93315

Проблема строения и развития материи

Лекция

Логика и философия

Элементарные частицы и их основные свойства. Типы и строение частиц. осуществляются распады элементарных частиц. Этим силам соответствуют квантовые поля и особые частицыносители.

Русский

2015-08-29

26.27 KB

0 чел.

Лекция № 8.  Проблема строения и развития материи.

1. Проблема единства сил природы и сущность гравитации.

2. Элементарные частицы и их основные свойства.

3. Типы и строение частиц.

1. Проблема единства сил природы и сущность гравитации.

Физика XVIII и начала XIX вв. знала три основных силы природы: гравитация, электрическое взаимодействие и магнитное взаимодействие. Во второй половине XIX в. Дж.К. Максвелл и другие создатели классической электродинамики показали, что два последних типа взаимодействия неразрывно связаны друг с другом. в единую электромагнитную силу. Но Максвелл только зафиксировал их связь, а идея сущностного единства этих сил утвердилась благодаря теории относительности, согласно которой электрические и магнитные поля взаимно превращаются со сменой системы отсчета. В 1932 г. открыты два новых вида взаимодействия: т. н. сильное, посредством которого образуются, напр., связи нуклонов в ядре атома, и т. н слабое, посредством которого, напр., осуществляются распады элементарных частиц. Этим силам соответствуют квантовые поля и особые частицы-носители. В попытках охватить эти четыре фундаментальные силы одной общей теорией наибольшую проблему представляет учет природы тяготения.

И до Ньютона, и еще много времени спустя в науке о Вселенной господствовали идеи близкодействия, восходящие к “вихревой физике” Р. Декарта. И. Кеплер, на законах которого Ньютон основал свою теорию тяготения, думал, что планеты увлекаются движением эфира от вращения Солнца, подобно тому, как водоворот увлекает и кружит легкие тела. Х. Гюйгенс, современник Ньютона, тоже не хотел допускать действия силы через пустоту и создал модель Солнечной системы на основе гидравлической теории вихрей.

В классической физике понятия частиц и сил были четко разделены, а в современной физике – тесно взаимосвязаны. Она рассматривает взаимодействие как, в конечном счете, обмен некоторыми частицами, и каждому виду сил природы приписывает собственную частицу-носитель. Поэтому и мы не можем оторвать рассмотрение отношений между силами природы от рассмотрения элементарных частиц и отношений между ними..

 

2. Элементарные частицы и их основные свойства.

В начале и середине XIX в. считалось, что первочастицами вещества являются атомы химических элементов, ограниченные в их численности и дальше неразложимые. В конце этого и начале следующего столетия была доказана разложимость атомов и открыты первые элементарные частицы: электрон (Дж.Дж. Томсон, 1897 г.), фотон – квант электромагнитного излучения (Эйнштейн, 1905 г.; термин введен Г.Н. Льюисом в 1929 г.), протон (Э. Резерфорд, 1919 г.). Но по-настоящему развитие теории элементарных частиц началось с открытия нейтрона. Оно предсказано Резерфордом в 1921 г., а совершено Дж. Чедвиком в 1932 г.

Этот (1932) год в физике частиц называют годом чудес. Тогда же были открыты два новых фундаментальных вида взаимодействия – сильное и слабое. В том же году К. Андерсон открыл в космических лучах первые частицы антивещества – позитроны (анти-электроны). Позитрон был предсказан в 1931 г. П. Дираком. Он обратил внимание на нерелятивистский характер уравнения Шредингера и составил новое уравнение, которое описывало движение электрона с учетом теории относительности. Оказалось, что оно имеет два решения, одним из которых был известный электрон, другим – аналогичная частица, но с положительным зарядом.

В дальнейшем квантовая теория поля установила, что каждой частице соответствует античастица, которая отличается только знаком некоторых характеристик взаимодействий (напр., электрического заряда, барионного заряда, магнитного момента и др.). Если частица имеет нулевые значения всех зарядов, она совпадает со своей античастицей (напр., фотон, нейтральный пи-мезон и др.). Частицы и соответствующие античастицы (с противоположными зарядами) при столкновении аннигилируют, т. е. взаимно уничтожаются, а их масса покоя превращается в энергию, уносимую двумя (или более) другими частицами, напр. фотонами. Это открытие разрушило перегородку между полем (излучением) и веществом. Оказалось, они превращаются друг в друга в процессе порождения и аннигиляции электрон-позитронных пар.

В 1936 г. тот же К. Андерсон обнаружил мюоны и антимюоны. К концу 40-х гг. открыты пи-мезоны и известно уже 15 элементарных частиц. Дальше открытия посыпались как из рога изобилия. К 1981 г. эмпирически обнаружены античастицы практически всех известных частиц, и сейчас физика знает около 400 субатомных объектов. Такое многообразие заставило физиков вплотную заняться классификацией субатомных частиц, и в целом эта классификация проведена успешно. Ее результаты выражаются в виде т. н. Стандартной модели частиц и представляют существенный общенаучный и философский интерес. В первую очередь, обратим внимание на основные свойства частиц.

Субатомные частицы характеризуются прежде всего временем жизни. Всего пять из них считаются в принципе стабильными: электрон, протон, нейтрон, фотон и нейтрино. Причем лишь протон и нейтрино практически вечны. Время жизни свободного протона оценивается по современным данным в 1,6 1033 года, тогда как возраст Вселенной порядка 1,5 1010 лет. Нейтрон стабилен только в ядре атома, а в свободном состоянии живет не более 16 минут, после чего самопроизвольно распадается (на протон, электрон и электронное нейтрино). Правда, в ядре атома протоны и нейтроны постоянно взаимопревращаются. Фотон всегда движется со скоростью света, и его торможение эквивалентно поглощению фотона веществом. Поэтому фактически он живет ровно столько времени, сколько проходит от его порождения до поглощения. Все другие субатомные частицы живут очень малое время. Особо выделяются т. н. резонансы – частицы с крайне малым временем жизни (порядка 10–22 – 10–24 с). Именно они составляют большую часть всех субатомных частиц (около 200).

3. Типы и строение субатомных частиц.

Частицы делятся также на лептоны, адроны и переносчики взаимодействия. О лептонах кое-что говорит уже их название (от греч. leptos – легкий). К ним относятся, во-первых, действительно легчайший электрон, а также нейтрино, возможно – вообще не имеющее массы покоя. По крайней мере, она не обнаруживается в пределах современной точности эксперимента. Но в количественном отношении нейтрино превышает все остальные частицы, так что даже атомы (тем более – сложные системы вещества) выглядят редкими островами в океане нейтрино. Во Вселенной на один протон приходится 1 миллиард нейтрино. Если окажется, что нейтрино имеют заметную массу покоя, это может существенно изменить наши представления об устройстве Вселенной и путях ее развития. На конференции "Нейтрино-98" было заявлено о наблюдении т. н. нейтринных осцилляций, что должно бы означать наличие у нейтрино массы. Но пока окончательный результат не получен.

К лептонам относится и мюон. Интересно, что положительный мюон, когда он останавливается в веществе, может присоединять к себе электрон и образовывать подобие атома водорода (т. н. мюоний).

Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом и их очень трудно обнаружить (нейтрино может пройти всю Землю насквозь и "не заметить" этого). Все же в 2000 г. открыта последняя по счету – тау-нейтрино (впервые след ее зафиксирован еще в апреле 1997 г., но все это время шла обработка результатов). – Таким образом, всего лептонов насчитывается 6, а вместе с античастицами – 12.

Все лептоны считаются подлинно элементарными частицами, т. е. не обнаруживают (по крайней мере, при достижимых сегодня энергиях) никакой внутренней структуры. Но в последние годы появились ожидания, что удастся доказать принципиальную разложимость электрона, облучая инфракрасным светом микроскопические пузырьки жидкого гелия при температуре, близкой к абсолютному нулю; это произвело бы переворот во всей квантовой физике. Х. Мерис утверждает даже, что более 30 лет назад физики уже подтвердили делимость электрона, сами того не подозревая. Еще в 1982 г. было открыто существование квазичастиц с 1/3 заряда электрона и другой дробной величины при протекании тока в двумерном электронном "газе" при существенном взаимодействии между электронами (дробный квантовый эффект Холла, Нобелевская премия по физике за 1998 г.). Это не частицы в общепринятом смысле слова, а следствие группового "танца" электронов в квантовой жидкости. Тем не менее, в глазах специалистов это открытие означает, что заряд электрона оказался не элементарным.

Вообще электрон, первая из открытых субатомных частиц, все еще не до конца разгадан. Если следовать классическим представления о поведении зарядов и положить его точечным, возникают парадоксы воздействия поля этой частицы на нее саму; если же придать ему объем, электрон должен быть разорван внутренним отталкиванием частей собственного заряда. Кроме того, если бы мы измеряли "голый" заряд электрона, он оказался бы бесконечным по величине. Современная физика представляет себе "жизнь" электрона как постоянное испускание и поглощение виртуальных фотонов, которые окружают электрон плотным облаком ("шубой"). Поэтому не удается определить точный размер электрона, говорят только о его условном "классическом радиусе" ro = e2/meC2 ~ 10–11 см. Эта модель решает ряд проблем, но не все специалисты находят ее удовлетворительной.

Но основное определение лептонов состоит в том, что они не участвуют в т. н. сильном взаимодействии, а только – в гравитационном, электромагнитном и слабом. А основное отличие адронов (от греч. adros – сильный) – именно в том, что они могут участвовать также и в сильном взаимодействии. Это процессы, создающие из частиц какие-то структуры и поддерживающие их существование. Такое взаимодействие проявляется прежде всего в виде сил, связующих частицы в ядре атома. Интересно, что электроны, нейтрино и фотоны неподвластны сильному взаимодействию. Сегодня известны сотни адронов, но подавляющее большинство из них – резонансы, стабильными являются только протон и нейтрон.

Адроны делятся на барионы (от греч. barys – тяжелые; к ним относятся, в частности, протон и нейтрон), и мезоны (от греч. mesos – средний, промежуточный). За исключением резонансных частиц, насчитывается 9 барионов и 5 мезонов. Барионы имеют полуцелый спин (т. е. это фермионы) и особый барионный заряд (у частиц всегда +1, у античастиц –1). Мезоны имеют целочисленный спин, т. е. это бозоны. Нуклоны обмениваются между собой мезонами, превращаясь поочередно то в протон, то в нейтрон, при этом протон может образовывать связи с ограниченным числом нейтронов и, наоборот, нейтрон связывается с определенным числом протонов.

В 1964 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг высказали гипотезу, что каждый адрон состоит из субчастиц – т. н. кварков, и сейчас это считается доказанным. Поэтому адроны взаимодействуют друг с другом и с другими частицами по сложным законам. Кварки отличаются дробным электрическим зарядом (–1/3 или +2/3), дробным барионным зарядом (1/3) и имеют спин 1/2 (т. е. это фермионы). Установлено, что есть шесть сортов или "ароматов" кварков и такое же число антикварков. "Ароматы" кварки обозначаются по первым буквам английских слов up, down, strange, charm, beauty и truth (или top). Последний из них, самый тяжелый t-кварк, открыт только в 1994 г., хотя предсказан уже давно. Как и лептоны, кварки считаются истинно элементарными частицами, т. е. не имеют внутренней структуры. Поэтому все процессы с участием адронов и лептонов могут быть представлены как кварк-лептонные процессы.

Как и требует теория, кварков обнаруживается ровно столько же, сколько лептонов (т. н. кварк-лептонная симметрия). Т. о., мы имеем два равночисленных набора истинно элементарных частиц, и все взаимодействия между частицами можно свести к отношениям кварков и лептонов. По массе все кварки и лептоны разделяются на три "поколения". В первое, самое "легкое", поколение входят электрон, электронное нейтрино и кварки up, down. Именно из этих частиц построены атомы, т. е. все вещественные объекты во Вселенной. Частицы других поколений могут рассматриваться как возбужденные состояния частиц первого поколения, и до сих пор не наблюдались переходы между частицами разных поколений. Роль других поколений частиц в природе, смысл их выделения и смысл запрета (либо редкости) переходов между поколениями пока неясны.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22867. Обеспечение качества и количества товаров. Сохраняющие факторы 21.91 KB
  Хранение - это этап технологического цикла товародвижения от выпуска готовой продукции до потребления или утилизации, цель которого - обеспечение стабильности исходных свойств или их изменение с минимальными потерями.
22868. Виды и формы товарной информации. Требования к товарной информации. Средства информации 23.39 KB
  Первичными источниками товарной информации и одновременно исполнителями услуг по информированию продавцов и/или потребителей о продаваемых товарах являются производители
22869. Иммунитет, факторы его формирующие. Общее представление об иммунной системе и её работе 69 KB
  Иммунитет: определение понятия. Виды иммунитета. Факторы риска иммунитета.
22870. Экологические аспекты здоровья и перспективы выживания человека 47 KB
  Лимитирующими факторами выживания человеческого общества являются ресурсы. Ресурсы – то что мы получаем из окружающей среды для удовлетворения наших потребностей. Они подразделяются на несколько категорий: Невозобновимые – исчерпаемые ресурсы такие как ископаемое топливо которое не может быть рециркулированно или использовано повторно Потенциально возобновимые леса луга животные вода воздух плодородие почвы. Вечные ресурсы – фактически не используемые ресурсы солнечной энергии энергии ветра.
22871. Инфекционные заболевания 39 KB
  после заражения до начала заболевания проходит скрытый период инкубационный 17дн. на часть возбудителей после заболевания формируется активно приобретённый иммунитет корь ветрянка. вши Восприимчивость организма Возбудители: вирусымикробы которые в геноме имеют 1 цепочку ДНК и РНК; Заболевания: грипп простуда полиомелит ВИЧинфекция лихорадка Эбола краснуха корь ветряная оспа.
22872. Определение и терминология СПИДа и ВИЧ 212.5 KB
  Инфекция вызываемая вирусом иммунногодефицита человека инфекция ВИЧ новое заболевание передаваемое преимущественно половым путем. ВИЧ – медленно прогрессирующее инфекционное заболевание. Это стадия дает наибольшие возможности для распознавания инфекции ВИЧ заражение ВИЧ поражает иммунную систему в результате чего организм становиться высоко восприимчив к инфекциям и опухолям которые в конечном итоге приводят к гибели больного и история учения об этой инфекции начинается с изучения ее финала.
22873. Валеология питания 388.5 KB
  Цель занятия: Рассмотреть роль питания в жизнедеятельности человека основные пищевые вещества их функции и значение для организма а также современные концепции сбалансированного питания. Сформировать представление о процессах обмена веществ и энергии в организме человека. На сегодняшней лекции как уже видно из названия темы мы будем изучать влияния питания на состояние здоровья человека. Он заложил основы диетики науки о правильном питании здорового и больного человека и диетотерапии науки о лечебном питании больных людей и о его...
22874. Виды питания 104 KB
  Согласно этой концепции энергетическая ценность пищи должна соответствовать затратам энергии которые у каждого отдельного человека зависят от пола возраста физиологических и генетических особенностей характера выполняемой работы и других факторов. При соблюдении баланса между поглощаемой и затрачиваемой организмом энергией лучше работают ферментативные системы обеспечивающие расщепление и дальнейшее использование веществ пищи а также выведение из организма токсичных продуктов распада. Нормы потребления витаминов зависят от состава пищи...
22875. Влияние вредных привычек на состояние здоровья человека 96.5 KB
  Возможно формирование психической зависимости от алкоголя: влечение к алкоголю и чувствопсихологического комфорта в состоянии опьянения. Лица с начальными признаками алкоголизма им свойственны наличие психической зависимости отсутствие при передозировке алкоголя рвотного рефлекса и чувства отвращения к спиртному по утрам переход к эпизодическому но при этом длительному потреблению появление способности организма к нормальному функционированию при потреблении спиртных напитков отсутствие торможения при потреблении алкоголя и...