Законы теплового излучения Фотоэффект Квантовый гармонический осциллятор Операторы энергий Ядерная  модель атома Спин  электрона Квантовые  генераторы Бозоны  и фермионы Зонная  теория твёрдых тел Электропроводимость  металлов


Курс лекций по физике

Элементарные частицы

Сначала элементарными считались частицы, из которых состоят атомы и их ядра – т.е. электроны, протоны и нейтроны.

Впоследствии оказалось, что протоны и нейтроны имеют внутреннюю структуру. В число элементарных также включили фотоны и нейтрино.

По мере возрастания мощности ускорителей и усовершенствования методики эксперимента, было обнаружено около 400 элементарных частиц.

В настоящее время элементарными называют частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением других, более «простых» частиц, существующих в свободном состоянии. Элементарная частица в процессе взаимодействия с другими частицами или полями должна вести себя как единое целое.

Хотя нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, нельзя считать, что он состоит из этих частиц. «Внутри» нейтрона этих частиц нет. Поэтому нейтрон считается элементарной частицей. Точно так же мюон, который распадается на электрон и два нейтрино:

не состоит из этих частиц, а они рождаются в процессе распада мюона.

Античастицы

Уравнение Шрёдингера является нерелятивистским. Наличие у электрона спина из этого уравнения не следовало и вводилось в теорию как опытный факт.

Волновое уравнение Дирака, полученное в 1928 г. и учитывающее релятивистские эффекты, объединило теорию относительности и кванты. Из этого уравнения теоретически вытекало наличие у электрона спина. Кроме того, из уравнения Дирака получалось, что у электрона должен быть «двойник» – частица с положительным элементарным зарядом.

В 1932 г. позитроны были экспериментально обнаружены в космическом излучении.

В дальнейшем было показано, что у всех элементарных частиц имеются античастицы.

В 1955 г. был обнаружен антипротон  ; в 1956 г. – антинейтрон   и т.д..

Так, антинейтрино, выделяющееся при распаде нейтрона по схеме

25 – 2

может захватываться протоном и образовывать нейтрон и позитрон:

 .

 А вот нейтрон с этим антинейтрино не взаимодействует. Эато нейтрон хорошо взаимодействует с нейтрино по схеме:

 .

 Таким образом, электронные нейтрино и антинейтрино являются разными частицами, отличающимися только знаком спина. Тоже можно сказать про нейтрон и антинейтрон.

 Существуют также частицы, полностью совпадающие со своими античастицами. Это фотон, пи-нуль-мезон π0 и эта-мезон η0.

  Из уравнения Дирака также следовало, что при столкновении частицы с античастицей они исчезают (аннигилируют), превращаясь в два γ-кванта, например:

или рождаются при прохождении γ-кванта большой энергии вблизи атомного ядра:

 , причём  1,022 МэВ.

 Действующие в мире элементарных частиц законы сохранения не допускают возможности возникновения одиночных античастиц.

Основные  характеристики элементарных частиц

 а) Масса – т (измеряется в энергетических единицах (МэВ или ГэВ)).

 б) Среднее время жизни – τ (служит мерой стабильности частицы и измеряется в с ) .

 в) Спин – J – собственный момент импульса частицы. Принимает целые и полуцелые значения. ( Измеряется в единицах   ).

 г) Электрический заряд – q (измеряется в единицах элементарного заряда е ). Для всех частиц в свободном состоянии он равен 0 или  .

  д) Магнитный момент – μ – максимальное значение проекции вектора собственного магнитного момента  частицы. Векторы  и  (спин) коллинеарны. Если  то , а если  , то μ < 0. Магнитные моменты μ элементарных частиц обычно измеряют в единицах соответствующих магнетонов   (например, для электрона это магнетон Бора ).

Фундаментальные взаимодействия

Взаимодействие 

Механизм

обмена

Интенсивность

Длительность

процессов, с

Радиус

действия, м

Сильное 

глюонами

1

10-23

10-15

Электромагнитное

фотонами

1/137

10-16

Слабое

промежут.

бозонами

10-6

10-13

10-18

Гравитационное

гравитонами

10-38

?

 Интенсивность (или константу взаимодействия) представляют в относительных единицах, где за единицу принята интенсивность при сильных взаимодействиях.

1) Сильные взаимодействия удерживают нуклоны в ядрах. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами (протон, нейтрон, гипероны, мюоны и др.). Короткодействующие.

2) Электромагнитные взаимодействия значительно слабее сильных, но дальнодействующие. Именно эти силы вызывают разлёт осколков, которые образуются при делении атомных ядер. Они также ответственны за все электрические и магнитные явления, а также за оптические, механические, тепловые и химические явления.

3) Слабые взаимодействия являются универсальными. Они присутствуют при взаимодействиях всех частиц кроме фотона. Несмотря на свою малую интенсивность и короткодействие эти взаимодействия играют очень важную роль в природе. Они ответственны за все виды β-распада  ядер, за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Кроме того, слабое взаимодействие играет определяющую роль в реакциях, происходящих на Солнце и других звёздах.

4) Гравитационные взаимодействия испытывают все частицы без исключения, но для элементарных частиц, масса которых ничтожно мала, гравитационное взаимодействие не имеет существенного значения.


Собственная и примесная  проводимость полупроводников