Презентация на тему Элементарные частицы

более двух с половиной тысяч лет и восходит к

идеям древнегреческих натурфилософов о строении Мира. Однако серьезная научная разработка данного вопроса началась только в конце XIX-го века. В 1897 году выдающийся английский физик-экспериментатор Дж.Дж.Томсон определил отношение заряда электрона к его массе. Тем самым, электрон окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества. За сто с небольшим лет физики провели тысячи сложнейших и точнейших экспериментов, призванных отыскать другие элементарные частицы и выявить фундаментальные взаимодействия между ними.

теорий.
● Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл

английский физик Томсон в 1897 году.
●Первой открытой антицастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсоном в 1932 году.

- была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях

взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц - структурных элементов атомов и их ядер.
В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты p+ и p--мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название "странных".

Первые частицы этой группы К+- и К--мезоны, L-, S+ -, S- -, X- -гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях - установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые Э. ч., которые и становятся предметом изучения.

(с массой около двух масс протона).
В 1960-х гг.

на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными Э. ч.) частиц, получивших название "резонансов". Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основная часть Э. ч.
В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов. было обнаружено несохранение т, н. комбинированной чётности (введённой Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956; см. Комбинированная инверсия), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени

массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы,

с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч. - "очарованных", первые представители которого (D0, D+, Lс) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты ¡-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

и размеров. У большинства из них массы имеют порядок

величины массы протона, равной 1,6×10-24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9×10-28 г).
● Многочисленность. В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными.
● Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными.
● Являются ускорителями процессов.
● Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться).

и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать

и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном.
В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, то есть обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

несколько характерных групп.
 
●Фотоны – кванты (частицы, порции) электромагнитного поля.
Не

обладают массой. Тем не менее могут переносить энергию и импульс.

● Лептоны В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон и еще ряд частиц. Все лептоны имеют спин .
Лептоны не имеют внутренней структуры. Электрон имеет заряд Кл. и массу кг = 0.511Мэв.
● Адроны Участвуют в сильных взаимодействиях и во всех остальных. Общее число около четырехсот.
● Мезоны – являются частицами с целочисленным спином (нулевым). Такие частицы
называют бозонами.
● Барионы – адроны с полуцелым спином (фермионы) и массами не меньше массы протона. За исключением протона все нестабильны.

класса:
бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон,

мезоны).
фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);
По видам взаимодействий
Элементарные частицы делятся на следующие группы:
Составные частицы
адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;
барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих

ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино.
Известны 6 типов лептонов.
Кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
восемь глюонов — частиц, переносящих сильное

взаимодействие;
три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;
гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

кванты разных типов взаимодействий.
Кроме того, в Стандартной модели с

необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.



Общими характеристиками всех Э. ч. Являются:
▪ спин (J),
▪ масса (m),
▪ время жизни (t),
▪ электрический заряд (Q).

на:
●стабильные
Стабильными, в пределах точности

современных измерений, являются электрон (t > 5×1021 лет), протон (t > 2×1030 лет), фотон и нейтрино.
● квазистабильные
Относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10-20 сек.
● нестабильные (резонансы).
Резонансами называются Э. ч., распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10-23-10-24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой ³ 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений - ~10-20 сек.

от величины . В этих единицах спин p- и

К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы и с более высоким спином. Величина спина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных) частиц, или их статистику (В. Паули, 1940).
●Частицы полуцелого спина подчиняются Ферми - Дирака статистике (отсюда название фермионы), которая требует антисимметрии волновой функции системы относительно перестановки пары частиц (или нечётного числа пар) и, следовательно, "запрещает" двум частицам полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии (Паули принцип).
●Частицы целого спина подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике (отсюда название бозоны), которая требует симметрии волновой функции относительно перестановок частиц и допускает нахождение любого

Статистические свойства Э. ч. оказываются существенными в тех случаях,

когда при рождении или распаде образуется несколько одинаковых частиц. Статистика Ферми - Дирака играет также исключительно важную роль в структуре ядер и определяет закономерности заполнения электронами атомных оболочек, лежащие в основе периодической системы элементов Д. И. Менделеева.
●Электрические заряды изученных Э. ч. являются целыми кратными от величины е "1,6×10-19 к, называются элементарным электрическим зарядом. У известных Э. ч.
Q = 0, ±1, ±2.

рядом квантовых чисел, называются внутренними.

Лептоны несут специфический лептонный

заряд L двух типов:
● электронный (Le)
Le = +1 для электрона и электронного нейтрино.
● мюонный (Lm);
Lm= +1 для отрицательного мюона и мюонного нейтрино.

● Тяжёлый лептон t; и связанное с ним нейтрино, по-видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда Lt.

одно проявление их отличия от лептонов.
В свою очередь,

значительные части адронов следует приписать особый барионный заряд В (|Е| = 1).

●Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входят протон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы).
●Адроны с В = 0 - подгруппу мезонов (p- и К-мезоны, бозонные резонансы).
Название подгрупп адронов происходит от греческих слов barýs - тяжёлый и mésos - средний, что на начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.

●обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон,

p-мезоны),
●странных частиц (гипероны, К-мезоны) и очарованных частиц.
Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3.
● Для обычных частиц S = 0 и Ch = 0.
● Для странных частиц |S| ¹ 0, Ch = 0.
● Для очарованных частиц |Ch| ¹ 0, а |S| = 0, 1, 2.
Вместо странности часто используется квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более фундаментальное значение.

связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения ±1.

Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного из зарядов О, L, В, Y (S) и очарования Ch существуют античастицы с теми же значениями массы т, времени жизни t, спина J и для адронов изотопического спина 1, но с противоположными знаками всех зарядов и для барионов с противоположным знаком внутренней чётности Р.
Частицы, не имеющие античастиц, называются абсолютно (истинно) нейтральными. Абсолютно нейтральные адроны обладают специальным квантовым числом - зарядовой чётностью (т. е. чётностью по отношению к операции зарядового сопряжения) С со значениями ±1; примерами таких частиц могут служить фотон и p0.

- одно из существенных проявлений различий классов взаимодействий Э.

ч.

элементарные частицы, сильно различаются по характерным временам их протекания

и энергиям. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти типы взаимодействий называют фундаментальными.
 

из всех видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь

между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10–15 м. Поэтому его называют короткодействующим.  
Электромагнитное взаимодействие. В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны – кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами.

атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики

микро- и макромира.
 
Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10–10 с).   
Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами.