Лекція - Тема 3

OОсновні поняття

Фундаментальні частинки – за сучасними уявленнями, що не мають внутрішньої структури та кінцевих розмірів (наприклад, кварки, лептони)

Частинки та античастинки

Класифікація елементарних частинок:

- за участю у взаємодіях: лептони, адрони

- За часом життя: стабільні (протон, електрон, нейтрино), нестабільні (вільний нейтрон) і резонанси (нестабільні короткоживучі)

Взаємоперетворення елементарних частинок (розпади, народження нових частинок при зіткненнях, анігіляція)

Можливість будь-яких реакцій елементарних частинок, які не порушують законів збереження (енергії, заряду тощо)

Речовина як сукупність корпускулярних структур (кварки - нуклони - атомні ядра - атоми зі своїми електронними оболонками)

Розміри та маса ядра в порівнянні з атомом

Мікросвіт - світ атомів та елементарних частинок

Мікросвіт - світ гранично малих, безпосередньо не спостерігаються мікрооб'єктів, просторова розмірність яких обчислюється від 10-8 до 10-16 см, а час життя - від нескінченності до 10-24 сек. В області реально, експериментально досліджуваного світу фізики фіксують розміри близько 10-16 см (в тисячу разів менше розмірів атомних ядер). Мікросвіт виділяється якоб'єкт квантової механіки, у тому числі релятивістської, що враховує одночасно і квантованість, і відносність (релятивність) процесів у мікросвіті, їх структурних, просторово-часових та енергетичних характеристик.

Ще з давніх-давен людина намагалася пізнати першооснову світу, те, з чого складається все. Раніше такою основою вважалися атоми. Потім з'ясувалося, що атоми і навіть атомні ядра ділимо.

Насамперед було відкритоелектрон. Його показники було визначено 1897 р. Дж. Дж. Томсоном. Було встановлено, що іон водню, який Резерфорд назвав у 1914 р.протоном, єелементарним носієм позитивного заряду. У 1920 р. Резерфордом було передбачено існуваннянейтрона, який був відкритий в 1932 р. У тому ж році був відкритийпозитрон.

Елементарними (суб'ядерними) частинками називають такічастинки, які не вдається розщепити на складові частини. Вони поділяються на стабільні та нестабільні.Усім елементарним частинкам притаманні такі основні риси:

1. частки, доки існують, незмінні.

2. частинки одного сорту абсолютно однакові, невиразні;

3. частинки можуть народжуватися та зникати.

Відповідно достандартної моделівся речовина (включаючи світло) складається з 12 фундаментальних елементарних частинок і 12 частинок-переносників взаємодій. До цього числа входять кварки (з яких складаються протони та нейтрони), електрони, фотони та інші елементарні частинки.

Всім елементарним частинкам притаманний корпускулярно-хвильовий дуалізм: з одного боку, частинки є єдиними, неподільними об'єктами, з іншого боку, вони в певному сенсі «розмазані» в просторі. За певних умов така «розмазаність» може набувати навіть макроскопічних розмірів. Квантова механіка описує частинку використовуючи так званухвильову функцію, яка визначає не де точно знаходиться частка, а де вона могла перебувати і з якою ймовірністю. Таким чином, поведінка частинок носить принципово імовірнісний характер: внаслідок імовірнісної «розмазаності» частинки у просторі ми не можемо з абсолютною впевненістю визначити її місцезнаходження (принцип невизначеності ).Але в макросвіті дуалізм незначний.

Поки невідомі причини того, чому є саме такий набір частинок, причини наявності маси в деяких із них та інших параметрів. Перед фізикою стоїть завдання побудувати теорію, у якій властивості частинок витікали б із властивостей вакууму.

На цей час відкрито кілька сотень елементарних частинок. Природно, що така велика кількість елементарних частинок потребує конкретної класифікації.

Всі елементарні частинки характеризуються такимипараметрами, якмаса спокою (фотон, що рухається зі швидкістю світла, має масу спокою рівну нулю, електрон – найлегший з ненульовою масою спокою, протони та нейтрони в 2000, а Z-частка в 200000 разів важча електрона),електричний заряд (він завжди кратний заряду електрона, що дорівнює -1, або зовсім відсутня),спин (момент імпульсу частинки, у бозонів спини цілі - 0, 1, 2, а у ферміонів напівцілі - наприклад ½), ічас життя (стабільні - електрон, протон, фотон і нейтрино і нестабільні, з часом життя від 15 хвилин до трильйонних і менших часткою секунди).

В основі класифікації елементарних частинок лежить їхня можливість брати участь у тих чи інших видах фундаментальних взаємодій.

Класифікація елементарних частинок:

1.Фотони – кванти електромагнітного поля, частинки з нульовою масою спокою, не мають сильної та слабкої взаємодії, але беруть участь в електромагнітному.

2.Лептони – елементарні частинки, які беруть участь у сильному взаємодії. Клас лептонів складається зшість частинок(електрон, мюон, тау-лептон і три види нейтрино) ішість античастинок.

3.Адрони – частки, які здатні брати участь у сильній взаємодії. Адроновдуже багато. Вони складаються зкварків, і вся їх велика різноманітність можна звести до поєднання кварків - елементарних частинок з дробовим електричним зарядом 1/3 або 2/3. Клас кварків складається зшість частинокішість античастинок. Кварки не зустрічаються у вільному стані, а утворюють зв'язані сполуки.

-Баріони- адрони, що утворюються комбінаціями трьох кварків (протон, нейтрон та ін.).

—Мезони– адрони, що складаються з кварку та антикварка, це сильно взаємодіючі нестабільні частинки.

4.Частини — переносники взаємодій : фотон (електромагнітна взаємодія: фотон не має маси, що обумовлює великий радіус цієї взаємодії), мезони (слабка взаємодія), глюони (сильна взаємодія), гравітони (гравітаційна взаємодія). Так, електромагнітна взаємодія передається нейтральною. Переносники слабкої взаємодії - два проміжні векторні бозони W± і один нейтральний Z-бозон мають велику масу і забезпечують здійснення слабкої взаємодії тільки на дуже коротких відстанях.

5.Кварки:Зараз відомо, що адрони складаються з кварків та антикварків. На сьогоднішній день кварки та антикварки вважаються неподільними, їх по 6 типів, які називаються «ароматами» (flowers): u(up), d(down), з(charm), s(strangeness), t(top) та b( bottom). Найнезвичайніша властивість кварків полягає в тому, що вони існують лише всередині адронів і не спостерігаються як самостійно існуючі частки. мають дробовий електричний та барійний заряд. Баріони та мезони складаються з кварків.

Також елементарні частинки можна класифікувати так:

1) По спину: наферміони(напівцілий спин) ібозони(цілий спин).

2) За часом життя частки можна розбити на:

1)стабільні(електрон, протон, фотон, нейтрино);

2)квазістабільні- що розпадаються внаслідок електромагнітної та слабкої взаємодій (нейтрон);

3)нестабільні- розпадаються внаслідок сильної взаємодії (π-мезони).

3) За масою всі частки розділені на три класи:

баріони(важкі): протон, нейтрон, гіперони, частина резонансів. З них стабільний протон. Усі вони – ферміони. Мають баріонний заряд +1. Беруть участь у всіх типах взаємодій.
мезони(середні, проміжні): пі-мезони, ка-мезони та ін. Нестабільні. Є бозонами (нульовий чи цілий спин). Баріонного заряду немає. Беруть участь у всіх типах взаємодій. Баріони + мезони = адрони.
лептони(легкі): мюон, нейтрино, електрон. Мюони є ферміонами, не беруть участь у сильних взаємодіях і мають лептонний заряд.

Поза цими класами знаходитьсяфотон: не лептон і не адрон. Лептонного заряду немає, у сильних взаємодіях не бере участі. Бере участь у електромагнітних взаємодіях, його спин = 1, а маса спокою = 0.

За певних умов частинка має «двійник»,античастинку з протилежним знаком. У античастинок такі ж маси, час життя, спін,ізоспін, як і у частинок. При зустрічі один з одним частка і античасткаанігілюють,тобто. перетворюються на інші частки.

Основні положення сучасної атомістики :

1) атом є складною матеріальною структурою, є найдрібнішою частинкою хімічного елемента;

2) у кожного елемента існують різновиди атомів (які містяться в природних об'єктах або штучно синтезовані);

3) атоми одного елемента можуть перетворюватися на атоми іншого; ці процеси здійснюються або мимоволі (природні радіоактивні перетворення), або штучним шляхом (за допомогою різних ядерних реакцій).

Речовина, з якою ми стикаємося у повсякденному житті, складається з атомів. Усклад атоміввходить атомне ядро, що складається з протонів і нейтронів, а також електрони, що обертаються навколо ядра (квантова механіка використовує поняття «електронна хмара»). Протони та нейтрони відносяться до адронів (які складаються з кварків). Слід зазначити, що у лабораторних умовах вдалося отримати «атоми», які з інших елементарних частинок.

Атоми кожного хімічного елемента мають у своєму складі одну й ту саму кількість протонів, яку називають атомним номером або зарядом ядра. Однак кількість нейтронів може відрізнятися, тому один хімічний елемент може бути представлений декількома ізотопами. В даний час відомо понад 110 елементів, найбільш масивні з яких нестабільні.

Атоми можуть взаємодіяти один з одним, утворюючи хімічні речовини. Взаємодія відбувається лише на рівні їх електронних оболонок. Хімічні речовини дуже різноманітні. Наука поки що не вирішила завдання точного передбачення фізичних властивостей хімічних речовин.