Микромир. Классификация элементарных частиц.

Содержание
Введение…………………………………………………………………….с.3-4
1 Микромир. Классификация элементарных частиц…………………….с.5-15
1.1 Микромир………………………………………………………………с.5-9
1.2 Классификация элементарных частиц………………………………..с.10-15
Заключение…………………………………………………………………с.16
Список литературы…………………………………………………………с.17

Введение
Тема данной работы «Микромир. Классификация элементарные частицы», потому что мне крайне интересна эта тема, и я хочу больше узнать о микромире и элементарных частицах, их структуре, превращениях и понять принципы их взаимодействий.
Понятие «элементарная частица» сформировалось в связи с установлением строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение в начале 20-го века мельчайших носителей свойств вещества – атомов – позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и достаточно большого, количества составляющих – атомов. Выявления сложного строения атомов, оказавшихся построенными всего из трёх типов частиц (электронов и протонов и нейтронов в ядре), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать,
что цепочка составных частей материи заканчивается дискретными бесструктурными образованиями – элементарными частицами. Нельзя с уверенностью сказать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, долгое время считавшиеся элементарными, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Есть гипотеза о том, что существуют так называемые «геометрические кванты». Её смысл заключается в том, что на расстоянии 10ֿ³³ см силы взаимодействия настолько велики, что само пространство сворачивается в некие микрообъекты, напоминая губку, и меньших расстояний попросту не бывает. Эти шарики и представляют собой «геометрические кванты», или струны.
Сейчас термин «элементарные частицы» используется в не совсем точном значении, а включает в себя группу мельчайших частиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон – ядро атома водорода).
Первая элементарная частица – электрон – была открыта Дж. Дж. Томсоном в
4
1897 году. Он установил, что так называемые катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, названных впоследствии электронами. В 1911 году Э.Резерфорд, пропуская α-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги из разных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях – ядрах. В 1919 году обнаружил протоны – положительно заряженные частицы, с массой, в 1836,2 раза превышающей массу электрона – среди частиц, выбитых из атомных ядер. В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью частицу, входящую в состав атома – нейтрон, изучая взаимодействия α-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не имеет заряда. М.Планк, предположив, что энергия абсолютно чёрного тела квантована, получил правильную формулу для спектра излучения (1900 год). Развивая идею Планка, Эйнштейн постулировал, что электромагнитное излучение в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона даны Р.Милликеном (1912-1915 года) и А.Комптоном (1922 год). Открытие нейтрино – частицы, почти не взаимодействующей с веществом – ведёт своё начало от гипотезы В.Паули(1930 год), позволившей найти «невидимого вора» в процессах β-распада радиоактивных ядер (часть энергии исчезала неизвестно куда). Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 году Ф. Райнесом и К.Коуэном в США. К настоящему времени открыто около 350 элементарных частиц, различных по своим характеристикам: времени жизни, заряду.
Цель: рассмотреть понятие микромир и классификацию элементарных частиц.
Задачи:
- познакомится с понятием микромир;
- рассмотреть классификацию элементарных частиц.

5
1 Микромир. Классификация элементарных частиц
1.1 Микромир
Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы — мир предельно малых, непосредственно не наблю¬даемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечно¬сти до 10-24 с.
Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за еди¬ницу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свой¬ства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему хими-ческих элементов, основанную на их атомном весе.
В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном Превращении атомов одних элементов в атомы других элемен¬тов. Изучение радиоактивности было продолжено французски¬ми физиками супругами Пьером и Марией Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.
История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона - отрица¬тельно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.
Исходя из огромной, по сравнению с электроном, массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил в
6
1902 г. первую модель атома —положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг». Эта Идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой.
В 1908 г. Э. Марсден и X. Гейгер, сотрудники Э. Резерфорда, провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов и обнаружили, что почти все они проходят через пластинку, будто нет препятствия, и только 1/10000 из них испытывает сильное отклонение. По мо¬дели Дж. Томсона это объяснить не удавалось, но Э. Резерфорд нашел выход. Он обратил внимание на то, что большая часть частиц отклоняется на малый угол, а малая — до 150°. Э. Резер¬форд пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препятст¬вие, это препятствие представляет собой ядро атома — положи¬тельно заряженную микрочастицу, размер которой (10-12 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10-8 см), но в ней почти полностью сосредоточена масса атома.
Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г., на¬поминала солнечную систему: в центре находится атомное яд¬ро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.
Ядро имеет положительный заряд, а электроны - отрица¬тельный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электриче¬ский заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов — атом электрически нейтрален.
Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромаг¬нитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.
7
Следующее противоречие связано с тем, что спектр излуче¬ния электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показы¬вает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказа-лась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.
В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характе¬ристике атомных спектров.
Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, ос¬нованную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:
1) в каждом атоме существует несколько стационарных со¬стояний (говоря языком планетарной модели, несколько ста¬ционарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;
2) при переходе электрона из одного стационарного состоя¬ния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.
Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находя¬щиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становит¬ся понятным, почему атомы химических элементов не испус¬кают излучения, если их состояние не изменяется: объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответ-ствует переход электрона из одного состояния в другое.
Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание ато¬ма водорода, состоящего из одного протона и одного электро¬на, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на много¬электронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимы¬ми
8
трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспе¬риментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были свя¬заны с волновыми свойствами электрона. Длина волны движу¬щегося в атоме электрона равна примерно 10-8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движение частицы, принадле¬жащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траектории) только в том слу¬чае, если длина волны частицы пренебрежимо мала по сравне¬нию с размерами системы. Другими словами, следует учиты¬вать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимо¬сти от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны.
Следовательно, точно описать структуру атома на основа¬нии представления об орбитах точечных электронов принципи¬ально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других - меньше.
Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного за¬ряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связы¬вающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Траектории, вычисленные в теории Н. Бора для одноэлектронного атома водорода, совпали с кривыми максимальной средней плотности заряда, что и обусловило со¬гласованность с экспериментальными данными.


9
Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это по¬следнее усилие описать структуру атома на основе классиче¬ской физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чу¬жеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных.
Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь час¬тично. Ответы на эти вопросы были получены в результате раз¬вития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макро¬мире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.





10
1.2 Классификация элементарных частиц
Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, неделимые частицы, из которых состоит вся материя. Понятие “элементарная частица” трансформировалась по мере развития знаний о строении материи. На рубеже 19 – 20 веков мельчайшей частицей вещества (т.е. элементарной частицей) считался атом (по-гречески atomos - ”неделимый”) . В дальнейшем выявилась сложная структура атома, состоящего из ядра и электронов. В свою очередь ядра, как оказалось, также являются сложными структурами и состоят из протонов и нейтронов. В настоящее время считается, что протоны и нейтроны также состоят из более элементарных частиц – кварков. В строгом смысле именно кварки в настоящее время должны считаться элементарными частицами. Однако в современной физике термин “элементарные частицы” употребляется не в своем точном значении, а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами, т.е. объектами заведомо составной природы. В эту группу входят протон (p), нейтрон (n), фотон (g ), p - мезоны и другие частицы – всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Очевидно, что при наличии такого большого числа элементарных частиц возникает необходимость их классификации.
В основу всякой классификации должен быть положен какой-то признак. Элементарные частицы принято классифицировать в основном по двум признакам: 1) по способности к различным видам взаимодействия и 2) по массе.
Различные процессы с элементарными частицами заметно различаются по интенсивности их протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно разделить на четыре класса: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью, оно приводит к самой
11
сильной связи элементарных частиц. Именно сильное взаимодействие обуславливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает устойчивость ядер. Потому сильное взаимодействие называют также ядерным.
Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электрическое поле. Очевидно, что это взаимодействие возможно только между электрически заряженными телами. Электромагнитное взаимодействие заметно слабее сильного (ядерного). Именно это взаимодействие обуславливает связь электронов с ядром в атоме и атомов в молекуле.
Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Примером процесса, обусловленного слабым взаимодействием, является бета-распад, а примером элементарной частицы, способной только к слабому взаимодействию, может служить нейтрино. Именно крайне малой интенсивностью слабого взаимодействия объясняется тот факт, что нейтрино свободно пронизывают толщу Земли и Солнца, не испытывая при этом поглощения.
Гравитационное взаимодействие является универсальным, оно наблюдается между любыми материальными телами, но в микромире оно не играет существенной роли. По сравнению с остальными тремя взаимодействиями оно пренебрежимо мало.
Интенсивность различных взаимодействий по сравнению с сильным распределяется следующим образом:
сильное ~ 1
электромагнитное ~ 10-2 … 10-3
слабое ~ 10-10 … 10-14
гравитационное ~ 10-38 … 10-40

12
По способности к тому или иному виду взаимодействия все элементарные частицы делятся на два класса: адроны и лептоны. Лептоны могут, как иметь электрический заряд, так и не иметь его, но спин у всех у них равен Ѕ. Среди представителей этой группы частиц наиболее известен электрон, первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в физическом смысле этого слова) объектом: насколько сейчас известно, он не содержит каких-то других структурных единиц. Другой хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной, которую наглядно можно представить безбрежным нейтринным морем, где изредка встречаются острова в виде обычных атомов. Но, несмотря на такую распространенность, изучать нейтрино очень сложно. Это обусловлено тем, что оно не участвуют ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. Зато, нейтрино способно проникать через вещество, как будто оно не представляет никакой преграды. Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен: за две миллионные доли секунды он распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау - лептон". Это очень тяжелая частица. Ее масса составляет около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону. В 60-х годах список лептонов значительно расширился, да и в наши дни продолжает расширяться. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов - шести.
13
Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. И последнее о лептонах: нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном. Основные характеристики этих частиц представлены в таблице 1.
Таблица 1: (Античастицы в таблицу не включены)
Название Масса Заряд
Электрон 1 -1
Мюон 206,7 -1
Тау-лептон 3536,0 -1
Электронное нейтрино 0 0
Мюонное нейтрино 0 0
Тау-нейтрино 0 0
Адроны
Если лептонов существует чуть свыше десятка, то адронов сотни. Это множество очень быстро привело физиков к мысли, что адроны - не элементарные частицы, а построены из более мелких, истинно элементарных частиц. В природе встречаются как электрически заряженные, так и нейтральные адроны. Среди представителей этого класса частиц наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Адроны можно классифицировать и по массе: выделяют барионы ("тяжёлые" - греч.) и большое семейство мезонов, с массой поменьше ("мезо" - "средний", греч.). Как уже говорилось, адроны участвуют в сильном, слабом и
14
электромагнитном взаимодействиях. Открытие различных типов адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Но со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину, стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в научной теории. Решающий шаг здесь был сделан в 1963 г., когда была предложена теория кварков.
Кроме способности к различным взаимодействиям, элементарные частицы имеют другие характеристики, прежде всего массу, время жизни, спин, электрический заряд. По массе все частицы делятся на тяжелые – адроны, средние – мезоны, легкие – лептоны. По времени жизни частицы делятся на стабильные (время жизни t ® ¥ ), квазистабильные (t > 10-20 с) и нестабильные (t = 10-23 …10-24 с). Например, время жизни протона t > 1030 лет, электрона - t > 1021 лет, нейтрона ~ 1000 с.
Спин может быть целым или полуцелым кратным величине . Например, спин p - мезона равен 0, протона, нейтрона, электрона - ½, фотона – 1.
Электрический заряд является целым кратным величине е = 1,6.10-19 Кл (элементарный электрический заряд).
Помимо указанных величин, элементарные частицы характеризуются еще рядом квантовых чисел. Все лептоны имеют лептонный заряд L, равный +1 для лептонов, -1 для антилептонов и 0 для всех остальных частиц. Все барионы имеют барионный заряд B, равный +1 для барионов, -1 для антибарионов и 0 для всех остальных частиц. У фотона B = 0 и L = 0.
Кроме барионного и лептонного зарядов элементарные частицы могут иметь еще три квантовых числа: “странность” S, “очарование” c и “красоту” b. Для обычных частиц S = 0, c = 0, b = 0, для “очарованных” частиц c¹0, для “красивых” частиц b¹0.

15
Квантовые числа элементарных частиц разделяются на точные, которые связаны с физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах, и неточные, для которых соответствующие физические величины в некоторых процессах не сохраняются. Точными квантовыми числами являются: электрический заряд q, лептонный заряд L и барионный заряд B, спин. Странность S, очарование c и красота b – неточные квантовые числа, они сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабом взаимодействии.
Классификация самых распространенных элементарных частиц приведена в таблице 1.
частица античастица обозначение электрический заряд, Кл масса, МэВ
время жизни, с спин,

ћ

фотон Y 0 0
1
лептоны
электрон позитрон e-,e+
± 1,6.10
0,511
1/2
нейтрон антинейтрино
V V
0 0
1/2
адроны
мезоны
p - мезоны (пионы)
p +,p -,

p 0
± 1,6.10-19
139,6
135,0 2,5.*10-8

2.*10-16
0
барионы
протон антипротон
p ,p
± 1,6.10-19
938,26
1/2
нейтрон антинейтрон n, n 0 959,55 1*10
1/2
16
Заключение
В заключении работы можно сделать следующие выводы:
Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблю¬даемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечно¬сти до 10-24 с.
- атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического элемента;
- у каждого элемента существуют разновидности атомов (содержатся в природных объектах или искусственно синтезированы);
- атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти процессы осуществляются либо самопроизвольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путём (посредством различных ядерных реакций).
- удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц пока нет. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электромагнитных полях, поскольку здесь устанавливается связь микро- и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной, в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения. Очевидно, потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структуры материального мира.

17
Список литературы
1. Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. — М.: Наука, 1981.
2. Дорфман Я. Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. — М.: Наука, 1979.
3. Кириллин В. А. Страницы истории науки и техники. — М.: Наука, 1986
4. Налимов В. В. На грани третьего тысячелетия. — М.: Наука, 1994.
5. Карпенков «Концепция современного естествознания» Москва, «Высшая школа», 1996-2003г.
6. Найдыш «Концепция современного естествознания» Москва, «Гайдарики», 2000-2003г.
7. Солопов «Концепция современного естествознания» Москва, «Владас», 1997-2002г.