Lekcia č.67.

Téma lekcie: Problémy elementárnych častíc

Ciele lekcie:

Vzdelávacie: oboznámiť študentov s pojmom elementárna častica, s klasifikáciou elementárnych častíc, zovšeobecniť a upevniť poznatky o základných typoch interakcií, formovať vedecký svetonázor.

Vzdelávacie: formovať kognitívny záujem o fyziku, vzbudzovať lásku a úctu k výdobytkom vedy.

Vzdelávacie: rozvoj zvedavosti, schopnosti analyzovať, samostatne formulovať závery, rozvíjať reč a myslenie.

Vybavenie: interaktívna tabuľa (alebo projektor s plátnom).

Typ lekcie: učenie sa nového materiálu.

Typ lekcie: prednáška

Počas tried:

Organizačná fáza

Štúdium novej témy.

V prírode existujú 4 typy základných (základných) interakcií: gravitačná, elektromagnetická, silná a slabá. Podľa moderných predstáv sa interakcia medzi telami uskutočňuje prostredníctvom polí obklopujúcich tieto telá. Samotné pole sa v kvantovej teórii chápe ako súbor kvánt. Každý typ interakcie má svoje vlastné nosiče interakcie a vedie k absorpcii a emisii zodpovedajúcich svetelných kvánt časticami.

Interakcie môžu byť na veľké vzdialenosti (prejavujú sa na veľmi dlhé vzdialenosti) a na krátke vzdialenosti (prejavujú sa na veľmi krátke vzdialenosti).

Gravitačná interakcia prebieha výmenou gravitónov. Experimentálne neboli zistené. Podľa zákona objaveného v roku 1687 veľkým anglickým vedcom Isaacom Newtonom sa všetky telesá bez ohľadu na tvar a veľkosť navzájom priťahujú silou priamo úmernou ich hmotnosti a nepriamo úmernou druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi. Gravitačná interakcia vždy vedie k príťažlivosti telies.

Elektromagnetická interakcia má veľký dosah. Na rozdiel od gravitačnej interakcie môže elektromagnetická interakcia viesť k príťažlivosti aj odpudzovaniu. Nositeľmi elektromagnetickej interakcie sú kvantá elektromagnetického poľa – fotóny. V dôsledku výmeny týchto častíc vzniká medzi nabitými telesami elektromagnetická interakcia.

Silná interakcia je najsilnejšia zo všetkých interakcií. Je to krátky dosah, zodpovedajúce sily veľmi rýchlo klesajú so zväčšujúcou sa vzdialenosťou medzi nimi. Akčný rádius jadrových síl je 10 -13 cm

Slabá interakcia sa vyskytuje na veľmi krátkych vzdialenostiach. Rozsah pôsobenia je približne 1000-krát menší ako dosah jadrových síl.

Objav rádioaktivity a výsledky Rutherfordových experimentov presvedčivo ukázali, že atómy sú zložené z častíc. Zistilo sa, že pozostávajú z elektrónov, protónov a neutrónov. Najprv sa častice, z ktorých sú postavené atómy, považovali za nedeliteľné. Preto sa nazývali elementárne častice. Myšlienka „jednoduchej“ štruktúry sveta bola zničená, keď bola v roku 1932 objavená antičastica elektrónu - častica, ktorá mala rovnakú hmotnosť ako elektrón, ale líšila sa od neho znakom elektrického náboja. Táto kladne nabitá častica sa nazývala pozitrón... podľa moderných koncepcií má každá častica antičasticu. Častica a antičastica majú rovnakú hmotnosť, ale opačné znamienka všetkých nábojov. Ak sa antičastica zhoduje so samotnou časticou, potom sa takéto častice nazývajú skutočne neutrálne, ich náboj je 0. Napríklad fotón. Keď sa častica a antičastica zrazia, anihilujú, to znamená, že zmiznú a premenia sa na iné častice (často sú tieto častice fotón).

Všetky elementárne častice (ktoré sa nedajú rozdeliť na zložky) sú rozdelené do 2 skupín: fundamentálne (bezštruktúrne častice, všetky základné častice sa v tomto štádiu vývoja fyziky považujú za bezštruktúrne, to znamená, že sa neskladajú z iných častíc) a hadróny ( častice so zložitou štruktúrou).

Fundamentálne častice sa zase delia na leptóny, kvarky a nosiče interakcií. Hadróny sa delia na baryóny a mezóny. Leptóny zahŕňajú elektrón, pozitrón, mión, taón a tri typy neutrín.

Kvarky sú častice, ktoré tvoria všetky hadróny. Zúčastnite sa silných interakcií.

Podľa moderných koncepcií každá z interakcií vzniká ako výsledok výmeny častíc, nazývaných nosiče tejto interakcie: fotón (častica, ktorá nesie elektromagnetickú interakciu), osem gluónov (častice, ktoré nesú silnú interakciu), tri medziprodukty vektorové bozóny W + , W− a Z 0, nesúci slabú interakciu, gravitón (nositeľ gravitačnej interakcie). Existencia gravitónov zatiaľ nebola experimentálne dokázaná.

Hadróny sa zúčastňujú všetkých typov základných interakcií. Pozostávajú z kvarkov a delia sa na: baryóny pozostávajúce z troch kvarkov a mezóny, ktoré pozostávajú z dvoch kvarkov, z ktorých jeden je antikvark.

Najsilnejšia interakcia je interakcia medzi kvarkami. Protón pozostáva z 2 kvarkov u, jedného kvarku d, neutrón pozostáva z jedného kvarku u a 2 d kvarkov. Ukázalo sa, že na veľmi krátke vzdialenosti si žiadny z kvarkov svojich susedov nevšíma a správajú sa ako voľné častice, ktoré medzi sebou neinteragujú. Keď sa kvarky od seba vzďaľujú, vzniká medzi nimi príťažlivosť, ktorá sa zväčšuje s narastajúcou vzdialenosťou. Rozdelenie hadrónov na jednotlivé izolované kvarky by vyžadovalo veľa energie. Keďže takáto energia neexistuje, kvarky sa stanú večnými väzňami a navždy zostanú uzamknuté vo vnútri hadrónu. Kvarky sú držané vo vnútri hadrónu gluónovým poľom.

III. Konsolidácia

Možnosť 1.

Možnosť 2.

3.. Ako dlho žije neutrón mimo atómového jadra? A. 12 min B. 15 min

Zhrnutie lekcie. Na hodine sme sa zoznámili s časticami mikrosveta a zistili, ktoré častice sa nazývajú elementárne.

D/z§ 9.3

Názov častice omša (v elektronických omšiach) Nabíjačka Životnosť (s) Antičastica Stabilný Neutrínový elektrón Stabilný Neutrínový mión Stabilný Electron Stabilný Pi mezóny ≈ 10 –10 –10 –8 Eta-null-mezón Stabilný Lambda hyperón Sigma hyperóny Xi-hyperóny Omega-mínus-hyperón

III. Konsolidácia

Vymenujte hlavné interakcie, ktoré existujú v prírode

Aký je rozdiel medzi časticou a antičasticou? Čo majú spoločné?

Ktoré častice sa podieľajú na gravitačných, elektromagnetických, silných a slabých interakciách?

Možnosť 1.

1. Jednou z vlastností elementárnych častíc je schopnosť……… A. premieňať sa jedna na druhú B. samovoľne sa meniť

2. Častice, ktoré môžu existovať vo voľnom stave neobmedzený čas, sa nazývajú..... A. nestabilné B. stabilné.

3. Ktorá častica je stabilná? A. protón B. mezón

4. Častica s dlhou životnosťou. A. neutríno B. neutrón

5. Neutrína vznikajú ako výsledok rozpadu..... A. elektrónu B. neutrónu

Možnosť 2.

Čo je hlavným faktorom existencie elementárnych častíc?

A. ich vzájomné prenikanie B. ich vzájomná premena.

2. Ktorá z elementárnych častíc nie je izolovaná na voľnú časticu. A. pion B. kvarky

3. Ako dlho žije neutrón mimo atómového jadra? A. 12 min B. 15 min

Ktorá častica nie je stabilná? A. fotón B. leptón

Existujú v prírode nemenné častice? A. áno B. nie

Aristoteles veril, že hmota vo vesmíre pozostáva zo štyroch základných prvkov – zeme, vzduchu, ohňa a vody, na ktoré pôsobia dve sily: sila gravitácie, ktorá sťahuje zem a vodu, a sila ľahkosti pod vplyvom z ktorých oheň a vzduch smerujú nahor. Tento prístup k štruktúre Vesmíru, keď je všetko rozdelené na hmotu a sily, trvá dodnes.

Podľa Aristotela je hmota spojitá, to znamená, že akýkoľvek kúsok hmoty môže byť donekonečna rozdrvený na menšie a menšie kúsky, pričom nikdy nedosiahne také drobné zrno, ktoré by sa už nedelilo. Niektorí iní grécki filozofi, ako napríklad Demokritos, však zastávali názor, že hmota má zrnitý charakter a všetko na svete sa skladá z veľkého počtu rôznych atómov (grécke slovo „atóm“ znamená nedeliteľné). Prešli storočia, ale spor pokračoval bez akýchkoľvek skutočných dôkazov, ktoré by potvrdili správnosť jednej alebo druhej strany. Napokon v roku 1803 anglický chemik a fyzik John Dalton ukázal, že skutočnosť, že chemické látky sa vždy spájajú v určitých pomeroch, možno vysvetliť predpokladom, že atómy sú spojené do skupín nazývaných molekuly. Spor medzi oboma školami sa však až do začiatku nášho storočia nikdy nevyriešil v prospech atomistov. Einstein veľmi významne prispel k vyriešeniu tohto sporu. V článku napísanom v roku 1905, niekoľko týždňov pred jeho slávnym článkom o špeciálnej teórii relativity, Einstein poukázal na to, že fenomén nazývaný Brownov pohyb – nepravidelný, chaotický pohyb drobných častíc suspendovaných vo vode – možno vysvetliť dopadmi atómov kvapaliny okolo tieto častice.

V tom čase už existoval nejaký dôvod myslieť si, že atómy tiež nie sú nedeliteľné. O niekoľko rokov skôr J. J. Thomson z Trinity College v Cambridge objavil novú časticu hmoty, elektrón, ktorého hmotnosť bola menšia ako jedna tisícina hmotnosti najľahšieho atómu. Thomsonovo experimentálne nastavenie bolo trochu ako moderná televízna obrazovka. Ako zdroj elektrónov slúžilo rozžeravené kovové vlákno. Keďže elektróny sú negatívne nabité, boli v elektrickom poli urýchlené a posunuté smerom k obrazovke pokrytej vrstvou fosforu. Keď elektróny dopadli na obrazovku, objavili sa na nej záblesky svetla. Čoskoro sa ukázalo, že tieto elektróny musia vyletieť z atómov a v roku 1911 anglický fyzik Ernst Rutherford konečne dokázal, že atómy hmoty majú v skutočnosti vnútornú štruktúru: pozostávajú z malého kladne nabitého jadra a elektrónov, ktoré sa okolo neho otáčajú. Rutherford dospel k tomuto záveru štúdiom toho, ako sa častice alfa (kladne nabité častice emitované rádioaktívnymi atómami) odchyľujú, keď sa zrazia s atómami.

Najprv sa predpokladalo, že jadro atómu pozostáva z elektrónov a kladne nabitých častíc, ktoré sa nazývajú protóny (z gréckeho slova "protos" - primárne), pretože protóny sa považovali za základné bloky, z ktorých sa skladá hmota. . V roku 1932 však James Chadwick, Rutherfordov kolega z Cambridgeskej univerzity, zistil, že v jadre sú aj iné častice – neutróny, ktorých hmotnosť sa takmer rovná hmotnosti protónu, no nie sú nabité. Za tento objav dostal Chadwick Nobelovu cenu a bol vybraný do čela Conville and Caius College, Cambridge University (vysoká škola, kde teraz pôsobím). Potom sa musel tohto postu vzdať pre nezhody so zamestnancami. Kolégium bolo predmetom neustálych ostrých sporov, pretože po vojne skupina vracajúcej sa mládeže hlasovala proti ponechaniu starých zamestnancov na pozíciách, ktoré už dlhé roky zastávali. Toto všetko sa stalo predo mnou; Začal som pracovať na vysokej škole v roku 1965 a videl som koniec boja, keď bol druhý vedúci vysokej školy, laureát Nobelovej ceny Neville Mott, tiež nútený rezignovať.

Len pred dvadsiatimi rokmi boli protóny a neutróny považované za „elementárne“ častice, ale experimenty na interakcii protónov a elektrónov pohybujúcich sa vysokou rýchlosťou s protónmi ukázali, že v skutočnosti protóny pozostávajú z ešte menších častíc. Murray Gell-Mann, teoretik z Kalifornského technologického inštitútu, nazval tieto častice kvarky. V roku 1969 dostal Gell-Mann Nobelovu cenu za výskum kvarkov. Názov "quark" je prevzatý zo šikovnej básnickej línie Jamesa Joycea: "Tri kvarky pre majstra Marka!" Slovo kvark sa má vyslovovať ako kvart, pričom t na konci je nahradené a k, ale zvyčajne sa vyslovuje tak, že sa rýmuje so slovom lark.

Je známych niekoľko druhov kvarkov: predpokladá sa, že existuje najmenej šesť „príchutí“, ktoré zodpovedajú kvarku u, d-kvarku, podivnému kvarku, kvarku charm, b-kvark a t-kvark. Kvark každej „príchute“ môže mať aj tri „farby“ – červenú, zelenú a modrú. (Treba zdôrazniť, že ide len o zápisy, keďže veľkosť kvarkov je oveľa menšia ako vlnová dĺžka viditeľného svetla a preto nemajú farbu v obvyklom zmysle slova. Ide len o to, že moderní fyzici radi prichádzajú s názvami pre nové častice a javy bez ďalšieho obmedzenia ich fantázie v gréckej abecede). Protón a neutrón sa skladajú z troch kvarkov rôznych „farieb“. Protón obsahuje dva u-kvarky a jeden d-kvark, neutrón obsahuje dva d-kvarky a jeden u-kvark. Častice môžu byť zostavené z iných kvarkov (divný, šarm, b a t), ale všetky tieto kvarky majú oveľa väčšiu hmotnosť a veľmi rýchlo sa rozpadajú na protóny a neutróny.

Už vieme, že ani atómy, ani protóny a neutróny vo vnútri atómu nie sú nedeliteľné, a preto vyvstáva otázka: čo sú skutočné elementárne častice – tie počiatočné tehly, z ktorých sa všetko skladá? Pretože vlnové dĺžky svetla sú podstatne väčšie ako veľkosť atómu, nemáme nádej, že by sme mohli „vidieť“ časti atómu obvyklým spôsobom. Na tento účel sú potrebné oveľa kratšie vlnové dĺžky. V predchádzajúcej kapitole sme sa dozvedeli, že podľa kvantovej mechaniky sú všetky častice vlastne vlny a čím vyššia je energia častice, tým kratšia je zodpovedajúca vlnová dĺžka. Naša odpoveď na túto otázku teda závisí od toho, aká vysoká je energia častíc, ktoré máme k dispozícii, pretože to určuje, aký malý je rozsah dĺžok, ktoré môžeme pozorovať. Jednotky, v ktorých sa energia častíc zvyčajne meria, sa nazývajú elektrónvolty. (Thomson vo svojich experimentoch použil elektrické pole na urýchlenie elektrónov. Elektrónvolt je energia, ktorú elektrón získa v elektrickom poli s veľkosťou 1 volt). V 19. storočí, keď mohli využívať len častice s energiami niekoľkých elektrónvoltov uvoľnených pri chemických reakciách, ako je spaľovanie, boli atómy považované za najmenšie časti hmoty. V Rutherfordových experimentoch dosahovali energie častíc alfa milióny elektrónvoltov. Potom sme sa pomocou elektromagnetických polí naučili urýchľovať častice najskôr na energie miliónov a potom tisíce miliónov elektrónvoltov. Takto sme sa dozvedeli, že častice, ktoré boli pred dvadsiatimi rokmi považované za elementárne, sú v skutočnosti tvorené menšími časticami. Čo ak sa pri prechode na ešte vyššie energie ukáže, že tieto menšie častice sa zase skladajú z ešte menších? Samozrejme, je to celkom pravdepodobná situácia, ale už teraz máme niekoľko teoretických dôvodov domnievať sa, že už máme, alebo takmer máme, informácie o počiatočných „tehlách“, z ktorých je všetko v prírode postavené.

Všetko, čo existuje vo vesmíre, vrátane svetla a gravitácie, možno opísať na základe myšlienky častíc, berúc do úvahy dualizmus častíc a vĺn, o ktorom sme hovorili v predchádzajúcej kapitole. Častice majú určitú rotačnú charakteristiku - spin.

Predstavme si častice vo forme malých vrcholov rotujúcich okolo svojej osi. Je pravda, že takýto obraz môže byť zavádzajúci, pretože častice v kvantovej mechanike nemajú presne definovanú os rotácie. V skutočnosti nám rotácia častice hovorí, ako táto častica vyzerá pri pohľade z rôznych uhlov. Častica so spinom 0 je ako bod: vyzerá rovnako zo všetkých strán (obr. 5.1, I). Časticu so spinom 1 možno prirovnať k šípke: vyzerá inak z rôznych strán (obr. 5.1, II) a rovnakú formu nadobúda až po úplnom otočení o 360 stupňov. Časticu so spinom 2 možno prirovnať k šípu zaostrenému na obe strany: ktorákoľvek z jeho polôh sa po polotočke (180 stupňov) opakuje. Podobne častica s vyšším spinom sa vráti do pôvodného stavu, keď sa otočí o ešte menší zlomok plnej rotácie. To všetko je celkom zrejmé, ale prekvapujúce je, že existujú častice, ktoré po úplnej rotácii nenadobudnú svoju predchádzajúcu formu: musia sa úplne otočiť dvakrát! O takýchto časticiach sa hovorí, že majú spin 1/2.

Všetky známe častice vo vesmíre možno rozdeliť do dvoch skupín: častice so spinom 1/2, z ktorých je tvorená hmota vo vesmíre, a častice so spinom 0, 1 a 2, ktoré, ako uvidíme, vytvárajú sily pôsobiace medzi častice hmoty. Častice hmoty sa riadia takzvaným Pauliho vylučovacím princípom, ktorý objavil v roku 1925 rakúsky fyzik Wolfgang Pauli. V roku 1945 dostal Pauli za svoj objav Nobelovu cenu. Bol ideálnym príkladom teoretického fyzika: hovorí sa, že už len jeho prítomnosť v meste narušila priebeh všetkých experimentov! Pauliho princíp hovorí, že dve rovnaké častice nemôžu existovať v rovnakom stave, to znamená, že nemôžu mať rovnaké súradnice a rýchlosti s presnosťou špecifikovanou princípom neurčitosti. Pauliho princíp je mimoriadne dôležitý, pretože umožnil vysvetliť, prečo sa pod vplyvom síl vytváraných časticami so spinom 0, 1, 2 častice hmoty nezrútia do stavu s veľmi vysokou hustotou: ak častice hmota má veľmi blízke hodnoty súradníc, potom ich rýchlosti musia byť odlišné, a preto nebudú môcť zostať v bodoch s týmito súradnicami dlhší čas. Ak by sa Pauliho princíp nepodieľal na stvorení sveta, kvarky by sa nemohli spojiť do jednotlivých, presne definovaných častíc – protónov a neutrónov, ktoré by sa zase nemohli spojiť s elektrónmi a vytvoriť jednotlivé, presne definované atómy. Bez Pauliho princípu by sa všetky tieto častice zrútili a zmenili by sa na viac-menej homogénne a husté „rôsoly“.

Až do roku 1928, keď Paul Dirac navrhol teóriu na opis týchto častíc, neexistovalo žiadne správne pochopenie elektrónu a iných spin-1/2 častíc. Následne Dirac získal katedru matematiky v Cambridge (ktorú kedysi zastával Newton a ktorú teraz zastávam ja). Diracova teória bola prvou teóriou svojho druhu, ktorá bola v súlade s kvantovou mechanikou aj špeciálnou teóriou relativity. Dala matematické vysvetlenie, prečo sa spin elektrónu rovná 1/2, t.j. prečo keď sa elektrón otočí raz, nezoberie svoju predchádzajúcu formu, ale keď sa otočí dvakrát, áno. Diracova teória tiež predpovedala, že elektrón by mal mať partnera - antielektrón, alebo inými slovami, pozitrón. Objav pozitrónu v roku 1932 potvrdil Diracovu teóriu a v roku 1933 dostal Nobelovu cenu za fyziku. Teraz vieme, že každá častica má antičasticu, s ktorou môže anihilovať. (V prípade častíc, ktoré poskytujú interakciu, častica a antičastica sú jedno a to isté). Mohli by existovať celé antislová a antiľudia pozostávajúce z antičastíc. Ale ak stretnete anti-ja, nech vám ani nenapadne potriasť mu rukou! Ozve sa oslepujúci záblesk svetla a obaja zmiznete. Mimoriadne dôležitou otázkou je, prečo je okolo nás oveľa viac častíc ako antičastíc. Vrátime sa k tomu neskôr v tejto kapitole.

V kvantovej mechanike sa predpokladá, že všetky sily alebo interakcie medzi časticami hmoty sú prenášané časticami s celočíselným spinom 0, 1 alebo 2. Častica hmoty, ako je elektrón alebo kvark, emituje časticu, ktorá prenáša sila. V dôsledku spätného rázu sa mení rýchlosť častice hmoty. Potom sa nosná častica zrazí s inou časticou látky a je ňou absorbovaná. Táto zrážka mení rýchlosť druhej častice, ako keby medzi dvoma časticami hmoty pôsobila sila.

Častice nosiča interakcie majú jednu dôležitú vlastnosť: nepodliehajú Pauliho vylučovaciemu princípu. To znamená, že neexistujú žiadne obmedzenia na počet vymieňaných častíc, takže výsledná sila interakcie môže byť veľká. Ale ak je hmotnosť nosných častíc veľká, potom na veľké vzdialenosti bude ich tvorba a výmena náročná. Teda sily, ktoré nesú, budú krátkeho dosahu. Ak nosné častice nemajú vlastnú hmotnosť, vzniknú sily na veľké vzdialenosti. Nosné častice vymieňané medzi časticami hmoty sa nazývajú virtuálne, pretože na rozdiel od skutočných ich nemožno priamo detegovať pomocou detektora častíc. Vieme však, že virtuálne častice existujú, pretože vytvárajú merateľné efekty: virtuálne častice vytvárajú sily medzi časticami hmoty. Za určitých podmienok existujú aj častice so spinmi 0, 1, 2 ako skutočné; potom môžu byť zaregistrované priamo. Z pohľadu klasickej fyziky sa nám takéto častice vyskytujú vo forme vĺn, povedzme svetelných alebo gravitačných. Niekedy sú emitované počas interakcie častíc látky, ku ktorej dochádza v dôsledku výmeny častíc nosiča interakcie. (Napríklad elektrická sila vzájomného odpudzovania medzi dvoma elektrónmi vzniká výmenou virtuálnych fotónov, ktoré nie je možné priamo detegovať. Ak však elektróny preletia okolo seba, môžu byť emitované skutočné fotóny, ktoré budú detekované ako svetelné vlny. )

Nosné častice možno rozdeliť do štyroch typov v závislosti od veľkosti interakcie, ktorú nesú, a od toho, s akými časticami interagujú. Zdôrazňujeme, že takéto delenie je úplne umelé; Toto je schéma vhodná na rozvíjanie konkrétnych teórií, nič vážnejšie v nej asi nie je. Väčšina fyzikov dúfa, že nakoniec bude možné vytvoriť jednotnú teóriu, v ktorej by všetky štyri sily boli variáciami tej istej sily. Mnohí to dokonca považujú za hlavný cieľ modernej fyziky. Nedávno boli pokusy o spojenie troch síl korunované úspechom. V tejto kapitole o nich poviem viac. O tom, ako sa veci majú so zahrnutím gravitácie do takéhoto zjednotenia, si povieme trochu neskôr.

Prvým typom sily je teda gravitačná sila. Gravitačné sily sú univerzálne. To znamená, že každá častica je pod vplyvom gravitačnej sily, ktorej veľkosť závisí od hmotnosti alebo energie častice. Gravitácia je oveľa slabšia ako každá zo zvyšných troch síl. Ide o veľmi slabú silu, ktorú by sme si vôbec nevšimli, nebyť dvoch jej špecifických vlastností: gravitačné sily pôsobia na veľké vzdialenosti a sú vždy príťažlivými silami. V dôsledku toho môžu veľmi slabé gravitačné sily interakcie medzi jednotlivými časticami v dvoch veľkých telesách, ako je Zem a Slnko, viesť k veľmi veľkej sile. Ostatné tri typy interakcie buď pôsobia len na krátke vzdialenosti, alebo sú buď odpudivé alebo atraktívne, čo vo všeobecnosti vedie ku kompenzácii. V kvantovom mechanickom prístupe ku gravitačnému poľu sa gravitačná sila medzi dvoma časticami hmoty považuje za prenášanú časticou spin-2 nazývanou gravitón. Gravitón nemá vlastnú hmotnosť, a preto je sila, ktorú nesie, na veľké vzdialenosti. Gravitačná interakcia medzi Slnkom a Zemou sa vysvetľuje tým, že častice, ktoré tvoria Zem a Slnko, si vymieňajú gravitóny. Napriek tomu, že výmeny sa zúčastňujú iba virtuálne častice, efekt, ktorý vytvárajú, je určite merateľný, pretože týmto efektom je rotácia Zeme okolo Slnka! Skutočné gravitóny sa šíria vo forme vĺn, ktoré sa v klasickej fyzike nazývajú gravitačné vlny, no sú veľmi slabé a tak ťažko zaznamenateľné, že sa to ešte nikomu nepodarilo.

Ďalší typ interakcie vytvárajú elektromagnetické sily, ktoré pôsobia medzi elektricky nabitými časticami, ako sú elektróny a kvarky, ale nie sú zodpovedné za interakciu nenabitých častíc, ako sú gravitóny. Elektromagnetické interakcie sú oveľa silnejšie ako gravitačné: elektromagnetická sila pôsobiaca medzi dvoma elektrónmi je asi milión miliónov miliónov miliónov miliónov miliónov miliónov miliónov (po jednej nasleduje štyridsaťdva núl) krát väčšia ako gravitačná sila. Existujú však dva typy elektrického náboja - pozitívny a negatívny. Medzi dvoma kladnými nábojmi, rovnako ako medzi dvoma zápornými nábojmi, pôsobí odpudivá sila a medzi kladnými a zápornými nábojmi pôsobí príťažlivá sila. Vo veľkých telesách, ako je Zem alebo Slnko, je obsah kladných a záporných nábojov takmer rovnaký, a preto sa sily príťažlivosti a odpudzovania takmer navzájom rušia a zostáva len veľmi málo čistej elektromagnetickej sily. V malom meradle atómov a molekúl však dominujú elektromagnetické sily. V dôsledku elektromagnetickej príťažlivosti medzi záporne nabitými elektrónmi a kladne nabitými protónmi v jadre sa elektróny v atóme otáčajú okolo jadra presne rovnakým spôsobom, akým gravitačná príťažlivosť spôsobuje rotáciu Zeme okolo Slnka. Elektromagnetická príťažlivosť je opísaná ako výsledok výmeny veľkého počtu virtuálnych bezhmotných častíc spin-1 nazývaných fotóny. Podobne ako pri gravitónoch sú fotóny vykonávajúce výmenu virtuálne, ale keď sa elektrón presunie z jednej povolenej dráhy na druhú, ktorá sa nachádza bližšie k jadru, uvoľní sa energia a v dôsledku toho sa vyžiari skutočný fotón, ktorý pri vhodnej vlnovej dĺžke , možno pozorovať ľudským okom ako viditeľné svetlo alebo pomocou nejakého druhu detektora fotónov, ako je napríklad fotografický film. Podobne, keď sa skutočný fotón zrazí s atómom, elektrón sa môže pohybovať z jednej obežnej dráhy na druhú, vzdialenejšiu od jadra. Tento prechod nastáva v dôsledku energie fotónu, ktorý je absorbovaný atómom. Tretí typ interakcie sa nazýva slabá interakcia. Je zodpovedný za rádioaktivitu a existuje medzi všetkými časticami hmoty so spinom 1/2, ale častice so spinom 0, 1, 2 - fotóny a gravitóny - sa na ňom nezúčastňujú. Pred rokom 1967 boli vlastnosti slabých síl zle pochopené a v roku 1967 Abdus Salam, teoretik z Imperial College London, a Steven Weinberg z Harvardskej univerzity súčasne navrhli teóriu, ktorá kombinovala slabú silu s elektromagnetickou silou rovnakým spôsobom ako pred sto rokmi Maxwell spojil elektrinu a magnetizmus. Weinberg a Salam navrhli, že okrem fotónu existujú ešte tri častice spin-1, spoločne nazývané ťažké vektorové bozóny, ktoré nesú slabú silu. Tieto bozóny boli označené W+, W– a Z0 a každý z nich mal hmotnosť 100 GeV (GeV znamená gigaelektrónvolt, t.j. tisíc miliónov elektrónvoltov). Weinberg-Salamova teória má vlastnosť takzvaného spontánneho narušenia symetrie. To znamená, že častice, ktoré sú pri nízkych energiách úplne odlišné, sa ukážu ako tie isté častice pri vysokých energiách, ale v rôznych stavoch. V niektorých ohľadoch je to podobné správaniu loptičky pri hraní rulety. Pri všetkých vysokých energiách (t.j. pri rýchlom otáčaní kolesa) sa loptička vždy správa takmer rovnako – otáča sa bez prestávky. Ale ako sa koleso spomaľuje, energia lopty klesá a nakoniec spadne do jednej z tridsiatich siedmich drážok na kolese. Inými slovami, pri nízkych energiách môže lopta existovať v tridsiatich siedmich stavoch. Ak by sme z nejakého dôvodu mohli loptu pozorovať len pri nízkych energiách, mysleli by sme si, že existuje tridsaťsedem rôznych typov loptičiek!

Weinberg-Salamova teória predpovedala, že pri energiách výrazne nad 100 GeV by sa tri nové častice a fotón mali správať identicky, ale pri nižších energiách častíc, teda vo väčšine bežných situácií, by sa táto „symetria“ mala narušiť. Predpokladalo sa, že hmotnosti bozónov W+, W– a Z0 budú veľké, takže sily, ktoré vytvárajú, budú mať veľmi krátky dosah. Keď Weinberg a Salam predložili svoju teóriu, len málo ľudí im veril a s nízkovýkonnými urýchľovačmi tých čias nebolo možné dosiahnuť energiu 100 GeV potrebnú na produkciu skutočných častíc W+, W– a Z0. O desať rokov neskôr sa však predpovede získané v tejto teórii pri nízkych energiách experimentálne potvrdili tak dobre, že Weinberg a Salam získali v roku 1979 Nobelovu cenu spolu so Sheldonom Glashowom (tiež z Harvardu), ktorý navrhol podobnú zjednotenú teóriu elektromagnetického a slabého jadrové interakcie. Výbor pre udeľovanie Nobelových cien bol ušetrený rozpakov, ktoré by mohli vzniknúť, keby sa pri objave troch masívnych partnerov fotónu v CERN v roku 1983 so správnymi hmotnosťami a inými predpokladanými charakteristikami preukázalo, že urobil chybu. Carlo Rubbia, ktorý viedol tím niekoľkých stoviek fyzikov, ktorí urobili tento objav, dostal v roku 1984 Nobelovu cenu, ktorú mu udelili spoločne s inžinierom CERNu Simonom Van der Meerom, autorom antičasticového skladovacieho prstenca použitého pri experimente. (V dnešnej dobe je mimoriadne ťažké presadiť sa v experimentálnej fyzike, pokiaľ už nie ste na vrchole!).

Silná jadrová sila je sila typu 4, ktorá udržuje kvarky vo vnútri protónu a neutrónu a protóny a neutróny vo vnútri atómového jadra. Za nositeľa silnej interakcie sa považuje iná častica so spinom 1, ktorá sa nazýva gluón.

Gluóny interagujú iba s kvarkami a inými gluónmi. Silná interakcia má jednu mimoriadnu vlastnosť – má confinement (confinement – ​​obmedzenie, retencia (anglicky). – Ed.).

Obmedzenie spočíva v tom, že častice sú vždy držané v bezfarebných kombináciách. Jeden kvark nemôže existovať sám o sebe, pretože potom by musel mať farbu (červenú, zelenú alebo modrú). Preto musí byť červený kvark spojený so zeleným a modrým cez gluónový „jet“ (červená + zelená + modrá = biela). Takýto triplet sa ukáže ako protón alebo neutrón. Existuje ďalšia možnosť, keď sa kvark a antikvark spárujú (červená + anti-červená, alebo zelená + anti-zelená, alebo modrá + anti-modrá = biela). Takéto kombinácie tvoria častice nazývané mezóny. Tieto častice sú nestabilné, pretože kvark a antikvark sa môžu navzájom anihilovať za vzniku elektrónov a iných častíc. Rovnako ani jeden gluón nemôže existovať sám o sebe kvôli uzavretiu, pretože gluóny majú tiež farbu. Preto sa gluóny musia zoskupovať tak, aby ich farby zodpovedali bielej. Opísaná skupina gluónov tvorí nestabilnú časticu - glejovú guľu.

Nemôžeme pozorovať jednotlivý kvark alebo gluón kvôli obmedzeniu. Neznamená to, že samotná myšlienka kvarkov a gluónov ako častíc je do istej miery metafyzická? Nie, pretože silná interakcia je charakterizovaná ďalšou vlastnosťou nazývanou asymptotická sloboda. Vďaka tejto vlastnosti sa pojem kvarky a gluóny stáva úplne definitívnym. Pri bežných energiách je silná interakcia skutočne silná a stláča kvarky tesne k sebe. Ako však ukazujú experimenty na silných urýchľovačoch, pri vysokých energiách sa silná interakcia zreteľne oslabuje a kvarky a gluóny sa začínajú správať takmer ako voľné častice. Na obr. Obrázok 5.2 ukazuje fotografiu vysokoenergetickej zrážky protón-antiprotón. Vidíme, že niekoľko takmer voľných kvarkov, ktoré vznikli ako výsledok interakcie, vytvorilo „trysky“ stôp, ktoré sú viditeľné na fotografii.

Úspešné zjednotenie elektromagnetických a slabých interakcií vyústilo do pokusov spojiť tieto dva typy interakcií so silnou interakciou, čo viedlo k takzvanej veľkej zjednotenej teórii. V tomto názve je určité preháňanie: po prvé, veľké zjednotené teórie nie sú také skvelé a po druhé, úplne nezjednocujú všetky sily, pretože nezahŕňajú gravitáciu. Všetky tieto teórie sú navyše v skutočnosti neúplné, pretože obsahujú parametre, ktoré sa nedajú teoreticky predpovedať a ktoré je potrebné vypočítať porovnaním teoretických a experimentálnych výsledkov. Napriek tomu môžu byť takéto teórie krokom k úplnej teórii zjednotenia pokrývajúcej všetky interakcie. Hlavná myšlienka vytvárania veľkých zjednotených teórií je nasledovná: ako už bolo spomenuté, silné interakcie pri vysokých energiách sú slabšie ako pri nízkych energiách. Elektromagnetické a slabé sily zároveň nie sú asymptoticky voľné a pri vysokých energiách sa zvyšujú. Potom, pri nejakej veľmi veľkej hodnote energie – pri energii veľkého zjednotenia – by sa tieto tri sily mohli navzájom zrovnoprávniť a stať sa jednoducho variáciami tej istej sily. Teórie veľkého zjednotenia predpovedajú, že pri tejto energii by rôzne častice hmoty spin-1/2, ako sú kvarky a elektróny, tiež prestali byť odlišné, čo by bol ďalší krok k zjednoteniu.

Veľká jednotná energetická hodnota nie je veľmi známa, ale musí to byť najmenej tisíc miliónov miliónov GeV. V urýchľovačoch súčasnej generácie sa zrážajú častice s energiami okolo 100 GeV a v budúcich projektoch by sa táto hodnota mala zvýšiť až na niekoľko tisíc GeV. Ale urýchľovanie častíc na veľkú zjednotenú energiu si vyžaduje urýchľovač veľkosti slnečnej sústavy. Je nepravdepodobné, že by sa to v súčasnej ekonomickej situácii niekto rozhodol financovať. To je dôvod, prečo je priame experimentálne testovanie veľkých zjednotených teórií nemožné. Ale aj tu, rovnako ako pri elektroslabej zjednotenej teórii, existujú nízkoenergetické dôsledky, ktoré možno otestovať.

Najzaujímavejší z týchto dôsledkov je, že protóny, ktoré tvoria väčšinu hmoty bežnej hmoty, sa môžu spontánne rozpadnúť na ľahšie častice, ako sú antielektróny. Dôvodom je, že pri veľkej zjednotenej energii nie je žiadny významný rozdiel medzi kvarkom a antielektrónom. Tri kvarky vo vnútri protónu zvyčajne nemajú dostatok energie na premenu na antielektróny, ale jeden z kvarkov môže, úplnou náhodou, jedného dňa získať dostatok energie na túto premenu, pretože kvôli princípu neurčitosti nie je možné presne zaznamenať energiu. kvarkov vo vnútri protónu. Potom sa protón musí rozpadnúť, ale pravdepodobnosť, že kvark bude mať dostatočnú energiu, je taká malá, že čakanie na to bude musieť byť najmenej milión miliónov miliónov miliónov miliónov miliónov rokov (po jednej nasleduje tridsať núl), čo je oveľa dlhšie ako čas, ktorý uplynul od veľkého tresku.ktorý nepresahuje desaťtisíc miliónov rokov alebo niečo podobné (za jednotkou nasleduje desať núl). To naznačuje záver, že možnosť spontánneho rozpadu protónov nie je možné experimentálne overiť. Je však možné zvýšiť pravdepodobnosť pozorovania rozpadu protónov štúdiom veľmi veľkého počtu protónov. (Pozorovaním napríklad 1 s 31 nula protónmi v priebehu roka možno dúfať, že podľa jednej z najjednoduchších teórií veľkého zjednotenia odhalíme viac ako jeden rozpad protónov).

Niekoľko takýchto experimentov sa už uskutočnilo, ale neposkytli definitívne informácie o rozpadoch protónu alebo neutrónu. Jeden z experimentov, pri ktorom sa použilo osemtisíc ton vody, sa uskutočnil v soľnej bani v Ohiu (s cieľom eliminovať kozmickú interferenciu, ktorú by bolo možné zameniť za rozpad protónov). Keďže počas celého experimentu neboli zistené žiadne rozpady protónov, dá sa vypočítať, že životnosť protónov musí byť väčšia ako desať miliónov miliónov miliónov miliónov miliónov miliónov rokov (po jednom nasleduje tridsaťjeden núl) rokov. Tento výsledok presahuje predpovede najjednoduchšej veľkej zjednotenej teórie, ale existujú aj zložitejšie teórie, ktoré poskytujú vyšší odhad. Na ich overenie budú potrebné ešte presnejšie experimenty s ešte väčšími množstvami látky.

Napriek ťažkostiam s pozorovaním rozpadu protónov je možné, že samotná naša existencia je dôsledkom opačného procesu - vzniku protónov alebo ešte jednoduchšie kvarkov v úplne počiatočnom štádiu, keď nebolo viac kvarkov ako antikvarkov. Tento obraz začiatku vesmíru sa zdá byť najprirodzenejší. Hmota Zeme pozostáva z veľkej časti z protónov a neutrónov, ktoré sú zase tvorené kvarkami, ale neexistujú žiadne antiprotóny alebo antineutróny, ktoré sú vyrobené z antikvarkov, okrem niekoľkých, ktoré boli vyrobené vo veľkých urýchľovačoch. Experimenty s kozmickým žiarením potvrdzujú, že to isté platí pre všetku hmotu v našej Galaxii: neexistujú žiadne antiprotóny ani antineutróny, s výnimkou malého počtu antičastíc, ktoré vznikajú v dôsledku vytvárania párov častica-antičastica pri zrážkach častíc pri vysokých energiách. . Ak by sa v našej Galaxii nachádzali veľké oblasti antihmoty, potom by sa dalo očakávať silné žiarenie na rozhraniach medzi hmotou a antihmotou, kde by došlo k mnohým zrážkam častíc a antičastíc, ktoré by anihiláciou emitovali vysokoenergetické žiarenie.

Nemáme priamy údaj o tom, či hmota iných galaxií pozostáva z protónov a neutrónov alebo z antiprotónov a antineutrónov, ale musí pozostávať z častíc rovnakého typu: v rámci jednej galaxie nemôže byť zmes častíc a antičastíc, pretože v dôsledku pri ich zničení by sa uvoľnilo silné žiarenie. Preto veríme, že všetky galaxie sú vyrobené z kvarkov, nie z antikvarkov; Je nepravdepodobné, že niektoré galaxie pozostávali z hmoty a iné z antihmoty.

Prečo by však malo byť oveľa viac kvarkov ako antikvarkov? Prečo ich počet nie je rovnaký? Máme veľké šťastie, že je to tak, pretože ak by bol rovnaký počet kvarkov a antikvarkov, takmer všetky kvarky a antikvarky by sa v ranom vesmíre navzájom anihilovali, naplnili by ho žiarením, ale sotva by po ňom zostala akákoľvek hmota. Neexistovali by žiadne galaxie, žiadne hviezdy, žiadne planéty, na ktorých by sa mohol rozvíjať ľudský život. Veľké zjednotené teórie môžu vysvetliť, prečo by teraz malo byť vo vesmíre viac kvarkov ako antikvarkov, aj keď na samom začiatku boli rovnaké počty. Ako už vieme, vo veľkých zjednotených teóriách pri vysokých energiách sa kvarky môžu zmeniť na antielektróny. Možné sú aj reverzné procesy, keď sa antikvarky menia na elektróny a elektróny a antielektróny na antikvarky a kvarky. Kedysi, vo veľmi ranom štádiu vývoja Vesmíru, bolo tak horúco, že na takéto premeny stačila energia častíc. Ale prečo to malo za následok viac kvarkov ako antikvarkov? Dôvod spočíva v tom, že fyzikálne zákony nie sú úplne rovnaké pre častice a antičastice.

Do roku 1956 sa verilo, že fyzikálne zákony sú invariantné pri troch transformáciách symetrie – C, P a T. Symetria C znamená, že všetky zákony sú rovnaké pre častice a antičastice. P symetria znamená, že fyzikálne zákony sú rovnaké pre akýkoľvek jav a pre jeho zrkadlový odraz (zrkadlový obraz častice rotujúcej v smere hodinových ručičiek bude častica rotujúca proti smeru hodinových ručičiek). Napokon význam T symetrie je, že keď sa obráti smer pohybu všetkých častíc a antičastíc, systém sa vráti do stavu, v ktorom bol predtým; inými slovami, zákony sú rovnaké, či už sa pohybujú dopredu alebo dozadu v čase.

V roku 1956 dvaja americkí fyzici, Tzundao Li a Zhenning Yang, navrhli, že slabá interakcia v skutočnosti nie je pri P transformáciách invariantná. Inými slovami, v dôsledku slabej interakcie môže vývoj vesmíru prebiehať inak ako vývoj jeho zrkadlového obrazu. V tom istom roku Jinxiang Wu, kolega Li a Yang, dokázal, že ich predpoklad bol správny. Usporiadaním jadier rádioaktívnych atómov v magnetickom poli tak, aby ich spiny boli v rovnakom smere, ukázala, že v jednom smere bolo emitovaných viac elektrónov ako v druhom. Nasledujúci rok dostali Lee a Yang za svoj objav Nobelovu cenu. Ukázalo sa, že slabé interakcie sa neriadia ani symetrii C. To znamená, že vesmír pozostávajúci z antičastíc sa bude správať inak ako náš vesmír. Každému sa však zdalo, že slabá interakcia by sa mala stále podriaďovať kombinovanej symetrii CP, to znamená, že vývoj vesmíru by mal nastať rovnakým spôsobom ako vývoj jeho zrkadlového odrazu, ak by sme ho odrazili v zrkadle. tiež nahraďte každú časticu antičasticou! V roku 1964 však ďalší dvaja Američania, James Cronin a Vel Fitch, zistili, že aj CP symetria je narušená rozpadom častíc nazývaných K mezóny.

Výsledkom bolo, že v roku 1980 dostali Cronin a Fitch Nobelovu cenu za svoju prácu. (Aké obrovské množstvo cien bolo udelených za práce, ktoré ukazujú, že vesmír nie je taký jednoduchý, ako si myslíme).

Existuje matematický teorém, ktorý hovorí, že každá teória, ktorá sa riadi kvantovou mechanikou a teóriou relativity, musí byť vždy invariantná v rámci kombinovanej symetrie CPT. Inými slovami, správanie Vesmíru sa nezmení, ak častice nahradíte antičasticami, odrazíte všetko v zrkadle a tiež otočíte smer času. Cronin a Fitch však ukázali, že ak nahradíte častice antičasticami a vytvoríte zrkadlový obraz, ale neotočíte smer času, vesmír sa bude správať inak. V dôsledku toho, keď sa čas obráti, fyzikálne zákony sa musia zmeniť, t.j. nie sú invariantné vzhľadom na symetriu T.

Je jasné, že v ranom vesmíre bola symetria T narušená: keď čas plynie dopredu, vesmír sa rozširuje, a ak by čas šiel dozadu, vesmír by sa začal zmenšovať. A keďže existujú sily, ktoré nie sú invariantné vzhľadom na symetriu T, z toho vyplýva, že ako sa vesmír pod vplyvom týchto síl rozpína, antielektróny by sa mali meniť na kvarky častejšie ako elektróny na antikvarky. Potom, ako sa vesmír rozpínal a ochladzoval, by antikvarky a kvarky anihilovali, ale keďže by kvarkov bolo viac ako antikvarkov, kvarkov by bol mierny nadbytok. A sú to práve tie kvarky, ktoré tvoria dnešnú hmotu, ktorú vidíme a z ktorej sme my sami stvorení. Samotnú našu existenciu teda možno považovať za potvrdenie teórie veľkého zjednotenia, hoci len za kvalitatívne potvrdenie. Neistoty vznikajú, pretože nevieme predpovedať, koľko kvarkov zostane po anihilácii, alebo dokonca či zostávajúce častice budú kvarky alebo antikvarky. (Pravdaže, ak by zostal prebytok antikvarkov, jednoducho by sme ich premenovali na kvarky a kvarky – antikvarky).

Veľké zjednotené teórie nezahŕňajú gravitačnú interakciu. To nie je také významné, pretože gravitačné sily sú také malé, že ich vplyv môžeme jednoducho zanedbať

Prezentácia na tému "Elementárne častice" vo fyzike vo formáte powerpoint. Táto prezentácia pre žiakov 11. ročníka vysvetľuje fyziku elementárnych častíc a systematizuje poznatky k danej téme. Cieľom práce je rozvíjať abstraktné, ekologické a vedecké myslenie študentov na základe predstáv o elementárnych časticiach a ich interakciách. Autor prezentácie: Popova I.A., učiteľ fyziky.

Fragmenty z prezentácie

Koľko prvkov je v periodickej tabuľke?

• Len 92.
• Ako? Je toho viac?
• To je pravda, ale všetko ostatné je umelo získané, v prírode sa nevyskytujú.
• Takže - 92 atómov. Dajú sa z nich vyrobiť aj molekuly, t.j. látky!
• Ale skutočnosť, že všetky látky pozostávajú z atómov, uviedol Democritus (400 pred Kr.).
• Bol to veľký cestovateľ a jeho obľúbený výrok bol:
• "Nič neexistuje okrem atómov a čistého priestoru, všetko ostatné je pohľad"

Časová os časticovej fyziky

• Teoretickí fyzici čelili najťažšej úlohe usporiadať celú objavenú „zoo“ častíc a pokúsiť sa znížiť počet základných častíc na minimum, čo dokázalo, že ostatné častice pozostávajú zo základných častíc.
• Všetky tieto častice boli nestabilné, t.j. sa rozpadli na častice s nižšou hmotnosťou, z ktorých sa nakoniec stali stabilné protóny, elektróny, fotóny a neutrína (a ich antičastice).
• Tretí je tento. M. Gell-Mann a nezávisle J. Zweig navrhli model štruktúry silne interagujúcich častíc z fundamentálnych častíc - kvarkov
• Tento model sa teraz zmenil na koherentnú teóriu všetkých známych typov interakcií častíc.

Ako zistiť elementárnu časticu?

Zvyčajne sa stopy (dráhy alebo stopy) zanechané časticami študujú a analyzujú pomocou fotografií.

Klasifikácia elementárnych častíc

Všetky častice sú rozdelené do dvoch tried:

• Fermióny, ktoré tvoria hmotu;
• Bosóny, prostredníctvom ktorých dochádza k interakcii.

Kvarky

• Kvarky sa zúčastňujú silných interakcií, ako aj slabých a elektromagnetických.
• Gell-Mann a Georg Zweig navrhli model kvarku v roku 1964.
• Pauliho princíp: v jednom systéme vzájomne prepojených častíc nikdy neexistujú aspoň dve častice s rovnakými parametrami, ak tieto častice majú polovičný spin.

Čo je točenie?

• Spin demonštruje, že existuje stavový priestor, ktorý nemá nič spoločné s pohybom častice v bežnom priestore;
• Spin (z angličtiny to spin - to spin) sa často porovnáva s momentom hybnosti „rýchlo rotujúceho vrcholu“ - to nie je pravda!
• Spin je vnútorná kvantová charakteristika častice, ktorá nemá v klasickej mechanike obdobu;
• Spin (z anglického spin - točenie, rotácia) je vnútorný moment hybnosti elementárnych častíc, ktorý má kvantovú povahu a nie je spojený s pohybom častice ako celku.

Štyri typy fyzických interakcií

• gravitačný,
• elektromagnetické,
• slabý,
• silný.

• Slabá interakcia- mení vnútornú povahu častíc.
• Silné interakcie- určiť rôzne jadrové reakcie, ako aj vznik síl, ktoré viažu neutróny a protóny v jadrách.

Vlastnosti kvarkov

• Kvarky majú vlastnosť nazývanú farebný náboj.
• Existujú tri typy farebného náboja, bežne označované ako
• Modrá,
• zelená
• Červená.
• Každá farba má doplnok v podobe vlastnej antifarby - anti-modrá, anti-zelená a anti-červená.
• Na rozdiel od kvarkov, antikvarky nemajú farbu, ale anticolor, teda opačný farebný náboj.

Vlastnosti kvarkov: hmotnosť

• Kvarky majú dva hlavné typy hmôt, ktoré sa líšia veľkosťou:
• aktuálna hmotnosť kvarku, odhadovaná v procesoch s významným prenosom kvadrátu 4-hybnosti, a
• konštrukčná hmota (blok, základná hmota); zahŕňa aj hmotnosť gluónového poľa okolo kvarku a odhaduje sa z hmotnosti hadrónov a ich kvarkového zloženia.

Vlastnosti kvarkov: chuť

• Každá príchuť (typ) kvarku je charakterizovaná takými kvantovými číslami ako
• izospin Iz,
• zvláštnosť S,
• kúzlo C,
• kúzlo (spodnosť, krása) B′,
• pravda (vrcholnosť) T.

Úlohy

• Aká energia sa uvoľní pri anihilácii elektrónu a pozitrónu?
• Aká energia sa uvoľní pri anihilácii protónu a antiprotónu?
• Aké jadrové procesy produkujú neutrína?
  • A. Počas α - rozpadu.
  • B. Počas β - rozpadu.
  • B. Keď sú emitované γ - kvantá.
• Aké jadrové procesy produkujú antineutrína?
  • A. Počas α - rozpadu.
  • B. Počas β - rozpadu.
  • B. Keď sú emitované γ - kvantá.
  • D. Počas akýchkoľvek jadrových transformácií
• Protón sa skladá z...
  • A. . .neutrón, pozitrón a neutríno.
  • B. . .mezóny.
  • IN. . .kvarky.
  • D. Protón nemá žiadne základné časti.
• Neutrón sa skladá z...
  • A. . .protón, elektrón a neutríno.
  • B. . .mezóny.
  • IN. . . kvarky.
  • D. Neutrón nemá žiadne základné časti.
• Čo dokázali experimenty Davissona a Germera?
  • A. Kvantová povaha absorpcie energie atómami.
  • B. Kvantová povaha emisie energie atómami.
  • B. Vlnové vlastnosti svetla.
  • D. Vlnové vlastnosti elektrónov.
• Ktorý z nasledujúcich vzorcov určuje de Broglieho vlnovú dĺžku pre elektrón (mav sú hmotnosť a rýchlosť elektrónu)?

Test

• Aké fyzikálne systémy vznikajú z elementárnych častíc v dôsledku elektromagnetickej interakcie? A. Elektróny, protóny. B. Atómové jadrá. B. Atómy, molekuly hmoty a antičastice.
• Z hľadiska interakcie sa všetky častice delia na tri typy: A. Mezóny, fotóny a leptóny. B. Fotóny, leptóny a baryóny. B. Fotóny, leptóny a hadróny.
• Čo je hlavným faktorom existencie elementárnych častíc? A. Vzájomná transformácia. B. Stabilita. B. Vzájomná interakcia častíc.
• Aké interakcie určujú stabilitu jadier v atómoch? A. Gravitačné. B. Elektromagnetické. B. Jadrový. D. Slabý.
• Existujú v prírode nemenné častice? A. Existujú. B. Neexistujú.
• Realita premeny hmoty na elektromagnetické pole: A. Potvrdená skúsenosťou anihilácie elektrónu a pozitrónu. B. Potvrdené experimentom anihilácie elektrónu a protónu.
• Reakcia premeny hmoty na pole: A. e + 2γ→e+ B. e + 2γ→e- C. e+ +e- =2γ.
• Aká interakcia je zodpovedná za premenu elementárnych častíc na seba? A. Silná interakcia. B. Gravitačné. B. Slabá interakcia D. Silná, slabá, elektromagnetická.

Odpoveď na pretrvávajúcu otázku: aká je najmenšia častica vo vesmíre, ktorá sa vyvinula s ľudstvom.

Ľudia si kedysi mysleli, že zrnká piesku sú stavebnými kameňmi toho, čo vidíme okolo seba. Atóm bol potom objavený a považoval sa za nedeliteľný, kým sa nerozdelil, aby odhalil protóny, neutróny a elektróny vo vnútri. Neukázali sa ani ako najmenšie častice vo vesmíre, pretože vedci zistili, že protóny a neutróny pozostávajú každý z troch kvarkov.

Vedci zatiaľ neboli schopní vidieť žiadne dôkazy o tom, že by sa vo vnútri kvarkov niečo nachádzalo a že bola dosiahnutá najzákladnejšia vrstva hmoty alebo najmenšia častica vo vesmíre.

A aj keď sú kvarky a elektróny nedeliteľné, vedci nevedia, či sú to najmenšie kúsky hmoty, ktoré existujú, alebo či vesmír obsahuje objekty, ktoré sú ešte menšie.

Najmenšie častice vo vesmíre

Prichádzajú v rôznych príchutiach a veľkostiach, niektoré majú úžasné spojenia, iné sa v podstate navzájom vyparujú, mnohé z nich majú fantastické mená: kvarky tvorené baryónmi a mezónmi, neutróny a protóny, nukleóny, hyperóny, mezóny, baryóny, nukleóny, fotóny, atď. .d.

Higgsov bozón je častica pre vedu taká dôležitá, že sa nazýva „častica Boha“. Predpokladá sa, že určuje hmotnosť všetkých ostatných. Prvok bol prvýkrát teoretizovaný v roku 1964, keď vedci uvažovali, prečo sú niektoré častice hmotnejšie ako iné.

Higgsov bozón je spojený s takzvaným Higgsovým poľom, o ktorom sa predpokladá, že vypĺňa vesmír. Dva prvky (kvantum Higgsovho poľa a Higgsov bozón) sú zodpovedné za udelenie hmotnosti ostatným. Pomenovaný po škótskom vedcovi Petrovi Higgsovi. S pomocou 14. marca 2013 bolo oficiálne oznámené potvrdenie existencie Higgsovho bozónu.

Mnohí vedci tvrdia, že Higgsov mechanizmus vyriešil chýbajúci kúsok skladačky a doplnil tak existujúci „štandardný model“ fyziky, ktorý popisuje známe častice.

Higgsov bozón zásadne určil hmotnosť všetkého, čo vo vesmíre existuje.

Kvarky

Kvarky (čo znamená kvarky) sú stavebnými kameňmi protónov a neutrónov. Nikdy nie sú sami, existujú len v skupinách. Zdá sa, že sila, ktorá spája kvarky, rastie so vzdialenosťou, takže čím ďalej, tým ťažšie bude ich oddelenie. Voľné kvarky preto v prírode nikdy neexistujú.

Kvarky sú základné častice sú bezštruktúrne, špicaté veľkosť cca 10-16 cm.

Napríklad protóny a neutróny sa skladajú z troch kvarkov, pričom protóny obsahujú dva rovnaké kvarky, zatiaľ čo neutróny majú dva rôzne.

Supersymetria

Je známe, že základnými „stavebnými kameňmi“ hmoty, fermiónov, sú kvarky a leptóny a strážcovia sily, bozóny, sú fotóny a gluóny. Teória supersymetrie hovorí, že fermióny a bozóny sa môžu navzájom transformovať.

Predpovedaná teória tvrdí, že ku každej častici, ktorú poznáme, existuje príbuzná, ktorú sme ešte neobjavili. Napríklad pre elektrón je to selektrón, kvark je squark, fotón je fotino a higgs je higgsino.

Prečo teraz nepozorujeme túto supersymetriu vo vesmíre? Vedci sa domnievajú, že sú oveľa ťažšie ako ich bežní bratranci a čím sú ťažší, tým je ich životnosť kratšia. V skutočnosti začnú kolabovať hneď, ako vzniknú. Vytvorenie supersymetrie si vyžaduje pomerne veľké množstvo energie, ktorá existovala len krátko po veľkom tresku a mohla by sa vytvoriť vo veľkých urýchľovačoch, ako je Veľký hadrónový urýchľovač.

Pokiaľ ide o to, prečo symetria vznikla, fyzici teoretizujú, že symetria mohla byť porušená v nejakom skrytom sektore vesmíru, ktorý nemôžeme vidieť ani sa ho dotknúť, ale môžeme ho cítiť iba gravitačne.

Neutrino

Neutrína sú ľahké subatomárne častice, ktoré hvízdajú všade rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. V skutočnosti bilióny neutrín prúdia vaším telom každú chvíľu, hoci len zriedka interagujú s normálnou hmotou.

Niektoré pochádzajú zo slnka, zatiaľ čo iné pochádzajú z kozmického žiarenia interagujúceho s atmosférou Zeme a astronomických zdrojov, ako sú explodujúce hviezdy v Mliečnej dráhe a iných vzdialených galaxiách.

Antihmota

Predpokladá sa, že všetky normálne častice majú antihmotu s rovnakou hmotnosťou, ale opačným nábojom. Keď sa hmota stretne, navzájom sa zničia. Napríklad častica antihmoty protónu je antiprotón, zatiaľ čo partner antihmoty elektrónu sa nazýva pozitrón. Antihmota je jednou z najdrahších látok na svete, ktorú ľudia dokázali identifikovať.

Gravitóny

V oblasti kvantovej mechaniky sú všetky základné sily prenášané časticami. Svetlo sa napríklad skladá z bezhmotných častíc nazývaných fotóny, ktoré nesú elektromagnetickú silu. Podobne aj gravitón je teoretická častica, ktorá nesie gravitačnú silu. Vedci ešte musia odhaliť gravitóny, ktoré je ťažké nájsť, pretože tak slabo interagujú s hmotou.

Vlákna energie

V experimentoch drobné častice, ako sú kvarky a elektróny, pôsobia ako jednotlivé body hmoty bez priestorového rozloženia. Ale bodové objekty komplikujú fyzikálne zákony. Pretože je nemožné priblížiť sa nekonečne blízko k bodu, pretože pôsobiace sily môžu byť nekonečne veľké.

Tento problém by mohla vyriešiť myšlienka zvaná teória superstrun. Teória tvrdí, že všetky častice namiesto toho, aby boli bodové, sú v skutočnosti malé vlákna energie. To znamená, že všetky predmety v našom svete pozostávajú z vibrujúcich vlákien a membrán energie. Nič nemôže byť nekonečne blízko vlákna, pretože jedna časť bude vždy o niečo bližšie ako druhá. Zdá sa, že táto „medzera“ rieši niektoré problémy s nekonečnom, vďaka čomu je táto myšlienka pre fyzikov atraktívna. Vedci však stále nemajú žiadne experimentálne dôkazy, že teória strún je správna.

Ďalším spôsobom riešenia bodového problému je povedať, že samotný priestor nie je súvislý a hladký, ale je v skutočnosti tvorený diskrétnymi pixelmi alebo zrnami, niekedy nazývanými aj časopriestorová štruktúra. V tomto prípade sa obe častice nebudú môcť k sebe približovať donekonečna, pretože musia byť vždy oddelené minimálnou zrnitosťou priestoru.

Bod čiernej diery

Ďalším uchádzačom o titul najmenšej častice vo vesmíre je singularita (jediný bod) v strede čiernej diery. Čierne diery vznikajú, keď hmota kondenzuje do priestoru dostatočne malého na to, aby ho gravitácia zachytila, čo spôsobilo, že hmota bola vtiahnutá dovnútra a nakoniec kondenzovala do jedného bodu nekonečnej hustoty. Aspoň podľa súčasných fyzikálnych zákonov.

Väčšina odborníkov si však nemyslí, že čierne diery sú skutočne nekonečne husté. Veria, že toto nekonečno je výsledkom vnútorného konfliktu medzi dvoma súčasnými teóriami – všeobecnou teóriou relativity a kvantovou mechanikou. Naznačujú, že keď sa podarí sformulovať teóriu kvantovej gravitácie, odhalí sa skutočná povaha čiernych dier.

Planck dĺžka

Vlákna energie a dokonca aj najmenšia častica vo vesmíre môže mať veľkosť „dĺžky planku“.

Dĺžka lišty je 1,6 x 10 -35 metrov (číslu 16 predchádza 34 núl a desatinná čiarka) - nepochopiteľne malá mierka, ktorá sa spája s rôznymi aspektmi fyziky.

Planckova dĺžka je „prirodzená jednotka“ dĺžky, ktorú navrhol nemecký fyzik Max Planck.

Planckova dĺžka je príliš krátka na to, aby ju mohol merať akýkoľvek prístroj, ale predpokladá sa, že za ňou predstavuje teoretickú hranicu najkratšej merateľnej dĺžky. Podľa princípu neurčitosti by žiadny prístroj nikdy nemal byť schopný merať niečo menej, pretože v tomto rozsahu je vesmír pravdepodobnostný a neistý.

Táto stupnica sa tiež považuje za deliacu čiaru medzi všeobecnou teóriou relativity a kvantovou mechanikou.

Planckova dĺžka zodpovedá vzdialenosti, kde je gravitačné pole také silné, že môže začať vytvárať čierne diery z energie poľa.

Teraz má najmenšia častica vo vesmíre veľkosť približne dosky: 1,6 x 10 −35 metrov

závery

Už zo školy bolo známe, že najmenšia častica vo vesmíre, elektrón, má záporný náboj a veľmi malú hmotnosť rovnajúcu sa 9,109 x 10 - 31 kg a klasický polomer elektrónu je 2,82 x 10 -15 m.

Fyzici však už pracujú s najmenšími časticami vo vesmíre, Planckovou veľkosťou, ktorá je približne 1,6 x 10 −35 metrov.

Jednou z hlavných vlastností častíc je ich schopnosť premieňať sa jedna na druhú, rodiť sa a ničiť v dôsledku interakcie.
Objav pozitrónu, častice podobnej charakteristikám ako elektrón, ale na rozdiel od elektrónu má kladný jednotkový náboj, bol mimoriadne dôležitou udalosťou vo fyzike. Ešte v roku 1928 P. Dirac navrhol rovnicu na opis relativistickej kvantovej mechaniky elektrónu. Ukázalo sa, že Diracova rovnica má dve riešenia, obe s pozitívnou a negatívnou energiou. Negatívny energetický stav opisuje časticu podobnú elektrónu, ale s kladným elektrickým nábojom. Pozitron bol prvou časticou objavenou z celej triedy častíc nazývaných antičastice. Pred objavom pozitrónu sa nerovnaká úloha kladných a záporných nábojov v prírode zdala nevysvetliteľná. Prečo existuje ťažký, kladne nabitý protón, ale nie ťažká častica s hmotnosťou protónu a záporným nábojom? Ale bol tam ľahký záporne nabitý elektrón. Objav pozitrónu v roku 1932 v podstate obnovil symetriu náboja pre ľahké častice a postavil fyzikov pred problém nájsť antičasticu pre protón. Ďalším prekvapením je, že pozitrón je stabilná častica a môže existovať v prázdnom priestore neobmedzene dlho. Keď sa však elektrón a pozitrón zrazia, anihilujú. Elektrón a pozitrón zmiznú a namiesto nich sa zrodia dve γ kvantá

e + + e - → 2γ

m(e-) = m(e+) = 0,511 MeV.

Dochádza k premene častíc s pokojovou hmotnosťou odlišnou od nuly na častice s nulovou pokojovou hmotnosťou (fotóny), t.j. pokojová hmotnosť sa nezachová, ale premení sa na kinetickú energiu.
Spolu s procesom anihilácie bol objavený aj proces tvorby elektrón-pozitrónového páru. Elektrón-pozitrónové páry boli ľahko vytvorené pomocou -kvanta s energiou niekoľkých MeV v Coulombovom poli atómového jadra. V klasickej fyzike sú pojmy častice a vlny ostro rozlíšené - niektoré fyzikálne objekty sú častice, zatiaľ čo iné sú vlny. Transformácia elektrón-pozitrónových párov na fotóny poskytla dodatočné potvrdenie myšlienky, že medzi žiarením a hmotou je veľa spoločného. Procesy anihilácie a zrodu párov nás prinútili prehodnotiť, čo sú častice, ktoré sa predtým nazývali elementárne. Častica prestala byť nemennou „tehlou“ v štruktúre hmoty. Vznikol nový, mimoriadne hlboký koncept vzájomnej premeny častíc. Ukázalo sa, že častice sa môžu zrodiť a zmiznúť a zmeniť sa na iné častice.
V teórii -rozpadu, ktorú vytvoril E. Fermi, sa ukázalo, že elektróny emitované pri procese -rozpadu neexistujú v jadre, ale vznikajú ako výsledok rozpadu neutrónu. V dôsledku tohto rozpadu neutrón n zaniká a rodí sa protón p, elektrón e - a elektrónové antineutríno e.

np + e - + e

m(n) = 939,6 MeV. m(p) = 938,3 MeV. m(e) = ? τ(n) = 887c.

V dôsledku reakcií medzi antiprotónom a protónom p sa v závislosti od energie zrážaných častíc môžu zrodiť rôzne častice

p+	→ n + + π + + π -	m() = m(p), m() = m(n) m(π+) = m(π-) = 140 MeV. τ (π +) = τ (π -) = 2,6∙ 10 -8 s.
	→π + + π - + π 0
	→ K + + K -

Kladne nabitý mezón K +, ktorého priemerná životnosť je 1,2∙10 -8 s, sa rozpadá jedným z nasledujúcich spôsobov (relatívne pravdepodobnosti rozpadov sú uvedené vpravo.

Λ -hyperón a Δ 0 -rezonancia majú približne rovnaké hmotnosti a rozpadajú sa na rovnaké častice - protón a π - mezón. Veľký rozdiel v ich životnosti je spôsobený mechanizmom rozpadu. Λ -hyperón sa rozpadá v dôsledku slabej interakcie a Δ 0 -rezonancia - v dôsledku silnej interakcie.

Λ → p + π	m(Λ) = 1116 MeV. τ (Λ ) = 2,6∙ 10 -10 s.
Δ 0 → p + π	m(A) = 1232 MeV. τ(A) = 10-23 s

Pri rozpade negatívneho miónu (-) v konečnom stave vznikajú spolu s elektrónom dve neutrálne častice - miónové neutríno ν μ a elektrónové antineutríno e. K tomuto rozpadu dochádza v dôsledku slabej interakcie.