mozok.click » Фізика » Загальна характеристика елементарних частинок
Інформація про новину
  • Переглядів: 518
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 22:58
12-02-2018, 22:58

Загальна характеристика елементарних частинок

Категорія: Фізика

Етапи розвитку фізики елементарних частинок. Сьогодні фізика елементарних частинок стала новою, великою і самостійною галуззю науки. Умовно можна виділити декілька етапів її розвитку.

Перший етап (1895 - 1932 рр.). Дослідження явищ емісії (термо-, фото- та ін.) виявили існування потоку заряджених частинок, які називали катодним промінням. Пізніше було встановлено, що це потік електронів. Перші експериментальні дослідження електронів проводили у 1906-1916 рр. американський фізик Р. Міллікен і незалежно від нього радянський вчений А. Ф. Йоффе.

У 1896 р. французьким фізиком Анрі Беккерелем була відкрита природна радіоактивність. Проведені у 1898р. дослідження М. Склодовської-Кюрі і незалежно Е. Резерфорда показали, що у магнітному полі радіоактивне випромінювання розділяється на три пучки: а- частинки, fi-частинки, у-промені.

У 1911 р. була створена планетарна модель атома: англійський фізик Ернест Резерфорд показав, що у центрі атома міститься ядро, навколо якого обертаються електрони.

Протягом наступних років проводились дослідження штучної радіоактивності (ядерних реакцій) з метою дослідження будови атомного ядра. У 1919 р. Е. Резерфорд здійснює першу ядерну реакцію і відкриває суб'ядерну частинку - протон (р) - як продукт реакції

У 1932 р. Д. Чедвік відкриває ще одну суб’ядерну частинку - нейтрон (п):

Таким чином були встановлені елементарні складові частинки атомів речовини: електрони, протони і нейтрони. Проте фізиків цікавило питання, чи існує межа поділу елементарних частинок, чи поділяться електрони, протони, нейтрони на складові частинки?

З 1932 р. починається другий етап дослідження фізики елементарних частинок. Під час проведення експериментів із дослідження штучної радіоактивності були виявлені частинки, які не є складовими речовини.



Ще у 1928 р. англійський фізик П. Дірак створив релятивістську теорію руху електрона. Розробляючи цю теорію, Дірак використав дві експериментально встановлені характеристики електрона - масу та заряд - і спирався на загальні принципи теорії відносності та квантову теорію. З його теоретичних розрахунків випливала можливість існування такої самої частинки, як і електрон, але з позитивним зарядом - позитрона. У 1932 р. американський фізик К. Д. Андерсон, фотографуючи сліди космічних променів у камері Вільсона, виявив на одній із фотографій слід, який міг належати позитрону.

У 1932 р. Жоліо-Кюрі вперше отримав штучний радіоактивний ізотоп у реакції

де радіоактивний ізотоп

розпадається з

випромінюванням позитрона.

Експериментальне підтвердження існування позитрона дало новий поштовх у дослідженні елементарних частинок. Було виявлено, що майже кожна частинка має свою античастинку, частинки зазнають взаємних перетворень. Так, при p'-розпаді один з нейтронів всередині ядра перетворюється в протон, електрон і антинейтрино,

Електрон і антинейтрино вилітають з ядра, а нуклони, які залишились, утворюють нове ядро. У вільному стані нейтрон може існувати в середньому 15 хв, після чого зазнає такого перетворення.

У процесі р+-розпаду протон перетворюється в нейтрон і одночасно випускаються позитрон і нейтрино,


Це перетворення відбувається з поглинанням енергії, оскільки маса протона менша за масу нейтрона,

і тому може відбуватися тільки в ядрі. У вільному стані протон - стабільна частинка.

У 1933 р. був відкритий процес утворення позитрона і електрона під час взаємодії фотона великої енергії з якоюсь зарядженою частинкою, наприклад, з атомним ядром,

Згодом було виявлено і зворотний процес - анігіляцію - перетворення частинки й античастинки в гамма-кванти,

Дослідження елементарних частинок в земних умовах здійснюється за допомогою прискорювачів частинок різних конструкцій: лінійних прискорювачів, циклотронів, синхрофазотронів, колаїдрів (мал. 302) тощо. У результаті прискорення енергії частинок стають надвисокими, і такими частинками бомбардуються досліджувані частинки. У колаїдрах досліджують

зіткнення потоків заряджених частинок.

Проводяться дослідження і природних потоків частинок - космічного проміння. Перші дослідження космічного проміння проводились ще у 1912 р. за допомогою повітряних куль. З часу запуску штучних супутників та космічних кораблів можливості дослідження космічних променів значно збільшились. Було виявлено, що космічне проміння складається із частинок високих енергій, які летять у найрізноманітніших напрямках в космічному просторі. Джерелом космічного випромінювання є вибух наднової зорі (мал. 303, а).

Внаслідок зіткнень космічних променів з ядрами атомів речовин, які входять до складу атмосфери, відбувається народження нових частинок, які надалі також зазнають нових зіткнень і нових перетворень (мал. 303, б).


 

Таким чином було встановлено найважливішу загальну властивість елементарних частинок - їх здатність до взаємного перетворення; розпадаючись, одні частинки зникають, інші народжуються.

На початок 60-х років XX ст. кількість відкритих елементарних частинок стала настільки великою, що виникли сумніви, чи всі частинки, які називають елементарними, повністю відповідають цій назві.

У 1964 р. американські фізики М. Гелл-Манн та Дж. Цвейг запропонували модель, згідно з якою мають існувати фундаментальніші (первинні) частинки - кварки. За їх припущенням, електрони і протони мають складатися з трьох кварків: н-кварка, d-кварка та s-кварка (названі від англійських слів up - верхній, down - нижній і strange - дивний).

З цього часу розпочався третій етап експериментальних досліджень, спрямований на виявлення кварків. Паралельно розвиваються і теоретичні дослідження, що пояснюють структуру мікросвіту та її зв’язок з макросвітом. Це так звана кваркова теорія (її ще називають квантовою хромодинамікою), яка разом із електрослабкою теорією утворюють стандартну модель елементарних частинок. А також струнна модель, модель великого об’єднання тощо.

Поняття елементарної частинки. Як видно з розвитку фізики елементарних частинок, термін «елементарна» потребує уточнення. Поняття елементарних частинок ґрунтується на факті дискретної будови речовини. Ряд елементарних частинок має складну внутрішню структуру, проте розділити їх на частини не можливо. Інші елементарні частинки є безструктурними і можуть вважатися первинними фундаментальними частинками.

Елементарна частинка - збірний термін, що відноситься до мікрооб’єктів у суб’ядерному масштабі.

Найхарактернішою особливістю елементарних частинок є їхня здатність до перетворень і взаємодії. При цьому дочірні частинки не є структурними складовими материнських, а народжуються в актах перетворення.

Отже, за сучасними уявленнями елементарні частинки не просто «цеглинки* світобудови, це специфічні об’єкти мікросвіту. До того ж їм властивий особливий вид фундаментальної взаємодії - слабка взаємодія. За інтенсивністю слабка взаємодія в багато (приблизно в 1014) разів менша за сильну і навіть електромагнітну взаємодії. Проте вона значно більша за гравітаційну взаємодію, оскільки маси елементарних частинок надто малі і радіус їхньої взаємодії становить лише 10 18 м.

За властивостями елементарні частинки поділяють на такі групи: фотони, лептони й адрони. Майже всі елементарні частинки нестабільні (за винятком електрона, протона, нейтрона (у складі ядра), нейтрино, фотона). Основні характеристики елементарних частинок такі: електричний заряд, маса, тривалість життя, спін, лептонний і баріонний заряди, дивність (квантове число).

Починаючи з 1932 р. було відкрито понад 400 елементарних частинок, і це число продовжує зростати.

Відомий нам зараз набір елементарних частинок не був таким протягом всього існування Всесвіту. Є припущення, що на самих його початках у момент часу 10 38 с після Великого вибуху існували частинки-прабатьки, так звані преони, з енергією понад 10і5 ГеВ. Прямими «нащадками» пре-онів стали кварки, що близько 10 6 с після Великого вибуху утворили вже згадані протони і нейтрони. За цими уявленнями через приблизно 3 хв після початку процесу утворилася більша частина ядер Гелію, які існують у Всесвіті.

Дайте відповіді на запитання

1. Назвіть основні етапи розвитку фізики елементарних частинок.

2. Що таке елементарні частинки? Назвіть стабільні елементарні частинки.

3. Який тип фундаментальної взаємодії характерний для елементарних частинок?






^