Услуга: Элементарные частицы

Задание 1. Выясните характеристики элементарных частиц и принципы их классификации (прил. 1 см. стр.2) Дайте определение элементарным частицам и охарактеризуйте их основные свойства, заполнив таблицу 1.)

Элементарные частицы –

Таблица 1 – Классификация элементарных частиц

Задание 2. Изучите основные характеристики четырех фундаментальных взаимодействий. (приложение 1)

Ответьте на следующие вопросы и заполните таблицу 2: 1. Назовите основные характеристики гравитации. Дайте им определение. 2. Почему до сих пор не обнаружены элементарные частицы гравитоны – материальные носители гравитации? 3. Между какими частицами возможно гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие? 4. Назовите общие черты электромагнитного и гравитационного взаимодействия. 5. Назовите общие черты слабого и сильного взаимодействия.

Таблица 2 – Характеристики фундаментальных взаимодействий

Задание 3. Изучите представления о строении Вселенной Клавдия Птолемея – основателя геоцентрической системы мира (прил. 3). Какие космические объекты в этой системе считались подвижными, а какие – неподвижными?

Задание 4. Изучите представления о строении Вселенной Николая Коперника – основателя гелиоцентрической системы мира (прил. 4). В чем заключаются отличия и сходства гелиоцентрической системы мира от геоцентрической? Сопоставьте эти сведения с современными знаниями о строении Солнечной системы. Заполнить таблицу.

Приложение 1

Элементарные частицы – мельчайшие известные частицы физической материи, которые в известной мере можно считать некими «кирпичиками» мироздания на современном уровне познания материи. Единой классификации элементарных частиц не разработано. Характеристиками элементарных частиц, по которым создаются их классификации, являются масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, внутренние квантовые числа, магнитный момент, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Под массой элементарной частицы понимают массу покоя (М₀), поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя (фотон), движется со скоростью света. Нет двух других частиц с одинаковыми массами. Электрон – самая легкая частица с ненулевой массой, масса фотона вообще равна нулю. Самая тяжелая элементарная частица – Z-частица – обладает массой в 200000 раз большей массы электрона. По значению массы покоя элементарные частицы можно подразделить на 4 класса: фотоны (М₀ = 0), лептоны (М₀ > 0, но меньше или равна массе электрона), мезоны (М₀ равно или больше массы электрона, но меньше массы протона), барионы (М₀ равно или больше массы протона, но меньше массы дейтрона – ядра тяжелого изотопа водорода – дейтерия). Среди барионов различают нуклоны и более тяжелые частицы – гипероны.

Электрический заряд, в отличие от массы, меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен элементарной единице заряда – заряду электрона (–1; +1). Некоторые частицы (нейтрон, фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда. По электрическому заряду все частицы делятся на электронейтральные, электроположительные и электроотрицательные.

Спин – собственный момент импульса частицы – определяет свойства элементарной частицы в зависимости от оборота. Известны элементарные частицы как с целым (фотон), так и с дробным спинами (нейтрон, электрон). Частицы со спином 0 при любом угле поворота выглядят одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. В зависимости от спина все частицы делятся на 2 группы: бозоны, через которые осуществляется взаимодействие, – частицы с целыми спинами 0, 1 и 2; фермионы, которые составляют вещество, – частицы с полуцелыми спинами 1/2 и 3/2.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы – это электрон, протон, фотон и нейтрон. Все остальные известные частицы нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10^-24 с.

По типам фундаментальных взаимодействий элементарные частицы обычно разделяют на следующие классы:

1. Фотоны – кванты (неделимые порции) электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаи­модействия, но участвуют в электромагнитном.

2. Лептоны (от греч. leptos – «легкий»), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают сильным взаимодействием, но участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд – также и в электромагнитном взаимодействии.

3. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы.

4. Барионы (от греч. barys – «тяжелый»), в состав которых входят стабильные нуклоны (протоны и нейтроны), а также нестабильные частицы с массами, боль­шими массы нейтрона, гипероны, многие из резонансов. Иногда мезоны и барионы объединяют в один класс – адроны.

Приложение 2

Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 10³⁹ раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело в универсальности гравитации. Каждое тело во Вселенной (будь то планета или частица) испытывает на себе действие гравитации и само является источником гравитации. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Гравитация – дальнодействующая сила природы, радиус действия бесконечно большой. Это означает, что хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной разваливаться на части. Гравитационное взаимодействие удерживает планеты на их орбитах и тела – на Земле. Гравитационное излучение и элементарные частицы – гравитоны, кванты которых образуют гравитационное поле, экспериментально пока не обнаружены из-за слабого взаимодействия с веществом. Фундаментальная константа гравитационного взаимодействия (α_g): α_g = Gm/ħс ≈ 10^-39, где G – гравитационная постоянная; m – масса электрона; ħ – квант минимального действия, с помощью которого определяют точность изменения импульса или координаты частицы; с – скорость света в вакууме.

Проявление электромагнитного взаимодействия (электромагнетизма) известны людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). В отличие от гравитации, носителями электрического заряда являются не все частицы. Этой способностью обладают только заряженные частицы. Переносчиком этого взаимодействия является фотон. Электрическая и магнитная силы являются дальнодействующими, радиус их действия бесконечно большой. Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Электромагнитное взаимодействие (как и гравитационное) проявляется на всех уровнях материи – в мегамире, макромире и микромире. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов, отвечает за большинство физических и химических явлений и процессов (кроме ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, – им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др. Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны в атомах и соединяет их в молекулы, из которых состоят все живые существа. Константа электромагнитного взаимодействия: α_е = е²/ħ²с ≈ 1/137, где е – заряд электрона.

Слабое взаимодействие меняет внутреннюю природу частиц, определяет их распад. Слабое взаимодействие обеспечивает длительное горение Солнца, дающего энергию для протекания всех процессов на Земле. Так, слабое взаимодействие определяет превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино (после чего благодаря сильному взаимодействию четыре протона превращаются в ⁴Не). С проявлением слабого взаимодействия столкнулись при открытии радиоактивности. В системах, где присутствует слабое взаимодействие, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Радиус распространения слабого взаимодействия не превышает 2·10^{-16 см} от источника, поэтому его влияние распространяется лишь на объекты микромира. Переносчики слабого взаимодействия – векторные бозоны. В отличие от фотонов и гравитонов, эти частицы довольно массивны. Константа слабого взаимодействия: α_w = qm²c²/ħ³с ≈ 10^-5, где q – константа Ферми.

Сильные взаимодействия обусловливают различные ядерные реакции, а также возникновение сил, связывающих нейтроны и протоны в ядрах, обеспечивая тем самым стабильное существование атомов. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Человек научился высвобождать сильное взаимодействие (создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции). По своей величине сильное взаимодействие превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, однако за пределами ядра 10^{-13 см} сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают все протоны и нейтроны, а электроны, фотоны и нейтрино не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют только тяжелые частицы. Переносчики сильных взаимодействий – глюоны (от английского слова glue – «клей»), с массой покоя равной нулю. Константа сильного взаимодействия: α_s=q_s/ħс≈10^-5, где q_s – цветовой заряд.

Существует точка зрения, что все четыре взаимодействия представляют собой явления одной природы и может быть найдено их единое теоретическое описание – теория Великого объединения. По мнению физиков, создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий – дело отнюдь не отдаленного будущего.

Приложение 3

Приложение 4