151682 (Елементарні частинки та їх застосування)

Реферат на тему:

Елементарні частинки

та їх застосування

Виконав учень

10-Б класу

Легіневич Тарас

План

1) Вступ

2) Короткі історичні відомості

3) Основні властивості елементарних частинок. Класи взаємодій

4)  Характеристики елементарних частинок

5) Елементарні частинки і квантова теорія поля

6) Застосування елементарних частинок

7) Висновок

Вступ

Елементарні частинки – це первинні частинки, які дальше не розпадаються, з них складається вся матерія. Поняття елементарні частинки сформувалося в тісному зв'язку з встановленням дискретного характеру будови речовини на мікроскопічному рівні. Відкриття на рубежі 19-20 ст. найдрібніших носіїв властивостей речовини – молекул і атомів – і встановлення того факту , що молекули побудовані із атомів , дозволило описати всі відомі речовини як комбінації кінцевого числа структурних складових – атомів . Виявлення в подальшому наявності складових атомів–електронів і ядер , встановлення складної природи ядер , які складаються із двох типів частинок (протонів і нейтронів) , дало можливість передбачити , що ланцюжок складових матерії завершиться дискретними безструктурними утвореннями – елементарними частинками. Але не можна впевнено стверджувати , що такі елементарні частинки існують. Протони і нейтрони , наприклад , довгий час рахувалися елементарними , а тепер вияснилось , що вони мають складну будову.

Не виключена можливість того , що послідовність структурних складових матерії безкінечна.

Термін “елементарні частинки” часто використовується в сучасній фізиці для найменування великої групи найдрібніших частинок матерії , які не являються атомами і атомними ядрами (виняток складає ядро атома водню–протон). Як показали дослідження , ця група частинок дуже велика . Крім згадуваних протона , нейтрона і електрона до неї відносяться : фотон , пімезони, мюони, нейтрино, дивні частинки (К-мезони і гіперони) , різноманітні резонанси , “зачаровані” частинки , іпсилон-частинки і важкі лептони–всього більше 350 частинок, в основному нестабільних . Число частинок , що входить в цю групу , продовжує рости , і скоріше всього , необмежено велике. Використання назви “елементарні частинки ” до всіх цих частинок має історичні причини і пов'язано з тим періодом досліджень (початок 30-х років 20 ст.), коли єдиними представниками даної групи були протон , нейтрон і частинка електромагнітного поля – фотон. Ці чотири частинки тоді рахувалися елементарними , так як вони служили основою для побудови речовини і електромагнітного поля , яке з нею взаємодіє , а складна структура протона і нейтрона не була відома.

Відкриття нових мікроскопічних частинок матерії поступово зруйнувало цю просту картину. Нові відкриті частинки дуже були близькі до перших чотирьох відомих частинок. Спільним для них є те, що вони являються специфічними формами існування матерії , яка не асоціюється в ядра і атоми , тому їх іноді називають “суб'ядерними частинками”. До тих пір , поки кількість таких частинок була не дуже велика , існувала думка , що вони відіграють фундаментальну роль в будові матерії , і їх відносили до елементарних частинок . Зростання кількості суб'ядерних частинок , виявлення у багатьох із них складної будови показало , що вони , як правило , не мають властивості елементарності , але традиційна назва “елементарні частинки ” за ними збереглась.

Короткі історичні відомості

Першою відкритою елементарною частинкою був електрон – носій негативного елементарного електричного заряду в атомах. В 1897р. Дж. Дж. Томсон встановив, що катодні промені утворені потоком найдрібніших частинок , які були названі електронами. В 1911р. Е. Резерфорд , пропускаючи альфа-частинки від природного радіоактивного джерела через тонку фольгу різних речовин , вияснив, що позитивний заряд в атомах зосереджений в компактних утвореннях–ядрах, а в 1919р. виявив серед частинок , вибитих із атомних ядер, протони–частинки з одиничним позитивним зарядом і масою , в 1840 разів перевищуючи масу електрона. Інша частинка , яка входить до складу ядра, – нейтрон – була відкрита в 1932р. Дж. Чедвіком під час дослідження взаємодії альфа-частинки з берилієм.

Нейтрон має масу , яка близька до маси протона ,але не має електричного заряду .

Відкриттям нейтрону завершилося виявлення частинок – структурних елементів атомів і їх ядер.

Висновок про існування частинки електромагнітного поля –фотона– бере свій початок із роботи М. Планка (1900р.) Передбачивши , що енергія електромагнітного випромінювання абсолютно чорного тіла квантована , Планк одержав прави- льну формулу для спектра випромінювання . Розвиваючи ідею Планка , А. Ейнштейн (1905р.) доказав , що світло в дійсності являється потоком окремих квантів (фотонів), і на цій основі пояснив закономірності фотоефекту. Експери- ментальні докази існування фотона були дані Р. Мілікеном (1912-1915рр.) і А.

Комптоном (1922р.) Відкриття нейтрино–частинки , яка майже не взаємодіє з речовиною , веде свій початок від теоретичної здогадки В. Паулі (1930р.) Експериментально існування нейтрино було доведено лише в 1953р.(Ф.Райнес і К.Коуен, США).

З 30-х до початку 50-х років вивчення елементарних частинок було тісно пов'язано з дослідженням космічних променів. В 1932р. в складі космічних променів К. Андерсоном було винайдено позитрон–частинку з масою електрона , але з негативним електричним зарядом .Позитрон був першою відкритою античастинкою . Існування позитрона безпосередньо витікало із релятивістської теорії електрона , розвинутої П. Діраком (1928-1931рр.) незадовго до відкриття позитрона . В 1936 р. американські фізики К. Андерсон і С. Недермейєр відкрили при дослідженні космічних променів мюони–частинки з масою в 200 мас електрона і дуже близькі до властивостей електрона і позитрона. В 1947 р. також в космічних променях групою С. Пауела були відкриті p⁺ и p^-мезони з масою в 274 електронні маси , які відіграють важливу роль при взаємодії протонів з нейтронами в ядрах .

Кінець 40-х– початок 50-х рр. 20 ст. ознаменувалось відкриттям великої групи частинок з незвичайними властивостями , які одержали назву “незвичайних”. Перші частинки цієї групи К⁺- і К^--мезони, L-, S⁺ -, S^- -, X^- -гіперони були відкриті в космічних променях , наступні відкриття незвичайних частинок були зроблені на прискорювачах. З початку 50-х р. прискорювачі перетворилися на основний інструмент для дослідження елементарних частинок. Після введення в роботу протонних прискорювачів з енергіями в мільярди разів дозволило відкрити важкі античастинки: антипротон, антинейтрон, антисигма-гіперони. В 1960-х рр. на прискорювачах було відкрито велику кількість нестійких частинок , які отримали назву “резонансів.” Маси більшості резонансів перевищують масу протона.

У 1962р. було досліджено , що існують два різних нейтрино: електронне і мюонне .В 1974р. були знайдені масивні і в той же час відносно стійкі у-частинки.

Вони тісно пов'язані з новою родиною елементарних частинок – “зачарованих.”

В 1975 р. були одержані перші відомості про існування важкого аналога електрона і мюона (важкого лептона t). В 1977 р. були відкриті Ў-частинки з масою порядку десятка протонних мас. Таким чином, за роки , які пройшли після відкриття електрона , було виявлено величезну кількість різноманітних мікрочастинок матерії .

Основні властивості елементарних частинок.

Класи взаємодій.

Всі елементарні частинки являються об'єктами виключно малих мас і розмірів. У більшості з них маси мають порядок величини маси протона , яка дорівнює 1,6Ч10^-24 г (менше лише маси електрона : 9Ч10^-28 г). Розміри протона , нейтрона , p-мезона по величині дорівнюють 10^-13 см. Розміри електрона і мюона визначити не вдалося , відомо лише , що вони менші 10^-15 см . Мікроскопічні маси і розміри елементарних частинок лежать в основі квантової специфіки їх поведінки . Найбільш важлива квантова властивість всіх елементарних частинок – їх здатність створюватися і знищуватися при взаємодії з іншими частинками. В цьому відношенні вони повністю аналогічні фотонам . Елементарні частинки – це специфічні кванти матерії, більш точно – кванти відповідних фізичних полів . Всі процеси з елементарними частинками протікають через послідовність актів їх поглинання і випускання. Тільки на цій основі можна зрозуміти , наприклад , процес створення p⁺-мезона при зіткненні двох протонів (р + р ® р + n+ p⁺) або процес анігіляції електрона і позитрона , коли замість зниклих частинок виникають , наприклад , два g-кванти (е⁺ +е^- ® g + g). Розпад нестабільних елементарних частинок на більш легкі частинки , супроводжується виділенням енергії , відповідає тій же закономірності і являється процесом, в якому продукти розпаду створюються в момент самого розпаду і до цього моменту не існують. Різні процеси з елементарними частинками відрізняються по інтенсивності протікання . У відповідності з цим взаємодію елементарних частинок можна поділити на декілька класів: сильні, електромагнітні і слабкі взаємодії. Всі елементарні частинки крім цього мають гравітаційну взаємодію.

Сильні взаємодії протікають з найбільшої інтенсивністю. Тому сильні взаємодії зумовлюють зв'язок протонів і нейтронів в ядрах атомів і зумовлюють виключну міцність цих утворень , що лежать в основі стабільності речовини в земних умовах.

Електромагнітні взаємодії характеризуються як взаємодії , в основі яких лежить зв'язок з електромагнітним полем. Процеси , зумовлені ними , менш інтенсивні , ніж процеси сильних взаємодій. Електромагнітні взаємодії відповідальні за зв'язок атомних електронів з ядрами і зв'язок атомів в молекулах. Слабкі взаємодії , як показує сама назва , викликають процеси , які дуже повільно протікають з елементарними частинками . Ілюстрацією їх слабкої інтенсивності може служити той факт , що нейтрино , яке володіє тільки слабкими взаємодіями , без перешкод проходить товщу Землі і Сонця . Слабкі взаємодії зумовлюють також повільні розпади квазістбільних елементарних частинок. Час життя цих частинок лежить в діапазоні 10^-8-10^-10 сек , тоді як час життя для сильних взаємодій елементарних частинок складає 10^-23-10^-24 сек

Гравітаційні взаємодії , добре відомі за своїми макроскопічними проявами , у випадку елеметнарних частинок на характерних відстанях ~10^-13 см дають надзвичайно малі ефекти . Силу різних класів взаємодій можна приблизно охарактеризувати безрозмірними параметрами , пов'язаними з квадратами констант відповідних взаємодій. Для сильних , електромагнітних слабких і гравітаційних взаємодій протонів при середній енергії процесів ~1 Г ев ці параметри відносяться , як 1:10^-2: l0^-10:10^-38. Необхідність врахування середньої енергії процесу пов'язаного з тим , що для слабких взаємодій безрозмірний параметр залежить від енергії.

В залежності від участі в тих чи інших видах взаємодій всі вивчені елементарні частинки , за винятком фотона , можна поділити на дві основні групи: адрони(з грецької hadros – великий , сильний)і лептони (з грецької leptos –дрібний, тонкий, легкий ). Адрони характеризуються перш за все тим , що вони володіють сильними взаємодіями, тоді як лептони беруть участь тільки в електромагнітних і слабких взаємодіях. Маси адронів близькі до маси протона (m_р) ; мінімальну масу серед адронів має p-мезон : m_p"м 1/7Чm_р. Маси лептонів , відомих до 1975-1976-х рр. , були невеликі (0,1m_р ) , але нові дані вказують на можливість існування важких лептонів з такими ж масами , як у адронів . Першими дослідженими представниками адронів були протон і нейтрон, лептонів–електрон . Фотон , який володіє тільки електромагнітними взаємодіями , не можна віднести ні до адронів, ні до лептонів і повинен бути віднесений до окремої групи . Фотон , частинка з нульовою масою спокою , входить в одну групу з дуже масивними частинками–проміжними векторними бозонами , які відповідають за слабкі взаємодії.

Характеристики елементарних частинок

Кожна елементарна частинка описується набором дискретних значень певних фізичних величин , або своїми характеристиками. У певних випадках ці дискретні значення виражаються через цілі або дробові числа і загальний множник–одиницю виміру ; про ці числа говорять , як про квантові числа елементарних частинок, при цьому опускаючи одиниці виміру .

Загальними характеристиками всіх елементарних частинок являються маса (m), час життя (t) , спін(J), електричний заряд (Q). Поки що немає достатнього розуміння , по якому закону розподілені маси елементарних частинок і чи існує для них будь-яка одиниця виміру.

В залежності від часу життя елементарні частинки поділяються на стабільні , квазістабільні і нестабільні (резонанси). Стабільними являються електрон (t > 5Ч10²¹ років), протон (t > 2Ч10³⁰ років), фотон і нейтрино. До квазістабільних відносять частинки , які розпадаються за рахунок електромагнітних і слабких взаємодій. Їх час життя > 10^-20 сек (для вільного нейтрона навіть ~ 1000 сек). Резонансами називаються елементарні частинки , які розпадаються за рахунок сильних взаємодій. Їх характерний час життя 10^-23-10^-24 сек. В деяких випадках розпад тяжких резонансів (з масою і 3 Гев ) за рахунок сильних взаємодій являється подавленим і час життя збільшується до значень– ~10^-20 сек.