Лекция 12. Элементарные частицы и современная физическая картина мира

При введении понятия элементарных частиц первоначально предполагалось, что есть первичные, далее неделимые частицы, из которых состоит вся материя. Таковыми вплоть до начала 20 века считались атомы (слово “атом” в переводе с греческого означает “неделимый”). После того как была установлена сложная структура атомов, они перестали считаться элементарными частицами в указанном смысле слова. Такая же судьба постигла ядро, а затем протон и нейтрон, у которых была установлена внутренняя структура. Открывались новые и новые объекты (мюоны, пионы, нейтрино и др.), которые могли претендовать на роль элементарных частиц. Для большинства из них эти претензии были отклонены очень быстро. Но и в настоящее время мы с достоверностью не знаем, какие частицы являются действительно элементарными и есть ли всеобще элементарные частицы в первоначальном смысле этого слова.

Элементарными частицами сейчас условно называют большую группу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протонов – ядер атома водорода). Общее, что роднит все элементарные частицы, состоит в том, что все они являются специфическими формами материи, не ассоциированной в атомы и атомные ядра.

Взаимопревращаемость частиц

Характерной особенностью элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц, и число их продолжает расти. Большинство элементарных частиц нестабильно – они спонтанно превращаются в другие частицы. В предыдущей лекции были рассмотрены превращения нейтронов и протонов. Для того чтобы объяснять свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделять кроме массы m, электрического заряда q, спина (собственного момента импульса) L_S, магнитного момента P_m и времени жизни t рядом дополнительных характерных для них величин (квантовых чисел): странность s, очарование c (его называют также шарм или чарм, от английского слова charm), красота b (в переводе с английского beauty), истинность t (от английского truth) и др.

Среднее время жизни t частицы в свободном состоянии меняется в широких пределах: от 10^-24 с до бесконечности.

Классификация элементарных частиц

Все частицы (в том числе и неэлементарные и квазичастицы) разделяются на бозоны и фермионы(об этом упоминалось уже в лекции 7).

Бозонами называются частицы или квазицастицы, обладающие нулевым или целочисленным спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся: гипотетический гравитон (спин=2), фотон(спин=1), промежуточные векторные бозоны (спин=1), глюоны (спин=1), мезоны и мезонные резонансы, а также античастицы всех перечисленные частиц.

Частицы или квазичастицы с полуцелым спином называются фермионами. Для них справедлив принцип Паули и они подчиняются статистике Ферми-Дирака. К фермионам относятся: лептоны (в число которых входят электроны), все барионы (в число которых входят и протоны, и нейтроны) и барионные резонансы, а также соответствующие античастицы. Для всех их спин равен ½.

По времени жизни t различают абсолютно стабильные, квазистабильные и резонансные частицы. Последние для краткости называют просто резонансами. Резонансными называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия, с временем жизни 10^-23 с. Квазистабильные частицы (иногда их называют стабильные), время жизни которых превышает 10^-20 с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. Время 10^-20 с, ничтожное в обыденных масштабах, считается большим, если его сравнивать с ядерным временем – временем, которое требуется свету на прохождение диаметра ядра (»10^-15 м),»10^-23 с. Абсолютно стабильными частицами являются, по-видимому, только фотон g, электрон е, протон р (в последнее время возникли сомнения в стабильности протона), электронное нейтрино n_е, мюонное n_m и таонное n_t нейтрино и их античастицы – распад их на опыте не зарегистрирован.

Классификация частиц приводится в учебниках и с нею любознательный студент может ознакомиться самостоятельно.

Античастицы

В микромире каждой частице соответствует античастица.

Например первая античастица – позитрон (антиэлектрон) была обнаружена в 1935 г., его заряд равен + е. В вакууме позитрон столь же стабилен, что и электрон. Однако при встрече электрона с позитроном эти частицы аннигилируют, т.е. превращаются в два, три или несколько g -квантов(но не в один, т.к. в этом случае нарушился бы закон сохранения импульса). Существует обратный процесс: g -квант может породить пару электрон-позитрон, но только в присутствии третьего тела, например атомного ядра.

В 1955 г. были открыты антипротоны. Антипротоны отличается от протона р знаком электрического заряда и собственного магнитного момента. Антипротон может аннигилировать не только с протоном, но и нейтроном.

В 1956 г. были обнаружены антинейтроны. Антинейтрон отличается от нейтрона n знаком собственного магнитного момента. Он аннигилирует при встрече с нуклоном(нейтроном и протоном). Можно было бы и дальше перечислять античастицы.

Заметим, что существуют частицы, тождественные со своими античастицами, т.е. они не имеют античастиц. Такие частицы называют абсолютно нейтральными, например фотон, p ⁰-мезон и h -мезон.

Кварки

В 1964 г. Гелл-Манн и независимо от него Цвейг выдвинули гипотезу, подтвержденную дальнейшими исследованиями, что все элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии (их относят к классу адронов) построены из трех более фундаментальных частиц, которые по предположению Гелл-Манна были названы кварками (Цвейг их назвал тузами). Три сорта кварков были обозначены буквами u (от англ. up – вверх), d (от англ. down – вниз), s(от англ. strange – странный). Предполагается, что кварки имеют дробный электрический заряд, равный е/3, т.е. меньше заряда е, который раньше считался элементарным (минимальным). Позднее были установлены еще три кварка: очарованный с, красивый или прелестный b и истинный t кварк. Этим 6 кваркам соответствует 6 антикварков.

В заключение отметим, что за последние 25-30 лет в физике элементарных частиц произошли революционные открытия, которые приближают к созданию теории Великого объединения – теории, которая объединит 4 типа взаимодействия (сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное) в одно взаимодействие с единой природой всех сил. В настоящее время уже создана теория, в которой электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в единое электрослабое взаимодействие. Создание теории Великого объединения является главной проблемой современной физики.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ ПО ФИЗИКЕ, ЧАСТЬ IV

 

1. Основные положения молекулярно-кинетической теории (1.1).

2. Уравнение состояния идеального газа (1.2).

3. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа (1.3).

4. Молекулярно-кинетическое толкование термодинамической температуры. Средняя квадратичная скорость (1.4).

5. Барометрическая формула. Распределение Больцмана (1.5).

6. Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа по скоростям (1.6, 1.6.1).

7. Вероятная, средняя арифметическая и средняя квадратичная скорости (1.6.1, 1.4).

8. распределение молекул по кинетическим энергиям. Распределение Максвелла-Больцмана (1.6.1, 1.7).

9. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул (1.8).

10. Явление переноса. Диффузия (3, 3.1).

11. Явление переноса. Теплопроводность (3, 3.2).

12. Явление переноса. Внутреннее трение (вязкость) (3, 3.2).

13. Физические основы термодинамики. Термодинамические системы. Равновесные состояния и равновесные процессы (4.1).

14. Внутренняя энергия идеального газа. Число степеней сводобы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы (4.2).

15. Работа и теплота. Первое начало термодинамики (4.3, 4.4).

16. Работа газа при изменении его объема. Теплоемкость (4.5, 4.6).

17. Применение ПНТ к изохорическому и изобарическому процессам (4.7.1, 4.7.2).

18. Применение ПНТ к изотермическому и адиабатическому процессам (4.7.3, 4.7.4).

19. Круговые процессы (циклы) (4.8).

20. Цикл Карно (4.9).

21. Энтропия в термодинамике (4.10.1).

22. Энтропия с кинетической точки зрения. Третье начало термодинамики (4.10.2).

23. Энтропия в равновесной статистической физике. Второе начало термодинамики (4.10.3, 4.11).

24. Силы и потенциальная энергия межмолекулярных взаимодействий (6.1).

25. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса (6.2).

26. Изотермы Ван-дер-Ваальса (6.3).

27. Фазы и фазовые переходы (6.4).

28. Фазовые диаграммы. Тройная точка (6.5).

29. Кристаллическая решетка. Виды связей между частицами решетки (7.1).

30. Элементы квантовой статистики (7.2).

31. Фермионы, распределение Ферми-Дирака (7.3, 7.3.1).

32. Бозоны, распределение Бозе-Эйнштейна (7.3, 7.3.2).

33. Понятие о вырождении системы частиц (7.4).

34. Классическая теория теплоемкости кристаллов. Закон Дюлонга и Пти (8.1).

35. Понятие о квантовой теории теплоемкости Эйнштейна и Дебая (8.2).

36. Теплоемкость электронного газа в металлах (8.3).

37. Классическая электронная теория электропроводности металлов (9.1).

38. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов (9.2).

39. Элементы зонной теории кристаллов (9.3).

40. Деление кристаллов на диэлектрики, металлы и полупроводники (9.4).

41. Собственная проводимость полупроводников (9.5).

42. Примесные полупроводники (9.6.1, 9.6.2).

43. p-n-переход (9.7).

44. Понятие о сверхпроводимости (9.8).

45. Строение атомных ядер (11.1).

46. Дефект массы и энергия связи ядра (11.2).

47. Ядерные силы и их свойства (11.3).

48. Радиоактивность (11.4).

49. Закон радиоактивного распада (11.5).

50. Ядерные реакции (11.6).

51. Элементарные частицы, взаимопревращаемость частиц (12, 12.1).

52. Классификация элементарных частиц (12.2).

53. Античастицы (12.3).

54. Кварки. Проблемы современной физики (12.4).

 

При написании конспекта лекций использовались известные учебники по физике, изданные в период с 1923 г. (Хвольсон О.Д. «Курс физики») до наших дней (Детлаф А.А., Яворский Б.М., Савельев И.В., Сивухин Д.В., Трофимова Т.И., Суханов А.Д., и др.)

[SK1]

[SK2]