Иерархия элементарных частиц

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ 3

1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОТКРЫТИЯ В ОБЛАСТИ ФИЗИКИ КОНЦА XIX - НАЧАЛА XX ВВ. 4

2.ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ КАК ГЛУБИННЫЙ УРОВЕНЬ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ  МАТЕРИИ 5

3. СТАНДАРТНАЯ ИЕРАРХИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ  18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

     Вопрос  о внутренней структуре материи («из чего все состоит?») является одним из главных в естествознании. Однако, несмотря на достигнутый в прошлом столетии прогресс в изучении этого вопроса, мы по-прежнему еще не пришли к однозначному представлению о первоосновах материального мира. Более того, скорость увеличения достоверной информации в последнее время заметно уменьшилась, так как экспериментальное продвижение в глубь микромира требует колоссальных энергетических затрат, которые обеспечиваются гигантскими ускорителями.

     В мире материальных систем существуют определенные иерархии — упорядоченные последовательности соподчинения и усложнения. Они служат эмпирической основой системологии. Все многообразие нашего мир можно представить в виде последовательно возникших иерархий.

     Принципы  самоорганизации материи, естественным образом вытекающие из основных закономерностей иерархии, создают стройную картину эволюции материи, эволюцию, которая происходит    не случайным, а строго закономерным образом. Основы теории  иерархии, иерархических пространств, основы теории собственных пространств, основы теории целевых функций иерархических систем - вот главнейшие  составные компоненты теории  иерархии. Значение  основ  этих теорий  трудно переоценить, так как они легли    в основу фундамента   обоснования  природы  периодичности свойств материи,  обоснования пространственно-временной концепции специальной и общей теории относительности и    создания основ Единой  Теории Эволюции Материи.

     Целью данной работы является изучение иерархии элементарн6ых частиц. 
 

1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ  ОТКРЫТИЯ В ОБЛАСТИ  ФИЗИКИ КОНЦА XIX - НАЧАЛА XX ВВ.  

     В конце XIX — начале XX вв. физика вышла  на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи. История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона — отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов.

     Поскольку электроны имеют отрицательный  заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение  о наличии помимо электрона и  положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существуют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10^-12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10^-8 см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов. Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком А. А. Беккерелем [6].

     Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы — полоний и радий, а также установлено, что в результате радиоактивного излучения атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента. Открытие сложной структуры атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как твердых и неделимых структурных единицах вещества [1].  

2. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ  КАК ГЛУБИННЫЙ  УРОВЕНЬ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ  МАТЕРИИ  

     Дальнейшее  проникновение в глубины микромира  связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в Конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX в. — фотон, протон, позитрон и нейтрон. После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существование большого числа элементарных частиц — свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, кварки и виртуальные частицы.

     Термин  «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образовании. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообьекгам.

     Сейчас  уже не подлежит сомнению, что частицы  имеют ту или иную структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать [7].

     Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа:

     - Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, — фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны — легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны — средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы — тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероиы и многие резонансы.

     -Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Приблизительно в 1963—1964 гг. была высказана гипотеза о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла.

     -По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10^-10 — 10^-24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10^-23 — 10^-22 с называют резонансами. Вследствие краткого времени жизни они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

     -Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спина», или собственного момента количества движения микрочастицы, и понятием «квантовых чисел», выражающих состояние элементарных частиц.

     -В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление — взаимодействия. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойства элементарных частиц определяются в основном первыми тремя видами взаимодействия. Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10^-13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи — атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

     Электромагнитное  взаимодействие примерно в тысячу раз  слабее сильного, но значительно более дальнодействуюшее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон — квант электромагнитного поля.

     В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы — в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является f основным в химии и биологии. Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10^-15 — 10^-22 ем и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в простои, электрон и антинейтрино. Согласно современному уровню знаний, большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию [2].

     Гравитационное  взаимодействие — самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10^-33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение поскольку гравитационное взаимодействие по своей силе становится сравнимым с остальными видами взаимодействия. В космических масштабах гравитационное взаимодействие (тяготение) имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен. В природе, как правило, проявляется не один, а одновременно несколько типов взаимодействия, и свойства многих частиц определяются всеми четырьмя его типами. Например, протон — частица с сильным взаимодействием, но наличие электрического заряда заставляет его принимать участие также в электромагнитном взаимодействии. А так как он мог возникнуть вследствие (3-распада нейтрона, т.е. процесса слабого взаимодействия, то протон связан и со слабым взаимодействием. И, наконец, он участвует в гравитационном взаимодействии, поскольку тела, в состав атомов которых входит протон, имеют вес.

       Некоторые частицы могут принимать  участие в одних видах взаимодействия  и не участвовать в других. Частицы типа электрона или  мюона не принимают участие  в сильных взаимодействиях. Фундаментальные  взаимодействия приводят к превращению частиц: их уничтожению и созданию. Например, при столкновении нейтрона и протона могут возникнуть два нейтрона и П⁺ —мезон. От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10^-24 — 10^-23 с. Это приблизительно тот кратчайший интервал времени, за который частица, ускоренная до высоких энергий, до скорости, близкой скорости света, проходит через элементарную частицу размером порядка 10^-13 см. Изменения, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуществляются в течение 10^-19 — 10^-21 с, а слабыми (например, распад элементарных частиц) — в основном 10^-10 с. По времени различных превращений можно судить о силе связанных с ними взаимодействий.

     Взаимодействия  элементарных частиц осуществляются посредством  соответствующих физических полей, квантами которых они являются. В  современной квантовой теории поля под полем понимается система  с переменным число частиц (квантов  поля). Наинизшее энергетическое состояние поля, в котором вообще нет квантов поля, называется вакуумом. В вакуумном состоянии при отсутствии возбуждения электромагнитное поле не содержит частиц (фотонов). В этом состоянии оно не обладает механическими свойствами, присущими корпускулярному веществу (например, тела при движении в нем не испытывают трения). Вакуум не содержит обычных видов материи, однако он не пуст в прямом смысле слова, поскольку при соответствующем возбуждении в нем появляются фотоны — кванты электромагнитного поля, посредством которых осуществляется электромагнитное взаимодействие.

     В вакууме присутствуют и другие физические поля, в частности гравитационное, кванты которого, гравитоны, предсказаны  теоретически, но экспериментально пока не зарегистрированы. Квантовое поле представляет собой совокупность квантов и носит дискретный характер, так как все взаимодействия элементарных частиц: взаимопревращение, излучение и поглощение фотонов происходит дискретно, квантованным образом.

     Состояние поля в квантовой электродинамике, как и в квантовой механике, задается волновой функцией, которая связана с реальными наблюдаемыми явлениями не строго однозначно, а посредством понятия вероятности. Квадрат модуля функции дает вероятность наблюдения того или иного физического явления. Если провести целый комплекс опытов, то в итоге получится картина, напоминающая результат волнового процесса.

     Основная  проблема квантовой теории поля —  проблема взаимодействия частиц разного типа. Пока она решена лишь в квантовой электродинамике, описывающей взаимодействие электронов, позитронов и фотонов. Квантовая теория поля для сильных и слабых взаимодействий до сих пор не разработана. Они описываются посредством нестрогих методов, хотя ясно, что без соответствующей теории невозможно понять структуру элементарных частиц, которая определяется именно их взаимодействиями [4]. 
 
 
 
 
 
 
 

3. СТАНДАРТНАЯ ИЕРАРХИЧЕСКАЯ  МОДЕЛЬ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ  ЧАСТИЦ 

     В общем случае множество феноменов (объектов, явлений) может быть классифицировано (в том числе иерархически) неконечным числом способов, то есть на основании различных принципов. Под иерархической понимается такая классификация, в которой, помимо разделения множества объектов на некоторые группы, дополнительно устанавливаются некоторые отношения соподчинения между отдельными группами.