Фундаментальное взаимодействия. Элементарные частицы, их классификация, методы решения. Законы сохранения в физике элементарных частиц.

 

В настоящее время различают 4 типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие свойственно частицам, называемым адронами, к числу которых принадлежат в частности протон p и нейтрон n. Наиболее известное его проявление – ядерные силы.

В электромагнитном взаимодействии непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны.Одно из его проявлений – кулоновские силы.

Слабое взаимодействие присуще всем частицам кроме фотонов. Наиболее известное его проявление – бета-превращения атомных ядер.

Гравитационное взаимодействие свойственно всем телам Вселенной и, проявляясь в виде сил всемирного тяготения.

Все элементарные частицы разделяются на 3 группы: фотоны, лептоны и адроны.

Зарядовая независимость в сильных взаимодействиях позволяет близкие по массе частицы рассматривать как различные зарядовые состояния одной и той же частицы. Подобные группы “похожих” элементарных частиц, одинаковым образом участвующих в сильном взаимодействии, имеющие близкие массы и отличающиеся зарядами, называют изотопическими мультиплетами. Каждый изотопический мультиплет характеризуется изотопическим спином(изоспином) I, определяющим число частиц в изотопическом мультиплете n=2I+1. Изоспин нуклона I=½, пиона I=1 и т.д.

Элементарным частицам приписывают ещё одну квантово-механическую величину – чётность Р – квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции элементарной частицы или системы частиц относительно зеркального отражения. Если при зеркальном отражении волновая ф-я не меняет знака, то Р= +1, если меняет знак, то Р= -1. Из квантовой механики вытекает закон сохранения чётности, согласно которому при всех превращениях, претерпеваемых системой частиц, чётность состояния не изменяется.

В результате исследования особенностей поведения гиперонов и К-мезонов было открыто квантовое число – странность S, которая сохраняется в процессах сильного и электромагнитного взаимодействий.

К группе фотонов относится единственная частица – фотон.

К группе лептонов относятся электрон, мюон, таон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы. Все лептоны имеют спин, равный ½,и, следовательно, являются фермионами, подчиняющимися статистике Ферми-Дирака. Поскольку лептоны в сильных взаимодействиях не участвуют, изотопический спин им не приписывается. Странность лептонов равна нулю.

Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К ним относятся пионы, каоны, нуклоны, гипероны, -мезоны а также их античастицы. Адроны разделяются на подгруппы барионов (нуклоны и гипероны) и мезонов (пионы, каоны, -мезон). Для барионов спин равен ½, а странность различна для различных частиц этой группы. Мезоны имеют спин, равный нулю. У каонов S=+1, а пионы и -мезоны имеют нулевую странность.

Для процессов взаимопревращаемости элементарных частиц, обусловленных сильными взаимодействиями, выполняются все законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, зарядов, изоспина, странности и чётности). В процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями, не сохраняются только изоспин, странность и чётность.

Также высказана гипотеза о существовании более фундаментальных частиц, которые служат базисом для всех адронов – кварков. Кварковая модель позволила определить почти все квантовые числа адронов.

 

Методы изучения элементарных частиц.

На заре развития физики элементарных частиц единственным источником получения экспериментальных данных в этой сфере было исследование космического излучения. После появления ускорителей элементарных частиц космическое излучение утратило свою исключительность, но и сейчас оно даёт возможность изучать процессы с частицами сверхвысоких энергий вплоть до 10²¹ Эв, которые до сих пор невозможно получить искусственно.

Космическое излучение.

В результате многочисленных экспериментов установленно что осмические лучи приходят на поверхность со всех сторон, причём не удалось обнаружить на небесной сфере какую-либо точку, или ибласть, из которой приходило бы больше космических лучей, чем из других, т.е. невозможно указать во Вселенное место, которое можно было бы назвать источником космических лучей.Для измерения интенсивности излучения стали применять счётчики Гейгера. Количество разрядов возникающих в счётчике Гейера в секунду, принималось за меру интенсивности космических лучей. Иными словами, в этом случае в качестве интенсивности комического излучения принималась плотность потока частиц.Важное значение для выяснения природы космического излучения имело изучение изменения их интенсивности с высотой и их поглощения в различных средах. Измерение интенсивности космических лучей на различных высотах производилось путём поднятия измерительной апаратуры на самолётах, стратостатах, специальными шарами – зондами.

Интенсивность космического излучения (плотность потока частиц) сравнительно быстро растёт примерно до высоты 10 км над уровнем моря, а затем темп роста замедляется на высоте 22 км интенсивность достигает максимального значения. При подъёме на большие высоты 60 км, интенсивность космических лучей остаётся постоянной. Сопоставление данных о поглощении космических лучей в воде, железе и свинце показало, что все вещества позлащают космические лучиодинаково, если только толщина поглощающих слоёв взята такой, чтобы вес столба вещества, стоящего на пути космических лучей, был одним и тем же. Это значит, что слой воды толщиной в 1м поглощает космические лучи так же, как слой железа толщиной 12,8 см или как слой свинца толщиной 8,7 см. Космические лучи обладают огромной проникающей способностью. Космическое излучение у поверхности Земли состоит в основном из заряженных частиц. Заряженные частицы могут пройти через большие толщины (4,1 см) такого вещества, как золото, только в том случае, если они обладают огромной энергией. В составе космического излучения имеются электроны с больщой энергией. Энергия некоторых из них привосходит миллиард электронвольт.

Ядерный магн. резонанс.

Эффект Мессбауэра.

Все возбуждённые энергетические уровни ядра имеют значения энергия, определяемой из соотношения неопределенностей: ,где -время жизни ядра в возбужденном состоянии. Только для основного состояния стабильного ядра = и =0. Конечное время жизни возбужденных энергетических состояний ядра приводит к немонохрамотичности -излучения, сопровождающего переход ядра из возбужденного в нормальное состояния. Эта немонохроматичность наз. естественной шириной линии -излучения. Резонансным поглощением -излучения ядром наз. поглощение ядром -фотонов такой частоты, что энергия фотона равна разности энергий одного из возбужденных и основного энергетических состояний ядра. В актах излучения учитывается отдача ядра. При переходе ядра из возбужденного состояния с энергией W в основное -фотон приобретает энергию. , где -энергия отдачи ядра. При возбуждения ядра и переходе его из основного состояния с энергией W -фотон должен обладать энергией . Частоты в max. линий излучения.. и сдвинуты относительно друг друга. - = h = 2

M_я- масса ядра. P_f- импульс фотона. Явление резонансного излучения (поглощения) -излучения без отдачи наз. эффектом Мессбауэра. Эффект М. используют:1)для точных измерений энергетических уровней атомных ядер.

2) для проверки вывода о смещении частоты спектральных линий в гравитационном поле. -потенциалы гравитационного поля.

3)эффект М. обнаружил гравитационное смещение частоты -фотона при двежении его в поле тяготения Земли.