Второй закон Кирхгофа Соотношение неопределенностей Элементы квантовой статистики Примесная проводимость полупроводников Сверхпроводимость Физика атомного ядра и элементарных частиц Элементарные частицы Рентгеновское излучение

Физика курс лекций. Раздел оптика

Элементарные частицы

Виды взаимодействий элементарных частиц

 В настоящее время элементарными частицами называют большую группу мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона — ядра атома водорода) и которые при взаимодействии ведут себя как единое целое. Характерным свойством всех элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям (рождению и уничтожению) при взаимодействии с другими частицами.

Ситуация с определением элементарности усложнилась после того, как выяснилось, что многие из этих частиц имеют внутреннюю структуру.

Известны четыре вида взаимодействий (фундаментальные взаимодействия) между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Эти взаимодействия отличаются интенсивностью процессов, вызываемых среди элементарных частиц. Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости (или степени вероятности) процессов, вызываемых ими. Обычно для сравнения берут скорости процессов при энергиях сталкивающихся частиц около 1 ГэВ (такая энергия характерна для физики элементарных частиц). Сравнительные характеристики этих четырех типов взаимодействия приведены в табл. 17.1, где указаны интенсивности взаимодействий по сравнению с сильным, принятым за единицу, а также длительность процессов и радиус действия соответствующих сил.

 Таблица 17.1

Взаимодействие

Интенсивность

Длительность процессов, с

Радиус действия, см

Сильное

Электромагнитное

Слабое

Гравитационное

1

~10-2

10-5

10-39

10-24

10-20

> 10-8

?

10-13

10-16

Сильные взаимодействия обеспечивают связь нуклонов в ядре и удерживают нуклоны в атомных ядрах. Расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r), составляет примерно 10-13 см. Сильное взаимодействие выступает исключительно в качестве сил притяжения.

 Электромагнитное взаимодействие значительно слабее сильных взаимодействий, однако из-за дальнодействия электромагнитные силы во многих случаях оказываются главными. Именно эти силы вызывают разлет осколков, которые образуются при делении атомных ядер. Эти силы ответственны за все электрические и магнитные явления, наблюдаемые нами в различных формах их проявления: оптических, механических, тепловых, химических и т. д. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения (между разноименно заряженными частицами), так и силами отталкивания (между одноименно заряженными частицами).

Слабое взаимодействие ответственно за все виды β-распада ядер, за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом, а также за многие распады элементарных частиц. Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим.

Гравитационное взаимодействие является универсальным и самым слабым. Ему подвержены все элементарные частицы. Радиус действия не ограничен (r = ∞). Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. Гравитационные силы проявляют себя как силы притяжения.

Для элементарных частиц весьма характерна их многочисленность. В настоящее время открыто несколько сотен частиц, подавляющее большинство которых нестабильно.

По времени жизни τ различают стабильные, квазистабильные и так называемые резонансы. Резонансами называют короткоживущие частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия с временем жизни ~ 10-23 с. Нестабильные частицы с временем жизни, превышающим 10-20 с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. По сравнению с характерным ядерным временем (10-23 с) время 10-20 следует считать большим. По этой причине их и называют квазистабильными. Стабильными же частицами (τ → ∞) являются только фотон, электрон, протон и нейтрино.

Переносчики взаимодействия. Это особая группа элементарных частиц, в которую входят фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия), промежуточные векторные бозоны (переносчики слабого взаимодействия), так называемые глюоны (переносчики сильного взаимодействия) и гипотетические гравитоны (переносчики гравитационного взаимодействия).

Систематика элементарных частиц

В настоящее время элементарные частицы делятся на большие классы и подклассы в зависимости от типов фундаментальных взаимодействий, в которых эти частицы участвуют.

Элементарные частицы объединены в три группы: фотоны, лептоны и адроны. Естественно, что отнесенные к каждой из этих групп элементарные частицы обладают общими свойствами и характеристиками, которые отличают их от частиц другой группы.

1. Фотоны (γ) — (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействиями.

2.. Лептоны. Это частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин 1/2. К ним относятся электроны (е), мюоны (μ), таоны (τ) и соответствующие им нейтрино (νе,, νμ,,  ντ). Лептоны принимают участие в слабых взаимодействиях. За исключением нейтрино, лептоны участвуют и в электромагнитных взаимодействиях.

Все лептоны можно отнести к истинно элементарным частицам, поскольку у них, в отличие от адронов, не обнаружена внутренняя структура.

3. Адроны. Так называют элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Как правило, они участвуют и в электромагнитном, и в слабом взаимодействиях. Эти частицы образуют многочисленную группу частиц (свыше 400).

Адроны подразделяют на мезоны и барионы.

3.1.  Мезоны — это адроны с нулевым или целочисленным спином (т. е. бозоны). К ним относятся π-, К- и η-мезоны, а также множество мезонных резонансов, т. е. мезонов с временем жизни ~ 10-23 с.

 3.2. Барионы — это адроны с полуцелым спином ( т. е. фермионы) и массами, не меньшими массы протона. К ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и множество барионных резонансов. За исключением протона, все барионы нестабильны. Нестабильные барионы с массами, большими массы протона, и большим временем жизни (сравнительно с ядерным ~ 10-23 с) называют гиперонами. Это гипероны Λ, Σ, Ξ и Ω. Все гипероны имеют спин 1/2, за исключением Ω, спин которого 3/2. За время τ ~ 10-10 ÷ 10-19 с они распадаются на нуклоны и легкие частицы (π-мезоны, электроны, нейтрино, γ-кванты).

Сведем для наглядности основную систематику элементарных частиц в табл. 17.2.

 Таблица 17.2

Фотоны

Лептоны

Адроны

Мезоны

Барионы

Нуклоны

Гипероны

γ

е, μ, τ , νе, νμ, ντ

π, К, η и резонансы

p, n

Λ, Σ, Ξ, Ω  и резонансы

Более подробно классификация элементарных частиц приведена в Приложении 1. Пояснения к некоторым характеристикам частиц в этой таблице будут даны в дальнейшем.

Радиоактивность Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. К числу радиоактивных процессов относятся: 1) α-распад, 2) β-распад (в том числе электронный захват), 3) γ-излучение ядер, 4) спонтанное деление тяжелых ядер, 5) протонная радиоактивность.

Эффект Мёссбауэра

Деление ядер Реакция деления ядра происходит при облучении тяжелого ядра нейтронами, при этом ядро делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе. Деление тяжелых ядер может быть вызвано не только нейтронами, но и протонами, дейтронами, α-частицами, а также γ-фотонами

Частицы и античастицы Уравнение Шрёдингера не удовлетворяет требованиям теории относительности — оно не инвариантно по отношению к преобразованиям Лоренца. В 1928 г. П. Дираку удалось найти релятивистское квантовомеханическое уравнение для электрона, из которого вытекает ряд замечательных следствии.


Лазерное излучение Физика курс лекций