Aatomiuniversumi väike osake, 5 tähte. Elementaarosakesed. Mis on spin

Kahekümnenda sajandi 30. aastate alguses leidis füüsika vastuvõetava aine struktuuri kirjelduse, mis põhineb nelja tüüpi elementaarosakestel - prootonitel, neutronitel, elektronidel ja footonitel. Viienda osakese, neutriino, lisamine võimaldas selgitada ka radioaktiivse lagunemise protsesse. Tundus, et nimetatud elementaarosakesed olid universumi esimesed ehituskivid.

Kuid see näiline lihtsus kadus peagi. Varsti avastati positron. 1936. aastal avastati esimene meson kosmiliste kiirte ja aine vastasmõju produktide hulgast. Pärast seda oli võimalik jälgida erineva iseloomuga mesoneid, aga ka muid ebatavalisi osakesi. Need osakesed sündisid kosmiliste kiirte mõjul üsna harva. Pärast kiirendite ehitamist, mis võimaldasid toota kõrge energiaga osakesi, avastati aga üle 300 uue osakese.

Mida siis tähendab sõna " elementaarne"? "Elementaar" on "kompleksi" loogiline antipood. Elementaarosakesed tähendavad esmaseid, edasisi lagunematuid osakesi, mis moodustavad kogu aine. Neljakümnendatel aastatel oli juba teada mitmeid "elementaarosakeste" teisendusi. Osakeste arv Suurem osa neist on ebastabiilsed Kümnete teadaolevate mikroosakeste hulgas on vaid mõned, mis on stabiilsed ega suuda spontaanseteks transformatsioonideks.Kas stabiilsus spontaansete transformatsioonide suhtes pole elementaarsuse märk?

Deuteeriumi tuum (deuteron) koosneb prootonist ja neutronist. Osakesena on deuteron täiesti stabiilne. Samas on deuteroni komponent neutron radioaktiivne, s.o. ebastabiilne. See näide näitab, et stabiilsuse ja elementaarsuse mõisted ei ole identsed. Kaasaegses füüsikas on termin "Elementaarosakesi" kasutatakse tavaliselt suure rühma pisikeste aineosakeste nimetamiseks(mis ei ole aatomid ega aatomituumad).

Kõikidel elementaarosakestel on äärmiselt väike mass ja suurus. Enamiku nende mass on prootoni massi suurusjärgus (ainult elektroni mass on märgatavalt väiksem
). Elementaarosakeste mikroskoopilised suurused ja massid määravad nende käitumise kvantseadused. Kõigi elementaarosakeste kõige olulisem kvantomadus on võime sündida ja hävida (eralduda ja neelduda) teiste osakestega suhtlemisel.

Osakeste vahel on teada nelja tüüpi interaktsioone, mis on oma olemuselt erinevad: gravitatsiooniline, elektromagnetiline, tuuma, samuti vastastikmõju kõigis neutriinodega seotud protsessides. Millised on loetletud nelja interaktsioonitüübi omadused?

Kõige tugevam on tuumaosakeste ("tuumajõudude") vastastikune mõju. Seda interaktsiooni nimetatakse tavaliselt tugev. Juba on märgitud, et tuumajõud toimivad ainult väga väikestel osakeste vahemaadel: toimeraadius on umbes 10–13 cm.

Suuruselt järgmine on elektromagnetiline interaktsiooni. See on kahe suurusjärgu võrra väiksem kui tugev. Kuid kaugusega muutub see aeglasemalt, näiteks 1/ r 2, seega on elektromagnetiliste jõudude toimeraadius lõpmatu.

Järgmisena tuleb neutriinode osalemisest reaktsioonides tingitud interaktsioon. Suurusjärgus on need vastasmõjud 10 14 korda väiksemad kui tugevad vastasmõjud. Neid koostoimeid nimetatakse tavaliselt nõrk. Ilmselt on siin tegevusulatus sama, mis tugeva interaktsiooni korral.

Väikseim teadaolev interaktsioon on gravitatsiooniline. See on tugevast 39 suurusjärku vähem - 10 39 korda! Kauguse suurenedes vähenevad gravitatsioonijõud sama aeglaselt kui elektromagnetilised jõud, seega on ka nende toimeulatus lõpmatu.

Kosmoses on peamine roll gravitatsioonilistel vastasmõjudel, sest Tugeva ja nõrga vastasmõju toime ulatus on tühine. Elektromagnetilistel interaktsioonidel on piiratud roll, kuna vastupidise märgiga elektrilaengud kipuvad moodustama neutraalseid süsteeme. Gravitatsioonijõud on alati ligitõmbavad jõud. Neid ei saa kompenseerida vastupidise märgi jõuga, neid ei saa nende eest kaitsta. Sellest ka nende domineeriv roll ruumis.

Interaktsioonijõudude suurus vastab ka ajale, mis kulub sellest interaktsioonist põhjustatud reaktsiooni läbiviimiseks. Seega nõuavad tugevast interaktsioonist põhjustatud protsessid aega suurusjärgus 10-23 sekundit. (suure energiaga osakeste põrkumisel tekib reaktsioon). Elektromagnetilise interaktsiooni põhjustatud protsessi läbiviimiseks kuluv aeg nõuab ~10 -21 sek., nõrk interaktsioon ~10 -9 sek. Osakeste vastastikmõjudest põhjustatud reaktsioonides ei mängi gravitatsioonijõud praktiliselt mingit rolli.

Loetletud interaktsioonid on ilmselt erineva iseloomuga, st neid ei saa üksteisele taandada. Praegu ei ole võimalik hinnata, kas need vastasmõjud ammendavad kõik looduses eksisteerivad.

Tugevas vastasmõjus osalevate elementaarosakeste klassi nimetatakse hadroniteks (prooton, neutron jne). Osakeste klassi, millel pole tugevat vastasmõju, nimetatakse leptoniteks. Leptonite hulka kuuluvad elektron, müüon, neutriinod, raske lepton ja neile vastavad antiosakesed. Antiosakesed, elementaarosakeste kogum, millel on sama mass ja muud füüsikalised omadused kui nende "kaksikutel", kuid mis erinevad neist mõne interaktsioonitunnuse märgi poolest(näiteks elektrilaeng, magnetmoment): elektron ja positroon, neutriino ja antineutriino. Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt erinevad neutriinod ja antineutriinod üksteisest ühe kvantkarakteristiku - helilisuse poolest, mis on määratletud kui osakese spinni projektsioon selle liikumissuundadele (impulssile). Neutriinodel on pöörlemine S pulsiga antiparalleelselt orienteeritud R, st. juhised R Ja S moodustavad vasakukäelise kruvi ja neutriinol on vasakukäeline helilisus (joonis 6.2). Antineutriinode jaoks moodustavad need suunad parempoolse kruvi, st. antineutriinodel on parempoolne spiraalsus.

Kui osake ja antiosake põrkuvad, võivad need vastastikku hävida - "hävitada". Joonisel fig. Joonisel 6.3 on kujutatud elektroni ja positroni annihilatsiooniprotsess kahe gammakiirguse ilmnemisega. Sel juhul järgitakse kõiki teadaolevaid jäävusseadusi - energiat, impulssi, nurkimmenti ja laengute jäävuse seadust. Elektron-positroni paari loomiseks on vaja kulutada energiat mitte vähem kui nende osakeste siseenergiate summa, s.o. ~ 10 6 eV. Kui selline paar annihileerub, vabaneb see energia kas koos annihilatsiooni käigus tekkiva kiirgusega või jaotub teiste osakeste vahel.

Laengu jäävuse seadusest järeldub, et laetud osake ei saa tekkida ilma teise, vastandmärgiliste laengutega osakese ilmnemiseta (nii et kogu osakeste süsteemi summaarne laeng ei muutuks). Sellise reaktsiooni näiteks on reaktsioon neutroni muundumisel prootoniks koos elektroni moodustumisega ja neutriino emissiooniga.

. (6.9)

Elektrilaeng säilib selle teisenduse ajal. Samamoodi säilib see siis, kui footon muundub elektron-positroni paariks või kui sama paar sünnib kahe elektroni kokkupõrke tulemusena.

On olemas hüpotees, et kõik elementaarosakesed on kombinatsioonid kolmest põhiosakesest, mida nimetatakse kvargid ja nende antiosakesed. Kvarke ei ole avastatud vabas olekus (hoolimata nende arvukatest otsingutest suure energiaga kiirendites, kosmilistes kiirtes ja keskkonnas).

Mikroosakeste omadusi ja teisendusi on võimatu kirjeldada ilma igasuguse süstematiseerimiseta. Puudub rangel teoorial põhinev süstematiseerimine.

Kaks peamist elementaarosakeste rühma on tugevas vastasmõjus ( hadronid) ja nõrgalt suhtlev ( leptonid) osakesed. Hadronid jagunevad mesonid Ja barüonid. Barüonid jagunevad nukleonid Ja hüperonid. Leptonite hulka kuuluvad elektronid, müüonid ja neutriinod. Allpool on toodud väärtused, mille järgi mikroosakesi klassifitseeritakse.

1. Hulgi- või barüooniline number A. Tuuma lõhustumise protsessis ja nukleon-antinukleonpaari loomisel täheldatud arvukad faktid viitavad sellele, et igas protsessis jääb nukleonide arv muutumatuks. Kõikidele barüonidele on antud number A= +1, igale antiosakesele A= –1. Barüoni laengu jäävuse seadus on täidetud täpselt kõigis tuumaprotsessides. Komplekssetel osakestel on mitu barüoniarvu väärtust. Kõigil mesonitel ja leptonitel on barüoniarv null.

2. Elektrilaeng q tähistab osakesele omase elektrilaengu ühikute arvu (prootoni positiivse laengu ühikutes).

3. Isotoopne spin(pole seotud päris spinniga). Tuumas nukleonide vahel mõjuvad jõud on nukleonide tüübist peaaegu sõltumatud, s.t. tuuma vastasmõju RR, Rn Ja nn on samad. See tuumajõudude sümmeetria viib isotoop-spinniks nimetatava koguse säilimiseni. Isospin säilib tugevas interaktsioonis ja ei säili elektromagnetiliste ja nõrkade vastasmõjude põhjustatud protsessides.

4. Imelikkus. Selgitamaks, miks mõned protsessid, mis hõlmavad hadroneid, ei toimu, tegid M. Gell-Mann ja K. Nishijima 1953. aastal ettepaneku võtta kasutusele uus kvantarv, mida nad nimetasid kummalisuseks. Stabiilsete hadronite kummalisus jääb vahemikku –3 kuni +3 (täisarvud). Leptonite kummalisust pole kindlaks tehtud. Tugevas suhtluses püsib kummalisus.

5. Keerutamine. Iseloomustab pöörlemise nurkmomenti.

6. Pariteet. Osakese sisemine omadus, mis on seotud selle sümmeetriaga parema ja vasaku suhtes. Kuni viimase ajani uskusid füüsikud, et paremal ja vasakul pole vahet. Seejärel selgus, et need ei ole kõigi nõrkade interaktsiooniprotsesside jaoks samaväärsed – see oli üks üllatavamaid avastusi füüsikas.

Klassikalises füüsikas vastandati aine ja füüsikaväli kui kahte tüüpi ainet. Aine koosneb elementaarosakestest; see on teatud tüüpi aine, millel on puhkemass. Aine struktuur on diskreetne, välja oma aga pidev. Kuid kvantfüüsika on viinud selle idee tasandamiseni. Klassikalises füüsikas arvatakse, et osakestele mõjuvad jõuväljad – gravitatsioonilised ja elektromagnetilised. Klassikaline füüsika ei tundnud muid valdkondi. Kvantfüüsikas näevad nad väljade taga tõelisi interaktsiooni kandjaid – nende väljade kvante, s.o. osakesed. Klassikaliste väljade jaoks on need gravitonid ja footonid. Kui väljad on piisavalt tugevad ja kvante on palju, siis lõpetame nende eristamise üksikute osakestena ja tajume neid väljana. Tugevate interaktsioonide kandjad on gluoonid. Teisest küljest on igal mikroosakesel (aineelemendil) kaksikosakeste laineline olemus.

Kuna indeksid i, k, l struktuurivalemites jooksevad väärtused läbi 1, 2, 3, 4, mesonite arvu Mik antud spinniga peaks olema võrdne 16. Barüonide puhul Bikl antud spinni (64) maksimaalset võimalikku olekute arvu ei realiseerita, kuna Pauli põhimõtte kohaselt on antud koguspinni puhul lubatud ainult kolmekvargilised olekud, millel on täpselt määratletud sümmeetria permutatsioonide suhtes. indeksid i, k, 1, nimelt: täissümmeetriline spin 3/2 ja segasümmeetria spin 1/2 jaoks. See tingimus on l = 0 valib 20 barüoni olekut pöörlemiseks 3/2 ja 20 pöörlemiseks 1/2.

Täpsem uurimine näitab, et kvarkide koostise ja kvarkide süsteemi sümmeetriaomaduste väärtus võimaldab määrata hadroni kõik põhikvantarvud ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), välja arvatud mass; massi määramiseks on vaja teadmisi kvarkide vastasmõju dünaamikast ja kvarkide massist, mis pole veel kättesaadavad.

Väikseima massiga hadronite spetsiifika korrektne edasiandmine ja etteantud väärtuste pöörlemine Y Ja Ch, Kvargimudel seletab loomulikult ka hadronite üldist suurt arvu ja resonantside ülekaalu nende seas. Hadronite suur arv peegeldab nende keerulist struktuuri ja kvargisüsteemide erinevate ergastatud olekute olemasolu. Võimalik, et selliste ergastatud olekute arv on piiramatu. Kõik kvargisüsteemide ergastatud olekud on kiirete üleminekute suhtes ebastabiilsed, mis on tingitud tugevast interaktsioonist alusolekutesse. Need moodustavad suurema osa resonantsidest. Väike osa resonantsidest koosneb ka paralleelse spinni orientatsiooniga kvargisüsteemidest (välja arvatud W -). Kvarkide konfiguratsioonid antiparalleelse spin-orientatsiooniga, mis on seotud põhilisega. olekud, moodustavad kvaasistabiilsed hadronid ja stabiilse prootoni.

Kvargisüsteemide ergastused tekivad nii kvarkide pöörlemisliikumise muutuste (orbitaalsete ergastuste) kui ka nende ruumide muutumise tõttu. asukoht (radiaalsed ergastused). Esimesel juhul kaasneb süsteemi massi suurenemisega kogu spinni muutus J ja võrdsus R süsteem, teisel juhul toimub massi suurenemine muutumata J P . Näiteks mesonid koos J P= 2 + on esimene orbiidi ergutus ( l = 1) mesonid koos J P = 1 - . Identsete kvargistruktuuride 2 + mesoni ja 1 - mesoni vastavus on selgelt näha paljude osakeste paaride näites:

Mesonid r" ja y" on näited vastavalt r- ja y-mesonite radiaalsetest ergastustest (vt.

Orbitaalsed ja radiaalsed ergastused tekitavad resonantside jadasid, mis vastavad samale algsele kvarkide struktuurile. Usaldusväärse info puudumine kvarkide vastasmõju kohta ei võimalda veel teha ergastusspektrite kvantitatiivseid arvutusi ja teha mingeid järeldusi selliste ergastatud olekute võimaliku arvu kohta Kvarkide mudeli koostamisel käsitleti kvarke kui hüpoteetilisi struktuurielemente, mis avanevad. kuni hadronite väga mugava kirjeldamise võimalus. Seejärel viidi läbi katsed, mis võimaldavad rääkida kvarkidest kui tõelistest ainelistest moodustistest hadronite sees. Esimesed olid katsed elektronide hajutamise kohta nukleonide poolt väga suurte nurkade all. Need katsed (1968), mis meenutasid Rutherfordi klassikalisi katseid alfaosakeste hajutamise kohta aatomitele, näitasid punktlaenguga moodustiste olemasolu nukleonis. Nende katsete andmete võrdlemine sarnaste andmetega neutriinode hajumise kohta nukleonitel (1973–75) võimaldas teha järelduse nende punktmoodustiste elektrilaengu keskmise ruudu väärtuse kohta. Tulemus osutus üllatavalt lähedaseks väärtusele 1/2 [(2/3 e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Hadronite tootmise protsessi uurimine elektroni ja positroni annihilatsiooni ajal, mis väidetavalt läbib protsesside jada: ® hadronid, näitasid kahe hadronite rühma olemasolu, mis on geneetiliselt seotud iga saadud kvargiga, ja tegi selle. võimalik määrata kvarkide spinni. See osutus võrdseks 1/2-ga. Ka selles protsessis sündinud hadronite koguarv näitab, et kolme sorti kvargid ilmuvad vahepealses olekus, st kvargid on kolmevärvilised.

Seega on teoreetilistel kaalutlustel kasutusele võetud kvarkide kvantarvud leidnud kinnitust mitmete katsetega. Kvargid omandavad järk-järgult uute elektronosakeste staatuse.Kui edasised uuringud seda järeldust kinnitavad, on kvargid tõsised pretendentid tõeliste elektronosakeste rollile hadroonilises ainevormis. Kuni pikkuseni ~ 10 -15 cm kvargid toimivad struktuuritute punktmoodustistena. Teadaolevaid kvarkitüüpe on vähe. Tulevikus võib see muidugi muutuda: ei saa garanteerida, et kõrgemate energiate juures ei avastata uute kvantarvudega hadroneid, mis tulenevad nende olemasolust uut tüüpi kvarkidest. Märkamine Y-mesons kinnitab seda seisukohta. Kuid on täiesti võimalik, et kvarkide arvukuse kasv on väike, et üldpõhimõtted seavad kvarkide koguarvule piirangud, kuigi need piirid pole veel teada. Ka kvarkide struktuuritus peegeldab võib-olla ainult nende materiaalsete moodustiste uurimise saavutatud taset. Kuid mitmed kvarkide eripärad annavad põhjust eeldada, et kvargid on osakesed, mis lõpetavad aine struktuurikomponentide ahela.

Kvargid erinevad kõigist teistest elektronosakestest selle poolest, et neid ei ole veel vaadeldud vabas olekus, kuigi on tõendeid nende olemasolust seotud olekus. Kvarkide mittevaatlemise üheks põhjuseks võib olla nende väga suur mass, mis takistab nende teket tänapäevaste kiirendite energiate juures. Siiski on võimalik, et kvargid ei saa oma interaktsiooni eripära tõttu põhimõtteliselt olla vabas olekus. On teoreetilised ja eksperimentaalsed argumendid selle poolt, et kvarkide vahel mõjuvad jõud ei nõrgene kaugusega. See tähendab, et kvarkide üksteisest eraldamiseks on vaja lõpmatult rohkem energiat või vastasel juhul on kvarkide tekkimine vabas olekus võimatu. Suutmatus vabas olekus kvarke isoleerida teeb neist täiesti uut tüüpi aine struktuuriüksused. Näiteks on ebaselge, kas on võimalik tõstatada küsimust kvarkide koostisosade kohta, kui kvarke ise ei ole võimalik vaadelda vabas olekus. Võimalik, et nendes tingimustes ei avaldu kvarkide osad füüsiliselt üldse ja seetõttu toimivad kvargid hadroonaine killustumise viimase etapina.

Elementaarosakesed ja kvantväljateooria.

Elektronosakeste omaduste ja vastastikmõjude kirjeldamiseks tänapäeva teoorias on füüsika mõiste hädavajalik. välja, mis on määratud igale osakesele. Väli on aine spetsiifiline vorm; seda kirjeldab funktsioon, mis on määratud kõigis punktides ( X)aegruum ja millel on teatud transformatsiooniomadused seoses Lorentzi rühma (skalaar, spinor, vektor jne) ja “sisemiste” sümmeetriate rühmade (isotoopskalaar, isotoopspinor jne) teisendustega. Neljamõõtmelise vektori omadustega elektromagnetväli Ja m (x) (m = 1, 2, 3, 4) on ajalooliselt esimene näide füüsilisest väljast. Väljad, mida võrreldakse E. osakestega, on kvantloomulised, st nende energia ja impulss koosnevad paljudest osadest. osad - kvantid ning kvanti energia E k ja impulss p k on seotud erirelatiivsusteooria seosega: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Iga selline kvant on elektronosake etteantud energiaga E k, impulsi p k ja massiga m. Elektromagnetvälja kvantideks on footonid, teiste väljade kvantid vastavad kõigile teistele teadaolevatele elektronosakestele. Väli on seega füüsikaline lõpmatu osakeste kogumi – kvantide – olemasolu peegeldus. Kvantväljateooria spetsiaalne matemaatiline aparaat võimaldab kirjeldada osakese sündi ja hävimist igas punktis x.

Välja teisendusomadused määravad kõik E. osakeste kvantarvud Teisendusomadused seoses aegruumi teisendustega (Lorentzi rühm) määravad osakeste spinni. Seega vastab skalaar spinnile 0, spinor - spin 1/2, vektor - spin 1 jne. Järgneb selliste kvantarvude olemasolu nagu L, B, 1, Y, Ch ning kvarkide ja gluoonide puhul "värv". väljade teisendusomadustest seoses „siseruumide” teisendustega („laenguruum”, „isotoopruum”, „ühtne ruum” jne). Eelkõige "värvi" olemasolu kvarkides on seotud spetsiaalse "värvilise" ühtse ruumiga. "Siseruumide" kasutuselevõtt teoreetilises aparaadis on siiski puhtformaalne vahend, mis aga võib olla viide, et füüsilise aegruumi mõõde, mis kajastub E. Ch. omadustes, on tegelikult suurem. kui neli – kõikidele makroskoopilistele füüsikalistele protsessidele iseloomulik aegruumi mõõde. Elektroni mass ei ole otseselt seotud väljade teisendusomadustega; see on nende lisaomadus.

Elektronosakestega toimuvate protsesside kirjeldamiseks on vaja teada, kuidas erinevad füüsikalised väljad on omavahel seotud, ehk teada väljade dünaamikat. Tänapäevases kvantväljateooria aparaadis sisaldub väljade dünaamika puudutav informatsioon väljade kaudu väljendatud erilises suuruses - Lagrangi (täpsemalt Lagrangi tiheduses) L. L-i tundmine võimaldab põhimõtteliselt arvutada väljade dünaamika tõenäosusi. erinevate interaktsioonide mõjul üleminekud ühest osakeste komplektist teise. Need tõenäosused on antud nn. hajumismaatriks (W. Heisenberg, 1943), mida väljendatakse L kaudu. Lagrange L koosneb Lagrange L-st, mis kirjeldab vabade väljade käitumist, ja interaktsiooni Lagrangian, L, mis on konstrueeritud erinevate osakeste väljadest ja peegeldab võimalust nende vastastikused muutused. Lz tundmine on määrav protsesside kirjeldamisel E. h.

Allpool on loetletud kõik viietähelised elementaarosakesed. Iga määratluse kohta on antud lühikirjeldus.

Kui teil on midagi lisada, siis allpool on teie käsutuses kommentaarivorm, kus saate oma arvamust avaldada või artiklile lisada.

Elementaarosakeste loetelu

Footon

See on elektromagnetilise kiirguse kvant, näiteks valgus. Valgus on omakorda nähtus, mis koosneb valgusvoogudest. Footon on elementaarosake. Footonil on neutraalne laeng ja nullmass. Footoni spin on võrdne ühtsusega. Footon kannab elektromagnetilist vastasmõju laetud osakeste vahel. Mõiste footon pärineb kreeka sõnast phos, mis tähendab valgust.

Phonon

See on kvaasiosake, kristallvõre aatomite ja molekulide elastsete vibratsioonide ja nihkete kvant, mis tekib tasakaaluasendist. Kristallvõredes suhtlevad aatomid ja molekulid pidevalt, jagades üksteisega energiat. Sellega seoses on peaaegu võimatu uurida üksikute aatomite vibratsiooniga sarnaseid nähtusi neis. Seetõttu käsitletakse aatomite juhuslikke vibratsioone tavaliselt vastavalt helilainete leviku tüübile kristallvõre sees. Nende lainete kvantideks on fononid. Mõiste phonon tuleb kreekakeelsest sõnast telefon – heli.

Phazon

Fluktuoonifason on kvaasiosake, mis on sulamites või mõnes muus heterofaasilises süsteemis ergastus, mis moodustab laetud osakese, näiteks elektroni ümber potentsiaalse süvendi (ferromagnetilise piirkonna) ja hõivab selle.

Roton

See on kvaasiosake, mis vastab elementaarsele ergastusele ülivedelas heeliumis, kõrgete impulsside piirkonnas, mis on seotud keerise liikumisega ülivedelas vedelikus. Roton, ladina keelest tõlgituna tähendab - ketramine, ketramine. Roton ilmub temperatuuril üle 0,6 K ja määrab eksponentsiaalselt temperatuurist sõltuvad soojusmahtuvuse omadused, nagu normaaltiheduse entroopia ja teised.

Meson

See on ebastabiilne mitteelementaarosake. Meson on kosmiliste kiirte raske elektron.
Mesoni mass on suurem kui elektroni mass ja väiksem kui prootoni mass.

Mesonites on paarisarv kvarke ja antikvarke. Mesonite hulka kuuluvad pionid, kaonid ja muud rasked mesonid.

Kvark

See on aine elementaarosake, kuid seni vaid hüpoteetiliselt. Kvarke nimetatakse tavaliselt kuueks osakeseks ja nende antiosakesteks (antikvarkideks), mis omakorda moodustavad spetsiaalsete elementaarosakeste rühma hadroniteks.

Arvatakse, et osakesed, mis osalevad tugevas vastasmõjus, nagu prootonid, neuronid ja mõned teised, koosnevad üksteisega tihedalt seotud kvarkidest. Kvargid eksisteerivad pidevalt erinevates kombinatsioonides. On olemas teooria, et kvargid võivad esimestel hetkedel pärast suurt pauku eksisteerida vabal kujul.

Gluoon

Elementaarosake. Ühe teooria kohaselt liimivad gluoonid justkui kokku kvarke, millest omakorda moodustuvad osakesed nagu prootonid ja neuronid. Üldiselt on gluoonid kõige väiksemad osakesed, mis moodustavad ainet.

Boson

Boson-kvaasiosake või Bose-osake. Bosonil on null- või täisarvuline spin. Nimi on antud füüsik Shatyendranath Bose auks. Boson erineb selle poolest, et piiramatul arvul neist võib olla sama kvantolek.

Hadron

Hadron on elementaarosake, mis ei ole tegelikult elementaarne. Koosneb kvarkidest, antikvarkidest ja gluoonidest. Hadronil puudub värvilaeng ja ta osaleb tugevas vastasmõjus, sealhulgas tuumas. Kreekakeelsest sõnast adros tulenev termin hadron tähendab suurt, massiivset.

Oodake, kuni ajaskaala vidin laaditakse.
Vaatamiseks peab JavaScript olema lubatud.

Kui tugevad lagunemised rühmitati yoktosekundite piirkonda, elektromagnetilised - attosekundite lähedusse, siis nõrgad lagunemised "järgnesid igaühe vastutusele" - need hõlmasid sama palju 27 suurusjärku ajaskaalal!

Selle kujuteldamatult laia ulatuse äärmuslikes otstes on kaks "äärmuslikku" juhtumit.

• Peamiste kvarkide ja nõrga jõu kandjaosakeste (W- ja Z-bosonite) lagunemine toimub ligikaudu 0,3 on= 3 · 10 -25 s. Need on kõigi elementaarosakeste kiireimad lagunemised ja üldiselt kiireimad protsessid, mis tänapäeva füüsikale usaldusväärselt teada on. See selgub nii, sest need on kõige suurema energia vabanemisega lagunemised.
• Kõige pikema elueaga elementaarosake, neutron, elab umbes 15 minutit. Sellist tohutut aega mikrokosmose standardite järgi seletatakse asjaoluga, et sellel protsessil (neutroni beeta-lagunemine prootoniks, elektroniks ja antineutriinoks) on väga väike energia vabanemine. See energia vabanemine on nii nõrk, et sobivates tingimustes (näiteks aatomituuma sees) võib see lagunemine olla juba energeetiliselt ebasoodne ja siis muutub neutron täiesti stabiilseks. Aatomituumad, kogu meid ümbritsev aine ja meie ise eksisteerime ainult tänu sellele hämmastavale beeta-lagunemise nõrkusele.

Nende äärmuste vahel toimub ka enamik nõrkadest lagunemistest enam-vähem kompaktselt. Need võib jagada kahte rühma, mida me laias laastus nimetame: kiired nõrgad lagunemised ja aeglased nõrgad lagunemised.

Kiired on lagunemised, mis kestavad umbes pikosekundi. Seega on üllatav, kuidas arvud meie maailmas on arenenud, et mitmekümne elementaarosakese eluiga langeb kitsasse väärtusvahemikku 0,4–2 ps. Need on nn võlutud ja armsad hadronid – osakesed, mis sisaldavad rasket kvarki.

Pikosekundid on imelised, põrkeseadmetes tehtavate katsete seisukohast on need lihtsalt hindamatud! Fakt on see, et 1 ps-ga on osakesel aega kolmandik millimeetrit lennata ja kaasaegne detektor suudab hõlpsasti mõõta nii suuri vahemaid. Tänu nendele osakestele muutub pilt osakeste kokkupõrgetest põrkajal "kergesti loetavaks" - siin toimus kokkupõrge ja suure hulga hadronite teke ning seal, veidi eemal, toimusid sekundaarsed lagunemised. Eluiga muutub vahetult mõõdetavaks, mis tähendab, et on võimalik välja selgitada, mis tüüpi osakesega oli tegu, ja alles seejärel kasutada seda infot keerulisemaks analüüsiks.

Aeglased nõrgad lagunemised on lagunemised, mis algavad sadadest pikosekunditest ja ulatuvad üle kogu nanosekundivahemiku. See hõlmab niinimetatud "kummaliste osakeste" klassi - arvukalt hadroneid, mis sisaldavad kummalist kvarki. Vaatamata oma nimele ei ole need tänapäevaste katsete jaoks sugugi kummalised, vaid vastupidi, need on kõige tavalisemad osakesed. Need nägid lihtsalt imelikud välja eelmise sajandi 50ndatel, kui füüsikud hakkasid neid ühtäkki üksteise järel avastama ega saanud nende omadustest päris täpselt aru. Muide, just kummaliste hadronite rohkus tõukas pool sajandit tagasi füüsikud kvarkide idee juurde.

Kaasaegsete elementaarosakestega tehtud katsete seisukohalt on nanosekundeid palju. Seda on nii palju, et kiirendist väljutaval osakesel lihtsalt pole aega laguneda, vaid see läbistab detektori, jättes sinna oma jälje. Muidugi jääb see siis kuskile detektori materjali või seda ümbritsevate kivimite vahele kinni ja laguneb seal laiali. Kuid füüsikud ei hooli enam sellest lagunemisest; neid huvitab ainult jälg, mille see osake detektorisse jättis. Nii et tänapäevaste katsete jaoks näivad sellised osakesed peaaegu stabiilsed; seetõttu nimetatakse neid "vahepealseks" terminiks - metastabiilsed osakesed.

Noh, pikima elueaga osake, neutronit arvestamata, on müüon - omamoodi elektroni “vend”. Ta ei osale tugevas vastastikmõjus, ei lagune elektromagnetiliste jõudude toimel, seega jäävad talle vaid nõrgad vastasmõjud. Ja kuna see on üsna kerge, elab see 2 mikrosekundit - terve ajastu elementaarosakeste skaalal.

Füüsikas olid elementaarosakesed füüsikalised objektid aatomituuma skaalal, mida ei saa jagada nende komponentideks. Kuid täna on teadlastel õnnestunud mõned neist jagada. Nende pisikeste objektide struktuuri ja omadusi uurib osakeste füüsika.

Väikseimad osakesed, millest kogu aine koosneb, on teada juba iidsetest aegadest. Nn atomismi rajajateks peetakse aga Vana-Kreeka filosoofi Leukippust ja tema kuulsamat õpilast Demokritost. Eeldatakse, et viimane lõi termini "aatom". Vanakreeka keelest on "atomos" tõlgitud kui "jagamatu", mis määrab iidsete filosoofide vaated.

Hiljem sai teatavaks, et aatomit saab siiski jagada kaheks füüsikaliseks objektiks – tuumaks ja elektroniks. Viimasest sai hiljem esimene elementaarosake, kui 1897. aastal viis inglane Joseph Thomson läbi katoodkiirtega katse ja avastas, et tegemist on identsete osakeste vooluga, millel on sama mass ja laeng.

Paralleelselt Thomsoni töödega teeb röntgenikiirgust uuriv Henri Becquerel katseid uraaniga ja avastab uut tüüpi kiirgust. 1898. aastal uuris prantsuse füüsikute paar Marie ja Pierre Curie erinevaid radioaktiivseid aineid, avastades sama radioaktiivse kiirguse. Hiljem leiti, et see koosneb alfaosakestest (2 prootonit ja 2 neutronit) ja beetaosakestest (elektronid) ning Becquerel ja Curie saavad Nobeli preemia. Uurides selliseid elemente nagu uraan, raadium ja poloonium, ei võtnud Marie Sklodowska-Curie mingeid ohutusmeetmeid, sealhulgas ei kasutanud isegi kindaid. Selle tulemusena tabas teda 1934. aastal leukeemia. Suure teadlase saavutuste mälestuseks nimetati Curie paari avastatud element poloonium Maarja kodumaa auks - Polonia, ladina keelest - Poola.

Foto V Solvay kongressist 1927. Proovige sellelt fotolt leida kõik selle artikli teadlased.

Alates 1905. aastast on Albert Einstein pühendanud oma publikatsioonid valguse laineteooria ebatäiuslikkusele, mille postulaadid olid vastuolus katsete tulemustega. Mis hiljem viis silmapaistva füüsiku ideeni "valguskvandist" - valguse osast. Hiljem, 1926. aastal, nimetas seda Ameerika füüsikakeemik Gilbert N. Lewis kreeka keelest "phos" ("valgus") tõlgitud fotoniks.

1913. aastal märkis Briti füüsik Ernest Rutherford tollal juba tehtud katsete tulemuste põhjal, et paljude keemiliste elementide tuumade massid on vesiniku tuuma massi mitmekordsed. Seetõttu oletas ta, et vesiniku tuum on teiste elementide tuumade komponent. Oma katses kiiritas Rutherford alfaosakestega lämmastikuaatomit, mis selle tulemusena kiirgas teistest kreekakeelsetest "protodest" (esimene, peamine) teatud osakese, mida Ernest nimetas "prootoniks". Hiljem kinnitati eksperimentaalselt, et prooton on vesiniku tuum.

Ilmselgelt pole prooton keemiliste elementide tuumade ainus komponent. Seda ideed juhib asjaolu, et tuuma kaks prootonit tõrjuksid üksteist ja aatom laguneks koheselt. Seetõttu oletas Rutherford teise osakese olemasolu, mille mass on võrdne prootoni massiga, kuid on laenguta. Mõned teadlaste katsed radioaktiivsete ja kergemate elementide koostoime kohta viisid nad järjekordse uue kiirguse avastamiseni. Aastal 1932 tegi James Chadwick kindlaks, et see koosneb väga neutraalsetest osakestest, mida ta nimetas neutroniteks.

Nii avastati kõige kuulsamad osakesed: footon, elektron, prooton ja neutron.

Lisaks muutus üha sagedasemaks sündmuseks uute subnukleaarsete objektide avastamine ja hetkel on teada umbes 350 osakest, mida üldiselt peetakse elementaarseteks. Neid, mida pole veel jagatud, peetakse struktuurituks ja neid nimetatakse "fundamentaalseteks".

Mis on spin?

Enne edasiste uuendustega füüsika vallas edasi liikumist tuleb kindlaks teha kõikide osakeste omadused. Tuntuim hõlmab peale massi- ja elektrilaengu ka spinni. Seda suurust nimetatakse muul viisil "sisemiseks nurkimpulsiks" ja see ei ole mingil viisil seotud alamtuumaobjekti kui terviku liikumisega. Teadlased suutsid tuvastada osakesi spinniga 0, ½, 1, 3/2 ja 2. Et visualiseerida, ehkki lihtsustatult, spinni kui objekti omadust, vaadake järgmist näidet.

Olgu objekti spinn võrdne 1-ga. Siis naaseb selline objekt 360 kraadi pööramisel oma algasendisse. Lennukis võib selleks esemeks olla pliiats, mis pärast 360-kraadist pööret satub oma algsesse asendisse. Nullpöörlemise korral näeb objekt alati ühesugune välja, olenemata sellest, kuidas objekt pöörleb, näiteks ühevärviline pall.

½ keerutamiseks vajate eset, mis säilitab oma välimuse 180 kraadi pööramisel. See võib olla sama pliiats, ainult mõlemalt poolt sümmeetriliselt teritatud. Pööre 2 nõuab kuju säilitamist, kui seda pöörata 720 kraadi, ja 3/2 pöörlemine nõuab 540.

See omadus on osakeste füüsika jaoks väga oluline.

Osakeste ja vastastikmõjude standardmudel

Omades muljetavaldavat kogumit mikroobjekte, mis moodustavad meid ümbritseva maailma, otsustasid teadlased need struktureerida ja nii tekkiski tuntud teoreetiline struktuur, mida nimetatakse "Standardmudeliks". Ta kirjeldab kolme interaktsiooni ja 61 osakest, kasutades 17 põhiosa, millest mõnda ennustas ta juba ammu enne avastust.

Kolm interaktsiooni on järgmised:

• Elektromagnetiline. See toimub elektriliselt laetud osakeste vahel. Lihtsamal, koolist teadaoleval juhul tõmbavad vastaslaenguga objektid ligi, sarnaselt laetud esemed aga tõrjuvad. See toimub nn elektromagnetilise interaktsiooni kandja - footoni kaudu.
• Tugev, muidu tuntud kui tuuma interaktsioon. Nagu nimigi viitab, laieneb selle tegevus aatomituuma järgu objektidele; see vastutab prootonite, neutronite ja muude, samuti kvarkidest koosnevate osakeste ligitõmbamise eest. Tugevat vastasmõju kannavad gluoonid.
• Nõrk. Efektiivne tuuma suurusest tuhat väiksematel vahemaadel. Selles interaktsioonis osalevad leptonid ja kvargid, aga ka nende antiosakesed. Veelgi enam, nõrga interaktsiooni korral võivad nad muutuda üksteiseks. Kandjad on W+, W− ja Z0 bosonid.

Seega moodustati standardmudel järgmiselt. See sisaldab kuut kvarki, millest koosnevad kõik hadronid (tugevale vastasmõjule alluvad osakesed):

• Ülemine(u);
• Võlutud (c);
• tõsi(t);
• Madalam (d);
• Kummaline(d);
• Armas (b).

On selge, et füüsikutel on epiteete küllaga. Ülejäänud 6 osakest on leptonid. Need on põhiosakesed spinniga ½, mis ei osale tugevas interaktsioonis.

• elektron;
• elektronneutriino;
• Muon;
• müonneutriino;
• Tau lepton;
• Tau neutriino.

Ja standardmudeli kolmas rühm on gabariidibosonid, mille spin on 1 ja mida kujutatakse interaktsioonide kandjatena:

• Gluoon – tugev;
• Footon – elektromagnetiline;
• Z-boson - nõrk;
• W-boson on nõrk.

Nende hulka kuulub ka hiljuti avastatud spin-0 osake, mis lihtsalt öeldes annab inertse massi kõigile teistele subnukleaarsetele objektidele.

Selle tulemusena näeb meie maailm standardmudeli järgi välja selline: kogu aine koosneb 6 kvargist, mis moodustavad hadroneid ja 6 leptonit; kõik need osakesed võivad osaleda kolmes interaktsioonis, mille kandjateks on mõõtbosonid.

Standardmudeli puudused

Kuid juba enne Higgsi bosoni, viimase standardmudeli ennustatud osakese avastamist, olid teadlased ületanud selle piirid. Selle ilmekaks näiteks on nn. "gravitatsiooniline interaktsioon", mis on tänapäeval samaväärne. Arvatavasti on selle kandjaks spin 2-ga osake, millel pole massi ja mida füüsikud pole veel suutnud tuvastada - "graviton".

Veelgi enam, standardmudel kirjeldab 61 osakest ja tänapäeval on inimkonnale teada juba üle 350 osakese. See tähendab, et teoreetiliste füüsikute töö pole lõppenud.

Osakeste klassifikatsioon

Nende elu hõlbustamiseks on füüsikud rühmitanud kõik osakesed nende struktuuriomaduste ja muude omaduste järgi. Klassifikatsioon põhineb järgmistel kriteeriumidel:

• Eluaeg.
  1. Stabiilne. Nende hulka kuuluvad prootonid ja antiprootonid, elektronid ja positronid, footonid ja graviton. Stabiilsete osakeste olemasolu ei ole ajaliselt piiratud, kuni nad on vabas olekus, s.t. ära suhtle millegagi.
  2. Ebastabiilne. Kõik muud osakesed lagunevad mõne aja pärast oma koostisosadeks, mistõttu neid nimetatakse ebastabiilseteks. Näiteks müüon elab vaid 2,2 mikrosekundit ja prooton - 2,9 10 * 29 aastat, pärast mida võib see laguneda positroniks ja neutraalseks piooniks.
• Kaal.
  1. Massita elementaarosakesed, mida on ainult kolm: footon, gluoon ja graviton.
  2. Massiivsed osakesed on kõik ülejäänud.
• Spin tähendus.
  1. Terve spin, sh. null, sisaldab osakesi, mida nimetatakse bosoniteks.
  2. Pooltäisarvulise spinniga osakesed on fermioonid.
• Osalemine interaktsioonides.
  1. Hadronid (struktuursed osakesed) on alamtuumaobjektid, mis osalevad kõigis neljas interaktsioonitüübis. Varem mainiti, et need koosnevad kvarkidest. Hadronid jagunevad kaheks alatüübiks: mesonid (täisarvuline spin, bosonid) ja barüonid (pooltäisarvuline spin, fermionid).
  2. Fundamentaalne (struktuurita osakesed). Nende hulka kuuluvad leptonid, kvargid ja gabariidibosonid (loe varem - "Standardmudel..").

Olles tutvunud kõigi osakeste klassifikatsiooniga, saate näiteks mõnda neist täpselt määrata. Nii et neutron on fermion, hadron või õigemini barüon ja nukleon, see tähendab, et tal on pooltäisarvuline spin, koosneb kvarkidest ja osaleb 4 interaktsioonis. Nukleon on prootonite ja neutronite üldnimetus.

• Huvitav on see, et aatomite olemasolu ennustanud Demokritose atomismi vastased väitsid, et iga aine maailmas jaguneb lõputult. Mingil määral võivad nad õigeks osutuda, sest teadlased on juba suutnud jagada aatomi tuumaks ja elektroniks, tuuma prootoniteks ja neutroniteks ning need omakorda kvarkideks.
• Demokritos eeldas, et aatomitel on selge geomeetriline kuju ja seetõttu põlevad “teravad” tuleaatomid, tahkete ainete karedad aatomid hoiavad kindlalt koos nende eenditega ning vee siledad aatomid libisevad vastastikmõju ajal, vastasel juhul voolavad.
• Joseph Thomson koostas oma aatomimudeli, mida ta nägi positiivselt laetud kehana, millesse elektronid näisid olevat "kinni jäänud". Tema mudelit kutsuti "Ploomipudingu mudeliks".
• Kvargid said oma nime tänu Ameerika füüsikule Murray Gell-Mannile. Teadlane tahtis kasutada sõna, mis sarnaneb pardi vutihäälega (kwork). Kuid James Joyce’i romaanis Finnegans Wake kohtas ta reas “Kolm kvarki härra Markile!” sõna “kvark”, mille tähendus pole täpselt määratletud ja võimalik, et Joyce kasutas seda lihtsalt riimi jaoks. Murray otsustas osakesi selle sõnaga nimetada, kuna sel ajal oli teada vaid kolm kvarki.
• Kuigi footonid, valguse osakesed, on massita, näivad nad musta augu lähedal oma trajektoori muutvat, kuna gravitatsioonijõud neid sinna tõmbavad. Tegelikult painutab ülimassiivne keha aegruumi, mistõttu kõik osakesed, sealhulgas massita osakesed, muudavad oma trajektoori musta augu suunas (vt.).
• Large Hadron Collider on "hadroniline" just seetõttu, et põrkab kokku kaks suunatud hadronikiirt, osakesi, mille mõõtmed on aatomituuma suurusjärgus ja mis osalevad kõigis interaktsioonides.