½
Стабильно
Электрон
e-
e+
1
-1 1
½
Стабилен
Адроны
Мезоны
Мю-мезон (мюон)
m-
m+
206,8
-1 1
½
2,2×10-6
Пи-мезон (пион)
p0
264,1
0
0
0,87×10-16
p+
p-
273,1
1 -1
0
2,6×10-8
К-мезон
K+
K-
966,4
1 -1
0
1,24×10-8
K0
974,1
0
0
10-10-108
Эта-нуль-мезон
1074
0
0
10-18
Барионы
Протон
p
1836,1
1 -1
½
Стабилен
Нейтрон
n
1838,6
0
½
898
Лямбда-гиперон
L0
2183,1
0
½
2,63×10-10
Сигма-гипероны
S+
2327,6
1 -1
½
0,8×10-10
S0
2333,6
0
½
7,4×10-20
S-
2343,1
-1 1
½
1,48×10-10
Кси-гипероны
0
2572,8
0
½
2,9×10-10
-
2585,6
-1 1
½
1,64×10-10
Омега-минус-гиперон
3273
-1 1
½
0,82×10-11
В таблице представлены некоторые сведения о свойствах частиц с временем жизни более 10–20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в здесь указаны масса частицы (в массах электрона), электрический заряд (в единицах элементарного заряда), момент импульса в единицах постоянной Планка ħ = h/2π и среднее время жизни частицы.
К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.
Следующая группа состоит из наиболее легких частиц лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин ½, обладают лептонным зарядом и не имеют барионного заряда.
Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами, участвующие в сильных взаимодействиях. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η0-мезон. Все мезоны имеют спин, равный 0. Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс.
Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц.
Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, бесчисленны и сильно отличаются по характерным временам их протекания и энергиям. По современным представлениям, в природе есть четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Их и называют фундаментальными.
Сильное (или ядерное) взаимодействие – это наиболее интенсивное из всех
видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны. Правда, именно адроны составляют подавляющее большинство элементарных частиц. Кроме протона и нейтрона, к семейству адронов принадлежат многочисленные мезоны и гипероны, как долгоживущие, так и резонансы. Известно всего лишь шесть фермионов, не участвующих в сильных взаимодействиях. Это так называемые лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино. Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10–15 м. Поэтому его называют короткодействующим.
Электромагнитное взаимодействие – в нем могут принимать участие любые электрически заряженные частицы и фотоны – кванты электромагнитного поля. Источником электромагнитного поля является четырехмерный вектор электромагнитного тока. В статическом пределе у этого вектора отлична от нуля лишь одна компонента – электрический заряд покоящейся частицы. Нейтральные частицы, не несущие электрических зарядов, как, например, нейтрон или нейтрино, взаимодействуют с электромагнитным полем лишь благодаря своей сложной структуре или квантовым эффектам. Это взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул, за процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами. В основном оно определяет свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях, приводит к неустойчивости ядер (отталкивание протонов) с большими массовыми числами.
Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Оно ответственно за процессы с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино, а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10–10 с).
Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все элементарные частицы, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Источником гравитационного поля является четырехмерный тензор энергии – импульса. В статическом пределе у этого тензора отлична от нуля лишь одна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (галактики, звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами.
Дальнодействие – концепция мгновенного взаимодействия тел через пустоту. Близкодействие – концепция взаимодействия тел через посредника – то или иное поле.
С появлением квантовой теории поля была сформулирована концепция обменного взаимодействия, осуществляемое путем обмена частицами.
Исходной "затравочной" моделью в этом случае является поле, посредством которого осуществляется взаимодействие между зарядами. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами – квантами электромагнитного поля.
Сильное взаимодействие обусловлено обменом пионами при взаимодействии нуклонов и глюонами при взаимодействии кварков.
2.4 Современная модель нейтрона
Все элементарные частицы, как мы это узнали в предыдущем разделе, в результате строгих испытаний, получают своеобразный аттестат основных свойств. Это величина и знак заряда, масса, время жизни или период полураспада, спин, или момент количества движения и магнитный момент, а также особенности взаимодействия с ядрами.
Нейтрон сверхплотная частица. Его масса, которая в 1839 раз больше массы электрона, превосходит массу протона на 2,5 электронных массы и равна 1,00876 единиц массы, сосредоточена в очень маленьком объеме сферы с радиусом 1,23×10-15м. У него огромная плотность: 200млн. тонн в кубическом сантиметре! Чтобы вообразить такую чудовищную плотность, надо представить себе картину: гора Казбек, спрессованная в чайной ложке. Нейтрон во столько же раз меньше виноградинки, диаметр которой равен 1см, во сколько раз пылинка меньше земного шара.
Заряжен ли нейтрон? Нейтроны, пролетая сквозь вещество, почти не вызывают его ионизации. Они не отталкиваются электрическим полем. Поэтому считают, что заряд нейтрона равен нулю. Но тем не менее, нейтрон окружен магнитным полем, и при встрече с намагниченными телами он отклоняется от своего пути. Поток нейтронов легче проникает через ненамагниченные листы железа. Вероятно, нейтрон должен обладать сложной структурой, раз он обладает магнитным моментом. Нейтрон может испускать p-мезон, что означает, что либо нейтрон в результате какого-то процесса превращается в p-мезон и протон, либо нейтрон представляют собой сложную конструкцию, в состав которой входят p-мезоны и, может быть, другие частицы. Эти явления существенно меняют наши преставления об элементарных частицах, как о каких-то однородных кирпичиках, из которых построены вещества, но и нейтрон, и протон действительно являются элементарными частицами в том смысле, что именно из этих частиц построены ядра всех элементов во вселенной.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
