Меню сайта

11 класс

§ 72. Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия

Элементарные частицы.

Под элементарными частицами понимают первичные, далее неразложимые частицы, из которых состоит вся материя. Однако неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура. В современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляют для обозначения большой группы мельчайших частиц материи, к которым не относятся атом и его ядро ¹.

---

¹ За исключением протона.

Ещё древние греки предположили, что всё вещество состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов (гипотеза Демокрита). К началу 1930 г. элементарными частицами считались протоны и нейтроны, входящие в состав атомного ядра, электроны, образующие электронную оболочку атома, и фотоны (кванты энергии электромагнитного поля). Впоследствии к ним были добавлены нейтрино (электронное) и антинейтрино (они возникают при β-превращениях ядер), а также пионы, которые являются переносчиками сильного взаимодействия.

Исследования космических лучей высоких энергий и эксперименты, проведённые с помощью ускорителей, позволили открыть новые элементарные частицы. Так, в 1950-е гг. сначала в космическом излучении, а затем и в лаборатории была открыта группа так называемых «странных» частиц: К-мезонов (каонов) и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. «Странность» данных частиц заключалась, например, в том, что они всегда рождаются парами, а распадаются поодиночке. В 70-е гг. к семейству элементарных частиц прибавилась группа «очарованных» частиц с ещё большими массами. Кроме того, были открыты чрезвычайно короткоживущие частицы со временем жизни порядка 10^-22—10^-23 с. Эти частицы были названы резонансами.

Античастицы.

Существование двойника электрона — позитрона (см. § 64 «Методы регистрации заряженных частиц») было предсказано английским физиком Полем Дираком (1902—1984) в 1931 г. Одновременно он показал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезать, породив фотоны большой энергии. При этом может происходить и обратный процесс — рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона достаточно большой энергии (его масса должна быть больше суммы масс рождающихся частиц) с ядром.

Таким образом, наиболее важной особенностью элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям, при этом они могут как аннигилировать, так и рождаться.

То, что аннигиляция одних частиц и появление других при реакциях между элементарными частицами являются именно превращением, а не просто возникновением новой комбинации составных частей старых частиц, обнаруживается именно при аннигиляции пары «электрон — позитрон». Обе частицы обладают определённой массой и электрическими зарядами. Фотоны же, которые при этом рождаются, не имеют зарядов и не обладают массой.

Античастицы противопоставляются частицам именно потому, что при встрече любой частицы с соответствующей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы. Впоследствии античастицы были найдены у π^--мезона (антипион π^-), у протона (антипротон), у нейтрона (антинейтрон) и т. д. Экспериментально были получены атомы антидейтерия, антитрития и антигелия. Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка — из позитронов, образуют антивещество. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в кинетическую энергию образующихся γ-квантов. Энергия покоя — самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной. И только при аннигиляции она полностью высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество — самый совершенный источник энергии, который пока ещё не освоен.

Существуют и истинно нейтральные частицы, которые не имеют античастиц. К ним относят, например, фотон и π⁰-мезон.

Классификация элементарных частиц.

К настоящему времени количество открытых элементарных частиц и их античастиц достигло более 350. Один из возможных вариантов классификации состоит в их расположении по группам в порядке возрастания масс.

Первую группу образует всего одна частица — фотон, имеющий нулевую массу.

Во вторую группу входят частицы лептоны (от греч. leptos — лёгкий). Они не участвуют в сильном взаимодействии. К лептонам относятся 12 частиц, включая их античастицы. При этом имеются три сорта нейтрино: электронное нейтрино рождается вместе с электронами, мюонное нейтрино — вместе с мюонами, таонное нейтрино — вместе с таонами. Особенность нейтрино состоит в том, что они способны превращаться в нейтрино других сортов или антинейтрино. Это свидетельствует о том, что нейтрино обладают ненулевой массой.

Третью группу составляют адроны (от греч. hadros — большой, сильный) — элементарные частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии. Их, в свою очередь, делят на мезоны и барионы. Наиболее лёгкие из мезонов — π-мезоны: положительные, отрицательные и нейтральные. Как мы уже знаем, пионы являются переносчиками сильного взаимодействия. К группе барионов относят, например, нуклоны — протоны и нейтроны, гипероны и др.

Кварки.

В 1964 г. американские физики Марри Гелл-Манн (р. 1929) и Джордж Цвейг (р. 1937) предложили модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных (или первичных) частиц — кварков. Экспериментальное подтверждение кварковой структуры нуклонов пришло в 1969 г. из Стэндфордского университета (США), где изучалось рассеяние электронов с энергией 20 ГэВ на протонах и нейтронах. В этих опытах было обнаружено пространственное распределение заряда в этих частицах. C увеличением энергии рассеиваемых частиц (электронов и нейтрино) до 50 МэВ было установлено существование точечных образований в протонах и нейтронах. Так подтвердилась кварковая структура нуклонов.

Особенность кварков состоит в том, что они должны иметь дробные электрические заряды. Первый из них — u-кварк имеет заряд +2/3e, a d- и s-кварки имеют одинаковые заряды, равные -1/3e. Считается, что все барионы построены из трёх кварков. В состав протона входит два u-кварка и один d-кварк. Нейтрон составлен из двух d-кварков и одного u-кварка. В результате заряд протона равен е, а нейтрона — нулю. Античастицы состоят из антикварков. Для объяснения свойств тяжёлых адронов используют ещё s- и с-, а также b- и t-кварки. Предполагается, что существует всего 18 кварков и столько же антикварков. Но их не удалось обнаружить в свободном состоянии. В этом состоит ещё одна характерная особенность кварков.

Фундаментальные взаимодействия.

Результаты многочисленных теоретических и экспериментальных исследований убедительно показывают, что в природе существует только четыре типа фундаментальных взаимодействий, не сводящихся к другим типам. К ним относятся гравитационное, электромагнитное, сильное (или ядерное) и слабое взаимодействия.

Гравитационное взаимодействие наиболее хорошо вам знакомо. Оно происходит между любыми материальными объектами. Именно благодаря гравитационному взаимодействию Земля удерживается на орбите вокруг Солнца. Масса является мерой инертности тел и одновременно мерой их гравитационного взаимодействия. Согласно общей теории относительности, в отсутствие материи и энергии пространство будет плоским (как гладкий пол). Тысячи лет учёные так себе представляли пространственную структуру нашей Вселенной. Массивное тело, подобное Солнцу, оказывает гравитационное действие на другие тела. Эйнштейн утверждал, что присутствие массивного тела искривляет пространство.

Это искривление влияет на другие тела, движущиеся вблизи Солнца. Используя аналогию с резиновой плёнкой и шаром для боулинга, можно показать, что если поместить на эту плёнку шарик и придать ему начальную скорость, то его траектория будет искривлена, если в центре плёнки присутствует массивный шар для боулинга (рис. 11.19).

Если пренебречь силами трения, то шарик будет совершать периодические движения вокруг массивного шара. Именно это влияние кривизны пространства на движение небесных тел мы и называем гравитационным воздействием.

Важно понимать, что гравитационное взаимодействие является очень слабым. Именно поэтому большую трудность на сегодняшний момент представляет экспериментальное подтверждение существования гравитонов — переносчиков гравитационного взаимодействия. На малых расстояниях (10^-15—10^-18 м) действием гравитационных сил обычно пренебрегают.

Электромагнитное взаимодействие происходит между любыми электрическими заряженными частицами. Электромагнитные силы определяют свойства агрегатных состояний вещества и обеспечивают существование атомов, молекул, кристаллов. Заряд частицы играет ту же роль, что и масса в гравитационном взаимодействии, т. е. является мерой электромагнитного взаимодействия. Для того чтобы оценить масштаб электромагнитных сил по сравнению с гравитационными, представьте себе, что вы держите по электрону в каждой руке. Но чтобы сблизить эти две частицы, имеющие одинаковый заряд, придётся преодолеть электромагнитное отталкивание в 10⁴² раз сильнее, чем гравитационное взаимодействие, которое будет способствовать их сближению.

Сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими, т. е. они быстро убывают с расстоянием и играют существенную роль только на субатомных расстояниях — внутри атомных ядер. Именно сильное взаимодействие удерживает кварки внутри протонов и нейтронов; оно же удерживает протоны и нейтроны в атомном ядре. Эксперименты показали, что сильное взаимодействие примерно в 1000 раз сильнее электромагнитного и в 100 000 раз сильнее слабого взаимодействия. Переносчиками сильного взаимодействия являются пионы и частицы, называемые глюонами (от англ, glue — клей). Глюоны как бы склеивают кварки воедино. 

В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотонов. Радиус действия слабых сил примерно 10^-17 м. Примером слабого взаимодействия является, например, бета-распад нейтрона. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны W⁺, W^- и Z⁰, теоретически предсказанные в 70-х гг. XX в. и экспериментально обнаруженные в 1983 г. на ускорителе в центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРП, Женева, Швейцария).

К настоящему времени создана и признана теория, объединяющая два фундаментальных взаимодействия — слабое и электромагнитное. Она называется единой теорией слабого и электромагнитного (электрослабого) взаимодействий. Кроме того, разработана теоретическая модель, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия (так называемая Стандартная модель). Учёные надеются, что дальнейшее развитие теории элементарных частиц приведёт к объединению всех фундаментальных взаимодействий, включая и гравитационное. Но это — дело будущего.

Вопросы:

1. Что называют элементарными частицами?

2. Назовите наиболее важную особенность элементарных частиц.

3. Приведите примеры:

а) античастиц;

б) истинно нейтральных частиц.

4. Какие элементарные частицы называют:

а) лептонами;

б) адронами?

Приведите их примеры.

5. Какими особенностями обладают кварки?

6. Какие фундаментальные взаимодействия вам известны? Какие частицы являются их переносчиками?

Упражнения:

1. Позитрон и электрон соединяются, образуя два фотона. Считая, что кинетическая энергия электрона и позитрона до их столкновения была ничтожно мала, найдите:

а) энергию каждого из возникших фотонов;

б) длину волны фотонов.

2. При образовании электрона и позитрона из фотона энергия фотона была равна 2,62 МэВ. Чему была равна в момент возникновения суммарная кинетическая энергия позитрона и электрона?