Раздел 9 Ядерная физика и физика элементарных частиц

Раздел 9 Ядерная физика и физика элементарных частиц. Современная физическая картина мира. 9. 2. Понятие о физике элементарных частиц. Современная физическая картина мира. Курс лекций по общей физики Доцент Петренко Л. Г. Кафедра общей и экспериментальной физики НТУ «ХПИ» Харьков - 2012 год

9. 2. ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА. 9. 2. 1. Вещество и поле. Атомно-молекулярное строение вещества. Атомное ядро. Элементарные частицы. Основные типы фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Как устроен мир? Откуда он взялся? Почему существует? Это примеры вечных вопросов. На каждом историческом этапе люди по-разному отвечали на них. Познание бесконечно и относительно, но на каждом этапе развития оно содержит определённую долю абсолютной истины. Представить микроструктуру окружающих предметов, познать, что творится в глубинах звёздного неба, люди стремились ещё в древности.

Первые идеи дискретности, прерывистости материи как гениальная догадка возникли ещё в древних Греции и Риме (Эпикур, Лукреций). Идея атомизма в средние века была предана забвению и возродилась в Европе только в 17 веке. Но до конца 19 века эта идея существовала лишь как гипотеза. И только после экспериментального доказательства электронноядерного строения атомов эту идею перестали оспаривать. В 1896 году был открыт электрон, в 1919 году - протон, в 1932 году - нейтрон. Дальнейшие экспериментальные исследования показали, что дискретность вещества является многоступенчатой.

Исследование космического излучения, а затем многочисленные эксперименты с ядерными реакциями позволили открыть более 400 частиц, которые сейчас называют элементарными. Однако термин «элементарный» повторяет историю слова «атом» - неделимый. Уже сейчас не вызывает сомнения, что многие так называемые элементарные частицы являются составными. Современные представления о структуре материи гораздо сложнее, чем древние.

На макроскопическом уровне выделяют две формы материи – вещество и поле. Вещество и поле имеют внутреннюю структуру (микроскопический уровень). Микроскопический уровень (микромир) : - атомно-молекулярный с масштабом 10 -8 10 -10 м; - ядерный с масштабом 10 -14 10 -15 м; - субъядерный (подуровень элементарных частиц) с масштабом 10 -15 м (до 10 -19 м; что определяется возможностями измерительной техники). Характерной особенностью элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Большинство их нестабильно. Между частицами вещества существует четыре вида взаимодействия: 1) сильное; 2) электромагнитное; 3) слабое; 4) гравитационное.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Радиус действия составляет ~10 -15 м. Электромагнитное взаимодействие существует между всеми заряженными частицами. Радиус действия не ограничен. Слабое взаимодействие ответственно за все виды -распада ядер, за многие распады элементарных частиц, за процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Радиус действия ~10 -19 м. Гравитационное взаимодействие в процессах микромира ощутимой роли не играет. Радиус действия не ограничен. Взаимодействие частиц вещества осуществляется через посредство элементарных частиц поля - переносчиков взаимодействия. Частицы вещества и переносчики взаимодействия обладают свойством взаимной превращаемости, которое сопровождается переходом энергии вещества в энергию поля и обратно. Во всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц выполняются законы сохранения – энергии, импульса, момента импульса, заряда.

9. 2. 2. Частицы и античастицы. Образование и аннигиляция электронно-позитронных пар. Практически у каждой элементарной частицы имеется античастица, с той же массой, средним временем жизни и спином, но с противоположным по знаку зарядом и собственным магнитным моментом. Эти необычные частицы были первоначально предсказаны теоретически, как говорится, открыты «на кончике пера» . Их существование следовало из решения релятивистского квантово-механического уравнения для электрона, предложенного в 1928 году английским физиком П. Дираком. Теория Дирака была признана в физическом мире только в 1932 году после экспериментального обнаружения американским физиком К. Андерсоном позитронов в космическом излучении.

Рождение электрон-позитронных пар происходит при прохождении -фотонов через вещество. В этом процессе обязательно участвует ещё одна частица - электрон или ядро атома (иначе бы не выполнялся закон сохранения импульса): При встрече электрон с позитроном аннигилируют (исчезают) - электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения двух или трёх -фотонов: Из уравнений Дирака следует, что могут рождаться и другие пары частиц-античастиц: протон-антипротон, нейтрон-антинейтрон, нейтрино-антинейтрино и т. д. Эти частицы в настоящее время обнаружены экспериментально.

9. 2. 3. Классификация элементарных частиц. Основные свойства элементарных частиц. Кварки. Законы сохранения при взаимодействии элементарных частиц. О единых теориях материи. Проблема элементарных частиц. Элементарные частицы обычно подразделяют на три класса: 1) фотоны; 2) лептоны (греческое «лептос» означает лёгкий); 3) адроны (греческое «адрос» означает крупный, массивный). 1. Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитном взаимодействии, но не обладают сильным и слабым взаимодействием. 2. Лептоны - это частицы, обладающие слабым взаимодействием, но не обладающие сильным взаимодействием. Заряженные лептоны обладают электромагнитным взаимодействием. К лептонам относятся 12 элементарных частиц – электроны и позитроны, мюоны и антимюоны , таоны и антитаоны, электронные, мюонные и таонные нейтрино и антинейтрино.

3. Адроны - это частицы, обладающие сильным и слабым взаимодействием. Заряженные адроны обладают электромагнитным взаимодействием. Класс адронов разделяют на две группы: а) барионы и б) мезоны. а) Барионы - сильно взаимодействующие в основном нестабильные частицы, несущие барионный заряд. Барионный заряд (барионное квантовое число) для барионов равен В = +1, для антибарионов В = -1, для всех остальных частиц В = 0. Во всех ядерных реакциях выполняется закон сохранения барионного заряда. Спин всех барионов равен 1/2, то есть они являются фермионами. К барионам относятся нуклоны (р, n) и гипероны - нестабильные частицы с массой , большей массы нуклонов. б) Мезоны - сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие барионного заряда. Спин всех мезонов равен нулю, то есть они являются бозонами. К мезонам относятся -мезоны (пионы), К-мезоны (каоны) и эта-мезон.

В 1964 году американские физики М. Гелл -Ман и Д. Цвейг, независимо друг от друга выдвинули гипотезу, согласно которой все адроны (барионы и мезоны) построены из частиц - кварков, имеющих дробные квантовые числа и электрические заряды, равные +2/3, -1/3 и -1/3 (в единицах е). Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up) и d (от down). Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком (протон - комбинация uud, нейтрон - комбинация udd. Две другие пары кварков входят в состав других частиц - адронов. Вторая пара: очарованный— c (от charmed) и странный — s (от strange). Третья пара: истинный — t (от truth или top) и красивый — b (от beauty или bottom).

Каждому кварку соответствует антикварк - . Впоследствии для устранения противоречия с принципом Паули было введено понятие цвета кварка, который подобно знаку электрического заряда определяет взаимное притяжение и отталкивание кварков. Кварки могут существовать в трёх «окрашенных формах» : каждый кварк – в жёлтой, синей, красной, а каждый антикварк - в фиолетовой, оранжевой, зелёной. Итак, система кварков включает шесть сортов - u, d, s, c, b, t, каждый из которых имеет соответствующий антикварк, и все они существуют в трёх цветовых разновидностях. Барионы образуются из трёх кварков, мезоны - из пары кварк-антикварк

Переносчиками взаимодействия между кварками являются глюоны (подобно тому, как фотоны являются переносчиками электромагнитного, а пионы – сильного взаимодействий). Таким образом, внутри адронов существует кварк-глюонная плазма.

Попытки наблюдать кварки в свободном состоянии не увенчались успехом. Это привело к выводу о том, что кварки могут существовать только внутри адронов, они находятся в состоянии конфайнмента (от английского confinement - тюремное заключение) и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии. Причина состоит в короткодействии сил взаимодействия между кварками – на малых расстояниях ( 10 -18 м) кварки практически свободны, но при увеличении расстояния между ними ( 10 -18 м) силы взаимодействия резко возрастают, не позволяя кваркам вылететь из адрона.

Согласно общепринятой в настоящее время модели Вселенная построена на основе только шести типов кварков и шести типов лептонов и их античастиц, а все остальные частицы представляют собой их комбинации. Экспериментально установлено, что размеры этих основополагающих частиц ~10 -19 м.

Идея кварков оказалась весьма плодотворной. Она позволила: 1) систематизировать известные частицы, 2) предсказать новые, 3) объяснить многие свойства частиц, связать между собой различные процессы в микромире и 4) вплотную подойти к решению задачи создания теории Великого объединения (ТВО). Одной из самых важных задач, стоявших перед физиками в 20 веке, являлось построение «великой объединённой теории взаимодействий» . Эйнштейн в течение многих лет пытался создать единую теорию гравитационных и электромагнитных взаимодействий. Но, к сожалению, его усилия не имели успеха.

Только в 60 -е годы С. Вайнберг и Ш. Глэшоу (США) и А. Салам (Пакистан) создали теорию электрослабого взаимодействия. Из этой теории следует, что переносчиками слабых взаимодействий являются промежуточные векторные бозоны (W+, W-, Z 0), подобно тому как переносчикам электромагнитного взаимодействия являются фотоны. Промежуточные бозоны были обнаружены экспериментально в 1982 -1983 г. г. в ЦЕРНе (Швейцария), что явилось блестящим подтверждением теории электрослабого взаимодействия.

А к концу 70 -х годов ХХ века было завершено построение теории физики элементарных частиц, так называемой Стандартной модели, описывающей три класса частиц – фотона, лептонов, адронов и три из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе - электромагнитные, слабые и сильные ядерные. Стандартная модель очень успешна и с большой точностью проверена в экспериментах на ускорителях элементарных частиц. Тем не менее многие вопросы в рамках Стандартной модели не находят решения и прежде всего потому, что она не включает в себя гравитационное взаимодействие.

Создание «великой объединённой теории взаимодействий» стоит на очереди и в 21 -ом веке. Идея создания большого объединения состоит в том, что сильное, слабое, электромагнитное, а также и гравитационное взаимодействия представляют собою различные проявления одного и того же фундаментального взаимодействия, характеризуемого одной безразмерной константой. Объединение всех сил природы, выработка новых концепций пространства и времени, разрешение важных загадок квантовой гравитации и космологии - это амбициозные цели, и на их осуществление может уйти много времени. Потребуется революция в представлении о пространстве и времени.

9. 2. 4. Краткий исторический обзор физических картин мира. Физическая картина мира как философская категория. Понятие о важнейших проблемах физики и астрофизики. Развитие современной физики. Прогресс физической науки - фундаментальная основа развития техники в период научно-технической революции. Физическая картина мира - это физическая модель природы, построенная на систематизации наиболее общих понятий, принципов, теорий, гипотез, соответствующих определённому историческому этапу развития физики. Физическая картина мира – это один из высших уровней систематизации физического знания (синтез физики и философии).

Физическая картина мира - это модель природы, охватывающая макромир (окружающий нас мир, доступный непосредственному восприятию), микромир, масштабы которого не превышают 10 -8 м, мегамир, масштаб которого имеет порядок световых лет. Макромир описывает классическая физика, микромир мегамир - квантовая физика, астрофизика и космология.

Первую физическую картину мира создали Г. Галилей и И. Ньютон. Эта картина называется механической. Вторая физическая картина мира - электродинамическая, основанная на идее Фарадея-Максвелла электромагнитного поля.

Современная физическая картина мира – квантово-полевая связана с возникновением нового способа мышления. В её основе лежит корпускулярно-волновой дуализм материи. Начало было положено в трудах Планка и Эйнштейна. Бурное развитие техники в 19 -ом и особенно в 20 -м веке было непосредственно связано с революционными открытиями в физике.

Современная физика непрерывно развивается, и поэтому существующая физическая картина мира обновляется и совершенствуется. Дальнейшее развитие физической картины мира связано с достижениями физики элементарных частиц – физики высоких энергий. При этом будет происходить сближение проблем физики и астрофизики, что уже наметилось сейчас. Физическая наука является фундаментом для всех областей техники. Инженер должен быть творчески мыслящим человеком, должен непрерывно следить за новейшими достижениями физической науки и использовать их в своей работе, в своём творчестве.