Концепция атомизма.

 

Объяснения, при которых свойства сложных веществ или тел пы- таются свести к свойствам более простых элементов или составных час- тей, называют редукционистскими.

Атомизмом принято считать подход к объяснению процессов,

происходящих во Вселенной, связанный с поиском мельчайших недели-

мых частиц, определяющих состав, свойства и структуру всего сущего.

Долгое время такой частицей считался атом( в переводе с грече-

ского неделимый ), однако в начале ХХ века английские физики

Э.Резерфорд и Ф.Содди, исследуя радиоактивные превращения химиче-

ских элементов, доказали, что атом не является неделимым.

Поиск первичных фундаментальных частиц, названных впоследст-

вии элементарными, привел к открытию электрона (1897), протона (1919), фотона (1900 ), нейтрона (1932), позитрона (1932 ), нейтрино (1932 ), антипротона

(1955 ), антинейтрона (1956), промежуточных бозонов (1983). В

1970-80г.г. речь идет уже о семействах «странных», «очарованных»,

«красивых» элементарных частиц.

Общие сведения об элементарных частицах.

Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует также взаимопревращения атомных ядер происходящие в ре- зультате как радиоактивных распадов, так и различных ядерных реак-

ций. К ядерной физике тесно примыкают физика элементарных частиц,

физика и техника ускорителей заряженных частиц, ядерная энергетика.

Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя продвигаться в понимании строения материи, и в то

же время чрезвычайно важны в практическом отношении (в энергетике,

медицине и т. д.).

Элементарные частицы - первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физи-

ке этот термин обычно употребляется не в своём точном значении, а в

менее строгом - для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона. К элементарным частицам относятся: протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжёлые лептоны, нейтрино трёх типов, странные частицы (К-мезоны), гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым очарованием,

«очарованные» частицы, промежуточные векторные бозоны и т. п. - все-

го более 350 частиц, в основном нестабильных. Их число продолжает расти по мере расширения наших знаний. Большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, по- скольку являются составными системами. Общее свойство всех этих частиц заключается в том, что они представляют собой специфические формы существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы.

Массы большинства элементарных частиц имеют порядок величи-

ны массы протона, равной ~1,7*10 -24 г. Размеры протона, нейтрона, пи- мезона, и других адронов - порядка 10 -13 см, а электрона и мюона не определены, но меньше ~10 -16 см. Микроскопические массы и размеры

элементарных частиц обуславливают квантовую специфику их поведе- ния. Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - способность испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами.

Характеристики элементарных частиц. В зависимости от време-

ни жизни частицы делятся на стабильные (электрон, протон, фотон и нейтрино), квазистабильные (распадающиеся при электромагнитном и слабом взаимодействиях, время их жизни больше 10 -29 с) и резонансы (частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия, типичное время жизни ~10 -22-10 –24 с).

Общими для всех элементарных частиц характеристиками явля-

ются масса, время жизни, электрический заряд, спин и др.

 

 

Элементарные частицы - характеризуются моментом импульса. Согласно квантовой механике, момент импульса системы может прини- мать не любые, а дискретные значения, его скачки равняются постоян- ной Планка, поэтому его измеряют в единицах этой постоянной (дис- кретность возможных значений момента совершенно незаметна в обыч- ной жизни, поскольку постоянная Планка очень мала). Момент, изме- ренный в таких единицах, называется спином. Спин может принимать целые или полуцелые значения. В соответствии опять же с квантовой механикой проекция момента на какую-либо ось тоже имеет дискретные значения. Разумеется такая дискретность находится далеко за пределами измерительных возможностей обычной механики. Иное дело -объекты микромира, для них дискретность значений вектора момента и его про- екций играет существенную роль.

Характеристики элементарных частиц, принимающие дискретные значения, принято называть квантовыми числами. Различают спиновое,

орбитальное, магнитное и другие квантовые числа.

Помимо указанных величин, элементарные частицы дополнитель-

но характеризуются ещё рядом квантовых чисел, которые называются внутренними. Это барионный и лептонный заряды, чётность, а также кварковые ароматы - характеристики, определяющие тип кварка, такие как изоспин, странность, «очарование», «красота», цвет. Внутренние квантовые числа вводятся для того, чтобы формализовать закономерно- сти, экспериментально наблюдаемы в процессах, происходящих в мик- ромире.

Истинно элементарные частицы. На сегодняшний день с теоре- тической точки зрения известны следующие истинно элементарные час- тицы (на данном этапе развития науки считающиеся неразложимыми)_ частицы: кварки и лептоны (эти разновидности относятся к частицам

вещества), кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны), а также частицы Хиггса.

Каждая из пар лептонов объединяется с соответствующей парой кварков в четвёрку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, отличаются лишь массы: второе

тяжелее первого, третье тяжелее второго. Предполагается, что в природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные можно создать искусственно на

ускорителях заряженных частиц или при взаимодействии космических

лучей в атмосфере.

Кроме имеющих половинный спин частиц вещества, к истинно элементарным частицам относятся частицы со спином 1. Это кванты по-

лей, создаваемых частицами вещества. Массивные W-бозоны являются переносчиками слабых взаимодействий между кварками и лептонами. Глюоны - переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и

сами кварки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются

на промежуточных стадиях некоторых реакций. Теория кварков и глюо-

нов называется квантовой хромодинамикой.

Частица с предполагаемым спином 2 - это гравитон, его существо- вание предсказано теоретически, но обнаружить его будет чрезвычайно трудно, так как он очень слабо взаимодействует с веществом.

Наконец, к истинно элементарным частицам относятся частицы

Хиггса, или Н-мезоны, и гравитино, они не обнаружены нба опыте, но

их существование предполагается во многих современных теоретиче-

ских моделях.

Антивещество. У многих частиц существуют двойники в виде ан-

тичастиц, с теми же массой, временем жизни, спином, но отличающиеся

знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. (электрон-позитрон, протон-антипротон и др.). Существование античас-

тиц было впервые предсказано

в 1928 г. английским физиком-

теоретиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского дви-

жения электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего

ту же массу, но положительный электрический заряд.

Характерная особенность поведения частиц и античастиц - их ан-

нигиляция при столкновении. Типичный пример -взаимоуничтожение электрона и позитрона с выделением энергии при рождении двух фото- нов.

В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами - все процессы, проте- кающие с первыми, возможны и аналогично для вторых. Подобно про- тонам и нейтронам их античастицы могут образовывать антиядра. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скоп- ления антивещества.

Классификация условно элементарных частиц. В соответствии с четырьмя видами фундаментальных взаимодействий различают соответ-

ственно четыре вида элементарных частиц: адроны, участвующие во всех взаимодействиях, лептоны, не участвующие только в сильном (а нейтрино в электромагнитном), фотон, участвующий только в электромагнитном взаи- модействии, и гипотетический гравитон - переносчик гравитационного взаи- модействия.

Адроны - общее название для частиц, наиболее активно участвую- щих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - барионы и мезоны.

Барионы - это адроны с полуцелым спином. Самые известные их них - протон и нейтрон. Одним из свойств барионов, отличающим их от других частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барион- ного разряда, введённого для описания опытного факты постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антиба- рионов.

Мезоны - адроны с целым спином. Их барионный заряд равен ну- лю. Адронов насчитывается около 350. Большинство их них крайне не- стабильны и распадаются за время порядка 10 -23 с. Столь короткоживу- щие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рожде- ние обнаруживают по косвенным признакам. Например, изучают реак- цию ааннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения, обнаруживают, что при каком-

то её значении выход адронов резко увеличился. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица. По- том она мгновенно распадается на другие адроны, которые и регистри- руются. Такие короткоживущие частицы называются резонансами. Большинство барионов и мезонов - резонансы.

 

 

Особенности элементарных частиц:

1) малые размеры и масса;

2) cпособность рождаться и уничтожаться ( аннигилировать ) при взаимодействии с другими частицами.

Виды взаимодействиймежду элементарными частицами:

1) cильные;

2) электромагнитные;

3) слабые;

4) гравитационные.

Выделены две большие группы элементарных частиц: адроны, ко- торые могут участвовать в сильном, электромагнитном и слабом взаи- модействии; и лептоны, участвующие только в электромагнитном и

слабом взаимодействии. В эти группы попадают все элементарные час-

тицы за исключением фотона.

Кроме того у элементарных частиц выделяют индивидуальные характеристики:

1) массу частицы;

2) время жизни;

3) спин;

4) электрический заряд;

5) магнитный момент.

По современным представлениям все адроны состоят из кварков-

дробнозаряженных фундаментальных частиц и антикварков. У всех эле- ментарных частиц существуют античастицы, которые обладают проти- воположным электрическим зарядом и магнитным моментом по сравне- нию с соответствующей элементарной частицей.

Современный подход к изучению строения материи основывается

не на поиске последних, неделимых частиц, а на выявление их внутрен-

них связей для объяснения целостных свойств макрообразований. Даль-

нейший прогресс в познании фундаментальных свойств материи следует

по-видимому ожидать в результате объединения концепций атомизма

( дискретности ), целостности ( системности ) и системного анализа.