.

Розглянемо основні  властивості мюона. Мюон був уперше виявлений у 1936 році, і тоді ж було встановлено, що він є твердим компонентом вторинного космічного випромінювання. Він є продуктом розпаду важчих частинок Маса мюона складає 207тс, що дозволяє зарахувати його до легких частинок Заряд мюона чисельно дорівнює зарядові електрона, але мюони можуть бути як позитивними (μ+), так і негативними (μ-)

Мюони належать до нестабільних частинок, час їхнього життя складає 2,2·10 -6 с Вони зазнають спонтанного розпаду відповідно до наступної схеми:

Мюони взаємодіють  із ядрами атомів дуже слабко, тому вони не можуть бути носіями ядерної взаємодії.

Адрони. Мезони. Гіперони

Адрони, на відміну від лептонів, можуть брати участь у сильній ядерній взаємодії. До цієї групи належать нуклони (протон і нейтрон), мезони (група частинок j масою меншою, ніж маса протона) і гіперони (група частинок із масою більшою, ніж маса протона).

Мезони бувають  двох типів:

π-мезони (піони);

К-мезони (каони).

Піони були вперше штучно отримані бомбардуванням а-частинками атомів Be, С і Сu. π-Мезони сильно взаємодіють із нуклонами й атомними ядрами; вони є головним чинником існування ядерних сил.

Піони можуть бути позитивно (π+) і негативно (π ) зарядженими Чисельно величина їхнього заряду дорівнює величині заряду електрона Крім того, існують і нейтральні (π0) піони.