2012 г. Квантовая механика Преподаватель: Комолов Владимир Леонидович тел./факс: ; тел. моб.: СПЕЦИАЛЬНЫЕ РАЗДЕЛЫ ФИЗИКИ

прочитанных лекций и темы рефератов Презентации прочитанных лекций и темы рефератов можно скачать по адресу : Книги: Блохинцев, Давыдов, Карлов, Ландау, Левич, Шифф можно скачать с моего обменника

ОБЪЯВЛЕНИЯ 1.Для допуска к зачету представляется реферат, содержащий: Ф.И.О. студента, номер группы, заголовок (текст вопроса), текст ответа (если надо, с формулами и рисунками). 2.Способ подачи реферата - лично (на лекции) или по электронной почте на адрес: Форма представления – документ WORD, или.PDF, или рукопись. Мои координаты: Комолов Владимир Леонидович тел./факс: ; моб ; Объем реферата не должен превышать 4-5 страниц!! Срок представления СЕГОДНЯ !!

Внимание! Досрочно зачет будет приниматься 24 мая на 2-м этаже, начиная с СЛЕДУЮЩИЙ СРОК ЗАЧЕТА – 31 МАЯ, С – В ЛЕКЦИОННОМ ЗАЛЕ. К зачету 24 мая допускаются студенты, СДАВШИЕ В СРОК РЕФЕРАТЫ, и не имеющие «хвостов» у Петра Парфенова по домашним работам и тесту!!

Лекция 14

Релятивистская квантовая механика. Физический вакуум.

В нерелятивистской динамике: Релятивистские волновые уравнения В релятивистской динамике: При переходе к операторам получаем релятивистское уравнение для частицы без спина : Уравнение Клейна-Гордона

Релятивистские волновые уравнения Его подстановка в уравнение дает Уравнение Дирака Если отталкиваться от уравнения первого порядка по времени: то надо выбрать релятивистски инвариантный гамильтониан или Это – релятивистское уравнение для частицы с полуцелым спином где и - 4-х рядные эрмитовы матрицы, выражаемые через матрицы Паули

Физический вакуум. Позитрон. Если исходить из релятивистских уравнений квантовой механики, то: т.е. В «классике» энергия изменяется непрерывно, и переходы между состояниями с + и – отсутствуют (есть запрещенная щель ~ 2mc 2 ). В квантовой механике возможны скачкообразные переходы, и нельзя отбросить состояния с отрицательной энергией a`priori. Однако в системе с отрицательными энергиями при переходах в низшие состояния можно было бы черпать энергию бесконечно, что противоречит опыту, закону сохранения энергии и здравому смыслу.

Физический вакуум. Позитрон. Путь преодоления противоречия – введение понятия физического вакуума (П. Дирак), когда все состояния с отрицательной энергией считаются заполненными электронами, а все состояния с положительной энергией свободны. При этом «пустое» состояние с отрицательной энергией можно трактовать, как частицу, имеющую положительную энергию. Так был предсказан позитрон, впоследствии обнаруженный в космических лучах.

Физика ядра и элементарных частиц

Атомное ядро

Существование ядер у атомов было открыто Э. Резерфордом (1911 г.) в опытах по рассеянию -частиц при прохождении их через вещество. Обнаружив, что -частицы чаще, чем ожидалось, рассеиваются на большие углы, Резерфорд предположил, что положительный заряд атома сосредоточен в малом по размерам ядре (до этого господствовали представления Дж.Дж. Томсона, согласно которым положительный заряд атома считался равномерно распределённым по его объёму). Трудности «планетарной» модели – быстрое падение электрона на ядро. Ее решение – модель Бора. В конце 1913 г. ученик Резерфорда Г. Мозли экспериментально показал, что смещение коротковолновой границы линейчатых рентгеновских спектров атомов при изменении порядкового номера Z элемента в периодической системе соответствует теории Бора, если допустить, что электрический заряд ядра (в единицах заряда электрона) равен Z. Атомное ядро

Состав ядра. Ко времени открытия ядра были известны только две элементарные частицы - протон и электрон. Считалось вероятным, что ядро состоит из них. Однако в конце 20-х гг. 20 в. эта гипотеза столкнулась с серьёзной трудностью, получившей название "азотной катастрофы": по протонно-электронной гипотезе ядро азота должно было содержать 21 частицу (14 протонов и 7 электронов), каждая из которых имела спин 1/2. Спин ядра азота должен был быть полуцелым, а согласно данным по измерению оптических молекулярных спектров спин оказался равным 1. Состав ядра был выяснен после открытия Дж.Чедвиком нейтрона (1932). Масса нейтрона близка к массе протона, а спин равен 1/2.

Состав ядра. Идея о том, что ядро состоит из протонов и нейтронов, была высказана Д. Д. Иваненко и В. Гейзенбергом (1932). Предположение о протонно-нейтронном составе ядра получило экспериментальное подтверждение. В современной ядерной физике протон (p) и нейтрон (n) объединяются общим названием нуклон. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом А, число протонов равно заряду ядра Z (в единицах заряда электрона), число нейтронов N = А - Z. У изотопов одинаковое Z, но разные А и N, у ядер - изобар - одинаковое А и разные Z и N.

Взаимодействие нуклонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Это самые сильные из всех известных в физике взаимодействий. Ядерные силы, действующие между двумя нуклонами в ядре, по порядку величины в сто раз интенсивнее электростатического взаимодействия между протонами. Важным свойством ядерных сил является их изотопическая инвариантность, т. е. независимость от зарядового состояния нуклонов: ядерные взаимодействия двух протонов, двух нейтронов или нейтрона и протона одинаковы. Величина ядерных сил зависит от расстояния между нуклонами, от взаимной ориентации их спинов, от ориентации спинов относительно орбитального момента вращения и радиуса-вектора, проведённого от одной частицы к другой. В соответствии с этим различают ядерные силы центральные, спин-спиновые, спин- орбитальные и т.д.

Виды взаимодействия Вид взаимодействияКонстанта взаимодействия Сильное Электромагнитное Слабое Гравитационное 1 1/ –2 10 –14 10 –39 Для процессов, характеризующих взаимодействие внутри ядра, характерны сильное и слабое виды взаимодействия.

Сильное взаимодействие Наличие сильного взаимодействия проявилось, когда была открыта сложная структура атомных ядер, состоящих из протонов и нейтронов (нуклонов). Эксперимент показывал, что взаимодействие между нуклонами гораздо сильнее электромагнитного, поскольку типичные энергии связи нуклонов в ядрах порядка нескольких МэВ, в то время как энергии связи в атомах порядка нескольких эВ. Кроме того, эти силы, в отличие от электромагнитных и гравитационных, обладают малым радиусом действия ~ см. В квантовой теории радиус действия сил обратно пропорционален массе частиц, обмен которыми обусловливает взаимодействие. В 1935 г. X. Юкава высказал предположение о существовании «тяжёлых квантов» - мезонов, переносчиков сильного взаимодействия. В 1947 в космических лучах были открыты первые, наиболее лёгкие из таких частиц - мезоны.

Сильное взаимодействие По современным представлениям, протон и нейтрон состоят из кварков и глюонов и ядро сложная система из большого количества кварков, глюонных и мезонных полей, взаимодействующих друг с другом. Последовательное описание ядра должно достигаться в рамках квантовой хромодинамики. Однако в силу своей сложности эта задача ещё не решена.

Сильное взаимодействие Сильно взаимодействующие частицы получили название адронов. Все адроны, за исключением протона, нестабильны (нейтроны, входящие в состав стабильных атомных ядер, стабильны, хотя свободный нейтрон распадается за время ~10 3 с на протон, электрон и электронное антинейтрино). При этом большинство адронов обладает крайне малым временем жизни, характерным для сильного взаимодействия [порядка ( ) с]; они называются резонансами. Рождающиеся при соударениях частиц резонансы идентифицируются обычно по продуктам их распада.

Сильное взаимодействие Квантовая хромодинамика, как теория сильного взаимодействия. С 1970-х гг. в физике утвердилась новая теория сильного взаимодействия - КХД. Согласно этой теории, сильное взаимодействие, которое, в частности, удерживает кварки в адронах, обусловлено наличием у кварков специфических цветовых степеней свободы (дополнительно к ароматам). Каждый кварк может находиться при этом в трёх физически эквивалентных цветовых состояниях, или, как говорят, имеет три цвета. Сильное взаимодействие разыгрывается в цветовом пространстве и не различает ароматов (в то время как эл.-магн. и слабое взаимодействия определяются лишь ароматами кварков безотносительно к их цвету).

Сильное взаимодействие Взаимодействие кварков осуществляется посредством восьми безмассовых векторных (глюонных) полей, слабые возбуждения которых (отдельные их кванты) называются глюонами. При этом в свободном состоянии наблюдаются только бесцветные адроны, в которых цвета составляющих их кварков скомпенсированы. Глюоны - нейтральные частицы со спином 1 и нулевой массой, обладающие специфическим цветовым зарядом (цветом); являются переносчиками сильного взаимодействия между кварками и "склеивают" их в адроны.

Слабое взаимодействие Наиболее распространённый процесс, обусловленный слабым взаимодействием, -распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности было обнаружено в 1896 году А.А.Беккерелем. В течение первой трети 20 в. экспериментально исследовались энергетические спектры -радиоактивных ядер (Э. Резерфорд, Дж. Чедвик, Л. Майтнер). Результатом этого исследования явилась гипотеза (1931, В. Паули) о том, что в -распаде наряду с электроном (е-) испускается ещё одна лёгкая частица, получившая позднее название нейтрино. И хотя экспериментально свободное нейтрино было обнаружено лишь в 1956 г., уже в 1934 г., исходя из гипотезы Паули, Э. Ферми построил теорию -распада, которая лежит в основе современной теории слабого взаимодействия.

Слабое взаимодействие Согласно теории Ферми, электрон и нейтрино (более точно: антинейтрино), вылетающие из -радиоактивного ядра, не находились в нём до этого, а возникли в момент распада. Это явление аналогично испусканию фотонов низкой энергии (видимого света) возбуждёнными атомами или фотонов высокой энергии ( -квантов) возбуждёнными ядрами. Как известно, свет испускается электроном при переходе с одного атомного уровня на другой, более низкий. Аналогично -кванты испускаются нуклонами, переходящими с более высоких, возбуждённых уровней в ядре на более низкие. Первичной причиной этих процессов является взаимодействие электрических зарядов с электромагнитным полем: движущаяся заряженная частица электрон или протон возмущает электромагнитное поле, причём энергия частицы передаётся квантам поля фотонам.

Кто есть кто. КВАРКИ - микроскопические частицы со спином 1/2, элементарные составляющие всех адронов: барионов и мезонов. К барионам, в частности, относятся нуклоны (протон и нейтрон). Большинство известных барионов состоит из трёх кварков. MЕЗОНЫ - сложные системы, построенные, в основном, из пары частиц со спином 1/2 - кварка и антикварка, вообще говоря, различных по своей природе. АДРОНЫ - частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц - КВАРКОВ, была впервые выдвинута М. Гелл-Маном (М. Gell-Mann) и независимо от него Дж. Цвейгом (G. Zweig) в 1964 г. для объяснения существования групп частиц (октетов и декуплетов) с близкими свойствами. С тех пор она получила многочисленные косвенные экспериментальные подтверждения.

Кто есть кто. Назв. «кварки» для элементарных составляющих адронов было введено М. Гелл-Маном. Оно не имеет смыслового значения и было заимствовано из романа Дж. Джойса "Поминки по Финнегану", герою которого в снах часто слышались слова о таинственных трёх кварках. Характерной особенностью кварков является дробный электрический заряд, кратный 1/3е, не встречающийся у других изученных элементарных частиц. Анализ имеющихся экспериментальных данных согласуется с этим свойством кварков.

Взаимодействие нуклонов. Составная природа нуклонов проявляется лишь в столкновениях с большой передачей импульса и энергии. При небольших энергиях возбуждения такие столкновения в ядре редки. Поэтому при описании ядра и ядерных реакций, происходящих при не слишком больших энергиях ( 1 ГэВ на нуклон), в первом приближении можно считать, что ядра состоят из вполне определённого числа нуклонов, движущихся с нерелятивистскими скоростями (u 2 /c 2 ~0,l). Кварки "заперты" каждый в своём нуклоне. Нуклоны не теряют своей индивидуальности и обладают примерно такими же свойствами, как и в свободном состоянии. Протонно-нейтронная картина строения ядра является приближённой и нарушается при высоких энергиях возбуждения и в процессах с большой передачей импульса и энергии.

Взаимодействие нуклонов. В ядрах периодически на короткое время ( сек) появляются мезоны, в том числе легчайшие из них -мезоны. Взаимодействие нуклонов сводится к многократным актам испускания мезона одним из нуклонов и поглощения его другим. Возникающие обменные мезонные токи сказываются, в частности, на электромагнитных свойствах ядер. Наиболее отчётливое проявление обменных мезонных токов обнаружено в реакции расщепления дейтрона электронами высоких энергий и -квантами.

Взаимодействие нуклонов. Ядерные силы характеризуются определённым радиусом действия: потенциал этих сил убывает с расстоянием r между частицами быстрее, чем r -2, а сами силы - быстрее, чем r -3. Из рассмотрения физической природы ядерных сил следует, что они должны убывать с расстоянием экспоненциально. Радиус действия ядерных сил определяется комптоновской длиной волны (r 0 ~ см) мезонов, которыми обмениваются нуклоны в процессе взаимодействия. Традиционная мезонная теория ядерных сил основана на идее, предложенной в 1935 г. X. Юкавой.

Теория Юкавы Согласно мезонной теории, взаимодействие между нуклонами осуществляется путём обмена мезонами. Ядерные силы характеризуются радиусом действия, определяемым комптоновской длиной волны мезонов, которыми обмениваются нуклоны: где - масса мезона. Наибольший радиус действия имеют силы притяжения, обусловленные обменом -мезонами. Для них r 0 =1,4 Фм (1 Фм= см). Это соответствует расстоянию между нуклонами в ядрах.

Теория Юкавы Обмен более тяжёлыми мезонами (r,w и др.) оказывает влияние на взаимодействие между нуклонами на меньших расстояниях, вызывая, в частности, отталкивание между ними на расстояниях < 0,4 Фм. Потенциал, характеризующий ядерное взаимодействие (потенциал Юкавы), согласно теории, имеет вид При малых r потенциал велик, но к ростом r очень быстро (экспоненциально) падает. Таким образом, он играет роль лишь на расстояниях порядка r 0.

Квантовые характеристики ядер. Атомное ядро может находиться в разных квантовых состояниях, отличающихся друг от друга значением энергии и других физических величин. Состояние с наименьшей возможной для данного ядра энергией называется основным, все остальные возбуждёнными. К числу важнейших квантовых характеристик ядерного состояния относятся спин I и чётность Р. Спин I целое число у ядер с чётным А и полуцелое при нечётном. Чётность состояния Р = ± 1 указывает на изменение знака волновой функции ядра при зеркальном отображении пространства. Имеет место эмпирическое правило: для основных состояний ядер с чётными А и Z спин равен 0, а волновая функция чётная. Квантовое состояние системы имеет определённую чётность Р, если система зеркально симметрична (т. е. переходит сама в себя при зеркальном отражении). В ядрах зеркальная симметрия несколько нарушена из-за наличия слабого взаимодействия между нуклонами, не сохраняющего чётность (его интенсивность ~ % от основных сил, связывающих нуклоны в ядрах). Однако обусловленное слабым взаимодействием смешивание состояний с разной чётностью мало и практически не сказывается на структуре ядер.

Квантовые характеристики ядер. Помимо I и Р, ядерные состояния характеризуются также квантовыми числами, возникающими вследствие динамической симметрии ядерных взаимодействий. Важнейшей из них является изотопическая инвариантность ядерных сил. Она приводит к появлению у лёгких ядер (Z 20) квантового числа, называется изотопическим спином, или изоспином. Изоспин ядра I целое число при чётном A и полуцелое при нечётном. Изоспин (ИС) характеризует свойства симметрии волновой функции данного состояния ядра относительно замены p n. ИС квантовое число, характеризующее адроны, существование которого обусловлено изотопической инвариантностью сильного взаимодействия; ИС одинаков для совокупности адронов, образующих т. н. изотопический мультиплет, и определяет число (n) входящих в него частиц: n=2I+1. ИС адронов может принимать целые и полуцелые значения: 0, 1/2, 1, 3/2... Полный ИС системы адронов вычисляется по правилам, аналогичным правилам сложения угловых моментов. ИС сохраняется в процессах сильного взаимодействия и нарушается слабым и электромагнитным взаимодействиями.

Структура ядра и модели ядер. Многочастичная квантовая система с сильным взаимодействием, каковой является ядро, с теоретической точки зрения объект исключительно сложный. Трудности связаны не только с количественно точными вычислениями физических величин, характеризующих ядро, но даже с качественным пониманием основных свойств ядерных состояний, спектра энергетических уровней, механизма ядерных реакций. Тяжёлые ядра содержат много нуклонов, но недостаточно много, чтобы можно было воспользоваться методами статистической физики. К математическим трудностям теории добавляется недостаточная определённость исходных данных о ядерных силах. Поскольку межнуклонное взаимодействие сводится к обмену мезонами, объяснение свойств ядра в конечном счёте должно опираться на релятивистскую квантовую теорию элементарных частиц, которая сама по себе не может считаться завершенной.

Структура ядра и модели ядер. Хотя сравнительно небольшие в среднем скорости нуклонов в ядре упрощают теорию, позволяя строить её в первом приближении на основе нерелятивистской квантовой механики, ядерная задача многих тел остаётся пока одной из фундаментальных проблем физики. По всем этим причинам до сих пор, исходя из «первых принципов», рассматривалась только структура простейших ядер дейтрона и трёхнуклонных ядер 3 H и 3 He. Структуру более сложных ядер пытаются понять с помощью ядерных моделей, в которых ядро гипотетически уподобляется какой-либо более простой и лучше изученной физической системе.

Модели ядра Капельная модель ядра. Это одна из самых ранних моделей атомного ядра, предложенная Н. Бором и К. Ф. фон Вайцзеккером, и развитая Дж. Уилером, Я. И. Френкелем и др. ( ), в которой ядро рассматривается как практически несжимаемая капля жидкости очень большой плотности. Полная масса ядра, состоящего из Z протонов и N=A-Z нейтронов (А - число нуклонов), меньше суммы масс составляющих его нуклонов на величину энергии связи, удерживающей нуклоны в ядре. Средняя энергия связи в расчёте на 1 нуклон почти для всех стабильных ядер при А > 50 постоянна (~ 8-9 МэВ).

Модели ядра Капельная модель хороша, например, для описания ДЕЛЕНИЯ ядер. Если ДО деления ядро имело сферическую форму, то при захвате нейтрона его энергия распределяется по всему ядру, что может привести к ВОЗНИКНОВЕНИЮ КОЛЕБАНИЙ И ДЕФОРМАЦИИ КАПЛИ. При этом ПРОТОНЫ смещаются, и, поскольку они начинают расталкиваться за счет КУЛОНОВСКИХ СИЛ, уже не скомпенсированных короткодействующими ядерными, то ядро РАЗРЫВАЕТСЯ на части.

Распределении потенциала атомного ядра (отступление о роли кулоновских сил) Из картинки видно, что возможен распад ядра в результате туннелирования его составляющих за пределы потенциальной ямы. Именно этот механизм ответственен за процессы - распада.

Оболочечная модель Её прообразом является многоэлектронный атом. Согласно этой модели, каждый нуклон находится в ядре в определённом индивидуальном квантовом состоянии, характеризуемом энергией, моментом вращения j его проекцией m на одну из координатных осей и орбитальным моментом вращения l = j± 1/2 [чётность состояния нуклона P = (1) l ]. Энергия уровня не зависит от проекции момента вращения на внешнюю ось. Поэтому в соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне с моментами j, l может находиться (2j + 1) тождественных нуклонов (протонов и нейтронов), образующих «оболочку» (j, l). Полный момент вращения заполненной оболочки равен нулю. Поэтому если ядро составлено только из заполненных протонных и нейтронных оболочек, то его спин будет также равен нулю. Всякий раз, когда количество протонов или нейтронов достигает «магического числа», отвечающего заполнению очередной оболочки, возникает возможность скачкообразного изменения некоторых характеризующих ядро величин (в частности, энергии связи). Это создаёт подобие периодичности в свойствах ядер в зависимости от A и Z, аналогичной периодическому закону для атомов.

Оболочечная модель Однако оболочечная структура у ядер проявляется значительно слабее, чем в атомах. Происходит это главным образом потому, что в ядрах индивидуальные квантовые состояния частиц («орбиты») возмущаются взаимодействием («столкновениями») их друг с другом гораздо сильнее, чем в атомах. Более того, известно, что большое число ядерных состояний совсем не похоже на совокупность движущихся в ядре независимо друг от друга нуклонов, т. е. не может быть объяснено в рамках оболочечной модели. Наличие таких коллективных состояний указывает на то, что представления об индивидуальных нуклонных орбитах являются скорее методическим приемом, удобным для описания некоторых состояний ядра, чем физической реальностью.

Оболочечная модель В оболочечную модель вводится понятие квазичастиц элементарных возбуждений среды, ведущих себя подобно частицам. При этом ядро рассматривается как квантовая жидкость. Ядро в основном состоянии рассматривается как вырожденный ферми-газ квазичастиц, которые слабо взаимодействуют друг с другом, поскольку всякий акт столкновения, изменяющий индивидуальные состояния квазичастиц, запрещен принципом Паули. В возбуждённом состоянии ядра, когда 1 или 2 квазичастицы находятся на более высоких индивидуальных энергетических уровнях, эти частицы могут взаимодействовать как друг с другом, так и с образовавшейся дыркой в нижней оболочке.

Оболочечная модель В результате взаимодействия с внешней квазичастицей может происходить переход квазичастиц из заполненных состояний в незаполненное. Т. о., согласно оболочечной модели, спектр нижних возбуждённых состояний ядер определяется движением 12 квазичастиц вне ферми-сферы и взаимодействием их друг с другом и с дырками внутри ферми-сферы. Этим самым объяснение структуры многонуклонного ядра при небольшых энергиях возбуждения фактически сводится к квантовой проблеме 24 взаимодействующих тел.

Элементарные частицы

Элементарные частицы (Э. ч.) в точном значении этого термина первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Понятие "Э. ч." сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества. Обнаружение на рубеже вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов, и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все наблюдаемые вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем составных частей атомов - электронов и ядер, установление сложной природы самих ядер, оказавшихся построенными всего из двух частиц (нуклонов): протонов и нейтронов, существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - элементарными частицами.

Элементарные частицы Выяснившаяся в 20 в. возможность трактовки эл.-магн. поля как совокупности особых частиц – фотонов, дополнительно укрепила убеждённость в правильности такого подхода. Тем не менее, сформулированное предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя уверенно утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Не исключено, что утверждение "состоит из..." на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения "элементарности" в этом случае придётся отказаться. Существование Э. ч.- это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики. Как правило, термин "Э. ч." употребляется в современной физике не в своём точном значении, а менее строго - для наименования большой группы мельчайших наблюдаемых частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, т. е. объектами заведомо составной природы (исключение составляет протон - ядро атома водорода).

Элементарные частицы Помимо протона (р), нейтрона (n), электрона (е) и фотона к Э.ч. относятся: пи-мезоны, мюоны, тау-лептоны, нейтрино трёх типов, т.н. странные частицы (К-мезоны и гипероны), очарованные частицы и прелестные (красивые) частицы (D- и B-мезоны и соответствующие барионы), разнообразные резонансы, - всего несколько СОТЕН (!!) частиц, в основном нестабильных. Число частиц, включаемых по мере их открытия в эту группу, постоянно растёт. Очевидно, что такое огромное количество частиц не может выступать в качестве элементарных слагающих материи, и действительно, в 70-х гг. было показано, что большая часть перечисленных частиц (все мезоны и барионы) представляют собой составные системы. Частицы, входящие в эту группу, более точно следовало бы называть "субъядерными" частицами, т. к. они представляют собой специфические формы существования материи, неагрегированной в ядра. Использование названия "Э. ч." применительно ко всем упомянутым частицам имеет исторические корни и связано с периодом исследований, когда были известны лишь протон, нейтрон, электрон и фотон. Тогда эти частицы могли претендовать на роль элементарных.

Элементарные частицы – немного истории Исторически первой открытой Э. ч. был электрон - носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон показал, что т. н. катодные лучи представляют собой поток заряженных частиц, которые впоследствии были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги разных веществ, пришёл к выводу, что заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях - ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны - частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра,- нейтрон - была открыта в 1932 Дж.Чедвиком при исследованиях взаимодействия -частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц, являющихся структурными элементами атомов и их ядер. Вывод о существовании частицы эл.-магн. поля – фотона - берёт своё начало от работы M.Планка (1900).

Элементарные частицы – немного истории Идея о существовании нейтрино - частицы, очень слабо взаимодействующей с веществом, принадлежит В. Паули (1930). Эта гипотеза позволила устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено при исследовании бета-распада в В 30-х - 50-х гг. изучение Э. ч. было тесно связано с исследованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К.Андерсоном был обнаружен позитрон (е+) - частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей. Существование позитрона вытекает из релятивистской теории электрона (Дирак, ). В 1936 Андерсон и С. Неддер-Мейер обнаружили в космических лучах мюоны - частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном близкие к нему по свойствам. В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты -мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Их существование было предположено X.Юкавой в 1935.

Основные свойства элементарных частиц Все Э. ч.- объекты исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы m имеют порядок величины массы протона, равной 1,6· г (заметно меньше лишь масса электрона: 9· г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p- и К-мезонов по порядку величины равны см. У электрона и мюона определить размеры не удалось, известно лишь, что они меньше см. Длины волн, которые следует приписать Э. ч. в квантовой теории ( =h/mc - комптоновская длина волны), по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие (так для -мезона ~1,4· см). Малые размеры и приводит к тому, что квантовые закономерности определяют поведение Э. ч. Наиболее важное квантовое свойство всех Э. ч.- их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. В этом отношении они аналогичны фотонам. Э. ч.- это специфические кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей. Все процессы с Э.ч. протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.

Процессы с Э. ч. заметно отличаются по интенсивности их протекания. В соответствии с этим порождающие их взаимодействия Э. ч. можно феноменологически разделить на несколько классов: сильное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие. Все Э. ч. обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием. Сильное взаимодействие - взаимодействие, которое ответственно за процессы с Э. ч., протекающие с наибольшей интенсивностью по сравнению с другими процессами. Оно приводит к самой сильной связи Э. ч. Именно сильное взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключит. прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях. Электро-магнитное взаимодействие - взаимодействие, в основе которого лежит связь с эл.-магн. полем. Процессы, обусловленные им, менее интенсивны, чем процессы сильного взаимодействия. Эл.-магн. взаимодействие ответственно за процессы излучения фотонов, за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах. Основные свойства элементарных частиц: виды взаимодействия

Слабое взаимодействие, как показывает само название, слабо влияет на поведение Э. ч. или вызывает очень медленно протекающие процессы изменения их состояния. Иллюстрацией этого утверждения может служить тот факт, что нейтрино, участвующие только в слабом взаимодействии, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца. Слабое взаимодействие ответственно за сравнительно медленные распады т. н. квазистабильных Э. ч. Как правило, времена жизни этих частиц лежат в диапазоне с, тогда как типичные времена переходов для сильного взаимодействия Э. ч. составляют с. Гравитационные взаимодействия, хорошо известны по своим макроскопическим проявлениям. В случае Э. ч. в силу чрезвычайной малости их масс на характерных расстояниях ~ см дают исключительно малые эффекты и практически не влияют на поведение Э.ч. Основные свойства элементарных частиц: виды взаимодействия

По современным представлениям, при энергиях выше MW (т. е. 80 ГэВ) слабое и эл.-магн. взаимодействия сравниваются по силе и выступают как проявление единого электрослабого взаимодействия. Выдвинуто также привлекательное предположение о возможном выравнивании констант всех трёх видов взаимодействий, включая сильное, при сверхвысоких энергиях, больших ГэВ (модель Великого объединения). Основные свойства элементарных частиц: виды взаимодействия

Кварки

Гипотеза о том, что адроны построены из частиц необычной природы - кварков, имеющих спин 1/2, обладающих сильным взаимодействием, но в то же время, не принадлежащих классу адронов, была выдвинута Дж. Цвейгом и независимо Гелл-Маном в Кварки – единственные из Э.ч. имеют дробный электрический заряд (1/3 или 2/3). При начальной формулировке модели кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы, открывающие возможность очень удобного описания адронов.

Кварки В последующие годы были проведены эксперименты, которые позволяют говорить о кварках как о реальных материальных образованиях внутри адронов. Первыми были эксперименты по рассеянию электронов на нуклонах на очень большие углы. Эти эксперименты (1968), напоминающие классические опыты Резерфорда по рассеянию -частиц на атомах, выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований. Сравнение данных этих экспериментов с аналогичными данными по рассеянию нейтрино на нуклонах ( ) позволили сделать заключение о величине квадрата электрического заряда этих точечных образований. Результат оказался близким к ожидаемым дробным значениям (2/3) 2 е 2 и (1/3) 2 е 2.

Кварки От всех других Э. ч. кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они, по-видимому, не существуют, хотя имеются чёткие свидетельства их существования в связанном состоянии. Эта особенность кварков, скорее всего, связана со спецификой их взаимодействия, порождаемого обменом особыми частицами - глюонами, приводящего к тому, что силы притяжения между ними не ослабляются с расстоянием. Как следствие, для отделения кварков друг от друга требуется бесконечная энергия, что, очевидно, невозможно.

Кварки Реально при попытке отделить кварки друг от друга происходит образование дополнительных адронов. Невозможность наблюдения кварков в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, например, можно ли в этом случае ставить вопрос о составных частях кварков и не обрывается ли тем самым последовательность структурных составляющих материи. Всё сказанное подводит к выводу, что кварки, наряду с лептонами и калибровочными бозонами, также не имеющими наблюдаемых признаков структуры, образуют группу, которая имеет наибольшие основания претендовать на роль истинно Э. ч.

Кварки Модель протона, состоящего из двух верхних и одного нижнего кварка. На ускорителях можно изучать распределение импульса внутри протона. Выяснилось, что импульс в протоне не распределён равномерно по нему, а частями сосредоточен в отдельных степенях свободы. Эти степени свободы назвали партонами (part часть). Более того, оказалось, что партоны, в первом приближении, обладают спином ½ и теми же зарядами, что и кварки.

Литература к лекции 14

Литература по релятивистским уравнениям 1.В.Г. ЛЕВИЧ, Ю.А. ВДОВИН, В.А. МЯМЛИН, КУРС ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, т.2, часть V (Квантовая механика), гл. IX, М.: ГИФМЛ, Л. ШИФФ, КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА, М.: ИЛ, В. ПАУЛИ, ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВОЛНОВОЙ МЕХАНИКИ, М. - Л.: ГИТТЛ, П. ДИРАК, ПРИНЦИПЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ, М.: Наука, 1979.

Литература по атомному ядру 1.Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; 2.Мигдал А. Б., Теория конечных ферми-систем и свойства атомных ядер, 2 изд., М., 1983; 3.Бор О., Моттельсон Б., Структура атомного ядра, пер. с англ., т. 1- 2, М., ; 4.Ситенко А. Г., Тартаковский В. К., Лекции по теории ядра, М., 1972; 5.Широков Ю. М., Юдин Н. П., Ядерная физика, 2 изд., М., 1980; 6.Айзенберг И., Грайнер В., Модели ядер, коллективные и одночастичные явления, пер. с англ., М., 1975; 7.Рейнуотер Дж., Как возникла модель сфероидальных ядер, пер. с англ., "УФН", 1976, т. 120, в. 4, с. 529; 8.Бор О., Вращательное движение в ядрах, пер. с англ., там же, с. 543; 9.Моттельсон Б., Элементарные виды возбуждения в ядрах, пер. с англ., там же, с. 563; 10.Соловьев В. Г., Теория атомного ядра. Ядерные модели, М., 1981; 11. Михайлов В. М., Крафт О. Е., Ядерная физика, Л., 1988;

Литература по элементарным частицам 1.Элементарные частицы и компенсирующие поля. Сб. ст., пер. с англ., M., 1964; 2.Коккедэ Я., Теория кварков, пер. с англ., M ; 3.Марков M. А., О природе материи, M., 1976; 4.Глэшоу Ш., Кварки с цветом и ароматом, пер. с англ.. "УФН", 1976, т.119, в. 4, с. 715; 5.Бернстейн Дж., Спонтанное нарушение симметрии, калибровочные теории, механизм Хиггса и т.п., в кн.: Квантовая теория калибровочных полей. Сб. ст., пер. с англ., M., 1977 (Новости фундаментальной физики, в. 8); 6.Боголюбов H. H., Ширков Д. В., Квантовые поля, 2 изд., M., 1993; 7.Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, 2 изд., M., Популярная литература (Серия: Библиотечка "Квант", выпуск 45): 8.Окунь Л. Б., Альфа, Бетта, Гамма... Элементарное введение в физику элементарных частиц, М., Наука, 1985.