Элементарные частицы

5

ВВЕДЕНИЕ.

Элементарные частицы в точном значении этого термина - первичные частицы, из которых состоит вся материя. В современной физике термин "Э. ч." употребляется  для наименования большой группы мельчайших частиц материи, при условии, что они не являются атомами и атомными ядрами (исключение составляет протон в ядре водорода). По данным 1999 года известно более 350 э.ч., в основном нестабильных. Их число продолжает расти (скорее всего неограниченно велико). Основные и широко известные э.ч. не подчиняются строгому определению элементарности, так как по современным представлениям они являются составными системами (см. Кварки).

НУКЛОНЫ И ЭЛЕКТРОНЫ.

Каждый атом состоит из ядра и электронов. Ядро несёт положительный, электроны - отрицательный заряд. Ядро состоит из протонов и нейтронов (нуклонов). Протон имеет положительный заряд (+1,6*10-19 Кл), нейтрон заряда не имеет, электрон имеет заряд = -1,6*10-19Кл. Вначале казалось, что на смену 109 химическим элементам придут всего 3 э.ч. Но вскоре э.ч. начали открываться, как грибы после дождя, и сейчас их известно более 350.  

Упрощённая модель атома гелия

Если протон и электрон окажутся свободными, то они будут устойчивыми. Но если свободным окажется нейтрон, то он самопроизвольно распадётся на протон, электрон и антинейтрино. Среднее время жизни свободного нейтрона - 15,3 минуты. Из большого кол-ва нейтронов за это время распадётся 63%, а останется "в живых" 37%. Период полураспада для свободного нейтрона = 11,7 минуты.

Самопроизвольный распад нейтрона

При определённых соотношениях между числом протонов и нейтронов ядро устойчиво: ни протоны, ни нейтроны не распадаются. Если в такое ядро добавить нейтроны, оно станет радиоактивным. Лишние нейтроны распадутся. Если же в ядро добавить лишние протоны, то оно перестанет быть устойчивым. В таком ядре распадутся лишние протоны. Связанный, но лишний протон распадётся на нейтрон, позитрон (электрон с положительным зарядом) и нейтрино. Распад нейтронов и протонов с испусканием электронов или позитронов называют бета-распадом (-распадом). Это один из видов радиоактивного распада.

Масса протона = 1,672614*10-24 г. Протон (р) является адроном (т.е. он участвует в сильном взаимодействии). Он участвует в сильном взаимодействии, слабом, электромагнитном, гравитационном взаимодействии. По непроверенным экспериментальным данным время жизни протона <1030 лет. В сильном взаимодействии протон и нейтрон рассматриваются, как два квантовых состояния одной э.ч. - нуклона. По кварковой модели протон состоит из 2 u-кварков и 1 d-кварка, связанных обменом гипотетических частиц - глюонов. Протон является одним из основных инструментов физики э.ч.

Масса нейтрона немного больше массы протона (1,675*10-24г), нейтрон (n) является адроном. Отсутствие у нейтрона электрического заряда позволяет ему проникать в ядра атомов. Этим объясняется уникальная способность нейтронов вызывать различные ядерные реакции, в том числе деление тяжёлых ядер.

Масса электрона = 0,91*10-27 г. Электрон (е-) - стабильная э.ч. Он участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Электроны рождаются в результате бета-распада нейтрона, распада отрицательного мю-мезона. На сегодняшний день - лучше всего изученная частица.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ Э.Ч. ПО МАССЕ.

Все э.ч. разделены на три класса по весу: барионы (тяжёлые), мезоны (средние), лептоны (лёгкие). Особняком стоит только фотон.

К барионам относятся нуклоны, гипероны, некоторые резонансы и "очарованные" частицы. Стабильный из барионов только протон.

К мезонам относятся мю-мезоны (мюоны), пи-мезоны (пионы), К-мезоны, некоторые бозонные резонансы с массой больше массы протона. Все они неустойчивы и принадлежат к адронам (кроме мю-мезона). Мезоны бывают нейтральные и заряженные. По кварковой модели, мезоны состоят из кварка и антикварка. Если учитывать не только массу, но и другие свойства, то К-мезоны можно отнести к гиперонам в группу "странных" частиц, мюоны можно отнести к лептонам. В группе мезонов останутся пионы, засчёт которых происходит сильное взаимодействие.

К лептонам относятся все виды нейтрино, электрон, позитрон, -лептон (а по современным данным и мю-мезон).

ФОТОН.

Фотон () - квант света. Из опытных данных  следует, что масса фотона < 4*10-21 массы электрона, хотя на сегодня считается, что его масса = 0. Его скорость = скорости света. Спин фотона = 1, следовательно он относится к бозонам. Фотон - истинно нейтральная частица. Фотон участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействиях.

Очевидно, фотоны рождаются в процессе испускания света. Атом поглощает энергию и переходит в возбуждённое состояние. Затем он возвращается в исходное состояние и испускает при этом световой квант - фотон.

НЕЙТРИНО И АНТИНЕЙТРИНО.

Когда был более внимательно изучен распад нейтрона и протона, оказалось, что при распаде испускается ещё одна частица, но она практически неуловима. Она совершенно беспрепятственно проникает через такую толщу вещества, как наша Земля. Эта частица почти не взаимодействует с веществом.  У нейтрино нет заряда. На сегодняшний день точно не известно, есть ли масса у нейтрино. Скорость нейтрино  скорости света.  

Нейтрино участвует в слабом и гравитационном взаимодействиях.  - символ нейтрино. Нейтрино принадлежит к лептонам. Известны 3 типа нейтрино: электронное (е), мюонное () и -нейтрино (). Каждый из типов нейтрино может взаимодействовать с другими частицами и при этом превращаться в соответствующий лептон. В отрицательно заряженные лептоны превращаются только "левые" нейтрино, в положительно заряженные - только "правые". "Левые" нейтрино - те, которые вращаются, как левый винт, "правые" (антинейтрино) - как правый. Соответственно, у нейтрино есть своя античастица - антинейтрино (~).

Отличительное свойство нейтрино, как уже говорилось ранее - высокая проникающая способность. Нейтрино, видимо, такая же распространённая частица, как и фотон. Они испускаются при бета-распаде, захвате электронов и мю-мезонов (мюонов). Процессы, при которых образуются нейтрино, происходят в недрах Земли и её атмосфере, внутри Солнца и звёзд. Предполагается, что сверхмощные потоки нейтрино генерируются при гравитационном коллапсе звёзд, унося большую часть гравитационной энергии.

Тип нейтрино определяется заряженным лептоном, вместе с которым оно рождается и взаимодействует (электрон, мюон, -лептон). Источником электронных нейтрино является -распад ядер, распад мю-мезонов, распады мезонов и барионов. Мюонные нейтрино рождаются при распаде пи-мезонов и К-мезонов, а также мюонов и более тяжёлых мезонов. -нейтрино рождается в распадах -лептона, а также в распадах мезонов, более тяжёлых, чем -лептон. Нейтрино рождается в паре с позитроном, а антинейтрино - в паре с электроном (аналогично определяются мюонные и -антинейтрино).

При лептокварковом переходе нейтрино, испуская гипотетический Y-бозон, может превратиться в d-кварк. Такие переходы приводят к распаду протона со временем >1031 лет.

ПОЗИТРОНИЙ.

Позитроний (химический символ Ps) - необычайный атом без ядра. Он состоит из электрона и позитрона. Позитроний образуется при столкновении позитрона и атома вещества, с захватом электрона. Размеры атома позитрония примерно в 2 раза больше атома водорода. Приведённая масса позитрония = 1/2 me. Различают ортопозитроний (спины е- и е+ параллельны) и парапозитроний (спины антипараллельны). Позитроний - нестабильная система, так как электрон и позитрон очень быстро аннигилируют в -кванты. Парапозитроний аннигилирует в 2 -кванта (за 1,25*10-10 с), а ортопозитроний в 3 -кванта  (за 1,4*10-7 с). За время жизни ортопозитрония электрон и позитрон успевают сделать не один миллион оборотов.

Но, пожалуй, самое удивительное то, что позитроний, этот загадочный, почти невесомый, живущий мгновение атом, способен вступать в химические реакции! Особенно энергично позитроний реагирует с химическими соединениями, у которых присутствуют свободные валентности. Наиболее чувствителен позитроний к свободным радикалам, к атомам и электронам.

Модель атома позитрония    

МЕЗОАТОМЫ.

Мезоатом - атом, в котором один электрон заменён отрицательно заряженным мю-мезоном (мюоном) или адроном (К-мезоном, пи-мезоном и т.п.).

Учёные высчитали, что чем тяжелее частица, тем она ближе находится к ядру атома. Соответственно, в мезо-свинце диаметр орбиты мезона = 5,8*10-13 см. Диаметр же ядра свинца = 17,0*10-13 см. Получается, что мезон в мезо-свинце вращается внутри атомного ядра!

Этот немыслимый результат точно подтвердился измерениями длины волн - излучения испускаемого мезоатомами. В течение 1/1 000 000 секунды мезон совершает миллионы миллионов оборотов внутри ядра. Плотность же ядерного вещества так чудовищно велика, что 1 см3 его весил бы в земных условиях не менее 109 тонн. Как же должно быть построено атомное ядро?

Судьба мезоатомов завершается катастрофой: мезон поглощается ядром, и оно взрывается - разлетается на множество кусков. Выделяющаяся при этом энергия аннигиляции очень велика. Точно не известно, в какой форме она выделяется. Так реагируют с ядрами мюоны. Судьба же пи-мезонов не менее любопытна. Ядра тяжёлых элементов поглощают их мгновенно и при этом мгновенно взрываются.

Реакция между мезонами и атомными ядрами не требует высокой температуры.

В самом простом из всех мезоатомов - в мезо-водороде вокруг протона вращается мезон. Это атом без электронов.

Образование мезоатомов происходит при торможении мезонов, получаемых в мишенях. Захват мезона сопровождается выбросом одного из электронов. Как правило, все мезоатомы образуются в высоковозбуждённых состояниях. В дальнейшем мезоны переходят в менее возбуждённое состояние, освобождая энергию в виде оже-электронов или -квантов.

КВАРКИ.

По современным представлениям фундаментальными составляющими материи являются лептоны и кварки. В них входят: группа частиц со спином S=1/2 (лептоны и кварки), группа со спином S=1 (фотон, промежуточные бозоны, глюоны), особняком стоит хиггсовский бозон или хиггс со спином S=0. Все адроны состоят из кварков. На сегодняшний день известно 6 видов кварков и столько же антикварков.