Kas looduses on muutumatuid osakesi? Elementaarosakesed. Elementaarosakeste klassifikatsioon
Tunni teema: „Füüsika arenguetapid elementaarosakesed" Selles õppetükis vaatleme järgmised küsimused:
- Idee, et maailm koosneb elementaarosakestest, kujunemislugu Mis on elementaarosakesed? Kuidas saada isoleeritud elementaarosakest ja kas see on võimalik? Osakeste tüpoloogia.
Meie tund toimub peamiselt loengu vormis ja kui teil on loengu ajal küsimusi või täiendusi, siis kuulan neid hea meelega.
Ideel, et maailm koosneb põhiosakestest, on pikk ajalugu. Tänapäeval on elementaarosakeste füüsika arengus kolm etappi.
Avame õpiku leheküljel jne. Tutvume etappide nimetuste ja ajaraamidega.
1. etapp.
Elementaarne, st kõige lihtsam, veelgi jagamatu, on see, kuidas kuulus Vana-Kreeka teadlane Demokritos aatomit ette kujutas. Lubage mul teile meelde tuletada, et sõna "aatom" tähendab tõlkes "jagamatut". Esimest korda väljendas Demokritos 400 aastat eKr ideed väikeste, nähtamatute osakeste olemasolust, mis moodustavad kõik ümbritsevad objektid. Teadus hakkas aatomite mõistet kasutama alles aastal XIX algus sajandil, mil selle põhjal oli võimalik lahti seletada terve seeria keemilised nähtused. Ja selle sajandi lõpus avastati aatomi keeruline struktuur. 1911. aastal avastati aatomituum (E. Rutherford) ja lõpuks tõestati, et aatomitel on keeruline struktuur.
Tuletagem poisid meelde: millised osakesed on aatomi osa ja iseloomustage neid lühidalt?
Poisid, võib-olla mõni teist mäletab: kes ja mis aastatel avastas elektroni, prootoni ja neutroni?
Pärast prootoni ja neutroni avastamist sai selgeks, et aatomite tuumadel, nagu ka aatomitel endil, on keeruline struktuur. Tekkis tuumade ehituse prooton-neutroniteooria (D. D. Ivanenko ja V. Heisenberg).
30ndatel aasta XIX sajandil ilmus M. Faraday väljatöötatud elektrolüüsi teoorias iooni mõiste ja viidi läbi elementaarlaengu mõõtmine. 19. sajandi lõpp – lisaks elektroni avastamisele tähistas ka radioaktiivsuse fenomeni avastamine (A. Becquerel, 1896). 1905. aastal tekkis füüsikas idee elektromagnetvälja kvantidest - footonitest (A. Einstein).
Meenutagem: mis on footon?
Avastatud osakesi peeti jagamatuteks ja muutumatuteks esmasteks essentsideks, universumi põhilisteks ehitusplokkideks.
2. etapp.
See arvamus ei kestnud aga kaua.
1930. aastatel avastati ja uuriti prootonite ja neutronite vastastikuseid muundumisi ning selgus, et ka need osakesed pole looduse muutumatud elementaarsed “ehituskivid”.
Praegu on teada umbes 400 alamtuumaosakest (aatomeid moodustavad osakesed, mida tavaliselt nimetatakse elementaarseteks. Valdav enamus neist osakestest on ebastabiilsed (elementaarosakesed muunduvad üksteiseks).
Ainsad erandid on footon, elektron, prooton ja neutriino.
Footon, elektron, prooton ja neutriino on stabiilsed osakesed (osakesed, mis võivad vabas olekus eksisteerida lõputult), kuid igaüks neist võib teiste osakestega suheldes muutuda teisteks osakesteks.
Kõik teised osakesed kogevad teatud ajavahemike järel spontaanseid reaktsioone. muundumine teisteks osakesteks ja see peamine fakt nende olemasolu.
Mainisin veel üht osakest – neutriinot. Millised on selle osakese peamised omadused? Kes ja millal selle avastas?
Ebastabiilsed elementaarosakesed erinevad oma eluea jooksul suuresti.
Kõige pikema elueaga osake on neutron. Neutroni tööiga 15 minutit.
Teised osakesed "elavad" palju lühemat aega.
Osakesi, mille eluiga ületab 10–17 sekundit, on mitukümmend. Mikrokosmose mastaabis on see märkimisväärne aeg. Selliseid osakesi nimetatakse suhteliselt stabiilseteks.
Enamus lühiajaline elementaarosakeste eluiga on suurusjärgus 10–22–10–23 s.
Kõigi elementaarosakeste kõige olulisem omadus on võime läbi viia vastastikusi teisendusi.
Elementaarosakesed on võimelised sündima ja hävima (eralduma ja neelduma). See kehtib ka stabiilsete osakeste kohta ainsa erinevusega, et stabiilsete osakeste transformatsioonid ei toimu spontaanselt, vaid interaktsiooni kaudu teiste osakestega.
Näiteks võib tuua elektroni ja positroni hävimise (s.o kadumise), millega kaasneb suure energiaga footonite sünd.
Positroon– (elektroni antiosake) positiivselt laetud osake, millel on elektroniga sama mass ja sama (absoluutväärtuses) laeng. Selle omadustest räägime üksikasjalikumalt järgmises õppetükis. Ütleme nii, et positroni olemasolu ennustas 1928. aastal P. Dirac ja selle avastas 1932. aastal kosmilistes kiirtes K. Anderson.
1937. aastal avastati kosmilistes kiirtes osakesed massiga 207 elektroni massi, mida nimetatakse müüoniteks (μ-mesoniteks). μ-mesoni keskmine eluiga on
Seejärel, aastatel 1947–1950, avastati pionid (st π mesonid) Neutraalse π mesoni keskmine eluiga on 0,87 10–16 s.
Järgnevatel aastatel hakkas äsja avastatud osakeste arv kiiresti kasvama. Sellele aitasid kaasa kosmiliste kiirte uurimine, kiirenditehnoloogia arendamine ja tuumareaktsioonide uurimine.
Kaasaegsed kiirendid vajalik uute osakeste sünniprotsessi läbiviimiseks ja elementaarosakeste omaduste uurimiseks. Algosakesed kiirendatakse gaasipedaalis “kokkupõrkekursil” suurte energiateni ja põrkuvad omavahel kindlas kohas. Kui osakeste energia on suur, siis põrkeprotsessi käigus sünnib palju uusi osakesi, tavaliselt ebastabiilseid. Need osakesed, mis hajuvad kokkupõrkepunktist, lagunevad stabiilsemateks osakesteks, mille detektorid salvestavad. Iga sellise kokkupõrke korral (füüsikud ütlevad: iga sündmuse kohta) - ja need registreeritakse tuhandetes sekundis! -katsetajad määravad selle tulemusena kinemaatilised muutujad: "püütud" osakeste impulsside ja energia väärtused, samuti nende trajektoorid (vt joonist õpikus või lisa nr 1). Kogudes palju sama tüüpi sündmusi ja uurides nende kinemaatiliste suuruste jaotusi, rekonstrueerivad füüsikud, kuidas interaktsioon toimus ja millist tüüpi osakestele saab omistada saadud osakesi.
3. etapp.
Elementaarosakesed on ühendatud kolme rühma: footonid, leptonid ja hadronid (lisa nr 2 – tabel).
Poisid, loetlege mulle erinevatesse rühmadesse kuuluvad osakesed.
Järgmise rühma moodustavad kerged leptoonilised osakesed.
Leptonite hulka kuulub ka hulk osakesi, mida tabelis ei ole loetletud.
Kolmas suur rühm koosneb rasketest osakestest, mida nimetatakse hadroniteks. See rühm on jagatud kahte alarühma. Kergemad osakesed moodustavad mesonite alarühma.
Teine alarühm - barüonid - sisaldab raskemaid osakesi. See on kõige ulatuslikum.
Neile järgnevad nn hüperonid. Tabeli sulgeb 1964. aastal avastatud oomega-miinus-hüperoon.
Avastatud ja äsja avastatud hadronite rohkus pani teadlased uskuma, et need kõik on ehitatud mõnest teisest fundamentaalsemast osakestest.
1964. aastal esitas Ameerika füüsik M. Gell-Man hüpoteesi, mida kinnitavad hilisemad uuringud, et kõik rasked põhiosakesed – hadronid – on üles ehitatud fundamentaalsematest osakestest, mida nimetatakse kvarkideks.
Co struktuurne punkt vaade moodustavatele elementaarosakestele aatomi tuumad (nukleonid) ja üldiselt kõik rasked osakesed - hadronid (barüonid Ja mesonid) - koosnevad veelgi lihtsamatest osakestest, mida tavaliselt nimetatakse fundamentaalseteks. Seda mateeria tõeliselt fundamentaalsete esmaste elementide rolli täidavad kvargid, mille elektrilaeng on võrdne +2/3 või –1/3 ühikuga positiivne laeng prooton.
Kõige tavalisemaid ja kergemaid kvarke nimetatakse üleval Ja madalam ja tähistavad vastavalt u(inglise keelest üles) Ja d(alla). Mõnikord kutsutakse neid ka prooton Ja neutron kvark, mis tuleneb asjaolust, et prooton koosneb kombinatsioonist uud ja neutron - udd. Tippkvargi laeng on +2/3; alumine - negatiivne laeng -1/3. Kuna prooton koosneb kahest üles- ja ühest alla kvargist ning neutron ühest üles- ja kahest alla kvargist, saate iseseisvalt kontrollida, kas prootoni ja neutroni kogulaeng on rangelt võrdne 1 ja 0-ga.
Ülejäänud kaks paari kvarke on osa eksootilisematest osakestest. Teise paari kvarke nimetatakse lummatud - c(alates võlutud) Ja imelik - s(alates imelik).
Kolmas paar on tõsi - t(alates tõde, või inglise keeles traditsioonid üleval) Ja ilus - b(alates ilu, või inglise keeles traditsioonid põhja) kvargid.
Peaaegu kõik erinevatest kvarkide kombinatsioonidest koosnevad osakesed on juba katseliselt avastatud
Kvarkide hüpoteesi aktsepteerimisega oli võimalik luua harmooniline elementaarosakeste süsteem. Arvukad vabas olekus kvarkide otsingud, mis viidi läbi suure energiaga kiirenditel ja kosmilistes kiirtes, on ebaõnnestunud. Teadlased usuvad, et vabade kvarkide jälgimatuse üheks põhjuseks on võib-olla nende väga suur mass. See takistab kvarkide sündi energiatel, mis saavutatakse tänapäevastes kiirendites.
Vabade kvarkide isoleerimise eksperiment algas umbes 10 aastat tagasi ja see käivitatakse järgmisel aastal. Nüüd valmistatakse ette maailma suurima eksperimentaalrajatise – Šveitsis asuva suure hadronite põrkeseadme – elemente.
Ja see järgmisel aastal käivitatav eksperiment annab vastuse paljudele küsimustele ja tegelikult tõukab füüsikat edasi arenema.
Ettekanne teemal "Elementaarosakesed" füüsikas powerpoint formaadis. See ettekanne 11. klassi koolilastele selgitab elementaarosakeste füüsikat ja süstematiseerib selleteemalisi teadmisi. Töö eesmärk on arendada õpilaste abstraktset, ökoloogilist ja teaduslikku mõtlemist, mis põhineb ideedel elementaarosakeste ja nende vastasmõjude kohta. Ettekande autor: Popova I.A., füüsikaõpetaja.
Fragmendid esitlusest
Mitu elementi on perioodilisustabelis?
- Ainult 92.
- Kuidas? Kas on veel?
- Tõsi, kuid kõik ülejäänud on kunstlikult saadud, looduses neid ei esine.
- Seega - 92 aatomit. Nendest saab valmistada ka molekule, st. aineid!
- Kuid tõsiasja, et kõik ained koosnevad aatomitest, väitis Demokritos (400 eKr).
- Ta oli suurepärane reisija ja tema lemmikütlus oli:
- "Midagi pole olemas peale aatomite ja puhta ruumi, kõik muu on vaade"
Osakeste füüsika ajaskaala
- Teoreetilised füüsikud seisid silmitsi kõige keerulisema ülesandega korraldada kogu avastatud osakeste "loomaaed" ja püüda viia põhiosakeste arv miinimumini, tõestades, et teised osakesed koosnevad põhiosakestest.
- Kõik need osakesed olid ebastabiilsed, s.t. lagunesid väiksema massiga osakesteks, muutudes lõpuks stabiilseteks prootoniteks, elektronideks, footoniteks ja neutriinodeks (ja nende antiosakesteks).
- Kolmas on see. M. Gell-Mann ja iseseisvalt J. Zweig pakkusid välja põhiosakestest – kvarkidest – tugevalt interakteeruvate osakeste struktuuri mudeli.
- See mudel on nüüdseks muutunud kõigi teadaolevate osakeste interaktsiooni tüüpide sidusaks teooriaks.
Kuidas tuvastada elementaarosakest?
Tavaliselt uuritakse ja analüüsitakse fotode abil osakeste jäetud jälgi (trajektoore või jälgi).
Elementaarosakeste klassifikatsioon
Kõik osakesed jagunevad kahte klassi:
- Fermionid, mis moodustavad aine;
- Bosonid, mille kaudu interaktsioon toimub.
Kvargid
- Kvargid osalevad nii tugevas vastasmõjus kui ka nõrkades ja elektromagnetilistes vastasmõjudes.
- Gell-Mann ja Georg Zweig pakkusid välja kvargimudeli 1964. aastal.
- Pauli põhimõte: ühes omavahel seotud osakeste süsteemis ei eksisteeri kunagi vähemalt kahte ühesuguste parameetritega osakest, kui nendel osakestel on pooltäisarvuline spin.
Mis on spin?
- Spin demonstreerib, et on olemas olekuruum, millel pole midagi pistmist osakese liikumisega tavaruumis;
- Spinni (inglise keelest spin - to spin) võrreldakse sageli "kiiresti pöörleva ülaosa" nurkimpulssiga - see pole tõsi!
- Spin on osakese sisemine kvantkarakteristik, millel pole analoogi klassikaline mehaanika;
- Spin (inglise keelest spin - twirl, rotation) on elementaarosakeste sisemine nurkimpulss, millel on kvant iseloom ja mis ei ole seotud osakese kui terviku liikumisega.
Neli tüüpi füüsilist suhtlust
- gravitatsiooniline,
- elektromagnetiline,
- nõrk,
- tugev.
- Nõrk interaktsioon- muudab osakeste sisemist olemust.
- Tugevad vastasmõjud- põhjustada erinevaid tuumareaktsioonid, samuti neutroneid ja prootoneid tuumades ühendavate jõudude tekkimine.
Kvarkide omadused
- Kvarkidel on omadus, mida nimetatakse värvilaenguks.
- Värvilaengut on kolme tüüpi, mida tavaliselt tähistatakse kui
- sinine,
- roheline
- Punane.
- Igal värvil on täiendus oma antivärvi kujul - anti-sinine, anti-roheline ja anti-punane.
- Erinevalt kvarkidest pole antikvarkidel värv, vaid antivärv ehk vastupidine värvilaeng.
Kvarkide omadused: mass
- Kvarkidel on kaks peamist tüüpi massi, mis erinevad suuruse poolest:
- praegune kvargi mass, mis on hinnatud protsessides, kus ruudus 4-impulss on oluliselt üle kantud, ja
- struktuurne mass (plokk, koostisosa mass); hõlmab ka kvarki ümbritseva gluoonivälja massi ning seda hinnatakse hadronite massi ja nende kvarkide koostise põhjal.
Kvarkide omadused: maitse
- Igat kvargi maitset (tüüpi) iseloomustavad järgmised omadused kvantarvud, Kuidas
- isospin Iz,
- kummalisus S,
- võlu C,
- võlu (põhi, ilu) B′,
- tõde (topness) T.
Ülesanded
- Milline energia vabaneb elektroni ja positroni annihilatsioonil?
- Milline energia vabaneb prootoni ja antiprootoni annihilatsioonil?
- Millised tuumaprotsessid tekitavad neutriinosid?
- A. α - lagunemise ajal.
- B. β - lagunemise ajal.
- B. Kui kiirgavad γ - kvantid.
- Millised tuumaprotsessid tekitavad antineutriinosid?
- A. α - lagunemise ajal.
- B. β - lagunemise ajal.
- B. Kui kiirgavad γ - kvantid.
- D. Mis tahes tuumatransformatsiooni ajal
- Prooton koosneb...
- A. . . .neutron, positron ja neutriino.
- B. . . .mesonid.
- IN. . .kvarkid.
- D. Prootonil ei ole koostisosi.
- Neutron koosneb...
- A. . . .prooton, elektron ja neutriino.
- B. . . .mesonid.
- IN. . . kvargid.
- D. Neutronil ei ole koostisosi.
- Mida tõestasid Davissoni ja Germeri katsed?
- A. Aatomite energia neeldumise kvantloomus.
- B. Aatomite energiaemissiooni kvantloomus.
- B. Valguse lainelised omadused.
- D. Elektronide lainelised omadused.
- Milline järgmistest valemitest määrab elektroni de Broglie lainepikkuse (m ja v on elektroni mass ja kiirus)?
Test
- Milline füüsilised süsteemid tekivad elektromagnetilise vastastikmõju tulemusena elementaarosakestest? A. Elektronid, prootonid. B. Aatomituumad. B. Aatomid, aine molekulid ja antiosakesed.
- Interaktsiooni seisukohalt jagunevad kõik osakesed kolme tüüpi: A. Mesonid, footonid ja leptonid. B. Footonid, leptonid ja barüonid. B. Footonid, leptonid ja hadronid.
- Mis on elementaarosakeste olemasolu peamine tegur? A. Vastastikune ümberkujundamine. B. Stabiilsus. B. Osakeste vastastikmõju.
- Millised vastastikmõjud määravad tuumade stabiilsuse aatomites? A. Gravitatsiooniline. B. Elektromagnetiline. B. Tuuma. D. Nõrk.
- Kas looduses on muutumatuid osakesi? A. Neid on. B. Neid pole olemas.
- Aine elektromagnetväljaks muutumise tegelikkus: A. Seda kinnitab elektroni ja positroni annihilatsiooni kogemus. B. Seda kinnitas elektroni ja prootoni annihilatsioonikatse.
- Aine väljaks muutumise reaktsioon: A. e + 2γ→e+ B. e + 2γ→e- C. e+ +e- =2γ.
- Milline interaktsioon vastutab elementaarosakeste üksteiseks muutumise eest? A. Tugev interaktsioon. B. Gravitatsiooniline. B. Nõrk interaktsioon D. Tugev, nõrk, elektromagnetiline.
Munitsipaaleelarveline mittestandardne õppeasutus "Belovo linna Tasirov G.Kh. nimeline gümnaasium nr 1" Elementaarosakesed Esitlus füüsikatunni jaoks 11. klassis (profiilitase) Lõpetanud: Popova I.A., füüsikaõpetaja Belovo, 2012 EESMÄRK: Elementaarosakeste füüsikaga tutvumine ja teemakohaste teadmiste süstematiseerimine. Õpilaste abstraktse, ökoloogilise ja teadusliku mõtlemise arendamine, mis põhineb ideedel elementaarosakeste ja nende vastasmõjude kohta Mitu elementi on perioodilisuse tabelis? Ainult 92. Kuidas? Kas on veel? Tõsi, kuid kõik ülejäänud on kunstlikult saadud, looduses neid ei esine. Seega - 92 aatomit. Nendest saab valmistada ka molekule, st. aineid! Kuid tõsiasja, et kõik ained koosnevad aatomitest, väitis Demokritos (400 eKr). Ta oli suur reisija ja tema lemmikütlus oli: "Mitte midagi peale aatomite ja puhta ruumi ei eksisteeri, kõik muu on arvamus." Demokritos Aatom Kuupäev Teadlase nimi Avastus (hüpotees) 400 eKr. XX algus 1910 1928 1928 1929 sajand Thomsoni elektronivastane osake - osake, millel on sama E. Rutherfordi prootoni mass ja spinn, kuid Dirac ja positroni avastamine on Andersoni igat tüüpi laengute väärtused vastupidised; A. Einsteini foton P. Dirac Olemasolu ennustus 1931 Pauli Neutriinode ja antineutriinode avastamine 1932 J. Chadwick 1932 1930 1935 antiosakesed Iga Neutroni elementaarosakese jaoks on olemas oma antiosake - positroni e+ olemasolu Yucci antiparticle'i V. Paulikawa antiparticle. neutriino n Mesoni avastamine Osakeste füüsika kronoloogia Kuupäev Avastamine (hüpotees) Teoreetiliste füüsikute ees seisis teine, etapi korraldamine, kõige raskem ülesanne kogu 1947. aastal, avastati π-mesoni p avastamine kosmilistes “loomaaia” osakestes ja kiirtega püüda vähendada fundamentaalsete Et osakeste arvu alguses kOl avalikult tõestatud, et mitusada uut miinimum, teised 1960. a. koosnevad elementaarosakestest, mille põhiosakeste mass on vahemikus 140 MeV kuni 2 GeV. Kõik need osakesed olid ebastabiilsed, s.t. lagunesid väiksema massiga osakesteks, muutudes lõpuks stabiilseteks prootoniteks, elektronideks, footoniteks ja neutriinodeks (ja nende antiosakesteks). Osakestefüüsika kronoloogia Kuupäev Teadlase nimi Avastus (hüpotees) Kolmas etapp 1962 M. Gell-Mann pakkus välja mudeli ja sõltumatult tugevalt interakteeruvate osakeste struktuurist kvarkide põhiosakestest 1995 See mudel kuni tänapäevani Viimase kvarkide avastamine ajad muutusid oodatud, kuuendaks sidusaks teooriaks kõigi teadaolevate osakeste vastastikmõjude kohta. kvark Kuidas tuvastada elementaarosakest? Tavaliselt uuritakse ja analüüsitakse osakeste jäetud jälgi (trajektoore või jälgi) fotode abil. 2. Bosonid, mille kaudu interaktsioon toimub. Elementaarkvarkide klassifikatsioon osalevad tugevas vastastikmõjus ning osakesed osalevad ka nõrgas ja elektromagnetilises vastasmõjus. Fermionid jagunevad leptoniteks ja kvarkideks. Kvargid Gell-Mann ja Georg Zweig pakkusid välja kvargimudeli 1964. aastal. Pauli põhimõte: ühes omavahel seotud osakeste süsteemis ei eksisteeri kunagi vähemalt kahte ühesuguste parameetritega osakest, kui nendel osakestel on pooltäisarvuline spin. M. Gell-Mann konverentsil 2007. Mis on spin? Spin demonstreerib, et on olemas Spin (inglise keelest spin - to twirl, olekute ruum, mis ei ole kuidagi seotud pöörlemisega) - osakese liikumine tavalisel ruumihetkel; elementaarosakeste impulsi, spinni (inglise keelest quantum to spin - spin) sagedust ja oma olemust võrreldakse nurkimpulssiga, mis on "seotud kiiresti pöörleva tipu osakese liikumisega" - see on vale! tervikuna on Spin osakese sisemine kvanttunnus, millel pole klassikalises mehaanikas analoogi; Mõnede mikroosakeste spinnid Spin 0 Osakeste üldnimetus π-mesonid, K-mesonid, Higgsi boson, 4He tuuma aatomid ja skalaarosakesed, paaris-paarituumad, parapositronium 1/2 spinorosakesed 1 vektorosakesed 3/2 spin-vektor osakesed 2 Näited elektron , kvargid, prootonid, neutronid, aatomid ja tuumad 3He footon, gluoon, vektormesonid, ortopositronium Δ-isobaarid tensorosakesed graviton, tensormesonid Kvargid Kvargid osalevad tugevas vastastikmõjus, aga ka nõrkades ja elektromagnetilistes. Kvarkide laengud on murdosalised - -1/3e kuni +2/3e (e on elektroni laeng). Kvargid eksisteerivad tänapäeva universumis ainult seotud olekus – ainult hadronite osana. Näiteks prooton on uud, neutron on udd. Nelja tüüpi füüsikalisi vastastikmõjusid on gravitatsiooniline, elektromagnetiline, nõrk, tuuma tugev. On ainult üks mehhanism: nõrk interaktsioon muudab osakeste sisemist olemust vahetuse tõttu. Tugevad vastasmõjud osakeste ja teiste vahel määravad erinevaid tuumareaktsioone ning kandjad tekitavad ka jõude, mis seovad vastasmõju neutroneid. ja prootonid tuumades. Neli tüüpi füüsikalisi interaktsioone Elektromagnetilised ja footonid ning interaktsiooni raadiusConst. vastastikune vastastikmõju: gravitonite kandja ei ole footon. on massid Gravitatsiooniline -39 Gravitatsiooniline Lõpmatult suur 6.10 vastastikmõju: gravitatsioonivälja kandjad - (puhkemassid) ja kvantid liigutavad alati gravitoneid. Elektromagnetiline Lõpmatult suur 1/137 kiirusega Nõrk interaktsioon: valgus. kandjad on vektorbosonid. Nõrk Ei ületa 10-16 cm 10-14 Oluline erinevus nõrkade interaktsioonide tugevate kandjate kandjate vahel: gluoonid (alates -13 interaktsioonist footonilt Tugev Ei liimi üle 10 cm 1 ingliskeelne sõna - liim) ja graviton on nende puhkemass on võrdne nulliga. massiivsus. Kvarkide omadused Kvarkide supermultipletid (triaad
Kui kreeka filosoof Demokritos nimetas lihtsamaid jagamatuid osakesi aatomiteks (sõna aatom, Tuletame meelde, et see tähendab “jagamatu”), siis põhimõtteliselt ei tundunud talle kõik ilmselt kuigi keeruline. Jagamatutest muutumatutest osakestest on ehitatud erinevad esemed, taimed, loomad. Maailmas täheldatud transformatsioonid on aatomite lihtne ümberpaigutamine. Kõik maailmas voolab, kõik muutub, välja arvatud aatomid ise, mis jäävad muutumatuks.
Aga sisse XIX lõpus sajandil avastati aatomite keeruline struktuur ja elektron eraldati aatomi lahutamatu osana. Siis, juba 20. sajandil, avastati prooton ja neutron – osakesed, mis moodustavad aatomituuma. Alguses vaadeldi kõiki neid osakesi täpselt nii, nagu Demokritos vaatas aatomeid: neid peeti jagamatuteks ja muutumatuteks esmasteks essentsideks, universumi põhilisteks ehitusplokkideks.
Ahvatleva selguse olukord ei kestnud kaua. Kõik osutus palju keerulisemaks:
Nagu selgus, pole muutumatuid osakesi üldse. Sõnas endas elementaarne on kahekordne tähendus.
Ühest küljest on elementaarne iseenesestmõistetav, kõige lihtsam. Teisest küljest peame elementaarse all silmas midagi fundamentaalset, mis on asjade aluseks (selles mõttes nimetatakse neid praegu subatomilised osakesed elementaarne).
Järgmine lihtne tõsiasi ei lase meil pidada praegu teadaolevaid elementaarosakesi sarnaseks Demokritose muutumatute aatomitega. Ükski osake pole surematu. Enamik osakesi, mida tänapäeval nimetatakse elementaarseteks, ei suuda püsida kauem kui kaks miljondiksekundit, isegi kui puudub igasugune välismõju. Vaba neutron (neutron, mis asub väljaspool aatomituuma) elab keskmiselt 15 minutit.
Ainult footon, elektron, prooton Ja neutriino jääks muutumatuks, kui igaüks neist oleks terves maailmas üksi (neutriinol puudub elektrilaeng ja tema puhkemass on ilmselt võrdne nulliga).
Kuid elektronidel ja prootonitel on kõige ohtlikumad vennad - positronid Ja antiprootonid, kokkupõrkel, millega need osakesed vastastikku hävivad ja tekivad uued.
Laualambi kiirgav footon ei kesta kauem kui 10-8 s. See on aeg, mis kulub, et see jõuaks raamatu leheküljele ja imenduks paberisse. Ainult neutriinod on peaaegu surematud tänu sellele, et nad suhtlevad teiste osakestega äärmiselt nõrgalt. Kuid neutriinod surevad ka teiste osakestega kokkupõrkel, kuigi sellised kokkupõrked on äärmiselt haruldased.
Kõik elementaarosakesed muunduvad üksteiseks ja need vastastikused teisendused on nende olemasolu peamine fakt.
Teadlased on täheldanud elementaarosakeste muundumisi suure energiaga osakeste kokkupõrke ajal.
Idee elementaarosakeste muutumatusest osutus vastuvõetamatuks. Kuid idee nende lagunematusest jäi alles.
Elementaarosakesed ei ole enam jagamatud, kuid oma omadustelt on nad ammendamatud.
Just see paneb sind nii arvama. Olgu meil loomulik soov uurida, kas näiteks elektron koosneb mõnest teisest subelementaarosakesed. Mida on vaja teha, et proovida elektroni tükeldada? On ainult üks viis, mida saate mõelda. See on sama meetod, mida laps kasutab, kui ta tahab teada saada, mis plastmänguasja sees on – tugev löök.
Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt on elementaarosakesed esmased lagunematud osakesed, millest kogu aine on ehitatud. Elementaarosakeste jagamatus ei tähenda aga, et neil puudub sisemine struktuur.
60ndatel tekkis kahtlus, et kõik osakesed, mida praegu nimetatakse elementaarseteks, õigustavad seda nime täielikult. Kahtluse põhjus on lihtne: neid osakesi on palju.
Uue elementaarosakese avastamine on alati olnud ja on endiselt teaduse silmapaistev triumf. Kuid üsna kaua aega tagasi hakkas iga järjestikuse võidukäiguga segunema omajagu ärevust. Triumfid hakkasid järgnema sõna otseses mõttes üksteise järel.
Rühm nn "kummaline" osakesed: K-mina- tsoonid ja hüperonid, mille mass ületab nukleonide massi. 70ndatel neile lisandus suur rühm veelgi suurema massiga osakesi, nn "lummatud." Lisaks avastati lühiealised osakesed, mille eluiga oli suurusjärgus 10–22–10–23 s. Neid osakesi nimetati resonants, ja nende arv ületas kahesaja.
Just siis (1964. aastal) pakkusid M. Gell-Mannon ja J. Zweig välja mudeli, mille kohaselt kõik osakesed osalevad tugevas (tuuma) vastasmõjus. hadronid, ehitatud fundamentaalsematest (või primaarsematest) osakestest - kvargid.
Kvarkidel on murdosaline elektrilaeng . Prootonid ja neutronid koosnevad kolmest kvargist.
Praegu ei kahtle keegi kvarkide reaalsuses, kuigi neid ei ole avastatud vabas olekus ega avastata ilmselt kunagi. Kvarkide olemasolu on tõestatud väga suure energiaga elektronide prootonite ja neutronite hajutamise katsetega. Erinevate kvarkide arv on kuus. Kvarkidel, niipalju kui praegu teada, puudub sisemine struktuur ja selles mõttes võib neid pidada tõeliselt elementaarseteks.
Valgusosakesi, mis ei osale tugevas vastasmõjus, nimetatakse leptonid. Neid on ka kuus, nagu kvargid (elektron, kolme tüüpi neutriinod ja veel kaks osakest - müüon ja tau lepton, mille mass on oluliselt suurem kui elektroni mass).
Elektroni kaksiku – positroni – olemasolu ennustas teoreetiliselt inglise füüsik P. Dirac aastal 1931. Samal ajal ennustas Dirac, et kui positron kohtub elektroniga, peaksid mõlemad osakesed kaduma kõrge energiaga footonite tekitamine. Võib toimuda ka vastupidine protsess - elektron-positroni paari sünd, näiteks kui piisavalt suure energiaga footon (selle mass peab olema suurem kui tekkivate osakeste ülejäänud masside summa) põrkub tuumaga.
Kaks aastat hiljem avastati positroni magnetvälja asetatud pilvekambri abil. Osakeste raja kõveruse suunda näitas selle laengu märk. Osakese kõverusraadiuse ja energia põhjal määrati selle laengu ja massi suhe. Selgus, et see on moodulilt sama, mis elektronil. Joonisel 190 näete esimest fotot, mis tõestas positroni olemasolu. Osake liikus alt üles ja pärast pliiplaadist möödumist kaotas osa oma energiast. Selle tõttu suurenes trajektoori kõverus.
Elektron-positroni paari tekitamise protsess y-kvanti poolt pliiplaadis on nähtav fotol, mis on näidatud joonisel 191. Magnetväljas paiknevas pilvekambris jätab paar iseloomuliku jälje plii kujul. kahe sarvega kahvel.
Kadumine (hävitamine) mõned osakesed ja teiste ilmumine elementaaride vaheliste reaktsioonide käigus
Puhkeenergia on universumi suurim ja kontsentreerituim energiareservuaar. Ja alles annihilatsiooni ajal vabaneb see täielikult, muutudes teist tüüpi energiaks. Seetõttu on antiaine kõige täiuslikum energiaallikas, kõige kaloririkkam "kütus". Praegu on raske öelda, kas inimkond suudab seda “kütust” kunagi kasutada.
Iga osake, millel on vastav antiosake, annihileerub. Mõlemad osakesed kaovad, muutudes kiirguskvantideks või muudeks osakesteks.
Avastati suhteliselt hiljuti antiprooton Ja - antineutron. Antiprootoni elektrilaeng on negatiivne. Nüüdseks on hästi teada, et paaride sünd osake – antiosake ja nende hävitamine ei kujuta endast elektronide ja positronite monopoli.
Moodustuvad aatomid, mille tuumad koosnevad antinukleonidest ja positronide kest antiaine. 1969. aastal saadi see esmakordselt meie riigis antiheelium.
Vastus käimasolevale küsimusele: mis on universumi väikseim osake, mis arenes koos inimkonnaga.
Kunagi arvasid inimesed, et liivaterad on ehituskivid sellele, mida me enda ümber näeme. Seejärel aatom avastati ja arvati, et see on jagamatu, kuni see lõhestati, et paljastada prootonid, neutronid ja elektronid. Samuti ei osutunud need universumi väikseimateks osakesteks, kuna teadlased avastasid, et prootonid ja neutronid koosnevad kumbki kolmest kvargist.
Seni pole teadlastel õnnestunud näha ühtegi tõendit selle kohta, et kvarkide sees oleks midagi ja et Universumi kõige fundamentaalsema ainekihi või väikseima osakeseni on jõutud.
Ja isegi kui kvargid ja elektronid on jagamatud, ei tea teadlased, kas need on olemas oleva mateeria väikseimad killud või sisaldab universum veelgi väiksemaid objekte.
Universumi väikseimad osakesed
Neid on erineva maitse ja suurusega, mõnel on hämmastavad seosed, teised sisuliselt aurustavad üksteist, paljudel neist on fantastilised nimed: barüonitest ja mesonitest koosnevad kvargid, neutronid ja prootonid, nukleonid, hüperonid, mesonid, barüonid, nukleonid, footonid, jne .d.
Higgsi boson on teadusele nii oluline osake, et seda nimetatakse "Jumala osakeseks". Arvatakse, et see määrab kõigi teiste massi. Elemendi teooria esitati esmakordselt 1964. aastal, kui teadlased mõtlesid, miks mõned osakesed on massiivsemad kui teised.
Higgsi bosonit seostatakse niinimetatud Higgsi väljaga, mis arvatavasti täidab universumi. Kaks elementi (Higgsi väljakvant ja Higgsi boson) vastutavad teistele massi andmise eest. Nimetatud Šoti teadlase Peter Higgsi järgi. 14. märtsil 2013 teatati ametlikult Higgsi bosoni olemasolu kinnitamisest.
Paljud teadlased väidavad, et Higgsi mehhanism on lahendanud puuduva pusletüki, et lõpetada olemasolev " standardmudel” füüsika, mis kirjeldab teadaolevaid osakesi.
Higgsi boson määras põhimõtteliselt kõige universumis eksisteeriva massi.
Kvargid
Kvargid (st kvargid) on prootonite ja neutronite ehitusplokid. Nad ei ole kunagi üksi, eksisteerivad ainult rühmadena. Ilmselt suureneb kvarke omavahel siduv jõud kaugusega, nii et mida kaugemale minna, seda keerulisem on neid eraldada. Seetõttu ei eksisteeri looduses kunagi vabu kvarke.
Kvargid on põhiosakesed on struktuuritud, teravad umbes 10-16 cm suurune.
Näiteks prootonid ja neutronid koosnevad kolmest kvargist, kusjuures prootonid sisaldavad kahte identset kvarki, neutronitel aga kaks erinevat kvarki.
Supersümmeetria
Teadaolevalt on mateeria põhilised “ehituskivid”, fermioonid, kvargid ja leptonid ning jõu kaitsjad bosonid on footonid ja gluoonid. Supersümmeetria teooria ütleb, et fermionid ja bosonid võivad üksteiseks muutuda.
Ennustatud teooria väidab, et iga meile teadaoleva osakese jaoks on seotud osake, mida me pole veel avastanud. Näiteks elektroni jaoks on see selektor, kvark on skvark, footon on fotono ja higgs on higgsino.
Miks me ei jälgi seda supersümmeetriat universumis praegu? Teadlased usuvad, et nad on palju raskemad kui nende tavalised nõod ja mida raskemad nad on, seda lühem on nende eluiga. Tegelikult hakkavad need varisema kohe, kui tekivad. Supersümmeetria loomine nõuab väga suurt energiahulka, mis tekkis alles veidi hiljem suur pauk ja seda saaks tõenäoliselt luua suurtes kiirendites nagu Large Hadron Collider.
Mis puudutab sümmeetria tekkimise põhjust, siis füüsikud väidavad, et sümmeetria võis olla rikutud mõnes universumi varjatud sektoris, mida me ei näe ega puuduta, kuid mida saame tunda ainult gravitatsiooniliselt.
Neutriino
Neutriinod on kerged subatomaarsed osakesed, mis vilistavad kõikjal valguse kiirusega. Tegelikult voolab teie kehast igal hetkel läbi triljoneid neutriinosid, kuigi nad suhtlevad harva normaalse ainega.
Mõned neist pärinevad päikeselt, teised aga kosmilistest kiirtest, mis interakteeruvad Maa atmosfääri ja astronoomiliste allikatega, nagu plahvatavad tähed. Linnutee ja teised kauged galaktikad.
Antiaine
Arvatakse, et kõigil normaalsetel osakestel on sama massiga, kuid vastupidise laenguga antiaine. Kui mateeria kohtub, hävitavad nad üksteist. Näiteks prootoni antiaineosake on antiprooton, elektroni antiainepartnerit aga positroniks. Antiaine on üks kalleimaid aineid maailmas, mida inimesed on suutnud tuvastada.
Gravitonid
Kvantmehaanika valdkonnas kanduvad kõik põhijõud edasi osakeste kaudu. Näiteks koosneb valgus massitutest osakestest, mida nimetatakse footoniteks ja mis kannavad elektromagnetilist jõudu. Samuti on graviton teoreetiline osake, mis kannab gravitatsioonijõudu. Teadlased pole veel avastanud gravitoneid, mida on raske leida, kuna need suhtlevad ainega nii nõrgalt.
Energia niidid
Katsetes toimivad väikesed osakesed, nagu kvargid ja elektronid, üksikute ainepunktidena, millel puudub ruumiline jaotus. Kuid punktobjektid raskendavad füüsikaseadusi. Kuna punktile on võimatu jõuda lõputult lähedale, siis aktiivsed jõud, võib muutuda lõpmatult suureks.
Idee, mida nimetatakse superstringiteooriaks, võiks selle probleemi lahendada. Teooria väidab, et kõik osakesed, selle asemel, et olla punktitaolised, on tegelikult väikesed energianiidid. See tähendab, et kõik meie maailma objektid koosnevad vibreerivatest niitidest ja energiamembraanidest. 
Miski ei saa olla lõngale lõpmatult lähedal, sest üks osa jääb alati veidi lähemale kui teine. See "lünk" näib lahendavat mõned probleemid lõpmatusega, muutes selle idee füüsikutele atraktiivseks. Teadlastel pole aga siiani eksperimentaalseid tõendeid selle kohta, et stringiteooria on õige.
Teine viis punktiprobleemi lahendamiseks on öelda, et ruum ise ei ole pidev ja sujuv, vaid koosneb tegelikult diskreetsetest pikslitest või teradest, mida mõnikord nimetatakse aegruumi struktuuriks. Sel juhul ei saa need kaks osakest lõputult üksteisele läheneda, sest neid peab alati eraldama minimaalne tera suurus.
Musta augu punkt
Teine kandidaat universumi väikseima osakese tiitlile on singulaarsus (üks punkt) musta augu keskel. Mustad augud tekivad siis, kui aine kondenseerub piisavalt väikeseks ruumiks, et gravitatsioon haarab endasse, põhjustades aine sissetõmbumist, mis lõpuks kondenseerub üheks lõpmatu tihedusega punktiks. Vähemalt praeguste füüsikaseaduste järgi.
Kuid enamik eksperte ei arva, et mustad augud on tõeliselt lõpmatult tihedad. Nad usuvad, et see lõpmatus on kahe praeguse teooria vahelise sisemise konflikti tulemus - üldine teooria relatiivsusteooria ja kvantmehaanika. Nad viitavad sellele, et kui teooria kvantgravitatsioon saab sõnastada tõeline olemus mustad augud tulevad ilmsiks.
Planki pikkus
Energia niidid ja isegi väikseim osake universumis võivad olla "planki pikkuse" suurused.
Riba pikkus on 1,6 x 10 -35 meetrit (arvule 16 eelneb 34 nulli ja koma) - arusaamatult väike skaala, mida seostatakse erinevate füüsikaaspektidega.
Plancki pikkus on "looduslik pikkuseühik", mille pakkus välja saksa füüsik Max Planck.
Plancki pikkus on ühegi instrumendi mõõtmiseks liiga lühike, kuid väljaspool seda arvatakse, et see esindab lühima mõõdetava pikkuse teoreetilist piiri. Määramatuse printsiibi kohaselt ei tohiks ükski instrument kunagi olla võimeline mõõtma midagi vähemat, sest selles vahemikus on universum tõenäosuslik ja ebakindel.
Seda skaalat peetakse ka eraldusjooneks üldrelatiivsusteooria ja kvantmehaanika vahel.
Plancki pikkus vastab kaugusele, kus gravitatsiooniväli on nii tugev, et võib hakata välja energiast musti auke tekitama.
Ilmselt on praegu universumi väikseim osake ligikaudu plangu suurune: 1,6 x 10–35 meetrit
järeldused
Kooliajast teati, et Universumi väikseimal osakesel elektronil on negatiivne laeng ja väga väike mass, mis võrdub 9,109 x 10 - 31 kg ning elektroni klassikaline raadius on 2,82 x 10 -15 m.
Füüsikud töötavad aga juba universumi väikseimate osakestega, mille suurus on umbes 1,6 x 10–35 meetrit.
