Три этапа в развитии физики элементарных частиц.. Физика. 11 класс.

Комментарии преподавателя

Классификация элементарных частиц

Ис­то­рия фи­зи­ки эле­мен­тар­ных ча­стиц берет свое на­ча­ло в 90-х годах про­шло­го сто­ле­тия, когда в 1897 г. Дж. Том­со­ном был от­крыт элек­трон (). В 1919 году Ре­зер­фор­дом было до­ка­за­но, что в со­став лю­бо­го ядра атома вхо­дит про­тон (). В 1932 году по­яви­лось со­об­ще­ние ан­глий­ско­го фи­зи­ка Дж. Че­дви­ка об от­кры­тии ней­тро­на ().

В 1928 году ан­глий­ский физик Дирак пред­по­ло­жил, что у каж­дой эле­мен­тар­ной ча­сти­цы долж­на быть со­от­вет­ству­ю­щая ан­ти­ча­сти­ца. То есть эле­мен­тар­ные ча­сти­цы рож­да­ют­ся толь­ко па­ра­ми: ча­сти­ца – ан­ти­ча­сти­ца. Это пред­по­ло­же­ние было под­твер­жде­но в 1932 году, когда в кос­ми­че­ских лучах за­ре­ги­стри­ро­ва­ли по­зи­трон – ан­ти­ча­сти­цу по от­но­ше­нию к элек­тро­ну. В даль­ней­шем были от­кры­ты ан­ти­ча­сти­цы всем из­вест­ным эле­мен­тар­ным ча­сти­цам.

Через неко­то­рое время воз­ник­ли тео­рии, ко­то­рые объ­яс­ня­ли стро­е­ние атом­но­го ядра. Со­глас­но этим тео­ри­ям в со­став атом­ных ядер также долж­ны вхо­дить ча­сти­цы, ко­то­рые осу­ществ­ля­ют об­мен­ное вза­и­мо­дей­ствие между от­кры­ты­ми ранее про­то­ном, ней­тро­ном и элек­тро­ном, они по­лу­чи­ли на­зва­ние -ме­зо­нов. Эти пред­по­ла­га­е­мые ча­сти­цы были от­кры­ты в про­ме­жу­ток с 1947 по 1950 год (-ме­зо­ны,-ме­зо­ны). Также было пред­по­ло­же­ние о су­ще­ство­ва­нии ней­траль­но­го -ме­зо­на (-ме­зо­ны), но он был от­крыт зна­чи­тель­но позд­нее, так как в от­ли­чие от ста­биль­ных ча­стиц (элек­трон, про­тон, ней­трон), время жизни ко­то­рых было боль­шим (время жизни про­то­на , такие ча­сти­цы, как -ме­зо­ны, живут очень ко­рот­кое время (время жизни -ме­зо­на ).

В итоге было от­кры­то около 400 эле­мен­тар­ных ча­стиц. В их мно­го­об­ра­зии про­сле­жи­ва­ет­ся более или менее строй­ная си­сте­ма клас­си­фи­ка­ции (см. Рис. 1). Эле­мен­тар­ные ча­сти­цы объ­еди­не­ны в три ос­нов­ные груп­пы: фо­то­ны, леп­то­ны, ад­ро­ны.

К груп­пе фо­то­нов от­но­сит­ся един­ствен­ная эле­мен­тар­ная ча­сти­ца – фотон, ко­то­рая была от­кры­та Эйн­штей­ном в 1905 году.

К груп­пе леп­то­нов от­но­сят­ся ча­сти­цы, масса ко­то­рых по­ряд­ка элек­трон­ных масс (элек­трон, элек­трон­ное ней­три­но; мюон, мю­он­ное ней­три­но; тау-леп­тон, тау-ней­три­но; со­от­вет­ству­ю­щие ан­ти­ча­сти­цы).

Ад­ро­ны яв­ля­ют­ся са­мы­ми рас­про­стра­нён­ны­ми и са­мы­ми тя­жё­лы­ми ча­сти­ца­ми. Они де­лят­ся на две груп­пы: ме­зо­ны и ба­ри­о­ны.

Рис. 1. Эле­мен­тар­ные ча­сти­цы

Величины, характеризующие элементарные частицы. Формула Гелл-Манна – Нишиджимы

Каж­дая эле­мен­тар­ная ча­сти­ца ха­рак­те­ри­зу­ет­ся сле­ду­ю­щи­ми ве­ли­чи­на­ми:

1.  – элек­три­че­ский заряд;

2. m – масса ча­сти­цы (МэВ);

3.  – время жизни (се­кун­ды или года);

4. L – леп­тон­ный заряд (осо­бое кван­то­вое число, ха­рак­те­ри­зу­ю­щее леп­то­ны);

5. B – ба­ри­он­ный заряд (осо­бое кван­то­вое число, ха­рак­те­ри­зу­ю­щее ба­ри­о­ны);

6.  – спин (кван­то­вое число, опре­де­ля­ю­щее со­от­вет­ству­ю­щую ха­рак­те­ри­сти­ку эле­мен­тар­ной ча­сти­цы, скла­ды­ва­е­мую с её им­пуль­сом по пра­ви­лу сло­же­ния век­то­ров);

7. I – изо­то­пи­че­ский спин. Эле­мен­тар­ные ча­сти­цы можно сгруп­пи­ро­вать в муль­ти­пле­ты (со­во­куп­ность эле­мен­тар­ных ча­стиц, об­ла­да­ю­щих сход­ны­ми свой­ства­ми). Ко­ли­че­ство чле­нов муль­ти­пле­та ха­рак­те­ри­зу­ет изо­то­пи­че­ский спин:

 

Для при­ме­ра, у про­то­на и ней­тро­на изо­то­пи­че­ский спин равен:

 

Сле­до­ва­тель­но:

 

По­это­му нук­лон пред­став­лен двумя со­сто­я­ни­я­ми – про­то­ном и ней­тро­ном.

Для пи­о­нов изо­то­пи­че­ский спин , сле­до­ва­тель­но, ко­ли­че­ство пи­о­нов равно 3 () – это-ме­зо­ны,-ме­зо­ны, -ме­зо­ны.

8. S – стран­ность (кван­то­вое число, необ­хо­ди­мое для опи­са­ния неко­то­рых ко­рот­ко­жи­ву­щих ча­стиц). Эту ха­рак­те­ри­сти­ку ввели Гёлл-Манн и Ни­ши­джи­ма в 1954 году для объ­яс­не­ния того, что неко­то­рые эле­мен­тар­ные ча­сти­цы все­гда рож­да­ют­ся па­ра­ми, а также для объ­яс­не­ния ано­маль­но дол­го­го вре­ме­ни жизни неко­то­рых эле­мен­тар­ных ча­стиц.

9. C – оча­ро­ва­ние.

10. b – кра­со­та.

Аме­ри­кан­ский физик Гёлл-Манн и япон­ский физик Ни­ши­джи­ма для ха­рак­те­ри­сти­ки ад­ро­нов ввели по­ня­тие ги­пер­за­ря­да (Y).

 ,

где B – ба­ри­он­ный заряд; S – стран­ность; C – оча­ро­ва­ние; b – кра­со­та.

Ги­пер­за­ряд опре­де­ля­ет заряд от­дель­но взя­той ча­сти­цы по фор­му­ле Гелл-Ман­на – Ни­ши­джи­мы:

 ,

где  – тре­тья про­ек­ция изо­то­пи­че­ско­го спина.

На­при­мер, для нук­ло­нов изо­то­пи­че­ский спин равен , по­это­му про­ек­ция равна . Ба­ри­он­ный заряд: . Осталь­ные внут­рен­ние кван­то­вые числа равны нулю. Сле­до­ва­тель­но, ги­пер­за­ряд: . Со­глас­но фор­му­ле, заряд нук­ло­на может быть равен:

, что со­от­вет­ству­ет про­то­ну ()

Или

 – заряд ней­тро­на ()

Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц

Фун­да­мен­таль­ные вза­и­мо­дей­ствия эле­мен­тар­ных ча­стиц под­раз­де­ля­ют­ся на че­ты­ре вида: силь­ное, элек­тро­маг­нит­ное, сла­бое, гра­ви­та­ци­он­ное (см. табл. 1).

Табл. 1. Фун­да­мен­таль­ные вза­и­мо­дей­ствия эле­мен­тар­ных ча­стиц

Если ин­тен­сив­ность силь­но­го вза­и­мо­дей­ствия при­нять за еди­ни­цу, то ин­тен­сив­ность элек­тро­маг­нит­но­го будет по­ряд­ка  от силь­но­го вза­и­мо­дей­ствия между ча­сти­ца­ми, сла­бо­го – , гра­ви­та­ци­он­но­го – .

Теория кварков

В на­ча­ле 60 годов XIX сто­ле­тия было об­на­ру­же­но более сотни силь­но­вза­и­мо­дей­ству­ю­щих эле­мен­тар­ных ча­стиц ад­ро­нов. По­яви­лось со­мне­ние, что эти ча­сти­цы не от­ра­жа­ют пре­дель­ной эле­мен­тар­но­сти. В 1964 году М. Галл-Манн и неза­ви­си­мо от него Д. Цвейг пред­ло­жи­ли тео­рию квар­ков как более фун­да­мен­таль­ных ча­стиц. На дан­ный мо­мент ко­ли­че­ство квар­ков равно 6.

Кварк – со­став­ная ча­сти­ца лю­бо­го ад­ро­на. Обо­зна­ча­ют­ся квар­ки , где α – это «цвет» квар­ка (до­пол­ни­тель­ная внут­рен­няя ха­рак­те­ри­сти­ка). В таб­ли­це 2 пред­став­ле­ны ха­рак­те­ри­сти­ки квар­ков.

Табл. 2. Ха­рак­те­ри­сти­ки квар­ков

Квар­ки несут дроб­ный элек­три­че­ский заряд, ко­то­рый со­став­ля­ет либо , либо  за­ря­да элек­тро­на. Ком­би­на­ция из двух и трех квар­ков может иметь сум­мар­ный заряд, рав­ный нулю или еди­ни­це. Все квар­ки имеют спин . Квар­ки могут со­еди­нять­ся друг с дру­гом одним из двух воз­мож­ных спо­со­бов: либо трой­ка­ми, либо па­ра­ми кварк – ан­ти­кварк. Из трех квар­ков со­сто­ят срав­ни­тель­но тя­же­лые ча­сти­цы – ба­ри­о­ны; наи­бо­лее из­вест­ные ба­ри­о­ны – ней­трон и про­тон. Более лег­кие пары кварк – ан­ти­кварк об­ра­зу­ют ча­сти­цы, по­лу­чив­шие на­зва­ние ме­зо­ны.

В на­сто­я­щее время боль­шин­ство фи­зи­ков счи­та­ет квар­ки под­лин­но эле­мен­тар­ны­ми ча­сти­ца­ми.

Таким об­ра­зом, ко­ли­че­ство фун­да­мен­таль­ных эле­мен­тар­ных ча­стиц на дан­ный мо­мент равно:

1 фотон+12 леп­то­нов+36 квар­ков (учи­ты­вая ан­ти­квар­ки и «цвета» квар­ков)+8 глю­о­ны (эле­мен­тар­ные ча­сти­цы, яв­ля­ю­щи­е­ся при­чи­ной вза­и­мо­дей­ствия квар­ков)=57.

К занятию прикреплен файл  «Это интересно!». Вы можете скачать файл  в любое удобное для вас время.
Использованные источники:

• http://interneturok.ru/ru/school/physics/11-klass/
• http://www.youtube.com/watch?v=yNlgz5Xm57I

Файлы