LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 21
(всего 138)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>



повить их структуру. Но свойства многих частиц изучены до-
1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
статочно хорошо
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
'Зарождение физики элементарных частиц можно итиег-
ти к 90 м годам девятнадцатого столетня, когда был открыт
Элементарные частицы - простейшие частицы в составе
элоктрон (е) Следим за ним ученым стали известны Протон
атома Современный уровень знаний не позволяет точно уста
96 Физика

(р) и фотон (у). Дальше события развивались настолько бур- ной частицы, настолько же фундаментальное, как заряд или
но, что это до сих пор вызывает изумление. 1932 год вошел в масса. Его можно объяснить как момент импульса элементар-
историю физики под названием «года чудес». Первым появи- ной частицы, который не связан с ее движением и не зависит
от внешних условий.
лось сообщение английского физика Дж. Чедвика об откры-
тии нейтрона (п). Затем американцу К. Андерсону при помо- Иногда под спином подразумевается врашерше элементар-
щи камеры Вильсона удалось обнаружить в космическом из- ной частицы вокруг своей оси, но это неверно. Спич нельзя по-
лучении позитрон {е*) - античастицу электрона. В то же вре- нимать как вращение, он обозначает лишь наличие у частицы
возможностей для этого. Чтобы внутренний момент импульса
мя широко развернулись исследования, призванные определить
превратился в классический момент импульса (то есть частица
свойства этих новых частиц. Было выяснено, что свободный
действительно начала бы вращаться), необходимо выполнение
нейтрон превращается не в две частицы - протон и электрон , а
условия s » 1 , где 5 — спин частицы. Это условие невыполнимо,
в три — протон, электрон и некую новую частицу. Э. Ферми дал
потому что максимально возможное значение спина равно 1.
ей название «нейтрино» (v), а В. Паули теоретически обосновал
ее свойства. В 1953 году Райнес и Коуэн смогли эксперименталь- Спин микрообъекта, например ядра, складывается из спи-
но подтвердить существование нейтрино. нов нуклонов и орбитальных моментов импульса нуклонов,
Физика элементарных частиц наглядно доказала, что да- обусловленных движением нуклонов внутри я ара.
леко не все физические процессы укладываются в рамки клас- Изучение спина элементарных частиц позволило сделать
сической электромагнитной модели. Две новые частицы — ней- выводы об их поведении среди других частиц. Спин частиц мо-
жет быть целым или дробным. Это и является о;нованием для
трон и позитрон — выявили узость восприятия мира физичес-
деления частиц на бозоны и фермионы.
ких явлений, опиравшегося исключительно на теории элект-
Бозоны — частицы с целочисленным или нупевьш спином.
ромагнитного и гравитационного взаимодействий. Оказалось,
Они описываются симметричными волновыми функциями и под-
что стабильность электронов, протонов и фотонов — это ис-
чиняются статистическому распределению Бозе- Эйнштейна.
ключение в природе элементарных частиц, ведь все остальные
Фермионы — общее название частиц с нецелочислен-
элементарные частицы способны либо произвольно, либо' в
ным спином. Они описываются несимметричными волновы-
результате столкновений превращаться в другие частицы.
ми функциями и подчиняются статистическому распределе-
Все это позволило физикам предположить, что существо-
нию Ферми—Дирака. Сложные образования (ядра атомов),
вуют еще два типа фундаментальных сил: ядерных и слабых.
составленные из нечетного числа фермионов, являются фер-
Однако понадобится еще немало времени, чтобы эта теория
мионами, то есть имеют нецелочисленный суммарный спин.
приобрела окончательную стройность и завершенность.
Если же микрообъект составлен из четного чиста фермионов,
то его суммарный спин целый, и такие ядра называются бозонами.
1.1. Масса и заряд элементарных частиц
К середине двадцатого века было известно более 30 эле-
ментарных частиц. Тщательное изучение позволило выявить 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
их общие свойства.
Так, основными характеристиками элементарных частиц Элементарные частицы объединяют в три группы:
считают их массу покоя и элементарный заряд. — фотоны, •'
— лептоны;
Массы покоя частиц:
— адроны.
28
электрон тс - 9.1 • 10" г
тг
Группа фотонов включает в себя только OJHV частицу
протон т р - 1836те
фотон, который является носителем .электромагнитного цаяи-
нейтрон т п - 1839т.
модействия.
мюон ти = 207т,,
% мезон mtt=270me
2.1. Лептоны. Мюоны
К-мезон тк˜ ( 9 7 0 - 1750)т,
фотон т.,-0
К группе лептонов относят электрон, мюон, электронное
нейтрино . mv = 0
и мюонное нейтрино и соответствующие аптишетицы Все
Суммарная масса всех частиц, образующих молекулу,
атом или ядро, является массой данного микрообъекта, если лептоны являются фермионами, так как их спин равен ^- Они
ее уменьшить на величину дефекта массы. Дефект массы пря не принимают участия в сильных (ядерных) взаимодействиях
мо пропорционален энергии, которую нужно затратить, чтобы Рассмотрим основные свойства мюона. Впервые обнару-
расщепить микрообъект на элементарные частицы В ядрах жен в 1936 году, v тогда же было установлено, что мюон явля-
атомов, где дефект массы превышает Ют, нуклоны связаны ется жестким компонентом вторичного космического излуче-
между собой наиболее сильно. ния. Он является продуктом распада более тяжелых частиц.
Электрический заряд сложного микрообъекта равен сум- Масса мюона составляет 207т,, что позволяет причислить его
ме зарядов составляющих его частиц. к легким частицам. Заряд мюона численно равен заряду элек-
трона, но мюоны могут быть как положительно (ц*), так и
отрицательно (\г) заряженными.
1.2. Спин элементарных частиц и микрообъектов
Мюоны относят к нестабильным частицам, иремя их жиз-
Спин является очень важной характеристикой как эле- ни составляет 2,2 • 10˜6 с. Они претерпевают самопроизволь-
ментарной частицы, так и всего микрообъекта в целом. ный распад согласно следующей схеме:
Спин элементарной частицы — квантовая величина, ко-
торая не имеет аналога в классической механике и электроди-
намике Это собственное неотъемлемое свойство элементар-
Элементарные частицы 97

в 1013 раз меньше, чем экспериментально установленное. Закон
где o v u и "v^ — соответственно мюонные нейтрино и
сохранения странности 5 объяснил этот факт, а также и то, что
антинейтрино.
гиперон рождается всякий раз в паре с К-мезоном. Следует от-
Мюоны взаимодействуют с ядрами атомов очень слабо, по-
метить, что закон сохранения странности выполняется только
лтому они не MOiyr быть носителями ядерного взаимодействия.
при сильных и электромагнитных взаимодействиях.
2.2. Адроны. Мезоны. Гипероны
3. АНТИЧАСТИЦЫ
Адроны, в отличие от лептонов, могут принимать учас
тие в сильном ядерном взаимодействии. К этой группе отно-
Квантовая теория предсказала существование античас-
сятся нуклоны (протон и нейтрон), мезоны (группа частиц с
тиц задолго до экспериментального доказательства этого.
массой меньшей, чем масса протона) и гипероны (группа час-
Наличие у каждой элементарной частицы античастицы под-
тиц с массой большей, чем масса протона).
тверждается принципом зарядового сопряжения. Действитель-
Мезоны бывают двух типов:
но, каждой частице, за исключением фотона и я°-мезона, соот-
л-мезоны (пионы);
ветствует античастица.
К-мезоны (каоны).
Частица и античастица обладают одинаковой массой и
Нионы были впервые искусственно получены бомбар-
равной продолжительностью жизни в вакууме. Их заряды рав-
дировкой а-частицами атомов Be, С и Си. тс-мезоны сильно
ны по величине и противоположны по знаку. Спин частицы и
взаимодействуют с нуклонами и атомными ядрами; они явля-
античастицы одинаков.
ются главным фактором существования ядерных сил.
Долгое время считалось, что, благодаря сходству характери-
Пионы могут быть положительно (тс*) и отрицательно (;г)
стик, частицы и античастицы должны принимать участие в анало-
заряженными. Численно величина их заряда равна величине за-
гичных процессах (полная симметрия). Позже было доказано,
0
ряда электрона. Кроме того, существуют и нейтральные (я ) пи-
что подобная симметрия характерна только для сильного и элек-
оны.
тромагнитного взаимодействий, а для слабого — нарушается.
Пионы нестабильны. Время жизни заряженных пионов
Процесс столкновения частицы с античастицей, в резуль-
8 16
составляет 2,6 • 10" с, незаряженных — 0,8 -10˜ с.
тате чего возникают другие элементарные частицы или фото-
Самопроизвольно я-мезоны распадаются по следующей
ны, получил название аннигиляция. Первым примером анни-
схеме:
гиляции в физике стало взаимодействие электрона и позитро-
на с образованием двух у-квантов:

0
я -» 2 у. Для создания пары «частица-античастица» требуется энер-
Массы положительно и отрицательно заряженных я-ме- гия, равная или превышающая удвоенную энергию покоя пары.
зонов одинаковы и составляют 273, lme. Масса я°-мезона рав- Это происходит потому, что частицам необходимо сообщить зна-
на 264,1т,, Все мезоны ОТНОСЯТСЯ К легким частицам. Заря- чительную кинетическую энергаю. Например, для создания пары
женные пионы обладают нулевым спином. «протон-антипротон» (р-р) требуется затратить 4,4 ГэВ.
К-мезоны — частицы с нулевым спином и массой 970т с Античастицы могут аннигилировать не только с соответ-
•Известно 4 типа каонов: ствующими им частицами, но и с другими частицами тоже.
К* — положительно заряженный каон; Например, антипротон аннигилирует и с протоном, и с нейтро-
• К".— отрицательно заряженный каон; • ном согласно следующим схемам:
0 0
К и К - нейтральные каоны. 0
р + р—> я* + я + я* + я" + я ;
••
8
Время жизни К-мезонов колеблется в периоде от 10˜ до
р + р -> я* + п * я 0 + я 0 + л°:
-
10
10˜ с. и зависит от их типа. Распад заряженных каонов проис-
ходит согласно следующей схеме: 0 0
Р + п — л* + п + я' + я + я .
> •
Отличие частицы и античастицы состоит не только в раз-
ноименности их' зарядов. Кроме этого, различаются их маг-
К ->гс +л°
нитные моменты. Так, нейтрон (и) и антинейтрон ( п ) отлича-
К - > е + я ° + °уе ются знаком собственных магнитных моментов.
Существует группа элементарных частиц, для которых
Гипероны - тяжелые нестабильные элементарные части-
нет античастиц. Это так называемые истинно нейтральные,
цы массой (2183 - 3273)т е , что превышает массу протона.
частицы. К ним относятся фотон, я°-мезон и г]-мезон (тц *
Известно несколько типов гиперонов: 19
1074т е , время жизни 7 • 10˜ с, при распаде образуются
лямбда (Л°);
л-мезоны и у-кванты). Считают, что истинно нейтральная час-
сигма (1°, ?*, S-);
тица тождественна своей античастице. В силу этого истинно
кси (Е*, S );
нейтральные частицы не способны аннигилировать, зато они
омега (Й ).
испытывают взаимные превращения
Спин гиперонов равен 1/2 (для Q. -гиперона 3/2). Время
10 20
жизни гиперонов составляет Ю" (для 2°-гиперонов 10" с).
Распад гиперонов сопровождается образованием нуклонов и
4. ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
легких частиц (л-мезонов, электронов, нейтрино и у-квантов)
Свойства гиперонов позволили выявить еще одну кванто-
Рассмотрим схему распада мюона:
вую характеристику элементарных частиц странность. Дело в
том. что рассчитанное теоретически рпемя жи.чни гиперонов было
98 Физика

На основании этой схемы можно сделать вывод, что мюон ные, как энергия, импульс и момент импульса, для элементарных
состоит из трех элементарных частиц, но это утверждение не частиц также сохраняют свой смысл. Поправки при описании
будет верным. Достаточно принять во внимание тот факт что микрообъектов вносятся на основании идеи квантования физи-
для некоторых частиц существует несколько схем распада. ческих величин и корпускулярно-волнового дуглизма.
Распад частицы — превращение ее в некоторую совокуп-
ность новых частиц, рожденных в результате ее уничтожения.
При столкновениях частиц картина взаимных превращений 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
не менее богата, чем при их распаде. Например, при столкновении
фотона с нейтроном имеют место следующие превращения: В микромире осуществляется четыре типа фундаменталь-
Y + п -* р + п" ных взаимодействий. Из них только два'(гравитационное и
электромагнитное; соответствуют процессам уакромира.
Y + п — п + Я0
»
Гравитационное взаимодействие для процессов микро-
у + п -> п + я 0 + тс" мира настолько мало, что обычно им пренебрегают. Это связа-
Из приведенных схем видно, что сумма масс покоя ко- но главным образом с тем, что массы элементарных частчц очень
нечных частиц больше, чем исходных. Таким образом, энер- малы. Однако оно присуще всем частицам без исключения.
гия сталкивающихся частиц превращается в массу, что не про-
Электромагнитное взаимодействие основано на процес-
тиворечит формуле Эйнштейна:
сах, происходящих с частицей в электромагнитном поле. Для
Д? - hmc2. электронейтральных частиц (нейтрино, антинейтрино, фотон)
оно не осуществляется. Именно электромагнитное взаимодей-
Также из вхем с необходимостью вытекает, что невозмож-
ствие обуславливает существование атомов и молекул, пото-
но расщепить элементарные частицы (в частности нейтроны),
му что связь между ядром и электронами осуществляется бла-
бомбардируя их другими частицами (в данном случае фотона-
годаря их разноименным зарядам.
ми): в действительности происходит не расщепление обстрели-
ваемых частиц, а рождение новых, причем в значительной мере Слабое взаимодействие охватывает процессы, происхо-
это происходит за счет энергии частиц, которые сталкиваются. дящие с участием нейтрино или антинейтрино. Это самое мед-
ленное из всех взаимодействий микромира. К нему относят
Взаимные превращения элементарных частиц имеют свои
такие процессы, как (3- и ц-распады, безнейтрирцые процессы
закономерности, которые перекликаются с законами класси-
10
распада частиц с большим временем жизни (т - 10' с).
ческой физики. Так, очень важен тот факт, что для элементар-
Сильное взаимодействие проявляет себя t связи прото-
ных частиц тоже применимы законы сохранения их фунда-
нов и нейтронов в ядре, хотя ядерные силы — это только част-
ментальных характеристик. Например, для элементарных час-
ный случай сильного взаимодействия.
тиц выполняется закон сохранения электрического заряда:
Основные свойства ядерных сил.
при любом взаимном превращении частиц алгебраические сум-
1. Ядерные силы — это силы притяженкк, гак как они
мы электрических зарядов исходных и конечных частиц рав-
удерживают нуклоны внутри ядра; в том числе апй обеспечи-
ны. Это позволяет сразу исключить из рассмотрения те схемы,
вают связь между одноименно заряженными протонами. При
где данное условие не выполняется.
очень тесном сближении нуклонов ядерные силы между ними
Но как обстоит дело в мире микрообъектов с описанием
имеют характер отталкивания.
их движения и состояния? Известно, что в классической меха-
2. Ядерные силы —это не электрические :илы, потому
нике на этот вопрос отвечают законы сохранения энергии (1),
что они действуют не только между заряженными протонами,
импульса (2) и момента импульса (3):
но и нейтронами, не имеющими заряда. Они также не являют-
AU-Q-A, (1)
ся гравитационными силами, которые ничтожно малы для
где Д1] — изменение внутренней энергии системы; объяснения ядерных эффектов.
Q - теплота, сообщенная системе;
3. Радиус действия ядерных сил (1 - 2)10"13 см. При боль-
А - работа, совершенная системой над внешними телами.
ших расстояниях между частицами ядерное вгшмодействие
(2)
my^mPt не проявляется, поэтому его называют короткодействующим,
то есть ослабевающим с увеличением расстояния.
где тр т2 - масса тел 1 и 2;
4. В области своего действия ядерные силы очень интен-
Vt, Уг • скорость тел 1 и 2.
сивны. Их интенсивность значительно больше интенсивности
I - const, (3)
электромагнитных сил, то есть ядерные силы удер живают внут-
где L — момент импульса замкнутой системы.
ри ядра одноименно заряженные протоны, между которыми
Все законы сохранения являются следствиями опреде- имеет место сильное электрическое отталкивание.
ленных свойств пространства и времени. Установлено, что ядерные силы в 100 - 1000 раз меньше
Время однородно, то есть протекание физических про- времени электромагнитного взаимодействия:
цессов не зависит от того, какой момент выбран в качестве 23
т г а =10- с,
начала отсчета. Следствием однородности времени является
где тял — ядерное время.
закон сохранения энергии.
Замечено, что при взаимодействии нейтрона и протона
Все точки в пространстве физически равноправны, что
может происходить обмен электрическими зарядами между
позволяет считать однородным пространство. Следствием это-
этими частицами. В результате этого нейтрон превращается в
го является закон сохранения импульса.
протон, а протон - в нейтрон. Квантово-механический анализ
Закон сохранения момента импульса является следстви-
этого свойства ядерных сил позволил установить,что ядерное
ем изотропности пространства, то есть физического равнопра-
взаимодействие нуклонов осуществляется за гЧет я-мезонов,
вия впек направлений в пространстве.
которые являются квантами ядерного взаимодействия (апа*
Еше ни один эксперимент не доказав, что в микромире эти
логично фотонам квантам электромагнитного поля).
законы не выполняются, поэтому такие динамические перемен-
ЭФФЕКТ ЗАМЕДЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ
В СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СТО)
План
1. Доэйнштейновская физика
2. Ньютоновская Вселенная
3. Опыт Майкельсона
4. Мысленный опыт Эйнштейн'
5. Первый постулат СТО
6. Связь скорости с другими физическими категориями
7. Замедление времени


Специальная теория относительности — это один из ве- тело, а наша система отсчета. Такая система отсчета относится к
личайших шедевров человеческой мысли, тот случай, когда неинерциальным. Классическая ньютоновская механика утверж-
точная наука в каком-нибудь проявлении превосходит саму дает, что во всех инерциальных системах отсчета законы меха-
собя и становится актом художественного искусства. ники действуют одинаково.
Человек, постигший основы специальной теории относи-
тельности, по праву может гордиться этим, как гордится аль-
пинист, покоривший известную вершину. 2. НЬЮТОНОВСКАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Специальная теория относительности объясняет, как во
Вселенной связаны между собой и ведут себя по отношению Рассуждаем дальше. Для простоты представим, что вся Все-
друг к другу основные физические величины. ленная умещается в небольшой квадратной комнате, которая
К сожалению, всю специальную теорию относительности не- равномерно заполнена неким эфиром и неравномерно - всяки-
возможно доходчиво изложить в объеме одного реферата, поэто- ми иными телами. Пространство на протяжении всей этой «Все-
му вниманию слушателей предлагается лишь часть материала. ленной» — одно и то же, оно нигде не прерывается. Значит, мож-
но предположить, что для всей Вселенной можно выбрать одну
неподвижную точку отсчета (в центре) и от нее сквозь все про-
странство провести координатные оси. Таким образом, местона-
1. ДОЭЙНШТЕЙНОВСКАЯ ФИЗИКА
хождение всех тел во Вселенной можно определить относитель-
Еще в начале XX века в физике господствовали пред- но одной-единственной, инерциальной системы отсчета. Именно
ставления, основанные на классической ньютоновской меха- так полагал гениальный физик Исаак Ньютон, а вслед за ним и
нике. Вселенная представлялась физикам в виде бесконечно- все другие физики. Причем такую единую инерциальную слете
го трехмерного пространства, равномерно заполненного неве- му Ньютон связывал именно с эфиром, так как, по его мнению,
домой сущностью с чудесными свойствами — «эфиром», в только это вещество не могло обладать ускорением.
который погружены звезды и все другие космические тела.
•«Эфир» считался тем веществом, в котором распространяют-
ся электромагнитные волны. 3. ОПЫТ МАЙКЕЛЬСОНА
Для описания механического движения в такой вселенной
выбирается какая-либо точка отсчета и система координат, прохо- Теперь представьте, что вы с постоянной скоростью еде
дящая через эту точку. Вместе это называется системой отсчета. те в автобусе по ровной дороге, которая одновременно явля
ется осью координат в некой инерциальной системе отсчета.
По этой же дороге с одинаковой скоростью мчатся два авто
Виды систем отсчета мобиля, один — навстречу вам, другой — вас догоняет. Есте-
ственно, что относительно вашего автобуса, встречный авто
Для понимания сути предмета крайне важно уяснить зна-
мобиль будет ехать быстрее, а догоняющий - медленнее. Те-
чение понятия «инерциальная система отсчета». Инерциаль-
перь вообразите, что дорога, по которой идет ваш автобус —
н'ая система отсчета — это такая система отсчета, в которой
это «эфир», автобус — это планета Земля (которая несется
выполняется первый закон Ньютона. Просто говоря, если на
сквозь космос по круговой орбите со скоростью 30 км/с), а
тело не действуют никакие силы, то оно или неподвижно по-
оба автомобиля, едущие с одинаковой скоростью - это волны
коится, или движется прямолинейно с одной и той же скоро-
света. Таким образом, получается, что относительно Земли,
стью, без ускорения. Если такое тело внести в инерциальную
движущейся в неподвижном «эфире», т. е. в единой инерци
систему отсчета, то относительно ее координат оно будет все
альной системе отсчета, световые волны должны иметь раз-
также покоиться либо двигаться равномерно прямолинейно.
ную скорость. Скорость того света, который «догоняет» Зем-
Представим другой случай. На тело не действуют никакие
лю, должна быть немного меньше скорости «встречного» све-
силы. Определяем местонахождение этого тела в выбранной
та. Физики были очень удивлены, когда опыт, поставленный в
нами системе отсчета и находим, что ... тело движется с уско-
1881 году Майкельсоном, не подтвердил этого предположе-
рением относительно какой-либо оси. Но ведь на тело не дей^
ния. Скорость света оставалась постоянной независимо от его
ствуют силы, способные ускорить его, как же Оно может уско-
направления относительно Земли.
ряться' Никак; это значит, что ускоренно движется не само
100 Физика

действует гравитационная сила"' — ответа нет. Вот так же
4. МЫСЛЕННЫЙ ОПЫТ ЭЙНШТЕЙНА
нельзя сказать, почему скорость света везде и г.с огда одинако-
Опыт Майкельсона был многократно повторен и давал ва. Эйнштейн постулировал этот принцип, так же как Ньютон
все тот же результат, объяснить который физики не могли до постулировал принцип гравитационного взаимодействия.
тех пор, пока в 1905 году двадцатишестилетний немецкий уче-

<< Пред. стр.

страница 21
(всего 138)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign