Елементарна частинка

Піони нестабільні. Час життя заряджених піонів складає 2,6 10-8 с. незаряджених - 0,8 •10-16 с.

Спонтанно я-мезони розпадаються за такою схемою

Маси позитивно  і негативно заряджених π-мезонів однакові й складають 273,1 от . Маса π°-мезона дорівнює 264,1 тс Усі мезони належать до легких частинок. Заряджені піони мають нульовий спін.

К-мезони — частинки з нульовим спіном і масою 970/и, Відомі 4 типи каонів

К+ — позитивно  заряджений кцон;

К" — негативно  заряджений каон;

К° і К° — нейтральні каони.

Час життя К-мезонів  коливається в періоді від 10 8 до 10 10 с і залежить від їхнього типу. Розпад заряджених каонів відбувається відповідно до такої схеми

Гіперони — важкі  нестабільні елементарні частинки масою (2183-3273)тс, що перевищує масу протона. Відомо кілька типів гіперонів

Спін гіперонів  дорівнює 1/2 (для Ω -гіперону 3/2). Час життя гіперонів складає 10-10 с (для Ω°-гіперонів 10-20 с). Розпад гіперонів супроводжується утворенням нуклонів і легких частинок (я-мезонів, електронів, нейтрино і у-квантів)

Властивості гіперонів  дозволили виявити ще одну квантову характеристику елементарних частинок — дивність Справа в тому, що розрахований теоретично час життя гіперонів  був у 1013 разів менший, ніж експериментально встановлений Закон збереження дивності s пояснив цей факт, а також  і те, що гіперон народжується кожного  разу у парі з К-мезоном. Слід зауважити, що закон збереження дивності виконується тільки при сильних і електромагнітних взаємодіях.

Античастинки

Квантова теорія передбачала  існування античастинок задовго  до експериментального доказу цього  факту. Наявність у кожної елементарної частинки античастинки підтверджується  принципом зарядового спряження. Справді, кожній частинці, m винятком фотона і π°-мезона, відповідає античастинка.

Частинка та античастинка мають однакову масу і рівну тривалість життя у вакуумі. їхній заряд однаковий за величиною і протилежний за знаком. Спін частинки та античастинки однаковий.

Довгий час вважалося, що, завдяки подібності характеристик, частинки та античастинки повинні брати  участь в аналогічних процесах (повна  симетрія). Пізніше було доведено, що подібна симетрія характерна тільки для сильної й електромагнітної взаємодій, а для слабкої порушується.

Процес зіткнення  частинки з античастинкою, у результаті чого виникають інші елементарні  частинки або фотони, одержав назву  анігіїяція. Першим прикладом анігіляції у фізиці стала взаємодія електрона  й позитрона з утворенням двох у-квантів: 

Для створення пари «частинка-античастинка» потрібна енергія, яка дорівнює або перевищує  подвоєну енергію спокою пари. Це відбувається тому, що частинкам необхідно надати значної кінетичної енергії. Наприклад, для створення пари «протон-антипротон» (р-р) потрібно витратити 4,4 ГеВ.

Античастинки можуть анігілювати не тільки з відповідними до них частинками, але і з іншими частинками також. Наприклад, антипротон анігілює і з протоном, і з нейтроном відповідно до наступних схем:

Відмінність частинки та античастинки полягає не тільки в різнойменності їхніх зарядів. Крім цього, розрізняються їхні магнітні моменти. Так, нейтрон (π) і антинейтрон (π) відрізняються знаком власних магнітних моментів.

Існує група елементарних частинок, для яких немає античастинок. Це так звані істинно нейтральні частинки. До них належать фотон, π°-мезон і π-мезон (тη = 1074mt, час життя 7 10 19,с, при розпаді утворюються π-мезони і γ-кванти). Вважають, що істинно нейтральна частинка тотожна зі своєю античастинкою. У силу цього істинно нейтральні частинки не здатні анігілювати, зате вони зазнають взаємних перетворень.

Перетворення  елементарних частинок

Розглянемо схему  розпаду мюона: 

На підставі цієї схеми  можна зробити висновок, що мюон складається з трьох елементарних частинок, але це твердження не буде правильним. Досить узяти до уваги  той факт, що для деяких частинок існує кілька схем розпаду.

Розпад частинки —  перетворення її на деяку сукупність нових частинок, породжених у результаті її знищення.

При зіткненнях частинок картина взаємних перетворень не менш багата, ніж при їхньому розпаді. Наприклад, при зіткненні фотона з нейтроном мають місце такі перетворення:

З наведених схем видно, що сума мас спокою кінцевих частинок більша, ніж вихідних. Таким чином, енергія частинок, що зіштовхуються, перетворюється на масу, що не суперечить формулі Ейнштейна:

ΔЕ = Δтс2.

Також зі схем випливає, що неможливо розщепити елементарні частинки ! (зокрема нейтрони), бомбардуючи їх іншими частинками (у цьому випадку фотонами): насправді ж відбувається не розщеплення обстрілюваних частинок, а народження нових, причому значною мірою це відбувається за рахунок енергії частинок, що зіштовхуються.

Взаємні перетворення елементарних частинок мають свої закономірності, що перегукуються із законами класичної  фізики. Так, дуже важливим є той  факт, що для елементарних частинок також можуть бути застосовані закони збереження їхніх фундаментальних  характеристик. Наприклад, для елементарних частинок виконується закон збереження електричного заряду: при будь-якому  взаємному перетворенні частинок алгебраїчні  суми електричних зарядів вихідних і кінцевих частинок рівні. Це дозволяє відразу виключити з аналізу ті схеми, де ця умова не виконується.

Але як іде справа у світі мікрооб'єктів з описом їхнього руху і стану? Відомо, що в класичній механіці на це питання відповідають закони збереження енергії (1), імпульсу (2) і моменту імпульсу (3):

AU=Q-A, (1)

де AU — зміна внутрішньої  енергії системи; Q — теплота, що надається системі; А — робота, здійснена системою над зовнішніми тілами.

де тг т2 — маса тіл 1 і 2;

V1, V2 — швидкість  тіл 1 і 2.

L — const, (3)

де L — момент імпульсу замкненої системи.

Усі закони збереження є наслідками певних властивостей простору й часу.

Час однорідний, тобто  протікання фізичних процесів не залежить від того, який момент обраний за початковий відлік. Наслідком однорідності часу є закон збереження енергії.

Усі точки в просторі фізично рівноправні, що дозволяє вважати однорідним простір. Наслідком цього є закон збереження імпульсу.

Закон збереження моменту  імпульсу є наслідком ізотропності простору, тобто фізичної рівноправності всіх напрямків у просторі.

Ще жоден експеримент  не довів, що в мікросвіті ці закони не виконуються, тому такі динамічні  змінні, як енергія, імпульс і момент імпульсу, для елементарних частинок також зберігають свій зміст. Однак специфічна природа мікрооб'єктів вносить деякі зміни в закони, що їх описують. Поправки при описі мікрооб'єктів вносяться на підставі ідеї квантування фізичних величин і корпускулярно-хвильового дуалізму.

Взаємодії елементарних частинок

У мікросвіті здійснюються чотири типи фундаментальних взаємодій. З них тільки дві (гравітаційна і електромагнітна) відповідають процесам макросвіту.

Гравітаційна взаємодія  для процесів мікросвіту настільки мала, що звичайно нею нехтують. Це пов'язано головним чином з тим, що маси елементарних частинок дуже малі. Однак вона властива всім частинкам без винятку.

Електромагнітна взаємодія  ґрунтується на процесах, що відбуваються з частинкою в електромагнітному  полі. Для електронейтральних частинок (нейтрино, антинейтрино, фотон) вона не здійснюється. Саме електромагнітна  взаємодія обумовлює існування  атомів і молекул, тому що зв'язок між  ядром і електронами здійснюється завдяки їхнім різнойменним зарядам.

Слабка взаємодія  охоплює процеси, що відбуваються за участю нейтрино або антинейтрино. Це найповільніша з усіх взаємодій  мікросвіту. До неї зараховують такі процеси, як β- і μ-розпади, безнейтринні процеси розпаду частинок з великою тривалістю життя (τ = 10-10 с).

Сильна взаємодія  виявляє себе у зв'язку протонів і нейтронів у ядрі, хоча ядерні сили — це тільки окремий випадок сильної взаємодії.

Основні властивості ядерних  сил

1. Ядерні сили —  це сили притягання, тому що  вони утримують нуклони всередині  ядра; у тому числі вони забезпечують зв'язок між однойменно зарядженими протонами. При дуже тісному зближенні нуклонів ядерні сили між ними мають характер відштовхування.

2. Ядерні сили —  це не електричні сили, тому що вони діють не тільки між зарядженими протонами, але і нейтронами, що не мають заряду. Вони також не є гравітаційними силами, які мізерно малі для пояснення ядерних ефектів.

3. Радіус дії ядерних  сил (1 - 2)10 -13 см. При великих відстанях  між частинками ядерна взаємодія  не виявляється, тому її називають  короткодіючою, тобто такою, що слабшає зі збільшенням відстані.

4. В області своєї дії ядерні сили дуже інтенсивні. їхня інтенсивність значно більша за інтенсивність електромагнітних сил, тобто ядерні сили утримують всередині ядра однойменно заряджені протони, між якими існує сильне електричне відштовхування.

Встановлено, що ядерні сили в 100—1000 разів менші, ніж час  електромагнітної взаємодії:

де τяд — ядерний  час.

Помічено, що при взаємодії  нейтрона й протона може відбуватися  обмін електричними зарядами між цими частинками. У результаті цього нейтрон перетворюється на протон, а протон — на нейтрон. Квантово-механічний аналіз цієї властивості ядерних сил дозволив установити, що ядерна взаємодія нуклонів здійснюється за рахунок л-мезонів, які є квантами ядерної взаємодії (аналогічно до фотонів — квантів електромагнітного поля).

Елементарні частинки

Елементарні частинки, у точному значенні цього терміна, - це первинні, далі нерозкладних частинки, з яких, за припущенням, складається вся матерія.

Елементарні частки сучасної фізики не задовольняють строгому визначенню елементарності, оскільки більшість з них за сучасними уявленнями є складовими системами. Загальна властивість цих систем полягає в тому. Що вони не є атомами або ядрами (виняток становить протон). Тому іноді їх називають суб'ядерних частинок.

Частинки, претендують  на роль первинних елементів матерії, іноді називають "істинно елементарні частинки ".

Першої відкритою  елементарною частинкою був електрон. Його відкрив англійський фізик Томсон в 1897 році.

Першої відкритої  антіцастіцей був позитрон - частинка з масою електрона, але позитивним електричним зарядом. Це античастинка була виявлена в складі космічних променів американським фізиком Андерсоном у 1932 році.

В сучасному фізики в групу елементарних ставляться більш 350 часток, в основному нестабільних, і їх число продовжує зростати.

Якщо раніше елементарні  частинки звичайно виявляли в космічних  променях, то з початку 50-х років  прискорювачі перетворилися на основний інструмент для дослідження елементарних часток.

Мікроскопічні маси і  розміри елементарних часток обумовлюють  квантову специфіку їх поведінки: квантові закономірності є визначальними  у поведінці елементарних частинок.

Найбільш важливе  квантове властивість всіх елементарних частинок - це здатність народжуватися і знищуватися (випускається і поглинається) при взаємодії з іншими частками. Усі процеси з елементарними частинками протікають через послідовність актів їх поглинання і випускання.

Різні процеси з елементарними частинками помітно відрізняються за інтенсивністю протікання.

В відповідно з різною інтенсивністю протікання взаємодії елементарних частинок феноменологічні ділять на кілька класів: сильне, електромагнітне і слабке. Крім того, всі елементарні частки мають гравітаційним взаємодією.

Сильне взаємодія  елементарних частинок викликає процеси, що протікають з найбільшою в порівнянні з іншими процесами інтенсивністю і призводить до найсильнішої зв'язку елементарних частинок. Саме воно обумовлює зв'язок протонів і нейтронів в ядрах атомів.

Електромагнітне взаємодія  відрізняється від інших участю електромагнітного поля. Електромагнітне поле (у квантовій фізиці - фотон) або випромінюється, або поглинається при взаємодії, або переносить взаємодію між тілами.

Електромагнітне взаємодія  забезпечує зв'язок ядер і електронів в атомах і молекулах речовини, і тим самим визначає (на основі законів квантової механіки) можливість стійкого стану таких мікросистем.