Опорный конспект по теме «Элементарные частицы» Авторы: Морозова Н.В., учитель физики МОУ лицея 40 г.Петрозаводска Янюшкина Г.М., к.п.н., доцент кафедры ТФ и МПФ КГПУ

Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части. Адроны имеют сложную внутреннюю структуру, но разделить их на части невозможно. Ряд элементарных частиц являются бесструктурными (фундаментальные) частицами – это частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

С 1932г. Открыто более 400 элементарных частиц. Для классификации используют электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни виды взаимодействия. По величине спина фермионы бозоны

Фермионы – частицы с полуцелым спином: ħ /2, 3/2 ħ … (е -, р, n, v е- - электронное нейтрино) Для фермионов справедлив принцип Паули: в одном и том же энергетическом состоянии могут находится не более 2 х фермионов с противоположными спинами.

Бозоны – частицы с целым спином 0, ħ, 2 ħ … (фотон, мезон) Для бозонов принцип Паули не существует, поэтому в одном энергетическом состоянии может находится любое число бозонов.

Рассмотрим в качестве примера распределение фермионов по 3 м возможным энергетическим состояниям системы: E 1, E 2, E 3. N - число фермионов; S - спиновое число S=3/2 S=1/2 (спиновый момент ħ /2) Спин имеет 2е ориентации S=0, 1 т.е. можно рассматривать как бозон с целым спином 0 или ħ S=1/2 S= - 1 / 2 S=0 S=1/2 S= - 1/2 S=1/2 S=1 S=1/2 S= - 1/2

Элементарные частицы существуют в 2 х разновидностях Частицы(а)античастицы(ā) Античастицы(ā) – элементарная частица имеющая (по отношению к а) равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд. Первая античастица обноружена в 1932г. Американским физиком К. Андерсоном в космическом излучении.

Фотографируя траекторию частиц космических лучей в камере Вильсона, Андерсон обнаружил трек, принадлежащий частице с массой e - (а), в магнитном поле частица двигалась по окружности r=(m e- v)/( e - B) (F л =F ц ); ее направление движения было неизвестно и зависело от знака заряда. + В а)

В + + б) Для определения движения частицы Андерсон разместил на ее пути свинцовую пластинку толщиной 6мм, тормозившую частицу, r уменьшился (V), движение снизу вверх и обладает (+), т.е. античастица электрона – позитрон е+

В 1947г. – антипион 1955г. - антипротон 1956г. – антинейтрон Получены атомы антидейтерия, антитрития, антигелия. Истинно нейтральной частицей является фотон, совпадающий со своей античастицей.

Аннигиляция – процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которой они превращаются в γ-кванты (фотоны) или другие частицы. е - + е + 2 γ Один γ-квант не образуется т.к. одновременно должны быть выполнены законы сохранения импульса и энергии.

Электрон – позитронная пара возникает при взаимодействии γ-кванта с веществом. γ е - + е + γ е+е+ е-е- В

Классификация по видам взаимодействия Элементарные частицы адронылептоны Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны – фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии (12 частиц – 6 частиц и 6 античастиц). Все лептоны – фермионы – полуцелый спин. В реакциях слабого взаимодействия лептонов участвуют лептон – нейтринные дублеты. Нейтрино всегда возникает в реакции вместе с определенным лептоном. Для выделения класса лептонов вводят квантовое число – лептонный заряд L. L=1 – для лептонов L= - 1 – для антилептонов L=0 – для адронов

Сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется. Лептонный заряд е - и v е-, образующих 1 ый лептонный дублет, равен 1, а позитрона равен -1. Пример для реакции β - -распада: n p + e - + v е (электронное антинейтрино). Закон сохраненя лептонного заряда имеет вид: 0 = Закон сохранения лептонного заряда ~

Второй лептонный дублет образуют отрицательно заряженный мюон μ - и мюонное нейтрино V μ. Мюон открыт в 1936г. В космических лучах и напоминает тяжелый е -. m μ- > m е- в 207 раз, через 2,2с μ - распадается на е -, V μ, v е. Лептонный заряд мюона и мюонного нейтрино L=1. ~

μ - е - + v μ + v е. 1 = Античастицам v μ и μ + L=-1. В 1975г. Открыт самый тяжелый (-) лептон – таон τ - (или τ-лептон). Таон в 3492 раза тяжелее электрона и почти в 2 раза тяжелее протона, за 4* с таон распадается на мюон, мюонное нейтрино, лептоный заряд таона и таонного нейтрино L=1. τ - μ - + V μ + V τ З,С: 1= Таон и таонное нейтрино образуют 3 ий лептонный дублет. ~ ~ ~

Лептоны и их характеристики ДублетНазваниеСимволМассаLВремя жизни (с) частицаантичастицав m e МэВ 1Электроне-е- е+е+ 10,511±1стабильно Электронное нейтрино vеvе vеvе 00(1,4*10 -5 )±1стабильно 2Мюонμ-μ- μ+μ ,66±12,2*10 -6 Мюонное нейтрино V μ 00(

Любое взаимодействие обусловлено обменом частиц. В 1956г. Американский физик Швингер предположил, что переносчиком слабого взаимодействия являются 2 заряженных промежуточных векторных бозона W + и W -. В 1961г. – американский физик Глэшоу отрицательный и нейтральный бозон.

Бета – распад происходит с участием W-бозона. Сначала нейтрон распадается на протон и W -, затем промежуточный бозон W - распадается на е - и v е. β - распад W-W- vеvе е-е- р n ~ ~

В действительности излучение или поглощение заряженных векторных бозонов – результат превращения одного типа лептона е -, в другой - v е. W-W- е-е- vеvе е-е- vеvе Взаимопревращение е - и v е ~ ~ ~ ~

К классу адронов относится около 300 элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии. В зависимости от значения спина Адроны Мезоны – бозоны со спином 0, ħ участвующие в сильном взаимодействии. Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ, участвующие в сильном взаимодействии. Мезоны (meso - средний) Барионы (barys - тяжелый) (подгруппы) нуклоны гипероны

Классификация адронов Адроны МезоныБарионы S = 0, 1нуклоныгипероны π + π - π 0 S = ½λ 0 λ 0 Σ + Σ - Σ 0 Σ 0 К + К - К 0 К 0 µ 0 p, р, n, nΞ 0 Ξ 0 Ξ + Ω - Ω + ~~ ~ ~ ~ ~

Время жизни протона (10 31 лет) – стабильная частица, все другие адроны распадаются. Американские физики-теоретики Геллман и Цвейг предположили, что адроны являются составными частицами (т.к. их m > чем m лептонов).

Нуклоны (p,n) состоят из 3 х фундаментальных, электрически заряженных частиц, называемых кварками. Экспериментально подтверждено в 1969г. При рассеянии е - с энергией 20ГэВ на протонах и нейтронах. Было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в нуклоне; в нуклоне 3 и точ. заряда установлено(±).

Основные характеристики кварков 1) имеют дробный электрический заряд: +2/3е – называются U-кварками (верх) -1/3е – d-кварк (низ). кварковый состав протона представляет U и d, электрона U и d. т.к. m p m n, то близки и массы кварков (m n >m p на 2,5 m е ), поэтому d-кварки чуть тяжелее U-кварка.

2) Барионный заряд Во всех взаимодействиях барионный заряд сохраняется. Массовое число А является барионным зарядом В ядра: В=А, для барионов В=1; антибарионов В=-1, у частиц, не являющимися барионами В=0. при β-распаде: n p + e - -V e З.с барионного заряда: 1 = Барионный заряд кварков =1/3, что дает для барионов(р,n) В=1. ~

Затем были открыты тяжелые адроны: S – странный C – очарованный b – красота t – правда Их массы превышают массы U иd – кварков. Все кварки – фермионы, полуцелый спин, т.к. адроны являются фермионами. Различные типы кварков называются ароматом.

Характеристики кварков и антикварков Кварк (аромат) S=1/2 qBАнтиквар к S=1/2 qB U, C, t+2/3e1/3U, C, t-2/3e-1/3 d, S, b-1/3e1/3d, S, b+1/3e-1/3 ~~ ~ ~~ ~

Цвет кварков Каврки отличаются цветом, т.к. некоторые кварки могут состоять из 3 х одинаковых кварков: (каждый тип кварков, U-кварк – либо зеленым, либо красным, либо синим) Реально они не окрашены, но так лучше запомнить. Цветовой заряд является характеристикой взаимодействия кварков. Адроны – цветонейтральны. Мезоны – цветонейтральны.

поколениечастицацветqm((ГэВ) 1КваркU2/3e0,330 D-1/3e0,333 Лептонe-e5,11*10 -4 VeVe 0

π + - мезон π - - мезон U 2/3е U - 2/3е S - 1/3e d 1/3e барионный заряд = 0 (1/3 – 1/3 = 0) С помощью разноцветных кварков можно построить любой адрон: 6 кварков, 6 антикварков(каждый 3 цвета, полное число кварков - 36) ~

Фундаментальные частицы – кварки и лептоны. В сильном взаимодействии Не участвуют в сильном взаимодействии Они образуют начальный уровень материи Вселенная состоит из 48 фундаментальных частиц (см. таблицу).