Элементарные частицы — это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Элементарные частицы не остаются неизменными.
Все элементарные частицы способны превращаться друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования.
Атом – электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц. Составные части атома – ядро и электроны.
Электрон – истинная элементарная частица, заряженная отрицательно. Ядро состоит из частиц двух типов: положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Оба типа частиц имеют общее название «нуклоны» и относятся к классу адронов и, как и другие андроны, в свою очередь сами состоят из элементарных частиц – кварков; поэтому протон и нейтрон в строгом смысле элементарными частицами не являются. Протоны и нейтроны характеризуются одинаковой массой, равной 1,67 · 10-24 г, называемой «атомной единицей массы» (сокращенно – а. е. м.); электрон же намного легче нуклонов, его масса равна 0,00055 а. е. м. Из этих данных понятно, что наибольший вклад в массу атома вносят именно нуклоны. Достаточно большое разнообразие элементов (и их изотопов) обеспечивается наличием частиц всего трех типов, которые принимают участие в создании атомов.
Все частицы имеют двойников — античастицы. Например, по отношению к электрону античастицей является позитрон. Частица и античастица имеют одинаковые массы, а их заряды противоположны по знаку. При столкновении частицы с античастицей они исчезают (аннигилируют), превращаясь в другие частицы.
Кварки – более фундаментальные частицы, были обнаружены внутри протонов и нейтронов при наблюдении рассеяния электронов и нейтрино больших энергий на нуклонах. (протон и нейтрон состоят из 3х разных кварков)
В настоящее время элементарными частицами условно называют большую группу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами, т.е. это самая маленькая частица, которую можно наделить массой, зарядом, спином и др. свойствами. Характерной особенностью элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Большинство элементарных частиц нестабильно – они самопроизвольно (спонтанно) превращаются в другие частицы.
Стабильными являются электрон, фотон, все виды нейтрино и их античастицы.
Известно, что элементарные частицы взаимодействуют друг с другом, причем существует четыре типа взаимодействия. Любое взаимодействие характеризуется некоторой константой (постоянной) определяющей вероятность сильного взаимодействия.
ВИДЫВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРИРОДЕ
Сильное или ядерное обуславливает связь нуклонов в ядре.
Электромагнитное – характеризуется как взаимное, в основе которого лежит связь с электрическим полем. Оно характерно для всех элементарных частиц за исключением нейтрино и антинейтрино.
Слабое – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействия частиц, происходящих с участием нейтрино и антинейтрино.
Гравитационное – присуще всем частицам без исключения, однако из-за малых масс элементарных частиц, оно очень мало.
При классификации частиц их обычно подразделяют на четыре класса, хотя предположительно существует еще один класс частиц – гравитоны (кванты гравитационного поля), однако частицы эти экспериментально не обнаружены.
РАССМОТРИМ ЭТИ КЛАССЫ:
1. Фотоны – эта группа из одной частицы, кванта электрического поля γ. Участвует в электрических взаимодействиях, но не обладают ни слабым, ни сильным взаимодействием.
2. Лептоны (от греческого слова «лептос» – легкий). К их числу относятся электронное нейтрино, мюоны, электроны, тау-лептоны, мюонное нейтрино, тау-нейтрино, (то есть частицы и их античастицы). Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Кроме того, электроны и мюоны (имеющие элементарный заряд) обладают также элементарным магнитным взаимодействием.
3. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы. К их числу относят пионы, К-мезоны или каоны, эта-мезоны. В отличие от лептонов, мезоны могут обладать сильным, слабым и электромагнитным взаимодействием.
4. Барионы – это класс элементарных частиц объединяющих в себя нуклоны (p, n) и нестабильные частицы с массой больше массы нуклонов получивших название гиперонов. Эти частицы присутствуют в космическом излучении падающем на Землю. Исследование этого излучения позволило получить основные экспериментальные данные по элементарным частицам.
Иногда мезоны и барионы объединяют в один класс – адроны (от греческого «адрос» – крупный, сильный).
Впервые гипотеза об античастице возникла в 1928г. когда П. Дирак на основе релятивистского волнового уравнения предсказал существование позитрона (античастица электрона), обнаруженного экспериментально в 1932гв составе космического излучения. Релятивистская квантовая теория приходит к выводу, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица (принцип зарядового сопряжения).
Согласно теории Дирака, столкновение частицы и античастицы должно приводить к их взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие элементарные частицы или фотоны.
Пример: аннигиляция пары (электрон-позитрон) в результате чего возникают два γ кванта.
Сравнительно недавно (1964 г.) физика обогатилась совершенно необычными частицами. Эти частицы, их называют кварки, никогда не становятся реальными. Они всегда виртуальны, то есть их нельзя наблюдать отдельно от других частиц.
Кварки ввели для объяснения свойств адронов, что они состоят из 3 кварков
(вначале), причем им приписывают дробный электрический заряд +2/3, –1/3. Существуют также и антикварки.
Внутри адронов кварки удерживает особое поле, его называют глюонным. Оно подобно электромагнитному полю, удерживающему электроны внутри атома. У кварка помимо электрического есть и глюонный заряд, создающий глюонное поле. Глюон подобен фотону, но является сильно взаимодействующими частицами. Считается, что существует 6 типов кварков u(up), d(down), s(strange), c(charm), t(top), b(beauty) – называют их верхний, нижний, странный, очарованный, высший, и прелестный. Существует и 6 антикварков.
Кроме заряда кварки имеют еще одно квантовое число – цвет, принимающий три значения: красный, желтый, синий. Цвет изменяется при испускании глюона.