Problemet med strukturen hos elementarpartiklar. Elementarpartiklar och problemet med att söka efter "primära objekt"

Problemet med elementarpartiklar

Vid olika stadier av avancemang "in i djupet" av ett ämne kallades olika partiklar elementära (strukturlösa). På jakt efter universums grundläggande "byggstenar" fastställde människan till en början att alla föreningar består av "elementära" molekyler. Sedan visade det sig att molekyler är byggda av "elementära" atomer. Århundraden senare upptäcktes det att "elementära" atomer är byggda av "elementära" kärnor och elektroner som kretsar runt dem. Slutligen upptäcktes att själva kärnorna är uppbyggda av protoner och neutroner, som tills relativt nyligen ansågs vara elementarpartiklar utan inre struktur. Efter upptäckten av neutronen 1932 verkade det som om de grundläggande byggstenarna som vanlig materia är uppbyggd av var etablerade: protoner, neutroner, elektroner och fotoner.

Men sedan 1933 har antalet upptäckta elementarpartiklar ökat snabbt. När deras antal översteg hundra blev det klart att ett så stort antal partiklar inte kunde fungera som elementära komponenter i materia.

De försökte klassificera de nyupptäckta elementarpartiklarna, först och främst efter massa. Således uppstod uppdelningen av elementarpartiklar i leptoner (lätta) och baryoner (tunga). Elektronen, positronen och neutrinon som vi känner till tillhör leptoner och protonen och neutronen till baryoner. Det finns en annan grupp av elementarpartiklar - mesoner (mellanliggande).

Baryoner och mesoner, som partiklar som deltar i den så kallade starka interaktionen (se nedan), kombineras ofta till en grupp hadroner.

Problemet med elementarpartiklar, vars antal översteg tre och ett halvt hundra, verkade olösligt under lång tid. Genombrottet kom när kvarkmodellen föreslogs på 60-talet, som byggde på hypotesen om förekomsten av nya verkligt elementarpartiklar, som kallades kvarkar. Inom kvarkmodellen betraktas alla baryoner som kombinationer av tre kvarkar, och mesoner betraktas som kombinationer av en kvark och en antikvark.

Grundläggande egenskaper hos elementarpartiklar

De viktigaste egenskaperna hos elementära partiklar är följande:

Mässa – m

Livstid – τ

Elektrisk laddning–q

Baryon- och leptonnummer (avgifter)– B, L

Spinn – s

En av de viktigaste egenskaperna hos subatomära partiklar är deras massa, som samtidigt bestämmer deras viloenergi. Bland partiklar med noll massa är fotoner de mest kända. Neutrinomassan kan också vara noll. Elektronen är den lättaste av de stabila partiklarna med massa som inte är noll (me =0,911·10-30 kg). Protonen har den minsta massan bland baryoner

(smp = 1,672-10-27 kg). En neutrons massa är något större än en protons massa: mn − mp

2,5 mig.

Elektron och proton är stabila partiklar. Livslängden för en fri neutron är cirka 900 sekunder. De flesta elementarpartiklar är mycket instabila, deras livslängder sträcker sig från några mikrosekunder till 10-23 s.

Elektrisk laddning. De elektriska laddningarna för alla studerade elementarpartiklar (förutom kvarkar!) är heltalsmultiplar av e

1,6·10-19 C (e är den elementära laddningen, numeriskt lika med laddningen av en elektron eller proton). I vår värld gäller den universella lagen om bevarande av elektrisk laddning: den totala elektriska laddningen i ett isolerat system bevaras.

Baryon (B) och lepton (L) nummer (laddningar) karakterisera om en partikel tillhör klassen baryoner eller leptoner. Baryoner har ingen leptonladdning ( L =0), för baryonpartiklar B = 1, för antipartiklar B = -1. Leptoner har ingen baryonladdning, och deras leptonladdning är lika med L = 1 – för partiklar (elektron, neutrino) och därmed L = -1 – för antipartiklar (positron, antineutrino).

Huvudegenskapen hos elementarpartiklar är deras förmåga att genomgå ömsesidiga omvandlingar, som endast sker under förutsättning att alla typer av laddningar som diskuterats ovan är bevarade: elektriska, baryon, lepton (plus lagarna för bevarande av energi, momentum och rörelsemängd).

Spin (s) är en speciell inre egenskap hos elementarpartiklar som är förknippade med deras eget (spin) momentum, som mäts i

enheter av h (Plancks konstant) eller ћ =									(h överstruken).
I enheter av ћ tar spinn av alla elementarpartiklar värden eller
heltal: 0, 1, 2, … eller halvheltal: 1								, …

Partiklar med halvheltalsspinn kallas fermioner, och partiklar med heltalsspinn kallas bosoner. Fermioner lyder Paulis uteslutningsprincip enligt vilket två identiska partiklar inte kan vara i samma kvanttillstånd.34 Alla fermioner är partiklar av materia.

Bosoner, tvärtom, tenderar alla att hamna i samma tillstånd. Alla bosoner är kvantapartiklar av något fält. Av alla bosoner är fotoner de vanligaste i universum.

34 Ett kvanttillstånd kännetecknas helt av en uppsättning av fyra kvanttal: varav tre är associerade med rymdens tredimensionalitet och det fjärde med spinn.

Således fungerar fermioner som "rena individualister", medan bosoner är riktiga "kollektivister".

Grundläggande fermioner - leptoner och kvarkar

För närvarande anses de verkligt elementära partiklar som all materia i vår värld är uppbyggd av vara leptoner och kvarkar, vars spinn är lika med ½.

Leptonfamiljen består av partiklar i tre generationer: till första generationens inkluderar elektron e - och elektronneutrinoν e; andra generationen– muon μ och muon neutrinoν μ och slutligen, tredje generationen–

taon τ - och taon neutrino ν τ:

				μ −
	ν e			νμ		ν τ

Elektronen, myonen och taonen uppträder i par endast med deras enorma penetrerande kraft, brist på laddning och extremt lilla, möjligen noll massa, gjorde dem svårfångade i många år. Den mest svårfångade av alla elementarpartiklar visade sig vara tau-neutrinon, som upptäcktes först sommaren 2000.

Neutrinos är så "okroppsliga" att de lätt tränger igenom jordens tjocklek och kan passera genom ett flera ljusår tjockt blylager. Samtidigt är neutriner, tillsammans med fotoner, de vanligaste partiklarna i vår värld. Om all materia, inklusive alla galaxer och intergalaktiskt stoft, var jämnt fördelat över hela universums volym, skulle det för varje kubikmeter rymd finnas en proton och en elektron. Det finns miljarder gånger fler fotoner och neutriner: det finns cirka 500 partiklar i varje kubikcentimeter.

Neutrinos introducerades först av Pauli för att förklara kärnornas betasönderfall,

där omvandlingen av en proton till en neutron (det så kallade β + -sönderfallet) och en neutron till en proton sker:

	→ 0 n						→ 1 sid	+− 1 e

Observera att omvandlingen av en neutron till en proton är energetiskt gynnsam (eftersom en protons massa är mindre än en neutrons massa). Detta är vad som förklarar instabiliteten hos en fri neutron.

Om processen att omvandla en neutron till en proton sker inuti kärnan,

det kallas β - - sönderfall. I detta fall är β - partikeln en elektron.

Processen att omvandla en proton till en neutron kräver energi och kan bara ske inuti kärnan. β + - sönderfall åtföljs av födelsen av en partikel som helt liknar en elektron, men med en elektrisk laddning av motsatt tecken, vilket kallas en positron +1 e 0.

Förutom elektronen (eller positronen) involverar β − sönderfall en annan elementarpartikel, kallad neutrinon − 0 ν 0 (en partikel

åtföljande β - − sönderfall).

Antipartiklar

Existensen av elektronen och positronen tyder på att andra elementarpartiklar kan ha sina egna "tvillingar". Faktum är att nästan varje partikel har sin egen antipartikel, vars massa är strikt lika med partikelns massa, och laddningens tecken är motsatt. Det finns också en ganska sällsynt typ av verkligt neutrala partiklar som inte har tvillingar (fotoner). I princip kan det finnas en antiatom, vars kärna består av antiprotoner och antineutroner, och elektronerna är ersatta av antielektroner (positroner), en antimolekyl och slutligen en antimateria, vars egenskaper inte kommer att skilja sig från egenskaperna. av vanlig materia.

Den viktigaste egenskapen hos partiklar och antipartiklar är deras förmåga att förinta. Förintelse av en partikel - antipartikelpar (från latinets annihilatio -

förstörelse, försvinnande) är en av typerna av omvandling av elementarpartiklar, åtföljd av frigörande av energi, till exempel omvandlingen av en elektron och en positron vid deras kollision till fotoner (elektromagnetisk strålning):

1 e0 + +1 e0 → 2y

Den motsatta effekten är också möjlig - bildandet av ett elektron-positron-par när två fotoner kolliderar. Det är tydligt att fotonenergin inte måste vara mindre än två gånger resten av elektronen E γ > 2m e c 2 (lite mer

1 MeV).

Vår värld består av materia. På jorden, i solsystemet och i den yttre rymden som omedelbart omger solsystemet, finns det ingen märkbar mängd antimateria, eftersom på grund av förintelsereaktioner är nära samexistens av partiklar och antipartiklar omöjlig. De få antipartiklar som kan produceras i laboratorieförhållanden dör förr eller senare. Den långsiktiga existensen av stabila antipartiklar (till exempel antiprotoner eller positroner) är endast möjlig vid en låg densitet av materia - i speciella ackumulatorer av laddade partiklar eller i yttre rymden. Frågor om varför vår värld består av materia, när och varför asymmetrin i vårt universum uppstod, är av grundläggande betydelse och fortsätter att dra till sig uppmärksamhet hos teoretiska fysiker.

Den andra familjen av grundläggande elementarpartiklar från vilka hadroner (baryoner och mesoner) är uppbyggda kallas kvarkar. Det finns sex varianter av kvarkar (fysiker kallar dem "smaker") som, liksom leptoner, grupperas i par och bildar tre generationer. Första generationens– u och d kvarkar (upp - upp och ner

Lägre); andra generationens - s och c kvarkar (konstigt - konstigt och charm -

förtrollad) och slutligen den tredje generationen - b och t kvarkar (skönhet - vacker och sann - sant ; ibland kallas de botten och toppen ). Sista sjätte t-kvark upptäcktes relativt nyligen (1995).

Kvarkar är fermioner (deras spinn är ½, som leptoner). I det här fallet är två interna kvanttillstånd med vektorprojektioner möjliga -

baksida: +1/2 och –1/2

Baryontalet för kvarkar är lika med en tredjedel B = 1/3, för antikvarkar

− B = –1/3. Varje kvark har en annan egenskap, som fysiker kallar smak (konstighet, charm, etc.).

Det mest överraskande är att kvarkar har en elektrisk elektrisk laddning, vars värde är antingen 2/3 av elementärladdningen (kvarkladdningen är positiv) eller 1/3 av elektronladdningen (laddningstecknet är negativt).

Alla baryoner är kombinationer av tre kvarkar. Nukleoner - den grundläggande basen för atomkärnor, är de lättaste baryonerna och består av första generationens kvarkar. En proton består av två u-quarks och en d-quark, en neutron från två d-quarks och en u-quark:

Det är lätt att kontrollera att protonladdningen visar sig vara lika med enhet (2/3+2/3–1/3 = +1), och neutronladdningen är noll (2/3 – 1/3 – 1/ 3 = 0).

Neutronen är tyngre än protonen eftersom d-kvarken är tyngre än u-kvarken.

Processerna för β + – och β - – sönderfaller när kvarkars omvandling (u d) får en ny förklaring.

Mesoner produceras från kombinationen av ett kvark-antikvarkpar. Det är klart det
baryontalet för mesoner är noll,						spin är lika med	noll eller ett.
Kombinationer av tre antikvarkar bildar antibaryoner (antiprotoner,
antineutroner, etc.).
Tabell 1 visar alla grundläggande fermioner -
strukturella enheter av materiens struktur.
			Tabell nr 1
		Grundläggande fermioner
Fundament-
	Generationer						III Elektrisk
fermioner			generation			generation	generation
	laddad
			elektron					−1
						νμ	ντ
	neutrino		elektronisk
					betagen		Sann
							Skön
All mångfald av hadroner uppstår på grund av olika kombinationer
given						aromer.

motsvarar bundna tillstånd konstruerade endast från u- och d-kvarkar. Om det i ett bundet tillstånd, tillsammans med u - och d -kvarkar, finns till exempel en s - eller c -kvark, så kallas motsvarande hadron konstigt eller

betagen.

Det faktum att alla kända baryoner och mesoner kunde erhållas från olika kombinationer av kvarkar symboliserade kvarkteorins huvudsakliga triumf. Men alla försök att upptäcka enstaka kvarkar var förgäves. En paradoxal situation har uppstått. Kvarkar finns utan tvekan inuti hadroner. Detta bevisas inte bara av den övervägda kvarksystematik av hadroner, utan också av den direkta "överföringen" av nukleoner av snabba elektroner. I detta experiment (i huvudsak helt likt Rutherfords experiment) upptäcktes det att inuti hadroner är elektroner spridda på punktpartiklar med laddningar lika med –1/3 och +2/3 och spin lika med ½, det vill säga direkta fysiska bevis om förekomsten av kvarkar inuti hadroner. Men det är omöjligt att ta bort kvarkar från hadroner. Detta fenomen kallas "inneslutning"

(inneslutning - fångenskap, engelska).

Grundläggande interaktioner

Nästa grundläggande fråga som vetenskapen måste svara på för att förklara materiens struktur är relaterad till arten och naturen av interaktionen mellan partiklar, som under vissa förhållanden leder till bildandet av bundna tillstånd. Vad gör att kvarkar kombineras till nukleoner, nukleoner till kärnor, kärnor och elektroner till atomer, atomer till molekyler? Varför finns det ansamlingar av materia i form av planeter, stjärnor och galaxer i universum? Vad är karaktären hos de krafter som orsakar alla förändringar som sker i vår materiella värld?

Det visar sig att allt som händer i naturen kan reduceras till bara

fyra grundläggande interaktioner

Rollen av grundläggande interaktioner i naturen

Gravitationsinteraktionär den svagaste och samtidigt den mest universella. Gravitationsinteraktion verkar mellan alla objekt som har massa eller energi. Det är gravitationen som hindrar universum från att falla sönder, samla materia till planeter och stjärnor, hålla planeter i omloppsbana, "ansluta" stjärnor till galaxer. Generellt sett spelar gravitationsinteraktion i astronomisk skala en avgörande roll. I mikrokosmos kan gravitationen försummas jämfört med andra mer intensiva interaktioner.

Elektromagnetisk interaktion gemensamt för alla partiklar

har en elektrisk laddning. Liksom gravitation är elektromagnetisk interaktion långväga, och lagen som bestämmer kraften som verkar mellan punktladdningar i vila liknar tyngdlagen - detta är Coulombs lag, känd från skolan:

		m 1 m 2			q 1 q 2

Men till skillnad från gravitationen, som alltid är en attraktion, existerar elektrisk attraktion endast mellan laddningar av motsatta tecken, medan laddningar av samma tecken stöter bort. Det är tack vare elektromagnetisk interaktion som bildningen av atomer och molekyler är möjlig. Intermolekylära krafter som bestämmer egenskaperna hos olika aggregationstillstånd för ett ämne är också av elektrisk natur. De flesta observerbara fysiska krafterna (elasticitet, friktion, etc.) beror faktiskt på det som ligger till grund för de kemiska omvandlingarna av ämnen och alla observerbara elektriska, magnetiska och optiska fenomen.

Starka och svaga interaktioner förekommer endast i mikrokosmos, på subnukleär nivå.

Stark interaktion inneboende i kvarkar och formationer av kvarkar - hadroner. Den starka växelverkans huvudsakliga funktion är att kombinera kvarkar (och antikvarkar) till hadroner. Kärnkrafterna som förenar nukleoner till kärnor är specifika ekon av den starka interaktionen (ofta kallad den kvarvarande starka interaktionen).

Svag interaktion inneboende i alla grundläggande fermioner. För neutrinos är detta den enda interaktionen där de deltar. Till skillnad från den starka interaktionen är den svaga interaktionens funktion att förändra partiklarnas natur (smak), det vill säga att omvandla en kvarg till en annan (detsamma gäller leptoner).

I avsaknad av den svaga interaktionen skulle inte bara protonen och elektronen vara stabila, utan även myoner, π - mesoner, konstiga och charmade partiklar som sönderfaller som ett resultat av den svaga interaktionen. Om vi ​​kunde "stänga av" den svaga interaktionen skulle solen slockna,

sedan processen att omvandla en proton till en neutron (β-sönderfall), som ett resultat av vilket fyra protoner förvandlas till 2 He4, två positroner och två neutrinos (den så kallade vätecykeln, som fungerar som den huvudsakliga energikällan för Sol och de flesta stjärnor.) skulle vara omöjligt.

Karakteristika för grundläggande interaktioner

Intensiteten av interaktioner kan bedömas av hastigheten på de processer de orsakar. Oftast jämfört med varandra processhastighet vid en energi av 1 GeV, karakteristiskt för partikelfysik. Vid sådana energier, den process som orsakas av den starka interaktionen

inträffar i en tid av 10-24 s, den elektromagnetiska processen i en tid av 10-21 s, den karakteristiska tiden för processer som inträffar på grund av svag interaktion är mycket längre: 10-10 s.

Penetrering i mikrovärldens djup är förknippad med övergången från nivån av atomer till nivån av elementära partiklar. Som den första elementarpartikeln i slutet av 1800-talet. Elektronen upptäcktes, och sedan under det första decenniet av nittonhundratalet - fotonen, protonen, positronen och neutronen. Efter andra världskriget, tack vare användningen av modern experimentell teknik, och framför allt kraftfulla acceleratorer, där förhållanden med höga energier och enorma hastigheter skapas, etablerades förekomsten av ett stort antal elementarpartiklar - över 300. Bland dem det finns både experimentellt upptäckta och teoretiskt beräknade, inklusive resonanser, kvarkar och virtuella partiklar.

Termen "elementarpartikel" betydde ursprungligen de enklaste, oupplösliga partiklarna som ligger till grund för all materialbildning. Senare insåg fysiker hela konventionen för termen "elementär" i förhållande till mikroobjekt. Nu råder det ingen tvekan om att partiklarna har en komplex struktur, men det historiskt etablerade namnet fortsätter att existera

De viktigaste egenskaperna hos elementära partiklar är: massa, laddning, medellivslängd, spinn och kvanttal. Vilomassa av elementarpartiklar bestäms i förhållande till elektronens vilomassa. Det finns elementarpartiklar som inte har vilomassa - fotoner. De återstående partiklarna enligt detta kriterium delas in i leptoner – lätta partiklar(elektron, myon, neutrino); mesoner – medelstora partiklar med en massa som sträcker sig från en till tusen elektronmassor (p-mesoner, K - mesoner); baryoner – tunga partiklar, vars massa överstiger tusen elektronmassor (protoner, neutroner, hyperoner och många resonanser).

Elektrisk laddningär en annan viktig egenskap hos elementarpartiklar. Alla kända partiklar har en positiv, negativ eller noll laddning. Varje partikel, förutom fotonen och två mesoner, motsvarar antipartiklar med motsatta laddningar. 1964 kom forskare på idén kvarkar, de där. partiklar med fraktionerad laddning, av vilka alla elementarpartiklar är sammansatta. Denna hypotes har blivit utbredd i den vetenskapliga världen, även om den ännu inte har hittat den slutliga experimentella bekräftelsen.

Baserat på partikellivslängdär uppdelade i stabil Och instabil. Det finns fem stabila partiklar: foton, två typer av neutrino, elektron och proton. Det är stabila partiklar som spelar den viktigaste rollen i makrokropparnas struktur. Alla andra partiklar är instabila, de existerar i ca 10 -10 - 10 -24 s, varefter de sönderfaller. Elementarpartiklar med en medellivslängd på 10 -23 – 10 -24 s kallas resonanser. På grund av sin korta livslängd sönderfaller de innan de ens hinner lämna atomen eller atomkärnan. Resonanta tillstånd beräknades teoretiskt de kunde inte detekteras i verkliga experiment.

Förutom laddning, massa och livstid beskrivs elementarpartiklar också av begrepp som inte har några analoger i klassisk fysik: konceptet "tillbaka", eller mikropartikelns inneboende rörelsemängd, och koncept "kvantantal" uttrycker tillståndet hos elementarpartiklar.

Det finns en annan viktig idé i egenskaperna hos elementarpartiklar - samspel. Det finns fyra typer av grundläggande interaktioner i naturen: stark, elektromagnetisk, svag och gravitationell. Elementarpartiklarnas egenskaper bestäms huvudsakligen av de tre första typerna av interaktion.

Stark interaktion förekommer på nivån av atomkärnor och representerar den ömsesidiga attraktionen och avstötningen av deras beståndsdelar. Det verkar på ett avstånd av cirka 10 -13 cm. Under vissa förhållanden binder starka interaktioner partiklar mycket tätt, vilket resulterar i bildandet av materialsystem med hög bindningsenergi - atomkärnor. Det är av denna anledning som atomkärnorna är stabila och svåra att förstöra.

Elektromagnetisk interaktion ungefär tusen gånger svagare än en stark, men mycket längre räckvidd. Bäraren av elektromagnetisk interaktion är en som inte har någon laddning foton– det elektromagnetiska fältets kvantum. I processen av elektromagnetisk interaktion kombineras elektroner och atomkärnor till atomer och atomer till molekyler. Denna interaktion är grundläggande inom kemi och biologi.

Svag interaktion möjligt mellan olika partiklar på ett avstånd av 10 -15 – 10 -22 cm och är främst förknippat med sönderfall av partiklar. Enligt nuvarande kunskapsnivå är de flesta partiklar instabila just på grund av den svaga interaktionen.

Gravitationsinteraktion– den svagaste, inte beaktad i teorin om elementarpartiklar. Men vid ultrakorta avstånd (i storleksordningen 10-33 cm) och vid ultrahöga energier blir gravitationen igen betydande. På en kosmisk skala är gravitationsinteraktion (gravitation) avgörande. Dess åtgärdsområde är inte begränsat.

I naturen uppträder som regel inte en utan flera typer av interaktion samtidigt, och egenskaperna hos många partiklar bestäms av alla fyra typerna. Grundläggande interaktioner leder till omvandlingen av partiklar: deras förstörelse och skapande. Den tid under vilken omvandlingen av elementarpartiklar sker beror på växelverkans kraft. Därför kan man vid tidpunkten för olika transformationer bedöma styrkan i de interaktioner som är förknippade med dem. Interaktionerna mellan elementarpartiklar utförs genom motsvarande fysiska fält, vars kvanta de är.

I modern kvantfältteori förstås ett fält som ett system med ett variabelt antal partiklar (fältkvanta). Fältets lägsta energitillstånd, där det inte finns några fältkvanta alls, kallas Vakuum. I ett vakuumtillstånd i frånvaro av excitation innehåller det elektromagnetiska fältet inga partiklar (fotoner). I detta tillstånd har den inte de mekaniska egenskaperna som är inneboende i korpuskulär materia. Ett vakuum innehåller inte vanliga typer av materia, men det är inte tomt i ordets bokstavliga mening, eftersom fotoner med lämplig excitation uppträder i det - kvanta av det elektromagnetiska fältet, genom vilket elektromagnetisk interaktion utförs. I vakuum finns det också andra fysiska fält, särskilt gravitationsfält, vars kvanta, gravitationer, förutspått teoretiskt, men ännu inte experimentellt registrerat.

Det största problemet med kvantfältteorin är problemet med interaktion mellan partiklar av olika typer. Hittills har det bara lösts i Kantiansk elektrodynamik, som beskriver interaktionen mellan elektroner, positroner och fotoner. Kvantfältteori för starka och svaga interaktioner har ännu inte utvecklats. De beskrivs med hjälp av icke rigorösa metoder, även om det är tydligt att utan en lämplig teori är det omöjligt att förstå strukturen hos elementarpartiklar, som bestäms exakt av deras interaktion. Därför har frågan om strukturen hos elementarpartiklar inte slutgiltigt lösts. Enligt moderna begrepp beskrivs strukturen hos elementarpartiklar av ständigt uppkommande och sönderfallande "virtuella" partiklar. Den formella användningen av virtuella partiklar gör att elementarpartiklars inre struktur inte kan beskrivas genom andra partiklar.

Den viktigaste riktningen i utvecklingen av modern fysik är den sk "Grand Unification"- ett försök att reducera alla fyra typer av fysisk interaktion (stark, svag, gravitationell och elektromagnetisk) till en grundläggande interaktion, vilket skulle förklara den fysiska formen av materiens rörelse som helhet och skapa den mest grundläggande fysiska teorin. Många forskare tror att en sådan teori bara kan skapas genom att ta hänsyn till kosmologiska omständigheter, studera situationer där mikrovärlden visar sig vara kopplad till megavärlden, den ultrasmala med den ultrastora, fysik med astronomi och kosmologi.

Ungefär 400 elementarpartiklar är nu kända. Vissa av dem "lever" under en mycket kort tid, förvandlas snabbt till andra partiklar och lyckas under sin existens flyga avstånd som är lika med atomkärnans radie (10 -12 - 10 -13 cm). Den minsta tillgängliga tiden för experimentell mätning kännetecknas av ett värde på cirka 10 -26 s. Vissa elementarpartiklar visade sig vara oväntat tunga - till och med tyngre än enskilda atomer.

Moderna fysiker ägnar mycket uppmärksamhet åt systematiseringen av elementarpartiklar och avslöjar den inre enheten både mellan dem och mellan de grundläggande typerna av interaktion som motsvarar dem - stark, svag, elektromagnetisk och gravitation.

Intensiteten av svag interaktion är 10-11 storleksordningar (10 10 -10 11 gånger) mindre än intensiteten hos kärnkrafter. Det är därför det kallades svag, dess aktionsradie är mindre än 10 -15 cm Elektromagnetisk interaktion på avstånd i proportion till kärnkrafternas aktionsradie är bara 10 2 -10 3 gånger svagare. Den svagaste på dessa avstånd är gravitationsinteraktionen, vars intensitet är många storleksordningar lägre än den svaga interaktionen.

Även den svaga interaktionen är många storleksordningar större än gravitationsinteraktionen. Och kraften hos Coulomb, elektrisk repulsion av två elektroner är 10 42 gånger större än storleken på deras gravitationsattraktion. Om vi ​​föreställer oss att de elektromagnetiska krafterna som "attraherar" elektroner till atomkärnan försvagas till nivån av gravitationskrafter, då skulle väteatomen bli större än den del av universum som är synlig för oss. Gravitationskrafterna ökar mycket långsamt när avstånden minskar. De blir dominerande endast i fantastiskt små intervaller på mindre än 10 -32 cm, som förblir otillgängliga för experimentell forskning. Med hjälp av experimentet är det nu möjligt att "se igenom" avstånd nära 10 -16 cm.

Dessa fyra typer av fundamentala (som ligger i själva grunden för materien) interaktioner utförs genom utbyte av motsvarande partiklar, som fungerar som ett slags bärare av dessa interaktioner. Krafternas verkningsradie beror på massan av partiklar. Elektromagnetisk interaktion bärs av fotoner (vilomassan är noll), gravitationsinteraktion bärs av gravitoner (ännu hypotetiska, experimentellt inte etablerade partiklar, vars massa också borde vara noll). Dessa två interaktioner, som bärs av masslösa partiklar, har ett stort, möjligen oändligt verkansområde. Dessutom genererar endast gravitationsinteraktion attraktion mellan identiska partiklar, de andra tre typerna av interaktioner bestämmer avstötningen av partiklar med samma namn. Bärarna av den starka växelverkan som binder protoner och neutroner i atomkärnor är gluoner. Denna interaktion är karakteristisk för tunga partiklar som kallas hadroner. Den svaga interaktionen bärs av vektorbosoner. Denna interaktion är karakteristisk för lätta partiklar - leptoner (elektroner, positroner, etc.).

Mångfalden i mikrovärlden förutsätter dess enhet genom interkonvertibilitet av partiklar och fält. Särskilt viktigt är omvandlingen av ett "par" - en partikel och en antipartikel - till partiklar av en annan "typ". Den första att upptäcka var omvandlingen av elektroner och positroner till elektromagnetiska fältkvanta - fotoner och den omvända processen för "generering" av par från fotoner med tillräckligt hög energi.

För närvarande är utvecklingen av problemet med systematisering av elementarpartiklar förknippad med idén om existensen kvarkar - partiklar med en fraktionerad elektrisk laddning. Nu anses de vara "de mest elementära" i den meningen att alla starkt interagerande partiklar - hadroner - kan "byggas" från dem. Ur kvarkteorin är nivån av elementarpartiklar den region av objekt som består av kvarkar och antikvarkar. Dessutom, även om de senare anses på denna kunskapsnivå vara de enklaste, mest elementära av kända partiklar, har de själva komplexa egenskaper - laddning, "charm" ("charm"), "färg" och andra ovanliga kvantfysikaliska egenskaper. Precis som man inom kemin inte kan klara sig utan begreppen "atom" och "molekyl", så kan elementarpartikelfysiken inte klara sig utan begreppet "kvark".

Alltså listan hadroner - tunga partiklar som kännetecknas av stark interaktion - består av tre partiklar: kvarg, antikvark och koppla ihop dem gluon. Tillsammans med dem finns det ett tiotal ljuspartiklar - leptoner (elektroner, positroner, neutrinos etc.) - som motsvarar den svaga interaktionen. Också känd foton - bärare av elektromagnetisk interaktion. Och fortfarande hypotetiskt, bara teoretiskt förutspått, återstår graviton, som är förknippad med gravitationsinteraktion. Inget är ännu känt om den inre strukturen hos leptoner, fotoner och gravitoner. Nu finns det redan en mer eller mindre specifik idé om syntes, förhållandet mellan svaga, starka och elektromagnetiska typer av interaktion. Man har upptäckt att det är möjligt att förklara deras samband med gravitationsinteraktion. Allt detta vittnar om det gradvisa förverkligandet i verkligheten av den i grunden obegränsade möjligheten för teoretiskt tänkande för att förstå världens enhet, som förblir oändligt mångfaldig i sina manifestationer inom ramen för enheten.

Referenser till kapitel 10

Barasjenkov V.S. Finns det gränser för vetenskapen: den materiella världens kvantitativa och kvalitativa outtömlighet. - M., 1982.

Heisenberg V. Fysik och filosofi: Del och helhet. - M., 1989.

Zeldovich Ya.B., Khlopov M.Yu. Idéernas drama i kunskapen om naturen: Partiklar, fält, laddningar. - M., 1988.

Markov M.A. Om materiens natur. - M., 1976.

Pakhomov B.Ya. Bildandet av en modern fysisk bild av världen. -M., 1985.

Sachkov Yu.V. Introduktion till sannolikhetens värld. - M., 1971.

KAPITEL 11

Ryska federationens ministerium

Saratov Law Institute

Samara gren

Institutionen för PI och PCTRP

Uppsats

På ämnet: ” Elementarpartiklar ”

Genomförs av: kadett 421 träningsgrupp

polis privat

Sizonenko A.A.

Kontrolleras av: institutionslärare

Kuznetsov S.I.

Samara 2002

Planen

1) Introduktion.

2)

3) Grundläggande egenskaper hos elementarpartiklar. Interaktionsklasser .

4)

5)

a) Enhetssymmetri.

b) Quarkmodell av hadroner

6)

7) Slutsats. Några allmänna problem i teorin om elementarpartiklar.

Introduktion .

E . h. i den exakta betydelsen av denna term - primära, ytterligare oupplösliga partiklar, av vilka, enligt antagande, all materia består. I konceptet "E.h." i modern fysik uttrycks idén om primordiala enheter som bestämmer alla kända egenskaper hos den materiella världen, en idé som har sitt ursprung i de tidiga stadierna av utvecklingen av naturvetenskap och alltid har spelat en viktig roll i dess utveckling.

Konceptet "E.h." bildas i nära anslutning till fastställandet av materiens strukturs diskreta natur på mikroskopisk nivå. Upptäckt i början av 1800- och 1900-talet. de minsta bärarna av materiens egenskaper - molekyler och atomer - och fastställandet av att molekyler är uppbyggda av atomer, gjorde det för första gången möjligt att beskriva alla kända ämnen som kombinationer av ett ändligt, om än stort, antal strukturella komponenter - atomer. Ytterligare identifiering av närvaron av ingående atomer - elektroner och kärnor, etablering av kärnans komplexa natur, som visade sig vara byggd av endast två typer av partiklar (protoner och neutroner) , avsevärt minskat antalet diskreta element som bildar materiens egenskaper, och gav anledning att anta att kedjan av beståndsdelar av materien slutar med diskreta strukturlösa formationer - E. kap., är generellt sett en extrapolering av kända fakta och kan inte noggrant underbyggas. Det är omöjligt att med säkerhet säga att partiklar som är elementära enligt ovanstående definition existerar. Protoner och neutroner, till exempel, som länge ansågs vara elektroner, som det visade sig, har en komplex struktur. Det kan inte uteslutas att sekvensen av materiens strukturella komponenter i grunden är oändlig. Det kan också visa sig att påståendet ”består av...” i något skede av studiet av materia kommer att visa sig sakna innehåll. I det här fallet måste definitionen av "elementär" som ges ovan överges. Förekomsten av ett elektronelement är ett slags postulat, och att testa dess giltighet är en av fysikens viktigaste uppgifter.

Termen "E.h." används ofta i modern fysik inte i dess exakta betydelse, utan mindre strikt - för att nämna en stor grupp av minsta partiklar av materia, under förutsättning att de inte är atomer eller atomkärnor (undantaget är den enklaste kärnan i väteatomen - protonen). Forskning har visat att denna grupp av partiklar är ovanligt bred. Förutom de nämnda protonen (p), neutronen (n) och elektronen (e -) inkluderar den: foton (g), pi-mesoner (p), myoner (m), neutrinos av tre typer (elektroner) v e, muon v m och relaterade till den sk. tung lepton v t), sk konstiga partiklar (K-mesoner och hyperoner) , olika resonanser som upptäcktes 1974-77 y-partiklar, "charmerade" partiklar, upsilonpartiklar (¡) och tunga leptoner (t + , t -) - totalt mer än 350 partiklar, mestadels instabila. Antalet partiklar som ingår i denna grupp fortsätter att växa och är sannolikt obegränsat; Dessutom uppfyller de flesta av de listade partiklarna inte den strikta definitionen av elementaritet, eftersom de enligt moderna begrepp är sammansatta system (se nedan). Användning av namnet "E.h." till alla dessa partiklar har historiska skäl och är förknippad med den perioden av forskning (tidigt 30-tal av 1900-talet), när de enda kända representanterna för denna grupp var protonen, neutronen, elektronen och en partikel av det elektromagnetiska fältet - fotonen. Det var då naturligt att betrakta dessa fyra partiklar som elementära, eftersom de fungerade som grunden för konstruktionen av materien som omger oss och det elektromagnetiska fältet som interagerar med det, och den komplexa strukturen hos protonen och neutronen var inte känd.

Upptäckten av nya mikroskopiska partiklar av materia förstörde gradvis denna enkla bild. De nyupptäckta partiklarna var emellertid i många avseenden nära de fyra första kända partiklarna. Deras förenande egenskap är att de alla är specifika former av existens av materia, inte associerade till kärnor och atomer (ibland av denna anledning kallas de "subnukleära partiklar"). Även om antalet sådana partiklar inte var särskilt stort, förblev tron ​​att de spelar en grundläggande roll i materiens struktur, och de klassificerades som E. partiklar Ökningen av antalet subnukleära partiklar, identifieringen av en komplex struktur i många av dem visade att de i regel inte har elementära egenskaper, utan det traditionella namnet "E. ch." bevarad åt dem.

I enlighet med etablerad praxis, uttrycket "E. h." kommer att användas nedan som ett allmänt namn. subnukleära partiklar. I de fall vi talar om partiklar som påstår sig vara de primära beståndsdelarna i materia, kommer termen "äkta E. partikel" att användas, om det behövs.

Kort historisk information.

Upptäckten av elektronpartiklar var ett naturligt resultat av de allmänna framgångarna i studierna av materiens struktur som fysiken uppnådde i slutet av 1800-talet. Den utarbetades genom omfattande studier av atomernas optiska spektra, studiet av elektriska fenomen i vätskor och gaser, upptäckten av fotoelektricitet, röntgenstrålar och naturlig radioaktivitet, vilket indikerade förekomsten av en komplex struktur av materia.

Historiskt sett var det första elektronelementet som upptäcktes elektronen, bäraren av den negativa elementära elektriska laddningen i atomer. 1897 slog J. J. Thomson fast att den s.k. katodstrålar bildas av en ström av små partiklar som kallas elektroner. År 1911 fann E. Rutherford, som passerade alfapartiklar från en naturlig radioaktiv källa genom tunna folier av olika ämnen, att den positiva laddningen i atomer är koncentrerad i kompakta formationer - kärnor, och 1919 upptäckte han protoner - partiklar med en positiv enhetsladdning och en massa 1840 gånger större än massan av en elektron. En annan partikel som är en del av kärnan, neutronen, upptäcktes 1932 av J. Chadwick när han studerade växelverkan mellan alfapartiklar och beryllium. En neutron har en massa nära en protons massa men har ingen elektrisk laddning. Upptäckten av neutronen fullbordade identifieringen av partiklar - de strukturella elementen i atomer och deras kärnor.

Slutsatsen om förekomsten av en partikel av ett elektromagnetiskt fält - en foton - härrör från M. Plancks arbete (1900). Om man antar att energin för elektromagnetisk strålning från en absolut svart kropp är kvantiserad, fick Planck den korrekta formeln för strålningsspektrumet. A. Einstein (1905) utvecklade Plancks idé och postulerade att elektromagnetisk strålning (ljus) faktiskt är ett flöde av individuella kvanta (fotoner), och förklarade på grundval av detta lagarna för den fotoelektriska effekten. Direkta experimentella bevis på förekomsten av fotonen gavs av R. Millikan (1912-1915) och A. Compton (1922; se Compton-effekten).

Upptäckten av neutrinon, en partikel som knappast interagerar med materia, härrör från den teoretiska gissningen av W. Pauli (1930), som, på grund av antagandet om en sådan partikels födelse, gjorde det möjligt att eliminera svårigheter med lagen bevarande av energi i beta-sönderfallsprocesser av radioaktiva kärnor. Förekomsten av neutriner bekräftades experimentellt först 1953 (F. Reines och K. Cowan, USA).

Från 30-talet till tidigt 50-tal. Studiet av elektronpartiklar var nära besläktat med studiet av kosmiska strålar. 1932 upptäckte K. Anderson en positron (e +) i kosmisk strålning - en partikel med massan av en elektron, men med en positiv elektrisk laddning. Positronen var den första antipartikeln som upptäcktes (se nedan). Existensen av e+ följde direkt av den relativistiska teorin om elektronen, utvecklad av P. Dirac (1928-31) strax före upptäckten av positronen. 1936 upptäckte de amerikanska fysikerna K. Anderson och S. Neddermeyer, medan de studerade osmiska strålar, myoner (båda tecken på elektrisk laddning) - partiklar med en massa på cirka 200 elektronmassor, men i övrigt förvånansvärt lika i egenskaper som e -, e + .

År 1947, även inom kosmisk strålning, upptäckte S. Powells grupp p + och p - mesoner med en massa på 274 elektronmassor, som spelar en viktig roll i interaktionen mellan protoner och neutroner i kärnor. Förekomsten av sådana partiklar föreslogs av H. Yukawa 1935.

Sent 40-tal - tidigt 50-tal. märktes av upptäckten av en stor grupp partiklar med ovanliga egenskaper, kallade "konstiga". De första partiklarna i denna grupp, K + - och K - -mesoner, L-, S + -, S - -, X - - hyperoner, upptäcktes i kosmiska strålar, efterföljande upptäckter av konstiga partiklar gjordes vid acceleratorer - installationer som skapa intensiva flöden av snabba protoner och elektroner. När accelererade protoner och elektroner kolliderar med materia föder de nya elektronpartiklar, som blir föremål för studier.

Sedan tidigt 50-tal. acceleratorer blev det viktigaste verktyget för att studera elektronpartiklar på 70-talet. Energierna hos partiklar som accelererade i acceleratorer uppgick till tiotals och hundratals miljarder elektronvolt ( Gav). Önskan att öka partikelenergierna beror på att höga energier öppnar möjligheten att studera materiens struktur på kortare avstånd, ju högre energi kolliderande partiklar har. Acceleratorer har avsevärt ökat hastigheten för att erhålla ny data och på kort tid utökat och berikat vår kunskap om mikrovärldens egenskaper. Användningen av acceleratorer för att studera konstiga partiklar gjorde det möjligt att studera deras egenskaper mer i detalj, särskilt egenskaperna hos deras förfall, och ledde snart till en viktig upptäckt: klarläggande av möjligheten att ändra egenskaperna hos vissa mikroprocesser under driften av spegeln reflektion (se Spatial inversion) - så kallade kränkning av utrymmen. paritet (1956). Driftsättning av protonacceleratorer med energier i miljarder ev möjliggjorde upptäckten av tunga antipartiklar: antiproton (1955), antineutron (1956), antisigma hyperoner (1960). 1964 upptäcktes det tyngsta hyperonet, W - (med en massa på cirka två protonmassor). På 1960-talet Ett stort antal extremt instabila (jämfört med andra instabila elektronpartiklar) partiklar, kallade "resonanser", upptäcktes vid acceleratorer. Massorna av de flesta resonanser överstiger massan av en proton. Den första av dem, D 1 (1232), har varit känd sedan 1953. Det visade sig att resonanser utgör huvuddelen av elektronfrekvensen.

1962 upptäckte man att det finns två olika neutriner: elektron och myon. 1964 i neutrala K-mesoners förfall. icke-bevarande av den sk kombinerad paritet (introducerad av Li Tsung-dao och Yang Zhen-ning och oberoende av L. D. Landau 1956; se Kombinerad inversion) , vilket betyder behovet av att revidera de vanliga synpunkterna på beteendet hos fysiska processer under driften av tidsreflektion (se CPT-satsen) .

1974 upptäcktes massiva (3-4 protonmassor) och samtidigt relativt stabila y-partiklar, med en livslängd ovanligt lång för resonanser. De visade sig vara nära besläktade med den nya familjen av elektronpartiklar - "charmerade" sådana, vars första representanter (D 0, D +, L c) upptäcktes 1976. 1975 erhölls den första informationen om förekomsten av en tung analog av elektronen och myonen (tung lepton t). 1977 upptäcktes β-partiklar med en massa på cirka tio protonmassor.

Under åren sedan upptäckten av elektronen har således ett stort antal olika mikropartiklar av materia identifierats. E. h.s värld visade sig vara ganska komplex. Egenskaperna hos de upptäckta elektronpartiklarna var oväntade i många avseenden För att beskriva dem, utöver de egenskaper som lånats från klassisk fysik, såsom elektrisk laddning, massa och rörelsemängd, var det nödvändigt att introducera många nya speciella egenskaper, i synnerhet. att beskriva konstiga elektronpartiklar . - konstighet (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), "fascinerad" av E. . h. - "charm" (amerikanska fysiker J. Bjorken, S. Glashow, 1964); Namnen på de givna egenskaperna återspeglar redan den ovanliga karaktären hos egenskaperna hos de element som de beskriver.

Från dess första steg åtföljdes studiet av materiens inre struktur och elektronernas egenskaper av en radikal revidering av många etablerade koncept och idéer. De lagar som styr materiens beteende i det lilla visade sig vara så olika från den klassiska mekanikens och elektrodynamikens lagar att de krävde helt nya teoretiska konstruktioner för sin beskrivning. Sådana nya grundläggande konstruktioner i teorin var de särskilda (speciella) och allmänna relativitetsteorierna (A. Einstein, 1905 och 1916; se Relativitetsteorin, Gravity) och kvantmekaniken (1924-27; N. Bohr, L. de Broglie, V. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born) . Relativitetsteorin och kvantmekaniken markerade en verklig revolution inom naturvetenskapen och lade grunden för att beskriva mikrovärldens fenomen. Kvantmekaniken visade sig dock vara otillräcklig för att beskriva de processer som sker i elektronpartiklar. Nästa steg behövdes - kvantiseringen av klassiska fält (den så kallade sekundära kvantiseringen) och utvecklingen av kvantfältteorin. De viktigaste stadierna längs vägen för dess utveckling var: formuleringen av kvantelektrodynamik (P. Dirac, 1929), kvantteorin om b-förfall (E. Fermi, 1934), som lade grunden för den moderna teorin om svaga. interaktioner, kvantmesodynamik (Yukawa, 1935). Den omedelbara föregångaren till den senare var den sk. b-teori om kärnkrafter (I.E. Tamm, D.D. Ivanenko, 1934; se Strong interactions). Denna period slutade med skapandet av en konsekvent beräkningsapparat för kvantelektrodynamik (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944-49), baserad på användningen av renormaliseringstekniken (se kvantfältteorin). Denna teknik generaliserades därefter till andra varianter av kvantfältteori.

Kvantfältteorin fortsätter att utvecklas och förbättras och är grunden för att beskriva interaktioner mellan elektronpartiklar. Denna teori har ett antal betydande framgångar, och ändå är den fortfarande väldigt långt ifrån komplett och kan inte göra anspråk på att vara en heltäckande teori om elektronpartiklar. Ursprunget för många egenskaper hos elektroner h och arten av deras inneboende interaktioner förblir i stort sett oklara. Det är möjligt att mer än en omstrukturering av alla idéer och en mycket djupare förståelse av förhållandet mellan egenskaperna hos mikropartiklar och de geometriska egenskaperna hos rum-tid kommer att krävas innan teorin om elektronpartiklar kommer att konstrueras.

Grundläggande egenskaper hos elementarpartiklar. Interaktionsklasser.

Alla elektronpartiklar är föremål med extremt små massor och storlekar. De flesta av dem har massor i storleksordningen protonmassan, lika med 1,6×10 -24 g (endast elektronmassan är märkbart mindre: 9×10 -28 g). De experimentellt bestämda storlekarna av protonen, neutronen och p-mesonen är lika i storleksordningen 10 -13 cm. Storleken på elektronen och myonen kunde inte bestämmas, det är bara känt att de är mindre än 10 -15 cm De mikroskopiska massorna och storlekarna av elektronpartiklar utgör baskvantspecificiteten för deras beteende. De karakteristiska våglängderna som bör tillskrivas elektronpartiklar i kvantteorin (där är Plancks konstant, m är partikelns massa, c är ljusets hastighet) ligger i storleksordning nära de typiska dimensionerna där deras interaktion sker ( till exempel för p- meson 1,4×10 -13 cm). Detta leder till att kvantlagar är avgörande för elektronpartiklar.

Den viktigaste kvantegenskapen hos alla elektronpartiklar är deras förmåga att skapas och förstöras (emitteras och absorberas) när de interagerar med andra partiklar. I detta avseende är de helt analoga med fotoner. E. partiklar är specifika kvanta av materia, mer exakt, kvanta av motsvarande fysiska fält (se nedan). Alla processer som involverar elektronpartiklar fortgår genom en sekvens av handlingar av absorption och emission. Endast på grundval av detta kan man förstå till exempel processen för födelsen av en p + meson i kollision mellan två protoner (p + p ® p + n+ p +) eller processen för förintelse av en elektron och en positron, när istället för de försvunna partiklarna uppträder till exempel två g-kvanter (e + +e - ® g + g). Men processerna för elastisk spridning av partiklar, till exempel e - +p ® e - + p, är också förknippade med absorptionen av initiala partiklar och födelsen av slutliga partiklar. Nedfallet av instabila elektronpartiklar till lättare partiklar, åtföljt av frigörande av energi, följer samma mönster och är en process där sönderfallsprodukter föds i själva sönderfallet och inte existerar förrän i det ögonblicket. I detta avseende liknar sönderfallet av en elektronpartikel sönderfallet av en exciterad atom till en atom i grundtillståndet och en foton. Exempel på elektrokemiska sönderfall inkluderar: ; p+®m++vm; К + ® p + + p 0 (”tilde”-tecknet ovanför partikelsymbolen markerar nedan motsvarande antipartiklar).

Olika processer med E. h skiljer sig markant åt i intensiteten av deras förekomst. I enlighet med detta kan interaktionerna mellan elektromagnetiska partiklar fenomenologiskt delas in i flera klasser: starka, elektromagnetiska och svaga interaktioner. Alla elektronpartiklar har också gravitationsinteraktion.

Starka interaktioner identifieras som interaktioner som ger upphov till processer som sker med störst intensitet bland alla andra processer. De leder också till den starkaste kopplingen av elektroner. Det är de starka växelverkan som bestämmer kopplingen mellan protoner och neutroner i atomernas kärnor och ger den exceptionella styrkan hos dessa formationer, som ligger till grund för materiens stabilitet under markförhållanden.

Elektromagnetiska interaktioner karakteriseras som interaktioner som bygger på en koppling med ett elektromagnetiskt fält. De processer som orsakas av dem är mindre intensiva än processerna med starka interaktioner, och sambandet mellan elektronkrafterna som genereras av dem är märkbart svagare. Elektromagnetiska interaktioner, i synnerhet, är ansvariga för kopplingen av atomära elektroner med kärnor och kopplingen av atomer i molekyler.

Svaga interaktioner, som namnet i sig visar, orsakar mycket långsamt uppträdande processer med elektronpartiklar. Deras låga intensitet kan illustreras av det faktum att neutriner, som endast har svaga interaktioner, obehindrat tränger igenom till exempel jordens och solens tjocklek. . Svaga interaktioner orsakar också långsamma sönderfall av den sk. kvasistabila elektronpartiklar Livstiderna för dessa partiklar ligger i intervallet 10 -8 -10 -10 sek, medan typiska tider för stark interaktion mellan elektronpartiklar är 10 -23 -10 -24 sek.

Gravitationsinteraktioner, välkända för sina makroskopiska manifestationer, i fallet med elektronpartiklar på karakteristiska avstånd av ~10 -13 cm ger extremt små effekter på grund av de små massorna av elektronpartiklar.

Styrkan hos olika klasser av interaktioner kan approximativt karakteriseras av dimensionslösa parametrar associerade med kvadraterna av konstanterna för motsvarande interaktioner. För starka, elektromagnetiska, svaga och gravitationella interaktioner av protoner med en genomsnittlig processenergi på ~1 GeV, korrelerar dessa parametrar som 1:10 -2: l0 -10:10 -38. Behovet av att ange processens genomsnittliga energi beror på det faktum att för svaga interaktioner beror den dimensionslösa parametern på energin. Dessutom beror själva intensiteten av olika processer olika på energi. Detta leder till det faktum att den relativa rollen för olika interaktioner generellt sett förändras med ökande energi hos de interagerande partiklarna, så att uppdelningen av interaktioner i klasser, baserat på en jämförelse av intensiteten av processer, utförs tillförlitligt vid icke för höga energier. Olika klasser av interaktioner har emellertid också andra specifika egenskaper associerade med olika egenskaper hos deras symmetri (se Symmetri i fysik), vilket bidrar till deras separation vid högre energier. Huruvida denna uppdelning av interaktioner i klasser kommer att bevaras inom gränsen för de högsta energierna är fortfarande oklart.

Beroende på deras deltagande i vissa typer av interaktioner delas alla studerade elektronpartiklar, med undantag för fotonen, in i två huvudgrupper: hadroner (från grekiska hadros - stora, starka) och leptoner (från grekiska leptos - små, tunn, lätt). Hadroner kännetecknas främst av att de har starka interaktioner, tillsammans med elektromagnetiska och svaga interaktioner, medan leptoner endast deltar i elektromagnetiska och svaga interaktioner. (Närvaron av gravitationsinteraktioner som är gemensamma för båda grupperna antyds.) Hadronmassorna är i storleksordning nära protonmassan (m p); P-mesonen har minsta massan bland hadroner: t p "m 1/7×t p. Massorna av leptoner som var kända före 1975-76 var små (0,1 m p), dock tyder de senaste uppgifterna tydligen på möjligheten av förekomsten av tunga leptoner med samma massor som hadroner De första studerade representanterna för hadroner var protonen och neutronen, elektronen, som endast har elektromagnetiska interaktioner, kan inte klassificeras som antingen hadroner eller leptoner och bör klassificeras som en separat grupp idéer som utvecklades på 70-talet, fotonen (en partikel med noll vilomassa) ingår i samma grupp med mycket massiva partiklar - de så kallade intermediära vektorbosonerna, som är ansvariga för svaga interaktioner och ännu inte har observerats experimentellt (se avsnitt Elementarpartiklar och kvantfältteori).

Egenskaper hos elementarpartiklar.

Varje element, tillsammans med de specifika interaktioner som är inneboende i det, beskrivs av en uppsättning diskreta värden av vissa fysiska kvantiteter, eller dess egenskaper. I vissa fall uttrycks dessa diskreta värden genom heltal eller bråktal och någon gemensam faktor - en måttenhet; Dessa tal talas om som kvantantal av E.-tal och endast de anges, utan måttenheterna.

De gemensamma egenskaperna för alla elektronpartiklar är massa (m), livstid (t), spinn (J) och elektrisk laddning (Q). Det finns fortfarande ingen tillräcklig förståelse för lagen genom vilken massorna av elektronpartiklar fördelas och om det finns någon måttenhet för dem.

Beroende på livslängden delas elektronpartiklar in i stabila, kvasistabila och instabila (resonanser). Stabila, inom moderna mätningars noggrannhet, är elektronen (t > 5×10 21 år), proton (t > 2×10 30 år), foton och neutrino. Kvasistabila partiklar inkluderar partiklar som sönderfaller på grund av elektromagnetiska och svaga interaktioner. Deras livslängder är > 10 -20 sek (för en fri neutron till och med ~ 1000 sek). Elementarpartiklar som sönderfaller på grund av starka interaktioner kallas resonanser. Deras karakteristiska livslängder är 10 -23 -10 -24 sek. I vissa fall undertrycks sönderfallet av tunga resonanser (med en massa på ³ 3 GeV) på grund av starka interaktioner och livslängden ökar till värden på ~10 -20 sek.

Spinn av en E. h är en heltals- eller halvheltalsmultipel av värdet. I dessa enheter är p- och K-mesons spinn 0, för protonen, neutronen och elektronen J = 1/2, för fotonen J = 1. Det finns partiklar med högre spinn. Storleken på en elektronpartikels spinn bestämmer beteendet hos en ensemble av identiska (identiska) partiklar, eller deras statistik (W. Pauli, 1940). Partiklar av halvheltalsspinn lyder Fermi-Dirac-statistik (därav namnet fermioner), vilket kräver antisymmetri av systemets vågfunktion med avseende på permutationen av ett par partiklar (eller ett udda antal par) och därför, "förbjuder" två partiklar av halvheltalsspinn från att vara i samma tillstånd (Pauli-principen). Partiklar av heltalsspinn är föremål för Bose-Einstein-statistik (därav namnet bosoner), vilket kräver symmetri av vågfunktionen med avseende på permutationer av partiklar och tillåter valfritt antal partiklar att vara i samma tillstånd. Elektronpartiklarnas statistiska egenskaper visar sig vara signifikanta i de fall flera identiska partiklar bildas under födseln eller sönderfallet. Fermi-Dirac-statistik spelar också en extremt viktig roll i kärnornas struktur och bestämmer mönstren för att fylla atomskal med elektroner, som ligger till grund för D. I. Mendeleevs periodiska system av element.

De elektriska laddningarna för de studerade E.-partiklarna är heltalsmultiplar av värdet e "1,6×10 -19 k och kallas den elementära elektriska laddningen. För de kända E.-partiklarna Q = 0, ±1, ±2.

Förutom de angivna kvantiteterna kännetecknas energipartiklar dessutom av ett antal kvanttal och kallas interna. Leptoner bär en specifik leptonladdning L av två typer: elektronisk (L e) och muonisk (L m); L e = +1 för elektron- och elektronneutrino, Lm = +1 för negativ myon och myonneutrino. Tung lepton t; och neutrinon som är förknippade med den är tydligen bärare av en ny typ av leptonladdning Lt.

För hadroner är L = 0, och detta är ytterligare en manifestation av deras skillnad från leptoner. I sin tur bör betydande delar av hadroner hänföras till en speciell baryonladdning B (|E| = 1). Hadroner med B = +1 bildar en undergrupp av baryoner (detta inkluderar proton, neutron, hyperoner, baryonresonanser), och hadroner med B = 0 bildar en undergrupp av mesoner (p- och K-mesoner, bosoniska resonanser). Namnet på undergrupperna av hadroner kommer från de grekiska orden barýs - tung och mésos - medium, som i det inledande skedet av forskning om elektronpartiklar återspeglade de jämförande värdena för massorna av baryoner och mesoner som var kända vid den tiden. Senare data visade att massorna av baryoner och mesoner är jämförbara. För leptoner B = 0. För fotoner B = 0 och L = 0.

Baryoner och mesoner delas in i de redan nämnda aggregaten: vanliga (icke konstiga) partiklar (proton, neutron, p-mesoner), konstiga partiklar (hyperoner, K-mesoner) och charmade partiklar. Denna division motsvarar förekomsten av speciella kvanttal i hadroner: konstighet S och charm (engelsk charm) Ch med tillåtna värden: 151 = 0, 1, 2, 3 och |Ch| = 0, 1, 2, 3. För vanliga partiklar S = 0 och Ch = 0, för konstiga partiklar |S| ¹ 0, Ch = 0, för charmade partiklar |Ch| ¹ 0, och |S| = 0, 1, 2. Istället för konstigheter används ofta kvanttalshyperladdningen Y = S + B, som tydligen har en mer fundamental betydelse.

Redan de första studierna med vanliga hadroner avslöjade närvaron bland dem av familjer av partiklar som är lika i massa, med mycket liknande egenskaper med avseende på starka interaktioner, men med olika elektriska laddningsvärden. Protonen och neutronen (nukleonerna) var det första exemplet på en sådan familj. Senare upptäcktes liknande familjer bland konstiga och (1976) bland charmade hadroner. Gemensamma egenskaper hos partiklar som ingår i sådana familjer är en återspegling av förekomsten i dem av samma värde av ett speciellt kvantnummer - isotopisk spin I, som, som vanligt spinn, tar heltals- och halvheltalsvärden. Familjerna i sig brukar kallas isotopiska multipletter. Antalet partiklar i en multiplett (n) är relaterat till I genom relationen: n = 2I + 1. Partiklar av en isotopisk multiplett skiljer sig från varandra i värdet på "projektionen" av det isotopiska spinnet I 3, och

En viktig egenskap hos hadroner är också den interna pariteten P, associerad med driften av utrymmen, inversion: P tar värden på ±1.

För alla elektronpartiklar med icke-nollvärden av minst en av laddningarna O, L, B, Y (S) och charmen Ch, finns det antipartiklar med samma värden på massa m, livstid t, spin J och för hadroner av isotopisk spin 1, men med motsatta tecken på alla laddningar och för baryoner med motsatt tecken på intern paritet P. Partiklar som inte har antipartiklar kallas absolut (verkligen) neutrala. Absolut neutrala hadroner har ett speciellt kvantnummer - laddningsparitet (dvs paritet med avseende på) C med värden på ±1; exempel på sådana partiklar är fotonen och p 0 .

Kvantantal elektroner delas in i exakta (det vill säga de som är associerade med fysikaliska kvantiteter som är bevarade i alla processer) och oprecisa (för vilka motsvarande fysiska kvantiteter inte är konserverade i vissa processer). Spin J är associerad med den strikta lagen om bevarande av rörelsemängd och är därför ett exakt kvanttal. Andra exakta kvanttal: Q, L, B; Enligt moderna data bevaras de under alla transformationer av elektronelementet. Stabiliteten av protonen är ett direkt uttryck för bevarandet av B (till exempel finns det inget sönderfall p ® e + + g). De flesta hadron-kvanttal är dock oprecisa. Isotopisk spinn, medan den bevaras i starka interaktioner, bevaras inte i elektromagnetiska och svaga interaktioner. Konstighet och charm bevaras i de starka och elektromagnetiska interaktionerna, men inte i de svaga interaktionerna. Svaga interaktioner förändrar också den interna pariteten och laddningspariteten. Den kombinerade pariteten av CP bevaras med en mycket större grad av noggrannhet, men den bryts också i vissa processer orsakade av svaga interaktioner. Orsakerna till att många kvantantal av hadroner inte bevaras är oklara och är tydligen associerade både med naturen hos dessa kvanttal och med den djupa strukturen hos elektromagnetiska och svaga interaktioner. Bevarande eller icke-konservering av vissa kvantantal är en av de betydande manifestationerna av skillnader i klasserna av interaktioner mellan elektronpartiklar.

Klassificering av elementarpartiklar.

Enhetssymmetri. Klassificeringen av leptoner ger ännu inga problem det stora antalet hadroner, kända redan i början av 50-talet, utgjorde grunden för sökandet efter mönster i fördelningen av massor och kvantantal av baryoner och mesoner, som kunde ligga till grund; för deras klassificering. Identifieringen av isotopiska multipletter av hadroner var det första steget på denna väg. Ur en matematisk synvinkel återspeglar grupperingen av hadroner i isotopiska multipletter närvaron av symmetri associerad med rotationsgruppen (se grupp) , mer formellt, med en grupp S.U.(2) - en grupp av enhetliga transformationer i ett komplext tvådimensionellt utrymme. Det antas att dessa transformationer fungerar i något specifikt inre utrymme - "isotopiskt utrymme", annorlunda än det vanliga. Förekomsten av isotoputrymme manifesteras endast i de observerbara egenskaperna hos symmetri. I matematiskt språk är isotopiska multipletter irreducerbara representationer av symmetrigruppen S.U. (2).

Begreppet symmetri som en faktor som bestämmer förekomsten av olika grupper och familjer av elektronpartiklar i modern teori är dominerande i klassificeringen av hadroner och andra elektronpartiklar Det antas att det interna kvantantal av elektronpartiklar, som gör det möjligt särskilja vissa grupper av partiklar, är relaterade till speciella typer av symmetrier som uppstår på grund av friheten för transformationer i speciella "inre" utrymmen. Det är härifrån namnet "interna kvanttal" kommer.

En noggrann undersökning visar att konstiga och vanliga hadroner tillsammans bildar bredare associationer av partiklar med liknande egenskaper än isotopiska multipletter. De kallas supermultipletter. Antalet partiklar som ingår i de observerade supermultipletterna är 8 och 10. Ur symmetrisynpunkt tolkas uppkomsten av supermultipletter som en manifestation av förekomsten av en symmetrigrupp i hadroner som är bredare än gruppen S.U.(2), nämligen: S.U.(3) - grupper av enhetliga transformationer i tredimensionellt komplext rum (M. Gell-Man och oberoende Y. Neeman, 1961). Motsvarande symmetri kallas enhetlig symmetri. Grupp S.U.(3) har i synnerhet irreducerbara representationer med antalet komponenter 8 och 10, motsvarande de observerade supermultipletterna: oktett och decuplet. Exempel inkluderar följande grupper av partiklar med samma värden JP:

Gemensamt för alla partiklar i en supermultiplett är värdena på två storheter, som i sin matematiska natur ligger nära isotopspinn och därför ofta kallas unitary spin. För en oktett är värdena för kvanttalen associerade med dessa kvantiteter lika med (1, 1), för en decuplet - (3, 0).

Enhetssymmetri är mindre exakt än isotopsymmetri. I enlighet med detta är skillnaden i massan av partiklar som ingår i oktetter och decuplets ganska betydande. Av samma anledning är uppdelningen av hadroner i supermultipletter relativt enkel för elektronpartiklar med inte särskilt höga massor. Vid stora massor, när det finns många olika partiklar med liknande massor, är denna uppdelning mindre tillförlitlig. Men i egenskaperna hos elementarpartiklar finns det många olika manifestationer av enhetlig symmetri.

Inkluderandet av charmade hadroner i systematiken för elementarpartiklar gör att vi kan prata om supersupermultipletter och existensen av en ännu bredare symmetri som är förknippad med den enhetliga gruppen S.U.(4). Det finns inga exempel på helt fyllda supersupermultipletter ännu. S.U.(4)-symmetri bryts ännu starkare än S.U.(3)-symmetri, och dess manifestationer är mindre uttalade.

Upptäckten av symmetriegenskaper i hadroner associerade med enhetliga grupper och mönster för uppdelning i multipletter som motsvarar strikt definierade representationer av dessa grupper var grunden för slutsatsen om förekomsten av speciella strukturella element i hadroner - kvarkar.

Quarkmodell av hadroner. Från de allra första stegen åtföljdes utvecklingen av arbetet med klassificeringen av hadroner av försök att identifiera bland dem partiklar som var mer grundläggande än resten, vilket kunde bli grunden för konstruktionen av alla hadroner. Denna forskningslinje startades av E. Fermi och Yang Chen-ning (1949), som föreslog att sådana fundamentala partiklar är nukleonet (N) och antinukleonet (), och p-mesonerna är deras bundna tillstånd (). Med vidareutvecklingen av denna idé inkluderades också konstiga baryoner bland de fundamentala partiklarna (M. A. Markov, 1955; japansk fysiker S. Sakata, 1956; L. B. Okun, 1957). Modeller byggda på denna grund beskrev mesonmultipletter väl, men gav inte en korrekt beskrivning av baryonmultipletter. Den viktigaste delen av dessa modeller - användningen av ett litet antal fermioner för att "konstruera" hadroner - ingick organiskt i modellen som mest framgångsrikt löser problemet med att beskriva alla hadroner - kvarkmodellen (den österrikiska fysikern G. Zweig och oberoende av varandra). M. Gell-Man, 1964).

I den ursprungliga versionen baserades modellen på antagandet att alla kända hadroner är uppbyggda av tre typer av partiklar av spin 1/2, kallad p-, n-, l-kvarkar, som inte hör till antalet observerade hadroner och har mycket ovanliga egenskaper. Namnet "quarks" är lånat från romanen av J. Joyce (se Quarks) . Den moderna versionen av modellen antar att det finns minst fyra typer av kvarkar. Den fjärde kvarken är nödvändig för att beskriva charmade hadroner.

Idén om kvarkar föreslås av enhetlig symmetri. Den matematiska strukturen av enhetliga grupper öppnar för möjligheten att beskriva alla representationer av gruppen S.U. (n) (och därmed alla hadronmultipletter) baserat på den enklaste grupprepresentationen som innehåller n komponent. I fallet med en grupp S.U.(3) det finns tre sådana komponenter. Det är bara nödvändigt att anta att det finns partiklar som är associerade med denna enklaste representation. Dessa partiklar är kvarkar. Kvarksammansättningen av mesoner och baryoner härleddes från det faktum att mesonsupermultipletter innehåller som regel 8 partiklar och baryoner - 8 och 10 partiklar. Detta mönster är lätt att reproducera om vi antar att mesoner är sammansatta av kvarkar q och en antikvark - symboliskt: , och barjoner av tre kvarkar - symboliskt: I = (qqq). På grund av gruppens egenskaper S.U.(3) 9 mesoner är uppdelade i supermultipletter med 1 och 8 partiklar, och 27 baryoner är uppdelade i supermultipletter innehållande 1, 10 och två gånger 8 partiklar, vilket förklarar den observerade separationen av oktetter och dekupletter.

Tillägget av en fjärde kvarkar (och, om nödvändigt, nya ytterligare kvarkar) till schemat utförs samtidigt som kvarkmodellens grundläggande antagande om strukturen av hadroner bibehålls:

B = (qqq).

Alla experimentella data stämmer väl överens med den givna kvarksammansättningen av hadroner. Det finns tydligen bara små avvikelser från denna struktur, som inte nämnvärt påverkar hadronernas egenskaper.

Den angivna strukturen av hadroner och matematiska egenskaper hos kvarkar, som objekt associerade med en viss (enklaste) representation av gruppen S.U.(4), leda till följande. kvantantal kvarkar (tabell 2). De ovanliga - bråkdelar - värdena för den elektriska laddningen är anmärkningsvärda. F, och B, S Och Y, som inte finns i någon av de observerade elektronpartiklarna med index a för varje typ av kvark q i (jag = 1, 2, 3, 4) en speciell egenskap hos kvarkar är associerad - "färg", som inte finns i de studerade hadronerna. Index a tar värdena 1, 2, 3, det vill säga varje typ av kvark q i presenteras i tre varianter q i a (N.N. Bogolyubov och medarbetare, 1965; amerikanska fysiker I. Nambu och M. Khan, 1965; japanske fysikern I. Miyamoto, 1965). Kvanttalen för varje typ av kvarkar ändras inte när "färgen" ändras och därför tabellen. 2 gäller kvarkar av vilken "färg som helst".

Hela variationen av hadroner uppstår på grund av olika kombinationer R -, P-, g- och Med-kvarkar som bildar bundna tillstånd. Vanliga hadroner motsvarar bundna tillstånd konstruerade endast från R- Och n-quarks [för mesoner med möjlig deltagande av kombinationer och ]. Närvaro i bundet tillstånd tillsammans med R- Och n-kvarkar på ett g- eller Med-quark betyder att motsvarande hadron är konstigt ( S= -1) eller charmad ( Ch =+ 1). En baryon kan innehålla två och tre g-kvarkar (respektive Med-quark), d.v.s. dubbla och trippel märkliga (charm)baryoner är möjliga. Kombinationer av olika antal g- och Med- kvarkar (särskilt i baryoner), som motsvarar "hybrida" former av hadroner ("konstig charm"). Uppenbarligen, ju större g-or Med-kvarkar innehåller en hadron, desto tyngre är den. Om vi ​​jämför marktillstånden (icke-exciterade) för hadroner är det exakt den bilden som observeras (se tabell 1, samt tabell 3 och 5).

Eftersom kvarkars spinn är lika med 1/2, resulterar ovanstående kvarkstruktur för hadroner i ett heltalsspinn för mesoner och ett halvheltalsspinn för baryoner, helt i enlighet med experimentet. Dessutom i tillstånd som motsvarar omloppsrörelsen l= 0, särskilt i grundtillstånden, spinn av mesoner bör vara lika med 0 eller 1 (för antiparallell ґ¯ och parallell ґґ orientering av kvarkspinn), och spinn av baryoner bör vara 1/2 eller 3/2 ( för spinnkonfigurationer ¯ґґ och ґґґ) . Med hänsyn till att den interna pariteten för kvark-antikvarksystemet är negativ, värdena JP för mesoner kl l= 0 är lika med 0 - och 1 - , för baryoner - 1 / 2 + och 3 / 2 + . Dessa är värdena JP observeras i hadroner som har den minsta massan vid givna värden jag Och Y(se tabell 1).

Sedan index jag, k, l i strukturformlerna löper värdena genom 1, 2, 3, 4, antalet mesoner Mik med ett givet snurr bör vara lika med 16. För baryoner Bikl det maximalt möjliga antalet tillstånd för ett givet snurr (64) realiseras inte, eftersom i kraft av Pauli-principen, för ett givet totalt spinn, endast sådana tre-kvarktillstånd är tillåtna som har en väldefinierad symmetri med avseende på permutationer av index i, k, 1, nämligen: helt symmetrisk för spin 3/2 och blandad symmetri för spin 1/2. Detta tillstånd är l = 0 väljer 20 baryontillstånd för spin 3/2 och 20 för spin 1/2.

En mer detaljerad undersökning visar att värdet av kvarksammansättningen och symmetriegenskaperna hos kvarksystemet gör det möjligt att bestämma alla grundläggande kvanttal för hadronen ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), exklusive massa; att bestämma massan kräver kunskap om dynamiken i interaktionen mellan kvarkar och massan av kvarkar, vilket ännu inte är tillgängligt.

Korrekt förmedla detaljerna för hadroner med de lägsta massorna och snurr vid givna värden Y Och Ch, Kvarkmodellen förklarar naturligtvis också det övergripande stora antalet hadroner och dominansen av resonanser bland dem. Det stora antalet hadroner är en återspegling av deras komplexa struktur och möjligheten av existensen av olika exciterade tillstånd av kvarksystem. Det är möjligt att antalet sådana exciterade tillstånd är obegränsat. Alla exciterade tillstånd i kvarksystem är instabila med avseende på snabba övergångar på grund av starka interaktioner till underliggande tillstånd. De utgör huvuddelen av resonanserna. En liten del av resonanserna består också av kvarksystem med parallella spinnorienteringar (med undantag för W -). Quark-konfigurationer med antiparallell spin-orientering, relaterade till det grundläggande. tillstånd, bildar kvasistabila hadroner och en stabil proton.

Excitationer av kvarksystem uppstår både på grund av förändringar i kvarkars rotationsrörelse (orbitala excitationer) och på grund av förändringar i deras utrymmen. plats (radial excitationer). I det första fallet åtföljs en ökning av systemets massa av en förändring i den totala spinn J och paritet R system, i det andra fallet sker massaökningen utan förändring J P. Till exempel mesoner med JP= 2 + är den första orbitala excitationen ( l = 1) mesoner med JP = 1 - . Motsvarigheten mellan 2 + mesoner och 1 - mesoner av identiska kvarkstrukturer ses tydligt i exemplet med många par av partiklar:

Mesoner r" och y" är exempel på radiella excitationer av r- respektive y-mesoner (se.

Orbitala och radiella excitationer genererar sekvenser av resonanser som motsvarar samma initiala kvarkstruktur. Bristen på tillförlitlig information om interaktionen mellan kvarkar tillåter oss ännu inte att göra kvantitativa beräkningar av excitationsspektra och dra några slutsatser om det möjliga antalet sådana exciterade tillstånd När man formulerade kvarkmodellen betraktades kvarkar som hypotetiska strukturella element som öppnar upp möjligheten till en mycket bekväm beskrivning av hadroner. Därefter genomfördes experiment som gör att vi kan tala om kvarkar som verkliga materiella formationer inuti hadroner. De första var experiment på spridning av elektroner av nukleoner i mycket stora vinklar. Dessa experiment (1968), som påminner om Rutherfords klassiska experiment om spridning av alfapartiklar på atomer, avslöjade närvaron av punktladdade formationer inuti nukleonen. Jämförelse av data från dessa experiment med liknande data om neutrinospridning på nukleoner (1973-75) gjorde det möjligt att dra en slutsats om det genomsnittliga kvadratiska värdet av den elektriska laddningen i dessa punktformationer. Resultatet visade sig vara förvånansvärt nära värdet 1/2 [(2/3 e) 2 +(1 / 3 e) 2]. Studiet av processen för hadronproduktion under förintelsen av en elektron och en positron, som förmodligen går igenom sekvensen av processer: ® hadroner, indikerade närvaron av två grupper av hadroner genetiskt associerade med var och en av de resulterande kvarkarna, och gjorde det möjligt att bestämma kvarkarnas spinn. Det visade sig vara lika med 1/2. Det totala antalet hadroner som föddes i denna process indikerar också att kvarkar av tre varianter uppträder i mellantillståndet, dvs kvarkar är trefärgade.

Kvantantal kvarkar, introducerade på basis av teoretiska överväganden, har alltså bekräftats i ett antal experiment. Kvarkar får gradvis status som nya elektronpartiklar. Om ytterligare forskning bekräftar denna slutsats, så är kvarkar allvarliga utmanare för den roll som sanna elektronpartiklar har för den hadroniska formen av materia. Upp till längder ~ 10 -15 centimeter kvarkar fungerar som strukturlösa punktformationer. Antalet kända typer av kvarkar är litet. I framtiden kan det förstås förändras: man kan inte garantera att man vid högre energier inte kommer att upptäcka hadroner med nya kvantantal, på grund av deras existens på nya typer av kvarkar. Upptäckt Y-mesons bekräftar denna synpunkt. Men det är fullt möjligt att ökningen av antalet kvarkar blir liten, att allmänna principer sätter gränser för det totala antalet kvarkar, även om dessa gränser ännu inte är kända. Kvarkarnas strukturlöshet återspeglar kanske också bara den uppnådda nivån av forskning om dessa materiella formationer. Men ett antal specifika egenskaper hos kvarkar ger viss anledning att anta att kvarkar är partiklar som kompletterar kedjan av strukturella komponenter i materien.

Kvarkar skiljer sig från alla andra elektronpartiklar genom att de ännu inte har observerats i ett fritt tillstånd, även om det finns bevis på att de existerar i ett bundet tillstånd. En av anledningarna till att kvarkar inte observeras kan vara deras mycket stora massa, vilket förhindrar deras produktion med energierna från moderna acceleratorer. Det är dock möjligt att kvarkar i grunden, på grund av den specifika karaktären av deras interaktion, inte kan vara i ett fritt tillstånd. Det finns teoretiska och experimentella argument som talar för att krafterna som verkar mellan kvarkar inte försvagas med avståndet. Detta innebär att det krävs oändligt mycket mer energi för att separera kvarkar från varandra, eller annars är uppkomsten av kvarkar i ett fritt tillstånd omöjligt. Oförmågan att isolera kvarkar i ett fritt tillstånd gör dem till en helt ny typ av strukturella enheter av materia. Det är till exempel oklart om det är möjligt att ta upp frågan om kvarkars beståndsdelar om kvarkarna i sig inte kan observeras i fritt tillstånd. Det är möjligt att delar av kvarkarna under dessa förhållanden inte manifesterar sig fysiskt alls, och därför fungerar kvarkarna som det sista steget i fragmenteringen av hadronisk materia.

Elementarpartiklar och kvantfältteori.

För att beskriva egenskaperna och växelverkan mellan elektronpartiklar i modern teori är begreppet fysikaliskt väsentligt. fält, som tilldelas varje partikel. Ett fält är en specifik form av materia; det beskrivs av en funktion som specificeras på alla punkter ( X)rum-tid och har vissa transformationsegenskaper i förhållande till transformationer av Lorentz-gruppen (skalär, spinor, vektor, etc.) och grupper av "inre" symmetrier (isotopskalär, isotopisk spinor, etc.). Ett elektromagnetiskt fält med egenskaperna hos en fyrdimensionell vektor Och m (x) (m = 1, 2, 3, 4) är historiskt sett det första exemplet på ett fysiskt fält. Fälten som jämförs med E.-partiklar är av kvantnatur, det vill säga deras energi och rörelsemängd består av många delar. portioner - kvanta, och energin Ek och kvantets rörelsemängd pk är relaterade till förhållandet mellan den speciella relativitetsteorin: Ek 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Varje sådant kvantum är en elektronpartikel med en given energi E k , rörelsemängd p k och massa m Det elektromagnetiska fältets kvanta är fotoner, kvantan av andra fält motsvarar alla andra kända elektronpartiklar reflektion av förekomsten av en oändlig samling av partiklar - kvanta. Den speciella matematiska apparaten inom kvantfältteorin gör det möjligt att beskriva födelsen och förstörelsen av en partikel vid varje punkt x.

Fältets transformationsegenskaper bestämmer alla kvantantal av E.-partiklar. Transformationsegenskaperna i förhållande till rum-tidstransformationer (Lorentz-gruppen) bestämmer partiklarnas spinn. Således motsvarar en skalär spinn 0, en spinor - spin 1/2, en vektor - spin 1, etc. Förekomsten av sådana kvanttal som L, B, 1, Y, Ch och för kvarkar och gluoner "färg" följer från fältens transformationsegenskaper i förhållande till transformationer av "inre rum" ("laddningsutrymme", "isotoprum", "enhetsrum", etc.). Förekomsten av "färg" i kvarkar, i synnerhet, är förknippad med ett speciellt "färgat" enhetligt utrymme. Införandet av "inre rum" i den teoretiska apparaten är fortfarande en rent formell anordning, som dock kan tjäna som en indikation på att dimensionen av fysisk rum-tid, som återspeglas i egenskaperna hos E. Ch., faktiskt är större än fyra - dimensionen av rum-tid som är karakteristisk för alla makroskopiska fysiska processer. Massan av elektronpartiklar är inte direkt relaterad till fältens omvandlingsegenskaper; detta är deras ytterligare egenskap.

För att beskriva de processer som sker med elektronpartiklar är det nödvändigt att veta hur olika fysiska fält är relaterade till varandra, det vill säga att känna till fältens dynamik. I den moderna kvantfältteorin-apparaten finns information om fältens dynamik i en speciell kvantitet uttryckt genom fält - den lagrangiska (närmare bestämt den lagrangiska densiteten) L. Kunskap om L tillåter i princip att beräkna sannolikheterna för övergångar från en uppsättning partiklar till en annan under påverkan av olika interaktioner. Dessa sannolikheter ges av den sk. spridningsmatris (W. Heisenberg, 1943), uttryckt genom L. Det lagrangska L består av det lagrangska L, som beskriver beteendet hos fria fält, och interaktionen Lagrangian, L, konstruerad från olika partiklars fält och som speglar möjligheten att deras inbördes förvandlingar. Kunskap om Lz är avgörande för att beskriva processer med E. h.

Formen för L3 bestäms unikt av transformationsegenskaperna för fälten i den relativa Lorentz-gruppen och kravet på invarians med avseende på denna grupp (relativistisk invarians). Under lång tid var emellertid kriterierna för att hitta L3 inte kända (med undantag för elektromagnetiska interaktioner), och information om interaktioner mellan elektromagnetiska partiklar som erhållits från experiment tillät i de flesta fall inte ett tillförlitligt val mellan olika möjligheter. Under dessa förhållanden har ett fenomenologiskt tillvägagångssätt för att beskriva interaktioner blivit utbrett, baserat antingen på valet av de enklaste formerna av L ins, vilket leder till observerbara processer, eller på direkt studie av de karakteristiska egenskaperna hos elementen i spridningsmatrisen. Längs denna väg har betydande framgångar uppnåtts när det gäller att beskriva processer med elektronpartiklar för olika utvalda energiregioner. Men många parametrar i teorin lånades från experiment, och själva tillvägagångssättet kunde inte göra anspråk på universalitet.

Under perioden 50-70-talet. Betydande framsteg har gjorts för att förstå strukturen för L3, vilket har gjort det möjligt att avsevärt förfina dess form för starka och svaga interaktioner. Den avgörande rollen i detta framsteg spelades av klargörandet av det nära sambandet mellan symmetriegenskaperna hos elektronpartiklarnas interaktioner och formen på Lv.

Symmetrin mellan elektronpartiklarnas interaktioner återspeglas i förekomsten av lagar för bevarande av vissa fysiska kvantiteter och följaktligen i bevarandet av kvantantal elektronpartiklar som är associerade med dem (se bevarandelagar). Exakt symmetri, som förekommer för alla klasser av interaktioner, motsvarar närvaron av exakta kvanttal i elektroner; ungefärlig symmetri, karakteristisk endast för vissa klasser av interaktioner (starka, elektromagnetiska), leder till felaktiga kvanttal. Skillnaden mellan klasser av interaktioner som noterats ovan i förhållande till bevarandet av kvantantal elektroner återspeglar skillnader i egenskaperna hos deras symmetri.

Känd form L vz el. m. för elektromagnetiska interaktioner är en konsekvens av förekomsten av en uppenbar symmetri av Lagrangian L med avseende på multiplikationen av de komplexa fälten j av laddade partiklar som ingår i den i kombinationer av typ j*j (här betyder * komplex konjugation) med faktorn e ia, där a är ett godtyckligt reellt tal. Denna symmetri, å ena sidan, ger upphov till lagen om bevarande av elektrisk laddning, å andra sidan, om vi kräver uppfyllandet av symmetri under förutsättning att en godtyckligt beror på punkten x i rum-tid, leder det entydigt till interaktionens lagrangian:

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

där j m el. m. - fyrdimensionell elektromagnetisk ström (se Elektromagnetiska interaktioner). Som det visar sig har detta resultat generell betydelse. I alla fall när interaktionerna uppvisar "inre" symmetri, dvs. Lagrangian är invariant under transformationer av det "inre rummet", och motsvarande kvanttal uppstår i E.-tal, bör det krävas att invarians äger rum för eventuellt beroende av transformationsparametrar på punkten x (så kallad lokal gauge-invarians; Yang Zhen-ning, amerikansk fysiker R. Mills, 1954). Fysiskt beror detta krav på det faktum att interaktion inte omedelbart kan överföras från punkt till punkt. Detta villkor är uppfyllt när det bland fälten som ingår i Lagrangian finns vektorfält (analoger av Am (x)), som förändras under transformationer av "inre" symmetri och interagerar med partiklarnas fält på ett mycket specifikt sätt, nämligen:

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

där j m r (x) är strömmar sammansatta av partikelfält, V m r (x) är vektorfält, ofta kallade mätfält. Således fixerar kravet på lokalitet av "intern" symmetri formen av L och identifierar vektorfält som universella bärare av interaktioner. Egenskaperna för vektorfält och deras antal "n" bestäms av egenskaperna för den "interna" symmetrigruppen. Om symmetrin är exakt är massan av fältkvantumet V m r lika med 0. För ungefärlig symmetri är massan av vektorfältkvantet icke noll. Typen av ström j m r bestäms av fälten av partiklar med kvanttal som inte är noll associerade med den "inre" symmetrigruppen.

Baserat på principerna ovan visade det sig vara möjligt att närma sig frågan om interaktionen mellan kvarkar i en nukleon. Experiment med nukleoners spridning av neutriner och antineutriner har visat att nukleonens rörelsemängd endast delvis (cirka 50%) överförs av kvarkar, och resten av den överförs av en annan typ av materia som inte interagerar med neutriner. Förmodligen består denna del av materia av partiklar som byts ut mellan kvarkar och på grund av vilka de hålls kvar i nukleonen. Dessa partiklar kallas "gluoner" (från engelska lim - lim). Ur ovanstående synvinkel på interaktioner är det naturligt att betrakta dessa partiklar som vektorpartiklar. I modern teori är deras existens förknippad med symmetri, som bestämmer utseendet på "färg" i kvarkar. Om denna symmetri är exakt (färg SU (3) symmetri), så är gluoner masslösa partiklar och deras antal är åtta (den amerikanske fysikern I. Nambu, 1966). Interaktionen mellan kvarkar och gluoner ges av L vz med struktur (2), där strömmen j m r är sammansatt av kvarkfält. Det finns också anledning att anta att växelverkan mellan kvarkar, orsakad av utbyte av masslösa gluoner, leder till krafter mellan kvarkar som inte minskar med avståndet, men detta har inte bevisats noggrant.

Kunskap om växelverkan mellan kvarkar skulle i princip kunna ligga till grund för att beskriva alla hadroners växelverkan med varandra, det vill säga alla starka växelverkningar. Denna riktning inom hadronfysiken utvecklas snabbt.

Användningen av principen om symmetris avgörande roll (inklusive ungefärlig) i bildandet av interaktionsstrukturen gjorde det också möjligt att avancera i förståelsen av Lagrangian av svaga interaktioner. Samtidigt avslöjades ett djupt internt samband mellan svaga och elektromagnetiska interaktioner. I detta tillvägagångssätt betraktas närvaron av par av leptoner med samma leptonladdning: e - , v e och m - , v m , men med olika massor och elektriska laddningar inte som slumpmässigt, utan som återspeglar förekomsten av bruten symmetri hos den isotoniska typ (grupp SU (2)). Tillämpning av lokalitetsprincipen på denna "inre" symmetri leder till den karakteristiska Lagrangian (2), i vilken termer som är ansvariga för elektromagnetiska och svaga interaktioner samtidigt uppstår (den amerikanske fysikern S. Weinberg, 1967; A. Salam, 1968):

L luft = 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)

Här j m sl. h. , j m sl. n. - laddade och neutrala strömmar av svaga interaktioner, byggda från leptonfälten, W m +, W m -, Z m 0 - fält av massiva (på grund av symmetribrytande) vektorpartiklar, som i detta schema är bärare av svaga interaktioner ( de så kallade mellanbosonerna), A m - fotonfält. Idén om existensen av en laddad mellanboson lades fram för länge sedan (H. Yukawa, 1935). Det är emellertid viktigt att i denna modell av en enhetlig teori om elektronmagnetiska och svaga interaktioner, uppträder en laddad mellanboson på samma sätt som en foton och en neutral mellanboson. Processer med svaga interaktioner orsakade av neutrala strömmar upptäcktes 1973, vilket bekräftar riktigheten av det tillvägagångssätt som just beskrivits för formuleringen av dynamiken i svaga interaktioner. Andra alternativ för att skriva Lagrangian L med ett stort antal neutrala och laddade mellanbosoner är också möjliga; Experimentella data är ännu inte tillräckliga för det slutliga valet av Lagrangian.

Mellanbosoner har ännu inte upptäckts experimentellt. Från tillgängliga data uppskattas massorna W ± och Z 0 för Weinberg-Salam-modellen till cirka 60 och 80 GeV.

De elektromagnetiska och svaga interaktionerna mellan kvarkar kan beskrivas inom en modell som liknar Weinberg-Salam-modellen. Hänsyn till elektromagnetiska och svaga hadroninteraktioner på denna basis ger god överensstämmelse med de observerade data. Ett vanligt problem vid konstruktion av sådana modeller är det fortfarande okända totala antalet kvarkar och leptoner, vilket inte tillåter att bestämma typen av initial symmetri och arten av dess kränkning. Därför är ytterligare experimentella studier mycket viktiga.

Det enda ursprunget för elektromagnetiska och svaga interaktioner innebär att den svaga interaktionskonstanten i teorin försvinner som en oberoende parameter. Den enda konstanten förblir den elektriska laddningen e. Undertryckandet av svaga processer vid låga energier förklaras av den stora massan av mellanbosoner. Vid energier i masscentrumsystemet som är jämförbara med massorna av mellanbosoner bör effekterna av elektromagnetiska och svaga interaktioner vara av samma storleksordning. De senare kommer dock att skilja sig åt i att ett antal kvanttal (P, Y, Ch, etc.) inte bevaras.

Det finns försök att på en enhetlig basis överväga inte bara elektromagnetiska och svaga interaktioner, utan också starka interaktioner. Utgångspunkten för sådana försök är antagandet om samma karaktär för alla typer av interaktioner av elektronpartiklar (utan gravitationsinteraktion). De observerade starka skillnaderna mellan interaktioner anses bero på betydande symmetribrott. Dessa försök har ännu inte utvecklats tillräckligt och möter allvarliga svårigheter, särskilt när det gäller att förklara skillnaderna i egenskaperna hos kvarkar och leptoner.

Utvecklingen av en metod för att erhålla lagrangian för interaktion, baserad på användningen av symmetriegenskaper, var ett viktigt steg på vägen som leder till den dynamiska teorin om elementarpartiklar del av ytterligare teoretiska konstruktioner.

Slutsats

Några allmänna problem i teorin om elementarpartiklar. Den senaste utvecklingen av elektronpartiklarnas fysik skiljer tydligt från alla elektronpartiklar en grupp partiklar som avsevärt bestämmer detaljerna i mikrovärldens processer. Dessa partiklar är möjliga kandidater för rollen som sanna elektronpartiklar. Dessa inkluderar: partiklar med spin 1/2 - leptoner och kvarkar, samt partiklar med spin 1 - gluoner, fotoner, massiva mellanbosoner, som utför olika typer av interaktioner. av partiklar med spin 12 . Denna grupp bör troligen också inkludera en partikel med spin 2 - gravitonen; ett kvantum av gravitationsfältet som förbinder alla elektronpartiklar I detta schema kräver många frågor dock ytterligare forskning. Det är inte känt vad det totala antalet leptoner, kvarkar och olika vektorpartiklar (med J = 1) är och om det finns fysikaliska principer som bestämmer detta antal. Orsakerna till uppdelningen av partiklar med spin 1/2 i 2 olika grupper: leptoner och kvarkar är oklara. Ursprunget till de interna kvantantal av leptoner och kvarkar (L, B, 1, Y, Ch) och sådana egenskaper hos kvarkar och gluoner som "färg" är oklart. Vilka frihetsgrader är förknippade med interna kvanttal? Endast sådana egenskaper hos en elektronpartikel som J och P är associerade med vanlig fyrdimensionell rumtid. Vilken mekanism bestämmer massan av en sann elektronpartikel? Vad är orsaken till förekomsten av olika klasser av interaktioner i elektroner med olika symmetriegenskaper? Dessa och andra frågor måste lösas av den framtida teorin om E. kap.

Beskrivningen av växelverkan mellan elektronpartiklar, som noterats, är förknippad med mätfältsteorier. Dessa teorier har en utvecklad matematisk apparat som tillåter beräkningar av processer med elektronpartiklar (åtminstone i princip) på samma rigoritetsnivå som i kvantelektrodynamik. Men i sin nuvarande form har mätfältsteorier en allvarlig nackdel, gemensam med kvantelektrodynamik - i dem, under beräkningsprocessen, uppstår meningslösa oändligt stora uttryck. Med hjälp av en speciell teknik för att omdefiniera observerbara kvantiteter (massa och laddning) - renormalisering - är det möjligt att eliminera oändligheter från de slutliga resultaten av beräkningar. I den mest välstuderade elektrodynamiken påverkar detta ännu inte överensstämmelsen mellan teoretiska förutsägelser och experiment. Renormaliseringsproceduren är dock en rent formell förbikoppling av den svårighet som finns i den teoretiska apparaten, vilket på någon nivå av noggrannhet bör påverka graden av överensstämmelse mellan beräkningar och mätningar.

Uppkomsten av oändligheter i beräkningar beror på det faktum att i lagrangianerna av interaktioner hänvisas fälten för olika partiklar till en punkt x, dvs. det antas att partiklarna är punktlika, och den fyrdimensionella rum-tiden förblir platt ner till de minsta avstånden. I verkligheten är dessa antaganden uppenbarligen felaktiga av flera skäl: a) sanna E.-element är sannolikt materiella objekt av ändlig utsträckning; b) egenskaperna hos rum-tid i det lilla (på den skala som bestäms av den så kallade fundamentala längden) är med största sannolikhet radikalt olika dess makroskopiska egenskaper; c) på de minsta avstånden (~ 10 -33 cm), påverkar en förändring i rum-tidens geometriska egenskaper på grund av gravitationen. Kanske är dessa skäl nära besläktade. Således är det att ta hänsyn till gravitationen som mest naturligt leder till storleken på en sann E.-partikel av storleksordningen 10 -33 cm, och grunden, längden l 0 kan associeras med gravitationskonstanten f: "10 -33 cm Alla dessa skäl bör leda till en modifiering av teorin och eliminering av oändligheter, även om den praktiska implementeringen av denna modifiering kan vara ganska komplicerad.

Det verkar väldigt intressant att ta hänsyn till gravitationens inverkan på korta avstånd. Gravitationsinteraktion kan inte bara eliminera divergenser i kvantfältteorin, utan också bestämma själva existensen av primär materia (M. A. Markov, 1966). Om densiteten av ett äkta E.H-ämne är tillräckligt stor, kan gravitationsattraktion vara den faktor som bestämmer den stabila existensen av dessa materialformationer. Dimensionerna för sådana formationer bör vara ~10 -33 cm I de flesta experiment kommer de att bete sig som punktobjekt, deras gravitationsinteraktion kommer att vara försumbar och kommer endast att visas på de minsta avstånden, i den region där rymdens geometri förändras avsevärt.

Således bör den framväxande trenden mot samtidig övervägande av olika klasser av interaktioner av elektronpartiklar med största sannolikhet slutföras logiskt genom att inkludera gravitationsinteraktion i det allmänna schemat. Det är på basis av samtidigt övervägande av alla typer av interaktioner som det är mest sannolikt att förvänta sig skapandet av en framtida teori om elektronpartiklar.

Bibliografi

1) Markov M.A. Om materiens natur. M., 1976

2) Gaziorovich S. Elementarpartiklars fysik, trans. från engelska, M. 1969

3) Kokkede Ya., Theory of Quarks, övers. från engelska, M., 1971

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

5) Bogolyubov N.N., Shirkov D.V., Introduktion till teorin om kvantiserade fält, 3:e upplagan, M., 1976;

6) Nyheter om fundamental fysik, trans. från English, M., 1977, s. 120-240 .

Skicka ditt goda arbete i kunskapsbasen är enkelt. Använd formuläret nedan

Studenter, doktorander, unga forskare som använder kunskapsbasen i sina studier och arbete kommer att vara er mycket tacksamma.

Postat på http://www.allbest.ru/

Introduktion

1. Uppkomsten och utvecklingen av idéer om kvant

1.1 Bohrs teori om atomen

2. Elementarpartiklar och problemet med deras struktur

Slutsats

Bibliografi

Introduktion

I studiet av naturen kan två stadier urskiljas: förvetenskapliga och vetenskapliga stadier. Det förvetenskapliga eller naturfilosofiska stadiet omfattar perioden från den antika perioden till etableringen av experimentell naturvetenskap på 1500-1600-talen. Idéer om naturen under denna period var av rent naturfilosofisk natur iakttagna naturfenomen förklarades utifrån mentalt samlade filosofiska principer. Naturvetenskapens största bedrift under denna period var läran om forntida atomism, som ansågs vara ett diskret begrepp om materiens struktur. Enligt denna lära är alla kroppar bildade av atomer, som anses vara de minsta partiklarna av materia. Enligt forntida atomism, som gav den primära teoretiska modellen för atomen, är atomer osynliga, odelbara och ogenomträngliga mikropartiklar, som skiljer sig från varandra endast i kvantitativa relationer - form, storlek, struktur. Forntida atomism, som förklarade helheten som en mekanisk uppsättning delar som bildar den, var det första teoretiska programmet. Enligt Demokritos läror är ett vakuum nödvändigt för att förklara den mekaniska placeringen av kroppar i rymden och deras deformation (kompression, förlängning, etc.) under påverkan av yttre krafter. Atomism förklarade essensen av naturliga processer genom den mekaniska interaktionen mellan atomer, deras attraktion och avstötning. Det mekaniska programmet för att förklara naturen, som först lades fram inom den antika atomismen, förverkligades i den klassiska mekaniken, som lade grunden för studiet av naturen på ett vetenskapligt sätt. Moderna vetenskapliga idéer om de strukturella nivåerna av materiens bildning bör börja med begreppet klassisk fysik om studiet av mikrovärlden, som uppstod som ett resultat av en kritisk studie av begreppen klassisk mekanik, som endast tillämpas i mikrovärlden. . Bildandet av vetenskapliga idéer om materiens struktur går tillbaka till 1500-talet, till den period då G. Galileo lade grunden till den mekaniska bilden av världen. Galileo underbyggde inte bara N. Copernicus heliocentriska system, upptäckte lagarna för tröghet för rörelse och fritt fall, han utvecklade också ett nytt metodologiskt sätt att beskriva naturen - den vetenskapsteoretiska metoden. Kärnan i denna metod ligger i det faktum att Galileo, efter att ha valt ut ett antal fysiska och geometriska egenskaper hos naturen, gjorde dem till ämnet för vetenskaplig forskning. Valet av individuella egenskaper hos ett objekt gav möjlighet att skapa teoretiska modeller och testa dem baserat på vetenskapliga experiment. Det metodkoncept som formulerades av Galileo spelade en avgörande roll i upprättandet av den klassiska naturvetenskapen.

1. Ursprung ochutveckling av idéer om kvant

kvantelementarpartikel

Under fysikens övergång från studiet av makrovärlden till studiet av mikrovärlden förändrades den klassiska fysikens idéer om materia och fält radikalt. Medan de studerade mikropartiklar kom forskare över en bild som verkade paradoxal ur klassisk fysiks synvinkel: samma objekt visar både vågighetsegenskapen och korpuskularitetens egenskap. Detta fenomen kallas våg-partikeldualitet.

Det första steget inom området för att studera partiklarnas motsägelsefulla natur togs av den tyske forskaren Max Planck. Allt började med uppkomsten i fysiken i slutet av 1800-talet av ett sådant problem som den "ultravioletta katastrofen". Enligt beräkningar baserade på formlerna för klassisk elektrodynamik ökade intensiteten av strålning från enbart mörka föremål på obestämd tid. Detta stred mot praxis. Från forskning utförd på strålning av värme, kom M. Planck till slutsatsen att i strålningsprocessen emitteras energi inte i en godtycklig mängd och oändligt, utan i odelbara delar - kvanta. Kvantenergin bestäms av antalet svängningar som motsvarar strålning (V) och den universella konstanten som kallas Plancks konstant: E=hn. Som Planck noterade, kan ankomsten av idén om kvant i fysiken ännu inte associeras med skapandet av kvantteorin, men den 14 december 1900, datumet för uppkomsten av formeln för kvantenergi, blev datumet för att lägga grunden för samma teori, dagen för atomfysikens födelse och början på en ny period inom naturvetenskapen.

Den första fysikern som hälsade upptäckten av det elementära kvantets inflytande med hög andlig inspiration och utvecklade den i kreativitet. Det var A. Einstein. 1905, genom att tillämpa idén om strålningens kvantitativa natur och absorption av energi under termisk strålning på strålningsfenomen i allmänhet, lade han grunden för kvantteorin. Einstein, som tillämpade Plancks hypotes på ljusfenomen, kom till slutsatsen att det var nödvändigt att acceptera ljusets korpuskulära struktur. Kvantteorin om ljus eller Einsteins teori om fotonen bekräftade att tillsammans med det faktum att ljus är ett vågfenomen för utbredning i rymden, har det också en kontinuerlig struktur. Ljus kan betraktas som odelbara energidelar, ljuskvanta och fotoner. Fotonernas energi bestäms av Plancks konstant (h) och hastigheten för motsvarande svängningar (n). Monokromatiskt ljus av olika färger (rött, gult, grönt, blått, violett och andra) består av ljuskvanta av olika energier. Einsteins idé om ljuskvanta gav en möjlighet att förstå och visuellt beskriva det fotoelektriska fenomenet, vars essens är separationen av en elektron från lätt materia. Experiment har visat att förekomsten av den fotoelektriska effekten inte bestäms av intensiteten hos ljusvågen som faller in på metallen, utan av ljusets frekvens. Om vi ​​antar att varje fotoelektron är separerad av en foton blir det tydligt att effekten uppstår när fotonens energi blir tillräckligt stor för att bryta den inbördes kopplingen mellan materia och elektron.

10 år efter ursprunget till tolkningen av den fotoelektriska effekten i en liknande situation, bekräftades det av experimenten från den amerikanske fysikern R.E. Milliken. Upptäcktes 1923 av den amerikanske vetenskapsmannen A.H. Comptons fenomen ("Compton-effekten") bekräftade slutligen kvantteorin. I allmänhet är kvantteorin om ljus en av fysikens teorier som upprepade gånger har bekräftats av experiment. Men på detta sätt bekräftades ljusets vågnatur till slut genom experiment på fenomenen diffraktionsinterferens. I detta avseende skapades en sådan paradoxal situation: det blev känt att ljus beter sig både som en våg och som en korpuskulär på samma gång. I det här fallet fungerar fotonen som en specifik typ av korpuskulär. Den huvudsakliga egenskapen för diskretiteten hos en foton, en speciell del av energi (E=hn) bestäms av karakteristiken för en ren våg - frekvens (n). Liksom alla stora naturvetenskapliga upptäckter har kvantteorin om ljus fått en betydande ideologisk, teoretisk och kognitiv karaktär.

Begreppet fonon-kvanta av det elektromagnetiska fältet blev en stor gåva till utvecklingen av kvantteorin. Därför anses A. Einstein vara en av de stora skaparna av kvantteorin. Einsteins teori, som utvecklade M. Plancks synpunkter, gav den danske forskaren N. Bohr möjlighet att utveckla en ny modell av atomen.

1.1 Tteorin om atomen föreslagen av Bohr

År 1913 eliminerade den danske vetenskapsmannen Niels Bohr, genom att tillämpa kvantitetsprincipen för att lösa problem med atomens struktur och egenskaperna hos atomens spektrum, motsägelserna i modellen av atomen skapad av Rutherford. Den modell av atomen som Rutherford föreslog 1911 liknade solsystemet: kärnan var belägen i centrum och elektroner kretsade runt den i cirkulära banor. Kärnan var positivt laddad, elektronerna hade en negativ elektrisk laddning. Attraktionskrafterna i solsystemet i atomen ersattes av elektriska krafter. Atomkärnans positiva elektriska laddning, som var lika med grundämnets atomnummer i Mendeleevs periodiska system, balanserades av elektronernas negativa elektriska laddning. Därför var atomen elektriskt neutral.

Analysen av atomens planetmodell inom ramen för klassisk elektrodynamik innehöll två omöjliga motsägelser. Den första av dessa motsägelser var att elektroner, för att inte förlora sin stabilitet, måste rotera runt kärnan. Som bekant kännetecknas cirkulär rörelse av centrifugalacceleration. Enligt den klassiska elektrodynamikens lagar måste accelererade elektroner verkligen avge elektromagnetisk energi. Men i det här fallet måste elektroner falla ner på kärnan inom en mycket kort period (10-8 sekunder) och spendera sin energi på strålning. Det vet vi väl från vardagliga erfarenheter. Om elektroner föll på kärnan skulle en kropp som består av dem, till exempel bordet framför oss, ändra sin storlek med 10 tusen gånger.

Den andra motsägelsen i atomens planetmodell är relaterad till det faktum att elektronen, som gradvis närmar sig kärnan som ett resultat av strålning, för den kontinuerliga förändringen av dess frekvens, måste atomens strålningsspektrum vara intakt. Erfarenheten visar att emissionsspektrumet för en atom är linjärt. Med andra ord, Rutherfords planetmodell av atomen samexisterar inte med Maxwells elektrodynamik.

Kvantteorin om atomen, som kunde lösa båda dessa motsägelser (den så kallade "Bohrs teori om atomens struktur") lades fram av N. Bohr. Innehållet i denna teori bildades från följande bestämmelser, kombinerade till en enda, hel idé:

regelbundenheter för väteatomens linjära spektrum;

kärnmodell av atomen föreslagen av Rutherford;

strålningens kvanta karaktär och absorption av ljus.

Den nya hypotes som N. Bohr lade fram för att förklara atomens struktur baserades på tre postulat som inte överensstämde med den klassiska fysikens principer.

Det första postulatet: i varje atom finns det flera stationära tillstånd av elektroner (stationära banor). Elektromagnetiska vågor som rör sig längs en atoms stationära banor varken sänds ut eller absorberas.

Det andra postulatet: en atom avger eller absorberar endast en del av energin när en elektron går från ett stationärt tillstånd till ett annat.

Tredje postulatet? Elektronen rör sig runt kärnan i sådana cirkulära stationära banor där Plancks konstant är helt lik den relativa 2p i ögonblicket av elektronmomentum:

där m, n, r är elektronens massa, hastigheten och radien för den stationära omloppsbana i vilken den rör sig, n=1,2,3... är heltal.

Dessa postulat lade grunden för en ny period i studiet av atomens egenskaper och struktur.

Det första postulatet visade den klassiska fysikens begränsningar, och i speciella fall olämpligheten av dess lagar för stationära tillstånd. Det är inte så lätt att acceptera tanken på att elektroner sänder ut energi i specifikt utvalda banor. Just i detta ögonblick uppstår frågan: "Varför?" Men på grund av det faktum att detta postulat var adekvat för de experimentella resultaten, tvingades fysiker att acceptera det. Av det andra postulatet följer slutsatsen att en atoms energi emitteras i portioner. Övergången av en elektron från en bana till en annan åtföljs nödvändigtvis av heltal av energikvanta. Således kännetecknas tillståndet för elektroner i en atom av 4 kvanttal - de huvudsakliga, orbitala, magnetiska och orbitala kvanttalen. Huvudkvanttalet (n) bestämmer elektronens energi i kärnans regioner i komplexa atomer, serienumret för elektronskiktet. Orbitalkvanttalet (l) kännetecknar de justeringar som införs i en atoms energi genom atomernas samtidiga rörelse. Spinnkvanttalet (s) bestämmer det speciella mekaniska vridmomentet som kännetecknar elektronernas rotationsrörelse. Bohrs postulat förklarade atomens stabilitet: i stationära tillstånd avger en elektron inte elektromagnetisk energi utan att det finns yttre orsaker. Först nu har det blivit klart varför, med en konstant bedömning av tillstånd, atomer av kemiska element inte avger elektromagnetiska vågor. Atommodellen som föreslagits av Bohr, även om den gav en korrekt beskrivning av väteatomen, bestående av en proton och en elektron, och denna beskrivning stämde ganska väl överens med de experimentella fakta, den senare tillämpningen av denna modell på multielektronatomer stötte på vissa svårigheter. Oavsett hur noggrant teoretiker försökte beskriva elektronernas rörelse och omloppsbana i en atom, förblev skillnaden mellan teoretiska resultat och experimentella data stor. Men under utvecklingen av kvantteorin blev det tydligt att dessa skillnader främst är förknippade med vågighetsegenskapen hos elektroner. Våglängden för en elektron som rör sig i en cirkulär bana i en atom var en del av atomens mätningar och var ungefär 10-8 cm. Även om rörelsen av partiklar som är inneboende i något system bara kan beskrivas ganska exakt i det fallet som den mekaniska. rörelse av en materialpunkt i en sluten bana , när partikelns våglängd jämfört med förändringssystemet kommer att vara så liten att den inte kommer att tas med i beräkningen. Med andra ord måste du ta hänsyn till att en elektron inte är en punkt, inte en stark "boll" den har en intern struktur som kan förändras beroende på dess inneboende tillstånd. Men i det här fallet förblir detaljerna i elektronens inre struktur okända. Här blir det tydligt att det är i grunden omöjligt att föreställa sig en atoms struktur på basis av idéer om banorna för förment punktelektroner, därför har en atoms inre banor blivit idealiska objekt, de existerar inte ens i verkligheten. Enligt deras vågnatur är elektroner och deras elektriska laddning påstås ojämnt fördelade över atomen och har en låg elektrontäthet vid vissa punkter och en högre elektrondensitet vid andra. En beskrivning av fördelningen av elektronladdningstätheten inuti en atom ges i kvantmekaniken: vid vissa punkter når elektronladdningstätheten sitt maximum. Kurvan som förbinder punkterna för maximala markeringar för elektronladdningstätheten kallas formellt elektronbanan. Väteatomens bana som beräknas i Bohrs teori sammanföll med kurvan som gick genom punkterna för maximala markeringar för den genomsnittliga laddningstätheten, vilket i sin tur helt motsvarar experimentdata. Bohrs teori tycks skissera gränslinjen för det första steget i utvecklingen av modern fysik. Bohrs atomteori, genom att lägga till ett litet antal nya överväganden, var det sista försöket att beskriva atomens struktur utifrån klassisk fysik. Bohrs postulat visade att klassisk fysik inte kan förklara sådana resultat från de enklaste experimenten relaterade till atomens struktur. Bohrs postulat, främmande för klassisk fysik, kränkte dess integritet och kunde i sin tur förklara endast ett litet område av experimentella data. Därför uppstår tanken att Bohrs postulat, som upptäckt nya, hittills okända för vetenskapen, egenskaper hos materien, samtidigt delvis och inte helt återspeglade dem. Bohrs teori, och hans postulat som inte kunde tillämpas på komplexa atomer, var maktlösa när det gäller att förklara fysikens väsentliga fenomen, precis som diffraktion och interferens inte kunde förklara ljusets och materiens vågegenskaper. Många frågor relaterade till atomens struktur besvarades endast som ett resultat av utvecklingen av kvantmekaniken. Man fann att Bohrs modell av atomen inte bokstavligen kan förstås som den var tidigare. Det skulle vara felaktigt att visuellt beskriva atomens processer i form av mekaniska modeller skapade i analogi med makrokosmos fenomen. Det blev snart känt att begreppen tid och rum exakt definierade för makrokosmos är olämpliga för att beskriva mikrofysiska fenomen. Gradvis förvandlade teoretiska fysiker atomen till ett ännu mer abstrakt system - en uppsättning oobserverbara ekvationer.

2. Elementära delarföremål och problemet med deras struktur

Problemet med materiens struktur har varit ett av de angelägna problemen som alltid har stått i centrum för naturvetenskapen, särskilt inom dess avancerade område - fysiken. Detta problem återspeglar tydligt förhållandet mellan filosofi och naturvetenskap och har inte bara filosofisk utan också praktisk och industriell-teknisk betydelse. För att göra detta räcker det med att säga att moderna fysikaliska teorier, som utgör ett viktigt steg i den vetenskapliga och tekniska revolutionen, inklusive kvantmekanik och teorin om elementarpartiklar, är nära besläktade med upptäckten och användningen av kärnenergi, som lade grunden för "atomåldern".

Modern fysik har uppnått stora framsteg inom området för att studera materiens struktur och egenskaper. Men trots detta har naturen många fortfarande oupptäckta hemligheter inom området för materiens struktur och egenskaper. Genom att tränga in i djupet av teoretisk kognitiv materia och upptäcka nya nivåer av dess struktur, tror vi detta mer och mer. På det nuvarande stadiet av dess utveckling har fysiken kommit in på en väg full av vetenskapliga upptäckter som leder den framåt i riktning mot ännu större behärskning av den mänskliga naturens krafter. Men fysiken tog inte omedelbart denna väg. Innan den uppnådde vissa prestationer längs denna väg, gick den igenom en lång och svår utvecklingsväg, och under denna period eliminerade den naturliga filosofiska metafysiska idéer om strukturen och egenskaperna hos materia som är inneboende i en av epoken.

Den moderna läran om materiens struktur började växa fram på grundval av stabila praktiska fakta, med början först i slutet av 1800-talet och början av 1900-talet. Utan att stanna vid framgångarna med vetenskaplig kunskap, förenade denna lära, som berikades och utvecklades, fyra aspekter organiskt förbundna med varandra: för det första är denna undervisning en atomistisk lära, eftersom enligt denna lära, varje kropp, varje fysiskt område bildas av mikropartiklar och mikroregioner, för det andra är denna doktrin en statistisk doktrin, eftersom den, baserat på statistiska begrepp, bestämmer egenskaperna och mönstren för rörelse hos mikroobjekt, deras ömsesidiga påverkan och transformationer av statistiska lagar, för det tredje är denna doktrin kvantteorin, och mikropartiklarnas egenskaper och rörelsemönster skiljer sig kvalitativt från mikroskopiska kroppars egenskaper och rörelsemönster som bestäms av klassisk fysik, slutligen är denna lära en relativistisk lära, eftersom i denna teori är sambandet mellan rum, tid och materia beskrivs genom en relativistisk teori - relativitetsteorin.

Att utveckla mänsklig kunskap, inte stanna vid kunskapsfältet om materiens struktur och egenskaper, upptäckte dess komplexitet i struktur och outtömlighet av egenskaper och bekräftade detta med nya fakta. Den största prestation som uppnåtts inom området för att studera materiens struktur är övergången från atomnivå till nivån av elementarpartiklar. Den första elementarpartikeln som upptäcktes i slutet av 1800-talet var elektronen under första hälften av 1900-talet, fotonen, protonen, positronen, neutronen, neutrinon och andra elementarpartiklar. För närvarande anses elementarpartiklar vara de minsta "elementära" partiklarna bland mikroobjekt som omger atomer och molekyler. Efter andra världskriget, tack vare användningen av modern experimentell teknik och först och främst kraftfulla acceleratorer som skapar förhållanden med hög energi och enorma hastigheter, upptäcktes förekomsten av mer än 300 elementarpartiklar. En del av elementarpartiklarna upptäcktes i experiment, den andra delen (resonanser, kvarkar, virtuella partiklar) ansågs vara teoretiska.

Vad uttrycker begreppet "elementarpartikel" i modern fysik? Innan man besvarar denna fråga är det nödvändigt att notera den inneboende aspekten av det naturvetenskapliga konceptet att, liksom alla fysiska begrepp, är begreppet "elementärt" relativt och får olika betydelser i olika stadier av utvecklingen av vetenskaplig kunskap. Fram till mitten av 60-talet av vårt sekel liknade idéer om elementarpartiklar en av de typer av synpunkter på atomer som uttrycktes av Demokrit. Dessa första naiva idéer om elementarpartiklar varade dock inte länge: det visade sig snart att det inte finns några oföränderliga, ogenomträngliga, strukturlösa partiklar. Under inflytande av verkliga fakta har begreppet "elementär" genomgått förändringar och i allmänhet har allt som kan kallas en "elementarpartikel" fått en obestämd karaktär. För närvarande noterar ett antal författare med rätta att begreppet "elementär" används i två betydelser: å ena sidan som en synonym för det enklaste, å andra sidan som en subatomär partikel, det vill säga en indikator på fundamentalitet . Med hänsyn till var och en av två betydelser som uttrycks av begreppet "elementarpartikel", kan vi säga i ordets fulla och vida bemärkelse att de så kallade "elementarpartiklarna" är sådana materiella formationer som består av andra partiklar kända för vetenskapen och återfinns som en helhet i alla processer i ömsesidig påverkan, vilket inkluderar de fysiska storheter som kännetecknar dem - massa, elektronladdning, spinn, parning, singelhet, isotropisk spin och andra initiala parametrar som inte teoretiskt kan beräknas och som kan tillämpas korrekt på fysikalisk teori endast experimentellt.

Elementarpartiklarnas fysik är, med vetenskapsmannen akademikern I.B. Tammins ord, det huvudsakliga fältet "som leder den moderna fysiken inför betydande förändringar och revolutionära omvälvningar." Elementarpartiklar liknades bildligt vid "outforskade planeter". Det är ingen slump att anmärkningsvärda upptäckter inom fysiken gjordes efter 60-talet i detta område. För att få en uppfattning om framgångarna på detta område räcker det att säga att antalet elementära partiklar har ökat från 35 till 340 under de senaste 25-30 åren och en ytterligare ökning av denna siffra förväntas i framtida. Särskilt sedan 30-talet av vårt århundrade upptäcktes, förutom den tidigare kända elektronen, fotonen och protonen, många ytterligare nya partiklar: neutron, positron, neutroner av olika massor och laddningar (även neutrala), mesoner, hyperoner och deras s.k. motsvarande antipartiklar. Ökningen av antalet som uttrycker antalet "elementära" partiklar visade förlusten av dess tidigare innebörd av begreppet "elementär". Eftersom alla dessa partiklar inte kunde fylla funktionen som de sista "tegelstenarna" i världsbyggnaden. Att vara i denna position försökte elementarpartiklar förklara mångfalden och mångfalden, att klassificera ur synvinkeln att säkerställa utveckling, att klassificera ur den synvinkel att säkerställa utvecklingen av prestationer av vetenskaplig kunskap på detta område. Implementeringen av sådana klassificeringar är förknippad med en beskrivning av egenskaperna och huvudegenskaperna hos elementarpartiklar.

För närvarande har en mängd egenskaper hos elementarpartiklar kända inom vetenskapen fastställts. Dessutom har många av dessa egenskaper inga analoger bland de kända egenskaperna hos makroskopiska objekt. De huvudsakliga egenskaperna hos elementarpartiklar som beskrivs i matematikens abstrakta språk är följande: massa, laddning, genomsnittlig existensperiod, spinn, isotropisk spinn, singelskap, parning, leptinladdning, borionladdning, ömsesidig påverkan. Vi kommer att försöka karakterisera denna egenskap hos elementarpartiklar.

En av de viktigaste egenskaperna som kännetecknar elementarpartiklar är massa. Observera att vilomassan av elementarpartiklar bestäms i förhållande till elektronens vilomassa (me=9,1×10-31 kg). För närvarande är klassificeringen av elementarpartiklar beroende på värdet av deras vilomassa mer utbredd. Enligt denna klassificering är alla elementarpartiklar indelade i 4 grupper: 1) lätta elementarpartiklar - leptoner. Detta inkluderar elektronen, neutrinon och deras antipartiklar - positron, antineutrino, såväl som positiva och negativa mu-mesoner. Med undantag för det senare är leptoner stabila innan de går in i ömsesidigt inflytande och existerar i ett fritt tillstånd i mer än 1020 år. Mu-mesoner är inte stabila partiklar efter att ha levt i tvåhundra miljondelar av en sekund, de sönderfaller och förvandlas till en elektron, neutron och antineutron. Vilomassan av neutriner och antineutriner är mycket liten sammantaget är de lika med 0,0005 av en elektrons massa.

2) partiklar med medelmassa - mesoner. Detta inkluderar positiva, negativa och neutrala pi-mesoner med en massa på 270 me - vilomassa, och vissa typer av ka-mesoner med en massa på 970 me. Alla mesoner är instabila och har en mycket kort existensperiod (upp till 7-19 sekunder).

3) tunga partiklar - nukleoner. Detta inkluderar protonen, neutronen och deras antipartiklar - antiproton och antineutron. Protonen och antiprotonen är stabila, neutronen och antineutronen är instabila partiklar och har en relativt lång livslängd - 17 minuter.

4) hyperoner är de tyngsta partiklarna. Denna grupp innehåller många partiklar och antipartiklar. Massan av hyperoner är från 2182 mig till 2585 mig. Livslängden för alla hyperoner är densamma - 10-10 sekunder.

Ibland kombineras nukleoner och hyperoner till en enda grupp som kallas baryoner. Denna grupp kan också inkludera fotonen, som bildar en speciell grupp och är ett kvantum av det elektromagnetiska fältet. Trots att en sådan klassificering av elementarpartiklar inte avslöjar de grundläggande lagarna som förenar dem, ger den i alla fall möjlighet att studera ett antal egenskaper och omvandlingar av partiklar och till och med förutsäga förekomsten av vissa partiklar. Det bör noteras att materiens struktur och egenskapernas outtömlighet inte bara befinner sig i den gradvisa ökningen av antalet kända partiklar, utan också i det mindre viktiga faktumet av den ömsesidiga omvandlingen av partiklar av "elementär" materia. Definitionen av generalitet (dualism) i egenskaperna hos fältmaterialpartiklar ledde också till idén om deras ömsesidiga transformation. Redan en tid efter upptäckten av positronen (1932) blev det känt att elektron-positron-materiapar, när de kombineras under vissa förhållanden, förvandlas till ljuskvanta - fotoner, som är partiklar av det elektromagnetiska fältet, och som bildas av dem. Sedan blev det känt att en sådan ömsesidig omvandling inte bara sker mellan partiklar av materia och fält, som är två typer av materia, utan också mellan själva partiklarna av materia. Som ett resultat blev det tydligt att partiklar av materia inte är oföränderliga och enkla de kan omvandlas till varandra i processen för ömsesidig påverkan, och kan bildas och absorberas av olika partikelkomplex. En annan viktig egenskap hos elementarpartiklar är deras elektriska laddning, som återspeglar deras koppling till det elektromagnetiska fältet. En del av de kända partiklarna har en positiv laddning, den andra delen har en negativ laddning, och vissa partiklar har ingen elektrisk laddning. Förutom fotonen och båda mesonerna har varje partikel en antipartikel med motsatt laddning. Anledningen till att olika elementarpartiklar inte nödvändigtvis har samma elektriska laddning och att vissa elementarpartiklar saknar elektrisk laddning är ännu inte känt för oss. Det är mycket möjligt att detta är en manifestation av de ännu oupptäckta djupa inre mönstren av elementära partiklar av gemensamhet i partiklars struktur. En av de väsentliga fysiska egenskaperna hos elementarpartiklar är perioden för deras existens. Beroende på existensperioden delas elementarpartiklar in i stabila, kvasistabila och instabila (resonanta) partiklar. Det finns fem stabila partiklar: foton, elektronneutron, mionneutron, elektron och proton. I makrokropparnas struktur spelar stabila partiklar en avgörande roll. De återstående partiklarna är inte stabila. Dessa partiklar, som sträcker sig från en medellivslängd på 10-10 till 10-24 sekunder, splittrades så småningom i andra partiklar. Kvasistabila elementarpartiklar med genomsnittliga existensperioder från 10-10 till 10-24 sekunder kallas resonanser. På grund av sin korta existensperiod kan dessa partiklar inte lämna atomen eller kärnan i en atom och sönderfalla till andra partiklar. Förekomsten av resonanta partiklar var endast teoretiskt beräknad och det är ännu inte möjligt att lägga märke till dem i ett riktigt experiment.

En annan viktig egenskap hos partiklar är spinn. Spinn är en helt ny egenskap hos partiklar som bara är inneboende för dem och som inte har någon analog i makroskopisk fysik, och dess beskrivning som ett ögonblick av mekaniskt momentum är i sig grovt och felaktigt. Vi kan se spinn som en speciell "rotation", analogt med rotationen av en partikel i makrokosmos. Spinn av elementarpartiklar mäts i enheter och kan varken ökas eller minskas. Spin bestämmer den allmänna karaktären av den typ av statistik som ingår i partikeln (Bose-Einstein och Fermi-Dirac statistik) och teorin som beskriver dess rörelse. Spinn av en proton, neutron och elektron är S-e, spinn av en foton är 1-e. Partiklar med halvspin lyder Fermi-Dirac-statistik och kallas fermioner, partiklar med full spin lyder Bose-Einstein-statistik och kallas bosoner. Det är känt att i samma situation, när en fermion plötsligt inte längre är möjlig, kan det finnas flera bosoner i samma situation. Således beter sig fermioner som "individualister", bosoner - som "kollektivister". Trots det faktum att denna egenskap hos elementarpartiklarnas inre natur ännu inte har studerats fullt ut, har kopplingen mellan dessa egenskaper och egenskaperna för symmetri och rymdasymmetri nu bestämts. Spinn betraktas som en manifestation av graden av internt oberoende i rörelsen av elementära partiklar. Således kännetecknas varje elementarpartikel av 4 grader av oberoende: tre av dem är grader av yttre frihet, vilket uttrycker partikelns rörelse i rymden; en är den interna frihetsgraden för snurret. Förekomsten av spin indikerar också partikelns komplexa struktur och en viss typ av inre kopplingar. En av de viktiga egenskaperna hos elementarpartiklar är också det magnetiska momentet. Denna egenskap förekommer i både laddade och oladdade partiklar. Det antas att en viss del av det magnetiska momentet hos laddade partiklar bestäms av deras placering i rymden. Till exempel antas det att det magnetiska momentet för protoner och neutroner beror på strömmen som skapas av moln av mesoner som samlats runt dem. Låt oss ta en bredare titt på detta problem. Det är känt att trots att en neutron inte har någon elektrisk laddning så har den en viss mängd magnetiskt moment. Detta visar att det magnetiska momentet för en partikel inte primärt bör bestämmas av dess inre struktur. Hur ska i det här fallet skapandet av det neutronmagnetiska momentet förklaras? Det antas att på grund av det faktum att neutronen är en instabil partikel, dissocierar den till en proton och till ett positivt mesonkvantum av mesonfältet, och ungefär 25% av dess existens är i denna position. Därför förvärvar neutronen 25% av det magnetiska momentet för den positiva pimesonen. Neutronens experimentellt observerade magnetiska moment är mycket nära det teoretiskt beräknade antalet. Elementarpartiklar, förutom den elektriska laddningen, kännetecknas dessutom av laddningarna av lepton och baryon. Leptonladdningen för alla leptoner tas som +1, baryonladdningen för alla baryoner tas som +1. Parning är också en av de viktiga egenskaperna hos elementarpartiklar. Detta värde gäller för höger och vänster symmetri. I teorin om elementarpartiklar kännetecknas koordinaterna för varje partikel av en vågfunktion y, som kan eller inte kan ändra markeringen för dessa koordinater som en spegelbild (x® -x, u® -u, z® -z ). I det första fallet är funktionen y asymmetrisk eller en enkel funktion, parningen av motsvarande partikel är +1, i det andra fallet är funktionen y symmetrisk eller parad, men parningen av partikeln antas vara -1 . En av de mycket viktiga egenskaperna hos elementarpartiklar är också ömsesidig omvandling, åtföljd av emission och absorption av kvanta av fältet som motsvarar elementarpartiklarna under perioden av ömsesidig påverkan. Dessa processer, som skiljer sig från varandra i intensiteten av deras förekomst, bestämmer uppdelningen av den ömsesidiga påverkan som är inneboende i elementarpartiklar i 4 typer: stark, elektromagnetisk, svag och gravitationell ömsesidig påverkan. Egenskaperna hos elementarpartiklar bestäms huvudsakligen av starka elektromagnetiska och svaga ömsesidiga influenser. Starka ömsesidiga influenser förekommer på atomkärnans nivå, deras beståndsdelar består av ömsesidig attraktion och repulsion. Krafterna för ömsesidig påverkan, kallade kärnkrafter, sträcker sig över ett mycket litet avstånd - 10-13 cm Starka ömsesidiga influenser, fast bindande protoner och neutroner under vissa förhållanden, skapar ett materialsystem som kännetecknas av hög bindningsenergi - kärnan i en atom. . Trots det faktum att elektromagnetiska ömsesidiga influenser är ungefär 1000 gånger svagare än starka ömsesidiga influenser, är radien för deras inverkan nära oändligheten. Denna typ av ömsesidig påverkan är karakteristisk för elektriskt laddade partiklar. Bäraren av elektromagnetisk ömsesidig påverkan är fri från elektrisk laddning och vilomassa av fotonen. En foton är ett kvantum av det elektromagnetiska fältet. Genom elektromagnetisk ömsesidig påverkan, genom att kombinera kärnan av en atom och en elektron till ett enda system, skapas atomer, och genom att kombinera, skapar atomer molekyler. Elektromagnetisk ömsesidig påverkan är de huvudsakliga ömsesidiga påverkan som åtföljs av kemiska och biologiska processer.

Svag ömsesidig påverkan finns mellan olika partiklar. Svag ömsesidig påverkan i samband med processen av spontant sönderfall av partiklar, till exempel med processen för omvandling av en neutron i en kärna till en proton, elektron och antineutrino (n0® p+ + e- +n), kan sträcka sig över en mycket litet avstånd (10-15 - 10-22 cm). Enligt modern vetenskaplig kunskap är de flesta partiklar instabila endast på grund av svag ömsesidig påverkan. Gravitationell ömsesidig påverkan är extremt svaga krafter som beaktas i teorin om elementarpartiklar. Som jämförelse noterar vi att de är 1040 gånger svagare än starka ömsesidigt påverkande krafter. Men för ultrasmå avstånd (i storleksordningen 10-33 cm) och ultrahöga energier blir gravitationskrafterna betydande när det gäller deras styrka, de får en värdig form för jämförelse med andra typer av ömsesidig påverkan. På en kosmisk skala spelar ömsesidiga gravitationspåverkan en avgörande roll. Inflytanderadien för dessa krafter är obegränsad. I naturen verkar inte en, utan ibland flera typer av ömsesidig påverkan och egenskaper mellan elementarpartiklar, och partiklarnas struktur bestäms av det gemensamma för alla typer av ömsesidig påverkan som deltar. Till exempel deltar protonen, som är en del av den hadroniska typen av elementarpartiklar, i stark ömsesidig påverkan, och i elektromagnetisk ömsesidig påverkan på grund av att det är en elektriskt laddad partikel. Å andra sidan kan en proton genereras i en neutrons b-sönderfallsprocess, det vill säga i svaga ömsesidiga influenser, sålunda är den associerad med svag ömsesidig påverkan. Och slutligen, protonen, som en materiell formation med massa, deltar i gravitationell ömsesidig påverkan. Till skillnad från protonen deltar ett antal elementarpartiklar i alla typer av ömsesidig påverkan, men bara i några av sina typer. Till exempel, en neutron, på grund av det faktum att det är en oladdad partikel, deltar inte i elektromagnetiska ömsesidiga influenser, och elektronen och mu-mesonerna deltar inte i starka ömsesidiga influenser. Grundläggande ömsesidig påverkan är orsaken till omvandlingen av partiklar - deras förstörelse och generering. Till exempel producerar kollisionen mellan en neutron och en proton två neutroner och en positiv pimeson. Perioden för omvandling av elementarpartiklar beror på den ömsesidigt påverkande kraften. Kärnreaktioner associerade med stark ömsesidig påverkan inträffar på 10-24 - 10-23 sekunder. Detta är den period då en elementarpartikel förvandlas till en högenergipartikel och får en hastighet nära ljusets hastighet, dimensioner i storleksordningen 10-13 cm. Förändringar orsakade av elektromagnetiska ömsesidiga influenser inträffar inom 10-21 - 10-19 sekunder, förändringar orsakade av svaga ömsesidiga influenser (till exempel processen med sönderfall av elementarpartiklar) - inom 10-10 sekunder. Perioden för olika förändringar som inträffar i mikrokosmos kan närma sig ur synvinkeln av resonemang om att skapa ömsesidiga influenser. Kvanta av ömsesidig påverkan av elementarpartiklar realiseras genom de fysiska fälten som motsvarar dessa partiklar. I modern kvantteori förstås ett fält som ett system av partiklar som ändras i antal (könskvanta). Tillståndet när fältet, och i allmänhet, fältkvanta existerar med lägst energi, kallas vakuum. Partiklar av det elektromagnetiska fältet (fotoner) i ett vakuum i ett tillstånd av excitation förlorar de mekaniska egenskaper som de innehåller och som är inneboende i korpuskulär materia (till exempel under rörelse känner kroppen inte friktion). Vakuum innehåller inte enkla typer av materia, men trots detta är det inte tomhet i ordets rätta bemärkelse, så i vakuum uppstår excitationskvanta av det elektromagnetiska fältet - fotoner som realiserar elektromagnetisk ömsesidig påverkan. I ett vakuum finns det förutom det elektromagnetiska fältet andra fysiska fält, inklusive gravitationsfältet, som ännu inte har noterats i de så kallade gravitonexperimenten. Ett kvantfält är en samling av kvanter och är diskret till sin natur. Således är det ömsesidiga inflytandet av elementarpartiklar, deras ömsesidiga omvandlingar, emission och absorption av fotoner diskret till sin natur och inträffar endast i en situation av kvantisering. Som ett resultat uppstår följande fråga: i vad exakt manifesteras kontinuiteten i fältet, dess kontinuitet? Inom både kvantelektrodynamik och kvantmekanik beskrivs fälttillståndet entydigt inte av observerbara verkliga fenomen, utan endast av en vågfunktion associerad med det ömsesidiga konceptet. Kvadraten på modulen för denna funktion visar förmågan att observera de fysiska fenomen som är i fråga. Huvudproblemet med kvantfältteorin är beskrivningen av olika typer av ömsesidig påverkan av partiklar i motsvarande ekvationer. Detta problem har hittills bara funnit sin lösning inom kvantelektrodynamik, som beskriver den ömsesidiga inverkan av elektroner, positroner och fotoner. Kvantfältteori har ännu inte skapats för starka och svaga ömsesidiga influenser. För närvarande beskrivs inte dessa typer av ömsesidig påverkan med strikta metoder. Även om det är känt att det är omöjligt att förstå elementarpartiklar om de inte finns i motsvarande fysikaliska teori, är det omöjligt att förstå deras struktur som bestäms av strukturen hos dessa teorier. Därför har problemet med strukturen hos elementarpartiklar ännu inte helt lösts. Modern fysik bevisar för närvarande förekomsten av komplexa partiklar som har den inre strukturen av partiklar som anses vara "elementära". Det blev känt att protonen och neutronen, som ett resultat av de virtuella processerna som förekommer i dem, genomgår interna transformationer. Som ett resultat av experiment som utförts för att studera protonernas struktur, fastställdes det att protonen, som tills nyligen ansågs vara odelbar, den enklaste och mest strukturlösa, i själva verket är en komplex partikel. I dess mitt finns en tät kärna som kallas "kärnan", den är omgiven av positiva pi-mesoner. Komplexiteten i strukturen av "elementarpartiklar" bevisades av kvarkhypotesen som lades fram 1964 av den amerikanske vetenskapsmannen Hel-Mann och oberoende av den svenske vetenskapsmannen Zweig. Enligt denna hypotes bör elementarpartiklar med släktskap som kännetecknas av stark ömsesidig påverkan (hadroner: proton, neutron, hyperoner) bildas av kvarkpartiklar vars laddning är lika med en tredjedel eller två tredjedelar av elektronladdningen. Således visar teorin att de elektriska och baryonladdningarna för de markerade kvarkar som bildar partiklarna ska uttryckas som ett bråktal. Faktum är att partiklar som kallas kvarkar ännu inte har upptäckts och förblir hypotetiska invånare i mikrovärlden på den nuvarande nivån av vetenskaplig utveckling.

Slutsats

Å ena sidan är det alltså tydligt att elementarpartiklar har en speciell struktur, å andra sidan är denna strukturs natur fortfarande oklar. Av ovanstående data blir det tydligt att elementarpartiklar inte alls är elementära, de har en intern struktur och kan delas upp och omvandlas till varandra. Vi vet fortfarande väldigt lite om båda strukturerna. Således kan vi idag, baserat på ett antal fakta, hävda att materia elementarpartiklar är en ny typ, kvalitativt skild från mer komplexa partiklar (kärna, atom, molekyl). Samtidigt är denna skillnad så betydande att de kategorier och uttryck vi använder när vi studerar kärnor, atomer, molekyler, makroskopiska kroppar ("enkla" och "komplexa", "inre struktur", "bildade") också kan tillämpas på elementarpartiklar. Begreppen ”enkelt och komplext”, ”komponentdelar”, ”struktur”, ”helhet” är generellt sett relativa begrepp. Till exempel, trots att en atom har en komplex struktur och dess struktur består av nukleära och elektroniska nivåer, är den enklare i jämförelse med dess ingående molekyl. I hierarkin av strukturer av materialsystem skapar själva atomkärnan, atomen, molekylen och makroskopiska kroppar en enda strukturell nivå. Därför är elementen i kroppen, jämfört med elementen på nästa nivå, enklare och fungerar som deras beståndsdelar. Å andra sidan är de mer komplexa jämfört med de element som ligger på lägre nivåer och är deras komponenter. Alla system, från kärnan i en atom till de mycket stora storlekarna, har denna egenskap: i vart och ett av dem är det möjligt att separera de strukturella elementen som bildar kropparna i fråga och är enklare än element på en lägre nivå i deras beståndsdel delar. När det gäller deras innebörd är processerna för konsolidering och separation desamma. Till exempel består molekylerna av ett givet kemiskt ämne av ett visst antal atomer och kan under vissa förhållanden bryta ner till dem. I detta fall är massan av den komplexa helheten större än massan av var och en av dess beståndsdelar. Denna sista position är inte sant för elementarpartiklar. Sålunda är sönderfallsprodukterna från elementarpartiklar inte enklare än delbara, men exakta "omvandlande" partiklar. De är också elementarpartiklar. Enligt moderna koncept är sönderfallsprodukter, tillsammans med de partiklar som genererar dem, lokaliserade på en enda nivå av hierarki. Till exempel är en neutron under vissa förhållanden uppdelad i en proton, en elektron och en antineutron (n0 ®p+ + e- +). Även om neutronen inte är mer komplex eller enklare än protonen, elektronen och antineutronen. Dessutom kan en proton och en elektron erhållas som ett resultat av andra reaktioner. Därför kan vi säga att möjligheten för varje elementarpartikel är att den kan vara en "komponent" av andra elementarpartiklar. Å andra sidan är det inte så viktigt att på varje elementär nivå helheten ska bestå av en så stor ansamling. I detta fall kan massan av det hela vara flera gånger mindre än massan av dess komponenter. Till exempel, i ett antal fall, som ett resultat av sammanslagning av en nyuklon och en antinyuklon, erhålls en meson vars massa är mindre än massan för någon av dem. Denna anomali förklaras av det faktum att under skapandet av en elementarpartikel absorberar massan den frigjorda energin

kan vara så stor att de resulterande reaktionsprodukterna inte alls liknar den ursprungliga partikeln. Därför, i elementarpartiklarnas värld, får begreppen "enkel och komplex", "komponent", "struktur", "helhet" en helt annan betydelse än i atomfysik och klassisk fysik. Elementarpartiklarnas specificitet manifesteras också i energetisk ömsesidig påverkan. Börjar med makroskopiska objekt och slutar med kärnan i en atom, energin i alla materialsystem bildas av två komponenter: en speciell som motsvarar kroppens massa (E=mc2) och bindningsenergin för dess beståndsdelar. Även om dessa typer av energi är oskiljaktiga från varandra, är de helt olika till sin natur. Den speciella energin hos föremål är mycket större än energin i deras anslutning, den kan separeras i alla dess beståndsdelar. Till exempel kan en molekyl på grund av extern energi delas upp i atomer (H2O®H+O+H), men i det här fallet sker ingen märkbar förändring i själva atomerna. I elementarpartiklar tar detta problem en annan form. All energi av elementarpartiklar är inte uppdelad i speciella och bindande. Därför, trots det faktum att elementarpartiklar inte har en inre struktur, kan de inte delas upp i sina beståndsdelar. Elementarpartiklar innehåller inga inre partiklar som förblir mer eller mindre oförändrade. Enligt moderna koncept beskrivs elementarpartiklarnas struktur med hjälp av kontinuerligt genererade och kontinuerligt delande "virtuella" partiklar. Till exempel, mesonförintelse (från det latinska ordet "annihilatio" - förstörelse) bildas från kontinuerligt skapade och sedan försvinnande virtuella nukleoner och virtuella antinukleoner. Formell utveckling av konceptet med en virtuell partikel visar att den inre strukturen hos elementarpartiklar inte kan beskrivas med hjälp av andra partiklar. En teori om ursprung och struktur hos elementarpartiklar som tillfredsställer fysiker har ännu inte skapats. Ett antal framstående vetenskapsmän kom på idén att denna teori kunde skapas med hänsyn till endast kosmiska förhållanden. Idén om att generera elementarpartiklar från vakuum i kraft, elektromagnetiska och gravitationsfält får betydande betydelse. Eftersom förhållandet mellan mikro-, makro- och megavärldarna förkroppsligas endast i denna idé. I megavärlden bestäms strukturen och ömsesidiga omvandlingarna av elementarpartiklar av grundläggande ömsesidiga influenser. Det är uppenbart att för att på ett adekvat sätt beskriva strukturen i den materiella världen är det nödvändigt att utveckla en apparat med nya begrepp.

Bibliografi

1. Makovelsky. Forntida grekiska atomister. Baku, 1946.

2. Kudryavtsev. Kurs i fysikens historia. M., Education, 1974, s.179.

3. Naturvetenskapens filosofi. M., 1966, sid 45; E.M. Balabanov. Into the deeps of the atom, M., 1967.

4. Filosofi och naturvetenskap. M., 1964, sid. 74-75; S.T. Melyukhin. Mot en filosofisk bedömning av moderna begrepp om fält och materia. I boken: Dialektisk materialism och modern naturvetenskap, M., 1957, sid. 124-127.

5. Kuznetsov B. Fysiska tankars vägar. Ed. "Science", M., 1968, sid. 296-298

6. Akhizer A.I., Rekalo M.P. Biografi av elementära partiklar, Kiev, 1978.

7. Stanyukovich K.P., Lapchinsky V.G. Systematik av elementarpartiklar.

8. I boken: Om partiklarnas systematik, M., 1969, s. 74-75.

9. Balabanov E.M. Djupt in i atomen. M., 1967, sid. 38-39.

10. Novozhilov Yu.V. Elementarpartiklar. M., 1974; Sproul R. Modern fysik. M., 1974;

11. Soddy F. Atomenergins historia. M., 1979.

12. Gott V.S. Om den materiella världens outtömlighet. M., ”Kunskap”, 1968, s.31.

13. Knyazev V.N. Begrepp om interaktion i modern fysik. M.

14. Svechnikov G.A. Oändlighet av materia. M., 1965, sid. 17-21; Omelyanovsky M

Postat på Allbest.ru

Liknande dokument

Grundläggande begrepp, mekanismer för elementarpartiklar, typer av deras fysiska interaktioner (gravitationell, svag, elektromagnetisk, nukleär). Partiklar och antipartiklar. Klassificering av elementarpartiklar: fotoner, leptoner, hadroner (mesoner och baryoner). Quark teori.

kursarbete, tillagt 2014-03-21


Grundläggande egenskaper och klassificering av elementarpartiklar. Typer av interaktioner mellan dem: stark, elektromagnetisk, svag och gravitation. Sammansättning av atomkärnor och egenskaper. Kvarkar och leptoner. Metoder, registrering och forskning av elementarpartiklar.

kursarbete, tillagt 2010-12-08


Grundläggande fysiska interaktioner. Allvar. Elektromagnetism. Svag interaktion. Problemet med fysikens enhet. Klassificering av elementarpartiklar. Egenskaper för subatomära partiklar. leptoner. Hadroner. Partiklar är bärare av interaktioner.

avhandling, tillagd 2003-05-02


Strukturer och egenskaper hos materia av den första typen. Strukturer och egenskaper hos materia av den andra typen (elementarpartiklar). Mekanismer för sönderfall, interaktion och födelse av elementarpartiklar. Avskaffande och genomförande av avgiftsförbud.

abstrakt, tillagt 2006-10-20


Egenskaper för metoder för att observera elementarpartiklar. Begreppet elementarpartiklar, typer av deras interaktioner. Sammansättningen av atomkärnor och samspelet mellan nukleoner i dem. Definition, upptäcktshistoria och typer av radioaktivitet. De enklaste och kedjereaktioner.

abstrakt, tillagt 2009-12-12


Egenskaper för alla elementarpartiklar. Sambandet mellan protoner och neutroner i atomkärnor. Klassificering av elementarpartiklar. Storleken på skillnaden mellan massorna av en neutron och en proton. Gravitationsinteraktioner mellan neutroner. Experimentellt värde av myonens livslängd.

abstrakt, tillagt 2011-12-20


Scenario för utvecklingen av universum efter Big Bang. Moderna idéer om elementarpartiklar som den grundläggande principen för materiens struktur i universum. Klassificering av elementarpartiklar. Våg-partikeldualitet i modern fysik. N. Bohrs teori om atomen.

abstrakt, tillagt 2011-05-17


Rutherfords planetmodell av atomen. Atomkärnans sammansättning och egenskaper. Massa och bindningsenergi i kärnan. Bindande energi av nukleoner i en kärna. Interaktion mellan laddade partiklar. Large Hadron Collider. Bestämmelser i teorin om elementarpartikelfysik.

kursarbete, tillagd 2015-04-25


En elementarpartikel är en partikel utan inre struktur, det vill säga som inte innehåller andra partiklar. Klassificering av elementarpartiklar, deras symboler och massa. Färgladdning och Pauli-principen. Fermioner som de grundläggande beståndsdelarna i all materia, deras typer.

presentation, tillagd 2012-05-27


Klassificering av elementarpartiklar. Grundläggande interaktioner. Rutherfords modell av atomen. Bohrs teori för väteatomen. Väteatom i kvantmekanik. Kvantmekanisk belägg för D. Mendeleevs periodiska lag. Begreppet radioaktivitet.