Классификация элементарных частиц кратко

Бозоны и фермионы

В квантовой механике доказывается, что вид волновой функции системы тождественных частиц, ее симметричность или антисимметричность, зависит от величины проекции спинов ($L_{sz}$) рассматриваемых частиц на направление внешнего магнитного поля и не может изменяться при любых внешних воздействиях на эту систему.

Частицы, имеющие $L_{sz}$ равную нечетному числу $\pm \frac{\hbar }{2}$ называют фермионами (частицами с полуцелым спином). Классическим примером фермиона является электрон.

Частицы, у которых $L_{sz}$ равна нулю или четному числу $\pm \frac{\hbar }{2}$ носят название фермионов или частиц с целым спином. Бозоном является, например, фотон.

Особенности бозонов

Совокупности тождественных бозонов описывают, используя симметричную волновую функцию ($?$), которая подчиняется квантовой статистике Бозе — Эйнштейна.

Любое число бозонов может находиться в одном состоянии.

Среди бозонов выделяют элементарные и составные.

Элементарными бозонами являются кванты калибровочных полей. При помощи этих квантов элементарные фермионы (лептоны и кварки) реализуют свои взаимодействия, если рассматривать стандартную модель. Элементарными бозонами считают фотоны, при помощи которых осуществляется электромагнитное взаимодействие. Примером элементарных бозонов являются глюоны, которые реализуют сильное взаимодействие. W и Z бозоны, отвечают за слабое взаимодействие. И так, элементарные бозоны переносят взаимодействие.

Элементарными бозонами на сегодняшний момент являются: 4 калибровочных бозона (фотон, $W^{\pm }$ и Z бозоны), 8 глюонов.

Кроме W бозона все элементарные бозоны не имеют заряда. $W^+$ и $W^-$ бозоны — это античастицы. Спины фотона, глюона, $W^+$ и $W^-$ бозонов, Z — бозона равны единице. Гравитон обладает спином равным двум, бозон Хиггса несет нулевой спин.

К составным бозонам относят множество двухкварковых мезонов. Спин мезонов равен целому числу, и оно не имеет ограничения. Ядра атомов, которые обладают нечетным количеством нуклонов, так же являются бозонами.

Особенности фермионов (ферми-частиц)

Примерами фермионов являются: электроны, мюоны, нейтрино, протоны, кварки и др. Принцип Паули открывает особенности в поведении этих частиц. Этот принцип говорит о том, что система тождественных фермионов не имеет двух частиц, находящихся в одном состоянии. Это запрет Паули.

Принцип Паули реализуется для отдельных не взаимодействующих фермионов. Запрет Паули применялся для обоснования периодической системы Менделеева.

Поведение фермионов подчиняется статистике Ферми — Дирака. В квантовой механике фундаментальные фермионы — это источники взаимодействия.

Фундаментальными фермионами называют 6 типов лептонов и 6 типов кварков.

Фундаментальные бозоны в совокупности с фермионами и античастицами образуют структуру остальных элементарных частиц и систему их взаимодействия.

Связь между математической моделью, которую необходимо применять для описания поведения элементарных частиц и четностью или нечетностью спина была эмпирически получена в 1940 г. Паули обосновал данную связь, исходя из принципов квантовой механики, применяя положения о релятивистских инвариантностях, неотрицательность полной энергии, принцип причинности и т.п. Взаимосвязь применяемых математических моделей и спина реализуется и при описании сложных частиц, например, таких как ядра атомов, поскольку при малых энергиях сложная частица ведет себя как единое целое.

Волновая функция системы частиц является или симметричной, или антисимметричной в отношении перестановки частиц местами. Симметричная волновая функция описывает поведение бозонов, антисимметричная характеризует поведение фермионов. Можно сделать вывод о том, что спин является важнейшей характеристикой, описывающей свойства симметрии частиц. Напомним, что бозоны описывает симметричные $?$ — функции. Состояние фермионов характеризуют антисимметричные волновые функции.

Получается, что различия в свойствах систем из фермионов и бозонов — это не результат взаимодействия частиц, а проявление свойства симметрии волновой функции.

Сложные частицы (к примеру, ядра атомов), содержащие нечетное число фермионов являются фермионами. Поскольку их результирующий спин полуцелое число. Сложные частицы, состоящие из четного числа фермионов — это бозоны, суммарный спин их целое число.

Примеры задач на бозоны и фермионы

Пример 1

Задание. Почему такое значение имеет то, что электрон относится к фермионам?

Решение. Одно из принципиальных отличий между бозонами и фермионами состоит в том, что бозоны могут «накладываться» друг на друга. Это перекрытие происходит в дискретных энергосостояниях. Данные состояния можно представить как отдельные ячейки, в которых размещаются элементарные частицы. В такой «ячейке» можно разместить много бозонов, но только один электрон.

Электрон — это ферми-частица, что означает, что в каждой ячейке может находиться только один электрон. И это важно, так как все химические свойства вещества определены взаимодействием между атомами. Если исследовать Периодическую систему Д.И. Менделеева и передвигаться от одного атома к другому в соответствии с ростом количества протонов внутри ядра и электронов на оболочках атома, электроны будут занимать первую орбиталь (два электрона), вторую займут следующие восемь и т.д. Последовательное изменение атомной структуры элементов обуславливает химические закономерности свойств веществ. Если электроны вели бы себя как бозоны, то все электроны, вероятнее всего, заняли бы одну орбиталь, которая соответствовала минимальной энергии. При этом свойства всех веществ Вселенной были бы иными.

Пример 2

Задание. К какому виду частиц (бозонам или фермионам) можно отнести $\alpha $ — частицы?

Решение. $\alpha $ — частица — это ядро атома гелия — ${}^4_2{He}$. В ее составе имеются два протона, так как заряд $\alpha $ — частицы равен двум, и два нейтрона, так как атомная масса равна 4. Всего в ядре атома гелия четыре фермиона, протоны и нейтроны — это фермионы. Спин каждого этого фермиона равен $+\frac{1}{2}$. Фермионов четное число, следовательно, спин $\alpha $- частицы является целым числом равным 2. Ядро атома гелия — бозон.

Ответ. $\alpha $ — частицы являются бозонами.

Читать дальше: вектор Пойнтинга стоячей волны.

Свойства элементарных частиц многообразны. Так, каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (например, фотон). Каждая элементарная частица характеризуется собственным набором значений определенных физических величин. К таким величинам относятся: масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Общие характеристики всех частиц: масса, время жизни, спин. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из полученных в ускорителях элементарных частиц (Z-бозон) обладает массой, в 200 000 раз большей массы электрона.

Важная характеристика частицы — спин — собственный момент импульса частицы. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0,3/2,2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 (гипотетический гравитон) принимает прежнее положение через пол-оборота (180°). В зависимости от спина все частицы делятся на две группы: бозоны — частицы с целыми спинами 0, 1 и 2; фермионы — частицы с полуцелыми спинами (1/2, 3/2). Частицы со спином более 2, возможно, вообще не существуют.

Частицы характеризуются и временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10-24 с. Самые нестабильные частицы резонансы. Время их жизни 10-22—10-24 с.

Свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие преимущественно в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы — переносчики взаимодействий.

Лептоны ведут себя как точечные объекты, не обнаруживая внутренней структуры даже при сверхвысоких энергиях. Они, по-видимому, являются элементарными (в собственном смысле этого слова) объектами, т.е. они не состоят из каких-то других частиц. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон — носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда (не считая кварков) в природе. Другой хорошо известный лептон — нейтрино. Нейтрино наряду с фотонами являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино — это некие «призраки» физического мира. Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Мюон — одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Во всех отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. Проникая в вещество, мюоны взаимодействуют с ядрами и электронами атомов и образуют необычные соединения. В конце 1970-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название тау-лептон. Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону. Значительно расширился список лептонов в 1960-х гг. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и may-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов – шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно 12. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные – в слабом и электромагнитном (см. таблицу).

Адроны. Если лептонов всего 12, то адронов насчитываются сотни. Подавляющее большинство из них – резонансы, т.е. крайне нестабильные частицы. Тот факт, что адронов существует сотни, наводит на мысль, что адроны сами построены из более мелких частиц.

Все адроны встречаются в двух разновидностях – электрически заряженные и нейтральные. Наиболее известны и широко распространены такие адроны, как нейтрон и протон. Остальные адроны быстро распадаются. Адроны подразделяются на два класса. Это – класс барионов (тяжелые частицы) (протон, нейтрон, гипероны и барионные резонансы) и большое семейство более легких мезонов (мюоны, бозонные резонансы и др.). Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 1950-1960-х гг. крайне озадачило физиков. Но со временем частицы удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в целостной научной теории. Решающий шаг был сделан в 1963 г., когда была предложена кварковая модель адронов.

Частицы — переносчики взаимодействий. Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон. Глюоны (их всего восемь) — переносчики сильного взаимодействия между кварками. Последние благодаря глюонам связываются парами или тройками Переносчиками слабого взаимодействия являются три частицы — W± и Z° -бозоны. Они были открыты лишь в 1983 г. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должно быть чрезвычайно коротким — всего лишь около 10-26 с. Высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля — гравитона. Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света; следовательно, это частицы с нулевой массой покоя. Но в то время как фотон имеет спин 1, спин гравитона равен 2.

Классификация частиц на адроны, лептоны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субъядерных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи, Вселенной.

Сначала открыли электрон, затем фотон. Резерфорд открыл протоны. 1932 – нейтрон, 1939 – позитрон. Затем глюоны и мезоны.

Классификация элементарных частиц.

350 видов частиц – можно различать по массе (не имеющие массы покоя и имеющие)

Среди имеющих массу:

1. Лептоны – легкие — электроны

2. Мезоны – средние — короткоживущие

3. Барионы – тяжелые – нейтроны, протоны

Частицы различаются временем жизни:

1. стабильные (не распадаются)

2. квазистабильные

3. нестабильные – распадаются мгновенно

Группы частиц:

1. Адроны. Участвуют во всех видах взаимодействий

2. Фотоны. Участвуют только в ЭМ взаимодействиях

3. Лептоны. Участвуют во всех взаимодействиях, кроме сильных (внутриядерных)

4. Гравитоны – кванты гравитационного поля (еще не открыты).

Группы частиц:

1. Истинно элементарные. На данном этапе развития науки неразложимы. Кварки, фотоны, гравитоны, частицы Хигса

2. Разложимые. Барионы, мезоны

Спин – момент количества движения – численное выражение количества степеней свободы. Есть частицы с целочисленным значением спина (1,2,3), есть с полуцелым (1/2, 3/2). Фермионы (Э. Ферми) – частицы с полуцелым спином. Базоны – частицы с целочисленным спином.

Запрет Паули. Суть: 2 частицы с полуцелым спином могут находиться вместе только при условии, что их физически характеристики неодинаковы.

Ш. Бозе. Настоящие элементарные частицы не обнаруживают внутренней структуры. Настоящие:

1. Лептоны

2. Кварки

3. Базоны

6 видов лептонов (частица + античастица):

Электрон, меон, тац-лептон (частицы)

Нейтрино, 3 вида (античастицы)

Спин лептона = ½. Нейтрино – призраки физического мира.

Истинно элементарные частицы – кварки. (М. Гелл-Манн, Д. Цвейг). Задача – объяснить взаимодействие между адронами (сильное). Построение математических моделей à адроны состоят из отдельных частиц под названием кварки. Т.е. адроны построены из кварков.

Сильное взаимодействие – в ядрах атомов. Предположение – кварки имеют спин ½. Кварки характеризуются наличием электрического заряда (1/2 или 2/3 заряда электрона). Кварк+антикварк = адрон

Эксперименты по поиску кварков оказались безуспешными. Предположение – дробный заряд в природе отдельно не существует – только в сочетании до целого. Электроны при эксперименте отскакивали от протонов под разными углами, демонстрируя, что протоны таки состоят из разных части.

Доказало Существование кварков и то, что отдельно они в природе не существуют. Каждый типа кварков был назван ароматом (U, D, S – верхний, нижний, странный). Позже – еще 3 кварка (C, B, T – очарование, красота, правда). Протон состоит из кварка и антикварка. Объяснение сущности барионов (udd-кварки – протон, uud – нейтрон).

Отдельный тип частиц – из антикварков. Антивещество- антипротон, антиэлектрон. Еще из кварков составляются частицы резонанса – они неустойчивы и быстро распадаются.

Допущение о существовании некого клея – частицы, связывающей кварки (глюон). Объяснен феномен стабильности ядра атома

70-е гг. Новые адроны – пси-частицы, новые мезоны – У-мезоны. +3 новых кварка (c, b, t). Теперь их 9.

Квантовая хромодинамика – современная теория сильного взаимодействия.

Квантовая электродинамика – теория ЭМ взаимодействия.

Когда число открытых частиц приблизилось к 400, встал вопрос: как еще можно различать кварки. Каждый кварк сейчас различается не только ароматом, но и цветом. 6 ароматов, каждый из которых разделяется на 3 цвета (красный, зеленый и синий). Наиболее вероятное число истинно элементарных частиц – 48. 12 лептонов и 36 кварков (не считая переносчиков взаимодействия).

Вывод:

o Есть тяжелые сильно взаимодействующие частицы

o Они состоят из 48 кварков

o Кварки различаются по 6 ароматам и 3 цветам

Частица-переносчик ЭМ взаимодействия – фотон (его спин=1).

Несколько переносчиков слабого взаимодействия:

o Базоны (W, Z, X)/ 1938 – открыты. Имеют большую массу, живут очень короткое время (10-26 секунды).

Гравитационное взаимодействие. Если применима концепция близкодействия, то должна быть частица – гравитон с нулевой массой покоя, скоростью света, спин=2. Объяснение феномена гравитации.

Дата публикования: 2015-01-24; Прочитано: 589 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.004 с)…

Элементарные частицы и их классификация. Понятие о кварках

Элементарной называется частица, которая на современном уровне развития науки не обнаруживает внутреннего строения, а ее размеры недоступны измерению. Фундаментальным свойством всех элементарных частиц является их способность к взаимному превращению. Элементарные частицы принято классифицировать по тому типу взаимодействия, в которое они вступают и по значению их собственного момента импульса (спина).

По типу характерных для частиц взаимодействий они делятся на четыре класса.

1 Фотоны – кванты электромагнитного поля, участвуют в электромагнитном взаимодействии, но не обладают сильным и слабым.

2 Лептоны – частицы, не обладающие сильным взаимодействием (электрон, позитрон, мюон, нейтрино, антинейтрино и др.). Все лептоны участвуют в слабом взаимодействии, заряженные лептоны участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

3Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, участвуют также в слабом и электромагнитном взаимодействии (p-мезон, К-мезон и др.)

4 Барионы – частицы, обладающие сильным взаимодействием (протон, нейтрон, все гипероны). Заряженные барионы участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами.

По значению собственного момента импульса (спина) элементарные частицы делятся на два класса:

1 Фермионы – частицы с полуцелым спином, описывающиеся антисимметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Ферми–Дирака (электрон, протон, нейтрон и др.).

2 Бозоны – частицы с нулевым или целочисленным спином, описывающиеся симметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Бозе–Эйнштейна (p-мезон, фотон).

Все лептоны и барионы являются фермионами, а мезоны и фотон – бозонами. Для фермионов справедлив принцип Паули, согласно которому в системе тождественных фермионов не может быть двух частиц, обладающих одинаковым набором квантовых чисел. Ранее мы сформулировали этот принцип для электронов в атоме и объяснили с его помощью заполнение электронных оболочек атомов (Периодическая система элементов Д.И. Менделеева). Однако принцип Паули имеет более широкую область применения, ему подчиняется поведение любых коллективов тождественных фермионов (атомное ядро, электронный газ в металлах и т.д.). Для коллектива бозонов принципа запрета Паули нет.

Все переносчики взаимодействий являются бозонами, а кварки и лептоны – фермионами. В связи с этим бозоны принято ассоциировать с взаимодействием, а фермионы – с веществом. Суперсимметрия объединяет фермионы и бозоны в рамках одной теории и говорит о возможности превращения бозонов и фермионов друг в друга.

Использование термина “элементарные” становится неоправданным, когда мы говорим о почти 400 частицах и античастицах, открытых к настоящему времени. Развитие работ по классификации частиц все время сопровождалось поисками новых более фундаментальных частиц, из которых построены все адроны (барионы и мезоны). В 1964 г. независимо друг от друга Дж. Цвейг и Гелл-Манн высказали гипотезу о существовании т.н. кварков. Согласно теории Цвейга–Гелл-Манна все известные к тому времени адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков: u (от англ. “up”, т.е. “вверх”), d (down – вниз) и s (strange – странный или sideways – боковой) и соответствующих им антикварков. Кварки обладают дробным электрическим зарядом, полуцелым спином (т.е.

Элементарная частица

являются фермионами) и рядом других характеристик. Мезоны состоят из пары кварк–антикварк, барионы из трех кварков (например, протон имеет кварковую структуру uud). Кварки существуют только внутри адронов и не наблюдаются как изолированные объекты.

Увеличение числа элементарных частиц привело к необходимости расширения системы кварков. Пришлось постулировать существование еще трех кварков: с (charmed – очарованный), b (bottom – нижний или beauty – прелестный) и t (truth – истинный).

Реальное существование кварков подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, характер рассеяния быстрых электронов протонами свидетельствует о наличии внутри протона трех точечных рассеивающих центров с дробным электрическим зарядом, что полностью соответствует трехкварковой модели протона.

Все попытки наблюдать кварки как изолированные объекты оказались безуспешными, они в принципе не могут существовать в свободном состоянии. Применительно к кваркам даже существует термин конфайнмент (от английского confinement, что означает “тюремное заключение”). Причиной конфайнмента является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом. При малых расстояниях эти силы малы, однако с увеличением расстояния силы взаимодействия между кварками очень быстро растут, не позволяя кваркам вылететь из адрона.

В наши дни принята Стандартная модель, по которой всё вещество состоит из 24 частиц-фермионов: 6 лептонов, 6 кварков и 12 античастиц. Частицами-переносчиками взаимодействий являются 8 глюонов, 3 тяжёлых бозона, один фотон. Теоретически предсказано существование бозона Хиггса, отвечающего за массу.

Контрольные вопросы

1 Как развивались представления о строении атома?

2 Сформулируйте постулаты Бора.

3 Каковы основные результаты решения уравнения Шредингера для атома водорода?

4 Какие физические величины, характеризующие состояние электрона в атоме, оказываются дискретными?

5 Какие квантовые числа Вы знаете? Что они характеризуют?

6 Когда атом поглощает или излучает энергию? Запишите закон сохранения энергии для элементарного акта излучения или поглощения.

7 Какие частицы называются в квантовой теории тождественными? В чем заключается принцип неразличимости тождественных частиц?

8 Сформулируйте принцип Паули. Поведение каких систем объясняется этим принципом?

9 Из каких элементарных частиц состоит атомное ядро?

10 Что такое дефект массы и энергия связи ядра? Какие ядра обладают наибольшей энергией связи?

11 Перечислите свойства ядерных сил.

12 Что такое радиоактивность?

13 Запишите закон радиоактивного распада. Каков физический смысл периода полураспада?

14 Приведите примеры α-распада и β-распада.

15 Какова причина возникновения γ-излучения?

16 Сравните радиоактивные излучения по проникающей и ионизирующей силе.

17 Охарактеризуйте основные типы фундаментальных взаимодействий

18 Какие частицы называются элементарными? Как они классифицируются?

19 Что такое кварки?

Модуль 3Химические основы технологий

3.1Элементы современной химии

Предыдущая45464748495051525354555657585960Следующая

Дата добавления: 2016-01-26; просмотров: 1011;

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Элементарные частицы и их классификация. Понятие о кварках

Элементарной называется частица, которая на современном уровне развития науки не обнаруживает внутреннего строения, а ее размеры недоступны измерению. Фундаментальным свойством всех элементарных частиц является их способность к взаимному превращению. Элементарные частицы принято классифицировать по тому типу взаимодействия, в которое они вступают и по значению их собственного момента импульса (спина).

По типу характерных для частиц взаимодействий они делятся на четыре класса.

1 Фотоны – кванты электромагнитного поля, участвуют в электромагнитном взаимодействии, но не обладают сильным и слабым.

2 Лептоны – частицы, не обладающие сильным взаимодействием (электрон, позитрон, мюон, нейтрино, антинейтрино и др.). Все лептоны участвуют в слабом взаимодействии, заряженные лептоны участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

3Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, участвуют также в слабом и электромагнитном взаимодействии (p-мезон, К-мезон и др.)

4 Барионы – частицы, обладающие сильным взаимодействием (протон, нейтрон, все гипероны). Заряженные барионы участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами.

По значению собственного момента импульса (спина) элементарные частицы делятся на два класса:

1 Фермионы – частицы с полуцелым спином, описывающиеся антисимметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Ферми–Дирака (электрон, протон, нейтрон и др.).

2 Бозоны – частицы с нулевым или целочисленным спином, описывающиеся симметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Бозе–Эйнштейна (p-мезон, фотон).

Все лептоны и барионы являются фермионами, а мезоны и фотон – бозонами. Для фермионов справедлив принцип Паули, согласно которому в системе тождественных фермионов не может быть двух частиц, обладающих одинаковым набором квантовых чисел. Ранее мы сформулировали этот принцип для электронов в атоме и объяснили с его помощью заполнение электронных оболочек атомов (Периодическая система элементов Д.И. Менделеева). Однако принцип Паули имеет более широкую область применения, ему подчиняется поведение любых коллективов тождественных фермионов (атомное ядро, электронный газ в металлах и т.д.). Для коллектива бозонов принципа запрета Паули нет.

Все переносчики взаимодействий являются бозонами, а кварки и лептоны – фермионами. В связи с этим бозоны принято ассоциировать с взаимодействием, а фермионы – с веществом. Суперсимметрия объединяет фермионы и бозоны в рамках одной теории и говорит о возможности превращения бозонов и фермионов друг в друга.

Использование термина “элементарные” становится неоправданным, когда мы говорим о почти 400 частицах и античастицах, открытых к настоящему времени. Развитие работ по классификации частиц все время сопровождалось поисками новых более фундаментальных частиц, из которых построены все адроны (барионы и мезоны). В 1964 г. независимо друг от друга Дж. Цвейг и Гелл-Манн высказали гипотезу о существовании т.н.

Классификация элементарных частиц

кварков. Согласно теории Цвейга–Гелл-Манна все известные к тому времени адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков: u (от англ. “up”, т.е. “вверх”), d (down – вниз) и s (strange – странный или sideways – боковой) и соответствующих им антикварков. Кварки обладают дробным электрическим зарядом, полуцелым спином (т.е. являются фермионами) и рядом других характеристик. Мезоны состоят из пары кварк–антикварк, барионы из трех кварков (например, протон имеет кварковую структуру uud). Кварки существуют только внутри адронов и не наблюдаются как изолированные объекты.

Увеличение числа элементарных частиц привело к необходимости расширения системы кварков. Пришлось постулировать существование еще трех кварков: с (charmed – очарованный), b (bottom – нижний или beauty – прелестный) и t (truth – истинный).

Реальное существование кварков подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, характер рассеяния быстрых электронов протонами свидетельствует о наличии внутри протона трех точечных рассеивающих центров с дробным электрическим зарядом, что полностью соответствует трехкварковой модели протона.

Все попытки наблюдать кварки как изолированные объекты оказались безуспешными, они в принципе не могут существовать в свободном состоянии. Применительно к кваркам даже существует термин конфайнмент (от английского confinement, что означает “тюремное заключение”). Причиной конфайнмента является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом.

При малых расстояниях эти силы малы, однако с увеличением расстояния силы взаимодействия между кварками очень быстро растут, не позволяя кваркам вылететь из адрона.

В наши дни принята Стандартная модель, по которой всё вещество состоит из 24 частиц-фермионов: 6 лептонов, 6 кварков и 12 античастиц. Частицами-переносчиками взаимодействий являются 8 глюонов, 3 тяжёлых бозона, один фотон. Теоретически предсказано существование бозона Хиггса, отвечающего за массу.

Контрольные вопросы

1 Как развивались представления о строении атома?

2 Сформулируйте постулаты Бора.

3 Каковы основные результаты решения уравнения Шредингера для атома водорода?

4 Какие физические величины, характеризующие состояние электрона в атоме, оказываются дискретными?

5 Какие квантовые числа Вы знаете? Что они характеризуют?

6 Когда атом поглощает или излучает энергию? Запишите закон сохранения энергии для элементарного акта излучения или поглощения.

7 Какие частицы называются в квантовой теории тождественными? В чем заключается принцип неразличимости тождественных частиц?

8 Сформулируйте принцип Паули. Поведение каких систем объясняется этим принципом?

9 Из каких элементарных частиц состоит атомное ядро?

10 Что такое дефект массы и энергия связи ядра? Какие ядра обладают наибольшей энергией связи?

11 Перечислите свойства ядерных сил.

12 Что такое радиоактивность?

13 Запишите закон радиоактивного распада. Каков физический смысл периода полураспада?

14 Приведите примеры α-распада и β-распада.

15 Какова причина возникновения γ-излучения?

16 Сравните радиоактивные излучения по проникающей и ионизирующей силе.

17 Охарактеризуйте основные типы фундаментальных взаимодействий

18 Какие частицы называются элементарными? Как они классифицируются?

19 Что такое кварки?

Модуль 3Химические основы технологий

3.1Элементы современной химии

Предыдущая45464748495051525354555657585960Следующая

Дата добавления: 2016-01-26; просмотров: 1013;

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ: