Понятие элементарных частиц

Элементарные частицы

Наше понимание базовой  структуры материи развивалось  постепенно. Атомная теория строения веществапоказала, что не все в мире устроено так, как кажется на первый взгляд, и что сложности на одном уровне легко объясняются на следующем уровне детализации. На протяжении всего ХХ века, после открытия структуры атома (то есть после появления модели атома Бора), усилия ученых были сосредоточены на разгадке структуры атомного ядра.

Первоначально предполагалось, что в атомном ядре существует только два типа частиц — нейтроны и протоны. Однако, начиная с 1930-х годов, ученые все чаще стали получать экспериментальные результаты, необъяснимые в рамках классической модели Бора. Это навело ученых на мысль, что на самом деле ядро представляет собой динамичную систему разнообразных частиц, чье скоротечное образование, взаимодействие и распад играют ключевую роль в ядерных процессах. К началу 1950-х годов изучение этих элементарных, как их назвали, частиц вышло на передний край физической науки.

Основной метод изучения элементарных частиц состоит в том, что ядро-мишень бомбардируется мощным пучком протонов или электронов, а  ученые ведут наблюдения за осколками  ядра, образующимися в результате столкновений. Согласно теории относительности, кинетическая энергия быстрых частиц может быть преобразована в массу по знаменитой формуле E = mc², так что новые виды частиц могут образовываться (и реально образуются) в изобилии.

Начиная с 1930-х годов ученые занимались изучением воздействия  космических лучей на ядра-мишени.Космические лучи представляют собой потоки быстрых частиц (в основном протонов), образующиеся в результате различных процессов во Вселенной и постоянно изливаемые в земную атмосферу. Этим подарком природы в виде дождя частиц с высокими энергиями физики и не преминули воспользоваться. В 1950-е годы были разработаны и построены первые установки под названием «ускорители элементарных частиц», на которых стало возможным одним нажатием кнопки искусственно получать направленные, управляемые потоки быстрых частиц с высокими энергиями. За последующие десятилетия физикам удалось открыть более двухсот различных элементарных частиц.

За исключением протона  и электрона все эти частицы  нестабильны, то есть очень скоро  распадаются на другие элементарные частицы (за пределами ядра быстрому распаду подвержен даже нейтрон). Однако для участия во внутриядерных  процессах частице хватает и  мизерного времени существования, достаточного для перемещения в  пределах границ ядра.

Элементарные частицы  подразделяются на два класса:

Лептоны

 К классу лептонов относятся частицы, которые, подобно электрону, не участвуют в водовороте внутриядерных взаимодействий. На сегодня известно шесть таких частиц. К одному семейству с электроном относятсямюоны и тау-частицы, которые похожи на электрон, но массивнее его. Обе эти тяжелые частицы нестабильны и со временем распадаются на несколько продуктов, включая электрон. Также имеется три электрически нейтральные частицы с нулевой (или близкой к нулю, на этот счет ученые до конца не определились) массой, получившие название нейтрино. Каждая из трех разновидностей нейтрино парна одной из трех частиц электронного семейства. Слово «лептон» происходит от греческого leptos, что значит «маленький».

Адроны

К адронам относят частицы, существующие внутри атомного ядра. Самые  известные из них — это протон и нейтрон, но быстро распадающихся родственников у них сотни (в буквальном смысле). За исключением протона все они нестабильны, и их можно классифицировать по составу частиц, на которые они распадаются. Если среди конечных продуктов распада частицы имеется протон, ее называют «барион» (от греческогоbarys — «тяжелый»); если же протона среди продуктов распада нет, частица называется «мезон» (от греческого mesos — «средний»). Сам термин «адрон» происходит от греческого hadros («большой»).

Сумбурная картина субатомного  мира, усложнявшаяся с открытием  каждого нового адрона, уступила место  новой простой картине с появлением концепции кварков (см. Кварки и восьмеричный путь). Согласно кварковой модели все адроны (но не лептоны) состоят из еще более элементарных частиц. Барионы состоят из трех кварков, а мезоны — из пары кварк—антикварк (см. Античастицы).

Вышеописанные элементарные частицы являются своего рода строительным материалом атомного ядра — кирпичиками, из которых сложена Вселенная. Другая группа частиц, калибровочные бозоны (к их числу относятся и фотоны), — носители сил, удерживающих элементарные частицы вместе (см. Универсальные теории); это своего рода цемент, которым скреплена Вселенная.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Границы применимости классической механики и принцип  соответствия

Коротко о границах применимости классической Ньютоновской механики можно сказать так: классическая (нерелятивистская) механика адекватно описывает сравнительно медленные движения макроскопических тел. Однако здесь требуются дополнительные разъяснения.

Заложенная Ньютоном основа физической картины мира в почти  неприкосновенном виде просуществовала  вплоть до начала XX столетия. Существенные изменения в мировоззрении физиков  произошли лишь после создания Эйнштейном современной физической теории пространства и времени (частная теории относительности, 1905), а затем релятивистской теории тяготения (общая теория относительности, около 1916). Другие ограничения классического способа описания движения материальных тел, связанные с двойственной корпускулярно-волновой природой материи, были установлены в первой четверти XX столетия после по явления старой квантовой теории и пришедшей ей на смену квантовой механики.

Впрочем, все эти новые  физические теории, углубив наше понимание  основ мироздания, отнюдь не опровергли классическую динамику, а лишь позволили  ясно определить ее границы применимости.

Первая из упомянутых выше границ применимости связана с ограничением на скорости тел, описание движений которых возможно на языке классической физики: эти скорости должны быть малы по сравнению со скоростью света в вакууме

c ≈ 3 · 10

8 м/с. В нашем непосредственном окружении наибольшая из встречающихся скоростей макроскопических тел – это скорость орбитального движения

Земли вокруг Солнца v ≈ 30 км/с = 3 · 10

4

м/с. Для такого движения указанное ограничение выполняется с большим запасом: v/c ≈ 10

−4 1. Поэтому в вопросах, связанных с движением небесных тел, можно найти лишь несколько очень слабых эффектов, лежащих почти на пределе наших экспериментальных возможностей, для объяснения которых требуется выход за рамки классической динамики (прецессия перигелия орбиты Меркурия, составляющая 43 угловых секунды в столетие, и недавно открытое уменьшение периода обращения компонент двойной звездной системы из-за излучения гравитационных волн).

4Здесь можно увидеть  яркую иллюстрацию общефизического  принципа соответствия, согласно  которому любая новая физическая  теория (в данном случае частная теория относительности и эйнштейновская теория тяготения), приходящая на смену старой теории (классической динамике и ньютоновской теории тяготения), должна приводить к тем же результатам в той области, где прежняя теория выдержала экспериментальную проверку.

Действительно, уравнения  релятивистской теории тяготения переходят  в уравнения классической динамики и ньютоновской теории тяготения, пока скорости,приобретаемые телами под влиянием тяготения, малы по сравнению с скоростью света, т.е. пока гравитационная энергия тела составляет малую часть полной энергии (включающей энергию покоя). В таком случае говорят о слабых гравитационных полях. В Солнечной системе мы имеем дело только со слабым тяготением.

Поэтому и в наши дни  все расчеты в небесной механике и космической динамике выполняются на основе ньютоновской теории тяготения. Вторая граница применимости классического способа описания движения, связанная с корпускулярно-волновой природой материи, математически выражается соотношениями неопределенностей, впервые сформулированными Гейзенбергом и лежащими в основе современной квантовой теории. В соответствии с соотношениями неопределенностей, частица не может одновременно иметь точные значения координаты и соответствующей проекции импульса: произведение неопределенностей ∆x · ∆px не может быть меньше постоянной Планка ~ ≈ 10

−34

Дж·с.

Для макроскопических тел (т.е. тел, состоящих из большого – порядка  постоянной Авогадро NA ≈ 6 · 10

23

1/моль – числа атомов  или молекул) существующие возможности измерения координат и импульсов таковы, что соотношения неопределенностей фактически не накладывают ограничений на применимость классического способа описания движения, в котором состояние частицы задается указанием ее координат и импульсов. Эта возможность связана с малой (в масштабах макроскопического мира) величиной постоянной Планка.

Более того, и при описании движения микрочастиц во многих случаях  можно применять классическую механику. Например, при движении электронов в макроскопических электронных приборах экспериментальные неопределенности в координатах и импульсах электронов намного больше предельных значений, устанавливаемых соотношениями неопределенностей. Но для движения электрона в атоме классический способ описания совершенно непригоден: если принять в качестве неопределенности координаты величину порядка размера атома, то соответствующая неопределенность в значении скорости электрона, вычисленная из соотношения неопределенностей, оказывается больше, чем сама скорость.

 

 

 

 

 

 

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ- важнейшее универсальное свойство природы, заключающееся в том, что всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные и волновые характеристики. Так, напр., электрон, нейтрон, фотон в одних условиях проявляются как частицы, движущиеся по классич. траекториям и обладающие определ. энергией и импульсом, а в других - обнаруживают свою волновую природу, характерную для явлений интерференции и дифракции частиц. В качестве первичного принципа К.-в. д. лежит в основе квантовой механики и квантовой теории поля.

Впервые К.-в. д. был установлен для света. Выполненные к кон. 19 в. опыты по интерференции, дифракции  и поляризации света, казалось, однозначно свидетельствовали о его волновой природе и подтверждали теорию Максвелла, установившую, что свет представляет собой эл.-магн. волны. Вместе с тем М. Планк (М. Planck) в 1900 показал, что для объяснения закона равновесного теплового излучения необходимо принять гипотезу о дискретном характере излучения, полагая, что энергия излучения кратна нек-рой величине е, названной им квантом энергии:  , где - частота волны, a- постоянная, имеющая размерность действия и названная позже Планка постоянной. Впоследствии выяснилось, что более удобной является величина   эрг*с, тогда - круговая частота волны. Поскольку предположение о дискретном характере излучения противоречило волновой теории света, согласно к-рой энергия световой волны может принимать любые (непрерывные) значения, пропорциональные квадрату амплитуды эл.-магн. колебаний, Планк сначала связывал дискретность энергии излучения со свойствами излучателей (атомов). Однако в 1905 А. Эйнштейн (A. Einstein), исходя из экспериментально установленного Вина закона излучения (к-рый является предельным случаем Планка закона излучения, справедливым при больших частотах: , где Т- абс. темп-pa), показал, что энтропия излучения в области справедливости закона Вина совпадает с энтропией газа, состоящего из частиц с энергией  . Так возникло представление о частицах света - фотонах, несущих квант энергии и движущихся со скоростью света. В дальнейшем, исходя из релятивистской кинематики, фотонам был приписан импульс [где n - единичный вектор вдоль направления движения фотона,  - волновой вектор]. Представление о фотонах было успешно использовано для объяснения законов фотоэффекта и спектров тормозного рентг. излучения; оно получило окончат. подтверждение после открытия Комптона эффекта(1922). Т. о., было установлено, что эл.-магн. излучение наряду с волновыми обладает корпускулярными свойствами. В наиб. отчётливой форме значение существования К.-в. д. для излучения было выявлено в 1909 А. Эйнштейном, показавшим, что закон излучения Планка приводит к ф-ле для флуктуации энергии излучения, содержащей два члена, один из к-рых отвечает флуктуации энергии для совокупности классич. световых волн, а второй - флуктуации энергии газа, состоящего из независимых частиц.

Для установления всеобщего характера  К.-в. д. решающее значение имело изучение законов движения электронов в атоме. В 1913 Н. Бор (N. Bohr) использовал постоянную Планка для определения стационарных состояний в атоме водорода. При этом ему удалось объяснить наблюдаемые на опыте спектральные закономерности и выразить через заряд электрона, его массу и постоянную Планка радиус атома и Ридберга постоянную, оказавшиеся в хорошем согласии с эксперим. данными. Способ нахождения стационарных состояний электронов в атомах был усовершенствован А. Зоммерфельдом (A. Sommerfeld), показавшим, что для стационарных орбит классич. действие является целым кратным 2p h. Успех теории Бора, привлёкшего для объяснения атомных явлений квантовые представления и постоянную Планка, к-рая до этого, казалось, связывала лишь корпускулярные и волновые характеристики эл.-магн. излучения, навёл на мысль о существовании К.-в. д. и для электронов. В связи с этим Л. де Бройль (L. de Broglie) в 1924 высказал гипотезу о всеобщем характере К.-в. д. Согласно гипотезе де Бройля, любой движущейся частице с энергией е и импульсом р соответствует волна с и волновым вектором , так же как с любой волной связаны частицы, обладающие энергией  и импульсом . Де Бройль отметил релятивистскую инвариантность приведённого соотношения, связывающего четырёхмерный вектор энергии-импульса частицы с четырёхмерным волновым вектором , и высказал предположение о том, что волновая механика частиц должна находиться в таком же соотношении с классич. механикой, как волновая оптика с геом. оптикой. Это предположение послужило исходным пунктом построения квантовой механики в форме Шрёдингера (см. Шрёдингера представление). Прямое доказательство существования волновых свойств электронов было получено впервые в 1927 К. Дэвиссоном (С. Davisson) и Л. Джермером (L. Germer), наблюдавшими интерференц. максимумы при отражении электронов от монокристаллов никеля. Позднее были обнаружены интерференц. эффекты для атомных пучков гелия, молекул водорода, нейтронов и др. частиц, т. е. получено эксперим. подтверждение универсальности К.-в. д.

В терминах наглядных представлений  о классич. частицах (как материальных точках, движущихся по определ. траекториям) и классич. волнах (как распространяющихся в пространстве колебаний к.-л. физ. величин) К.-в. д. кажется логически внутренне противоречивым, т. к. для объяснения разл. явлений, происходящих с одним и тем же микрообъектом (напр., электроном), приходится использовать гипотезы как об его корпускулярной, так и волновой природе. Разрешение этого логич. противоречия, послужившее созданию физ. основ квантовой механики и квантовой теории поля, было найдено с помощью отказа от наглядных (классич.) представлений о частицах и волнах. Для объяснения волновых явлений на основе корпускулярных представлений было введено описание микрочастиц (и систем микрочастиц) с помощью векторов состояния, подчиняющихся суперпозиции состояний принципу, и принята их статистич. (вероятностная) интерпретация, позволившая избежать формального логич. противоречия с корпускулярными представлениями (нахождение частицы одновременно в нескольких разл. состояниях). С др. стороны, рассматривая классич. (волновые) поля как механич. систему с бесконечным числом степеней свободы и требуя, чтобы эти степени свободы подчинялись определ. условиям квантования, в квантовой теории поля переходят от классич. полей к квантовым. В таком подходе частицы выступают как возбуждённые состояния системы (поля). При этом взаимодействию частиц отвечает взаимодействие их полей. Для нерелятивистского движения в системе с фиксированным числом частиц квантово-полевое описание полностью эквивалентно описанию системы частиц с помощью Шрёдингера уравнения (см. Вторичное квантование). Эта эквивалентность отражает симметрию корпускулярного и волнового описания вещества (материи), отвечающую К.-в. д. Вместе с тем в релятивистской квантовой механике, к-рая может быть сформулирована лишь на основе квантовополевого подхода, важнейшим проявлением К.-в. д. является возможность испускания и поглощения частиц в результате взаимодействия квантовых полей (что имеет фундам. значение в теории элементарных частиц).