Адроны — общее заглавие для частиц, участвующих в мощных взаимодействиях. Заглавие происходит от греческого слова, значащего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две огромные группы — мезоны и барионы.
Барионы (от греческого слова, значащего «тяжелый») — это адроны с полуцелым спином. Самые известные барионы — протон и нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда-то странностью. Единицей странности владеют барион лямбда (?°) и семейство барионов сигма (?-, ?+ и ?°). Индексы +, -,0 указывают на символ электрического заряда либо нейтральность частицы. Двумя единицами странности владеют барионы кси (?- и ?°). Барион ?- имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов приблизительно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10-10 с. Напомним, что протон фактически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы совсем недолговечны, но по масштабам микромира это не так. Таковая частица, даже двигаясь относительно медлительно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой скорости, успевает пройти путь в несколько мм и бросить свой след в детекторе элементарных частиц. Одним из параметров барионов, отличающих их от остальных видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех узнаваемых действиях разности меж числом барионов и антибарионов.
Протон — стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода. Тяжело сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906—1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фото следов протона, подтвердив открытие искусственного перевоплощения частей. В этих опытах ?-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и преобразовывалось в изотоп кислорода совместно с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических частей, причем число протонов в ядре описывает атомный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. Е. Абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на опыте с точностью до 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ либо ~ 1,6-10-24 г, т. Е. Протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки соединены меж собой обменом другими гипотетическими частицами — глюонами, квантами поля, переносящего сильнейшие взаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, вправду свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле совсем похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ~ 10-13 см, хотя, очевидно, его нельзя представлять как жесткий шарик. Быстрее, протон напоминает скопление с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.
Протон, как и все адроны, участвует в каждом из базовых взаимодействий. Так. Сильнейшие взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия — протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут служить бета-распад нейтрона либо внутриядерное перевоплощение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (для свободного протона таковой процесс неосуществим в силу закона сохранения и перевоплощения энергии, так как нейтрон имеет несколько огромную массу). Спин протона равен 1/2. Адроны с полуцелым спином именуются барионами ( от греческого слова, значащего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, разные гипероны (?, ?, ?, ?) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большая часть из которых еще не открыто. Для свойства барионов введено особенное число — барионный заряд, равный 1 для барионов, - 1 — для антибарионов и О — для всех иных частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля, он введен только для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохранения барионного заряда: разность меж числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в всех реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический характер и, непременно, обязан быть проверен на опыте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.
В то же время в теориях, объединяющих все виды базовых взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барионного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таковых теориях указывается не совсем точно: приблизительно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной ( ~ 2*1010 лет). Поэтому протон фактически стабилен, что сделало вероятным образование химических частей и в конечном итоге появление разумной жизни. Но поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физики. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 1030 протонов) следует ждать распада одного протона в год. Остается всего только зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет принципиальным шагом к правильному пониманию единства сил природы.
Нейтрон — нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г. Английским физиком Дж. Чедвиком. Совместно с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона qn равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в мощных электрических полях, показавшими, что |qn|
Как и протон и остальные адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом - 1/3, связанных меж собой глюонным полем.
Нейтроны устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон — нестабильная частица, распадающаяся на протон (р), электрон (е-) и электронное антинейтрино. Время жизни нейтрона составляет (917 ?14) с, т. Е. Около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтроны есть еще меньше вследствие мощного поглощения их ядрами. Поэтому они появляются в природе либо получаются в лаборатории лишь в итоге ядерных реакций.
По энергетическому балансу разных ядерных реакций определена величина разности масс нейтрона и протона: mn-mp(1,29344 ±0,00007) МэВ. Из сопоставления её с массой протона получим массу нейтрона: mn = 939,5731 ± 0,0027 МэВ; это соответствует mn ~ 1,6-10-24.
Нейтрон участвует во всех видах базовых взаимодействий. Сильнейшие взаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого взаимодействия — бета-распад нейтрона.
Участвует ли эта нейтральная частица в электромагнитных взаимодействиях? Нейтрон владеет внутренней структурой, и в нем при общей нейтральности есть электрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона магнитного момента. Другими словами, в магнитном поле нейтрон ведет себя подобно стрелке компаса. Это только один из примеров его электромагнитного взаимодействия. Большой энтузиазм заполучили поиски дипольного электрического момента нейтрона, для которого была получена верхняя граница. Тут самые эффективные опыты удалось поставить ученым Ленинградского института ядерной физики АН СССР; поиски дипольного момента нейтронов важны для понимания устройств нарушения инвариантности относительно обращения времени в микропроцессах.
Гравитационные взаимодействия нейтронов наблюдались конкретно по их падению в поле тяготения Земли.
Сейчас принята условная классификация нейтронов по их кинетической энергии:
медленные нейтроны ( 108эВ). очень увлекательными качествами владеют совсем медленные нейтроны
(10-7эВ), которые получили заглавие ультрахолодных. Оказалось, что ультрахолодные нейтроны можно накапливать в «магнитных ловушках» и даже ориентировать там их спины в определенном направлении. С помощью магнитных полей специальной конфигурации ультрахолодные нейтроны изолируются от поглощающих стен и могут «жить» в ловушке, пока не распадутся. Это дозволяет проводить многие тонкие опыты по исследованию параметров нейтронов. Другой способ хранения ультрахолодных нейтронов основан на их волновых свойствах. Такие нейтроны можно просто хранить в замкнутой «банке». Эта мысль была высказана русским физиком Я. Б. Зельдовичем в конце 1950-х гг., И первые результаты были получены в Дубне в институте ядерных исследований спустя практически десятилетие.
не так давно ученым удалось выстроить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живут до собственного естественного распада.
Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. В итоге взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно следить резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. П. Благодаря этим своим особенностям нейтроны обширно употребляются в ядерной физике и физике твердого тела. Они играются важную роль в ядерной энергетике, в производстве трансурановых частей и радиоактивных изотопов, находят практическое применение в химическом анализе и в геологической разведке.
Мезоны — адроны с целым спином заглавие вышло от греческого слова, значащего «средний, промежуточный», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения меж массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Легчайшие из мезонов — пионы, либо пи-мезоны ?-,?+ и ?°. Их массы приблизительно в 6—7 раз меньше массы протона.. Более массивны странноватые мезоны — каоны K+, К- и К°. Их массы практически в два раза меньше массы протона. Характерное время жизни этих мезонов — 10-8 с.
Практически все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма—минус ?- имеет античастицу антисигма—плюс ?`+, которая отлична от ?+. То же самое можно сказать и о остальных барионах. С мезонами дело обстоит несколько по другому: отрицательный пион — античастица положительного пиона, а нейтральный пион античастицы вообще не имеет, поскольку является античастицей сам себе. В то же время нейтральный каон K° имеет античастицу К`°. Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов.
Мир адронов огромен — он включает более 350 частиц. Большая часть их совсем нестабильны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка 10–23c. Это — характерное время мощных взаимодействий; за столь маленький интервал даже свет успевает пройти расстояние, равное всего только радиусу протона (10-13 см). Ясно, что столь короткоживущие частицы не могут бросить следов в детекторах. Традиционно их рождение обнаруживают то косвенным признакам. К примеру, изучают реакцию аннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения электронов и позитронов, обнаруживают, что при каком-то значении энергии выход адронов вдруг резко возрастает. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица, масса которой равна соответствующей энергии (с точностью до множителя с2). Эта частица мгновенно распадется на остальные адроны, и единственным следом её появления остается пик на графике зависимости вероятности рождения адронов от энергии столкновения.
Такие короткоживущие частицы называют резонансами. Большая часть барионов и мезонов — резонансы. Они не оставляют «автографов» в камерах и на фото, и все же физикам удается учить их характеристики: определять массу, время жизни, спин, четность, методы распада и т. П.
По современным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами. Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трех кварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и постоянно отличен от бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в состав которых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметь античастиц. Кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. В принципе теория допускает существование остальных адронов, построенных из большего числа кварков либо, напротив, из одного глюонного поля. В последнее время возникли некие экспериментальные данные о возможном существовании таковых гипотетических частиц. Динамическая теория кварков, описывающая их взаимодействия, стала развиваться относительно не так давно. Сначала кварковая модель была предложена для «наведения порядка» в очень бессчетном семействе адронов. Эта модель включала кварки трех видов, либо, как принято говорить, ароматов. С помощью кварков удалось навести порядок в бессчетном семействе адронов, распределив их в группы частиц, называемые мультиплетами. Частицы одного мультиплета имеют близкие массы, но не лишь это послужило основой их классификации; не считая опытных данных в этом случае употребляли особый математический аппарат теории групп.
В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описания всех адронов. В 1974 г. Были открыты так называемые пси-мезоны, состоящие из кварка и антикварка нового вида (сс?). Этот запах был назван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался еще тяжелее собственных «собратьев»: легчайшая из пси-частиц — мезон J/? — имеет массу 3097 МэВ, т. Е. В 3 раза тяжелее протона. Время её жизни около 10 -20с. Было открыто целое семейство пси-мезонов с тем же кварковым составом cc?, Но находящихся в возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих огромные массы.
Если лептонов существует чуть свыше десятка, то адронов сотни. 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. Это класс т.н. барионов (тяжелые частицы гипероны) и большое семейство мезонов (мезонные резонансы).Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Но со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыит тайну адронов в научной теории. Решающий шаг здесь был сделан в 1963 г., когда была предложена теория кварков.
Лептоны — группа частиц, не участвующих в 1 сильном содействии (заглавие происходит от греческого слова «лептос» — «легкий»).
Все лептоны имеют спин 1/2. Различают заряженные лептоны — электрон е -, мюон ? -, тяжкий лептон ? - и соответствующие античастицы е +, ? + и ? + и нейтральные – различного рода нейтрино.
Первым из заряженных лептонов был открыт электрон — в 1897 г. Английским ученым Дж. Дж. Томсоном. Его античастица— позитрон — была найдена в 1932 г. В космических лучах американским физиком К. Андерсоном. В 1936 г. Также при излучении космических лучей были обнаружены мюоны (К. Андерсон и С. Неддермейер). поначалу произошла малая путаница: мюоны попробовали отождествить с частицей, которая, согласно теории японского физика X. Юкавы, переносила сильнейшие взаимодействия. Скоро, впрочем, выяснилось, что к мощным взаимодействиям мюон дела не имеет (частицами, предсказанными Юкавой, оказались открытые в 1947 г. Л-мезоны). И тогда появилась загадка мюона. Дело в том, что мюон удивительно похож на электрон: у них однообразный электрический заряд, спин, оба они участвуют только в слабых и электромагнитных взаимодействиях, причем аналогичным образом. Единственное видимое их различие заключается в массе: мюон в 206,8 раза тяжелее электрона (современное значение его массы ? = 105,65943 МэВ/с2 ? 1,88- 10 –25 г). Из-за большей величины массы мюон утерял стабильность, время его жизни ?2,2 • 10 -6 с.
Электрон стабилен, так как ему просто не на что распадаться. Вправду, из-за сохранения электрического заряда распад электрона был бы возможен лишь с испусканием более легких заряженных частиц, но о существовании таковых частиц до сих пор ничего не понятно. Если бы закон сохранения заряда не являлся вполне чётким законом природы, то электрон мог бы распасться, к примеру, на нейтрино и фотон. Поиски таковых распадов, но, не увенчались фуррором и проявили, что время жизни электрона, по крайней мере, больше чем 1022 лет (для сравнения: наша Вселенная существует «всего» около 2 • 10 -10 лет). Поэтому в современных теориях электрон считается стабильной частицей. Заметим все же, что экспериментальные пределы для времени жизни протона смотрятся еще внушительнее (не менее 1032 лет), но теории, в которых он может распадаться, в последнее время стали совсем популярны.
С распадом мюона дело обстоит проще, он может распадаться и в реальности распадается на электрон и пару нейтрино различных видов: ? -? е - + ?е`+ ??. За этот распад ответственны слабые взаимодействия. Экспериментальное значение времени жизни мюона отлично согласуется с теоретическими расчетами. Очевидно, аналогичным образом происходит и распад положительно заряженного мюона: ? + ? е + + ?е +??`.
Не успев еще разобраться в загадке мюона, физики открыли третий заряженный лептон? (тау - лептон). Он был найден в 1975 г. В опытах на встречных электрон-позитронных пучках в Станфорде (США) группой физиков во главе с М. Перлом при аннигиляции электрона и позитрона совсем огромных энергий. Тяжкий тау-лептон имеет массу практически в 3500 раз огромную, чем масса электрона (me~1784 МэВ/с2). Он даже практически в 2 раза тяжелее протона. Время жизни ?-лептона с достаточной точностью было измерено только в 1981 г.— 3,4 • 10 -13 с. Такое время жизни указывает, что слабые взаимодействия ?-лептонов совсем похожи на слабые взаимодействия электронов и мюонов (следует иметь в виду, что чем тяжелее частица, тем быстрее, при иных одинаковых условиях, она распадается на более легкие. Имеющиеся данные разрешают утверждать, что и в остальном ?-лептон подобен электрону и мюону.
Заряженные лептоны объединены еще одним свойством: в современных теориях все они представляются точечными объектами, не имеющими, в различие от адронов, внутренней структуры. Опыты на самых массивных ускорителях при очень достижимых в настоящее время энергиях показывают, что это справедливо, по крайней мере, вплоть до расстояний ?10 -16 см. следя за реакциями с ролью лептонов, ученые нашли, что постоянно остается неизменной разность числа лептонов и антилептонов. Для описания этого характеристики ввели особенное квантовое число — лептонный заряд L, условно приписав значение L = 1 отрицательно заряженным лептонам и сопутствующим им нейтрино, а значение L.= -1 - их античастицам. Тогда указанное явление сводится к закону сохранения лептонного заряда. Позже установили, что электронное и мюонное нейтрино не тождественны друг другу, и пришлось ввести разные, сохраняющиеся независимо лептонные заряды. По-видимому, существует и третий тип лептонного заряда, связанный с тяжелым лептоном и его нейтрино.
Пока не наблюдалось случаев нарушения закона сохранения лептонного заряда. Скажем, этот закон запрещает безнейтринные распады мюона. Отношение вероятностей запрещенного и обыденного распадов мюона оценивалось в опытах и оказалось меньшим 10 -9—10 –10. Поиск запрещенных распадов представляет большой энтузиазм, так как не исключена возможность обнаружения несохранения лептонного заряда. Следует выделить, что лептонный заряд не является источником какого-то «лептонного» поля, а введен только для объяснения наблюдаемых на опыте закономерностей реакций с ролью лептонов.
Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен Ѕ. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон - это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом. Насколько известно, электрон не состоит из каких-то других частиц. Другой хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти неуловимы. 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. Таблица (Античастицы в таблицу не включены) Название Масса Заряд Электрон 1 -1 Мюон 206,7 -1 Тау-лептон 3536,0 -1 Электронное нейтрино 0 0 (Имеются данные, свидетельствующие о том, что нейтрино могут обладать небольшой массой) Мюонное нейтрино 0 0 Тау-нейтрино 0 0.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему