Елементарни частици

1. Елементарни частици. Характеристики

   Кои са най- малките градивни "тухлички" на материята? В началото на 30-те години на ХХ век физиците смятат, че материята е съставена само от три вида частици: електрони, протони и неутрони. Те са наречени елементарни частици, защото се предполагало, че са най- малките, неделими късчета материя, които нямат вътрешна структура, т.е. не са изградени от други, по- малки частици. След създаването на мощни ускорители на заредени частици става възможно да се предизвикат удари между частици, имащи огромна кинетична енергия (фиг. 9-1). Изследванията показват, че при такива удари се създават нови частици, които също е прието да се наричат елементарни. Досега са открити стотици подобни частици, които са изключително нестабилни и след много кратък интервал от време, наречен време на живот, се разпадат на други частици.

    Според съвременните представи повечето от частиците, условно приети за елементарни, имат сложна структура- изградени са от по- малки частици, наречени кварки. Например протоните и неутроните представляват системи от здраво свързани помежду си кварки.

    Едни от характеристиките на елементарните частици са:

  • маса в покой- прието е да се изразява в единици eV;
  • електричен заряд- зарядът на частиците, които се наблюдават в сободно състояние, е целочислено кратен на елементарния електричен заряд.
  • време на живот

2. Лептони, мезони и бариони

    Елементарните частици (с изключение на фотоните) се разделят на три семейства. Първоначално това разделение е направено според масата на частиците. Електронът принадлежи към семейството на най- леките частици, наречени лептони. Протоните и неутроните са от семейството на тежките частици, наречени бариони. Междинно положение заемат мезоните, които имат по- голяма маса от лептоните, но са по- леки от барионите. В табл. 9-1 са систематизирани някои от основните характеристики на частици от трите семейства.

Частица

Символ

Електричен заряд е, единици е

Маса в електронни маси

Врема на живот, s

лептони

 

 

 

 

електрон

-1

1

стабилна

мюон

-1

207

2,2.10-6

тау- лептон

-1

3490

10-13

електронно неутрино

0

0 (?)

стабилна

мюонно неутрино

0

0 (?)

стабилна

тау- неутрино

0

0 (?)

стабилна

 

 

 

 

 

мезони

 

 

 

 

пион (пи- мезон)

+1

273

2,6.10-8

 

0

264

8,4.10-17

каон (ка- мезон)

+1

966

1,2.10-8

 

0

974

5,2.10-8

ета

0

1074

10-18

 

 

 

 

 

бариони

 

 

 

 

протон

p

+1

1836

стабилна

неутрон

n

0

1838

920

ламбда

0

2184

2,6.10-10

сигма

+1

2327

8.10-11

 

-1

2343

1,5.10-10

 

0

2334

6.10-20

омега

0

3272

8,2.10-11

За названието на повечето от тях се използват букви от гръцката азбука. Горе вдясно на буквата се поставя знакът "+", "-" или "0", който показва какъв е електричният заряд на частицата.

    Най- малобройно е семейството на лептоните. Досега са открити само три вида заредени лептона: електрон, мюон и тау- лептон. На всеки от тях съответства по един вид неутрино: електронно неутрино, мюонно неутрино и тау- неутрино. Неутриното е електронеутрална частица. Предполага се, че масата му е нула или е много малка. Неутриното има изключително голяма проникваща способност- например почти безпрепятствено преминава през Земята, Слънцето и другите небесни тела. Неутрино се изпуска при различни ядрени реакции и при разпадането на някои частици. Пристигащите до Земята потоци от неутрино носят информация за ранните стадии от развитието на Вселената, за процесите в недрата на звездите и Слънцето и др.

    В свободно състояние всички бариони и мезони, с изключение на протона, са нестабилни. Дори неутроните, когато не са свързани в ядра, живеят средно само около 900 s (15 min), след което се разпадат на протони и електрони. Времето на живот на останалите частици е много малко.

    Масата в покой не е най- същественият признак, по който елементарните частици се разделят на три групи. Например през 1975 година е открит тау- лептонът, чиято маса е около два пъти по- голяма от масата на протона. Според съвременната класификация, основните различия между частиците от трите семейства са в тяхната вътрешна структура. Смята се, че лептоните са безструктурни, т.е. не са изградени от други частици. Затова те се разглеждат като истински елементарни частици. Мезоните и барионите са съставени от кварки. Повечето известни досега мезони съдържат два кварка, а барионите- три кварка.

3. Античастици

    През 1932 година американският физик Карл Андерсън открива, че при взаимодействието на космичните лъчи (потоци от заредени частици- главно протони с много голяма енергия) с горните слоеве на атмосферата се получава положително зареден "двойник" на електрона, който той нарича позитрон (символ е+). Позитронът има същата маса както електрона, но е носител на елементарен положителен заряд (както протона). Тъй като позитроните не влизат в състава на веществото, след тяхното откриване започват да се използват понятията античастици и антиматерия. По- нататъшните изследвания показват, че не само електронът, но и всички останали елементарни частици имат сво "двойници"- античастици. Всяка частица и нейната античастица са с еднакви маси. Електричните им заряди също са равни по големина, но имат противоположни знаци. Например антипротонът, който е открит през 1955 година, има същата маса, както протона, но електричният му заряд е отрицателен. Незаредените частици, например неутронът, също имат античастици. В този случай не електричният заряд, а други величини, които ги характеризират, имат различни знаци.

    При среща на частица с нейната антиачстици се извършва т.нар. анихилация (от лат. анихилацио- унищожаване, изчезване). Двете частици престават да съществуват, а вместо тях се появяват фотони или други частици. Например при взаимодействие на електрон и позитрон се получават два γ- кванта

    Античастици се създават при удари между частици с много голяма кинетична енергия. В естествени условия това става например при взаимодействието на на космичните лъчи с горните слоеве на земната атмосфера. В лабораторни условия античастици се създават в ускорителите.

Изтегли в .pdf                      Изтегли в .docx

Дали научихме всичко?

Проверете със следния тест!

Любопитно
Хигс бозонът е масивна скаларна елементарна частица. Съществуването и е доказано и потвърдено от Европейската организация за ядрени изследвания - CERN на 14 март 2013 год. Теоретично е предсказана от Питър Хигс в рамките на т.нар. Стандартен модел.

Според Стандартния модел Хигс бозонът има голяма маса - 130 пъти по-голяма от масата на протона. За да се наблюдава експериментално, е необходимо да се сблъскат протони с висока енергия и в резултат на сблъсъка им се случва да се роди Хигс бозон, макар и много рядко, един път на 10 милиарда сблъсъка.

Фиг. 9-1. С построяването на мощни ускорители физиците откриват нови частици.

Ърнест Лоурънс (1901-1958), американски физик. През 1930 година Лоурънс създава първия кръгов ускорител (циклотрон) с диаметър 11 cm, който ускорява протони до енергия 8.104 eV.

Фиг. 9-2. ЦЕРН- Европейската организация за ядрени изследвания. Организацията e разположена на границата между Франция и Швейцария, западно от Женева. Споразумението за създаването на CERN е подписано в Париж на 29 юни − 1 юли 1953 г. от представителите на 12 европейски държави. Организацията е основана на 29 септември 1954 г.. Понастоящем броят на страните-членки вече е 20, сред които е и България.

Фиг. 9-3. LHC- Големият адронен колайдер- Това е най-големият ускорител на частици в света. С негова помощ  учените се надяват да наблюдават какво се случва при сблъскването на елементарни частици и по този начин да отговорят на някои от най-големите въпроси за това как е създадена вселената. За да се охлажда до -271.3 градуса, са нужни 70 тона течен хелий и 10 000 тона течен азот. Вътрешността на тунела пък, е най-празното място в слънчевата система. Ускорените частици ще пътуват в изключително голям вакуум с 10 пъти по-малко налягане отколкото на Луната. Колайдерът представлява тунел в затворен кръг с обиколка 27км. и дълбочина от 50 до 175 метра под земята. Тунелът е широк 3.8 метра и е построен за периода 1983г. – 1988г. С бюджет от 9 милиарда долара, това е най-скъпият научен експеримент в човешката история.

Фиг. 9-4. Следи от разпадите на частици във вътрешността на детекторите.

Питър Хигс, британски физик. Предсказва съществуването на нова елементарна частица, Хигс бозон, често наричана „най-търсената частица в съвременната физика“). На 4 юли 2012 от CERN съобщават, че при експериментите ATLAS и CMS е наблюдавана експериментално частица с маса около 126 GeV (гигаелектронволта), т.е. с характеристиките на Хигс бозон, както са предсказани от Стандартния модел.