Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Гравитация гюка не является объектом Станлартной модели. До сих пор не создана квантовая теория гравитации. Не обнаружен пока и сам гравитон. Очевидно, что гравитационное взаимодействие, в силу исключительной малости, для большинства процессов с участием элементарных частиц можно не учитывать. Лишь при экстремально больших энергиях (=10'ь ГэВ) роль гравитационных сил в микромире не менее важна, чем остальных.
Гравитация доминирует в масштабах Вселенной, где между нейтратьнымн и массивными космическими объектами, разделенными большими расстояниями, она остается практически единственной формой взаимодействия. Гравитационное взаимодействие, так же как и электромагнитное, имеет бесконечный радиус — оно спадает по закону 1,/г. Сравнение гравитационного и электромагнитного взаимодействий двух протонов показывает, что гравитационное взаимодействие слабее электромагнитного на Зб порядков: Р т т,гпз /д,дз ~ кгл Здесь С вЂ” гравитационная постоянная Ньютона; б=б,б? 1О' м' кг с -1,3 1О Фм с МэВ ' (с — скорость света). Гравитационное взаимодействие слабее также двух других взаимодействий (сильного и слабого).
Однако в повседневной жизни, как это ни парадоксально, мы в основном имеем дело с гравитационным взаимодействием. Человеку для того, чтобы оторваться от Земли, отправить спутник в космическое пространство необходимо затратить очень большие усилия.
И они полностью определяются необходимостью преодолеть гравитационное взаимодействие. Почему это происходит? Почему мы не чувствуем взаимодействий, определяющих динамику микромира? Обычный земной мир, с которым постоянно взаимодействует человек — это мир молекул, состоящих из атомов. Атом представляет собой !53 В 7. Аннхиы — молекула. Кварки ... «дра 7ааа ааа ааа ааа ю аа га7 ~, 7аа „аа чмг аа и еа аа м га ч 7а Ф в и и гг Ъ 3 г 3 7 $а,а а,Ф а,а а,г ааааа а длинный лонер Рис. 3.39. Энергии связи электронов различных атомных ободочек в зависимости от атомного номера. Энергии лана в рилбергах (ггу).
1 71у = 2хйс11 = 13,б эВ, где гт — постоянная Рилберга положительно заряженное атомное ядро размером 1О 'з см, окруженное электронной оболочкой. Размер атома определяется размером его электронной оболочки, составляющим 10 з см. В области пространства размером 1О " см сосредоточено электромагнитное поле атома и лля наблюдателя, находящегося на большом расстоянии, атом представляется нейтральной системой, так как положительный заряд ядра полностью компенсируется отрицательным зарядом электронной оболочки. Прн образовании молекулы прочно связанныс внутренние оболочки атомов практически не изменяются.
Химические и физические свойства молекул определяются относительно слабо связанными электронами внешней оболочки. Силы, связывающие атомы в молекулы, также имеют электромагнитную природу. Однако это лишь слабый «отголосок» сил, связывающих электроны и атомное ядро. Прелставление о характерных величинах энергии связи электронов в атомах и атомов в молекулах можно получить из рис.
З.З9 и 3.40. 154 Глава 3. Фундаментальные частицы Стандартной модели На рис. 3.39 показаны зависимости энергий связи электронов в атомах от атомного номера химического элемента, т.с. заряда ядра. В энергиях связи электронов в атомах наблюдается рял закономерностей: ! . Энергии связи электронов сконцентрированы в виде отдельных группв электронных оболочек. Ближайшая к ялру 1в-оболочка. За ней расположена оболочка 2в, 2р.
Следующую оболочку составляют электроны Зв и Зр. 2. Энергия связи электрона на оболочке растет с ростом атомного но- мера. 3. Происходит расшепленне электронной оболочки на отдельные подоболочки, соответствуюшис опрелеленным значениям орбитального момента количества движения электрона. 4. Энергия связи электрона на внешней оболочке гораздо мсньцзе, чем энергия связи на внутренних оболочках. Зля многоэлектронных атомов этот эффект усиливается экранированием кулоновского поля ядра электронами внутренних оболочек.
Ка рис.3,40 показана зависимость потенциальной энергии взаимолействия атомов в молекуле 1ч!аС! от расстояния между ними. Минимум потенциальной энергии находится при 2,4А и составляет Гг — 3,6 эВ. На таком расстоянии силы притяжения и отталкивания между ионами 1Ма+ и СГ сбалансированы и соответствуют устойчивому образованию— молекуле 1ч!аС1, Лля того чтобы расшепить молекулу 1ч1аС1 на отдельные атомы, необходимо затратить энергию 4,2 эВ. Таким образом, анализ строения атома, взаимодействия атомов между собой приволит к очевидному выволу: несмотрв на то что электромагнитное взаимодействие имеет бесконечный радиус действия, в обычных земных условиях в атомах н молекулах оно сконцентрнрованп на расстояниях !0 "-10 'ь см. Оа большем расстпянии пбразуются электрически нейтральные системы.
гь О Е -5 О 5 !О 15 Расстояние между ионами, А Рис. 3.40. Изменение энергии системы ХаП в зависимости от расстоянии между ионами гча~ и СГ 155 в 7, Атомы — молекулы. Кварки ... ядра Рассмотрим теперь ситуацию со строением материи в масштабах ! О 'з см. Фундаментальными составляющими материи, Формирующими адроны, являются кварки — точечные цветные объекты. Они связаны посредством глюонов, которые также являются цветными частицами, переносящими цветное взаимодействие межлу кварками. Расстояние, на котором проявляется цветное взаимодействие 1 Фм— характерный размер адроно. Цветные взаимодействия кварков и глюонов формируют адрон.
И точно так псе, кок атом, построенный из заряхсенных частиц, является электрически нейтральным образованием, адрон, гостояигий из цветных обьектов, является бесцветным обаектом. Цвет проявляегпся только на расстоянии < !О " см. Наиболее ьзироко распространенными адронами в нашем мире являются протон и нейтрон. Протон и нейтрон имеют характерные размеры — ! Фм и представляют собой бесцветные адроны, состоящие соответственно из !ппд) и !пбб) кварков, цвета которых равномерно перемешаны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер. Какие же силы связывают протоны и нейтроны в ядреу Здесь можно прояести аналогию с молекулой.
бесцветные адроны связаны друг с прутом за счет ядерных сил, которые являются аналогом сил, связывающих нейтральные атомы в молекулы. Ядерные силы — это слабый «отголосок» (остаток) сильного взаимодействия межлу цветными кварками в адроне. Что касается слабого взаимодействия, то оно проявляется на расстояниях и 10 'ь см, т. е. на расстояниях, на три порядка меньших размера адрона. Фактически даже по ядерным масштабам это взаимодействие то- 2-е поколение 1-е поколение ЯЯ [»,2»,)»3 3-е поколение ~Я~:'~~г.'1 Цй„~~й, ~ ~,.~ + — е 2 3 -хе 3 У= 1 Рис. Зг41.
Фундаментальные частипы Стандартной модели 156 Плавя 3. Фундоменвальнме чагнгины Стандареной модели чечное. Однако не следует думать, что в макроскопических масштабах слабым взаимодействием всегда можно пренебречь. Ведь даже наше Солнце (как и все другие звезлы) не светило бы, не будь слабого взаимодействия. Таким образом, мы видим, что размер области пространства, в которой явно проявляется то или иное взаимодействие, зависит от радиуса действия соответствующих сил. Существуют две дальнодействуюшие силы— электромагнитная и гравитационная, что является следствием безмассовости соответствующих переносчиков взаимодействия — фотона и гравитона.
Короткодействие слабых сил (1О 'ь см) объясняется большой массой И'- и Я-бозонов. Что касается малого радиуса сильного взаимодействия (! О " см), переносчик которого глюон, так же как и переносчики дальнодействуюших электромагнитных и гравитационных сил, не имеет массы, то это связано с окрашенностью глюона. Цветным объектам «запрещено» удаляться от места своего рождения за пределы области размером 1 Фм.
Эту главу завершает рис. 3.41, на котором приведены фундаментальные частицы Стандартной модели за исключением бозона Хиггса. Показаны три поколения фундаментальнь<х фермионов — частиц со спинам 1/2. Для каждого типа кварков указаны три цвета. Таким образом, кажлое поколение насчитывает восемь частиц — шесть кварков и два лептона. Фундаментальные бозоны — кванты сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий — частицы со спинам 1.
Это 8 цветных глюонов — кванты поля сильного взаимодействия, кванты слабого взаимодействия — И'+, И' и Я-бозоны, и фотон — квант электромагнитного взаимодействия. Глава 4 Адроны $1. Адроны — системы связанных кварков Кварки обьединяются в частицы, называемые адронани. Термин происходит от греческого «хадрос» (сильный) и отражает саойство адронов участвовать в сильных взаимодействиях. Лдронь! — связанные системы кварков н антикварков.
Существуют адроны двух типов — бариовы (их барионный заряд В = +1), состоящие из трех конститузнтных кварков (дед) и являющиеся фермионами (г = 1/2, 3/2,...) и мезовы (В = О), состоящие из кварка н антикварка (дя) н являющиеся бозонами (,У = О, 1, 2,,). Антибарионы (В = — 1) состоят из трех антикварков (дй). Появление кварковой модели позволило «навести порядок«в весьма обширном семействе известных адронов. Достаточно отметить, что зто семейство в настоящее время включает примерно !70 мезонов и 140 барионов.
С учетом того, что каждый барнон должен иметь античастицу (мезоны, имея кварковое строение дд, автоматически включают н антимезоны), фактически число открытых адронов достигает 450. Квантовые числа кварков, образующих адрон, определяют квантовые числа адронов.
Аароны имеют определенные значения электрического заряда 14, спина,7, четности Р, нзоспина Х. Квантовые числа а (странность), с (очарованне), Ь (бпвппом) и 1 (тол) разделяют аароны на обычные нестранные частицы (р, и, а,...), странные частицы (К, Л, Е,...), очаро- д«рваны ,в=! Рис.4.1. Типы ааронов и нх кварковый состав 158 Глава 4. Адлоны ванные (В, Лм Е„...) и боттом-частицы (В, Ль. Бь).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
