Элементарные частицы Природы
advertisement
Элементарные частицы Природы Человек и Вселенная Мир, в котором мы живем, сложен и многообразен. С глубокой древности человек стремился понять устройство Мира, в котором он живёт. Прошли тысячелетия, прежде чем возникла научная картина окружающего мира. Она складывалась по мере того, как с одной стороны накапливались знания о Земле, Солнце, планетах и звездах, с другой стороны человек пытался понять из каких элементарных составляющих образована окружающая его материя, и какие силы связывают эти элементарные составляющие. У философов древней Греции существовало два противоположных взгляда на природу материи. Сторонники одной школы (Демокрит, Эпикур) утверждали, что нет ничего, кроме атомов и пустоты, в которой движутся атомы. Они рассматривали атомы как мельчайшие неделимые частицы, вечные и неизменные, пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и величиной. Сторонники другого направления (Аристотель, Платон, Сократ) придерживались прямо противоположной точки зрения. Они считали, что вещество можно делить бесконечно. На протяжении столетий атомная теория материи была чисто умозрительной. Лишь в конце XIX века открытия электрона и радиоактивности сделали атомную структуру материи общепризнанной. Человек и Вселенная Сегодня мы знаем, что мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства — это молекулы и атомы. Материя имеет иерархическую структуру. Атомы состоят из атомного ядра и электронов. Атомные ядра состоят из нуклонов — нейтронов и протонов. Нуклоны состоят из кварков. Но разделить нуклоны на составляющие их кварки уже нельзя. Что вовсе не означает, что кварки «элементарны». Понятие элементарности объекта в значительной мере определяется уровнем наших знаний. Поэтому привычное для нас утверждение «состоит из…» на субкварковом уровне может оказаться лишенным смысла. Взаимодействие между частицами приводит к рождению новых частиц, превращению одних частиц в другие. Стало ясно, что все взаимодействия в природе можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому. С изменением масштабов расстояний и энергий относительное значение каждого из взаимодействий меняется. Оказалось, что взаимодействия и частицы тесно связаны между собой. Одним из фундаментальных вопросов современной физики является вопрос об объединении взаимодействий. Не являются ли четыре фундаментальных взаимодействия следствием единого взаимодействия, которое поразному проявляет себя при различных энергиях и расстояниях. Человек и Вселенная В основе объединения взаимодействий лежит современное представление о симметриях. Из классической физики хорошо известен пример восстановления симметрии при переходе из кристаллической фазы (лёд) к жидкой фазе (вода). Высокие температуры стремятся восстановить симметрию, сделать систему более симметричной. Привычные представления о природе четырех взаимодействий возникли потому, что мы живем в мире относительно низких энергий. Физика частиц тесно связана с современной космологией. Реликтовое излучение позволяет получить информацию о ранних этапах эволюции Вселенной. Сегодня можно уверенно утверждать, что легчайшие химические элементы (изотопы водорода и гелия) образовались в первые минуты существования Вселенной. В настоящее время общепринятой является теория о рождении Вселенной в результате «Большого взрыва». Понимание этого сформировалось в процессе изучения физики субатомных явлений. Новое восприятие мира — гигантский скачок, совершенный человечеством в XX веке. Элементарные частицы Элементарными частицами называют частицы, которые на современном уровне знаний являются неделимыми, не состоят из других частиц. По мере наших развитий о природе материи в качестве элементарных объектов выступали различные частицы. Аристотель (384 – 322 гг. до н.э.) считал, что все вещество во Вселенной состоит из четырех основных элементов – земли, воздуха, воды и огня, на которые действуют две силы: сила тяжести, влекущая землю и воду вниз, и сила легкости, под действием которой огонь и воздух устремляются вверх. Такой подход к описанию строения Вселенной, когда все делится на вещество и взаимодействия, сохраняется до сих пор. Элементарные частицы Позже в 19 веке в качестве элементарных частиц стали выступать атомы. Открытие электрона и атомного ядра привело к новым элементарным частицам: электрону и атомному ядру. В 30-х годах 20 века стало ясно, что атомное ядро имеет сложную структуру, состоящую из протонов и нейтронов. В 60-х годах стало ясно, что протон и нейтрон также являются составными частицами, состоящими из двух типов кварков: u и d. n(udd ) p(uud ) На нашем сегодняшнем уровне знаний кварки и электрон являются элементарными частицами. Известные сегодня элементарные частицы обычно называют фундаментальными частицами. Таблица фундаментальных частиц состоит из 16 частиц (не считая античастиц и цветовых зарядов кварков). Из 12 фермионов (6 кварков и 6 лептонов) состоит вещество. u c t кварки d s b μ e τ лептоны ν νe μ ντ 4 фундаментальных бозона переносят взаимодействие между фундаментальными фермионами. γ (фотон) — переносчик электромагнитного взаимодействия, W , Z (промежуточные бозоны) — переносчики слабого взаимодействия, g (глюон) — переносчик сильного взаимодействия. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева 1869 г. 1834 - 1907 Периодическая система элементов На протяжении всего XIX века список химических элементов непрерывно пополнялся. Каждый химический элемент обладал своими характерными свойствами. Однако не удавалось установить общую закономерность, которой они должны были подчиняться. Все попытки в основном сводились к тому, чтобы расположить химические элементы в порядке возрастания их атомного веса. Окончательный порядок в классификации элементов был наведен Д. И. Менделеевым. За основу классификации элементов Д. И. Менделеев выбрал химические свойства элементов. В тех случаях, когда химические свойства элемента заставляли поместить его в таблицу исходя из его химических свойств, а не его атомного веса, Менделеев изменял порядок следования элементов. Так, например, теллур, имеющий атомный вес 127,61 был помещен перед йодом, имеющим атомный вес 126,91 и это был не единственный пример. Гораздо более важным оказалось, то что, если в периодической таблице не хватало элементов для заполнения ячеек, Менделеев оставлял эти ячейки пустыми. Основываясь на свойствах соседних элементов, он описал свойства неизвестных элементов. Все предсказанные им элементы были открыты еще при его жизни. Это были галлий, скандий, германий. Все они имели именно те свойства, которые предсказал Менделеев. Периодическая система элементов В основе научного мышления до конца XIX века лежало представление о неделимых атомах, которые не уничтожались и не рождались, а лишь образовывали различные комбинации — молекулы. Создание Периодической системы элементов имело два фундаментальных последствия. • Расставление всех химических элементов по клеточкам Периодической системы исключило существование каких-либо промежуточных элементов. Сегодня открыто 118 химических элементов и поиски новых, сверхтяжелых элементов продолжаются. Однако известно точно, что до 118-го элемента включительно их всего 118. • Периодическое изменение химических свойств элементов наводит на мысль о более глубоких принципах их устройства. Окончательно это стало ясно после открытия электрона и атомного ядра. На смену наивным представлениям древних греков о четырёх элементах, лежащих в основе всех веществ Вселенной, пришло представлении о следующем уровне организации материи — химических элементах. Дж. Дж. Томсон 1897 Электрон 1904 Модель атома Joseph Thomson (1856-1940) Нобелевская премия по физике 1906 г. – Дж. Дж. Томсон За большие заслуги в теоретических и экспериментальных исследованиях электрической проводимости газов. Атом Томсона В 1897 г. Д. Томсон, изучая характеристики газового разряда, показал, что катодные лучи, образующиеся в разрядной трубке, состоят из отрицательно заряженных частиц вещества. Отклоняя катодные лучи в электрических и магнитных полях, он определил отношение заряда к массе этих частиц. e = 6, 7 ⋅1017 ед. СГСЭ/г; m (современное значение: 5, 27 ⋅1017 ед. СГСЭ/г) Он показал, что катодные лучи представляют собой поток более лёгких, чем атомы, частиц и не зависят от состава газа. Эти частицы были названы электронами. Открытие электрона и установление того факта, что все атомы содержат электроны, явилось важной информацией о внутреннем строении атома. В 1906 г. Томсон предложил модель, в которой электрически нейтральный атом состоит из положительно заряженного однородного шара, внутри которого в определенных равновесных положениях находится Z электронов. Так как электроны обладают отрицательными зарядами, а сами атомы являются электрически нейтральными системами, каждый атом должен содержать достаточное количество положительно заряженного вещества, чтобы скомпенсировать отрицательный заряд электрона. –8 Размер атома ~10 см. Модель Томсона просуществовала до 1911 г., когда она была подвергнута серьезной проверке в экспериментах, выполненных Э. Резерфордом и его двумя учениками Гейгером и Марсденом. 1896 Открытие радиоактивности Анри Беккерель Antoine Henri Becquerel (1852 – 1908) Нобелевская премия по физике 1903 г. - А. Беккерель За открытие радиоактивности Открытие радиоактивности Флюоресценция – видимое свечение некоторых веществ в результате облучения их солнечным ультрафиолетом. А. Беккереля заинтересовал вопрос, имеется ли в спектре флюоресценции уранила сульфата калия рентгеновские лучи. Он помещал образец исходного соединения на фотопластинку, завернутую в черную непрозрачную для света бумагу и затем выставлял их на солнце. Беккерель получил положительный результат. Действительно, пластинки темнели. Однако, благодаря случайному стечению обстоятельств, он сделал для себя неожиданное открытие. В ожидании очередного солнечного дня он положил фотопластинки вместе с образцом урановой соли в ящик своего письменного стола. Через несколько дней он решил перед очередными опытами проверить качество пластинок и обнаружил на них отпечатки урановой соли. Пластинки почернели без всякого облучения на солнце. Беккерель предположил, и опыты это быстро подтвердили, что неизвестное излучение испускает уран. Это излучение происходит без всякого предварительного облучения на солнце. Так было открыто явление радиоактивности. Э. Резерфорд 1911 Атомное ядро α+ 197 79 Au → α+ 197 79 θ Z1Z2 e tg = 2 2bE Au 2 Ernest Rutherford (1871-1937) 2 dσ ⎛ Z1Z2e ⎞ 1 =⎜ ⎟ × dΩ ⎝ 4E ⎠ (sin 4 θ ) 2 2 Нобелевская премия по химии 1908 г. - Э. Резерфорд За исследования по превращению элементов и за химические исследования радиоактивных веществ. Атомное ядро экспериментальные исследования Прямые строения атома были выполнены в 1911 году Гейгером и Марсденом в лаборатории Э. Резерфордом. Изучалось рассеяние α -частиц при прохождении через тонкую фольгу. Дифференциальное сечение упругого рассеяния нерелятивистской заряженной частицы в кулоновском поле ядра-мишени описывается формулой Резерфорда 2 1 dσ ⎛ Z1 Z 2 e 2 ⎞ =⎜ , ⎟ 4 d Ω ⎝ 4T ⎠ sin θ 2 Z1 и Z2 — заряды налетающей частицы и ядра-мишени, e — элементарный заряд, T — кинетическая энергия налетающей частицы, θ — угол рассеяния. Угловое распределение α-частиц, рассеянных на золоте, свидетельствовало о том, что положительный заряд атома сосредоточен в пространственной области размером меньше -12 10 см. Это явилось основанием для планетарной модели атома Резерфорда, согласно которой атом состоит из тяжелого положительно заряженного атомного ядра с радиусом меньше 10-12 см и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Размер атома определяется размерами его электронной оболочки и составляет ~10-8 см, что в десятки тысяч раз превышает размер атомного ядра. Несмотря на то, что атомное ядро занимает лишь небольшую часть объема атома, в нем сосредоточено 99,98% его массы. Рассеяние α-частиц Схема прибора, с помощью которого Резерфорд исследовал рассеяние альфа-частиц Опыт Резерфорда Пример α-частица (Z1 = 2) с кинетической энергией 5 МэВ испытывает лобовое столкновение с ядром золота (Z2=79). Рассчитать расстояние максимального сближения α-частицы с ядром золота. ______________ На расстоянии максимального сближения α-частицы с ядром золота, ее кинетическая энергия Е полностью превращается в потенциальную энергию кулоновского отталкивания. E = (Z 1eZ 2 e)/(R) 2 R = = (Z 1 Z 2 e ) E 2 ⋅ 7 9 ⋅ (4 , 8 ⋅10 − 10 2 (5 ⋅10 ⋅ 1, 6 ⋅10 6 = 5 ⋅ 10 − 12 = ) − 12 см ) = Размеры атомов, ядер Измерения рассеяния α -частиц на тонкой золотой фольге, выполненное Гейгером и Марсденом в лаборатории Резерфорда, показали, что атомы состоят из ядер, имеющих очень маленькие размеры ~ 10−12 см, и окружены электронами. Размер атома ~ 10−8 см. Сечение реакции Сечение реакции — величина, определяющая вероятность перехода системы взаимодействующих частиц в определенное конечное состояние. Дифференциальное эффективное сечение dσ (θ , ϕ ) — dΩ сечение рассеяния под определенными углами θ , ϕ . В случае резерфордовского рассеяния дифференциальное сечение имеет вид 2 dσ (θ ) ⎛ Z1 Z 2 e ⎞ 1 =⎜ × ⎟ dΩ 4 E ⎝ ⎠ ⎛ sin 4 θ ⎞ ⎜ ⎟ 2⎠ ⎝ 2 Полное эффективное сечение σ — дифференциальное сечение dσ (θ , ϕ ) , проинтегрированное по всем углам. dΩ dσ (θ , ϕ ) ∫ d Ω sin θ dθ dϕ Единица измерения полного сечение σ — барн. σ = Для более 1 барн = 10–24 см полного описания процесса используют d 2σ (θ , ϕ , E ) дважды дифференциальное сечение . В этом d ΩdE случае регистрируется энергия частицы, вылетевшей под определенным углом. Сечение реакции σ и число событий N Сечение реакции характеризует вероятность процесса. В эксперименте обычно измеряется число частиц определенного dN (θ , ϕ ) , dΩ типа вылетевших из мишени в единицу времени под углами θ , ϕ в элемент телесного угла dΩ . dN (θ , ϕ ) dσ (θ , ϕ ) = j ⋅ s ⋅ n⋅l ⋅ dΩ dΩ N = j ⋅ n ⋅ l ⋅ s ⋅σ • N – число событий в секунду. • j – поток частиц а через 1 см2 поверхности мишени. • n – число частиц b в 1 см3 мишени. • s – площадь мишени в см2 • σ – сечение реакции N j n l s σ число частиц а число частиц b события 2 2 = см см см сек сек × см 2 см 3 Пример α-частица с кинетической энергией T = 5 МэВ налетает на неподвижное ядро 19779Au. Определить дифференциальное сечение рассеяния α-частицы на углы Θ = 10°, 90°, 175°. 2 dσ ⎛ Z1Z2e ⎞ 1 =⎜ ⎟ × dΩ ⎝ 4E ⎠ (sin4 θ ) 2 2 2 ⎛ ⎞ d σ ( Θ = 10 0 ) ⎜ 2 × 79 × ( 4, 8 ⋅ 10 ) ⎟ = × − 12 6 ⎜ 4 × 5 ⋅ 10 × 1, 6 ⋅ 10 ⎟ dΩ ⎝ ⎠ 1 4 × ≈ ⋅ 2.3 10 б / ср. 4 ( 0.087 ) − 10 dσ (Θ = 900 ) ≈ 5.4 б / ср. dΩ dσ (Θ = 1750 ) ≈ 1.2 б / ср. dΩ 2 Открытие протона 1919 - Протон Э. Резерфорд (1871-1937) 1911 - Атомное ядро α + Au →α + Au 197 79 197 79 1919 - Протон α + N → p+ O 14 7 17 8 Открытие протона В 1919 г., продолжая эксперименты по рассеянию α-частиц на различных мишенях, Э. Резерфорд обнаружил, что при бомбардировке ядер азота 14N α-частицами из него вылетают положительно заряженные частицы. Величина заряда этих частиц по абсолютной величине была равна величине заряда электрона, но противоположна по знаку. Масса частицы была почти в 2000 раз больше массы электрона. Повторение опыта на других мишенях показало, что положительно заряженные частицы вылетают и из других атомных ядер. Обнаруженная частица была названа протоном. Ядерная реакция, в которой впервые были обнаружены протоны, записывается в виде: α + N → p+ O 14 7 17 8 Э. Резерфорду удалось осуществить то, что в течение многих веков пытались сделать алхимики — превратить одно вещество в другое. Ядро азота превращалось в ядро кислорода. Это была первая ядерная реакция, осуществленная искусственно в лабораторных условиях. Стало ясно, что протоны являются элементарными частицами, входящими в состав атомного ядра. Открытие нейтрона 1932 - Нейтрон α + Be → n + C 9 4 12 6 James Chadwick (1891-1974) Нобелевская премия по физике 1935 г. – Дж.Чедвик За открытие нейтрона Нейтрон В 1930–1932 гг. продолжая начатые Резерфордом эксперименты, В. Боте и Г. Беккер при облучении тонких фольг из бериллия α-частицами обнаружили сильно проникающее излучение, состоящее из нейтральных частиц. Первоначально выдвинутая гипотеза о том, что это фотоны высоких энергий, не выдержала проверки. Лишь в 1932 г. Д. Чедвик показал, что это новая, до сих пор неизвестная нейтральная частица с массой, приблизительно равной массе протона. Обнаруженная частица была названа нейтроном. Сразу после открытия нейтрона Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга выдвинули гипотезу, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. В обычных условиях отклонения от протон-нейтронной модели, обусловленные внутренней динамикой атомного ядра, невелики. Радиоактивность 1896 - А. Беккерель явление радиоактивности 1898 – Пьер Кюри и Мария Кюри-Склодовская радиоактивность изотопов Радия Ra и Полония Po 1899 - Э. Резерфорд радиоактивный изотоп урана испускает положительно (α) и отрицательно (β-) заряженные частицы 1919 - П. Виллард радиоактивный изотоп урана испускает γ-кванты Радиоактивность — ядерное явление. Альфа-частицы и бета-частицы (электроны, позитроны) испускаются при самопроизвольном распаде ядер. Гамма-лучи возникают при перераспределении электрического заряда внутри ядра. Исследование радиоактивности 1898 г. Пьер и Мария Кюри решили измерить радиацию урана. Была создана установка, которая позволяла измерять ионизацию воздушного пространства между двумя электродами под действием излучения урана. Они обнаружили, что некоторые образцы урана создают очень высокую концентрацию излучения. В результате переработки нескольких тонн солей урана был выделен элемент, радиоактивность которого в 400 раз превосходила радиоактивность урана. Этот элемент по своим химическим свойствам напоминал теллур и поэтому должен был располагаться в периодической таблице под ним. Это был 84 элемент, названный полонием. В результате дальнейших исследований супруги Кюри обнаружили еще один более радиоактивный чем полоний элемент, который по своим свойствам напоминал барий. Поэтому он был размещен в периодической таблице под ним и имел порядковый номер 88. Из-за интенсивного радиоактивного излучения этому элементу было присвоено имя радий (от латинского слова “излучающий”). 1911 г. М. Кюри-Склодовская получила Нобелевскую премию по химии за открытие радия и полония, изучение свойств радия, получение радия в металлическом состоянии и осуществление экспериментов, связанных с радием. 1898 Открытие радиоактивности элементов полония Po (Z=84) и радия Ra (Z=88) Marie and Pierre Curie Нобелевская премия по физике 1903 г. - П. Кюри и М. Кюри-Склодовская За исследования радиоактивности 1933 Искусственная радиоактивность Irene and Frederic Joliot-Curie α + Al → P + n 27 13 30 15 30 15 β+ P ⎯⎯⎯⎯⎯ → Si T1/ 2 = 2.5 мин 30 14 Нобелевская премия по химии 1935 г. – Ф. Жолио-Кюри, И. Жолио-Кюри За открытие искусственной радиоактивности и синтез новых радиоактивных элементов Искусственная радиоактивность Искусственная радиоактивность была открыта в 1923 г. Фредериком и Иреной Жолио-Кюри. При облучении тонкой алюминиевой фольги α-частицами с энергией 5,3 МэВ, которые испускал радиоактивный источник, содержащий 210Po. Было обнаружено, что мишень становится радиоактивной. После окончания облучения активность мишени уменьшалась в 2 раза примерно 3 мин. Было обнаружено, что из мишени вылетают тяжелые положительно заряженные частицы, отличные от лёгких позитронов. После тщательного химического анализа было установлено, что в результате облучения α-частицами изотопа 27 13 Al образуется радиоактивный изотоп 27 13 30 15 P 1 α + Al → 30 P + 15 0n. 30 изотоп 15 P в стабильный Образующийся радиоактивный распадался затем, превращаясь изотоп 30 14 Si . 30 15 β+ P ⎯⎯⎯⎯⎯ → Si T1/ 2 = 2,5 мин 30 14 Период полураспада изотопа 30 15 P по современным данным составляет 2,5 минуты. 30 1/ 2 15 T ( P ) = 2,5 мин. Искусственная радиоактивность «В наших последних экспериментах был обнаружен поразительный факт: при облучении алюминиевой фольги α-частицами испускание позитронов не прекращалось немедленно после того, как источник α-частиц удалялся. Фольга оставалась радиоактивной, интенсивность испускаемого излучения уменьшалась экспоненциально, как в случае обычного существующего в природе радиоактивного элемента. Такое же явление мы наблюдали с бором и магнием. При превращении бора, магния и алюминия под действием α-частиц появляются новые радиоактивные элементы, испускающие позитроны. Вероятно, эти элементы представляют собой неизвестные изотопы, которые всегда нестабильны». Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри. При взаимодействии α-частиц с алюминием происходила следующая реакция 27 30 13 15 Образующийся при этом изотоп фосфора 30P представляет собой радиоактивный элемент, распадающийся с испусканием позитронов. α + Al → P + n 30 15 β+ P ⎯⎯⎯⎯⎯ → Si T1 / 2 = 2.5 мин 30 14 Атомное ядро Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Z – заряд ядра, число протонов в ядре N – число нейтронов в ядре A = N + Z – массовое число 208 82 Pb Z = 82 N = 126 A = 208 Ядра с одним и тем же значением Z, но с разными значениями A называются изотопами. Различные изотопы данного элемента обозначают, приписывая к символу химического элемента верхний индекс — массовое число A. N-Z диаграмма атомных ядер Zmin=1 Zmax=116 Изотопы Изотопы ZZ==const const Изобары Изобары A=const A=const Стабильные ядра группируются вблизи долины стабильности: A Z= 2/3 1.98 + 0.015 A N-Z диаграмма атомных ядер Различные комбинации чисел протонов Z и нейтронов N соответствуют различным атомным ядрам. Атомные ядра существуют (т.е. их время жизни τ > 10-23 c) в довольно узком диапазоне изменений чисел Z и N. Все атомные ядра делятся на две большие группы — стабильные и радиоактивные. Стабильные ядра Zmin=вблизи 1 группируются долины стабильности: Zmax=116 A Z= 2/3 1.98 + 0.015 A С левой стороны от стабильных ядер находятся ядра, перегруженные протонами (протоноизбыточные ядра), справа – ядра, перегруженные нейтронами (нейтроноизбыточные ядра). Обнаруженное в настоящее время число радиоактивных ядер около 3,5 тысяч. Считается, что всего их должно быть 7–7,5 тысяч. Протоноизбыточные ядра являются радиоактивными и превращаются в стабильные в основном в Zрезультате Изотопы = const β+-распадов. Нейтроноизбыточные ядра также являются Изобары A=const радиоактивными и превращаются в стабильные в результате β−-распадов, с превращением нейтрона ядра в протон. Самыми тяжелыми стабильными изотопами являются изотопы свинца (Z = 82) и висмута (Z = 83). В тяжелых ядрах происходят также α-распад и спонтанное деление, которые становятся их основными каналами распада. Как устроен Мир. 30-е годы ХХ века e, p, n В середине 30-х годов XX века физическая картина мира строилась исходя из трёх элементарных частиц — электрона, протона и нейтрона. Вещество состоит из атомов и молекул, в состав атома входят электроны. Основную массу атома составляет атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Новая физика на рубеже веков Открытие атомного ядра и элементарных частиц явилось результатом изучения строения вещества в конце XIX века. Исследования электрических явлений в жидкостях и газах, оптических спектров атомов, рентгеновских лучей, фотоэффекта показали, что вещество имеет сложную структуру. В 1897 году при исследовании катодных лучей Дж. Томсоном был открыт электрон — носитель отрицательного элементарного электрического заряда. ХХ век принес много неожиданностей в физику. Именно в это время классическая физика оказалась несостоятельной в объяснении новых экспериментальных фактов. К концу XIX века преобладало мнение, что все проблемы механики, гравитации и электромагнетизма можно решить, используя уравнения Ньютона и Максвелла. Так, теория Максвелла предсказывала непрерывный спектр излучения электронов, падающих по спирали на атомное ядро. Уменьшение временных и пространственных масштабов, в которых разыгрываются физические явления, привели к «новой физике», столь непохожей на привычную традиционную классическую физику. Развитие физики в начале XX века привело к полному пересмотру классических представлений о строении материи. В основе «новой физики» лежат две фундаментальные теории: • специальная теория относительности; • квантовая теория. Теория относительности и квантовая теория являются фундаментом, на котором построено описание явлений микромира. 1905 Специальная теория относительности Эквивалентность массы и энергии. E = mc2 Albert Einstein (1879 - 1955) Законы физики должны быть одинаковы во всех инерциальных системах отсчета, движущихся относительно друг друга поступательно и равномерно. Свет распространяется в вакууме с постоянной скоростью c = 299722458 м / сек одинаковой для всех движущихся наблюдателей. Г. Галилей Г. Лоренц 1564 – 1642 1853 – 1928 x' = x - vt, y' = y, z' = z, t' = t x' = γ(x – vt), y' = y, z' = z, t' = γ(t - βx/c) v β= , c γ= 1 1 − β2 Принцип относительности Согласно принципу относительности Галилея законы механики остаются неизменными во всех инерциальных системах отсчета, движущихся с постоянной скоростью v друг относительно друга. Для того, чтобы выразить положение тела в одной из этих систем отсчета через координаты другой системы отсчета, используют преобразования Галилея. Если система x', y', z', t' движется относительно неподвижной системы x, y, z, t со скоростью v, направленной вдоль оси z, то связь между пространственными и временными координатами при переходе от одной системы к другой в механике Ньютона описывается с помощью преобразований Галилея. Расстояние является характеристикой пространства. Длительность (временной промежуток между двумя событиями) является характеристикой времени. Следовательно, скорость связывает понятия пространства и времени. Событие описывается четырьмя переменными: три определяют положение тела в пространстве, четвертая — во времени. В механике Ньютона время является абсолютной величиной, не зависящей от системы отсчета — одинаковой во всех системах отсчета. Казалось очевидным, что расстояние между двумя точками в пространстве в данный момент времени является абсолютной величиной, не зависящей от способа наблюдения. То же самое относилось и к интервалу времени между двумя событиями. Однако такой способ описания оказался непригодным для описания электромагнитных явлений. Разрешение этой проблемы привело к созданию специальной теории относительности. Математической основой специальной теории относительности является преобразование Лоренца. Полная энергия E и импульс P частицы зависят от системы отсчета. Если энергия E и импульс P измеряются в двух различных системах, движущихся друг относительно друга, то энергия и импульс будут иметь в этих системах различные значения. Однако величина E2 – p2c2 будет в обоих системах одинаковой. Она является лоренцевым инвариантом. Полная энергия E, импульс P и масса M связаны соотношением. E 2 − p2c2 = m2c4 Масса не изменяется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Пример Определить скорость частицы V, кинетическая энергия которой равна её энергии покоя. _________________ Полная энергия релятивистской частицы E = T + mc = 2 mc 2 В случае T = mc2, получаем 2mc = 2 откуда 3 V= 2 c = 0.87 c. 2 2 1- v / c 2 mc 2 2 1- v / c Пример Рассчитать время жизни мюона с кинетической энергией T > mc2 (m - масса мюона) ______________ Используя релятивистские соотношения для полной энергии Е, кинетической энергии Т и импульса Р Е2 = с2р2 + m2с4 T = E – mc2 p= Получим τ lab mv 2 2 1- v / c τ T + mc = ≈τ ⋅ 2 2 2 mc 1- v / c τ ≈ 2 ⋅ 10 c. -6 2 Зачем нужны ускорители? = p , E =c p +m c 2 2 2 2 4 Ускорители Основными источниками пробных частиц в субатомных экспериментах являются ускорители. Атомные ядра и частицы занимают очень малые области пространства, Исследование таких масштабов требует высокой разрешающей способности пучка, обеспечивающей взаимодействие пробной частицы с отдельным микрообъектом. Чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует большей энергии. Зная размеры изучаемого объекта, легко оценить энергию пробных частиц, необходимую, для его изучения. Длина волны пробных частиц зависит от её импульса и дается формулой де Бройля. h 2π с 2π ⋅ 200 М эВ ⋅ Ф м λ = ≈ ≈ p E Е (М эВ) Порог реакции Частица массы m1 налетает на покоящуюся частицу массы m2 . В результате реакции в конечном состоянии образуется n частиц с массами m1′ , …, mn′ . Законы сохранения импульса и энергии p1 = p1′ + p2′ + … + pn′ , E1 + m2 c 2 = E1′ + E2′ + … + En′ . Энергия E и импульс частицы p связаны соотношением E 2 = m2c 4 + c 2 p 2 . Величина ( ∑ Ei ) − ( c∑ pi ) = inv 2 2 является релятивистским инвариантом, т.е. одинакова во всех инерциальных системах отсчета. На пороге реакции все частицы в конечном состоянии покоятся друг относительно друга. Поэтому вычислим релятивистский инвариант в начальном состоянии в лабораторной системе координат и в конечном состоянии в системе центра инерции. ( E1 + m2 c ) − c p = (m1′ + m2′ + mn′ ) 2 c 4 = 2 2 2 2 1 ( ) 2 ∑ mi′ c 4 . Выразив импульс p1 первой частицы через её кинетическую энергию T1 , c 2 p12 = E12 − m12 c 4 , получим формулу налетающей частицы Eпорог = для T1 = E1 − m1c 2 , пороговой кинетической ( ∑ m + m + m ) ⎛⎜⎝ ∑ m ′ − m + m i 1 2 i 2m2 1 2 энергии ⎞ ⎟ ⎠ c2 . Энергия реакции Q равна изменению суммарной массы частиц Q = ( ∑ mi − m1 − m2 ) c 2 . Порог реакции 2 2 2 2 4 E =c p +m c m1 mi m2 Энергия реакции Q 2 Q = (mi -m1 -m2 )c (m i -m1 -m 2 ) (m i +m1 +m 2 ) 2 Eпорог = c 2m 2 Нерелятивистский случай ⎛ m1 ⎞ Eпорог = Q ⎜ 1+ ⎟ ⎝ m2 ⎠ Пример Рассчитайте порог реакции p+ p= p+ p+ p+ p При столкновении двух протонов p образуется антипротон p и три протона. Масса антипротона равна массе протона. (m i -m1 -m 2 ) (m i +m1 +m 2 ) 2 Eпорог = c 2m 2 Eпорог = 2m p ×6m p 2m p =6m p = 5.6GeV 1931 Нейтрино υ В. Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино для объяснения спектра электронов β-распада. n → p + e +υe − Wolfgang Pauli (1900-1958) E2 Qβ E1 Нейтрино Изучение явления β-распада поставило перед физиками серьезную проблему. Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Для того, чтобы спасти эти законы, В. Паули в 1931 г. высказал предположение, что в процессе β-распада наряду с электроном, который легко наблюдается, должна рождаться еще одна легкая частица с нулевым зарядом, нулевой массой покоя и спином s = 1/2. Поскольку нейтрино испускалось вместе с электроном в процессе β-распада, оно могло уносить недостающую энергию, импульс и момент количества движения. Для того чтобы проверить гипотезу Паули, необходимо было обнаружить нейтрино. Однако свойства нейтрино, предсказанные Паули, делали наблюдение ее чрезвычайно трудной задачей. Нейтрино должно было очень слабо взаимодействовать с веществом. Нейтрино может пролетать тысячи километров вещества без взаимодействия. Сечение взаимодействия нейтрино с энергией несколько МэВ с атомными ядрами ~10-34 см2. Экспериментальные попытки непосредственно зарегистрировать нейтрино продолжались почти двадцать лет. Лишь в 1953 году в результате очень сложного эксперимента Ф. Райнесу и К. Коэну удалось зарегистрировать антинейтрино. 1932 Позитрон + e M = 0.511 МэВ e +e → 2γ + − Наблюдение позитрона в камере Вильсона в магнитном поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона. Темная полоса, пересекающая трек - слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии, и по выходе из которого двигается с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлён сильнее Античастицы В 1928 г. П. Дираком на основе анализа релятивистского уравнения было предсказано существование позитрона Открытия античастиц 1932 – Позитрон 1955 – Антипротон 1956 – Антинейтрон 1966 – Антидейтерий 1970 – Антигелий 1998 – Антиводород Каждая частица имеет своего двойника – античастицу. Античастица обладает рядом характеристик, имеющих те же численные значения что и частица, и некоторые характеристики с противоположным знаком. Так частица и античастица имеют одинаковые массы и спины и противоположные значения зарядов. 1947 Странные частицы π + p → Λ+ K - Λ→ p+ π - K →π +π 0 + - 0 Странные частицы В течение 10 лет, последовавших за открытием пиона в 1947 г., таблица элементарных частиц начала быстро пополняться новыми элементарными частицами. За это время их было открыто свыше 30. Первыми из открытых частиц были K-мезоны или каоны, частицы с массой ~500 МэВ. Затем были обнаружены тяжелые частицы Λ и Σ. Была обнаружена странная особенность вновь открытых частиц — они рождались парами, хотя не были частицей и античастицей. По-видимому здесь была какая-то новая неизвестная закономерность. Так, например, наблюдалась реакция π − + p → Λ + K0 в которой рождались две странные частицы Λ-частица и K0-мезон. Образовавшиеся странные частицы распадались на нуклоны и пионы. Λ → p +π −, затем K0 → π + +π − Вторая особенность поведения странных частиц — большое время жизни. В результате распада образуются сильно взаимодействующие частицы нуклоны и пионы. Поэтому казалось, что время жизни странных частиц должно быть ~10-22 – 10-23 сек. На самом деле их время жизни ~10-10 сек, что характерно для слабого взаимодействия. Для того, чтобы объяснить такое поведение странных частиц М. Гелл-Манн и Нишиджима высказали предположение, что странные частицы характеризуются новым неизвестным квантовым числом, которое было названо странность. Процессы в природе характеризуются ещё одним законом сохранения. Странность сохраняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых взаимодействиях. Это позволило сразу объяснить и парное рождение странных частиц в реакции сильного взаимодействия и большое время жизни в результате распада, происходящего за счет слабого взаимодействия. 1952 Резонансы Γ⋅τ = π+p 100 МэВ - πp 10-23 c Кинетическая энергия пиона, ГэВ p + π → Δ (1232) → n + π - ++ Δ Δ+ 0 Δ Δ Σ+ Ξ 0 масса (uuu) (uud) (udd) (ddd) (uus) (dds) ширина распада 1232 МэВ 120 МэВ 1232 МэВ 120 МэВ 1232 МэВ 120 МэВ 1232 МэВ 120 МэВ 1382 МэВ 85 МэВ 1535 МэВ 9.9 МэВ 0 Резонансы. Возбужденные состояния нуклона В начале 60 - х годов была открыта группа частиц, которая получила название резонансов. Резонансы — короткоживущие возбужденные состояния адронов, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Характерное время жизни резонанса 10-22 – 10-24 с. Впервые резонансы наблюдались в сечении взаимодействия π-мезонов с нуклонами. Резонансы стали активно исследовать и открывать в связи с развитием метода водородных пузырьковых камер, в которых стало возможно непосредственно наблюдать продукты распада резонансов. Масса резонансной частицы m определяется из релятивистского инварианта, 2 2 2 2 1/ 2 mc = (E − c p ) E и p — суммарная энергия и суммарный импульс π-мезона и нуклона. Максимумы в сечении (π-N) - рассеяния интерпретируются как появление нестабильной частицы — резонанса с вполне определенными квантовыми характеристиками — массой, электрическим зарядом, спином, изоспином и др. Лептоны 1897 – Д. Томсон е- 1937 – К. Андерсон μ- 1956 – Ф. Райнес, К. Коэн νe νμ 1962 – Л. Ледерман - τ ντ 1975 – М. Перл 2000 – Лаб. Э. Ферми е(0.511МэВ) ν e (<3 эВ) μ- (106 МэВ) τ - (1770МэВ) νμ (<0.17МэВ) ντ (<18 МэВ) Как устроен Мир. 60-е годы ХХ века Лептоны e- μ- τ- νe νμ ντ Адроны Барионы Мезоны 1 3 J= , ,... 2 2 J=0,1, 2, ... Лептоны Лептоны — частицы, участвующие в слабых и электромагнитных взаимодействиях. Три семейства лептонов составляют 6 частиц: три заряженных лептона − • электрон e , − • мюон μ , − • таон τ и три нейтральные частицы — нейтрино • электронное нейтрино ν e , • мюонное нейтрино ν μ , • тау-нейтрино ν τ . Нейтрино участвуют только в слабых взаимодействиях 6 лептонов образуют 3 семейства. 1 семейство 2 семейство 3 семейство e− μ− νe νμ τ− ντ Многочисленные эксперименты с участием лептонов обнаруживают, что существует общий принцип — число лептонов в замкнутой системе остаётся постоянным. Лептонам приписывают лептонный заряд L , равный +1 для лептонов, –1 для антилептонов и 0 — для всех остальных частиц. Подобно другим законам сохранения (энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда и др.) закон сохранения лептонного заряда никогда не нарушается. Адроны Подавляющее большинство частиц, открытых начиная с 1940 г., принадлежит к семейству адронов — частиц, сильно взаимодействующих друг с другом. Например, к этому семейству принадлежат хорошо известные частицы — нейтрон и протон. Большинство адронов нестабильно. В настоящее время открыто более нескольких сотен адронов. Они различаются массой, величиной электрического заряда, спином. Общим свойством, отличающим адроны от лептонов, является то, что адроны участвуют в сильных взаимодействиях в то время, как лептоны — только в слабых и электромагнитных. При наличии такого большого количества адронов стало необходимым построение схем классификации, связывающих адроны друг с другом. Так, например, принципиально различаются два класса адронов: барионы и мезоны. Вначале их различали только по массам. Так, например, к классу мезонов принадлежат π -мезоны и K -мезоны, имеющие массу значительно меньшую, чем масса нуклона. В настоящее время открыты мезоны, имеющие массы больше массы лёгких барионов. Тем не менее, различие между барионными и мезонами сохранилось. Оказалось, что все барионы имеют сохраняющуюся величину, которой нет у мезонов. Эта величина — барионный заряд Барионы — это адроны с отличным от нуля барионным зарядом. Мезоны — адроны с нулевым барионным зарядом. Кроме того, все мезоны имеют целочисленный спин, в то время как у барионов спин полуцелый. Все эти различия наводят на мысль о том, что в отличие лептонов барионы являются составными частицами, имеющими внутреннюю структуру. 1963 Кварки George Zweig Murray Gell-Mann М. Гелл-Манн и Г. Цвейг предложили кварковую модель адронов. Барионы “конструировались” из трёх кварков, мезоны – из кварка и антикварка. P u u + π d u d Нобелевская премия по физике 1969 г. – М. Гелл-Манн. За вклад и открытия в классификации элементарных частиц и их взаимодействий Кварки В 1964 г М. Гелл – Манн и Д. Цвейг независимо предложили модель кварков - частиц из которых состоят адроны. Для того чтобы объяснить наблюдаемые свойства адронов кваркам пришлось приписать довольно необычные свойства. Кварки должны иметь дробный электрический заряд 2/3 или -1/3. Барионы “конструировались” из трех кварков, мезоны из кварка и антикварка. Все обнаруженные до 1974 г. адроны можно было описать, составляя их из кварков трех типов - u, d, s. Каждой комбинации кварков соответствовала экспериментально наблюдаемая частица. В 1974 г. были открыты частицы, в состав которых входил четвертый с – кварк. В 1977 г. был открыт b – кварк. В 1995 г. был открыт t – кварк. Все адроны состоят из комбинации этих шести кварков, и есть достаточно веские основания считать, что число кварков не должно быть больше шести. Каждый кварк имеет квантовое число – цвет, которое может принимать три значения: красный, синий и зеленый. Это чисто условные названия, отражающие тот факт, что каждый кварк характеризуется квантовым числом цвет, имеющим 3 значения. Как устроен Мир. Конец ХХ века ФЕРМИОНЫ компоненты вещества (спин = ½) Кварки (спин = ½) Лептоны (спин = ½) Аромат Масса, ГэВ/с2 Электрический заряд Аромат Прибл. масса, ГэВ/с2 Электрический заряд νe электронное нейтрино < 1× 10−8 0 u up 0,003 2/3 e электрон 0,000511 −1 d down 0,006 −1/ 3 мюонное нейтрино < 0,0002 0 c charm 1,3 2/3 мюон 0,106 −1 s strange 0,1 −1/ 3 тау-нейтрино < 0,02 0 top 175 2/3 тау 1,7771 −1 bottom 4,3 −1/ 3 νμ μ ντ τ t b БОЗОНЫ переносчики взаимодействий (спин = 1) Объединенное и электрослабое взаимодействия Сильное (цветное) взаимодействие (спин = 1) (спин = 1) Название γ фотон W− W+ Z Масса, ГэВ/с2 Электрический заряд Название Масса, ГэВ/с2 Электрический заряд 0 0 g 0 0 глюон 80,4 −1 80,4 +1 91,187 0 Стандартная модель Фундаментальными частицами стандартной модели являются 6 лептонов (e , μ , τ-, νe, νμ,ντ) и 6 кварков (u, d, c, s, t, b). Каждый из 6 типов кварков может находиться в трёх цветовых состояниях (например: красный, зеленый, синий). Кварки и лептоны являются фермионами и имеют спин –1/2. 12 фундаментальным фермионам соответствуют 12 антифермионов. Взаимодействия фундаментальных фермионов осуществляются за счет обмена переносчиками взаимодействия — фундаментальными (или калибровочными) бозонами. Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит посредством обмена квантами электромагнитного поля — фотонами или γ-квантами. Фотон электрически нейтрален. Сильное взаимодействие осуществляется за счет обмена глюонами g — электрически нейтральными безмассовыми переносчиками сильного взаимодействия. Глюоны переносят цветовой заряд. В слабом взаимодействии принимают участие все лептоны и все кварки. Переносчиками слабого взаимодействия являются массивные Wи Z-бозоны. Существуют положительные и отрицательные W+-бозоны – являющиеся античастицами по W -бозоны, отношению друг к другу. Z-бозон электрически нейтрален. Квантовая теория поля В классической физике рассматриваются два фундаментальных объекта — частицы и поля. Частицы описываются законами классической механики Ньютона. Положение частицы задается тремя координатами, изменение координат в зависимости от времени даёт полное описание движения частицы. Поля имеют бесконечно большое число величин, описывающих бесконечное число степеней свободы, которые изменяются в зависимости от времени. В отличие от частиц поля могут, складываясь, усиливать или полностью гасить друг друга (интерференция). В 1900 г., изучая испускание электромагнитных волн нагретыми телами, М. Планк показал, что описание этого явления возможно только в том случае, если излучение испускается отдельными квантами. А. Эйнштейн обобщил эту идею и показал, что это испускание квантов является свойством, присущим электромагнитному излучению. Кванты электромагнитного поля были названы фотонами. Каждый фотон имеет вполне определенную энергию E = hν и импульс p = E / c , т.е. электромагнитное излучение обнаруживает черты дискретности, которые раньше наблюдались лишь у частиц. Исторически квантовые представления были развиты впервые для электромагнитного излучения. Корпускулярно-волновое представления о кванте электромагнитного поля было затем распространено Де Бройлем на все виды материи. Взаимодействие между электрическими зарядами в квантовой теории поля описывается как испускание и поглощение зарядами квантов электромагнитного поля — фотонов. Квантовая теория поля Sin-Itiro Tomonaga (1906-1979) Julian Schwinger (1918-1994) Richard P. Feynman (1918-1988) Нобелевская премия по физике 1965 г. — С. Томонага, Ю. Швингер и Р. Фейнман За фундаментальные работы в области квантовой теории поля с далеко идущими последствиями для физики элементарных частиц. Диаграммы Фейнмана Для описания различных процессов с участием частиц используют диаграммы Фейнмана. На этих диаграммах линиям со свободными концами отвечают реальные частицы или ядра, а внутренним линиям – виртуальные частицы. Точка, в которой рождается и поглощается виртуальная частица, называется узлом диаграммы. Узлы диаграммы содержат основную информацию о процессе – типе фундаментального взаимодействия и его вероятности. Линиям виртуальных частиц сопоставляются функции распространения этих частиц, называемые пропагаторами. Пропагатор для частицы, переносящей взаимодействие и имеющей массу m , равен 1/(m c − q ) , 2 2 2 q – четырехмерный импульс частицы. Диаграммы Фейнмана 1947 Р. Фейнман предложил диаграммный метод в квантовой электродинамике. Richard Feinman (1918-1988) 1935 Х. Юкава разработал теорию ядерного взаимодействия и предсказал частицу, связывающую протоны и нейтроны в ядре. Hideki Yukava (1907 –1981) γ π Нобелевская премия по физике 1949 г. – Х. Юкава За предсказание существования мезонов на основе теоретических работ по ядерным силам Пионы – кванты ядерного поля Наличие в атомном ядре нейтронов и протонов поставило проблему изучения природы ядерных взаимодействий, связывающих эти частицы в ядре. В 1935 году Х. Юкава предсказал новую частицу — квант ядерного поля. Cогласно гипотезе Юкава взаимодействие между нуклонами возникает в результате испускания и поглощения этих частиц. Они определяют ядерное поле по аналогии с электромагнитным полем, которое возникает как следствие обмена фотонами 1 U эл ( r ) ~ r Взаимодействие между нуклонами, результате обмена квантами массы появлению потенциала U я (r ) ~ e возникающее m, приводит в к − ( mc / ) r r Принимая во внимание известные факты, что ядерные силы — короткодействующие и имеют характерный радиус действия ~1 Фм, Юкава оценил массу квантов ядерного поля ~200 МэВ. Предсказанная Юкавой частица должна была занимать по массе промежуточное значение между электроном и протоном. Она была названа мезоном от греческого слова meso — средний. В 1947 году была обнаружена частица, которую предсказал Юкава. Ее назвали π-мезоном или пионом. Существует три разновидности π-мезонов: отрицательно заряженный π−-мезон с массой ~140 МэВ, положительно заряженная античастица π+ -мезон, и нейтральный π0-мезон с массой ~135 МэВ. Взаимодействия γ g W БОЗОНЫ переносчики взаимодействий (спин = 1) Объединенное и электрослабое взаимодействия Сильное (цветное) взаимодействие (спин = 1) Масса, ГэВ/с2 (спин = 1) Название γ фотон − W W+ Z 0 Электрический заряд Название 0 g 80,4 −1 80, 4 +1 0 91,187 глюон Масса, ГэВ/с2 Электрический заряд 0 0 Взаимодействия Взаимодействие между фундаментальными фермионами (кварками и лептонами) переносят калибровочные бозоны. В таблице приведены взаимодействия, частицы участвующие в различных взаимодействиях, калибровочные бозоны — переносчики взаимодействия, радиус действия, константа взаимодействия. Взаимодействие На какие частицы действует Сильное Все цветные частицы Электромагнитное Все электрически заряженные частицы Слабое Кварки, лептоны, электрослабые калибровочные бозоны Гравитационное Все массивные частицы Калибровочные бозоны 8 глюонов, спин J = 1 , безмассовые. Фотон, спин J = 1 , безмассовый. W+ , W− , Z , спин J = 1 , m(W ± ) = 80 Гэв, m(Z ) = 91 Гэв. Гравитон, спин J = 2 , безмассовый Радиус действия Константа взаимодействия 1 Фм = 1/ mπ 1 ∞ 1/137 10−2 Фм = 1/ mW ~1/30 ∞ 10–38 Взаимодействия Сильное взаимодействие. Константа сильного взаимодействия, характеризующая интенсивность этого взаимодействия определяется взаимодействием кварков и переносчиков сильного взаимодействия — глюонов. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии называются адронами. Характерный радиус действия сил, обусловленных сильным –13 взаимодействием ~10 см. Частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия, имеют характерное время жизни ~10–20–10–23 c, что соответствует характерным ширинам резонансов Γ > 10 МэВ. Электромагнитное взаимодействие. Константа электромагнитного взаимодействия (α — постоянная тонкой структуры). Переносчик электромагнитного взаимодействия — фотон. То обстоятельство, что масса фотона равна нулю, определяет бесконечный радиус электромагнитного взаимодействия. Константа электромагнитного взаимодействия определяет вероятность испускания или поглощения фотона частицей с зарядом ± e . Характерное время распада частиц в результате электромагнитного взаимодействия > 10−18 c. Например, время жизни π 0 -мезона, распадающегося в результате электромагнитного взаимодействия, ~ 0,8 ⋅10 −16 c. α = e 2 / c = 1/137 Взаимодействия Слабое взаимодействие. Константа слабого взаимодействия Переносчиками слабого ~ 10−6 . ± взаимодействия являются промежуточные бозоны W - и Z -бозоны — массивные частицы ( m(W ± ) = 80 Гэв, m( Z ) = 91 Гэв.). Большая масса промежуточных бозонов обуславливает характерную величину радиуса слабого −16 взаимодействия ~ 10 cм. Частицы, распадающиеся в результате слабого взаимодействия имеют времена жизни > 10−12 c. Например заряженные π -мезоны, распадающегося в результате слабого взаимодействия, −8 имеют время жизни 2,6 ⋅10 c. Нейтрон — 898 с. Некоторые ядра, распадающиеся в результате слабого взаимодействия, имеют время жизни многие годы. Единственные частицы, которые участвуют только в слабых и гравитационных взаимодействиях — нейтрино. Гравитационное взаимодействие. Сила гравитационного взаимодействия определяется соотношением F =G m1m2 , r2 G = 6,67 ⋅10−11 м3кг–1с–2 — гравитационная постоянная. Радиус действия гравитационного взаимодействия бесконечен. В гравитационном взаимодействии участвуют все частицы. Сравнение гравитационного и электромагнитного взаимодействия двух протонов, находящихся на расстоянии друг от друга ~10–13 см приводит к соотношению Fграв Fэл. магн ~ 10−36 . Вопрос Укажите несколько примеров процессов, для которых существенно электромагнитное взаимодействие. Sir Isaac Newton (1642-1727) Мельчайшие частицы материи слепляются в результате сильнейшего притяжения, образуя частицы большего размера, но уже менее склонные к притяжению; многие из этих частиц могут опять слепляться, образуя ещё большие частицы с ещё меньшим притяжением друг к другу и так далее в разных последовательностях, пока эта прогрессия не закончится на самых больших частицах, от которых зависят уже и химические реакции и цвет естественных тел, и, которые образуют, наконец, тела ощутимых размеров. Если так, то в природе должны существовать посредники, помогающие частицам вещества близко слепляться друг с другом за счет сильного притяжения. Обнаружение этих посредников и есть задача экспериментальной философии. Опыт Резерфорда
