Типы взаимодействия элементарных частиц

План

Введение  3

Классификация элементарных частиц 5

Типы  взаимодействия  элементарных частиц 7

Заключение 9

Список  литературы 10

Введение

Во второй половине XX в., с созданием ускорителей  заряженных частиц, в физике получены поистине удивительные результаты. Было открыто множество новых субатомных частиц. Новые частицы обычно открывают, наблюдая за реакцией рассеяния уже  известных частиц. Для этого в  ускорителях частицы сталкивают с как можно большей энергией, а затем исследуют продукты их взаимодействия.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. К уже  известным частицам, из которых построены  атомы и молекулы (протоны, нейтроны, электроны), добавилось множество других: мюонов, мезонов, гиперонов, античастиц, различных нейтральных частиц и  др. Среди субатомных частиц обнаружились и такие частицы, которые в  окружающем нас веществе практически  не встречаются, — резонансы. Время  их жизни — мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно  короткого времени они распадаются  на обычные частицы.

В 1950— 1970-е гг. физики были совершенно сбиты с толку  многочисленностью, разнообразием  и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Если в конце 1940-х гг. было известно 15 элементарных частиц, то в  конце 1970-х — уже около 400. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли элементарные частицы случайными осколками материи или, возможно, за их взаимодействиями скрывается некоторый  порядок? Развитие физики в последующие  десятилетия показало: миру субатомных частиц присущ глубокий структурный  порядок. В основе этого порядка  — фундаментальные физические взаимодействия.¹

По статистике, число открытых элементарных частиц удваивается каждые 11 лет, в настоящее  время число элементарных частиц (включая нестабильные частицы – резонансы) вместе с античастицами в несколько раз превышает число элементов периодической системы Менделеева.

Понятие “элементарные  частицы” будет основополагающим в  этой статье, поэтому необходимо дать ему определение. В физике под  элементарной частицей подразумевают  неделимые, простые (вообще) частицы, из которых состоит вся материя. В химии это понятие имеет  несколько другой смысл: элементарной частицей химики называют именно химически неделимую частицу (например, протон), а также, частицы входящие в состав атома, тогда как с точки зрения теоретической физики протон, например, можно разделить на составные части. Впрочем, первоначально неделимость приписывалась атомам, потом – ядру, затем – нуклонам, а теперь кваркам. Но кто ручается, что и они являются истинно элементарными?

Для познания окружающего нас мира человеку пришлось пройти увлекательный, но мучительно длинный  и трудный путь изучения вещества, начиная от самых сложных его  форм и кончая элементарными частицами. Мы рассмотрим этот путь не в прямом, а в обратном направлении. Зная свойства элементарных частиц, нам будет уже  сравнительно просто построить из них  более сложные объекты — атомные  ядра и атомы — и понять их свойства.²

Классификация элементарных частиц

Элементарные  частицы обычно подразделяют на четыре класса. К одному из них относится  только одна частица — фотон. Второй класс образуют лептоны, третий —  мезоны и, наконец, четвертый класс  — барионы. Мезоны и барионы часто  объединяют в один класс сильно взаимодействующих  частиц, называемых адронами (греческое "адрос" означает крупный, массивный). Свойства элементарных частиц многообразны. Так, каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (например, фотон). Каждая элементарная частица характеризуется собственным набором значений определенных физических величин. К таким величинам относятся: масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.³ Дадим краткую характеристику перечисленных классов частиц.

1. Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным, слабым, гравитационным взаимодействиями.
2. Лептоны получили свое название от греческого слова "лептос", которое означает "легкий". К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: мюоны

       , электроны  , электронные нейтрино и мю-

      онные нейтрино . Все лептоны имеют спин, равный 1/2,

      и, следовательно, являются фермионами. Все  лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (т. е. мюоны и электроны), обладают также электромагнитным взаимодействием.

      3. Мезоны — сильно взаимодействующие нестабильные час 
тицы, не несущие так называемого барионного заряда. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и, если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.⁴

      4. Класс барионов объединяет в себе нуклоны (р, п) и нестабильные частицы с массой большей массы нуклонов, получившие название гиперонов. Все барионы обладают сильным взаимодействием и, следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен 1/2, так что барионы являются фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде барионов наряду с другими частицами обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барионного заряда.

      Кроме перечисленных выше частиц обнаружено большое число сильно взаимодействующих  короткоживущих частиц, которые получили название резонансов. Эти частицы представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов составляет всего лишь 10^-23-10^-22с.

      Элементарные  частицы, а также сложные микрочастицы удается наблюдать благодаря  тем следам, которые они оставляют  при своем прохождении через  вещество. Характер следов позволяет  судить о знаке заряда частицы, ее энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул  на своем пути. Нейтральные частицы  следов не оставляют, но они могут  обнаружить себя в момент распада  на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечном счете, нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными ими заряженными частицами.

Типы  взаимодействия  элементарных частиц

     Для всех типов взаимодействия элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильные (ядерные) взаимодействия. Сильное, или ядерное, взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях. Наличие в ядрах одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия, которые гораздо интенсивнее электромагнитных, ибо иначе ядро не могло образоваться. Эти взаимодействия (их называют сильными) проявляются лишь в пределах ядра. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия ), составляет примерно 10^-13 см. Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в 10¹⁴ раз - слабое. Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы.⁵ Вместе с тем выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы.

   Гравитационное  взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно. Любая частица находится под действием гравитационной силы. Ее величина зависит от массы или энергии частицы. Гравитационная сила действует на больших расстояниях и всегда выступает как сила притяжения. Гравитационные силы по сравнению с другими очень слабые. Считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами, переносится частицей со спином 2 (ее называют гравитон). Гравитон собственной массой не обладает, поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.⁶

Электромагнитные  взаимодействия. Ими обусловлены связи в атомах, молекулах и обычных макротелах. Энергия ионизации атома, т. е. энергия отрыва электрона от ядра, определяет значение электромагнитного взаимодействия, существующего в атоме.⁷ Константа взаимодействия равна 10^-3. Радиус действия не ограничен ( ).Не все элементарные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. Этим электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Электромагнитное взаимодействие (как и гравитация) является дальнодействующим, оно ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи — в мегамире, макромире и микромире.⁸

     Слабое  взаимодействие - наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино (например, b-распад, m-распад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (t ≳ 10^-10 с). элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц. Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного.

      Заключение

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих  и близкодействующих. С одной  стороны, взаимодействия неограниченного  радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой — малого радиуса (сильное  и слабое). Мир физических процессов  развертывается в границах этих двух полярностей и воплощает единство предельно малого и предельно  большого — микромира и мегамира, элементарной частицы и всей Вселенной. Существует идея объединить электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия в теорию великого объединения (на самом деле она не столь великая, поскольку не учитывает гравитацию, но создание такой теории явилось бы шагом на пути к созданию полной теории объединения, охватывающей все четыре типа взаимодействия. Идея великого объединения заключается в следующем. Известно, что сильные взаимодействия при высоких энергиях становятся слабее, чем при низких. Электромагнитные же и слабые силы при высоких энергиях растут. При каком-то очень большом значении энергии эти три силы могли бы сравняться между собой и стать разновидностями одной силы - при этом частицы со спином 1/2 (кварки и электроны) перестали бы различаться. Препятствие на этом пути заключается в том, что для ускорения частиц до такой энергии понадобился бы ускоритель размером с Солнечную систему. Так что возможности экспериментально проверить теорию великого объединения нет. Однако возможна проверка низкоэнергетических следствий. Одно из таких следствий - возможность распада протонов, составляющих большую часть массы обычного вещества на более легкие частицы (антиэлектроны).

Список  литературы:

1. Найдыш В.М., Концепции современного естествознания, Москва - Альфа-М - ИНФРА-М – 2004
2. M. К. Гусейханов, О. Р. Раджабов, Концепции современного естествознания: Учебник. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°»,2007
3. http://nrc.edu.ru/est/r2/2.html
4. http://don.on.ufanet.ru/13.html
5. А. А. Горелов, Концепции современного естествознания, Москва: Центр,1997.