Элементарные частицы

  Протон — стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода. Трудно ска­зать, какое событие следует считать откры­тием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и откры­тие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906—1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона, подтвердив открытие искусственного превра­щения элементов. В этих опытах a-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.

    Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атом­ный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10-24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современ­ной точки зрения протон не является истин­но элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом  -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами — глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимо­действия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электро­нов на протонах, действительно свидетельству­ют о наличии внутри протонов точечных рас­сеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ~ 10-13 см, хотя, разумеется, его нель­зя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой грани­цей, состоящее из рождающихся и аннигили­рующих виртуальных частиц.

    Протон, как и все адроны, участвует в каж­дом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные  взаимодействия  связывают  протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимо­действия — протоны   и   электроны   в   атомах. Примерами слабых взаимодействий могут слу­жить   бета-распад   нейтрона   или   внутриядерное   превращение   протона   в нейтрон с испусканием позитрона и ней­трино (для свободного про­тона такой процесс невозможен в силу закона сохранения  и  превращения энергии, так  как нейтрон   имеет   несколько   большую   массу). Спин  протона  равен   1/2.  Адроны  с  полу­целым спином называются барионами ( от греческого  слова,  означающего  «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, раз­личные гипероны (L, S, X, W) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число —  барионный  заряд, равный 1 для барионов, - 1 — для    антибарионов    и    О — для   всех   прочих частиц.  Барионный заряд не является источником барионного поля , он введен лишь для  описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях   с   частицами.   Эти   закономерности выражаются   в   виде   закона   сохране­ния    барионного    заряда:    разность между   числом   барионов   и   антибарионов   в системе сохраняется в любых реакциях. Сох­ранение барионного заряда делает невозмож­ным   распад  протона,   ибо  он  легчайший   из барионов. Этот закон носит эмпирический ха­рактер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда  характеризуется  стабиль­ностью   протона,   экспериментальная   оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.

В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барион­ного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной ( ~ 2·1010 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образова­ние химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физи­ки. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 1030  протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всего лишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.


    Нейтрон — нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона qn равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в силь­ных электрических полях, показавшими, что |qn| <10-20e (здесь е — элементарный элек­трический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2*10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относит­ся к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; анти­нейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейт­рон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.

Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом  - 1/3, связанных между собой глюонным по­лем.

    Нейтроны устойчивы лишь в составе стабиль­ных атомных ядер. Свободный нейтрон — нестабильная частица, распадающаяся на протон (р), электрон (е-) и электронное анти­нейтрино. Время жизни нейтрона составляет (917 ±14) с, т. е. около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше вследствие сильного поглощения их ядрами. Поэтому они возникают в природе или получаются в лаборатории только в резуль­тате ядерных реакций.

    По энергетическому балансу различных ядерных реакций определена величина раз­ности масс нейтрона и протона: mn-mp(1,29344 ±0,00007) МэВ. Из сопоставления ее с массой протона получим массу нейтрона: mn = 939,5731 ± 0,0027 МэВ; это соответствует mn  ~ 1,6-10-24 .

 Нейтрон участвует во всех видах фундамен­тальных   взаимодействий. Сильные взаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого  взаимодействия — бета-распад  нейт­рона.

  Участвует ли эта нейтральная частица в электромагнит­ных    взаимодействиях?     Нейтрон     обладает  внутренней  структурой,   и  в   нем   при  общей нейтральности существуют электрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона   магнитного   момента. Иными словами, в магнитном поле нейтрон ведет себя подобно стрелке компаса. Это лишь один из примеров его электромагнитного взаимодействия. Большой интерес приобрели поиски дипольного   электрического   момента   нейтрона,   для  которого   была   получена   верхняя   граница.   Здесь  самые   эффективные опыты удалось поставить ученым Ленинградского института  ядерной  физики  АН  СССР;         поиски дипольного момента нейтронов важны для понимания механизмов нарушения инвариантности относительно обращения времени в микропроцессах.       

   Гравитационные взаимодействия  нейтронов  наблюдались непосредственно по их падению в поле тяготения Земли.

    Сейчас принята условная классифика­ция   нейтронов по их кинетической энергии:

медленные  нейтроны   (<105эВ, есть много     их     разновидностей), быстрые нейтроны      (105¸108эВ),  высокоэнергичные   (> 108эВ). Весьма интерес­ными свойствами  обладают очень медленные нейтроны  

 (10-7эВ),  которые получили  название ультрахолодных.     Оказалось, что  ультрахолодные нейтроны можно накапливать в «магнитных ловушках» и даже ориентировать там   их  спины   в  определенном   направлении. С   помощью   магнитных   полей   специальной конфигурации ультрахолодные нейтроны  изолируются   от   поглощающих   стенок   и   могут  «жить» в ловушке,  пока  не распадутся. Это позволяет  проводить многие тонкие  экспери­менты по изучению свойств нейтронов. Другой    метод    хранения    ультрахолодных  нейтронов основан на их волновых свойствах. Такие нейтроны можно просто хранить в замкнутой «банке». Эта идея была высказана советским   физиком   Я.   Б.   Зельдовичем   в   конце           1950-х   гг.,   и   первые  результаты  были   получены в Дубне в  институте ядерных исследований спустя  почти десятилетие.

  Недавно ученым удалось построить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живут до своего естественного распада.

  Свободные нейтроны способны активно  взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. В результате взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно  наблюдать резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. п. Благодаря этим своим особенностям нейтроны широко используются в ядерной физике и физике твердого тела. Они играют важную роль в ядерной энергетике, в производстве транс­урановых элементов и  радиоактивных изотопов, находят практическое применение в химическом  анализе  и  в  геологической  разведке.  





  Мезоны — адроны с целым спином  Название произошло от греческого слова, озна­чающего «средний, промежуточный», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные зна­чения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Лег­чайшие из мезонов — пионы, или пи-мезоны p-,p+ и p°. Их массы примерно в 6—7 раз меньше массы протона..  Более массивны стран­ные мезоны — каоны K+, К- и  К°. Их массы почти в два раза меньше массы протона. Ха­рактерное время жизни этих мезонов — 10-8 с.

        

     

       Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма—минус S- имеет античастицу антисигма—плюс S`+, которая отлична от S+ . То же самое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколько иначе: отрицательный пион — античастица положи­тельного пиона, а нейтральный пион античасти­цы вообще не имеет, поскольку является анти­частицей сам себе. В то же время нейтральный каон   K° имеет античастицу К`°. Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов.

       Мир адронов огромен — он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабиль­ны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка 10–23c. Это — характерное время сильных взаимодействий; за столь ко­роткий интервал даже свет успевает пройти расстояние, равное всего лишь радиусу прото­на (10-13 см). Ясно, что столь короткоживущие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рождение обнаруживают то косвенным признакам. Например, изучают реакцию аннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения электронов и позитронов, обнаруживают, что при каком-то значении энергии выход адронов вдруг резко увеличивается. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица, масса которой равна соответствующей энергии (с точностью до множителя с2). Эта частица мгновенно распадется на другие адроны, и единственным следом ее появления остается пик на графике зависимости вероятности рождения адронов от энергии столкновения.

Страницы: 1, 2, 3



Реклама
В соцсетях
рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать