ОСНОВНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ МІКРОСВІТУ

Елементарні частинки

У науці немає широкої стовпової дороги, і тільки той може досягти її сияюще вершин, хто, не боячись втоми, дереться по її кам'янистих вершин.

К. Маркс

Для пізнання навколишнього світу людині довелося пройти захоплюючий, але болісно довгий і важкий шлях вивчення речовини, починаючи від найскладніших його форм і закінчуючи елементарними частинками Ми розглянемо цей шлях не в прямому, а в зворотному напрямку. Зна властивості елементарних частинок, нам буде вже порівняно просто побудувати з них більш складні об'єкти: атомні ядра і атоми - і зрозуміти і властивості.

Під елементарними частинками можна розуміти такі мікрочастинки, внутрішню структуру яких на сучасному рівні розвитку наук не можна уявити як сукупність інших частинок. У всіх спостерігалися дотепер явищах кожна така частинка поводиться як єдине ціле. Елементарні частинки можуть перетворюватися один в одного. Щоб пояснити властивості і поведінку елементарних частинок, їх доводиться наділити, крім маси, електричного заряду і спина, поруч додаткових характерних для них велич (квантових чисел). Як зазначалося вище відомі також чотири види взаємодій між елементарними частинками: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне. Інтенсивність взаємодії прийнято характеризувати за допомогою так званої константи взаємодії, яка представляє собою безрозмірні параметр, що визначає ймовірність процесів, обумовлених данни видом взаємодії. Ставлення значень констант дає відносну інтенсивність відповідних взаємодій.

Всі атоми, а значить, і всі матеріальні тіла навколо нас є поєднання всього лише трьох матеріальних частинок, що володіють масою: протона, нейтрона і електрона. Четверта частка, фотон, що не имее маси і є одиницею електромагнітного випромінювання. Протон, електрон і фотон є стійкими частки. Це означає, чт їх існування не переривається до тих пір, поки вони не беруть участі в зіткненнях з іншими частками, загрозливими їм анігіляцією. Розпад нейтрона, навпаки, може з легкістю статися в будь-який момент. Цей процес, який отримав назву бета-розпаду, являє собою звичайний механізм однієї з різновидів радіоактивних явищ. Нейтрино - ще одна частинка, яка не має маси, але характеризується стійкістю, подібно протону, електрону і фотону.

Частинки наведені в лівій частині рис. 7.1. Відображення справа являє собою набір відповідних античастинок. Гуртками обведені стабільні частинки. Маса я ° -мезонів становить 264,2 (в одиницях маси електронів).

Таблиця елементарних частинок

Мал. 7.1. Таблиця елементарних частинок

Елементарні частинки зазвичай поділяють на чотири класи. До одного з них відноситься тільки одна частинка - фотон. Другий клас утворюють лептони, третій - мезони і, нарешті, четвертий клас - бари-они. Мезони і баріони часто об'єднують в один клас сильно взаємодіючих частинок, званих адронами (грец. «Адрос» - великий, масивний). Дамо коротку характеристику перерахованих класів частинок.

  • 1. Фотони (кванти електромагнітного поля) беруть участь в електромагнітних взаємодіях, але не володіють сильним, слабким гравітаційним взаємодіями.
  • 2. Лептони отримали свою назву від грецького слова «лептос», яке означає «легкий». До їх числа відносяться частинки, які не обладающ сильним взаємодією: мюони (р, р + ), електрони , е + ), електронні нейтрино ( У е ~, у с + ) і мюонні нейтрино ( У т ~, у т ь ) . Всі лептони маю спин, рівний 1/2, і отже, є ферміонами. Все лептон мають слабкою взаємодією. Ті з них, які мають електричний заряд (тобто мюони і електрони), мають також електромагнітні взаємодією.
  • 3. Мезони - сильно взаємодіючі нестабільні частинки не несуть так званого баріонів заряду. До їх числа належ я-мезони, або півонії (я + , я - , я 0 ), К- мезони, або каона + , К ~ , / С °), і ця-мезон (г |). Маса До -мезонів становить ~ 970 /? Г е (494 М для заряджених і 498 М для нейтральних Л * -мезонів). Час життя До -мезонів має величину порядку 10 -8 с. Вони розпадаються з утворенням я-мезонів і льон-тонів або тільки лептонів. Маса ця-мезонів дорівнює 549 М (1074т в ) час життя близько 10 19 с. Ця-мезони розпадаються з утворенням я-мезонів і у-фогонов. На відміну від лептонів мезони володіють не тольк слабким (і, якщо вони заряджені, електромагнітним), але також і сильні взаємодією, що виявляється при взаємодії їх між собою а також при взаємодії між мезонами і баріонами. Спін все мезонів дорівнює нулю, так що вони є бозонами.
  • 4. Клас баріонів об'єднує в собі нуклони , п) і нестабільні частинки з масою, більшою маси нуклонів, що отримали назву гіперонів. Все баріони мають сильною взаємодією і, отже активно взаємодіють з атомними ядрами. Спін всіх баріонів раве 1/2, так що баріони є ферміонами. За винятком протона, нд баріони нестабільні. При розпаді баріони поряд з іншими часткам обов'язково утворюють баріон. Ця закономірність є одним із проявів закону збереження баріонів заряду.

Крім перерахованих вище частинок, виявлено велику кількість сильно взаємодіючих короткоживучих частинок, які отримали назву резонансів. Ці частинки являють собою резонансні стани утворені двома або більшою кількістю елементарних частинок. Брешемо життя резонансів складає всього лише «10 -23 - 10 _22 с.

Елементарні частинки, а також складні мікрочастинки вдається спостерігати завдяки тим слідах, які вони залишають при своєму проходженні через речовину. Характер слідів дозволяє судити про знак заряду частинки її енергії, імпульсі і т.зв. Заряджені частинки викликають іонізацію молекул на своєму шляху. Нейтральні частинки слідів не залишають, але він може виявити себе в момент розпаду на заряджені частинки мул в момент зіткнення з яким-небудь ядром. Отже, в звичайно рахунку нейтральні частинки також виявляються по іонізації, викликаної породженими ними зарядженими частинками.

Частинки і античастинки. У 1928 р англійському фізику П. Дірака вдалося знайти для електрона релятивістське квантовомеханічної рівняння, з якого випливає ряд чудових наслідків. Перш за все, з цього рівняння природним чином, без будь-яких додатковими припущень, виходять спин і числове значення власного магнітного моменту електрона. Таким чином, з'ясувалося, що спін є величину одночасно і квантову, і релятивістську Але цим не вичерпується значення рівняння Дірака. Воно дозволив також передбачити існування античастинки електрона - позитрона З рівняння Дірака для повної енергії вільного електрона виходять не тільки позитивні, але і негативні значення. З рівняння випливає, що при заданому імпульсі частинки р існують решени рівняння, відповідні енергій

Між найбільшою негативною енергією ( е з 2 ) і найменшою позитивною енергією (+ т е з 2 ) є інтервал значень енергії які не можуть реалізуватися. Ширина цього інтервалу дорівнює е з 2 Отже, виходять дві області власних значень енергії: В одна починається з + т е з 2 і простягається до + °°, інша починається з - т е з і простягається до - °°.

Частка з негативною енергією повинна мати дуже дивними властивостями. Переходячи в стану з усе меншою енергією (тобто зі зростаючою по модулю негативною енергією), вона могла б виділять енергію, скажімо, у вигляді випромінювання, причому, оскільки | Е | нічим не обмежений, частка з негативною енергією могла б випромінювати нескінченно велика кількість енергії. Аналогічного висновку можна прийти таким шляхом: із співвідношення Е = т е з 2 випливає, що у частинки з негативною енергією маса буде також негативна. Під дією гальмує сили частка з негативною масою повинна не сповільнюватися а прискорюватися, здійснюючи над джерелом гальмує сили нескінченно велика кількість роботи. Зважаючи на ці труднощів випливало, казалос б, визнати, що стан з негативною енергією потрібно виключить з розгляду як приводить до абсурдних результатів. Це, однак суперечило б деяким загальним принципам квантової механіки Тому Дірак вибрав інший шлях. Він висунув ідею, що перехід електронів в стану з негативною енергією зазвичай не наблюдаютс з тієї причини, що всі наявні рівні з негативною енергією вже зайняті електронами.

Згідно Дірака, вакуум - такий стан, в якому всі рівні негативної енергії заселені електронами, а рівні з позитивно енергією вільні. Оскільки зайняті всі без винятку рівні, що лежать нижче забороненої смуги, електрони на цих рівнях ніяк себ не виявляють. Якщо одному з електронів, що знаходяться на негативних рівнях, повідомити енергію Е > 2 т е з 2 , то цей електрон перейшовши в стан з позитивною енергією і буде вести себе звичайним чином, як частка з позитивною масою і негативним зарядом. Ет перша з передбачених теоретично частинок була названа позитроном При зустрічі позитрона з електроном вони анігілюють (зникають) -В електрон переходить з позитивного рівня на вакантний негативний. Енергія, відповідна різниці цих рівнів, виділяється в вид випромінювання.

Існують частинки, які тотожні зі своїми античастинками (тобто не мають античастинок). Такі частинки називаються абсолютно нейтральними. До їх числа належать фотон, л ° мезон і фмезон. Частинки тотожні зі своїми античастинками, не здатні до анігіляції Це, однак, не означає, що вони взагалі не можуть перетворюватися в други частки.

Якщо Баріо (тобто нуклона і гіперонів) приписати баріонів заряд (або баріонна число) В = + 1, антібаріонов - баріонів заряд В = -1 а всім іншим частинкам - баріонів заряд В = 0, то для всіх процесів, що протікають з участю баріонів і антібаріонов, буде характерно збереження баріонів заряду, подібно до того як для процесів характерно збереження електричного заряду. Закон збереження баріонів заряд обумовлює стабільність самого м'якого з баріонів - протона. Перетворення всіх величин, що описують фізичну систему, при якому всі частинки замінюються античастинками (наприклад, електрони протонами, а протони електронами і т.д.), називається зарядом сполучення.

Дивні частки. / С-мезони і гіперонів були виявлені в складі космічних променів на початку 1950-х рр. Починаючи з 1953 р їх отримую на прискорювачах. Поведінка цих частинок виявилося настільки незвичним, чт вони були названі дивними. Незвичайність поведінки дивних частини полягала в тому, що народжувалися вони явно за рахунок сильних взаємодій з характерним часом близько 10 23 з, а час їхнього життя виявилося близько 10 ~ 8 - 10 -10 с. Остання обставина вказувало на те, чт розпад частинок здійснюється в результаті слабких взаємодій. Був абсолютно незрозуміло, чому дивні частинки живуть так довго, чт заважає їм існувати за рахунок сильної взаємодії, в результат якого вони виникають. Оскільки і в народженні, і в розпаді Л-гіпероп беруть участь одні й ті ж частинки (д-мезони і протон), представлялос дивним, що швидкість (тобто ймовірність) обох процесів настільки різна. Подальші дослідження показали, що дивні частинки народжуються парами. Це навело на думку, що сильні взаємодії не можу грати ролі в розпаді частинок внаслідок того, що для їх прояву необхідна присутність двох дивних частинок. За гой же причині виявляється забороненим одиночне народження дивних частинок.

Щоб пояснити заборону одиночного народження дивних частинок, М. Гелл-Манн і К. Нішіджіма ввели в розгляд нове квантове число, сумарне значення якого повинно, за їх припущенням зберігатися при сильних взаємодіях. Це квантове число 5 був названо дивиною частки. При слабких взаємодіях дивина може не зберігатися. Тому вона приписується тільки сильно взаємодіє частинкам - мезони і баріонів.

Нейтрино. Нейтрино - єдина частинка, яка не бере ні в сильних, ні в електромагнітних взаємодіях. Виключаючи гравітаційна взаємодія, в якому беруть участь всі частинки, нейтрино може брати участь лише в слабких взаємодіях.

Довгий час залишалося неясним, чим відрізняється нейтрино від антинейтрино. Відкриття закону збереження комбінованої парності дало можливість відповісти на це питання: вони відрізняються спіральностио. За спіралиюстио розуміється певне співвідношення між напрямками імпульсу Р і спина 5 частинки. Спіралиюсть вважається позитивною, якщо спін і імпульс мають однаковий напрямок. У цьому випад напрямок руху частинки ( Р ) і напрям «обертання», відповідне спину, утворюють правий гвинт. При протилежно спрямованих спині і імпульсі спіралиюсть буде негативною (поступально рух і «обертання» утворюють лівий гвинт). Згідно розвиненою Янго і Лі, Ландау, а також Саламом теорії поздовжнього нейтрино всі існуючі в природі нейтрино незалежно від способу їх виникнення завжди бувають повністю поздовжньо поляризовані (т.с. спин їх спрямований паралельно або антипараллельно імпульсу Р). Нейтрино має негативну (ліву) спіральність, антинейтрино - позитивну (праву) У спіральність. Таким чином, спіральність - це те, що відрізняє нейтрино від антинейтрино.

Систематика елементарних частинок. Закономірностей, які спостерігаються в світі елементарних частинок, можуть бути сформульовані у вигляді законо збереження. Таких законів накопичилося вже досить багато. Деякі із з них, виявляються неточними, а лише наближеними. Кожен зако збереження висловлює певну симетрію системи. Закони збереження імпульсу Р, моменту імпульсу Е і енергії Е відображають властивостей симетрії простору і часу: збереження Е є наслідок однорідності часу, збереження Р обумовлено однорідністю простору а збереження Ь - його ізотропності. Закон збереження парності связа з симетрією між правим і лівим (Т-інваріантність). Симетрії щодо зарядового сполучення (симетрія частинок і античастинок) В призводить до збереження зарядовим парності (С-інваріантіость). Закон збереження електричного, баріонів і лептонного зарядів висловлюю особливу симетрію ф-функції. Нарешті, закон збереження ізотопіческог спина відображає изотропность изотопического простору. Недотримання одного з законів збереження означає порушення в даному взаємодії відповідного виду симетрії.

Кварки. Частинок, які називаються елементарними, стало так багато, що виникли серйозні сумніви в їх елементарності. Кожна з сильно взаємодіючих частинок характеризується трьома незалежними аддитивними квантовими числами: зарядом (2 , гіперзаряд У і баріонним зарядом Б. У зв'язку з цим з'явилася гіпотеза про те, що всі частинки побудовані з трьох фундаментальних частинок - носіїв цих зарядів. У 1964 р Гелл- Манн і незалежно від нього швейцарський фізик Цвейг висунув гіпотезу, згідно з якою всі елементарні частинки побудовані з тре частинок, названих кварками. Цим частинкам приписуються часті квантові числа, зокрема електричний заряд, рівний +2/3, -1/3 + 1/3 відповідно для кожного з трьох кварків. Ці кварки зазвичай позначаються буквами і, О, 5. Крім кварків, розглядаються антікварк (і, (1, х). Мезони утворюються з пари кварк -антікварк, а баріони - з тре кварків. Кожному кварку приписується однаковий магнітний момен р кв , величина якого з теорії не визначається.

В основному колір кварка (подібно знаку електричного заряду) став висловлювати відмінність у властивості, що визначає взаємне тяжіння і відштовхування кварків. За аналогією з квантами полів різних взаємодій (фотонами в електромагнітних взаємодіях, л-мезонів в сильних взаємодіях і т.д.) були введені частинки - переносник взаємодії між кварками. Ці частинки були названі глюонами Вони переносять колір від одного кварка до іншого, в результаті чого кварк утримуються разом.

Ідея кварків виявилося дуже плідною. Вона дозволила не тільки систематизувати вже відомі частинки, але і передбачити цілий ряд нових. Положення, що склалося в фізиці елементарних частинок, нагадує положення, що створилося у фізиці атома після відкриття в 1869 р Д. І. Менделєєвим періодичного закону. Хоча сутність цього закон було з'ясовано лише через приблизно 60 років, після створення квантової механіки, він дозволив систематизувати відомі на той часів хімічні елементи і, крім того, привів до передбачення існування нових елементів і їх властивостей. Точно так же фізики навчилися систематизувати елементарні частинки, причому розроблена систематик в ряді випадків дозволила передбачити існування нових частинок і передбачити властивості цих часток.

У світі елементарних частинок діє правило: дозволено все, що не забороняють закони збереження. Останні відіграють роль прави заборони, що регулюють взаємоперетворення частинок. Перш за все відмітив закони збереження енергії, імпульсу та електричного заряду. Наприклад ці три закони пояснюють стабільність електрона. З збереження енергії і імпульсу випливає, що сумарна маса спокою продуктів розпад повинна бути меншою за масу спокою розпадається частинки. Значить, електрон міг би розпадатися тільки на нейтрино і фотони. Але ці частинок електрично нейтральні. Ось і виходить, що електрону просто якийсь передати свій електричний заряд; тому він стабільний.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >