Атомная физика Постулаты Бора Элементы квантовой статистики Полупроводники Элементы физики твердого тела Полупроводниковые диоды и триоды Ядерная физика Ядерные реакции Цепная реакция деления

Лекции и задачи по физике Примеры решений контрольной работы

Классификация элементарных частиц. Кварки

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. Для ее пояснения в табл. 8 представлены основные характеристики рассмотренных выше элементарных частиц. Характеристики античастиц не приводятся, поскольку, как указывалось в § 273, модули зарядов и странности, массы, спины, изотопические спины и время жизни частиц и их античастиц одинаковы, они различаются лишь знаками зарядов и странности, а также знаками других величии, характеризующих их электрические (а следовательно, и магнитные) свойства. В таблице нет также античастиц фотона и p0-и h0-мезонов, так как антифотон и антипи-ноль- и антиэта-ноль-мезоны тождественны с фотоном и p0- и h0-мезонами.

В табл. 8 элементарные частицы объединены в три группы (см. § 272): фотоны, лептоны и адроны. Элементарные частицы, отнесенные к каждой из этих групп, обладают общими свойствами и характеристиками, которые отличают их от частиц другой группы.

К группе фотонов относится единственная частица — фотон, который переносит электромагнитное взаимодействие. В электромагнитном взаимодействии участвуют в той или иной степени все частицы, как заряженные, так и нейтральные (кроме нейтрино).

К группе лептонов относятся электрон, мюон, таон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы. Все лептоны имеют спин, равный ½, и, следовательно, являются фермионами (см. § 226), подчиняясь статистике Ферми — Дирака (см. § 235).

Таблица 8

Поскольку лептоны в сильных взаимодействиях не участвуют, изотопический спин им не приписывается. Странность лептонов равна нулю.

Элементарным частицам, относящимся к труппе лептонов, приписывают так называемое лептонное число (лептонный заряд) L. Обычно принимают, что L=+1 для лептонов (е–, m–, t–, ne, nm, nt), L=–1 для антилептонов (е+, m+, t+, , , ) и L=0 для всех остальных элементарных частиц. Введение L позволяет сформулировать закон сохрания лептонного числа: в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонное число сохраняется.

Теперь понятно, почему при распаде (258.1) нейтральная частица названа антинейтрино, а при распаде (263.1) — нейтрино. Taк как у электрона и нейтрино L= +1, а у позитрона и антинейтрино L= –1, то закон сохранения лептонного числа выполняется лишь при условии, что антинейтрино возникает вместе с электроном, а нейтрино — с позитроном.

Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К группе адронов относятся пионы, каоны, h-мезон, нуклоны, гипероны, а также их античастицы (в табл. 8 приведены не все адроны).

Адронам приписывают барионное число (барионный заряд) В. Адроны с В=0 образуют подгруппу мезонов (пионы, каоны, h-мезон), а адроны с В= +1 образуют подгруппу барионов (от греч. «барис» — тяжелый; сюда относятся нуклоны и гипероны). Для лептонов и фотона В=0. Если принять для барионов В=+1, для антибарионов (антинуклоны, автигипероны) В=–1, а для всех остальных частиц В=0, то можно сформулировать закон сохранения барионного числа: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц барионное число сохраняется.

Из закона сохранения барионного числа следует, что при распаде бариона наряду с другими частицами обязательно образуется барион. Примерами сохранения барионного числа являются реакции (273.1)—(273.5). Барионы имеют спин, равный ½ (только спин W–-гиперона равен 3/2), т. е. барионы, как и лептоны, являются фермионами.

Странность S для различных частиц подгруппы барионов имеет разные значения (см. табл. 8).

Мезоны имеют спин, равный нулю, и, следовательно, являются бозонами (см. § 226), подчиняясь статистике Бозе — Эйнштейна (см. § 235). Для мезонов лептонные и барионные числа равны нулю. Из подгруппы мезонов только каоны обладают S=+1, а пионы и h-мезоны имеют нулевую странность.

Подчеркнем еще раз, что для процессов взаимопревращаемости элементарных частиц, обусловленных сильными взаимодействиями, выполняются все законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, зарядов (электрического, лептонного и барионного), изоспина, странности и четности). В процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями, не сохраняются только изоспин, странность и четность.

В последние годы увеличение числа элементарных частиц происходит в основном вследствие расширения группы адронов.

Поэтому развитие работ по их классификации все время сопровождалось поисками новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для построения всех адронов. Гипотеза о существовании таких частиц, названных кварками, была высказана независимо друг от друга (1964) австрийским физиком Дж. Цвейгом (р. 1937) и Гелл-Манном.

Название «кварк» заимствовано из романа ирландского писателя Дж. Джойса «Поминки по Финнегану» (герою снится сон, в котором чайки кричат: «Три кварка для мастера Марка»).

Согласно модели Гелл-Манна — Цвейга, все известные в то время адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков (и, d, s) и соответствующих антикварков (, , ), если им приписать характеристики, указанные в табл. 9 (в том числе дробные электрические и барионные заряды). Самое удивительное (почти невероятное) свойство кварков связано с их электрическим зарядом, поскольку еще никто не находил частицы с дробным значением элементарного электрического заряда. Спин кварка равен ½, поскольку только из фермионов можно «сконструировать» как фермионы (нечетное число фермионов), так и бозоны (четное число фермионов).

Адроны строятся из кварков следующим образом: мезоны состоят из пары кварк — антикварк, барионы — из трех кварков (антибарион — из трех антикварков). Так, например, пион p+ имеет кварковую структуру , пион p– — , каон К+ — , протон — uud, нейтрон — udd, S+-гиперон — uus, S0-гиперон — uds и т. д.

Во избежание трудностей со статистикой (некоторые бариоиы, например W–-гиперон, состоят из трех одинаковых кварков (sss), что запрещено принципом Паули; см. § 227) на данном этапе предполагают, что каждый кварк (антикварк) обладает специфической квантовой характеристикой — —цветом: «желтым», «синим» и «красным». Тогда, если кварки имеют неодинаковую «окраску», принцип Паули не нарушается.

Углубленное изучение модели Гелл-Манна — Цвейга, а также открытие в 1974 г. истинно нейтрального джей-пси-мезона (J/Y) массой около 6000me со временем жизни примерно 10–20 с и спином, равным единице, привело к введению нового кварка — так называемого с-кварка и новой сохраняющейся величины — «очарования» (от англ. charm).

Подобно странности и четности, очарование сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Закон сохранения очарования объясняет относительно долгое время жизни J/Y-мезона. Основные характеристики с-кварка приведены в табл. 9.

Таблица 9

Частице J/Y приписывается кварковая структура сс. Структура  называется чармонием — атомоподобная система, напоминающая позитроний (связанная водородоподобная система, состоящая из электрона и позитрона, движущихся вокруг общего центра масс).

Кварковая модель оказалась весьма плодотворной, она позволила определить почти все основные квантовые числа адронов. Например, из этой модели, поскольку спин кварков равен ½ следует целочисленный (нулевой) спин для мезонов и полуцелый — для барионов в полном соответствии с экспериментом. Кроме того, эта модель позволила предсказать также и новые частицы, например W–-гиперон. Однако при использовании этой модели возникают и трудности. Кварковая модель не позволяет, например, определить массу адронов, поскольку для этого необходимо знание динамики взаимодействия кварков и их масс, которые пока неизвестны.

В настоящее время признана точка зрения, что между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов должно быть равно числу типов кварков. В 1977 г. был открыт сверхтяжелый мезон массой около 20 000me, который представляет собой структуру из кварка и антикварка нового типа — b-кварка (является носителем сохраняющейся в сильных взаимодействиях величины, названной «прелестью» (от англ. beauty)). Заряд b-кварка равен – 1/3. Предполагается, что существует и шестой кварк t с зарядом + 2/3, который уже решено назвать истинным (от англ. truth — истина), подобно тому как с-кварк называют очарованным, b-кварк — прелестным. В физике элементарных частиц введен «аромат» — характеристика типа кварка (и, d, s, с, b, t?), объединяющая совокупность квантовых чисел (странность, очарование, прелесть и др.), отличающих один тип кварка от другого, кроме цвета. Аромат сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Является ли схема из шести лептонов и шести кварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти, покажут дальнейшие исследования.

Пример 1. Найти радиус, скорость, кинетическую, потенциальную и полную энергию электрона на пятой стационарной орбите в атоме водорода.

Дано: ; ; ; ;

 .

Найти: .

Решение. Второй закон Ньютона  для электрона, движущихся по n-й орбите радиуса  под действием кулоновской силы   со скоростью  и нормальным ускорением  принимает вид

 

или

 . (1.1)

Согласно постулату Бора, момент импульса электрона, движущегося по n-й орбите

  . (1.2)

Из системы двух уравнений (1.1) и (1.2) находим

 ,

где .

Соответственно, радиус пятой орбиты электрона

  .

 ,

где .

Соответственно, скорость электрона на пятой орбите

 .

Кинетическая энергия электрона на n – й орбите

  ,

где .

 .

Кинетическая энергия электрона на пятой орбите

 .

Потенциальная энергия взаимодействия электрона (заряд ) и ядра атома водорода – протоном (заряд ) на n-й орбите

 .

Потенциальная энергия электрона на пятой орбите

  .

Полная энергия электрона на n-й орбите

  .

 .

Полная энергия электрона на пятой орбите

 .

Условие равновесия зарядов в проводнике:

E=E0+E'=0.

Напряженность электрического поля вблизи поверхности заряженного проводника с поверхностной плотностью s:

.

Электрическая емкость (электроемкость) уединенного проводника – физическая величина, численно равная количеству электричества, на которое необходимо изменить заряд проводника, чтобы его потенциал изменился на единицу. Зависит от формы поверхности, линейных размеров, расположения относительно других проводников, среды, окружающей проводник, и не зависит от его заряда и потенциала:

, , .

где Dq – изменение заряда проводника; Dj – изменение потенциала проводника; dq – элементарное изменение заряда проводника; dφ – элементарное изменение потенциала проводника; q – заряд проводника; j – потенциал проводника.

Конденсаторы – устройство, состоящее из проводников, разделенных слоем диэлектрика (непроводника), способное накапливать значительные заряды.

Электроемкость конденсатора – физическая величина, численно равная отношению величины заряда одного знака к разности потенциалов между проводниками (обкладками, пластинами). Зависит от геометрических размеров, формы обкладок, среды, заполняющей пространство между обкладками, и не зависит от заряда и разности потенциалов между обкладками:

,

где C – емкость конденсатора (взаимная емкость его обкладок);

q – заряд одной из обкладок (заряды обкладок равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку); U = j1–j2 – напряжение на конденсаторе (разность потенциалов между обкладками).

Плоский конденсатор представляет собой устройство, состоящее из двух пластин (обкладок), расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Пространство между обкладками заполнено слоем диэлектрика.

Емкость плоского конденсатора в системе СИ

,

где e – относительная проницаемость среды, которая показывает, во сколько раз емкость конденсатора больше при наличии среды между его пластинами; e0 = 8,85∙10–12 Ф/м – электрическая постоянная; S – площадь одной из пластин; d – расстояние между пластинами.


Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц