Elementārdaļiņu struktūras problēma. Elementārās daļiņas un “primāro objektu” meklēšanas problēma

Elementārdaļiņu problēma

Dažādās vielas virzīšanas “dzīlēs” stadijās dažādas daļiņas sauca par elementārām (bezstrukturālām). Meklējot Visuma pamata “celtniecības blokus”, cilvēks sākotnēji konstatēja, ka visi savienojumi sastāv no “elementārām” molekulām. Tad izrādījās, ka molekulas ir veidotas no “elementārajiem” atomiem. Gadsimtiem vēlāk tika atklāts, ka “elementārie” atomi ir veidoti no “elementārajiem” kodoliem un elektroniem, kas riņķo ap tiem. Visbeidzot tika atklāts, ka paši kodoli ir veidoti no protoniem un neitroniem, kas vēl salīdzinoši nesen tika uzskatīti par elementārdaļiņām bez iekšējas struktūras. Pēc neitrona atklāšanas 1932. gadā šķita, ka tika izveidoti pamata elementi, no kuriem tiek būvēta parastā viela: protoni, neitroni, elektroni un fotoni.

Bet kopš 1933. gada atklāto elementārdaļiņu skaits strauji pieaug. Kad to skaits pārsniedza simtu, kļuva skaidrs, ka tik milzīgs daļiņu skaits nevar darboties kā elementāras vielas sastāvdaļas.

Viņi mēģināja klasificēt jaunatklātās elementārdaļiņas, pirmkārt, pēc masas. Tādējādi parādījās elementārdaļiņu dalījums leptonos (vieglajos) un barionos (smagajos). Mums zināmais elektrons, pozitrons un neitrīno pieder leptoniem, bet protons un neitrons – barioniem. Ir vēl viena elementārdaļiņu grupa - mezoni (starpprodukts).

Barioni un mezoni kā daļiņas, kas piedalās tā sauktajā spēcīgajā mijiedarbībā (skatīt zemāk), bieži tiek apvienoti hadronu grupā.

Elementārdaļiņu problēma, kuru skaits pārsniedza trīsarpus simtus, ilgu laiku šķita neatrisināma. Izrāviens notika, kad 60. gados tika piedāvāts kvarku modelis, kas balstījās uz hipotēzi par jaunu patiesi elementāru daļiņu esamību, kuras sauca par kvarkiem. Kvarku modelī visi barioni tiek uzskatīti par trīs kvarku kombinācijām, bet mezoni tiek uzskatīti par kvarka un antikvarka kombinācijām.

Elementārdaļiņu pamatīpašības

Galvenās elementārdaļiņu īpašības ir šādas:

Masa – m

Kalpošanas laiks – τ

Elektriskais lādiņš–q

Barionu un leptonu skaitļi (lādiņi)– B, L

Spin – s

Viena no galvenajām subatomisko daļiņu īpašībām ir to masa, kas vienlaikus nosaka to miera enerģiju. No daļiņām ar nulles masu vislabāk zināmie ir fotoni. Neitrīno masa var būt arī nulle. Elektrons ir vieglākais no stabilajām daļiņām ar masu, kas nav nulle (me =0,911·10-30 kg). Protonam ir vismazākā masa starp barioniem

(m p =1,672·10 -27 kg). Neitrona masa ir nedaudz lielāka par protona masu: mn − mp

2,5 me.

Elektroni un protoni ir stabilas daļiņas. Brīvā neitrona kalpošanas laiks ir aptuveni 900 sekundes. Lielākā daļa elementārdaļiņu ir ļoti nestabilas, to kalpošanas laiks svārstās no dažām mikrosekundēm līdz 10-23 sekundēm.

Elektriskais lādiņš. Visu pētīto elementārdaļiņu (izņemot kvarkus!) elektriskie lādiņi ir e veseli skaitļi.

1,6·10-19 C (e ir elementārais lādiņš, skaitliski vienāds ar elektrona vai protona lādiņu). Mūsu pasaulē ir spēkā universāls elektriskā lādiņa nezūdamības likums: izolētas sistēmas kopējais elektriskais lādiņš tiek saglabāts.

Bariona (B) un leptona (L) skaitļi (lādiņi) raksturojiet, vai daļiņa pieder pie barionu vai leptonu klases. Barioniem nav leptona lādiņa ( L = 0), bariona daļiņām B = 1, antidaļiņām B = -1. Leptoniem nav bariona lādiņa, un to leptonu lādiņš ir vienāds ar L = 1 – daļiņām (elektronam, neitrīnam) un attiecīgi L = -1 – antidaļiņām (pozitrons, antineitrīns).

Elementārdaļiņu galvenā īpašība ir to spēja veikt savstarpējas pārvērtības, kas notiek tikai ar nosacījumu, ka tiek saglabāti visi iepriekš apskatītie lādiņu veidi: elektriskie, barioni, leptoni (kā arī enerģijas, impulsa un leņķiskā impulsa saglabāšanas likumi).

Spin (s) ir īpašs elementārdaļiņu iekšējais raksturlielums, kas saistīts ar to (griešanās) impulsu, ko mēra

h vienības (Planka konstante) vai ћ =									(h izsvītrots).
ћ vienībās visu elementārdaļiņu spins ņem vērtības vai
veseli skaitļi: 0, 1, 2, … vai pusveseli skaitļi: 1								, …

Daļiņas ar pusvesela skaitļa spinu sauc par fermioniem, bet daļiņas ar veselu skaitļu spinu sauc par bozoniem. Fermions paklausa Pauli izslēgšanas princips saskaņā ar kuru divas identiskas daļiņas nevar atrasties vienā kvantu stāvoklī.34 Visi fermioni ir matērijas daļiņas.

Gluži pretēji, bosoniem ir tendence nonākt vienā stāvoklī. Visi bozoni ir kāda lauka kvantu daļiņas. No visiem bozoniem fotoni ir visizplatītākie Visumā.

34 Kvantu stāvokli pilnībā raksturo četru kvantu skaitļu kopa: trīs no tiem ir saistīti ar telpas trīsdimensiju, bet ceturtais ar spinu.

Tādējādi fermioni darbojas kā “tīrie individuālisti”, savukārt bozoni ir īsti “kolektīvisti”.

Fundamentālie fermioni – leptoni un kvarki

Pašlaik patiesi elementārās daļiņas, no kurām tiek veidota visa mūsu pasaules matērija, tiek uzskatītas par leptoniem un kvarkiem, kuru spins ir vienāds ar ½.

Leptonu ģimene sastāv no trīs paaudžu daļiņām: līdz pirmā paaudze ietver elektronu e - un elektronu neitrīnoν e; otrā paaudze– mūons μ un miona neitrīnoν μ un, visbeidzot, trešā paaudze–

taon τ - un taon neitrīno ν τ:

				μ −
	ν e			νμ		ν τ

Elektrons, mūons un taons parādās pa pāriem tikai ar to neitrīno milzīgo caurlaidības spēku, lādiņa trūkumu un ārkārtīgi mazo, iespējams, nulles masu padarīja tos nenotveramus daudzus gadus. Visnetveramākā no visām elementārdaļiņām izrādījās tau neitrīno, kas tika atklāts tikai 2000. gada vasarā.

Neitrīni ir tik “bezķermeniski”, ka viegli iekļūst Zemes biezumā un spēj iziet cauri vairākus gaismas gadus biezam svina slānim. Tikmēr neitrīno kopā ar fotoniem ir visizplatītākās daļiņas mūsu pasaulē. Ja visa matērija, ieskaitot visas galaktikas un starpgalaktikas putekļus, būtu vienmērīgi sadalīti pa visu Visuma tilpumu, tad uz katru telpas kubikmetru būtu viens protons un viens elektrons. Fotonu un neitrīno ir miljardiem reižu vairāk: katrā kubikcentimetrā ir aptuveni 500 daļiņu.

Neitrīnos pirmo reizi ieviesa Pauli, lai izskaidrotu kodolu beta sabrukšanu,

kurā notiek protona pārvēršanās par neitronu (tā sauktā β + - sabrukšana) un neitrona pārvēršanās par protonu:

	→ 0n						→ 1 lpp	+− 1 e

Ņemiet vērā, ka neitrona pārvēršanās par protonu ir enerģētiski labvēlīga (jo protona masa ir mazāka par neitrona masu). Tas izskaidro brīvā neitrona nestabilitāti.

Ja neitrona pārvēršanas process protonā notiek kodola iekšpusē,

to sauc par β - - sabrukšanu. Šajā gadījumā β - daļiņa ir elektrons.

Protona pārvēršanas par neitronu process prasa enerģiju, un tas var notikt tikai kodola iekšpusē. β + - sabrukšanu pavada elektronam pilnīgi līdzīgas daļiņas dzimšana, bet ar pretējas zīmes elektrisko lādiņu, ko sauc par pozitronu +1 e 0.

Papildus elektronam (vai pozitronam) β - sabrukšanas procesā tiek iesaistīta vēl viena elementārdaļiņa, ko sauc par neitrīno - 0 ν 0 (daļiņa

pavadošā β - − sabrukšana).

Antidaļiņas

Elektrona un pozitrona esamība liecina, ka citām elementārdaļiņām var būt savi "dvīņi". Patiešām, gandrīz katrai daļiņai ir sava antidaļiņa, kuras masa ir stingri vienāda ar daļiņas masu, un lādiņa zīme ir pretēja. Ir arī diezgan reti sastopams patiesi neitrālu daļiņu veids, kam nav dvīņu (fotonu). Principā var pastāvēt antiatoms, kura kodols sastāv no antiprotoniem un antineitroniem, un elektroni tiek aizstāti ar antielektroniem (pozitroniem), antimolekulu un, visbeidzot, antimateriālu, kuras īpašības neatšķirsies no īpašībām. parastās matērijas.

Vissvarīgākā daļiņu un antidaļiņu īpašība ir to spēja iznīcināt. Daļiņas iznīcināšana - antidaļiņu pāris (no latīņu annihilatio -

iznīcināšana, izzušana) ir viens no elementārdaļiņu savstarpējās konversijas veidiem, ko pavada enerģijas izdalīšanās, piemēram, elektrona un pozitrona pārvēršanās pēc to sadursmes fotonos (elektromagnētiskais starojums):

1 e0 + +1 e0 → 2γ

Iespējams arī pretējs efekts – elektronu-pozitronu pāra veidošanās, saduroties diviem fotoniem. Ir skaidrs, ka fotona enerģijai jābūt ne mazākai kā divas reizes lielākai par elektrona miera enerģiju E γ > 2m e c 2 (nedaudz vairāk

1MeV).

Mūsu pasaule sastāv no matērijas. Uz Zemes, Saules sistēmā un kosmosā, kas atrodas tieši ap Saules sistēmu, nav manāma daudzuma antimatērijas, jo anihilācijas reakciju dēļ nav iespējama daļiņu un antidaļiņu cieša līdzāspastāvēšana. Tās dažas antidaļiņas, kuras var ražot laboratorijas apstākļos, agrāk vai vēlāk mirst. Stabilu antidaļiņu (piemēram, antiprotonu vai pozitronu) pastāvēšana ilgtermiņā iespējama tikai pie zema vielas blīvuma - īpašos lādētu daļiņu akumulatoros vai kosmosā. Jautājumi par to, kāpēc mūsu pasaule sastāv no matērijas, kad un kāpēc radās mūsu Visuma asimetrija, ir fundamentāli svarīgi un joprojām piesaista teorētisko fiziķu uzmanību.

Otro fundamentālo elementārdaļiņu saimi, no kurām veidoti hadroni (barioni un mezoni), sauc par kvarkiem. Ir sešas kvarku šķirnes (fiziķi tos sauc par "garšām"), kas, tāpat kā leptoni, ir sagrupēti pāros un veido trīs paaudzes. Pirmā paaudze– u un d kvarki (augšup - augšā un lejā

Apakšējā); otrā paaudze - s un c kvarki (dīvaini - dīvaini un šarms -

apburts) un, visbeidzot, trešā paaudze - b un t kvarki (skaistums - skaists un patiess - patiess ; dažreiz tos sauc apakšā un augšā ). Pēdējais sestais t-kvarks tika atklāts salīdzinoši nesen (1995. gadā).

Kvarki ir fermioni (to griešanās ir ½, tāpat kā leptoniem). Šajā gadījumā ir iespējami divi iekšējie kvantu stāvokļi ar vektoru projekcijām -

aizmugure: +1/2 un –1/2

Bariona skaitlis kvarkiem ir vienāds ar vienu trešdaļu B = 1/3, antikvarkiem

− B = –1/3. Katram kvarkam ir cita īpašība, ko fiziķi sauc par garšu (dīvainums, šarms utt.).

Pārsteidzošākais ir tas, ka kvarkiem ir daļējs elektriskais lādiņš, kura vērtība ir vai nu 2/3 no elementārā lādiņa (kvarka lādiņš ir pozitīvs), vai 1/3 no elektronu lādiņa (lādiņa zīme ir negatīva).

Visi barioni ir trīs kvarku kombinācijas. Nukleoni - atomu kodolu pamats, tie ir vieglākie barioni un sastāv no pirmās paaudzes kvarkiem. Protons sastāv no diviem u-kvarki un viens d-kvarks, neitrons no diviem d-kvarkiem un viens u-kvarks:

Ir viegli pārbaudīt, vai protonu lādiņš izrādās vienāds ar vienotību (2/3+2/3–1/3 = +1), un neitronu lādiņš ir nulle (2/3 – 1/3 – 1/ 3 = 0).

Neitrons ir smagāks par protonu, jo d kvarks ir smagāks par u kvarku.

β + – un β – – sadalīšanās procesi, kvarku savstarpējai pārvēršanai (u d) iegūst jaunu skaidrojumu.

Mezonus ražo no kvarka un antikvarka pāra kombinācijas. Tas ir skaidrs
mezonu barionu skaits ir nulle,						spin ir vienāds ar	nulle vai viens.
Trīs antikvarku kombinācijas veido antibarionus (antiprotonus,
antineitroni utt.).
1. tabulā ir parādīti visi fundamentālie fermioni -
matērijas struktūras struktūrvienības.
			Tabula Nr.1
		Fundamentālie fermioni
Pamats-
	Paaudzēm						III Elektriskā
fermions			paaudze			paaudze	paaudze
	uzlādēts
			elektrons					−1
						νμ	ντ
	neitrīno		elektroniski
					apburts		taisnība
							Skaists
Visa hadronu daudzveidība rodas dažādu kombināciju dēļ
dota						aromāti.

atbilst saistītajiem stāvokļiem, kas konstruēti tikai no u- un d-kvarkiem. Ja saistītā stāvoklī kopā ar u - un d -kvarkiem ir, piemēram, s - vai c -kvarks, tad atbilstošo hadronu sauc par dīvaino vai

apburts.

Fakts, ka visus zināmos barionus un mezonus varēja iegūt no dažādām kvarku kombinācijām, simbolizēja galveno kvarku teorijas triumfu. Tomēr visi centieni atklāt atsevišķus kvarkus bija veltīgi. Ir izveidojusies paradoksāla situācija. Kvarki neapšaubāmi eksistē hadronos. Par to liecina ne tikai aplūkotā hadronu kvarku sistemātika, bet arī tieša nukleonu “pārraide” ar ātrajiem elektroniem. Šajā eksperimentā (būtībā pilnīgi līdzīgs Rezerforda eksperimentam) tika atklāts, ka hadronu iekšpusē elektroni ir izkliedēti uz punktveida daļiņām ar lādiņiem, kas vienādi ar –1/3 un +2/3, un spins ir vienāds ar ½, tas ir, tiešas fiziskas liecības. par kvarku esamību hadronos. Bet kvarkus no hadroniem noņemt nav iespējams. Šo parādību sauc par "ieslodzījumu"

(ieslodzījums - nebrīvē, angļu valoda).

Fundamentālās mijiedarbības

Nākamais fundamentālais jautājums, uz kuru zinātnei jāatbild, lai izskaidrotu matērijas uzbūvi, ir saistīts ar daļiņu mijiedarbības raksturu un raksturu, kas noteiktos apstākļos noved pie saistītu stāvokļu veidošanās. Kas liek kvarkiem apvienoties nukleonos, nukleoniem – kodolos, kodoliem un elektroniem – atomos, atomiem – molekulās? Kāpēc Visumā ir matērijas uzkrāšanās planētu, zvaigžņu un galaktiku veidā? Kāds ir to spēku raksturs, kas izraisa visas izmaiņas, kas notiek mūsu materiālajā pasaulē?

Izrādās, ka visu, kas notiek dabā, var reducēt uz taisnīgu

četras pamata mijiedarbības

Fundamentālo mijiedarbību loma dabā

Gravitācijas mijiedarbība ir vājākā un tajā pašā laikā universālākā. Gravitācijas mijiedarbība darbojas starp jebkuriem objektiem, kuriem ir masa vai enerģija. Tieši gravitācija neļauj Visumam sabrukt, savākt matēriju planētās un zvaigznēs, noturēt planētas orbītā, “savienot” zvaigznes galaktikās. Kopumā astronomiskā mērogā gravitācijas mijiedarbībai ir izšķiroša loma. Mikrokosmosā gravitāciju var neņemt vērā, salīdzinot ar citām intensīvākām mijiedarbībām.

Elektromagnētiskā mijiedarbība kopīgs visām daļiņām

kam ir elektriskais lādiņš. Tāpat kā gravitācijas, elektromagnētiskā mijiedarbība ir liela attāluma, un likums, kas nosaka spēku, kas iedarbojas starp punktveida lādiņiem miera stāvoklī, ir līdzīgs gravitācijas likumam - tas ir Kulona likums, kas zināms no skolas:

		m 1 m 2			q 1 q 2

Tomēr atšķirībā no gravitācijas, kas vienmēr ir pievilcība, elektriskā pievilcība pastāv tikai starp pretēju zīmju lādiņiem, savukārt vienas zīmes lādiņi atgrūž. Pateicoties elektromagnētiskajai mijiedarbībai, ir iespējama atomu un molekulu veidošanās. Starpmolekulārie spēki, kas nosaka dažādu vielas agregācijas stāvokļu īpašības, ir arī elektriski. Lielākā daļa novērojamo fizisko spēku (elastība, berze utt.) patiesībā ir vielu ķīmisko pārveidojumu un visu novērojamo elektrisko, magnētisko un optisko parādību pamatā.

Spēcīga un vāja mijiedarbība parādās tikai mikrokosmosā, subnukleārajā līmenī.

Spēcīga mijiedarbība raksturīgi kvarkiem un kvarku veidojumiem – hadroniem. Spēcīgās mijiedarbības galvenā funkcija ir apvienot kvarkus (un antikvarkus) hadronos. Kodolspēki, kas apvieno nukleonus kodolos, ir spēcīgas mijiedarbības (bieži saukta par atlikušo spēcīgu mijiedarbību) specifiskas atbalsis.

Vāja mijiedarbība raksturīgs visiem fundamentālajiem fermioniem. Neitrīniem šī ir vienīgā mijiedarbība, kurā tie piedalās. Atšķirībā no spēcīgas mijiedarbības, vājās mijiedarbības funkcija ir mainīt daļiņu dabu (garšu), tas ir, pārveidot vienu kvarku citā (tas pats attiecas uz leptoniem).

Ja nebūtu vājās mijiedarbības, stabili būtu ne tikai protons un elektrons, bet arī mioni, π - mezoni, dīvainas un apburtas daļiņas, kas vājās mijiedarbības rezultātā sadalās. Ja mēs varētu “izslēgt” vājo mijiedarbību, Saule nodziest,

kopš protona pārvēršanas par neitronu (β sabrukšanas), kā rezultātā četri protoni pārvēršas par 2 He4, divi pozitroni un divi neitrīno (tā sauktais ūdeņraža cikls, kas kalpo kā galvenais enerģijas avots Saule un lielākā daļa zvaigžņu.) būtu neiespējami.

Fundamentālo mijiedarbību raksturojums

Mijiedarbības intensitāti var spriest pēc to izraisīto procesu ātruma. Parasti salīdzina viens ar otru procesa ātrums pie enerģijas 1 GeV, kas raksturīgs daļiņu fizikai. Pie šādām enerģijām process, ko izraisa spēcīga mijiedarbība

notiek 10-24 s laikā, elektromagnētiskais process 10-21 s laikā, vājas mijiedarbības dēļ notiekošo procesu raksturīgais laiks ir daudz garāks: 10-10 s.

Iekļūšana mikropasaules dziļumos ir saistīta ar pāreju no atomu līmeņa uz elementārdaļiņu līmeni. Kā pirmā elementārdaļiņa 19. gadsimta beigās. Tika atklāts elektrons, bet pēc tam divdesmitā gadsimta pirmajā desmitgadē - fotons, protons, pozitrons un neitrons. Pēc Otrā pasaules kara, pateicoties moderno eksperimentālo tehnoloģiju izmantošanai un galvenokārt jaudīgajiem paātrinātājiem, kuros tiek radīti augstas enerģijas un milzīgu ātrumu apstākļi, tika konstatēts liels skaits elementārdaļiņu - vairāk nekā 300. To vidū ir gan eksperimentāli atklāti, gan teorētiski aprēķināti, tostarp rezonanses, kvarki un virtuālās daļiņas.

Termins "elementārdaļiņa" sākotnēji nozīmēja vienkāršākās, nesadalāmās daļiņas, kas ir jebkura materiāla veidošanās pamatā. Vēlāk fiziķi saprata visu termina "elementārs" vienošanos attiecībā uz mikroobjektiem. Tagad nav šaubu, ka daļiņām ir sarežģīta struktūra, bet vēsturiski izveidotais nosaukums turpina pastāvēt

Galvenās elementārdaļiņu īpašības ir: masa, lādiņš, vidējais kalpošanas laiks, griešanās un kvantu skaitļi. Elementārdaļiņu miera masa nosaka attiecībā pret elektrona miera masu. Ir elementārdaļiņas, kurām nav miera masas - fotoni. Atlikušās daļiņas saskaņā ar šo kritēriju tiek sadalītas leptoni – vieglas daļiņas(elektrons, mions, neitrīno); mezoni – vidējas daļiņas ar masu no vienas līdz tūkstoš elektronu masām (p-mezoni, K – mezoni); barioni – smagas daļiņas, kuru masa pārsniedz tūkstoš elektronu masu (protoni, neitroni, hiperoni un daudzas rezonanses).

Elektriskais lādiņš ir vēl viena svarīga elementārdaļiņu īpašība. Visām zināmajām daļiņām ir pozitīvs, negatīvs vai nulles lādiņš. Katra daļiņa, izņemot fotonu un divus mezonus, atbilst antidaļiņām ar pretēju lādiņu. 1964. gadā zinātnieki nāca klajā ar ideju kvarki, tie. daļiņas ar frakcionētu lādiņu, no kurām sastāv visas elementārdaļiņas.Šī hipotēze ir kļuvusi plaši izplatīta zinātniskajā pasaulē, lai gan tai vēl nav atrasts galīgs eksperimentāls apstiprinājums.

Pamatojoties uz daļiņu kalpošanas laiku tiek sadalīti stabils Un nestabils. Ir piecas stabilas daļiņas: fotonu, divu veidu neitrīno, elektronu un protonu. Tieši stabilajām daļiņām ir vissvarīgākā loma makroķermeņu struktūrā. Visas pārējās daļiņas ir nestabilas, tās pastāv apmēram 10 -10 - 10 -24 s, pēc tam tās sadalās. Elementārdaļiņas ar vidējo kalpošanas laiku 10 -23 - 10 -24 s sauc rezonanses. Īsā mūža dēļ tie sadalās, pirms tiem pat paspēj atstāt atomu vai atoma kodolu. Rezonanses stāvokļi tika aprēķināti teorētiski, tos nevarēja noteikt reālos eksperimentos.

Papildus lādiņam, masai un kalpošanas laikam elementārdaļiņas raksturo arī jēdzieni, kuriem klasiskajā fizikā nav analogu: jēdziens "atpakaļ", vai mikrodaļiņas iekšējais leņķiskais impulss, un koncepcija "kvantu skaitļi" kas izsaka elementārdaļiņu stāvokli.

Ir vēl viena svarīga ideja par elementārdaļiņu īpašībām - mijiedarbība. Dabā ir četri fundamentālās mijiedarbības veidi: spēcīga, elektromagnētiska, vāja un gravitācijas. Elementārdaļiņu īpašības nosaka galvenokārt pirmie trīs mijiedarbības veidi.

Spēcīga mijiedarbība notiek atomu kodolu līmenī un atspoguļo to veidojošo daļu savstarpējo pievilcību un atgrūšanu. Tas iedarbojas apmēram 10 -13 cm attālumā Noteiktos apstākļos spēcīga mijiedarbība saista daļiņas ļoti cieši, kā rezultātā veidojas materiālas sistēmas ar augstu saistīšanas enerģiju – atomu kodoli. Šī iemesla dēļ atomu kodoli ir stabili un grūti iznīcināmi.

Elektromagnētiskā mijiedarbība apmēram tūkstoš reižu vājāka nekā spēcīga, bet daudz lielāka darbības rādiusa. Elektromagnētiskās mijiedarbības nesējs ir tāds, kuram nav lādiņa fotons– elektromagnētiskā lauka kvants. Elektromagnētiskās mijiedarbības procesā elektroni un atomu kodoli apvienojas atomos, bet atomi – molekulās. Šī mijiedarbība ir būtiska ķīmijā un bioloģijā.

Vāja mijiedarbība iespējama starp dažādām daļiņām 10 -15 – 10 -22 cm attālumā un ir saistīta galvenokārt ar daļiņu sadalīšanos. Saskaņā ar pašreizējo zināšanu līmeni lielākā daļa daļiņu ir nestabilas tieši vājās mijiedarbības dēļ.

Gravitācijas mijiedarbība– vājākais, nav ņemts vērā elementārdaļiņu teorijā. Tomēr ļoti mazos attālumos (apmēram 10–33 cm) un pie īpaši lielām enerģijām gravitācija atkal kļūst nozīmīga. Kosmiskā mērogā gravitācijas mijiedarbība (gravitācija) ir kritiska. Tās darbības diapazons nav ierobežots.

Dabā, kā likums, vienlaikus parādās nevis viens, bet vairāki mijiedarbības veidi, un daudzu daļiņu īpašības nosaka visi četri veidi. Fundamentāla mijiedarbība noved pie daļiņu transformācijas: to iznīcināšanas un radīšanas. Laiks, kurā notiek elementārdaļiņu transformācija, ir atkarīgs no mijiedarbības spēka. Tāpēc dažādu transformāciju laikā var spriest par ar tām saistītās mijiedarbības stiprumu. Elementārdaļiņu mijiedarbība tiek veikta caur attiecīgajiem fiziskajiem laukiem, kuru kvanti tie ir.

Mūsdienu kvantu lauka teorijā lauks tiek saprasts kā sistēma ar mainīgu daļiņu skaitu (lauka kvanti). Tiek saukts lauka zemākās enerģijas stāvoklis, kurā vispār nav lauka kvantu vakuums. Vakuuma stāvoklī, ja nav ierosmes, elektromagnētiskais lauks nesatur daļiņas (fotonus). Šādā stāvoklī tai nepiemīt korpuskulārajai vielai raksturīgās mehāniskās īpašības. Vakuums nesatur parastus matērijas veidus, taču tas nav tukšs vārda tiešajā nozīmē, jo ar atbilstošu ierosmi tajā parādās fotoni - elektromagnētiskā lauka kvanti, caur kuriem notiek elektromagnētiskā mijiedarbība. Vakuumā ir arī citi fiziski lauki, jo īpaši gravitācijas lauki, kuru kvanti, gravitoni, prognozēts teorētiski, bet vēl nav eksperimentāli reģistrēts.

Galvenā kvantu lauka teorijas problēma ir dažāda veida daļiņu mijiedarbības problēma. Līdz šim tas ir atrisināts tikai Kanta elektrodinamikā, kas apraksta elektronu, pozitronu un fotonu mijiedarbību. Kvantu lauka teorija spēcīgai un vājai mijiedarbībai vēl nav izstrādāta. Tie ir aprakstīti, izmantojot nestingras metodes, lai gan ir skaidrs, ka bez atbilstošas ​​teorijas nav iespējams saprast elementārdaļiņu struktūru, ko nosaka tieši to mijiedarbība. Tāpēc jautājums par elementārdaļiņu struktūru nav galīgi atrisināts. Saskaņā ar mūsdienu jēdzieniem elementārdaļiņu struktūru apraksta nepārtraukti topošas un bojājas "virtuālās" daļiņas. Formāla virtuālo daļiņu izmantošana nozīmē, ka elementārdaļiņu iekšējo struktūru nevar aprakstīt ar citām daļiņām.

Mūsdienu fizikas attīstības svarīgākais virziens ir t.s "Lielā apvienošanās"- mēģinājums visus četrus fiziskās mijiedarbības veidus (spēcīgo, vājo, gravitācijas un elektromagnētisko) reducēt uz vienu fundamentālu mijiedarbību, kas izskaidrotu matērijas kustības fizisko formu kopumā un radītu fundamentālāko fizikālo teoriju. Daudzi zinātnieki uzskata, ka šādu teoriju var izveidot, tikai ņemot vērā kosmoloģiskos apstākļus, pētot situācijas, kad mikropasaule izrādās saistīta ar megapasauli, ultramazā ar ultralielo, fizika ar astronomiju un kosmoloģiju.

Šobrīd ir zināmas aptuveni 400 elementārdaļiņas. Daži no tiem “dzīvo” ļoti īsu laiku, ātri pārvēršoties citās daļiņās, savas pastāvēšanas laikā spējot nolidot attālumus, kas vienādi ar atoma kodola rādiusu (10 -12 - 10 -13 cm). Eksperimentālajiem mērījumiem pieejamo minimālo laiku raksturo vērtība aptuveni 10–26 s. Dažas elementārdaļiņas izrādījās negaidīti smagas – pat smagākas par atsevišķiem atomiem.

Mūsdienu fiziķi lielu uzmanību pievērš elementārdaļiņu sistematizēšanai, atklājot iekšējo vienotību gan starp tām, gan starp tām atbilstošajiem fundamentālajiem mijiedarbības veidiem - stipro, vājo, elektromagnētisko un gravitācijas.

Vājas mijiedarbības intensitāte ir par 10-11 kārtām (10 10 -10 11 reizes) mazāka nekā kodolspēku intensitāte. Tāpēc to sauca par vāju, tā darbības rādiuss ir mazāks par 10 -15 cm. Elektromagnētiskā mijiedarbība attālumos, kas atbilst kodolspēku darbības rādiusam, ir tikai 10 2 -10 3 reizes vājāka. Visvājākā šajos attālumos ir gravitācijas mijiedarbība, kuras intensitāte ir daudzkārt mazāka par vājo mijiedarbību.

Pat vājā mijiedarbība ir daudzkārt lielāka nekā gravitācijas mijiedarbība. Un Kulona spēks, divu elektronu elektriskā atgrūšana, ir 10 42 reizes lielāks nekā to gravitācijas pievilkšanās lielums. Ja iedomājamies, ka elektromagnētiskie spēki, kas “pievelk” elektronus atoma kodolam, vājinās līdz gravitācijas spēku līmenim, tad ūdeņraža atoms kļūtu lielāks par mums redzamo Visuma daļu. Gravitācijas spēki palielinās ļoti lēni, samazinoties attālumiem. Tie kļūst par dominējošiem tikai fantastiski nelielos intervālos, kas mazāki par 10 -32 cm, kas paliek nepieejami eksperimentālajiem pētījumiem. Ar eksperimenta palīdzību tagad ir iespējams “izskatīties” attālumus tuvu 10 -16 cm.

Šie četri fundamentālo (kas atrodas matērijas pamatos) mijiedarbības veidi tiek īstenoti, apmainoties ar atbilstošām daļiņām, kas kalpo kā sava veida šīs mijiedarbības nesēji. Spēku darbības rādiuss ir atkarīgs no daļiņu masas. Elektromagnētisko mijiedarbību veic fotoni (pārējā masa ir nulle), gravitācijas mijiedarbību veic gravitoni (tomēr hipotētiskas, eksperimentāli nenoteiktas daļiņas, kuru masai arī jābūt nullei). Šīm divām mijiedarbībām, ko veic bezmasas daļiņas, ir liels, iespējams, bezgalīgs darbības diapazons. Turklāt tikai gravitācijas mijiedarbība rada pievilcību starp identiskām daļiņām, pārējie trīs mijiedarbības veidi nosaka tāda paša nosaukuma daļiņu atgrūšanu. Spēcīgās mijiedarbības nesēji, kas saista protonus un neitronus atomu kodolos, ir gluoni. Šī mijiedarbība ir raksturīga smagajām daļiņām, ko sauc par hadroniem. Vāju mijiedarbību veic vektorbozoni. Šī mijiedarbība ir raksturīga gaismas daļiņām - leptoniem (elektroniem, pozitroniem utt.).

Mikropasaules daudzveidība paredz tās vienotību, pateicoties daļiņu un lauku savstarpējai konvertējamībai. Īpaši svarīga ir “pāra” – daļiņas un antidaļiņas – pārvēršana cita “tipa” daļiņās. Pirmais, kas tika atklāts, bija elektronu un pozitronu pārvēršana elektromagnētiskā lauka kvantos - fotonos un apgrieztais pāru “ģenerēšanas” process no fotoniem ar pietiekami augstu enerģiju.

Pašlaik elementārdaļiņu sistematizācijas problēmas attīstība ir saistīta ar ideju par eksistenci. kvarki - daļiņas ar daļēju elektrisko lādiņu. Tagad tie tiek uzskatīti par “viselementārākajiem” tādā nozīmē, ka no tiem var “būvēt” visas spēcīgi mijiedarbojošās daļiņas - hadronus. No kvarku teorijas viedokļa elementārdaļiņu līmenis ir objektu apgabals, kas sastāv no kvarkiem un antikvarkiem. Turklāt, lai gan pēdējās šajā zināšanu līmenī tiek uzskatītas par vienkāršākajām, elementārākajām no zināmajām daļiņām, tām pašām ir sarežģītas īpašības - lādiņš, “šarms” (“šarms”), “krāsa” un citas neparastas kvantu fizikālās īpašības. Tāpat kā ķīmijā nevar iztikt bez jēdzieniem “atoms” un “molekula”, tā arī elementārdaļiņu fizika nevar iztikt bez jēdziena “kvarks”.

Tātad saraksts hadroni - smagās daļiņas, kurām raksturīga spēcīga mijiedarbība - sastāv no trim daļiņām: kvarks, antikvarks un savienojot tos gluons. Kopā ar tām ir apmēram desmit gaismas daļiņas - leptoni (elektroni, pozitroni, neitrīno utt.) - kas atbilst vājajai mijiedarbībai. Zināms arī fotons - elektromagnētiskās mijiedarbības nesējs. Un joprojām paliek hipotētiski, tikai teorētiski prognozēti gravitons, kas ir saistīts ar gravitācijas mijiedarbību. Par leptonu, fotonu un gravitonu iekšējo struktūru vēl nekas nav zināms. Tagad jau pastāv vairāk vai mazāk specifiska sintēzes ideja, vājo, spēcīgo un elektromagnētisko mijiedarbības veidu attiecības. Ir atklāts, ka ir iespējams izskaidrot to attiecības ar gravitācijas mijiedarbību. Tas viss liecina par teorētiskās domāšanas principiāli neierobežotās iespējas izpratnē pasaules vienotību pakāpenisku realizāciju realitātē, kas vienotības ietvaros paliek bezgalīgi daudzveidīga savās izpausmēs.

Atsauces uz 10. nodaļu

Barašenkovs V. S. Vai pastāv zinātnes robežas: materiālās pasaules kvantitatīvā un kvalitatīvā neizsmeļamība. - M., 1982. gads.

Heizenbergs V. Fizika un filozofija: daļa un veselums. - M., 1989. gads.

Zeldovičs Ja.B., Khlopovs M.Ju. Ideju drāma dabas izzināšanā: Daļiņas, lauki, lādiņi. - M., 1988. gads.

Markovs M.A. Par matērijas būtību. - M., 1976. gads.

Pakhomovs B.Ya. Mūsdienu fiziskā pasaules attēla veidošanās. -M., 1985. gads.

Sačkovs Ju.V. Ievads varbūtību pasaulē. - M., 1971. gads.

11. NODAĻA

Krievijas Federācijas ministrija

Saratovas Juridiskais institūts

Samaras filiāle

PI un PCTRP katedra

Eseja

Par tēmu: ” Elementārās daļiņas ”

Pabeiguši: kadetu 421 apmācības grupa

policijas privātais

Sizonenko A.A.

Pārbaudīja: nodaļas skolotājs

Kuzņecovs S.I.

Samara 2002. gads

Plāns

1) Ievads.

2)

3) Elementārdaļiņu pamatīpašības. Mijiedarbības nodarbības .

4)

5)

a) Vienotā simetrija.

b) Hadronu kvarku modelis

6)

7) Secinājums. Dažas vispārīgas elementārdaļiņu teorijas problēmas.

Ievads .

E . h. šī termina precīzā nozīmē - primārās, tālāk nesadalāmās daļiņas, no kurām, pieņemot, sastāv visa matērija. Koncepcijā "E.h." mūsdienu fizikā tiek izteikta ideja par pirmatnējām vienībām, kas nosaka visas zināmās materiālās pasaules īpašības, ideja, kas radās dabaszinātņu attīstības sākumposmā un vienmēr ir bijusi nozīmīga tās attīstībā.

Jēdziens "E.h." veidojas ciešā saistībā ar matērijas struktūras diskrētā rakstura nodibināšanu mikroskopiskā līmenī. Atklājums 19.-20.gadsimta mijā. mazākie matērijas īpašību nesēji - molekulas un atomi - un fakta konstatēšana, ka molekulas ir veidotas no atomiem, pirmo reizi ļāva aprakstīt visas zināmās vielas kā ierobežota, kaut arī liela skaita strukturālu elementu kombinācijas. sastāvdaļas - atomi. Turpmāka to veidojošo atomu - elektronu un kodolu klātbūtnes noteikšana, kodolu sarežģītības noteikšana, kas izrādījās veidoti tikai no divu veidu daļiņām (protoniem un neitroniem) , ievērojami samazināja diskrēto elementu skaitu, kas veido matērijas īpašības, un deva pamatu pieņemt, ka vielu veidojošo daļu ķēde beidzas ar diskrētiem bezstruktūras veidojumiem - E. ch. Šāds pieņēmums, vispārīgi runājot, ir zināmu faktu ekstrapolācija un to nevar stingri pamatot. Nav iespējams droši apgalvot, ka pastāv daļiņas, kas ir elementāras iepriekš minētās definīcijas nozīmē. Piemēram, protoniem un neitroniem, kas ilgu laiku tika uzskatīti par elektroniem, kā izrādījās, ir sarežģīta struktūra. Nevar izslēgt iespēju, ka matērijas strukturālo komponentu secība būtībā ir bezgalīga. Var arī izrādīties, ka apgalvojums “sastāv no...” kādā matērijas izpētes posmā izrādīsies bez satura. Šajā gadījumā būs jāatsakās no iepriekš sniegtās “elementāra” definīcijas. Elektronu elementa esamība ir sava veida postulāts, un tā derīguma pārbaude ir viens no svarīgākajiem uzdevumiem fizikā.

Termins "E.h." mūsdienu fizikā bieži izmanto nevis tā precīzā nozīmē, bet mazāk stingri - lai nosauktu lielu mazāko vielas daļiņu grupu, ar nosacījumu, ka tās nav atomi vai atomu kodoli (izņēmums ir vienkāršākais ūdeņraža atoma kodols - protonu). Pētījumi liecina, ka šī daļiņu grupa ir neparasti plaša. Papildus minētajam protonam (p), neitronam (n) un elektronam (e -) tajā ietilpst: fotons (g), pi-mezons (p), mions (m), trīs veidu neitrīno (elektrons). v e, muon v m un saistīti ar tā saukto. smagais leptons v t), ts dīvainas daļiņas (K-mezoni un hiperoni) , dažādas rezonanses atklātas 1974-77 y-daļiņas, “apburtas” daļiņas, upsilon daļiņas (¡) un smagie leptoni (t + , t -) - kopā vairāk nekā 350 daļiņas, pārsvarā nestabilas. Šajā grupā iekļauto daļiņu skaits turpina pieaugt un, visticamāk, ir neierobežots; Turklāt lielākā daļa uzskaitīto daļiņu neatbilst stingrai elementaritātes definīcijai, jo saskaņā ar mūsdienu koncepcijām tās ir saliktas sistēmas (skatīt zemāk). Nosaukuma "E.h." Visām šīm daļiņām ir vēsturiski iemesli un tas ir saistīts ar to izpētes periodu (20. gs. 30. gadu sākums), kad vienīgie zināmie šīs grupas pārstāvji bija protons, neitrons, elektrons un elektromagnētiskā lauka daļiņa - fotons. Tad bija dabiski uzskatīt šīs četras daļiņas par elementārām, jo ​​tās kalpoja par pamatu apkārtējās vielas uzbūvei un elektromagnētiskajam laukam, kas ar to mijiedarbojas, un protona un neitrona sarežģītā struktūra nebija zināma.

Jaunu mikroskopisku vielas daļiņu atklāšana šo vienkāršo attēlu pakāpeniski iznīcināja. Tomēr jaunatklātās daļiņas daudzos aspektos bija tuvas pirmajām četrām zināmajām daļiņām. Tos vienojošā īpašība ir tāda, ka tās visas ir specifiskas matērijas eksistences formas, kas nav saistītas ar kodoliem un atomiem (dažreiz šī iemesla dēļ tās sauc par “subkodoldaļiņām”). Lai gan šādu daļiņu skaits nebija ļoti liels, saglabājās uzskats, ka tām ir būtiska loma matērijas struktūrā, un tās tika klasificētas kā E. daļiņas. Subnukleāro daļiņu skaita pieaugums, sarežģītas struktūras identificēšana daudzos no tiem parādīja, ka tiem, kā likums, nav elementāru īpašību, bet gan tradicionālais nosaukums "E. h." viņiem saglabāts.

Saskaņā ar iedibināto praksi termins "E. h." turpmāk tiks izmantots kā vispārīgs nosaukums. subnukleārās daļiņas. Gadījumos, kad runa ir par daļiņām, kas pretendē uz matērijas primārajiem elementiem, nepieciešamības gadījumā tiks lietots termins “īstā E. daļiņa”.

Īsa vēsturiska informācija.

Elektronu daļiņu atklāšana bija dabisks rezultāts vispārējiem panākumiem matērijas struktūras izpētē, ko fizika panāca 19. gadsimta beigās. Tas tika sagatavots, veicot visaptverošus atomu optisko spektru pētījumus, elektrisko parādību izpēti šķidrumos un gāzēs, atklājot fotoelektriskumu, rentgena starus un dabisko radioaktivitāti, kas norādīja uz sarežģītas vielas struktūras esamību.

Vēsturiski pirmais atklātais elektronu elements bija elektrons, negatīvā elementārā elektriskā lādiņa nesējs atomos. 1897. gadā J. J. Tomsons konstatēja, ka t.s. katoda starus veido sīku daļiņu plūsma, ko sauc par elektroniem. 1911. gadā E. Raterfords, izlaižot alfa daļiņas no dabiskā radioaktīvā avota caur plānām dažādu vielu folijām, konstatēja, ka pozitīvais lādiņš atomos koncentrējas kompaktos veidojumos - kodolos, un 1919. gadā atklāj protonus - daļiņas ar vienību pozitīvu lādiņu. un masa 1840 reizes lielāka par elektrona masu. Citu daļiņu, kas ir daļa no kodola, neitronu, 1932. gadā atklāja Dž.Čadviks, pētot alfa daļiņu mijiedarbību ar beriliju. Neitrona masa ir tuvu protona masai, bet tam nav elektriskā lādiņa. Neitrona atklāšana pabeidza daļiņu identificēšanu - atomu struktūras elementus un to kodolus.

Secinājums par elektromagnētiskā lauka daļiņas - fotona - esamību radies no M. Planka (1900) darba. Pieņemot, ka elektromagnētiskā starojuma enerģija no absolūti melna ķermeņa ir kvantēta, Planks ieguva pareizo radiācijas spektra formulu. Izstrādājot Planka ideju, A. Einšteins (1905) postulēja, ka elektromagnētiskais starojums (gaisma) patiesībā ir atsevišķu kvantu (fotonu) plūsma, un uz tā pamata izskaidroja fotoelektriskā efekta likumus. Tiešos eksperimentālos pierādījumus fotona esamībai sniedza R. Millikans (1912-1915) un A. Komptons (1922; sk. Komptona efektu).

Neitrīno, daļiņas, kas gandrīz neiedarbojas ar vielu, atklāšana izriet no V. Pauli (1930) teorētiskā minējuma, kas, ņemot vērā pieņēmumu par šādas daļiņas dzimšanu, ļāva novērst grūtības ar likumu. enerģijas saglabāšanu radioaktīvo kodolu beta sabrukšanas procesos. Neitrīno eksistence tika eksperimentāli apstiprināta tikai 1953. gadā (F. Reines un K. Cowan, ASV).

No 30. gadiem līdz 50. gadu sākumam. Elektronu daļiņu izpēte bija cieši saistīta ar kosmisko staru izpēti. 1932. gadā K. Andersons kosmiskajos staros atklāj pozitronu (e +) - daļiņu ar elektrona masu, bet ar pozitīvu elektrisko lādiņu. Pozitros bija pirmā atklātā antidaļiņa (skatīt zemāk). e+ esamība tieši izrietēja no elektronu relativistiskās teorijas, ko izstrādāja P. Diraks (1928-31) neilgi pirms pozitrona atklāšanas. 1936. gadā amerikāņu fiziķi K. Andersons un S. Neddermeijers, pētot osmiskos starus, atklāja mionus (abas elektriskā lādiņa pazīmes) - daļiņas, kuru masa ir aptuveni 200 elektronu masas, bet citādi pārsteidzoši līdzīgas e -, e + .

1947. gadā arī kosmiskajos staros S. Pauela grupa atklāja p + un p - mezonus ar 274 elektronu masu masu, kam ir nozīmīga loma protonu mijiedarbībā ar neitroniem kodolos. Šādu daļiņu esamību ierosināja H. Jukava 1935. gadā.

40. gadu beigas - 50. gadu sākums. tika atklāta liela daļiņu grupa ar neparastām īpašībām, ko sauca par "dīvainiem". Pirmās šīs grupas daļiņas K + - un K - -mezoni, L-, S + -, S - -, X - - hiperoni tika atklāti kosmiskajos staros, vēlāk tika atklātas dīvainas daļiņas pie paātrinātājiem - instalācijām, kas radīt intensīvas ātru protonu un elektronu plūsmas. Kad paātrināti protoni un elektroni saduras ar vielu, tie rada jaunas elektronu daļiņas, kas kļūst par pētījuma priekšmetu.

Kopš 50. gadu sākuma. 70. gados paātrinātāji kļuva par galveno elektronu daļiņu izpētes instrumentu. Akseleratoros paātrināto daļiņu enerģija sasniedza desmitiem un simtiem miljardu elektronvoltu ( Gav). Vēlme palielināt daļiņu enerģijas ir saistīta ar to, ka augstas enerģijas paver iespēju pētīt matērijas struktūru mazākos attālumos, jo augstāka ir sadursmju daļiņu enerģija. Paātrinātāji ir ievērojami palielinājuši jaunu datu iegūšanas ātrumu un īsā laikā paplašinājuši un bagātinājuši mūsu zināšanas par mikropasaules īpašībām. Paātrinātāju izmantošana dīvainu daļiņu pētīšanai ļāva sīkāk izpētīt to īpašības, jo īpaši sabrukšanas pazīmes, un drīz vien noveda pie svarīga atklājuma: tika noskaidrota iespēja mainīt dažu mikroprocesu īpašības spoguļa darbības laikā. atspulgs (sk. Telpiskā inversija) - ts telpu pārkāpšana. paritāte (1956). Protonu paātrinātāju nodošana ekspluatācijā ar enerģiju miljardos evļāva atklāt smagas antidaļiņas: antiprotonu (1955), antineitronu (1956), antisigma hiperonus (1960). 1964. gadā tika atklāts smagākais hiperons W - (ar masu aptuveni divas protonu masas). 1960. gados Pie paātrinātājiem tika atklāts liels skaits ārkārtīgi nestabilu (salīdzinājumā ar citām nestabilām elektronu daļiņām) daļiņām, ko sauc par “rezonansi”. Lielākā daļa rezonanšu masas pārsniedz protona masu. Pirmais no tiem, D 1 (1232), ir zināms kopš 1953. gada. Izrādījās, ka rezonanses veido galveno elektronu frekvences daļu.

1962. gadā tika atklāts, ka pastāv divi dažādi neitrīno: elektrons un mions. 1964. gadā neitrālu K-mezonu sabrukumos. nesaglabāšana t.s kombinētā paritāte (ieviesa Li Tsung-dao un Yang Zhen-ning un neatkarīgi L. D. Landau 1956. gadā; skatiet kombinēto inversiju) , kas nozīmē nepieciešamību pārskatīt ierastos uzskatus par fizisko procesu uzvedību laika refleksijas darbības laikā (sk. CPT teorēmu) .

1974. gadā tika atklātas masīvas (3-4 protonu masas) un tajā pašā laikā samērā stabilas y-daļiņas, kuru kalpošanas laiks ir neparasti garš rezonansei. Tās izrādījās cieši saistītas ar jauno elektronu daļiņu saimi – “apburtajām”, kuru pirmie pārstāvji (D 0, D +, L c) tika atklāti 1976. gadā. 1975. gadā tika iegūta pirmā informācija par elektrona un miona smagā analoga esamība (smagais leptons t). 1977. gadā tika atklātas β-daļiņas ar aptuveni desmit protonu masu.

Tādējādi gadu gaitā kopš elektrona atklāšanas ir identificēts milzīgs skaits dažādu matērijas mikrodaļiņu. E. h pasaule izrādījās diezgan sarežģīta. Atklāto elektronu daļiņu īpašības daudzos aspektos bija negaidītas. lai aprakstītu dīvainas elektronu daļiņas . . h. - "šarms" (amerikāņu fiziķi J. Bjorken, S. Glashow, 1964); Doto raksturlielumu nosaukumi jau atspoguļo to aprakstīto elementu īpašību neparasto raksturu.

Kopš pirmajiem soļiem matērijas iekšējās struktūras un elektronu īpašību izpēti pavadīja daudzu iedibināto koncepciju un ideju radikāla pārskatīšana. Likumi, kas regulē matērijas uzvedību mazajā, izrādījās tik atšķirīgi no klasiskās mehānikas un elektrodinamikas likumiem, ka to aprakstam bija nepieciešamas pilnīgi jaunas teorētiskas konstrukcijas. Šādas jaunas fundamentālas konstrukcijas teorijā bija īpašās (speciālās) un vispārējās relativitātes teorijas (A. Einšteins, 1905 un 1916; sk. Relativitātes teorija, Gravitācija) un kvantu mehānika (1924-27; N. Bohr, L. de Broglie, V. Heizenbergs, E. Šrēdingers, M. Borns) . Relativitātes teorija un kvantu mehānika iezīmēja patiesu revolūciju dabas zinātnē un lika pamatus mikropasaules parādību aprakstam. Tomēr kvantu mehānika izrādījās nepietiekama, lai aprakstītu procesus, kas notiek elektronu daļiņās. Bija nepieciešams nākamais solis – klasisko lauku kvantēšana (tā sauktā sekundārā kvantēšana) un kvantu lauka teorijas izstrāde. Svarīgākie posmi tās attīstības ceļā bija: kvantu elektrodinamikas formulēšana (P. Diraks, 1929), b-sabrukšanas kvantu teorija (E. Fermi, 1934), kas lika pamatus mūsdienu vājuma teorijai. mijiedarbības, kvantu mezodinamika (Yukawa, 1935). Pēdējā tiešais priekštecis bija t.s. b-kodolspēku teorija (I.E. Tamm, D.D. Ivanenko, 1934; sk. Spēcīgas mijiedarbības). Šis periods beidzās ar konsekventa kvantu elektrodinamikas skaitļošanas aparāta izveidi (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944-49), pamatojoties uz renormalizācijas tehnikas izmantošanu (sk. Kvantu lauka teorija). Pēc tam šī metode tika vispārināta citiem kvantu lauka teorijas variantiem.

Kvantu lauka teorija turpina attīstīties un pilnveidoties, un tā ir pamats elektronu daļiņu mijiedarbības aprakstam. Šai teorijai ir vairāki nozīmīgi panākumi, taču tā joprojām ir ļoti tālu no pilnīgas un nevar pretendēt uz visaptverošu elektronu daļiņu teoriju. Daudzu elektronu īpašību izcelsme un to raksturīgās mijiedarbības raksturs joprojām ir neskaidrs. Iespējams, ka, pirms tiks konstruēta elektronu daļiņu teorija, būs nepieciešama vairāk nekā viena visu ideju pārstrukturēšana un daudz dziļāka izpratne par mikrodaļiņu īpašību saistību ar laiktelpas ģeometriskajām īpašībām.

Elementārdaļiņu pamatīpašības. Mijiedarbības nodarbības.

Visas elektronu daļiņas ir ārkārtīgi mazas masas un izmēra objekti. Lielākajai daļai no tiem ir protonu masas kārta, kas vienāda ar 1,6 × 10 -24 g (tikai elektronu masa ir ievērojami mazāka: 9 × 10 -28 g). Eksperimentāli noteiktie protona, neitrona un p-mezona izmēri ir vienādi ar 10 -13 cm. Elektrona un mūona izmērus nevar noteikt, ir zināms tikai tas, ka tie ir mazāki par 10 -15 cm Elektronu daļiņu mikroskopiskās masas un izmēri veido to uzvedības kvantu specifiku. Raksturīgie viļņu garumi, kas kvantu teorijā būtu jāpiešķir elektronu daļiņām (kur ir Planka konstante, m ir daļiņas masa, c ir gaismas ātrums), ir tuvi pēc lieluma tipiskajiem izmēriem, kuros notiek to mijiedarbība ( piemēram, p- mezonam 1,4×10 -13 cm). Tas noved pie tā, ka kvantu likumi ir izšķiroši elektronu daļiņām.

Visu elektronu daļiņu vissvarīgākā kvantu īpašība ir to spēja radīt un iznīcināt (izstarot un absorbēt), mijiedarbojoties ar citām daļiņām. Šajā ziņā tie ir pilnīgi analogi fotoniem. E. daļiņas ir specifiski matērijas kvanti, precīzāk, atbilstošo fizisko lauku kvanti (skat. zemāk). Visi procesi, kuros iesaistītas elektronu daļiņas, notiek caur absorbcijas un emisijas darbību secību. Tikai uz tā pamata var saprast, piemēram, p + mezona rašanās procesu divu protonu sadursmē (p + p ® p + n+ p +) vai elektrona un pozitrona anihilācijas procesu, kad pazudušo daļiņu vietā, piemēram, parādās divi g-kvanti ( e + +e - ® g + g). Bet daļiņu elastīgās izkliedes procesi, piemēram, e - +p ® e - + p, ir saistīti arī ar sākotnējo daļiņu absorbciju un galīgo daļiņu dzimšanu. Nestabilu elektronu daļiņu sadalīšanās vieglākās daļiņās, ko pavada enerģijas izdalīšanās, notiek pēc tās pašas shēmas un ir process, kurā sabrukšanas produkti rodas pašā sabrukšanas brīdī un līdz šim brīdim nepastāv. Šajā ziņā elektronu daļiņas sabrukšana ir līdzīga ierosināta atoma sabrukšanai par atomu pamatstāvoklī un fotonu. Elektroķīmisko sabrukšanas piemēri ir: ; p + ® m + + v m ; К + ® p + + p 0 ("tildes" zīme virs daļiņu simbola turpmāk apzīmē atbilstošās antidaļiņas).

Dažādi procesi ar E. h izteikti atšķiras pēc to rašanās intensitātes. Saskaņā ar to elektromagnētisko daļiņu mijiedarbību fenomenoloģiski var iedalīt vairākās klasēs: stiprā, elektromagnētiskā un vājā mijiedarbība. Visām elektronu daļiņām ir arī gravitācijas mijiedarbība.

Spēcīga mijiedarbība tiek identificēta kā mijiedarbība, kas izraisa procesus, kas notiek ar vislielāko intensitāti starp visiem citiem procesiem. Tie rada arī spēcīgāko elektronu saiti. Tā ir spēcīgā mijiedarbība, kas nosaka protonu un neitronu saikni atomu kodolos un nodrošina šo veidojumu izcilo spēku, kas ir matērijas stabilitātes pamatā zemes apstākļos.

Elektromagnētisko mijiedarbību raksturo kā mijiedarbību, kuras pamatā ir savienojums ar elektromagnētisko lauku. To izraisītie procesi ir mazāk intensīvi nekā spēcīgas mijiedarbības procesi, un saikne starp to radītajiem elektronu spēkiem ir manāmi vājāka. Jo īpaši elektromagnētiskā mijiedarbība ir atbildīga par atomu elektronu savienojumu ar kodoliem un atomu savienojumu molekulās.

Vāja mijiedarbība, kā liecina pats nosaukums, izraisa ļoti lēni notiekošus procesus ar elektronu daļiņām. To zemo intensitāti var ilustrēt ar to, ka neitrīni, kuriem ir tikai vāja mijiedarbība, netraucēti iekļūst, piemēram, Zemes un Saules biezumā. . Vāja mijiedarbība izraisa arī lēnu ts sabrukšanu. Kvazistabilu elektronu daļiņu kalpošanas laiks ir diapazonā no 10 -8 -10 -10 sekundēm, savukārt tipisks laiks spēcīgai elektronu daļiņu mijiedarbībai ir 10 -23 -10 -24 sekundes.

Gravitācijas mijiedarbība, kas ir labi pazīstama ar savām makroskopiskajām izpausmēm, elektronu daļiņu gadījumā, kas atrodas raksturīgā attālumā ~ 10–13 cm, rada ārkārtīgi mazus efektus mazo elektronu daļiņu masu dēļ.

Dažādu mijiedarbības klašu stiprumu var aptuveni raksturot ar bezdimensiju parametriem, kas saistīti ar atbilstošo mijiedarbību konstantu kvadrātiem. Protonu spēcīgai, elektromagnētiskai, vājai un gravitācijas mijiedarbībai ar vidējo procesa enerģiju ~1 GeV šie parametri korelē kā 1:10 -2: l0 -10:10 -38. Nepieciešamība norādīt procesa vidējo enerģiju ir saistīta ar to, ka vājām mijiedarbībām bezizmēra parametrs ir atkarīgs no enerģijas. Turklāt pašu dažādu procesu intensitāte ir atšķirīgi atkarīga no enerģijas. Tas noved pie tā, ka dažādu mijiedarbību relatīvā loma, vispārīgi runājot, mainās, palielinoties mijiedarbojošo daļiņu enerģijai, tāpēc mijiedarbības sadalījums klasēs, pamatojoties uz procesu intensitātes salīdzinājumu, tiek ticami veikts pārāk augstas enerģijas. Tomēr dažādām mijiedarbības klasēm ir arī citas specifiskas iezīmes, kas saistītas ar dažādām to simetrijas īpašībām (skat. Simetriju fizikā), kas veicina to atdalīšanos pie augstākām enerģijām. Tas, vai šis mijiedarbības sadalījums klasēs tiks saglabāts augstāko enerģiju robežās, joprojām nav skaidrs.

Atkarībā no līdzdalības noteikta veida mijiedarbībās visas pētītās elektronu daļiņas, izņemot fotonu, tiek iedalītas divās galvenajās grupās: hadronos (no grieķu hadros - lieli, spēcīgi) un leptoni (no grieķu leptos - mazi, plāns, viegls). Hadronus galvenokārt raksturo fakts, ka tiem ir spēcīga mijiedarbība, kā arī elektromagnētiskā un vājā mijiedarbība, savukārt leptoni piedalās tikai elektromagnētiskajā un vājajā mijiedarbībā. (Tiek norādīts, ka abām grupām ir kopīgas gravitācijas mijiedarbības.) Hadronu masas ir tuvu protonu masai (m p); P-mezonam ir minimālā masa starp hadroniem: t p "m 1/7×t p. Līdz 1975.-76. gadam zināmās leptonu masas bija nelielas (0,1 m p), tomēr jaunākie dati acīmredzot liecina par iespējamu smagie leptoni ar tādu pašu masu kā hadroni Pirmie pētītie hadronu pārstāvji bija protoni un neitroni, elektronu, kam ir tikai elektromagnētiska mijiedarbība, nevar klasificēt kā hadronus vai leptonus, un tas ir jāklasificē kā atsevišķa grupa 70. gados izstrādātās idejas, fotons (daļiņa ar nulles miera masu) ir iekļauts vienā grupā ar ļoti masīvām daļiņām - tā sauktajiem starpposma vektora bozoniem, kas ir atbildīgi par vāju mijiedarbību un vēl nav eksperimentāli novēroti (sk. sadaļa Elementārās daļiņas un kvantu lauka teorija).

Elementārdaļiņu raksturojums.

Katru elementu, kā arī specifisko mijiedarbību, kas tam raksturīga, apraksta noteiktu fizisko lielumu vai tā īpašību diskrētu vērtību kopums. Dažos gadījumos šīs diskrētās vērtības tiek izteiktas ar veseliem vai daļskaitļiem un kādu kopīgu faktoru - mērvienību; Par šiem skaitļiem runā kā par E. skaitļu kvantu skaitļiem, un tikai tie ir norādīti, izlaižot mērvienības.

Visu elektronu daļiņu kopīgās īpašības ir masa (m), kalpošanas laiks (t), spin (J) un elektriskais lādiņš (Q). Joprojām nav pietiekamas izpratnes par likumu, saskaņā ar kuru tiek sadalītas elektronu daļiņu masas un vai tām ir kāda mērvienība.

Atkarībā no dzīves ilguma elektronu daļiņas iedala stabilās, kvazistabilās un nestabilās (rezonanses). Mūsdienu mērījumu precizitātes robežās stabili ir elektrons (t > 5×10 21 gads), protons (t > 2×10 30 gadi), fotons un neitrīno. Kvazistabilās daļiņas ietver daļiņas, kas sadalās elektromagnētiskās un vājās mijiedarbības dēļ. To mūžs ir > 10 -20 sek (brīvam neitronam pat ~ 1000 sek). Elementārdaļiņas, kas sadalās spēcīgas mijiedarbības dēļ, sauc par rezonansi. To raksturīgais kalpošanas laiks ir 10 -23 -10 -24 sekundes. Dažos gadījumos smago rezonanšu (ar masu ³ 3 GeV) samazināšanās spēcīgas mijiedarbības dēļ tiek nomākta un kalpošanas laiks palielinās līdz vērtībām ~ 10 -20 sek.

E. h spin ir vērtības vesels vai pusvesels skaitlis. Šajās vienībās p- un K-mezonu spins ir 0, protonam, neitronam un elektronam J = 1/2, fotonam J = 1. Ir daļiņas ar lielāku spinu. Elektronu daļiņas spina lielums nosaka identisku (identisku) daļiņu ansambļa uzvedību jeb to statistiku (W. Pauli, 1940). Daļiņas ar pusvesela skaitļa griešanos ir pakļautas Fermi-Dirac statistikai (tātad nosaukums fermions), kas prasa sistēmas viļņu funkcijas antisimetriju attiecībā uz daļiņu pāra (vai nepāra skaita pāru) permutāciju un, tādēļ “aizliedz” divām pusvesela skaitļa spina daļiņām atrasties vienā stāvoklī (Pauli princips). Vesela skaitļa griešanās daļiņas ir pakļautas Bozes-Einšteina statistikai (tātad nosaukums bozoniem), kas prasa viļņu funkcijas simetriju attiecībā pret daļiņu permutācijām un ļauj jebkuram daļiņu skaitam atrasties vienā stāvoklī. Elektronu daļiņu statistiskās īpašības izrādās nozīmīgas gadījumos, kad dzimšanas vai sairšanas laikā veidojas vairākas identiskas daļiņas. Fermi-Diraka statistikai ir arī ārkārtīgi svarīga loma kodolu struktūrā un tā nosaka atomu apvalku piepildīšanas modeļus ar elektroniem, kas ir D. I. Mendeļejeva periodiskās elementu sistēmas pamatā.

Pētīto E. daļiņu elektriskie lādiņi ir vērtības e "1,6×10 -19 k veseli daudzkārtņi un tiek saukti par elementāro elektrisko lādiņu. Zināmajām E. daļiņām Q = 0, ±1, ±2.

Papildus norādītajiem daudzumiem enerģijas daļiņas papildus raksturo vairāki kvantu skaitļi un tiek sauktas par iekšējām. Leptoniem ir divu veidu specifisks leptona lādiņš L: elektroniskais (L e) un muoniskais (L m); L e = +1 elektronu un elektronu neitrīno, L m = +1 negatīvam mionam un miona neitrīnam. Smags leptons t; un ar to saistītais neitrīno, acīmredzot, ir jauna veida leptona lādiņa nesēji L t.

Hadroniem L = 0, un šī ir vēl viena izpausme to atšķirībai no leptoniem. Savukārt nozīmīgas hadronu daļas būtu attiecināmas uz īpašu bariona lādiņu B (|E| = 1). Hadroni ar B = +1 veido barionu apakšgrupu (tas ietver protonu, neitronu, hiperonus, barionu rezonanses), un hadroni ar B = 0 veido mezonu apakšgrupu (p- un K-mezoni, bozona rezonanses). Hadronu apakšgrupu nosaukums cēlies no grieķu vārdiem barýs - smags un mésos - vidējs, kas sākotnējā elektronu daļiņu izpētes posmā atspoguļoja tajā laikā zināmās barionu un mezonu masu salīdzinošās vērtības. Vēlāki dati parādīja, ka barionu un mezonu masas ir salīdzināmas. Leptoniem B = 0. Fotoniem B = 0 un L = 0.

Barioni un mezoni tiek iedalīti jau minētajos agregātos: parastajās (ne dīvainajās) daļiņās (protons, neitroni, p-mezoni), dīvainās daļiņas (hiperoni, K-mezoni) un apburtās daļiņas. Šis dalījums atbilst īpašu kvantu skaitļu klātbūtnei hadronos: dīvainība S un šarms (angļu šarms) Ch ar pieļaujamām vērtībām: 151 = 0, 1, 2, 3 un |Ch| = 0, 1, 2, 3. Parastām daļiņām S = 0 un Ch = 0, dīvainām daļiņām |S| ¹ 0, Ch = 0, burvīgām daļiņām |Ch| ¹ 0 un |S| = 0, 1, 2. Dīvainības vietā bieži tiek izmantots kvantu skaitļu hiperlādiņš Y = S + B, kam acīmredzot ir fundamentālāka nozīme.

Jau pirmie pētījumi ar parastajiem hadroniem atklāja to daļiņu saimes, kurām ir līdzīga masa, ar ļoti līdzīgām īpašībām attiecībā uz spēcīgu mijiedarbību, bet ar atšķirīgām elektriskā lādiņa vērtībām. Protons un neitroni (nukleoni) bija pirmais šādas ģimenes piemērs. Vēlāk līdzīgas ģimenes tika atklātas starp dīvainajiem un (1976. gadā) starp apburošajiem hadroniem. Šādās saimēs iekļauto daļiņu īpašību kopīgums atspoguļo to, ka tajās ir viena un tā pati īpaša kvantu skaitļa vērtība - izotopu spins I, kas, tāpat kā parastais spins, ņem veselu un pusveselu skaitļu vērtības. Pašas ģimenes parasti sauc par izotopu multipletiem. Daļiņu skaits multipletā (n) ir saistīts ar I ar sakarību: n = 2I + 1. Viena izotopu multipleta daļiņas atšķiras viena no otras ar izotopu spina I 3 “projekcijas” vērtību, un

Svarīga hadronu īpašība ir arī iekšējā paritāte P, kas saistīta ar telpu darbību, inversiju: ​​P ņem vērtības ±1.

Visām elektronu daļiņām ar nulles vērtībām vismaz vienā no lādiņiem O, L, B, Y (S) un šarmu Ch ir antidaļiņas ar vienādām masas vērtībām, dzīves ilgumu t, spinu J un izotopu spin 1 hadroniem, bet ar pretējām visu lādiņu zīmēm un barioniem ar pretēju iekšējās paritātes zīmi P. Daļiņas, kurām nav antidaļiņu, sauc par absolūti (patiesi) neitrālām. Absolūti neitrāliem hadroniem ir īpašs kvantu skaitlis - lādiņa paritāte (t.i., paritāte attiecībā pret lādiņa konjugācijas operāciju) C ar vērtībām ±1; šādu daļiņu piemēri ir fotons un p 0 .

Elektronu kvantu skaitļus iedala precīzos (tas ir, tajos, kas saistīti ar fizikāliem daudzumiem, kas tiek saglabāti visos procesos) un neprecīzajos (kuriem attiecīgie fizikālie daudzumi dažos procesos netiek saglabāti). Spin J ir saistīts ar stingru leņķiskā impulsa saglabāšanas likumu, un tāpēc tas ir precīzs kvantu skaitlis. Citi precīzi kvantu skaitļi: Q, L, B; Saskaņā ar mūsdienu datiem tie tiek saglabāti visu elektronu elementa transformāciju laikā. Protona stabilitāte ir tieša B saglabāšanās izpausme (piemēram, nav sabrukšanas p ® e + + g). Tomēr lielākā daļa hadronu kvantu skaitļu ir neprecīzi. Izotopiskais spins, lai gan tas ir saglabāts spēcīgā mijiedarbībā, netiek saglabāts elektromagnētiskajā un vājajā mijiedarbībā. Dīvainība un šarms tiek saglabāti spēcīgajā un elektromagnētiskajā mijiedarbībā, bet ne vājajā mijiedarbībā. Vāja mijiedarbība maina arī iekšējo un lādiņu paritāti. CP kombinētā paritāte tiek saglabāta ar daudz lielāku precizitātes pakāpi, taču tā tiek pārkāpta arī dažos procesos, ko izraisa vāja mijiedarbība. Iemesli, kas izraisa daudzu hadronu kvantu skaitļu nesaglabāšanos, ir neskaidri un acīmredzot saistīti gan ar šo kvantu skaitļu raksturu, gan ar elektromagnētiskās un vājās mijiedarbības dziļo struktūru. Atsevišķu kvantu skaitļu saglabāšana vai nesaglabāšanās ir viena no būtiskām elektronu daļiņu mijiedarbības klašu atšķirību izpausmēm.

Elementārdaļiņu klasifikācija.

Vienotā simetrija. Leptonu klasifikācija vēl nesagādā problēmas lielais hadronu skaits, kas bija zināms jau 50. gadu sākumā, ļāva meklēt barionu un mezonu masu un kvantu skaitļu sadalījuma modeļus, kas varētu būt par pamatu; to klasifikācijai. Hadronu izotopu multipletu identificēšana bija pirmais solis šajā ceļā. No matemātiskā viedokļa hadronu grupēšana izotopu multipletos atspoguļo simetrijas klātbūtni, kas saistīta ar rotācijas grupu (skatīt grupu) , formālāk, ar grupu S.U.(2) - unitāru transformāciju grupa kompleksā divdimensiju telpā. Tiek pieņemts, ka šīs transformācijas darbojas noteiktā iekšējā telpā - “izotopu telpā”, kas atšķiras no parastās. Izotopu telpas esamība izpaužas tikai novērojamajās simetrijas īpašībās. Matemātiskajā valodā izotopu multipleti ir nereducējami simetrijas grupas attēlojumi S.U. (2).

Simetrijas jēdziens kā faktors, kas nosaka dažādu elektronu daļiņu grupu un ģimeņu pastāvēšanu mūsdienu teorijā, dominē hadronu un citu elektronu daļiņu klasifikācijā. Tiek pieņemts, ka elektronu daļiņu iekšējais kvantu skaits ļauj izšķir noteiktas daļiņu grupas, ir saistītas ar īpašiem simetriju veidiem, kas rodas, pateicoties transformāciju brīvībai īpašās “iekšējās” telpās. No šejienes cēlies nosaukums “iekšējie kvantu skaitļi”.

Rūpīga pārbaude liecina, ka dīvaini un parastie hadroni kopā veido plašākas daļiņu asociācijas ar līdzīgām īpašībām nekā izotopu multipleti. Tos sauc par supermultipletiem. Novērotajos supermultipletos iekļauto daļiņu skaits ir 8 un 10. No simetriju viedokļa supermultipletu rašanās tiek interpretēta kā simetrijas grupas eksistences izpausme hadronos, kas platāki par grupu. S.U.(2), proti: S.U.(3) - unitāro transformāciju grupas trīsdimensiju kompleksajā telpā (M. Gell-Man un neatkarīgi Y. Neeman, 1961). Attiecīgo simetriju sauc vienota simetrija. Grupa S.U.(3) jo īpaši ir nereducējami attēlojumi ar komponentu skaitu 8 un 10, kas atbilst novērotajiem supermultipletiem: oktetam un dekupletam. Piemēri ietver šādas daļiņu grupas ar vienādām vērtībām JP:

Visām supermultipleta daļiņām kopīgas ir divu lielumu vērtības, kas pēc savas matemātiskās būtības ir tuvi izotopu spinam un tāpēc tos bieži sauc par unitāro spinu. Oktetam ar šiem lielumiem saistīto kvantu skaitļu vērtības ir vienādas ar (1, 1), dekupletam - (3, 0).

Vienotā simetrija ir mazāk precīza nekā izotopu simetrija. Atbilstoši tam oktetos un dekupletos iekļauto daļiņu masu atšķirība ir diezgan būtiska. Tā paša iemesla dēļ hadronu sadalīšana supermultipletos ir salīdzinoši vienkārša elektronu daļiņām ar ne pārāk lielu masu. Lielām masām, kad ir daudz dažādu daļiņu ar līdzīgām masām, šī sadalīšana ir mazāk uzticama. Tomēr elementārdaļiņu īpašībās ir daudz dažādu vienotas simetrijas izpausmju.

Apburto hadronu iekļaušana elementārdaļiņu sistemātikā ļauj runāt par supersupermultipletiem un vēl plašākas simetrijas esamību, kas saistīta ar unitāro grupu. S.U.(4). Pagaidām nav pilnībā aizpildītu supersupermultipletu piemēru. S.U.(4)-simetrija tiek lauzta vēl spēcīgāk nekā S.U.(3)-simetrija, un tās izpausmes ir mazāk izteiktas.

Simetrijas īpašību atklāšana hadronos, kas saistīti ar unitārām grupām un dalīšanās modeļiem multipletos, kas atbilst stingri definētiem šo grupu priekšstatiem, bija pamats secinājumam par īpašu strukturālo elementu esamību hadronos - kvarkos.

Hadronu kvarku modelis. Jau no pirmajiem soļiem hadronu klasifikācijas darba attīstību pavadīja mēģinājumi identificēt starp tām daļiņas, kas bija fundamentālākas par pārējām, kas varētu kļūt par pamatu visu hadronu uzbūvei. Šo pētījumu virzienu uzsāka E. Fermi un Yang Chen-ning (1949), kuri ierosināja, ka šādas fundamentālās daļiņas ir nukleons (N) un antinukleons (), un p-mezoni ir to saistītie stāvokļi (). Šīs idejas tālākai attīstībai starp fundamentālajām daļiņām tika iekļauti arī dīvaini barioni (M. A. Markov, 1955; japāņu fiziķis S. Sakata, 1956; L. B. Okun, 1957). Uz šī pamata uzbūvētie modeļi labi aprakstīja mezona multipletus, taču nesniedza pareizu barionu multipletu aprakstu. Šo modeļu svarīgākais elements - neliela skaita fermionu izmantošana hadronu "konstruēšanai" - tika organiski iekļauts modelī, kas visveiksmīgāk atrisina visu hadronu aprakstīšanas problēmu - kvarku modelī (Austriešu fiziķis G. Cveigs un neatkarīgi M. Gell-Man, 1964).

Sākotnējā versijā modelis tika balstīts uz pieņēmumu, ka visi zināmie hadroni ir veidoti no trīs veidu spina 1/2 daļiņām, t.s. p-, n-, l-kvarki, kas neietilpst novēroto hadronu skaitā un kuriem ir ļoti neparastas īpašības. Nosaukums "kvarki" ir aizgūts no Dž. Džoisa romāna (skat. Kvarki) . Modeļa modernā versija paredz, ka pastāv vismaz četri kvarku veidi. Ceturtais kvarks ir nepieciešams, lai aprakstītu apburtos hadronus.

Kvarku ideju ierosina vienota simetrija. Vienotu grupu matemātiskā struktūra paver iespēju aprakstīt visas grupas reprezentācijas S.U. (n) (un līdz ar to arī visi hadronu multipleti), pamatojoties uz vienkāršāko grupas attēlojumu, kas satur n komponents. Grupas gadījumā S.U.(3) ir trīs šādas sastāvdaļas. Ir tikai jāpieņem, ka pastāv daļiņas, kas saistītas ar šo vienkāršāko attēlojumu. Šīs daļiņas ir kvarki. Mezonu un barionu kvarku sastāvs tika secināts no tā, ka mezonu supermultipleti parasti satur 8 daļiņas, bet barioni - 8 un 10 daļiņas. Šo modeli var viegli atveidot, ja pieņemam, ka mezoni sastāv no kvarkiem q un antikvarks - simboliski: , un trīs kvarku barioni - simboliski: IN = (qqq). Sakarā ar grupas īpašībām S.U.(3) 9 mezoni ir sadalīti supermultipletos pa 1 un 8 daļiņām, un 27 barioni ir sadalīti supermultipletos, kas satur 1, 10 un divreiz 8 daļiņas, kas izskaidro novēroto oktetu un dekupletu atdalīšanu.

Ceturtā kvarka (un, ja nepieciešams, jaunu papildu kvarku) pievienošana shēmai tiek veikta, saglabājot kvarku modeļa pamatpieņēmumu par hadronu struktūru:

B = (qqq).

Visi eksperimentālie dati labi saskan ar doto hadronu kvarku sastāvu. Acīmredzot ir tikai nelielas novirzes no šīs struktūras, kas būtiski neietekmē hadronu īpašības.

Norādītā hadronu struktūra un kvarku matemātiskās īpašības kā objekti, kas saistīti ar noteiktu (vienkāršāko) grupas attēlojumu S.U.(4), vediet uz sekojošo. kvarku kvantu skaitļi (2. tabula). Ņemiet vērā neparastās - daļējās - elektriskā lādiņa vērtības J, un B, S Un Y, nav atrasts nevienā no novērotajām elektronu daļiņām ar indeksu a katram kvarka veidam qi (i = 1, 2, 3, 4) ir saistīta īpaša kvarku īpašība - “krāsa”, kuras pētītajos hadronos nav. Indeksam a ir vērtības 1, 2, 3, t.i., katrs kvarka veids qi pasniegtas trīs šķirnēs qi a (N.N. Bogoļubovs un līdzstrādnieki, 1965; amerikāņu fiziķi I. Nambu un M. Khan, 1965; japāņu fiziķis I. Miyamoto, 1965). Katra kvarku veida kvantu skaitļi nemainās, mainoties “krāsai”, un tāpēc tas tiek parādīts tabulā. 2 attiecas uz jebkuras “krāsas” kvarkiem.

Visa hadronu dažādība rodas dažādu kombināciju dēļ R -, P-, g- un Ar-kvarki, kas veido saistītos stāvokļus. Parastie hadroni atbilst saistītajiem stāvokļiem, kas konstruēti tikai no R- Un n-kvarki [mezoniem ar iespējamu kombināciju piedalīšanos un ]. Klātbūtne saistītā stāvoklī kopā ar R- Un n-kvarki ar vienu g- vai Ar-kvarks nozīmē, ka atbilstošais hadrons ir dīvains ( S= -1) vai apburts ( Ch =+ 1). Barionā var būt attiecīgi divi un trīs g-kvarki Ar-kvarks), t.i., iespējami dubulti un trīskārši dīvaini (šarma) barioni. Dažādu skaitļu kombinācijas g- un ar- kvarki (īpaši barionos), kas atbilst hadronu “hibrīdajām” formām (“dīvaini apburtām”). Acīmredzot, jo lielāks ir g- vai Ar-kvarkos ir hadrons, jo tas ir smagāks. Ja salīdzinām hadronu pamatstāvokļus (neuzbudinātos), redzams tieši šāds attēls (skat. 1. tabulu, kā arī 3. un 5. tabulu).

Tā kā kvarku spins ir vienāds ar 1/2, iepriekš minētā hadronu kvarku struktūra rada veselu skaitļu spinu mezoniem un pusvesela skaitļa spinu barioniem, pilnībā saskaņā ar eksperimentu. Turklāt stāvokļos, kas atbilst orbītas impulsam l= 0, jo īpaši pamatstāvokļos mezonu spinam jābūt vienādam ar 0 vai 1 (pretparalēlai ґ¯ un paralēlai ґґ orientācijai kvarku spiniem), un barionu spinam jābūt 1/2 vai 3/2 ( griešanās konfigurācijām ¯ґґ un ґґґ) . Ņemot vērā, ka kvarka-antikvarka sistēmas iekšējā paritāte ir negatīva, vērtības J P mezoniem plkst l= 0 ir vienādi ar 0 - un 1 - , barioniem - 1 / 2 + un 3 / 2 + . Tās ir vērtības J P novērots hadronos ar vismazāko masu noteiktās vērtībās es Un Y(sk. 1. tabulu).

Kopš indeksi es, k, l strukturālajās formulās vērtības iet cauri 1, 2, 3, 4, mezonu skaitu Mik ar doto griešanos jābūt vienādam ar 16. Barioniem Bikl maksimālais iespējamais stāvokļu skaits konkrētajam griezienam (64) nav realizēts, jo saskaņā ar Pauli principu konkrētam kopējam griezienam ir pieļaujami tikai trīs kvarku stāvokļi, kuriem ir precīzi noteikta simetrija attiecībā uz griešanās permutācijām. indeksi i, k, 1, proti: pilnībā simetriska griešanās 3/2 un jaukta simetrija griešanās 1/2. Šis nosacījums ir l = 0 atlasa 20 barionu stāvokļus griešanās 3/2 un 20 griešanās 1/2.

Detalizētāka pārbaude parāda, ka kvarku sistēmas kvarku sastāva un simetrijas īpašību vērtība ļauj noteikt visus hadrona pamata kvantu skaitļus ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), neskaitot masu; masas noteikšanai nepieciešamas zināšanas par kvarku mijiedarbības dinamiku un kvarku masu, kas vēl nav pieejamas.

Pareizi nododot hadronu specifiku ar viszemākajām masām un spiniem pie dotajām vērtībām Y Un Ch, Kvarku modelis arī dabiski izskaidro kopējo lielo hadronu skaitu un rezonanses pārsvaru starp tiem. Lielais hadronu skaits atspoguļo to sarežģīto uzbūvi un dažādu kvarku sistēmu ierosināto stāvokļu pastāvēšanas iespējamību. Iespējams, ka šādu satrauktu stāvokļu skaits ir neierobežots. Visi kvarku sistēmu ierosinātie stāvokļi ir nestabili attiecībā uz straujām pārejām spēcīgas mijiedarbības dēļ pamata stāvokļos. Tie veido lielāko rezonanses daļu. Nelielu rezonanšu daļu veido arī kvarku sistēmas ar paralēlām spin orientācijām (izņemot W -). Kvarku konfigurācijas ar pretparalēlu griešanās orientāciju, kas saistītas ar pamata. stāvokļos, veido gandrīz stabilus hadronus un stabilu protonu.

Kvarku sistēmu ierosmes notiek gan mainoties kvarku rotācijas kustībai (orbitālajai ierosmei), gan mainoties to telpām. atrašanās vieta (radiālie ierosinājumi). Pirmajā gadījumā sistēmas masas palielināšanos pavada izmaiņas kopējā spinā Dž un paritāte R sistēma, otrajā gadījumā masas pieaugums notiek bez izmaiņām J P . Piemēram, mezoni ar J P= 2 + ir pirmais orbītas ierosinājums ( l = 1) mezoni ar J P = 1 - . Identisku kvarku struktūru 2 + mezonu un 1 - mezonu atbilstība ir skaidri redzama daudzu daļiņu pāru piemērā:

Mezoni r" un y" ir attiecīgi r- un y-mezonu radiālās ierosmes piemēri (sk.

Orbitālā un radiālā ierosme ģenerē rezonanses secības, kas atbilst vienai un tai pašai sākotnējai kvarku struktūrai. Uzticamas informācijas trūkums par kvarku mijiedarbību vēl neļauj veikt kvantitatīvus ierosmes spektru aprēķinus un izdarīt jebkādus secinājumus par iespējamo šādu ierosināto stāvokļu skaitu Formulējot kvarku modeli, kvarki tika uzskatīti par hipotētiskiem struktūras elementiem, kas atveras ļoti ērta hadronu apraksta iespēja. Pēc tam tika veikti eksperimenti, kas ļauj runāt par kvarkiem kā reāliem materiālu veidojumiem hadronu iekšienē. Pirmie bija eksperimenti par elektronu izkliedi ar nukleoniem ļoti lielos leņķos. Šie eksperimenti (1968), kas atgādina Rezerforda klasiskos eksperimentus par alfa daļiņu izkliedi uz atomiem, atklāja lādētu punktu veidojumu klātbūtni nukleona iekšpusē. Šo eksperimentu datu salīdzinājums ar līdzīgiem datiem par neitrīno izkliedi uz nukleoniem (1973-75) ļāva izdarīt secinājumu par šo punktveida veidojumu elektriskā lādiņa vidējo vērtību kvadrātā. Rezultāts izrādījās pārsteidzoši tuvs vērtībai 1/2 [(2/3 e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Pētījums par hadronu veidošanās procesu elektrona un pozitrona iznīcināšanas laikā, kas it kā iziet cauri procesu secībai: ® hadroni, norādīja uz divu hadronu grupu klātbūtni, kas ģenētiski saistītas ar katru no iegūtajiem kvarkiem, un padarīja to. iespējams noteikt kvarku spinu. Tas izrādījās vienāds ar 1/2. Arī kopējais šajā procesā dzimušo hadronu skaits liecina, ka trīs šķirņu kvarki parādās starpstāvoklī, t.i., kvarki ir trīskrāsaini.

Tādējādi kvarku kvantu skaitļi, kas ieviesti, pamatojoties uz teorētiskiem apsvērumiem, ir apstiprināti vairākos eksperimentos. Kvarki pamazām iegūst jaunu elektronu daļiņu statusu Ja turpmākie pētījumi apstiprina šo secinājumu, tad kvarki ir nopietni pretendenti uz īsto elektronu daļiņu lomu matērijas hadroniskajā formā. Līdz garumiem ~ 10 -15 cm kvarki darbojas kā punktveida veidojumi bez struktūras. Zināmo kvarku veidu skaits ir neliels. Nākotnē tas, protams, var mainīties: nevar garantēt, ka pie augstākām enerģijām netiks atklāti hadroni ar jauniem kvantu skaitļiem, pateicoties to eksistencei jauna veida kvarku dēļ. Atklāšana Y-mesons apstiprina šo viedokli. Bet pilnīgi iespējams, ka kvarku skaita pieaugums būs neliels, ka vispārīgie principi nosaka ierobežojumus kopējam kvarku skaitam, lai gan šīs robežas vēl nav zināmas. Arī kvarku bezstrukturitāte varbūt atspoguļo tikai sasniegto šo materiālo veidojumu izpētes līmeni. Tomēr vairākas specifiskas kvarku pazīmes ļauj pieņemt, ka kvarki ir daļiņas, kas pabeidz matērijas strukturālo komponentu ķēdi.

Kvarki atšķiras no visām pārējām elektronu daļiņām ar to, ka tie vēl nav novēroti brīvā stāvoklī, lai gan ir pierādījumi par to pastāvēšanu saistītā stāvoklī. Viens no iemesliem, kāpēc kvarki netiek novēroti, var būt to ļoti lielā masa, kas neļauj tos ražot pie mūsdienu paātrinātāju enerģijām. Tomēr ir iespējams, ka kvarki būtībā to mijiedarbības īpatnību dēļ nevar būt brīvā stāvoklī. Ir teorētiski un eksperimentāli argumenti par labu tam, ka spēki, kas iedarbojas starp kvarkiem, attāluma dēļ nemazinās. Tas nozīmē, ka ir nepieciešams bezgalīgi vairāk enerģijas, lai atdalītu kvarkus vienu no otra, pretējā gadījumā kvarku parādīšanās brīvā stāvoklī nav iespējama. Nespēja izolēt kvarkus brīvā stāvoklī padara tos par pilnīgi jauna veida matērijas struktūrvienībām. Nav skaidrs, piemēram, vai ir iespējams izvirzīt jautājumu par kvarku sastāvdaļām, ja pašus kvarkus nevar novērot brīvā stāvoklī. Iespējams, ka šajos apstākļos kvarku daļas fiziski nemaz neizpaužas, un tāpēc kvarki darbojas kā pēdējais hadroniskās vielas fragmentācijas posms.

Elementārdaļiņas un kvantu lauka teorija.

Lai mūsdienu teorijā aprakstītu elektronu daļiņu īpašības un mijiedarbību, fizikas jēdziens ir būtisks. lauks, kas tiek piešķirts katrai daļiņai. Lauks ir īpaša matērijas forma; to apraksta funkcija, kas norādīta visos punktos ( X)telplaiks un kam piemīt noteiktas transformācijas īpašības saistībā ar Lorenca grupas transformācijām (skalārs, spinors, vektors utt.) un “iekšējo” simetriju grupām (izotopu skalārs, izotopu spinors u.c.). Elektromagnētiskais lauks ar četrdimensiju vektora īpašībām Un m (x) (m = 1, 2, 3, 4) vēsturiski ir pirmais fiziskā lauka piemērs. Laukiem, kas tiek salīdzināti ar E. daļiņām, ir kvantu raksturs, tas ir, to enerģija un impulss sastāv no daudzām daļām. porcijas - kvanti, un kvanta enerģiju E k un impulsu p k saista speciālās relativitātes teorijas sakarība: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Katrs šāds kvants ir elektronu daļiņa ar noteiktu enerģiju E k , impulsu p k un masu m Elektromagnētiskā lauka kvanti ir fotoni, pārējo lauku kvanti atbilst visām pārējām zināmajām elektronu daļiņām bezgalīgas daļiņu kopas - kvantu eksistences atspoguļojums. Speciālais kvantu lauka teorijas matemātiskais aparāts ļauj aprakstīt daļiņas dzimšanu un iznīcināšanu katrā punktā x.

Lauka transformācijas īpašības nosaka visus E. daļiņu kvantu skaitļus Transformācijas īpašības saistībā ar telpas-laika transformācijām (Lorenca grupa) nosaka daļiņu spinu. Tādējādi skalārs atbilst spinam 0, spinoram - spinam 1/2, vektoram - spinam 1 utt. Seko tādu kvantu skaitļu kā L, B, 1, Y, Ch un kvarkiem un gluoniem "krāsa" esamība. no lauku transformācijas īpašībām saistībā ar “iekšējo telpu” transformācijām (“lādiņa telpa”, “izotopu telpa”, “vienotā telpa” utt.). Jo īpaši “krāsu” esamība kvarkos ir saistīta ar īpašu “krāsainu” vienotu telpu. “Iekšējo telpu” ieviešana teorētiskajā aparātā joprojām ir tīri formāla ierīce, kas tomēr var kalpot kā norāde, ka fiziskās telpas-laika dimensija, kas atspoguļojas E. Ch. īpašībās, patiesībā ir lielāka. nekā četri - visiem makroskopiskiem fizikālajiem procesiem raksturīgā telpas-laika dimensija. Elektronu daļiņu masa nav tieši saistīta ar lauku transformācijas īpašībām; šī ir to papildu iezīme.

Lai aprakstītu procesus, kas notiek ar elektronu daļiņām, ir jāzina, kā dažādi fizikālie lauki ir saistīti viens ar otru, tas ir, jāzina lauku dinamika. Mūsdienu kvantu lauka teorijas aparātā informācija par lauku dinamiku ir ietverta īpašā daudzumā, kas izteikts caur laukiem - Lagranža (precīzāk, Lagranža blīvuma) L. Zināšanas par L principā ļauj aprēķināt varbūtības dažādu mijiedarbību ietekmē pāriet no vienas daļiņu kopas uz otru. Šīs varbūtības dod t.s. izkliedes matrica (W. Heisenberg, 1943), kas izteikta ar L. Lagranža L sastāv no Lagranža L, kas apraksta brīvo lauku uzvedību, un mijiedarbības Lagranža, L, kas veidota no dažādu daļiņu laukiem un atspoguļo iespēju to savstarpējās pārvērtības. Lz zināšana ir izšķiroša, lai aprakstītu procesus ar E. h.

L3 formu unikāli nosaka relatīvās Lorenca grupas lauku transformācijas īpašības un invariances prasība attiecībā uz šo grupu (relativistiskā invariance). Tomēr ilgu laiku nebija zināmi L3 atrašanas kritēriji (izņemot elektromagnētisko mijiedarbību), un eksperimentā iegūtā informācija par elektromagnētisko daļiņu mijiedarbību vairumā gadījumu neļāva droši izvēlēties starp dažādām iespējām. Šādos apstākļos ir kļuvusi plaši izplatīta fenomenoloģiska pieeja mijiedarbības aprakstīšanai, kas balstās vai nu uz vienkāršāko L ins formu izvēli, kas noved pie novērojamiem procesiem, vai uz tiešu izkliedes matricas elementu raksturīgo īpašību izpēti. Šajā ceļā ir gūti ievērojami panākumi, aprakstot procesus ar elektronu daļiņām dažādiem atlasītiem enerģijas reģioniem. Tomēr daudzi teorijas parametri tika aizgūti no eksperimenta, un pati pieeja nevarēja pretendēt uz universālumu.

Laika posmā no 50.-70. Ir panākts ievērojams progress L3 struktūras izpratnē, kas ir ļāvis būtiski uzlabot tā formu spēcīgai un vājai mijiedarbībai. Izšķiroša loma šajā progresā bija ciešās saiknes noskaidrošanai starp elektronu daļiņu mijiedarbības simetrijas īpašībām un Lv formu.

Elektronu daļiņu mijiedarbības simetrija atspoguļojas noteiktu fizisko lielumu saglabāšanās likumu pastāvēšanā un līdz ar to ar tiem saistīto elektronu daļiņu kvantu skaita saglabāšanā (sk. Saglabāšanas likumi). Precīza simetrija, kas rodas visām mijiedarbības klasēm, atbilst precīzu kvantu skaitļu klātbūtnei elektronos; aptuvenā simetrija, kas raksturīga tikai noteiktām mijiedarbības klasēm (spēcīga, elektromagnētiska), rada neprecīzus kvantu skaitļus. Iepriekš minētās atšķirības starp mijiedarbības klasēm saistībā ar elektronu kvantu skaita saglabāšanu atspoguļo atšķirības to simetrijas īpašībās.

Zināmā forma L vz el. m elektromagnētiskajai mijiedarbībai ir Lagranža L acīmredzamas simetrijas pastāvēšanas sekas attiecībā uz tajā iekļauto lādēto daļiņu komplekso lauku j reizināšanu j*j tipa kombinācijās (šeit * nozīmē sarežģītu konjugāciju). koeficients e ia, kur a ir patvaļīgs reāls skaitlis. Šī simetrija, no vienas puses, rada elektriskā lādiņa nezūdamības likumu, no otras puses, ja mēs pieprasām simetrijas izpildi ar nosacījumu, ka a patvaļīgi ir atkarīgs no telpas-laika punkta x, tas nepārprotami noved mijiedarbības Lagranža:

L up el. m = j m el. m (x) A m (x) (1)

kur j m el. m - četrdimensiju elektromagnētiskā strāva (sk. Elektromagnētiskā mijiedarbība). Kā izrādās, šim rezultātam ir vispārēja nozīme. Visos gadījumos, kad mijiedarbībām ir “iekšēja” simetrija, t.i., Lagranža ir invariants “iekšējās telpas” transformācijās un attiecīgie kvantu skaitļi rodas E. skaitļos, ir jāpieprasa, lai invariance notiktu jebkurai atkarībai no transformācijas parametri punktā x (tā sauktā lokālā gabarīta invariance; Yang Zhen-ning, amerikāņu fiziķis R. Mills, 1954). Fiziski šī prasība ir saistīta ar to, ka mijiedarbību nevar uzreiz pārsūtīt no punkta uz punktu. Šis nosacījums ir izpildīts, ja starp Lagranža laukiem ir vektoru lauki (A m (x) analogi), kas mainās “iekšējās” simetrijas transformāciju laikā un mijiedarbojas ar daļiņu laukiem ļoti specifiskā veidā, proti:

L in = å r=1 n j m r (x) V m r (x), (2)

kur j m r (x) ir strāvas, kas sastāv no daļiņu laukiem, V m r (x) ir vektoru lauki, ko bieži sauc par gabarīta laukiem. Tādējādi “iekšējās” simetrijas lokalizācijas prasība fiksē L formu un identificē vektoru laukus kā universālus mijiedarbības nesējus. Vektoru lauku īpašības un to skaitu "n" nosaka "iekšējās" simetrijas grupas īpašības. Ja simetrija ir precīza, tad lauka kvanta masa V m r ir vienāda ar 0. Aptuvenai simetrijai vektora lauka kvanta masa nav vienāda ar nulli. Strāvas veidu j m r nosaka ar “iekšējo” simetrijas grupu saistītie daļiņu lauki ar kvantu skaitļiem, kas nav nulle.

Pamatojoties uz iepriekš izklāstītajiem principiem, izrādījās, ka ir iespējams pieiet jautājumam par kvarku mijiedarbību nukleonā. Eksperimenti par neitrīno un antineitrīnu izkliedi ar nukleoniem ir parādījuši, ka nukleona impulsu tikai daļēji (apmēram 50%) pārnes kvarki, bet pārējo no tā pārnes cita veida matērija, kas nesadarbojas ar neitrīniem. Domājams, ka šī matērijas daļa sastāv no daļiņām, kuras apmainās starp kvarkiem un kuru dēļ tās tiek turētas nukleonā. Šīs daļiņas sauc par "gluoniem" (no angļu valodas līme - līme). No iepriekš minētā viedokļa par mijiedarbību ir dabiski uzskatīt, ka šīs daļiņas ir vektora daļiņas. Mūsdienu teorijā to esamība ir saistīta ar simetriju, kas nosaka “krāsas” izskatu kvarkos. Ja šī simetrija ir precīza (krāsa SU (3) simetrija), tad gluoni ir bezmasas daļiņas un to skaits ir astoņi (amerikāņu fiziķis I. Nambu, 1966). Kvarku mijiedarbību ar gluoniem uzrāda L vz ar struktūru (2), kur strāvu j m r veido kvarku lauki. Ir arī pamats pieņemt, ka kvarku mijiedarbība, ko izraisa bezmasas gluonu apmaiņa, rada spēkus starp kvarkiem, kas nesamazinās līdz ar attālumu, taču tas nav stingri pierādīts.

Principā zināšanas par kvarku mijiedarbību varētu būt pamats, lai aprakstītu visu hadronu savstarpējo mijiedarbību, t.i., visas spēcīgās mijiedarbības. Šis hadronu fizikas virziens strauji attīstās.

Simetrijas noteicošās lomas (ieskaitot aptuveno) principa izmantošana mijiedarbības struktūras veidošanā arī ļāva virzīties uz priekšu vājās mijiedarbības Lagranža būtības izpratnē. Tajā pašā laikā tika atklāta dziļa iekšēja saikne starp vājo un elektromagnētisko mijiedarbību. Šajā pieejā leptonu pāru klātbūtne ar vienādu leptona lādiņu: e - , v e un m - , v m , bet ar dažādām masām un elektriskajiem lādiņiem tiek uzskatīta nevis par nejaušu, bet gan par izotoniskās simetrijas pārrāvuma esamību. tips (SU grupa (2)). Lokalitātes principa piemērošana šai “iekšējai” simetrijai noved pie raksturīgā Lagranža (2), kurā vienlaikus rodas termini, kas ir atbildīgi par elektromagnētisko un vājo mijiedarbību (amerikāņu fiziķis S. Veinbergs, 1967; A. Salam, 1968):

L gaiss = j m el. m + A m + j m sl. h. W m + + j m sl. h. W m - + j m sl. n. Z m 0 (3)

Šeit j m sl. h. , j m sl. n. - vājas mijiedarbības uzlādētas un neitrālas strāvas, kas veidotas no leptonu laukiem, W m +, W m -, Z m 0 - masīvu (simetrijas pārrāvuma) vektordaļiņu lauki, kas šajā shēmā ir vājas mijiedarbības nesēji ( tā sauktie starpbozoni), A m - fotonu lauks. Ideja par uzlādēta starpbozona esamību tika izvirzīta jau sen (H. Jukava, 1935). Tomēr ir svarīgi, ka šajā elektronu magnētiskās un vājās mijiedarbības vienotās teorijas modelī lādēts starpbozons parādās vienlīdzīgi ar fotonu un neitrālu starpbozonu. 1973. gadā tika atklāti neitrālu strāvu izraisīti vājās mijiedarbības procesi, kas apstiprina tikko ieskicētās pieejas pareizību vājās mijiedarbības dinamikas formulēšanā. Iespējamas arī citas Lagranža L rakstīšanas iespējas ar lielu skaitu neitrālu un lādētu starpbozonu; Eksperimentālie dati vēl nav pietiekami, lai galīgi izvēlētos Lagranža.

Starpbozoni vēl nav eksperimentāli atklāti. No pieejamajiem datiem tiek lēsts, ka Weinberg-Salam modeļa masas W ± un Z 0 ir aptuveni 60 un 80 GeV.

Kvarku elektromagnētisko un vājo mijiedarbību var aprakstīt modelī, kas ir līdzīgs Veinberga-Salama modelim. Elektromagnētiskās un vājās hadronu mijiedarbības apsvēršana uz šī pamata labi sakrīt ar novērotajiem datiem. Izplatīta problēma šādu modeļu konstruēšanā ir joprojām nezināmais kopējais kvarku un leptonu skaits, kas neļauj noteikt sākotnējās simetrijas veidu un tās pārkāpuma raksturu. Tāpēc turpmākie eksperimentālie pētījumi ir ļoti svarīgi.

Viena elektromagnētiskās un vājās mijiedarbības izcelsme nozīmē, ka teorētiski vājās mijiedarbības konstante pazūd kā neatkarīgs parametrs. Vienīgā konstante paliek elektriskais lādiņš e Vāju procesu nomākšana pie zemām enerģijām izskaidrojama ar lielo starpposma bozonu masu. Enerģijās masu sistēmas centrā, kas ir salīdzināmas ar starpposma bozonu masām, elektromagnētiskās un vājās mijiedarbības ietekmei jābūt vienādai secībai. Tomēr pēdējie atšķirsies ar vairāku kvantu skaitļu (P, Y, Ch utt.) nesaglabāšanos.

Ir mēģinājumi vienotā veidā aplūkot ne tikai elektromagnētisko un vājo mijiedarbību, bet arī spēcīgu mijiedarbību. Šādu mēģinājumu sākumpunkts ir pieņēmums, ka visu veidu elektronu daļiņu mijiedarbības (bez gravitācijas mijiedarbības) ir vienādas. Tiek uzskatīts, ka novērotās spēcīgās atšķirības starp mijiedarbībām ir saistītas ar ievērojamu simetrijas pārrāvumu. Šie mēģinājumi vēl nav pietiekami attīstīti un saskaras ar nopietnām grūtībām, jo ​​īpaši izskaidrojot kvarku un leptonu īpašību atšķirības.

Metodes izstrāde mijiedarbības Lagranža iegūšanai, pamatojoties uz simetrijas īpašību izmantošanu, bija svarīgs solis ceļā uz elementārdaļiņu dinamisko teoriju. Ir pamats domāt, ka mērīšanas lauka teorijas būs būtiskas turpmāko teorētisko konstrukciju sastāvdaļa.

Secinājums

Dažas vispārīgas elementārdaļiņu teorijas problēmas. Jaunākā elektronu daļiņu fizikas attīstība no visām elektronu daļiņām skaidri atšķir daļiņu grupu, kas būtiski nosaka mikropasaules procesu specifiku. Šīs daļiņas ir iespējamās īsto elektronu daļiņu lomas. Tie ietver: daļiņas ar spinu 1/2 - leptoni un kvarki, kā arī daļiņas ar spin 1 - gluoni, fotoni, masīvi starpbozoni, kas veic dažāda veida mijiedarbību. daļiņas ar spinu 12 . Šajā grupā, visticamāk, būtu jāiekļauj arī daļiņa ar spin 2 - gravitons; gravitācijas lauka kvants, kas savieno visas elektronu daļiņas Šajā shēmā daudzi jautājumi tomēr prasa turpmāku izpēti. Nav zināms, kāds ir kopējais leptonu, kvarku un dažādu vektordaļiņu (ar J = 1) daļiņu skaits un vai pastāv fiziski principi, kas nosaka šo skaitli. Iemesli daļiņu ar spinu 1/2 sadalīšanai 2 dažādās grupās: leptonos un kvarkos nav skaidri. Leptonu un kvarku iekšējo kvantu skaitļu (L, B, 1, Y, Ch) un tādu kvarku un gluonu īpašību kā “krāsa” izcelsme nav skaidra. Kādas brīvības pakāpes ir saistītas ar iekšējiem kvantu skaitļiem? Tikai tādi elektronu daļiņas raksturlielumi kā J un P ir saistīti ar parasto četrdimensiju laiktelpu. Kāds mehānisms nosaka īstās elektronu daļiņas masas? Kāds ir iemesls dažādu klašu mijiedarbībai elektronos ar dažādām simetrijas īpašībām? Šie un citi jautājumi būs jāatrisina E. ch. nākotnes teorijai.

Elektronu daļiņu mijiedarbības apraksts, kā minēts, ir saistīts ar gabarīta lauka teorijām. Šīm teorijām ir izstrādāts matemātiskais aparāts, kas ļauj aprēķināt procesus ar elektronu daļiņām (vismaz principā) tādā pašā stingrības līmenī kā kvantu elektrodinamikā. Bet pašreizējā formā gabarīta lauka teorijām ir viens nopietns trūkums, kas ir kopīgs kvantu elektrodinamikai - tajās aprēķinu procesā parādās bezjēdzīgas bezgala lielas izteiksmes. Izmantojot īpašu paņēmienu novērojamo lielumu (masas un lādiņa) pārdefinēšanai - renormalizāciju - ir iespējams izslēgt bezgalības no aprēķinu gala rezultātiem. Vislabāk pētītajā elektrodinamikā tas vēl neietekmē teorētisko prognožu atbilstību eksperimentam. Tomēr renormalizācijas procedūra ir tīri formāls teorētiskajā aparātā pastāvošo grūtību apiešana, kam zināmā precizitātes līmenī vajadzētu ietekmēt aprēķinu un mērījumu sakritības pakāpi.

Bezgalību parādīšanās aprēķinos ir saistīta ar to, ka mijiedarbības lagrangiānos dažādu daļiņu lauki ir attiecināti uz vienu punktu x, t.i., tiek pieņemts, ka daļiņas ir punktveida un četrdimensiju telpa-laiks paliek plakans līdz. mazākās distances. Patiesībā šie pieņēmumi ir acīmredzami nepareizi vairāku iemeslu dēļ: a) patiesie E. elementi, visticamāk, ir ierobežota apjoma materiāli objekti; b) telpas-laika īpašības mazajā (t.s. fundamentālā garuma noteiktajā mērogā), visticamāk, radikāli atšķiras no tā makroskopiskajām īpašībām; c) mazākajos attālumos (~ 10 -33 cm) ietekmē telpas-laika ģeometrisko īpašību izmaiņas gravitācijas ietekmē. Varbūt šie iemesli ir cieši saistīti. Tādējādi gravitācijas ņemšana vērā visdabiskāk rada patiesas E. daļiņas izmēru 10–33 cm, un pamatu, garumu l 0 var saistīt ar gravitācijas konstanti f: "10 -33 cm jebkuram no šiem iemesliem vajadzētu novest pie teorijas modifikācijas un bezgalību likvidēšanas, lai gan šīs modifikācijas praktiskā īstenošana var būt diezgan sarežģīta.

Šķiet ļoti interesanti ņemt vērā gravitācijas ietekmi nelielos attālumos. Gravitācijas mijiedarbība var ne tikai novērst atšķirības kvantu lauka teorijā, bet arī noteikt pašu primārās matērijas esamību (M. A. Markov, 1966). Ja patiesas E.H vielas blīvums ir pietiekami liels, gravitācijas pievilcība var būt faktors, kas nosaka šo materiālo veidojumu stabilu pastāvēšanu. Šādu veidojumu izmēriem jābūt ~10 -33 cm Lielākajā daļā eksperimentu tie uzvedīsies kā punktveida objekti, to gravitācijas mijiedarbība būs niecīga un parādīsies tikai mazākajos attālumos, reģionā, kur būtiski mainās telpas ģeometrija.

Tādējādi jaunā tendence vienlaikus apsvērt dažādas elektronu daļiņu mijiedarbības klases, visticamāk, būtu loģiski jāpabeidz, iekļaujot gravitācijas mijiedarbību vispārējā shēmā. Visticamāk, pamatojoties uz vienlaicīgu visu veidu mijiedarbības apsvēršanu, tiks sagaidīta elektronu daļiņu teorijas izveide nākotnē.

Bibliogrāfija

1) Markovs M.A. Par matērijas būtību. M., 1976. gads

2) Gaziorovičs S. Elementārdaļiņu fizika, tulk. no angļu valodas, M. 1969

3) Kokkede Ya., Kvarku teorija, tulk. no angļu valodas, M., 1971

4) I., Ioffe B.L., Okun L.B., New elementary particles, "Advances in Physical Sciences", 1975, 117. v., v. 2. lpp. 227

5) Bogoļubovs N.N., Širkovs D.V., Ievads kvantizēto lauku teorijā, 3. izd., M., 1976;

6) Fundamentālās fizikas ziņas, tulk. no angļu valodas, M., 1977, 120.-240.lpp .

Nosūtiet savu labo darbu zināšanu bāzē ir vienkārši. Izmantojiet zemāk esošo veidlapu

Studenti, maģistranti, jaunie zinātnieki, kuri izmanto zināšanu bāzi savās studijās un darbā, būs jums ļoti pateicīgi.

Publicēts http://www.allbest.ru/

Ievads

1. Ideju par kvantu rašanās un attīstība

1.1. Bora teorija par atomu

2. Elementārdaļiņas un to uzbūves problēma

Secinājums

Bibliogrāfija

Ievads

Dabas izpētē var izdalīt divus posmus: pirmszinātnisko un zinātnisko posmu. Pirmszinātniskais jeb dabasfilozofiskais posms aptver laika posmu no senatnes līdz eksperimentālās dabaszinātnes izveidošanai 16.-17.gadsimtā. Priekšstati par dabu šajā periodā bija tīri dabā-filozofiska rakstura novērotās dabas parādības tika skaidrotas, balstoties uz garīgi saliktiem filozofiskiem principiem. Lielākais dabaszinātņu sasniegums šajā periodā bija antīkā atomisma doktrīna, kas tika uzskatīta par diskrētu matērijas struktūras jēdzienu. Saskaņā ar šo doktrīnu visi ķermeņi veidojas no atomiem, kurus uzskata par mazākajām matērijas daļiņām. Saskaņā ar seno atomismu, kas nodrošināja primāro teorētisko atoma modeli, atomi ir neredzamas, nedalāmas un necaurlaidīgas mikrodaļiņas, kas viena no otras atšķiras tikai ar kvantitatīvām attiecībām - formu, izmēru, struktūru. Senais atomisms, kas visu skaidroja kā mehānisku daļu kopumu, kas to veido, bija pirmā teorētiskā programma. Saskaņā ar Demokrita mācību vakuums ir nepieciešams, lai izskaidrotu ķermeņu mehānisko novietojumu telpā un to deformāciju (saspiešanu, pagarinājumu u.c.) ārējo spēku ietekmē. Atomisms dabas procesu būtību skaidroja ar atomu mehānisko mijiedarbību, to pievilkšanu un atgrūšanu. Mehāniskā programma dabas izskaidrošanai, kas pirmo reizi tika izvirzīta antīkajā atomismā, tika realizēta klasiskajā mehānikā, kas lika pamatus dabas izpētei zinātniskā veidā. Mūsdienu zinātniskās idejas par matērijas veidošanās strukturālajiem līmeņiem jāsāk ar klasiskās fizikas koncepciju par mikropasaules izpēti, kas radās klasiskās mehānikas jēdzienu kritiskas izpētes rezultātā, kas tiek pielietoti tikai mikropasaulē. . Zinātnisko priekšstatu veidošanās par matērijas uzbūvi aizsākās 16. gadsimtā, periodā, kad G. Galileo lika pamatus pasaules mehāniskajai ainai. Galilejs ne tikai pamatoja N. Kopernika heliocentrisko sistēmu, atklāja kustības inerces un brīvā kritiena likumus, viņš izstrādāja arī jaunu metodoloģisku dabas aprakstīšanas veidu - zinātniski teorētisko metodi. Šīs metodes būtība slēpjas faktā, ka, izvēloties vairākas dabas fizikālās un ģeometriskās īpašības, Galileo tos pārvērta par zinātniskās izpētes priekšmetu. Objekta individuālo īpašību atlase sniedza iespēju veidot teorētiskus modeļus un tos pārbaudīt, balstoties uz zinātnisku eksperimentu. Galileo formulētajai metodoloģiskajai koncepcijai bija izšķiroša loma klasiskās dabaszinātnes izveidē.

1. Izcelsme unideju attīstība par kvantiem

kvantu elementārdaļiņa

Fizikas pārejā no makropasaules izpētes uz mikropasaules izpēti, klasiskās fizikas priekšstati par vielu un lauku radikāli mainījās. Pētot mikrodaļiņas, zinātnieki saskārās ar ainu, kas no klasiskās fizikas viedokļa šķita paradoksāla: viens un tas pats objekts demonstrē gan viļņainības, gan korpuskularitātes īpašību. Šo parādību sauc par viļņu daļiņu dualitāti.

Pirmo soli daļiņu pretrunīgās dabas izpētes jomā veica vācu zinātnieks Makss Planks. Viss sākās ar tādas problēmas parādīšanos fizikā 19. gadsimta beigās kā “ultravioletā katastrofa”. Saskaņā ar aprēķiniem, kas balstīti uz klasiskās elektrodinamikas formulām, starojuma intensitāte no tumšiem objektiem vien pieauga bezgalīgi. Tas bija pretrunā ar praksi. No pētījumiem, kas veikti par siltuma starojumu, M. Planks nonāca pie secinājuma, ka starojuma procesā enerģija tiek izstarota nevis patvaļīgā daudzumā un bezgalīgi, bet gan nedalāmās daļās - kvantos. Kvantu enerģiju nosaka starojumam atbilstošo svārstību skaits (V) un universālā konstante, ko sauc par Planka konstanti: E=hn. Kā atzīmēja Planks, kvantu idejas ienākšanu fizikā vēl nevar saistīt ar kvantu teorijas izveidi, tomēr 1900. gada 14. decembris, kvantu enerģijas formulas parādīšanās datums, kļuva par dēšanas datumu. tās pašas teorijas pamats, atomu fizikas dzimšanas diena un jauna perioda sākums dabaszinātnēs.

Pirmais fiziķis, kurš ar augstu garīgo iedvesmu sastapa elementārā kvanta ietekmes atklāšanu un attīstīja to radošumā. Bija A. Einšteins. 1905. gadā, pielietojot ideju par starojuma kvantitatīvo raksturu un enerģijas absorbciju termiskā starojuma laikā radiācijas parādībām kopumā, viņš lika pamatus kvantu teorijai. Einšteins, piemērojot Planka hipotēzi gaismas parādībām, nonāca pie secinājuma, ka ir nepieciešams pieņemt gaismas korpuskulāro struktūru. Gaismas kvantu teorija jeb Einšteina fotona teorija apstiprināja, ka līdztekus tam, ka gaisma ir viļņu parādība, kas izplatās telpā, tai ir arī nepārtraukta struktūra. Gaismu var uzskatīt par nedalāmām enerģijas daļām, gaismas kvantiem un fotoniem. Fotonu enerģiju nosaka Planka konstante (h) un atbilstošo svārstību ātrums (n). Dažādu krāsu monohromatiskā gaisma (sarkana, dzeltena, zaļa, zila, violeta un citas) sastāv no dažādu enerģiju gaismas kvantiem. Einšteina ideja par gaismas kvantiem sniedza iespēju izprast un vizuāli aprakstīt fotoelektrisko parādību, kuras būtība ir elektrona atdalīšana no gaismas matērijas. Eksperimenti ir parādījuši, ka fotoelektriskā efekta esamību nosaka nevis gaismas viļņa intensitāte, kas krīt uz metālu, bet gan gaismas frekvence. Ja pieņemam, ka katru fotoelektronu atdala viens fotons, kļūst skaidrs, ka efekts rodas, kad fotona enerģija kļūst pietiekami liela, lai pārtrauktu vielas un elektrona savstarpējo savienojumu.

10 gadus pēc fotoelektriskā efekta interpretācijas rašanās līdzīgā situācijā to apstiprināja amerikāņu fiziķa R.E. Milliken. 1923. gadā atklāja amerikāņu zinātnieks A.H. Komptona fenomens (“Komptona efekts”) beidzot apstiprināja kvantu teoriju. Kopumā gaismas kvantu teorija ir viena no fizikas teorijām, kas vairākkārt ir apstiprināta eksperimentos. Tomēr šādā veidā gaismas viļņu raksturu beidzot apstiprināja eksperimenti par difrakcijas traucējumu parādībām. Šajā sakarā tika izveidota tik paradoksāla situācija: kļuva zināms, ka gaisma vienlaikus uzvedas gan kā vilnis, gan kā korpuskulārs. Šajā gadījumā fotons darbojas kā īpašs korpuskulāra veids. Fotona, īpašas enerģijas daļas (E=hn) diskrētuma galveno raksturlielumu nosaka tīra viļņa raksturlielums - frekvence (n). Tāpat kā visi lielie dabas zinātniskie atklājumi, gaismas kvantu teorija ir ieguvusi nozīmīgu ideoloģisku, teorētisku un kognitīvu raksturu.

Ideja par elektromagnētiskā lauka fononiem-kvantiem kļuva par lielisku dāvanu kvantu teorijas attīstībai. Tāpēc A. Einšteins tiek uzskatīts par vienu no lielākajiem kvantu teorijas radītājiem. Einšteina teorija, attīstot M. Planka uzskatus, sniedza iespēju dāņu zinātniekam N. Boram izstrādāt jaunu atoma modeli.

1.1 TBora piedāvātā atoma teorija

1913. gadā dāņu zinātnieks Nīls Bors, piemērojot kvantitātes principu atoma uzbūves un atoma spektra raksturlielumu problēmu risināšanā, novērsa pretrunas Raterforda radītajā atoma modelī. Rezerforda 1911. gadā ierosinātais atoma modelis atgādināja Saules sistēmu: kodols atradās centrā, un elektroni riņķoja ap to riņķveida orbītās. Kodols bija pozitīvi uzlādēts, elektroniem bija negatīvs elektriskais lādiņš. Saules sistēmas pievilkšanās spēki atomā tika aizstāti ar elektriskiem spēkiem. Atomu kodola pozitīvais elektriskais lādiņš, kas bija vienāds ar elementa atomskaitli Mendeļejeva periodiskajā sistēmā, tika līdzsvarots ar elektronu negatīvo elektrisko lādiņu. Tāpēc atoms bija elektriski neitrāls.

Atomu planētu modeļa analīze klasiskās elektrodinamikas ietvaros saturēja divas neiespējamas pretrunas. Pirmā no šīm pretrunām bija tāda, ka elektroniem, lai nezaudētu savu stabilitāti, jāgriežas ap kodolu. Kā zināms, apļveida kustību raksturo centrbēdzes paātrinājums. Saskaņā ar klasiskās elektrodinamikas likumiem paātrinātiem elektroniem noteikti jāizstaro elektromagnētiskā enerģija. Tomēr šajā gadījumā elektroniem ļoti īsā laikā (10-8 sekundēs) jānokrīt uz kodolu, tērējot savu enerģiju starojumam. Mēs to labi zinām no ikdienas pieredzes. Ja elektroni nokristu uz kodola, ķermenis, kas sastāv no tiem, piemēram, galds mūsu priekšā, mainītu savu izmēru 10 tūkstošus reižu.

Otra atoma planetārā modeļa pretruna ir saistīta ar to, ka elektronam, starojuma rezultātā pamazām tuvojoties kodolam, tā frekvences nepārtrauktai maiņai atoma starojuma spektram jābūt neskartam. Pieredze rāda, ka atoma emisijas spektrs ir lineārs. Citiem vārdiem sakot, Rezerforda planētas atoma modelis nepastāv līdzās Maksvela elektrodinamikai.

Atomu kvantu teoriju, kas varētu atrisināt abas šīs pretrunas (tā sauktā "Bora teorija par atoma uzbūvi"), izvirzīja N. Bors. Šīs teorijas saturs tika veidots no šādiem noteikumiem, kas apvienoti vienā, veselā idejā:

ūdeņraža atoma lineārā spektra likumsakarības;

Razerforda piedāvātais atoma kodolmodelis;

starojuma kvantu raksturs un gaismas absorbcija.

Jaunā N. Bora izvirzītā hipotēze, lai izskaidrotu atoma uzbūvi, balstījās uz trim postulātiem, kas nesaskanēja ar klasiskās fizikas principiem.

Pirmais postulāts: katrā atomā ir vairāki stacionāri elektronu stāvokļi (stacionāras orbītas). Elektromagnētiskie viļņi, kas pārvietojas pa atoma stacionārajām orbītām, netiek ne emitēti, ne absorbēti.

Otrais postulāts: atoms tikai izstaro vai absorbē daļu enerģijas, kad elektrons pāriet no viena stacionāra stāvokļa uz citu.

Trešais postulāts? Elektrons pārvietojas ap kodolu tādās apļveida stacionārās orbītās, kurās elektrona impulsa momentā Planka konstante ir pilnīgi līdzīga relatīvajai 2p:

kur m, n, r ir attiecīgi elektrona masa, stacionārās orbītas ātrums un rādiuss, kurā tas pārvietojas, n=1,2,3... ir veseli skaitļi.

Šie postulāti lika pamatus jaunam periodam atoma īpašību un struktūras izpētē.

Pirmais postulāts parādīja klasiskās fizikas ierobežojumus un īpašos gadījumos tās likumu neatbilstību stacionāriem stāvokļiem. Nav tik viegli pieņemt domu par elektroniem, kas izstaro enerģiju īpaši izvēlētās orbītās. Tieši šajā brīdī rodas jautājums: "Kāpēc?" Tomēr, tā kā šis postulāts bija adekvāts eksperimenta rezultātiem, fiziķi bija spiesti to pieņemt. No otrā postulāta izriet secinājums, ka atoma enerģija tiek emitēta pa daļām. Elektrona pāreju no vienas orbītas uz otru obligāti pavada enerģijas kvantu veseli skaitļi. Tādējādi elektronu stāvokli atomā raksturo 4 kvantu skaitļi - galvenais, orbitālais, magnētiskais un orbitālais kvantu skaitļi. Galvenais kvantu skaitlis (n) nosaka elektrona enerģiju kodola apgabalos, elektronu slāņa kārtas numuru. Orbitālais kvantu skaitlis (l) raksturo korekcijas, ko atoma enerģijā ievada vienlaicīga atomu kustība. Griezuma kvantu skaitlis (-i) nosaka īpašo mehānisko griezes momentu, kas raksturo elektronu rotācijas kustību. Bora postulāti izskaidroja atoma stabilitāti: stacionāros stāvokļos elektrons neizstaro elektromagnētisko enerģiju bez ārēju cēloņu esamības. Tikai tagad ir kļuvis skaidrs, kāpēc, pastāvīgi vērtējot stāvokļus, ķīmisko elementu atomi neizstaro elektromagnētiskos viļņus. Bora piedāvātais atomu modelis, neskatoties uz to, ka tas sniedza precīzu ūdeņraža atoma aprakstu, kas sastāv no viena protona un viena elektrona, un šis apraksts diezgan labi saskanēja ar eksperimentālajiem faktiem, šī modeļa vēlāka pielietošana daudzelektroniem. atomi saskārās ar zināmām grūtībām. Neatkarīgi no tā, cik precīzi teorētiķi mēģināja aprakstīt elektronu kustību un orbītu atomā, atšķirība starp teorētiskajiem rezultātiem un eksperimentālajiem datiem saglabājās liela. Tomēr, izstrādājot kvantu teoriju, kļuva skaidrs, ka šīs atšķirības galvenokārt ir saistītas ar elektronu viļņainību. Elektrona viļņa garums, kas pārvietojas pa apļveida orbītu atomā, bija daļa no atoma mērījumiem un bija aptuveni 10-8 cm, lai gan daļiņu kustību, kas raksturīga jebkurai sistēmai, var raksturot tikai kā mehānisku materiāla punkta kustība slēgtā orbītā , kad daļiņas viļņa garums, salīdzinot ar izmaiņu sistēmu, būs tik mazs, ka tas netiks ņemts vērā. Citiem vārdiem sakot, jums jāņem vērā, ka elektrons nav punkts, nevis spēcīga “bumba”, tam ir iekšējā struktūra, kas var mainīties atkarībā no tā raksturīgajiem stāvokļiem. Tomēr šajā gadījumā elektrona iekšējās struktūras detaļas paliek nezināmas. Te kļūst skaidrs, ka, balstoties uz priekšstatiem par it kā punktveida elektronu orbītām, atoma uzbūvi nav iespējams iztēloties, tāpēc atoma iekšējās orbītas ir kļuvušas par ideāliem objektiem, kas patiesībā nemaz neeksistē. Saskaņā ar to viļņu raksturu elektroni un to elektriskais lādiņš ir nevienmērīgi sadalīti visā atomā, un tiem ir zems elektronu blīvums dažos punktos un lielāks elektronu blīvums citos. Elektronu lādiņa blīvuma sadalījuma atoma iekšienē apraksts ir dots kvantu mehānikā: dažos punktos elektronu lādiņa blīvums sasniedz maksimumu. Līkni, kas savieno elektronu lādiņa blīvuma maksimālo atzīmju punktus, formāli sauc par elektronu orbītu. Ūdeņraža atoma trajektorija, kas aprēķināta Bora teorijā, sakrita ar līkni, kas iet cauri vidējā lādiņa blīvuma maksimālo atzīmju punktiem, kas savukārt pilnībā atbilst eksperimentālajiem datiem. Šķiet, ka Bora teorija iezīmē mūsdienu fizikas attīstības pirmā posma robežlīniju. Bora atomu teorija, pievienojot nelielu skaitu jaunu apsvērumu, bija pēdējais mēģinājums aprakstīt atoma struktūru, pamatojoties uz klasisko fiziku. Bora postulāti parādīja, ka klasiskā fizika nespēj izskaidrot šādus rezultātus no vienkāršākajiem eksperimentiem, kas saistīti ar atoma uzbūvi. Klasiskajai fizikai svešie Bora postulāti pārkāpa tās integritāti un, savukārt, spēja izskaidrot tikai nelielu eksperimentālo datu apgabalu. Tāpēc rodas doma, ka Bora postulāti, kas atklāja jaunas, līdz šim zinātnei nezināmas matērijas īpašības, tajā pašā laikā daļēji un pilnībā tās neatspoguļoja. Bora teorija un viņa postulāti, kurus nevarēja piemērot sarežģītiem atomiem, bija bezspēcīgi, lai izskaidrotu būtiskās fizikas parādības, tāpat kā difrakcija un traucējumi nevarēja izskaidrot gaismas un matērijas viļņu īpašības. Uz daudziem ar atoma uzbūvi saistītiem jautājumiem atbildes tika saņemtas tikai kvantu mehānikas attīstības rezultātā. Tika konstatēts, ka Bora atoma modeli nevar burtiski saprast tā, kā tas bija agrāk. Būtu nekorekti vizuāli aprakstīt atoma procesus mehānisko modeļu formās, kas radīti pēc analoģijas ar makrokosmosa parādībām. Drīz kļuva zināms, ka makrokosmosam precīzi definētie laika un telpas jēdzieni nav piemēroti mikrofizisku parādību aprakstīšanai. Pamazām teorētiskie fiziķi pārvērta atomu par vēl abstraktāku sistēmu – nenovērojamu vienādojumu kopumu.

2. Elementārās daļasobjekti un to uzbūves problēma

Vielas struktūras problēma ir bijusi viena no aktuālākajām problēmām, kas vienmēr ir bijusi dabaszinātņu uzmanības centrā, īpaši tās progresīvajā jomā - fizikā. Skaidri atspoguļojot attiecības starp filozofiju un dabaszinātnēm, šai problēmai ir ne tikai filozofiska, bet arī praktiska un rūpnieciski tehniska nozīme. Lai to izdarītu, pietiek pateikt, ka mūsdienu fizikālās teorijas, kas veido nozīmīgu zinātniskās un tehnoloģiskās revolūcijas posmu, tostarp kvantu mehānika un elementārdaļiņu teorija, ir cieši saistītas ar kodolenerģijas atklāšanu un izmantošanu, kas noteica. "atomu laikmeta" pamats.

Mūsdienu fizika ir sasniegusi lielus sasniegumus matērijas struktūras un īpašību izpētes jomā. Tomēr, neskatoties uz to, dabai ir daudz vēl neatklātu noslēpumu matērijas uzbūves un īpašību jomā. Iekļūstot teorētiskās kognitīvās matērijas dzīlēs un atklājot jaunus tās struktūras līmeņus, mēs tam ticam arvien vairāk. Pašreizējā attīstības stadijā fizika ir iegājusi zinātnisku atklājumu pilnā ceļā, kas ved to uz priekšu cilvēka dabas spēku vēl lielākas apgūšanas virzienā. Tomēr fizika ne uzreiz izvēlējās šo ceļu. Pirms noteiktu sasniegumu sasniegšanas šajā ceļā tas izgāja garu un grūtu attīstības ceļu, un šajā periodā tas likvidēja dabas filozofiskās metafiziskās idejas par matērijas struktūru un īpašībām, kas raksturīgas vienam no laikmetiem.

Mūsdienu doktrīna par matērijas uzbūvi sāka veidoties, balstoties uz stabiliem praktiskiem faktiem, sākot tikai 19. gadsimta beigās un 20. gadsimta sākumā. Neapstājoties pie zinātnisko zināšanu panākumiem, šī mācība, kas tika bagātināta un attīstīta, apvienoja četrus aspektus, kas organiski saistīti viens ar otru: pirmkārt, šī mācība ir atomistiska mācība, jo saskaņā ar šo mācību katrs ķermenis, katra fiziskā zona. veidojas no mikrodaļiņām un mikroreģioniem , otrkārt, šī doktrīna ir statistikas doktrīna, jo, balstoties uz statistikas jēdzieniem, tā nosaka mikroobjektu kustības īpašības un modeļus, to savstarpējo ietekmi un transformācijas ar statistikas likumiem, treškārt, šī doktrīna ir kvantu teorija, un mikrodaļiņu kustības īpašības un modeļi kvalitatīvi atšķiras no klasiskās fizikas noteiktajām mikroskopisko ķermeņu kustības īpašībām un modeļiem visbeidzot, šī mācība ir relativistiska mācība, jo šajā teorijā saikne starp telpu, laiku un matērija tiek aprakstīta caur relativistisku teoriju – relativitātes teoriju.

Cilvēka zināšanu attīstīšana, neapstājoties pie matērijas uzbūves un īpašību zināšanu lauka, atklāja tās struktūras sarežģītību un īpašību neizsmeļamību un apstiprināja to ar jauniem faktiem. Lielākais sasniegums, kas sasniegts matērijas struktūras izpētes jomā, ir pāreja no atoma līmeņa uz elementārdaļiņu līmeni. Pirmā elementārdaļiņa, kas tika atklāta 19. gadsimta beigās, bija elektrons 20. gadsimta pirmajā pusē, tika atklāts fotons, protons, pozitrons, neitrons, neitrīno un citas elementārdaļiņas. Pašlaik elementārdaļiņas tiek uzskatītas par mazākajām "elementārdaļiņām" starp mikroobjektiem, kas ieskauj atomus un molekulas. Pēc Otrā pasaules kara, pateicoties moderno eksperimentālo tehnoloģiju izmantošanai un, pirmkārt, jaudīgiem paātrinātājiem, kas rada augstas enerģijas un milzīgu ātrumu apstākļus, tika atklāta vairāk nekā 300 elementārdaļiņu esamība. Viena daļa elementārdaļiņu tika atklāta eksperimentā, otra daļa (rezonanses, kvarki, virtuālās daļiņas) tika uzskatītas par teorētiskām.

Ko mūsdienu fizikā izsaka jēdziens “elementārdaļiņa”? Pirms atbildēt uz šo jautājumu, jāatzīmē dabaszinātnes jēdziena raksturīgā puse, ka, tāpat kā visi fizikālie jēdzieni, jēdziens “elementārs” ir relatīvs un dažādos zinātnisko zināšanu attīstības posmos iegūst dažādas nozīmes. Līdz mūsu gadsimta 60. gadu vidum idejas par elementārdaļiņām līdzinājās vienam no Demokrita izteiktajiem viedokļiem par atomiem. Tomēr šīs pirmās naivās idejas par elementārdaļiņām nebija ilgas: drīz vien tika pierādīts, ka nav nemainīgu, necaurredzamu, bezstruktūru daļiņu. Reālu faktu ietekmē jēdziens “elementārs” ir mainījies un kopumā viss, ko var saukt par “elementārdaļiņu”, ir ieguvis nenoteiktu raksturu. Pašlaik vairāki autori pamatoti atzīmē, ka jēdziens “elementārs” tiek lietots divās nozīmēs: no vienas puses, kā sinonīms vienkāršākajam, no otras puses, kā subatomiskā daļiņa, tas ir, fundamentalitātes rādītājs. . Ņemot vērā abas jēdziena “elementārdaļiņa” izteiktās nozīmes, šī vārda pilnā un plašā nozīmē varam teikt, ka tā sauktās “elementārdaļiņas” ir tādi materiāli veidojumi, kas sastāv no citām zinātnei zināmām daļiņām un daļiņām. ir atrodami kā vienots veselums visos procesos savstarpējā ietekmē, kas ietver tos raksturojošos fizikālos lielumus - masu, elektronu lādiņu, spinu, sapārošanu, vienotību, izotropu spinu un citus sākotnējos parametrus, kurus teorētiski nevar aprēķināt un var precīzi pielietot fizikālā teorija tikai eksperimentāli.

Elementārdaļiņu fizika, pēc zinātnieka akadēmiķa I. B. Tammina vārdiem, ir galvenā joma, "kas ved mūsdienu fiziku uz būtisku pārmaiņu un revolucionāru satricinājumu priekšvakaru". Elementārās daļiņas tēlaini pielīdzināja "neizpētītām planētām". Nav nejaušība, ka pēc 60. gadiem šajā jomā tika veikti ievērības cienīgi atklājumi fizikā. Lai gūtu priekšstatu par sasniegumiem šajā jomā, pietiek pateikt, ka pēdējo 25-30 gadu laikā elementārdaļiņu skaits ir pieaudzis no 35 līdz 340 un turpmāks šī rādītāja pieaugums ir sagaidāms. nākotnē. Īpaši kopš mūsu gadsimta 30. gadiem papildus iepriekš zināmajam elektronam, fotonam un protonam tika atklātas vēl daudzas jaunas daļiņas: neitroni, pozitroni, dažādu masu un lādiņu neitroni (arī neitrālie), mezoni, hiperoni un to t.s. atbilstošās antidaļiņas. “Elementāro” daļiņu skaitu izteicošā skaita pieaugums liecināja par jēdziena “elementārais” agrākās nozīmes zaudēšanu. Jo visas šīs daļiņas nevarēja pildīt pēdējo “ķieģeļu” funkciju pasaules būvniecībā. Esot šajā pozīcijā, elementārdaļiņas mēģināja izskaidrot daudzveidību un daudzveidību, klasificēt no attīstības nodrošināšanas viedokļa, klasificēt no zinātnes atziņu sasniegumu attīstības nodrošināšanas viedokļa šajā jomā. Šādu klasifikāciju ieviešana ir saistīta ar elementārdaļiņu īpašību un galveno raksturlielumu aprakstu.

Pašlaik ir noteiktas daudzas zinātnē zināmas elementārdaļiņu īpašības. Turklāt daudzām no šīm īpašībām nav analogu starp zināmajām makroskopisko objektu īpašībām. Abstraktajā matemātikas valodā aprakstītās elementārdaļiņu galvenās īpašības ir šādas: masa, lādiņš, vidējais eksistences periods, spins, izotropiskais spins, vienotība, sapārošana, leptīna lādiņš, bora lādiņš, savstarpējā ietekme. Mēģināsim raksturot šo elementārdaļiņu īpašību.

Viena no svarīgākajām elementārdaļiņu īpašībām ir masa. Ņemiet vērā, ka elementārdaļiņu miera masu nosaka attiecībā pret elektrona miera masu (me=9,1×10-31 kg). Šobrīd ir plašāk izplatīta elementārdaļiņu klasifikācija atkarībā no to miera masas vērtības. Pēc šīs klasifikācijas visas elementārdaļiņas iedala 4 grupās: 1) vieglās elementārdaļiņas – leptoni. Tas ietver elektronu, neitrīno un to antidaļiņas – pozitronu, antineitrīnu, kā arī pozitīvos un negatīvos mu-mezonus. Izņemot pēdējo, leptoni ir stabili pirms savstarpējas ietekmes un pastāv brīvā stāvoklī vairāk nekā 1020 gadus. Mū-mezoni nav stabilas daļiņas, nodzīvojot divas simts miljondaļas, tās sadalās un pārvēršas par elektronu, neitronu un antineitronu. Neitrīno un antineitrīno atlikušā masa ir ļoti maza, ja tie kopā ir vienādi ar 0,0005 no elektrona masas.

2) vidējas masas daļiņas - mezoni. Tas ietver pozitīvos, negatīvos un neitrālos pi mezonus ar masu 270 me – miera masu un dažus ka mezonu veidus ar masu 970 me. Visi mezoni ir nestabili un tiem ir ļoti īss pastāvēšanas periods (līdz 7-19 sekundēm).

3) smagās daļiņas - nukleoni. Tas ietver protonu, neitronu un to antidaļiņas - antiprotonu un antineitronu. Protons un antiprotons ir stabili, neitrons un antineutrons ir nestabilas daļiņas, un to kalpošanas laiks ir salīdzinoši ilgs - 17 minūtes.

4) hiperoni ir vissmagākās daļiņas. Šajā grupā ietilpst daudz daļiņu un antidaļiņu. Hiperonu masa ir no 2182 me līdz 2585 me. Visu hiperonu kalpošanas laiks ir vienāds - 10-10 sekundes.

Dažreiz nukleoni un hiperoni tiek apvienoti vienā grupā, ko sauc par barioniem. Šajā grupā var ietilpt arī fotons, kas veido īpašu grupu un ir elektromagnētiskā lauka kvants. Neskatoties uz to, ka šāda elementārdaļiņu klasifikācija neatklāj pamatlikumus, kas tās vieno, jebkurā gadījumā tā sniedz iespēju izpētīt vairākas daļiņu īpašības un pārvērtības un pat paredzēt dažu daļiņu esamību. Jāpiebilst, ka matērijas struktūra un īpašību neizsmeļamība izpaužas ne tikai zināmo daļiņu skaita pakāpeniskā pieaugumā, bet arī mazāk svarīgajā “elementārās” vielas daļiņu savstarpējās transformācijas faktā. Vispārējuma (duālisma) definīcija lauka matērijas daļiņu īpašībās radīja arī ideju par to savstarpējo pārveidošanu. Jau kādu laiku pēc pozitrona atklāšanas (1932. gadā) kļuva zināms, ka elektronu-pozitronu matērijas pāri, konkrētos apstākļos savienojoties, pārvēršas gaismas kvantos – fotonos, kas ir elektromagnētiskā lauka daļiņas, un veidojas no tiem. Tad kļuva zināms, ka šāda savstarpēja transformācija notiek ne tikai starp matērijas un lauka daļiņām, kas ir divu veidu matērija, bet arī starp pašām matērijas daļiņām. Rezultātā kļuva skaidrs, ka matērijas daļiņas nav nemainīgas un vienkāršas, tās var pārveidoties viena par otru savstarpējas ietekmes procesā, un tās var veidot un absorbēt dažādi daļiņu kompleksi. Vēl viena svarīga elementārdaļiņu īpašība ir to elektriskais lādiņš, kas atspoguļo to saistību ar elektromagnētisko lauku. Vienai zināmo daļiņu daļai ir pozitīvs lādiņš, otrai daļai ir negatīvs lādiņš, un dažām daļiņām nav elektriskā lādiņa. Papildus fotonam un abiem mezoniem katrai daļiņai ir pretēja lādiņa antidaļiņa. Iemesls, kāpēc dažādām elementārdaļiņām ne vienmēr ir vienāds elektriskais lādiņš un dažām elementārdaļiņām trūkst elektriskā lādiņa, mums vēl nav zināms. Ļoti iespējams, ka tā ir daļiņu struktūras kopības elementārdaļiņu vēl neatklāto dziļo iekšējo modeļu izpausme. Viena no elementārdaļiņu būtiskām fizikālajām īpašībām ir to pastāvēšanas periods. Atbilstoši pastāvēšanas periodam elementārdaļiņas iedala stabilās, kvazistabilās un nestabilās (rezonanses) daļiņās. Ir piecas stabilas daļiņas: fotons, elektronu neitrono, mionu neitrono, elektrons un protons. Makroķermeņu struktūrā noteicošā loma ir stabilām daļiņām. Atlikušās daļiņas nav stabilas. Šīs daļiņas, kuru vidējais kalpošanas laiks ir no 10-10 līdz 10-24 sekundēm, galu galā sadalās citās daļiņās. Kvazistabilās elementārdaļiņas ar vidējo eksistences periodu no 10-10 līdz 10-24 sekundēm sauc par rezonansi. Īsā pastāvēšanas perioda dēļ šīs daļiņas nevar atstāt atomu vai atoma kodolu un sadalīties citās daļiņās. Rezonējošo daļiņu esamība bija tikai teorētiski aprēķināta un reālā eksperimentā tās vēl nav iespējams pamanīt.

Vēl viena svarīga daļiņu īpašība ir griešanās. Spin ir pilnīgi jauna daļiņu īpašība, kas raksturīga tikai tām un kurai nav analoga makroskopiskajā fizikā, tās apraksts kā mehāniskā impulsa moments pats par sevi ir rupjš un neprecīzs. Mēs varam aplūkot spinu kā īpašu “rotāciju”, kas ir analoga daļiņas rotācijai makrokosmosā. Elementārdaļiņu griešanās tiek mērīta vienībās, un to nevar ne palielināt, ne samazināt. Spin nosaka daļiņā iekļautā statistikas veida vispārīgo raksturu (Bosa-Einšteina un Fermi-Diraka statistika) un teoriju, kas apraksta tās kustību. Protona, neitrona un elektrona spins ir S-e, fotona spins ir 1-e. Daļiņas ar pusi spin pakļaujas Fermi-Diraka statistikai un tiek sauktas par fermioniem, daļiņas ar pilnu griešanos pakļaujas Bozes-Einšteina statistikai un tiek sauktas par bozoniem. Ir zināms, ka vienā un tajā pašā situācijā, kad pēkšņi fermions vairs nav iespējams, vienā situācijā var būt vairāki bozoni. Tādējādi fermioni uzvedas kā “individuālisti”, bozoni - kā “kolektīvisti”. Neskatoties uz to, ka šī elementārdaļiņu iekšējās dabas īpašība vēl nav pilnībā izpētīta, tagad ir noskaidrota šo īpašību saistība ar telpas simetrijas un asimetrijas īpašībām. Spin tiek uzskatīta par elementārdaļiņu kustības iekšējās neatkarības pakāpes izpausmi. Tādējādi katrai elementārdaļiņai ir raksturīgas 4 neatkarības pakāpes: trīs no tām ir ārējās brīvības pakāpes, kas izsaka daļiņas kustību telpā; viena ir griešanās iekšējā brīvības pakāpe. Spin esamība norāda arī uz daļiņas sarežģīto struktūru un noteikta veida iekšējiem savienojumiem. Viena no svarīgām elementārdaļiņu īpašībām ir arī magnētiskais moments. Šī īpašība rodas gan uzlādētās, gan neuzlādētās daļiņās. Tiek pieņemts, ka noteiktu lādētu daļiņu magnētiskā momenta daļu nosaka to atrašanās vieta telpā. Piemēram, tiek pieņemts, ka protonu un neitronu magnētiskais moments ir saistīts ar strāvu, ko rada ap tiem pulcējušies mezonu mākoņi. Apskatīsim šo problēmu plašāk. Ir zināms, ka, neskatoties uz to, ka neitronam nav elektriskā lādiņa, tam ir noteikts magnētiskā momenta daudzums. Tas parāda, ka daļiņas magnētisko momentu galvenokārt nedrīkst noteikt tās iekšējā struktūra. Kā šajā gadījumā būtu izskaidrojama neitronu magnētiskā momenta radīšana? Tiek pieņemts, ka sakarā ar to, ka neitrons ir nestabila daļiņa, tas sadalās protonā un mezona lauka pozitīvā mezona kvantā, un aptuveni 25% tā pastāvēšanas atrodas šajā pozīcijā. Tāpēc neitrons iegūst 25% no pozitīvā pimesona magnētiskā momenta. Eksperimentāli novērotais neitrona magnētiskais moments ir ļoti tuvs teorētiski aprēķinātajam skaitlim. Elementārdaļiņas papildus elektriskajam lādiņam papildus raksturo leptona un bariona lādiņi. Visu leptonu Leptona lādiņš tiek pieņemts kā +1, visu barionu barionu lādiņš tiek pieņemts kā +1. Savienošana pārī ir arī viena no svarīgākajām elementārdaļiņu īpašībām. Šī vērtība attiecas uz labās un kreisās puses simetrijām. Elementārdaļiņu teorijā katras daļiņas koordinātas raksturo viļņa funkcija y, kas var mainīt šo koordinātu atzīmi kā spoguļattēlu vai arī nemainīt (x® -x, u® -u, z® -z ). Pirmajā gadījumā funkcija y ir asimetriska vai vienfunkcija, atbilstošās daļiņas sapārošana ir +1, otrajā gadījumā funkcija y ir simetriska vai sapārota, bet daļiņas pārī tiek pieņemts -1 . Viens no ļoti svarīgiem elementārdaļiņu raksturlielumiem ir arī savstarpēja transformācija, ko pavada elementārdaļiņām atbilstošā lauka kvantu emisija un absorbcija savstarpējās ietekmes periodā. Šie procesi, kas atšķiras viens no otra ar to norises intensitāti, nosaka elementārdaļiņām raksturīgās savstarpējās ietekmes iedalījumu 4 veidos: spēcīgā, elektromagnētiskā, vājā un gravitācijas savstarpējā ietekme. Elementārdaļiņu īpašības galvenokārt nosaka spēcīgas elektromagnētiskas un vājas savstarpējas ietekmes. Spēcīga savstarpēja ietekme notiek atoma kodola līmenī, to veidojošās daļas sastāv no savstarpējas pievilkšanās un atgrūšanas. Savstarpējās ietekmes spēki, ko sauc par kodolspēkiem, sniedzas ļoti mazā attālumā - 10-13 cm Spēcīgas savstarpējas ietekmes, noteiktos apstākļos stingri saistot protonus un neitronus, rada materiālu sistēmu, ko raksturo augsta saistīšanas enerģija - atoma kodols. . Neskatoties uz to, ka elektromagnētiskā savstarpējā ietekme ir aptuveni 1000 reižu vājāka nekā spēcīga savstarpēja ietekme, to ietekmes rādiuss ir tuvu bezgalībai. Šāda veida savstarpēja ietekme ir raksturīga elektriski lādētām daļiņām. Elektromagnētiskās savstarpējās ietekmes nesējs ir brīvs no fotona elektriskā lādiņa un miera masas. Fotons ir elektromagnētiskā lauka kvants. Ar elektromagnētiskām savstarpējām ietekmēm, apvienojot atoma kodolu un elektronu vienā sistēmā, rodas atomi, un, apvienojoties, atomi rada molekulas. Elektromagnētiskā savstarpējā ietekme ir galvenā savstarpējā ietekme, ko pavada ķīmiskie un bioloģiskie procesi.

Starp dažādām daļiņām pastāv vāja savstarpēja ietekme. Vāja savstarpēja ietekme, kas saistīta ar daļiņu spontānas sabrukšanas procesu, piemēram, ar neitrona kodola transformācijas procesu protonā, elektronā un antineitrīnā (n0® p+ + e- +n), var izplesties ļoti ilgu laiku. neliels attālums (10-15 - 10-22 cm). Saskaņā ar mūsdienu zinātnes atziņām lielākā daļa daļiņu ir nestabilas tikai vājas savstarpējas ietekmes dēļ. Gravitācijas savstarpējā ietekme ir ārkārtīgi vāji spēki, kas tiek ņemti vērā elementārdaļiņu teorijā. Salīdzinājumam atzīmējam, ka tie ir 1040 reizes vājāki par spēcīgiem savstarpēji ietekmējošiem spēkiem. Tomēr īpaši maziem attālumiem (apmēram 10-33 cm) un īpaši lielām enerģijām gravitācijas spēki kļūst nozīmīgi to spēka ziņā, tie iegūst cienīgu formu salīdzināšanai ar citiem savstarpējās ietekmes veidiem. Kosmiskā mērogā gravitācijas savstarpējai ietekmei ir izšķiroša loma. Šo spēku ietekmes rādiuss ir neierobežots. Dabā starp elementārdaļiņām darbojas nevis viens, bet dažkārt vairāki savstarpējās ietekmes un īpašību veidi, un daļiņu struktūru nosaka visu iesaistīto savstarpējās ietekmes veidu kopība. Piemēram, protons, kas ir daļa no hadroniskā tipa elementārdaļiņām, piedalās spēcīgā savstarpējā ietekmē un elektromagnētiskajā savstarpējā ietekmē, jo tā ir elektriski lādēta daļiņa. Savukārt protons var rasties neitrona b sabrukšanas procesā, tas ir, vājās savstarpējās ietekmēs, līdz ar to tas ir saistīts ar vājām savstarpējām ietekmēm. Visbeidzot, protons kā materiāls veidojums ar masu piedalās gravitācijas savstarpējās ietekmēs. Atšķirībā no protona, vairākas elementārdaļiņas piedalās visa veida savstarpējā ietekmē, bet tikai dažos to veidos. Piemēram, neitrons, pateicoties tam, ka tā ir neuzlādēta daļiņa, nepiedalās elektromagnētiskajā savstarpējā ietekmē, un elektrons un mu-mezons nepiedalās spēcīgā savstarpējā ietekmē. Fundamentālas savstarpējas ietekmes ir iemesls daļiņu transformācijai - to iznīcināšanai un ģenerēšanai. Piemēram, neitrona un protona sadursme rada divus neitronus un vienu pozitīvu pimesonu. Elementārdaļiņu transformācijas periods ir atkarīgs no savstarpēji ietekmējošā spēka. Kodolreakcijas, kas saistītas ar spēcīgu savstarpēju ietekmi, notiek 10-24 - 10-23 sekundēs. Tas ir periods, kad elementārdaļiņa pārvēršas par lielas enerģijas daļiņu un iegūst ātrumu, kas tuvu gaismas ātrumam, izmēri ir 10-13 cm. Elektromagnētiskās savstarpējās ietekmes radītās izmaiņas notiek 10-21 - 10-19 sekundēs, vājas savstarpējas ietekmes izraisītas izmaiņas (piemēram, elementārdaļiņu sabrukšanas process) - 10-10 sekundēs. Dažādu mikrokosmosā notiekošo izmaiņu periodam var pieiet no spriešanas viedokļa par radošo savstarpējo ietekmi. Elementārdaļiņu savstarpējās ietekmes kvanti tiek realizēti caur šīm daļiņām atbilstošajiem fiziskajiem laukiem. Mūsdienu kvantu teorijā lauks tiek saprasts kā daļiņu sistēma, kuru skaits mainās (dzimuma kvanti). Stāvokli, kad lauks un kopumā lauka kvanti pastāv ar viszemāko enerģiju, sauc par vakuumu. Elektromagnētiskā lauka daļiņas (fotoni) vakuumā ierosmes stāvoklī zaudē mehāniskās īpašības, kuras tās satur un kas ir raksturīgas korpuskulārajai vielai (piemēram, kustības laikā ķermenis nejūt berzi). Vakuums nesatur vienkāršus matērijas veidus, tomēr, neskatoties uz to, tas nav tukšums vārda tiešā nozīmē, tāpēc vakuumā ierosmes kvanti rodas elektromagnētiskā lauka kvanti - fotoni, kas realizē elektromagnētisko savstarpējo ietekmi. Vakuumā papildus elektromagnētiskajam laukam ir arī citi fiziski lauki, tostarp gravitācijas lauks, kas vēl nav novērots tā sauktajos gravitona eksperimentos. Kvantu lauks ir kvantu kopums un pēc būtības ir diskrēts. Tādējādi elementārdaļiņu savstarpējai ietekmei, to savstarpējai transformācijai, fotonu emisijai un absorbcijai ir diskrēts raksturs un tā notiek tikai kvantēšanas situācijā. Rezultātā rodas šāds jautājums: kādā tieši izpaužas lauka nepārtrauktība, tās nepārtrauktība? Gan kvantu elektrodinamikā, gan kvantu mehānikā lauka stāvokli nepārprotami apraksta nevis novērojamas reālas parādības, bet tikai viļņa funkcija, kas saistīta ar reciprokālo jēdzienu. Šīs funkcijas moduļa kvadrāts parāda spēju novērot apskatāmās fizikālās parādības. Kvantu lauka teorijas galvenā problēma ir dažāda veida daļiņu savstarpējās ietekmes apraksts attiecīgajos vienādojumos. Šī problēma līdz šim ir atradusi risinājumu tikai kvantu elektrodinamikā, kas apraksta elektronu, pozitronu un fotonu savstarpējo ietekmi. Kvantu lauka teorija vēl nav izveidota spēcīgai un vājai savstarpējai ietekmei. Pašlaik šie savstarpējās ietekmes veidi netiek aprakstīti, izmantojot stingras metodes. Lai gan ir zināms, ka nav iespējams saprast elementārdaļiņas, ja tās nav attiecīgajā fizikālajā teorijā, nav iespējams saprast to struktūru, ko nosaka šo teoriju struktūra. Tāpēc elementārdaļiņu struktūras problēma vēl nav pilnībā atrisināta. Mūsdienu fizika šobrīd pierāda, ka pastāv sarežģītas daļiņas, kurām ir daļiņu iekšējā struktūra, kas tiek uzskatīta par "elementāru". Kļuva zināms, ka protons un neitrons tajos notiekošo virtuālo procesu rezultātā piedzīvo iekšējas transformācijas. Eksperimentu rezultātā, kas veikti protonu struktūras izpētei, tika noskaidrots, ka protons, kas vēl nesen tika uzskatīts par nedalāmu, visvienkāršāko un bezstruktūras, patiesībā ir sarežģīta daļiņa. Tās centrā ir blīvs kodols, ko sauc par “kodolu”, to ieskauj pozitīvi pi mezoni. “Elementāro” daļiņu struktūras sarežģītību pierādīja kvarku hipotēze, ko 1964. gadā izvirzīja amerikāņu zinātnieks Hel-Manns un neatkarīgi no zviedru zinātnieka Cveiga. Saskaņā ar šo hipotēzi no kvarka daļiņām, kuru lādiņš ir vienāds ar vienu trešdaļu vai divām trešdaļām elektronu lādiņa, jāveido elementārdaļiņas ar attiecībām, ko raksturo spēcīga savstarpēja ietekme (hadroni: protons, neitroni, hiperoni). Tādējādi teorija parāda, ka iezīmēto kvarku elektriskie un barionu lādiņi, kas veido daļiņas, ir jāizsaka kā daļskaitlis. Patiešām, daļiņas, ko sauc par kvarkiem, vēl nav atklātas un pašreizējā zinātnes attīstības līmenī joprojām ir hipotētiskas mikropasaules iemītnieki.

Secinājums

Tādējādi, no vienas puses, ir skaidrs, ka elementārdaļiņām ir īpaša struktūra, no otras puses, šīs struktūras būtība joprojām ir neskaidra. No iepriekšminētajiem datiem kļūst skaidrs, ka elementārdaļiņas nemaz nav elementāras, tām ir iekšēja struktūra un tās var sadalīt un pārveidot viena par otru. Mēs joprojām ļoti maz zinām par abām struktūrām. Tādējādi šodien, balstoties uz vairākiem faktiem, varam apgalvot, ka elementārdaļiņu matērija ir jauna veida, kvalitatīvi atšķirīga no sarežģītākām daļiņām (kodols, atoms, molekula). Tajā pašā laikā šī atšķirība ir tik būtiska, ka kategorijas un izteiksmes, ko lietojam, pētot kodolus, atomus, molekulas, makroskopiskus ķermeņus (“vienkārši” un “sarežģīti”, “iekšējā struktūra”, “veidoti”), var attiecināt arī uz elementārdaļiņas. Jēdzieni "vienkāršs un sarežģīts", "sastāvdaļas", "struktūra", "vesels" kopumā ir relatīvi jēdzieni. Piemēram, neskatoties uz to, ka atomam ir sarežģīta struktūra un tā struktūra sastāv no kodolenerģijas un elektroniskiem līmeņiem, tas ir vienkāršāks salīdzinājumā ar tā molekulu. Materiālo sistēmu struktūru hierarhijā paši atoma kodols, atoms, molekula un makroskopiskie ķermeņi veido vienotu struktūras līmeni. Tāpēc ķermeņa elementi, salīdzinot ar nākamā līmeņa elementiem, ir vienkāršāki un darbojas kā to sastāvdaļas. No otras puses, tie ir sarežģītāki salīdzinājumā ar elementiem, kas atrodas zemākos līmeņos un ir to sastāvdaļas. Visām sistēmām, sākot no atoma kodola līdz ļoti lieliem izmēriem, ir šāda īpašība: katrā no tām ir iespējams nodalīt tos struktūras elementus, kas veido aplūkojamos ķermeņus un ir vienkāršāki par elementiem zemākā līmenī. daļas. Savas nozīmes ziņā konsolidācijas un atdalīšanas procesi ir vienādi. Piemēram, noteiktas ķīmiskās vielas molekulas sastāv no noteikta skaita atomu un noteiktos apstākļos var tajos sadalīties. Šajā gadījumā kompleksā veseluma masa ir lielāka par katras tā sastāvdaļas masu. Šī pēdējā pozīcija neattiecas uz elementārdaļiņām. Tādējādi elementārdaļiņu sabrukšanas produkti nav vienkāršāki par dalāmām, tomēr precīzām “pārveidojošām” daļiņām. Tās ir arī elementārdaļiņas. Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām sabrukšanas produkti kopā ar daļiņām, kas tos rada, atrodas vienā hierarhijas līmenī. Piemēram, neitronu noteiktos apstākļos sadala protonā, elektronā un antineutronā (n0 ®p+ + e- +). Lai gan neitrons nav sarežģītāks vai vienkāršāks par protonu, elektronu un antineitronu. Turklāt protonu un elektronu var iegūt citu reakciju rezultātā. Tāpēc mēs varam teikt, ka katras elementārdaļiņas iespējamība ir tāda, ka tā var būt citu elementārdaļiņu “sastāvdaļa”. No otras puses, tas nav tik svarīgi, lai katrā elementārajā līmenī kopums sastāvētu no tik lielas uzkrājuma. Šajā gadījumā veseluma masa var būt pat vairākas reizes mazāka nekā tā sastāvdaļu masa. Piemēram, vairākos gadījumos ņuklona un antiņuklona sapludināšanas rezultātā tiek iegūts mezons, kura masa ir mazāka par jebkura no tām masu. Šī anomālija ir izskaidrojama ar to, ka elementārdaļiņas radīšanas laikā masa absorbē atbrīvoto enerģiju

var būt tik lieli, ka iegūtie reakcijas produkti nemaz nav līdzīgi sākotnējām daļiņām. Tāpēc elementārdaļiņu pasaulē jēdzieni “vienkāršs un sarežģīts”, “komponents”, “struktūra”, “vesels” iegūst pavisam citu nozīmi nekā atomu fizikā un klasiskajā fizikā. Elementārdaļiņu specifika izpaužas arī enerģētiskā savstarpējā ietekmē. Sākot ar makroskopiskiem objektiem un beidzot ar atoma kodolu, visu materiālo sistēmu enerģija veidojas no divām sastāvdaļām: speciālās, kas atbilst ķermeņa masai (E=mc2) un to veidojošo elementu saistīšanas enerģijas. Lai gan šie enerģijas veidi nav atdalāmi viens no otra, tie pēc būtības ir pilnīgi atšķirīgi. Objektu īpašā enerģija ir daudz lielāka nekā to savienojuma enerģija, to var sadalīt visās tā sastāvdaļās. Piemēram, ārējās enerģijas dēļ molekulu var sadalīt atomos (H2O®H+O+H), taču pašos atomos šajā gadījumā manāmas izmaiņas nenotiks. Elementārdaļiņās šī problēma iegūst citu formu. Visa elementārdaļiņu enerģija nav sadalīta īpašajā un saistošajā. Tāpēc, neskatoties uz to, ka elementārdaļiņām nav iekšējas struktūras, tās nevar sadalīt to sastāvdaļās. Elementārās daļiņas nesatur iekšējās daļiņas, kas paliek vairāk vai mazāk nemainīgas. Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām elementārdaļiņu struktūra tiek aprakstīta ar nepārtraukti ģenerētu un nepārtraukti dalāmu "virtuālo" daļiņu palīdzību. Piemēram, mezona iznīcināšana (no latīņu vārda “annihilatio” — iznīcināšana) veidojas no nepārtraukti radītiem un pēc tam izzūdošiem virtuāliem nukleoniem un virtuāliem antinukleoniem. Virtuālās daļiņas jēdziena formāla attīstība parāda, ka elementārdaļiņu iekšējo struktūru nevar aprakstīt ar citu daļiņu palīdzību. Elementārdaļiņu izcelsmes un struktūras teorija, kas apmierina fiziķus, vēl nav izveidota. Vairāki ievērojami zinātnieki nonāca pie domas, ka šo teoriju var izveidot, ņemot vērā tikai kosmiskos apstākļus. Ievērojamu nozīmi iegūst ideja par elementārdaļiņu ģenerēšanu no vakuuma spēka, elektromagnētiskā un gravitācijas lauka. Jo attiecības starp mikro, makro un mega pasauli ir iemiesotas tikai šajā idejā. Megapasaulē elementārdaļiņu uzbūvi un savstarpējās pārvērtības nosaka fundamentālas savstarpējas ietekmes. Ir acīmredzams, ka, lai adekvāti aprakstītu materiālās pasaules uzbūvi, ir jāizstrādā jaunu jēdzienu aparāts.

Bibliogrāfija

1. Makoveļskis. Sengrieķu atomisti. Baku, 1946. gads.

2. Kudrjavcevs. Fizikas vēstures kurss. M., Izglītība, 1974, 179. lpp.

3. Dabaszinātņu filozofija. M., 1966, 45. lpp.; E.M. Balabanovs. Atoma dziļumos, M., 1967.

4. Filozofija un dabaszinātnes. M., 1964, 74.-75.lpp.; S.T. Meļuhins. Ceļā uz mūsdienu lauka un matērijas koncepciju filozofisku novērtējumu. Grāmatā: Dialektiskais materiālisms un mūsdienu dabaszinātne, M., 1957, lpp. 124-127.

5. Kuzņecovs B. Fiziskās domas ceļi. Ed. "Zinātne", M., 1968, lpp. 296-298

6. Akhizer A.I., Rekalo M.P. Elementārdaļiņu biogrāfija, Kijeva, 1978.

7. Staņukovičs K.P., Lapčinskis V.G. Elementārdaļiņu sistemātika.

8. Grāmatā: Par daļiņu sistemātiku, M., 1969, 74.-75.lpp.

9. Balabanovs E.M. Dziļi atomā. M., 1967, 38.-39.lpp.

10. Novožilovs Ju.V. Elementārās daļiņas. M., 1974; Sprouls R. Mūsdienu fizika. M., 1974;

11. Sodijs F. Atomenerģijas vēsture. M., 1979. gads.

12. Gott V.S. Par materiālās pasaules neizsmeļamību. M., “Zināšanas”, 1968, 31. lpp.

13. Kņazevs V.N. Mijiedarbības jēdzieni mūsdienu fizikā. M.

14. Svečņikovs G.A. Matērijas bezgalība. M., 1965, 1. lpp. 17-21; Omeļjanovskis M

Ievietots vietnē Allbest.ru

Līdzīgi dokumenti

Pamatjēdzieni, elementārdaļiņu mehānismi, to fizikālās mijiedarbības veidi (gravitācijas, vāja, elektromagnētiskā, kodolenerģija). Daļiņas un antidaļiņas. Elementārdaļiņu klasifikācija: fotoni, leptoni, hadroni (mezoni un barioni). Kvarku teorija.

kursa darbs, pievienots 21.03.2014


Elementārdaļiņu pamatīpašības un klasifikācija. Mijiedarbības veidi starp tām: spēcīga, elektromagnētiska, vāja un gravitācijas. Atomu kodolu sastāvs un īpašības. Kvarki un leptoni. Metodes, reģistrēšana un elementārdaļiņu izpēte.

kursa darbs, pievienots 08.12.2010


Fundamentālas fiziskās mijiedarbības. Gravitācija. Elektromagnētisms. Vāja mijiedarbība. Fizikas vienotības problēma. Elementārdaļiņu klasifikācija. Subatomisko daļiņu raksturojums. Leptoni. Hadroni. Daļiņas ir mijiedarbības nesēji.

diplomdarbs, pievienots 02.05.2003


Pirmā tipa matērijas struktūras un īpašības. Otrā tipa matērijas (elementārdaļiņas) struktūras un īpašības. Elementārdaļiņu sabrukšanas mehānismi, mijiedarbība un dzimšana. Maksas aizlieguma iznīcināšana un ieviešana.

abstrakts, pievienots 20.10.2006


Elementārdaļiņu novērošanas metožu raksturojums. Elementārdaļiņu jēdziens, to mijiedarbības veidi. Atomu kodolu sastāvs un nukleonu mijiedarbība tajos. Definīcija, atklāšanas vēsture un radioaktivitātes veidi. Vienkāršākās un ķēdes kodolreakcijas.

abstrakts, pievienots 12.12.2009


Visu elementārdaļiņu īpašības. Protonu un neitronu savienojums atomu kodolos. Elementārdaļiņu klasifikācija. Neitrona un protona masu starpības lielums. Neitronu gravitācijas mijiedarbība. Mūona dzīves laika eksperimentālā vērtība.

abstrakts, pievienots 20.12.2011


Scenārijs Visuma attīstībai pēc Lielā sprādziena. Mūsdienu idejas par elementārdaļiņām kā matērijas uzbūves pamatprincipu Visumā. Elementārdaļiņu klasifikācija. Viļņu-daļiņu dualitāte mūsdienu fizikā. N.Bora atoma teorija.

abstrakts, pievienots 17.05.2011


Rezerforda planētas atoma modelis. Atomu kodola sastāvs un īpašības. Kodola masa un saistīšanas enerģija. Nukleonu saistīšanās enerģija kodolā. Mijiedarbība starp lādētām daļiņām. Lielais hadronu paātrinātājs. Elementārdaļiņu fizikas teorijas nosacījumi.

kursa darbs, pievienots 25.04.2015


Elementārdaļiņa ir daļiņa bez iekšējas struktūras, tas ir, nesatur citas daļiņas. Elementārdaļiņu klasifikācija, to simboli un masa. Krāsu lādiņš un Pauli princips. Fermioni kā visu vielu pamatdaļiņas, to veidi.

prezentācija, pievienota 27.05.2012


Elementārdaļiņu klasifikācija. Fundamentālas mijiedarbības. Rezerforda atoma modelis. Bora teorija par ūdeņraža atomu. Ūdeņraža atoms kvantu mehānikā. D. Mendeļejeva periodiskā likuma kvantu mehāniskais pamatojums. Radioaktivitātes jēdziens.