Понятие «элементарная частица» в физике. Классификация элементарных частиц.

Мало кто не знает такого понятия как «электрон», а ведь именно он и означает «элементарная частица». Конечно, большинство людей слабо представляют, что это и зачем оно нужно. По телевизору, в книгах, в газетах и журналах эти частицы изображаются в виде маленьких точек или шариков. Из-за этого непросвещенные люди считают, что форма частиц и в самом деле шарообразна, и что они свободно летают, взаимодействуют, сталкиваются и т.д. Но такое суждение в корне неверно. Понятие элементарной частицы крайне сложное для осознания, но никогда не поздно постараться приобрести хотя бы весьма приблизительное представление о сущности этих частиц.

В начале прошедшего века ученые всерьез озадачились тем, почему электрон не падает на атомное ядро, так как, согласно Ньютоновской механике, при отдаче всей своей энергии, он должен попросту упасть на ядро. К удивлению, этого не происходит. Как это объяснить?

Дело в том, что физика в своем классическом толковании и элементарная частица – вещи малосовместимые. Она не подчиняется никаким законам обычной физики, так как действует согласно принципам квантовой механики. Основополагающим принципом при этом является неопределенность. Он говорит, что невозможно точно и одновременно определить две взаимосвязанные величины. Чем в большей мере определена первая из них, тем меньше можно определить вторую. Из этого определения следуют квантовые корреляции, корпускулярно-волновой дуализм, тоннельный эффект, волновая функция и многое другое.

Первый важный фактор – это неопределенность координаты-импульса. Исходя из основ классической механики можно вспомнить, что понятия импульса и траектории тела неразделимы и всегда четко определяются. Попробуем перенести эту закономерность в микроскопический мир. К примеру, элементарная частица имеет точный импульс. Тогда при попытке определить траекторию передвижения мы столкнемся в неопределимостью координаты. Это значит, что электрон обнаруживается сразу во всех точках небольшого объема пространства. Если постараться сосредоточиться именно на траектории его движения, то импульс приобретает размытое значение.

Из этого следует, что как бы ни старались определить какую-либо конкретную величину, вторая сразу же становится неопределенной. Этот принцип заложен в основу волнового свойства частиц. Электрон не имеет четкой координаты. Можно сказать, что он одновременно расположен во всех точках пространства, которое ограничено длиной волны. Такое представление позволяет нам более четко понять, что представляет собой элементарная частица.

Примерно такая же неопределенность возникает в соотношении энергия-время. Частица постоянно взаимодействует, даже при наличии физического вакуума. Такое взаимодействие длится на протяжении некоторого времени. Если представить, что данный показатель более-менее определен, то энергия при этом становится неопределимой. Это нарушает принятые законы сохранения энергии в заложенных небольших промежутках.

Представленная закономерность порождает низкоэнергетические частицы – кванты фундаментальных полей. Такое поле представляет собой не непрерывную субстанцию. Оно состоит из мельчайших частиц. Взаимодействие между ними обеспечивается благодаря испусканию фотонов, которые поглощаются другими частицами. Это поддерживает уровень энергии и образуются стабильные элементарные частицы, которые не могут упасть на ядро.

Элементарные частицы по сути своей неразделимы, хотя отличаются друг от друга своей массой и определенными характеристиками. Поэтому были разработаны определенные классификации. К примеру, по типу взаимодействия можно выделить лептоны и адроны. Адроны, в свою очередь, делятся на мезоны, которые состоят из двух кварков, и барионы, в составе которых имеется три кварка. Наиболее известные барионы – это нейтроны и протоны.

Элементарные частицы и их свойства позволяют выделить еще два класса: бозоны ( с целочисленным и нулевым спином), фермионы ( с полуцелым спином). Каждая частица имеет свою античастицу с противоположными характеристиками. Устойчивыми являются только протоны, лептоны и нейтроны. Все другие частицы подвержены распаду и превращаются в стабильные частички.

Нужна помощь в написании работы? Узнать стоимость

    Элементарная частица – собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части.

   Существует и другой термин в физике элементарные частицы – это наименования большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами, т.е. объектами заведомо составной природы. Существуют  протон (p), нейтрон (n), фотон (g), p – мезоны и другие частицы – всего более 350 частиц, в основном нестабильных и их число продолжает расти.  Как установлено, состоят из кварков. Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году.

    Первой открытой античастицей был позитрон – частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсеном в 1932 году.

   Элементарная частица характеризуются своей массой, электрическим зарядом, собственным моментом количества движения – спином. Электрон – самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин Ѕ, а спин фотона равен 1. Стабильные частицы – это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут.

   Очевидно, что при наличии такого большого числа элементарных частиц возникает необходимость их классификации. Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами.

    Элементарные частицы принято классифицировать в основном по двум признакам (рисунок №1): 1) по способности к различным видам взаимодействия и 2) по массе. Рассмотрим принципы такой классификации.

Физика же частиц не может упорядочить даже сотню частиц.

Классификация элементарных частиц

     В общей массе элементарных частиц можно выделить несколько характерных групп.   ( Рисунок №1)  

    В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы – адроны и лептоны.

Внимание! Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы. Расчет стоимостиГарантииОтзывы

   Фотоны – кванты (частицы, порции) электромагнитного поля. Не обладают массой. Тем не менее, могут переносить энергию и импульс.

    Лептоны (от греч. – тонкий, легкий) – класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием, участвующих только в электромагнитном и слабом взаимодействии.

    Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен Ѕ. Среди лептонов наиболее известен электрон. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным объектом, поскольку  не состоит из каких-то других частиц.

    Другой хорошо известный лептон – нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Но, несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино – это некие “призраки физического мира”.

    Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название “тау – лептон”. Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

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

    Адроны (от греч. – большой, сильный) – класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (наряду с электромагнитным и слабым).

    Общее число около четырехсот. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Но со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Такое множество адронов наводит на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях – электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Гипероны (от греч. hypér — сверх, выше), тяжёлые нестабильные элементарные частицы с массой, большей массы нуклона, обладающие барионным зарядом и большим временем жизни. Известно несколько типов Гиперона.: лямбда , сигма , кси , омега  .Барионы (гипероны)– адроны с полуцелым спином (фермионы). За исключением протона все нестабильны. Мезоны – являются частицами с целочисленным спином (нулевым). Мезоны, нестабильные элементарные частицы, принадлежащие к классу сильно взаимодействующих частиц (адронов); в отличие от барионов мезоны не имеют барионного заряда и обладают нулевым или целочисленным спином (являются бозонами).

      Название мезон (от греч. mésos — средний, промежуточный) связано с тем, что массы первых открытых мезонов — пи-мезона, К-мезона — имеют значения, промежуточные между массами протона и электрона. Пи-мезоны, p-мезоны, пионы, группа из трёх нестабильных элементарных частиц, и среди андронов считаются наиболее легкими.

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость –>

–>Главная–> » –>Статьи–> » Физика

Элементарные частицы и их свойства

 Элементарные частицы 

и их свойства

___________________________________________________________________

image

___________________________________________________________________

В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. 

___________________________________________________________________

image

4 фундаментальных взаимодействия

__________________________________________________________

Strong — Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей по сравнению с другими процессами интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. 

Electro-magnetic —  Электромагнитное взаимодействие

Weak —  Слабое взаимодействие

Gravity —  Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц. 

___________________________________________________________________

 Адроны (от греч. – большой, сильный) – класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (наряду с электромагнитным и слабым). Лептоны (от греч. – тонкий, легкий) – класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием, участвующих только в электромагнитном и слабом взаимодействии. (Наличие гравитационного взаимодействия у всех элементарных частиц, включая фотон, подразумевается). 

___________________________________________________________________

Понравилась статья? Тогда советуем ознакомиться со следующими:

–>Категория–>: Физика | –>Добавил–>: calebasa (01.12.2011)
–>Просмотров–>: 8319 | –>Комментарии–>: 2 | –>Теги–>: | –>Рейтинг–>: /

–> ГлавнаяКоллекция “Revolution”Биология и естествознаниеЭлементарные частицы. Применение элементарных частиц в медицине

Электрон-носитель отрицательного электрического заряда в атомах как исторически первая открытая элементарная частица. Уничтожение клеток, составляющих опухоль как основная цель лучевой терапии. Анализ основных принципов радиоизотопной диагностики.

Рубрика Биология и естествознание
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 20.07.2014
Размер файла 20,6В K

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.Рекомендуем скачать работу.

image

Внутри атома находится в основном пустое пространство, плотное ядро с величайшей силой, когда-либо известной, и частицы, называемые кварками, которые еще не были замечены. На самом деле, у кварков может быть нулевой размер, в то время как они перемещаются вокруг нейтронов и протонов почти со скоростью света. Электроны также находятся везде, где они могут быть, одновременно. Ну, квантовое царство – странное место.

Кварки внутри протонов и нейтронов настолько малы, что еще не были обнаружены никаким оборудованием. Самым мощным устройством в этом отношении является европейский ускоритель частиц, называемый Большим адронным коллайдером, который позволяет нам определять размеры объектов размером до 5 * 10 -20 м, то есть размером 1/2000 протона. Все, что меньше этого, может остаться незамеченным, а кварки могут быть меньше.

Насколько велики кварки?

Кварк необязательно должен иметь размер 5 * 10 -20 м. Он может даже иметь нулевой размер, но это тоже теория. Если рассматривать эту теорию как реальность, протон может быть размером с баскетбольный мяч, а три кварка – размером с три маленькие песчинки или даже меньше. Кварки движутся вокруг протона или нейтрона почти со скоростью света. Как и атом, протон и нейтрон также состоят из пустого пространства.

Однако силы, удерживающие кварки вместе, огромны. В отличие от Земли, внутри протона нет ни поля, ни гравитации.

Силы в квантовом мире

Вещи в мире субатомных частиц не так легко представить и понять, как вещи, происходящие на Земле. В 1940-х годах американский физик Ричард Фейнман начал исследовать субатомные силы. Он обнаружил, что, скажем, в протоне нет гравитационного поля. Вместо этого частицы толкались, испуская и поглощая частицы.

image
Движения и силы внутри атомного ядра нелегко описать с помощью гравитационных полей и законов.

В протоне или нейтроне есть частица, несущая силу и удерживающую протон вместе. Он действует как клей и поэтому называется глюоном. Глюон – это то, что кварки излучают и поглощают. Следовательно, внутри протона не только движущиеся кварки. Есть также глюоны, прыгающие вперед и назад между кварками, а некоторые глюоны даже взаимодействуют с другими глюонами. Пустое место в протонах, нейтронах и атоме все еще остается. Итак, откуда берется масса?

Масса и энергия

Все состоит из атомов, и все имеет массу. Однако атом по сути является пустым пространством. Протоны и нейтроны имеют почти одинаковую массу и в общем называются нуклонами. Масса нуклона примерно в 1836 раз больше массы электрона. Если округлить массу до 2000, электроны можно не учитывать. Масса объекта почти равна к сумме масс нуклонов, создающих этот объект. Но и нуклоны тоже имейте значительное пустое пространство внутри.

Глюоны безмассовые, поэтому каждый кварк должен иметь массу, равную одной трети нуклона, но это не так. Сумма массы всех кварков в объекте составляет около 2% от общей суммы. Скорость кварков близка к скорости света, то есть они содержат значительную кинетическую энергию. Кварки масштабируются в пространстве 10-15 м в поперечном направлении, и содержание такого быстрого объекта в таком маленьком месте требует огромных усилий, а значит, создает массу потенциальной энергии.

Относительность в субатомных частицах

Кварки состоят из 2% массы и 98% потенциальной и кинетической энергии. Уравнение относительности Эйнштейна, то есть E = mc2, утверждает, что энергия и масса эквивалентны. Таким образом, 2% массы любого объекта – это масса кварков, а остальные 98% – это исключительно энергия. По сути, все это в основном силовые поля, а не «материал», имеющий массу.

image
Около 98% массы всего сущего состоит из экстремальной энергии протонов и нейтронов, а не из массы кварков внутри них.

В атоме есть нечто большее: виртуальные частицы вещества и антивещества, которые существуют всего лишь мгновение. Они усложняют представление, поскольку появляются повсюду во Вселенной, от глубокого космоса до ядра атомов.

Окончательным изображением объекта будет, главным образом, энергия, удерживаемая вместе силовыми полями в протонах и нейтронах, ядрах, атомах и молекулах, создающих объект. Это объяснимо в квантовом царстве. Науке предстоит многое сделать, чтобы завершить этот образ и узнать, что на самом деле происходит в любом масштабе окружающего мира или в нас.

Общие вопросы о субатомных частицах

Сколько существует субатомных частиц? На данный момент открыто 36 подтвержденных элементарных частиц. Они также включают в себя античастицы. Субатомные частицы бывают двух типов: элементарные и составные. Они могут длиться всего несколько секунд и обнаруживаться повсюду во Вселенной, а не только внутри ядра атома. Субатомные частицы удерживаются вместе двумя типами сил: ядерной силой и электромагнитной силой. Это самая мощная сила, известная человечеству. Он должен удерживать частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, в чрезвычайно маленьком пространстве, так что это самая сильная сила, обнаруженная до сих пор. Существует более 12 субатомных частиц, но 12 основных включают шесть кварков (верхний, нижний, странный, очарованный, красивый и истинный), три электрона (электрон, мюон, тау) и три нейтрино (электрон, мюон, тау).

Что такое кварк? Кварк – это субатомная частица, находящаяся внутри протонов и нейтронов. Они значительно меньше протонов, поэтому внутри протонов и нейтронов остается много пустого места. Кварки имеют 2% массы и 98% энергии, но они создают тяжелую массу нуклонов, согласно теории относительности Эйнштейна.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий