Материал:

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между, определенными комбинациям]! величин, характеризующих начальное и конечное состояния системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической физике. Он пополнился законами сохранения различных четности (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), Внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействий. При этом оказалось, что чем интенсивнее взаимодействие, тем больше ему соответствует законов сохранения, то есть тем больше она симметрична. В квантовой физике законы сохранения всегда являются законами запрета. Но если законы сохранения позволяют какой-то процесс, то он обязательно происходит реально.

Вершиной развития представлений о законах сохранения в квантовой физике является концепция спонтанного нарушения симметрии, то есть существование устойчивых асимметричных решений для некоторых типов задач. В 60-х pp. экспериментально было шдтверджеио так называемое нарушение комбинированной четкости. Иначе говоря, оказалось, что в микромире существуют абсолютные различия между частицами и античастицами, между «правым» и «левым», между прошлым и будущим (стрела времени или необратимость микропроцессов, а не только макропроцессов).

Выделение и познания характеристик отдельных субатомных частиц - важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в структуре материи.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвуют в сильной, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы - носители взаимодействий.

Рассмотрим свойства этих основных типов частиц.

Лептоны

Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у них у всех равна 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон - это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, очевидно, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом, то есть он не состоит из каких-то других частиц.

Инший.добре известный лептон - нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Вселенную можно представить бескрайним нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно: нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, будто ее вообще нет. Нейтрино - это некие "призраки" физического мира.

Достаточно распространенными в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Мюон - одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г.. Во всех отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х pp. было обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау-лептона". Это очень тяжелая частица. ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюоны.

Значительно расширился список лептонов в 60-х pp. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее количество разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов - шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее количество различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном (см. таблицу)

Адроны

Если лептонов двенадцать, то адронов сотни; и подавляющее большинство из них - резонансы, то есть крайне нестабильны частицы. Тот факт, что адронов существуют сотни, наводит на мысль, что адроны - не элементарны частицы, а состоят из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Наиболее известные и распространенные такие адроны, как нейтрон и протон. Другие адроны имеют очень непродолжительное время существования и быстро распадаются. Это класс барионов (тяжелые частицы гипероны и барионные резонансы) и большое семейство мезонов (мезонные резонансы). Адроны участвуют в сильной, слабой и электромагнитной взаимодействиях.

Существование и свойства большинства известных адронов было установлено в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-х pp. крайне озадачило физиков. Но впоследствии частицы удалось классифицировать по массе, зарядом и спином. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в целостной научной теории. Решающий шаг был сделан в 1963 p., Когда было создано кварковое модель адронов.

Частицы - носители взаимодействий

Перечень известных частиц не исчерпывается лептонами и адронами, которые являются строительным материалом вещества. В этот перечень не входит, например, фотон. Есть еще один тип частиц, которые не являются строительным материалом материи, а непосредственно обеспечивают четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своеобразный "клей", что не позволяет мира распадаться на части.

Носителем электромагнитного взаимодействия является фотон. Теорию электромагнитного взаимодействия обосновывает квантовая электродинамика.

Носители сильного взаимодействия - глюоны. Глюоны - носители взаимодействия между кварками, которые связывают их попарно или тройками.

Носителями слабого взаимодействия есть три частицы - и -бозоны. были открыты только в 1983 г.. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его носителями должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принципом неопределенности время существования частиц с такой большой массой покоя должен быть чрезвычайно коротким - всего лишь около с.

Высказывается мнение о возможном существовании носителя гравитационного поля - гравитон. Подобно фотонов, гравитоны движутся со скоростью света; следовательно, это частицы с нулевой массе покоя. Но на этом сходство между гравитонами и фотонами исчерпывается. В то время как фотон имеет спин 1, спин Гравитон равен 2. Это важное различие определяет направление силы: при электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы (электроны) отталкиваются, а при гравитационной - все частицы притягиваются друг к другу. Собственно говоря, гравитоны можно зафиксировать с помощью эксперимента. Но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то непосредственно зафиксировать гравитоны очень сложно и пока этого сделать не удалось.

Классификация частиц - их деление на лептоны, адроны и носители взаимодействий - исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи, Вселенной.

Теории элементарных частиц

Квантовая электродинамика

Квантовая механика позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их возникновения или уничтожения, то есть применяется только для описания систем с неизменным количеством частиц. Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля - это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей), которая учитывает требования и квантовой механики и теории относительности. Потребность в такой теории объясняется квантово-волновым дуализмом, существованием волновых свойств у всех частиц. В квантовой теории поля взаимодействие трактуют как результат обмена квантами поля, а полевые величины объявляются операторами, которые связывают с актами рождения и уничтожения квантов поля, то есть частиц.

В середине XX в. была создана теория электромагнитного взаимодействия - квантовой электродинамике (КЭД). Это продуманная до мельчайших деталей и оснащена совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия заряженных элементарных частиц (прежде всего, электронов или позитронов) путем обмена фотонами. В КЭД для описания электромагнитного взаимодействия используется понятие виртуального фотона. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.

В центре теории - анализ актов излучения или поглощения одного фотона одной заряженной частицей, а также аннигиляции электрон-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары.

Если в классическом описании электроны представляются в виде твердой точечной шарики, то в КЭД электромагнитное поле, которое окружает электрон, рассматривается как облако виртуальных фотонов, неотступно движется вместе с электроном, окружая его квантами энергии. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве не по вполне определенных траекториям. Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути - до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается невизначепим.

Рассмотрим, например, акт излучения (виртуального) фотона электроном. После того, как электрон излучает фотон, то порождает (виртуальную) электрон-позитронных пар, может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может быть поглощенным исходным электроном, но может породить новую пару и т.д. Таким образом, электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов,

Источник: https://studbooks.net/7244/estestvoznanie/kontseptsii_sovremennogo_estestvoznaniya

Смотрите также:








ЦЕНОВАЯ ПОЛИТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПРИМЕРЕ ООО «ДНС РИТЕЙЛ»
_archivetempпротивовоспалительные
_Роджерс Карл, Брак и его альтернативы