Атомное ядро

Атомное ядро
Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена
основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно,
заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят
атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько
фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров
самого атома.
• Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно
заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые
связаны между собой при помощи сильного взаимодействия.
• Протон (от др.-греч. πρῶτος — первый, основной) — относится
к барионам, имеет спин 1/2, электрический заряд +1 (в
единицах элементарного электрического заряда).
• Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет (В
скобках указана погрешность величины в единицах последней
значимой цифры, одно стандартное отклонение):
▫
▫
▫
▫
938,272 046(21) МэВ;
1,007 276 466 812(90) а. е. м.
1,672 621 777(74)·10−27 кг;
1836,152 672 1(14) массы электрона.
• Стабилен (нижнее ограничение на время жизни — 2,9·1029 лет
независимо от канала распада, 1,6·1033 лет для распада в
позитрон и нейтральный пион).
• Нейтрон (от лат. от латинского корня neutral и суффикса on)
—частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон
является фермионом и принадлежит к классу барионов.
• Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику,
за это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в
1935 году.
• Масса (примерно на 0,1378 % больше, чем масса протона):
▫
▫
▫
▫
939,565378(21) МэВ;
1,00866491600(43) а. е. м.;
1,674927351(74)·10−27 кг;
1838,6836601(16) массы электрона
• Спин: 1/2 (фермион).
• Время жизни в свободном состоянии: 880.1 ± 1.1 секунды (около
15 мин.) (период полураспада — 611 секунд).
• Магнитный момент: −1,91304272(45) ядерного магнетона
• Протон состоит из трёх кварков (один d-кварк и два uкварка).
•
Протоны, нейтроны и другие частицы, которых довольно
много, потому что можно по-разному комбинировать сорта
кварков, называются “барионы”.
• Считается надёжно установленным, что нейтрон является
связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и
двух «нижних» (d) кварков
•
Барионы (от греч. βαρύς — тяжёлый) — семейство
элементарных
частиц,
сильно
взаимодействующие
фермионы, состоящие из трёх кварков.
•
Барионы вместе с мезонами (последние состоят из двух
кварков) составляют группу элементарных частиц,
участвующих в сильном взаимодействии и называемых
адронами.
•
•
•
•
•
•
1 нанометр
- 10-6 м
1 ангстрем (1 Å) - 10-10 м.
1 пикометр
- 10-12 м
1 фемтометр - 10-15 м
1 ангстрем – 100
пикометров
1
нанометр
10
ангстрем
Стандартная
модель
Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике
элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и
сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная
модель не является теорией всего, так как не описывает тёмную
материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию.
• Под элементарными подразумевают такие частицы, которым
нельзя приписать внутренней структуры. Например, α-частица
не является элементарной, так как она состоит из двух протонов
и двух нейтронов.
• Основными
характеристиками
физических
свойств
элементарных частиц являются их масса, спин, электрический
заряд, магнитный момент частицы, время жизни частицы.
• Большинство элементарных частиц нестабильно (имеют малое
среднее время жизни), в свободном состоянии стабильны
только протон, электрон и частицы, не имеющие массы покоя
(всегда в движении) – фотон, нейтрино.
Стандартная модель состоит из следующих положений:
Всё вещество состоит из 24 фундаментальных квантовых полей
спина ½, квантами которых являются фундаментальные
частицы-фермионы, которые можно объединить в три
поколения фермионов:
▫ 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино,
мюонное нейтрино и тау-нейтрино),
▫ 6 кварков (u, d, s, c, b, t)
▫ 12 соответствующих им античастиц. Предполагается, что каждой
частице соответствует античастица.
• Фермион — частицы с полуцелым значением спина. Своё
название получили в честь физика Энрико Ферми
6 лептонов
•
•
•
•
•
•
электрон
мюон
тау-лептон
электронное нейтрино
мюонное нейтрино
тау-нейтрино
6 кварков (u, d, c, s, t, b)
•
Кварк
—
фундаментальная
частица,
обладающая
электрическим
зарядом,
кратным e/3, и не наблюдающаяся в
свободном состоянии.
•
Кварки являются точечными частицами
вплоть до масштаба примерно 0,5·10−19 м, что
примерно в 20 тысяч раз меньше размера
протона.
•
Из кварков состоят адроны, в частности,
протон и нейтрон.
•
В настоящее время известно 6 разных
«сортов» (чаще говорят — «ароматов»)
кварков.
•
Кроме того, для калибровочного описания
сильного взаимодействия постулируется, что
кварки
обладают
и
дополнительной
внутренней характеристикой, называемой
«цвет».
•
Каждому кварку соответствует антикварк с
противоположными квантовыми числами.
• Гипотеза о том, что адроны построены из специфических
субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и,
независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году.
•
Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в
одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка
для Мастера/Мюстера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является
звукоподражанием крику морских птиц. Есть другая версия (выдвинутая Р. Якобсоном), согласно которой
Джойс усвоил это слово из немецкого во время своего пребывания в Вене. В немецком слово Quark имеет
два значения: 1) творог, 2) чепуха. В немецкий же данное слово попало из западнославянских языков
(чеш. tvaroh, польск. twaróg — «творог»).
•
Гелл-Ман, читал лекцию по теории кварков в Академии наук. Во время обсуждения академик Зельдович
спросил его:
- А есть ли вообще кварки в природе?
-Who knows (кто знает?) – ответил Гелл-Ман.
-Тогда почему вы ими занимаетесь?
-Why not?
•
•
•
•
Фундаментальных взаимодействий четыре.
1. Гравитация.
Переносчик безмассовый гравитон
2. Слабые взаимодействия (радиус действия 10-18м).
Переносчик W и Z бозоны
3. Электромагнитные взаимодействия
Переносчик безмассовый фотон
4. Сильные взаимодействия (радиус действия 10-15м).
Переносчик 8 безмассовых глюонов
• Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных
взаимодействиях;
• Заряжённые лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) — в слабых
и электромагнитных;
• Нейтрино — только в слабых взаимодействиях.
Частицами-переносчиками взаимодействий являются бозоны:
• один фотон для электромагнитного взаимодействия (группа
симметрии.
• 3 тяжёлых калибровочных бозона (W+, W−, Z0) для слабого
взаимодействия;
• 8 глюонов для сильного взаимодействия;
Все знают, что птичка садится на провод, в проводе 500
киловольт, ей ничего не будет. Вот если птичка растянется и
одной лапкой возьмётся за один провод, а другой лапкой — за
другой, вот тут будет нехорошо. Почему? Потому что, сам
электрический потенциал U(x,y,z) не наблюдаем. Наблюдаема
напряжённость электрического поля E.
Напряжённость — это градиент потенциала. Иначе говоря,
скорость изменения потенциала по оси x, y, z — это и
называется градиент, и напряжённость электрического поля —
это есть изменение потенциала.
Этот принцип — что наблюдаемо не само значение
электрического потенциала, а только его изменение
в пространстве и времени — был открыт еще в ХIХ веке.
А в квантовой теории в современном виде это было
сформулировано нашим замечательным учёным В.А. Фоком
в 1926 году. Он понял, что есть такой принцип в природе,
который он назвал “градиентной инвариантностью”. В книге
Ландау и Лифшица тоже называется по Фоку “градиентная
инвариантность”.
Но сейчас, поскольку все пишут по-английски, это понятие
называется “gauge invariance”, по-русски переводится как
“калибровочная инвариантность”. “Gauge” — слово
не очень употребительное даже в английском языке, мы
переводим как калибровка, калибр, но первоначально словом
gauge обозначалось расстояние между рельсами.
Бозон (от фамилии физика Бозе) — частица с целым
значением спина. Термин был предложен физиком Полем
Дираком.
Элементарные бозоны являются квантами калибровочных
полей, при помощи которых осуществляется взаимодействие
элементарных фермионов (лептонов и кварков) в Стандартной
модели.
К таким калибровочным бозонам относят:
▫ фотон (электромагнитное взаимодействие),
▫ глюон (сильное взаимодействие)
▫ W± и Z-бозоны (слабое взаимодействие).
Кроме этого, к элементарным бозонам относят бозон Хиггса,
ответственный за механизм появления масс в электрослабой
теории и не обнаруженный до настоящего времени гравитон
(гравитационное взаимодействие).
Глюоны (англ. gluon от glue — клей) — элементарные частицы,
являющиеся причиной взаимодействия кварков, а также
косвенно ответственные за соединение протонов и нейтронов в
атомном ядре.
В отличие от единственного фотона или трёх W- и Z-бозонов,
переносящих слабое взаимодействие, в КХД существует 8
независимых типов глюонов.
Внешними параметрами стандартной модели являются:
• массы лептонов (3 параметра, нейтрино принимаются
безмассовыми) и кварков (6 параметров), интерпретируемые
как константы взаимодействия их полей с полем бозона Хиггса,
• параметры CKM-матрицы смешивания кварков — три угла
смешивания и одна комплексная фаза, нарушающая CPсимметрию — константы взаимодействия кварков с
электрослабым полем,
• два параметра поля Хиггса, которые связаны однозначно с его
вакуумным средним и массой бозона Хиггса,
• три константы взаимодействия, связанные соответственно с
калибровочными группами U(1), SU(2) и SU(3), и
характеризующие
относительные
интенсивности
электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.
В связи с тем, что обнаружены нейтринные осцилляции,
стандартная модель нуждается в расширении, которое вводит
дополнительно 3 массы нейтрино и как минимум 4 параметра
PMNS-матрицы смешивания нейтрино, аналогичные CKMматрице смешивания кварков, и, возможно, ещё 2 параметра
смешивания, если нейтрино являются майорановскими
частицами.
Также в число параметров стандартной модели иногда вводят
вакуумный угол квантовой хромодинамики.
По состоянию на конец XX века все предсказания Стандартной
модели подтверждались экспериментально, иногда с очень
высокой точностью в миллионные доли процента.
Только в 2000-е годы стали появляться результаты, в которых
предсказания Стандартной модели слегка расходятся с
экспериментом, и даже явления, крайне трудно поддающиеся
интерпретации в её рамках.
С другой стороны, очевидно, что Стандартная модель не может
являться последним словом в физике элементарных частиц,
ибо она содержит слишком много внешних параметров, а также
не включает гравитацию. Поэтому поиск отклонений от
Стандартной модели— одно из самых активных направлений
исследования в 2010-х годах
В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а
в роли носителей взаимодействия — калибровочные бозоны,
которыми эти кварки обмениваются между собой.
Теория струн основана на гипотезе, что все элементарные частицы
и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате
колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых
струн на масштабах порядка планковской длины 10−35 м
( на
20 порядков меньше диаметра протона).
Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо
основного тона, множество обертонов или гармоник.
Каждой гармонике
состояние.
соответствует
собственное
энергетическое
Совсем уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в
виде теории многомерных мембран — по сути, это те же струны, но
плоские. Как походя пошутил кто-то из ее авторов, мембраны
отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается от
вермишели.