Физика элементарных частиц

Люди давно задумались, из чего состоят все тела.

Демокрит ( 300 г. до н.э.) писал в книге "Малый диакосмос": "Начало Вселенной - атомы и пустота, все же остальное существует лишь во мнении. Миров бесчисленное множество, и они имеют начало и конец во времени. И ничто не возникает из небытия, не разрешается в небытие. И атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля. Дело в том, что последние суть соединения некоторых атомов. Атомы же не поддаются никакому воздействию и неизменяемы вследствие твердости".

Аристотель (384-322 гг. до н.э.)считал, что яблоко можно делить до бесконечности (а значит, нет предела бесконечно малым частицам).

Ньютон также рассуждал о частицах, из которых устроен Мир: "Мне кажется, что Бог вначале создал материю в виде сплошных, массивных, твердых, непроницаемых, движущихся частиц таких размеров и форм и с такими другими свойствами и в таких пропорциях к пространству, которые наилучшим образом служат той цели, для которой Он их создал, и что эти простейшие частицы, будучи твердыми, несравненно прочнее, чем любые другие тела, составленные из них; даже настолько прочны, что никогда не изнашиваются и не разбиваются на куски; никакие обычные силы не в состоянии разделить то, что Бог создал сам в первый день творенья!.."

Сегодня мы понимаем, что многие явления связаны с процессами, протекающими в атомах, иными словами, мы вторгаемся в явления микромира. Но в микромире законы обычной механики уже "не работают", нужно было разработать новый подход.

Частица или волна?

Как известно из школьного курса, свет - волна. Но…в 1900г. Планк постулировал, что лучистая энергия (энергия света) переносится отдельными порциями - "квантами", т.е. энергия кванта

"Световая частица" - фотон.

Корпускулярно-волновой дуализм - лежащее в основе квантовой механики положение о том, что в поведении микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые черты. В классической (неквантовой) физике движение частиц и распространение волн - принципиально различные виду движения. Однако опыты по вырыванию светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект), изучение рассеяния света на электронах (эффект Комптона) и ряд других экспериментов убедительно показали, что свет - объект, имеющий, согласно классической теории, волновую природу, - ведёт себя подобно потоку частиц.

Таким образом, характерной особенностью микромира является своеобразная двойственность, дуализм корпускулярных и волновых свойств, который не может быть понят в рамках классической физики. Так, возникновение дифракционной картины при рассеянии частиц несовместимо с представлением о движении их по траекториям. С другой стороны, оказалось, что пучок электронов, падающих на кристалл, даёт дифракционную картину, которую нельзя понять иначе, как на основе волновых представлений.

Результаты опыта по дифракции электронов на двух щелях (Йенсен, 1961 г.). Параллельный пучок моноэнергетических электронов падает на диафрагму с двумя щелями (см. рисунок).

В силу того, что электроны обладают волновыми свойствами, на экране, расположенном за диафрагмой, возникает интерференционная картина, состоящая из чередующихся максимумов и минимумов (кривая А). Рассмотрим теперь случай, когда открыта только щель 1, а щель 2 закрыта. Тогда распределение электронов на экране определяется вкладом только от одной щели (кривая 1'). Аналогично, если открыта щель 2 , а щель 1 закрыта, получаем распределение, описываемое кривой 2'. Если бы каждый электрон проходил через вполне определенную щель (1 или 2), то распределение электронов на экране в случае, когда открыты обе щели, описывалось бы кривой В, которая является суммой кривых 1' и 2' и показана на рисунке пунктирной линией. Кардинальное отличие кривой В от наблюдаемой на эксперименте интерференционной картины позволяет сделать заключение, что электрон при движении через диафрагму как бы "видит" обе щели. Только участием обеих щелей в прохождении электрона через диафрагму может быть объяснена возникающая на экране интерференционная картина. Любая попытка определить, через какую щель прошел электрон, неизбежно приводит к нарушению интерференции. Таким образом, мы приходим к выводу, что указать, через какую щель прошел электрон, не нарушая интерференционную картину, невозможно. Отсюда следует, что электрону, как и любой другой микрочастице, нельзя приписать определенную траекторию движения.

Электрон - и частица (с определенной массой и зарядом), и волна?

Наличие у микрочастицы волновых свойств означает, как мы видим, отказ от одного из важнейших понятий классической механики - понятия траектории частицы. Согласно классическим представлениям частица, двигаясь по траектории, в каждый момент времени находится в определенной точке пространства и, следовательно, не может в этот же момент времени находиться в других точках. Согласно квантовым представлениям микрочастица в силу своих волновых может быть обнаружена в один и тот же момент времени в разных точках пространства. Таким образом, для описания движения микрочастиц понятие траектории оказывается, вообще говоря, неприменимым.

Какие же свойства классических частиц сохраняются в области микромира?

Это масса, электрический заряд и энергия, которая
при взаимодействии частицы с другими телами расходуется так,
как если бы частица была сосредоточена в одной точке.

Луи де - Бройль (1892-1987) предложил постулат: корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам

Для релятивисткой частицы:

Учитывая E = hn и l = c/n, получим:

Получаем формулу де-Бройля:

Было сделано сильное допущение:

Формула де-Бройля справедлива для всех частиц с импульсом p.

Пример:

Для электрона: m_e = 9.1x10^-28 г, v=10⁸ см/с (близкой к скорости света), l = 10^-8 см, т.е. электрон имеет длину волны порядка атомных размеров.

(Детский вопросик: Какую длину волны имеет микрочастица с массой 1/100 мг, движущаяся со скоростью 1000 км/час?).

Для микрообъектов нельзя говорить об одновременном определении координат и импульса: понятие "длина волны в точке" лишено физического смысла.

Гейзенберг в 1927г. сформулировал принцип неопределенности:

частица не может иметь одновременно определенную координату х
и определенный импульс р, а неопределенность координаты (Dх)
и импульса (Dр) связаны соотношением неопределенностей (Гейзенберга):

Попробуйте сами обсудить проблему: частица находится в точке с определенной координатой х₀ (т.е. Dх=0), поэтому ….

Принцип неопределенности говорит о том, что не следует пытаться вычислить точную траекторию электрона вокруг ядра. Можно лишь указать вероятность нахождения электрона в том или ином участке пространства около ядра в любой момент времени. Эта вероятность поддается вычислению с помощью математических методов.

В 1927г. Н.Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополняющих первые.

Например, исследуя движение электрона с помощью микроскопа (если бы такое было возможно), мы бы наблюдали отраженные от электрона волны света, энергия которых по величине сопоставима с энергией самих исследуемых частиц. Поэтому при выполнении измерений нами неизбежно вносились бы изменения в состояние электрона (местоположение, скорость, направление движения и т.д.). Значит, на основании наших измерений бессмысленно говорить о точном местоположении электрона в каждый момент времени.

Строение атома и элементарные частицы

К началу 30-х годов XX века было известно всего 4 типа элементарных частиц - протоны, нейтроны, электроны и фотоны. Ученым удалось объяснить природу химических элементов, их соединений, испускаемых ими излучений.

Ученые прелагали разные модели строения атома: электроны размазаны по положительно заряженной сфере (а); в атоме помимо электронов в центре есть маленькое ядро (б); атом, предложенный Нильсом Бором - планетарная модель (в) (но помните, это было предложено около ста лет назад!!!)

С помощью планетарной модели удалось объяснить спектры излучений атомов.

Сегодняшние представления - как устроен простейший атом водорода?

В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер. Он применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений он предложил рассчитывать не траекторию движения электронов внутри атома, а вероятность найти электрон-волну в той или иной точке пространства вокруг ядра.Общее у волновой модели Шредингера и планетарной модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. В остальном эти модели не похожи друг на друга. В волновой модели орбиталь - это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%. За пределами этого пространства вероятность встретить такой электрон меньше 5%. Полученные с помощью математического расчета такие "области вероятности" нахождения в электронном облаке s-, p- и d-электронов показаны на рисунке.

Примерно такую форму в волновой модели атома имеют "области вероятности" существования электронов: s-, p-, и d-орбитали. Ядро атома находится в точке пересечения координат.

Итак, в волновой модели тоже существуют орбитали разных видов: s-орбитали (сферической формы), p-орбитали (похожие на веретено или на объемные восьмерки), а также d-орбитали и f-орбитали еще более сложной формы. Все эти фигуры очерчивают область 95%-ной вероятности найти s-, p-, d- или f-электроны именно в том месте электронного облака, которое ограничено этими сложными фигурами. Области вероятности нахождения разных электронов могут пересекаться. К этому свойству волновой модели следует отнестись спокойно, поскольку она является не столько физической, сколько абстрактной математической моделью электронной оболочки. Однако такая модель обладает хорошей предсказательной силой в отношении химических свойств атомов и молекул.

Разобравшись с атомом, обратим свое внимание на ядро.

Ядро представляет собой центральную часть атома. В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10^-12-10^-13 см.

Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром.

Силы взаимодействия - ядерные, связывают вместе протоны и нейтроны, называемые нуклонами.

Вспомним самый простой атом водорода, который состоит из электрона и ядра (один протон).

Намного более сложный атом: уран - из 92 электронов, вращающихся вокруг ядра из 92 протонов и 143 нейтронов.

Посмотреть распад атомов (видео)

Рассмотрим бета-распад.

Добавление пятой частицы - нейтрино - позволило объяснить природу бета-распада. Оба вектора импульсов должны быть коллинеарны, т.е. направлены вдоль одной прямой. Однако в действительности было обнаружено, что при бета-распаде импульс электрона и импульс ядра отдачи в общем случае неколлинеарны. При бета-распаде было обнаружено, что не сохраняется и момент импульса, и даже нарушается закон сохранения энергии. Но что же делать в случае бета-распада? Паули предположил, что должна существовать неизвестная дотоле частица, которую мы теперь называем нейтрино.

Нейтрино должно было обладать невероятными свойствами - оно не должно иметь ни заряда, ни массы, почти не взаимодействовать с веществом, но при всем том иметь импульс, момент импульса, энергию и двигаться со скоростью света!

Эту частицу нашли через 23 года после ее открытия на "кончике пера"! Нейтрино есть в космических лучах, но из каждых 10¹² нейтрино, падающих на Землю, в среднем все, кроме одного (!), проходят сквозь Землю, не испытав взаимодействия.

"Стабильные" частицы:

Автомобиль - проходит 100000 км, т.е. расстояние, в 10⁷ раз превышающее его длину.

Элементарные частицы (за 10^-7 с) проходят несколько десятков сантиметров, что в 10¹⁵ раз превышает их размеры.

Частицы и античастицы

Электрон и позитрон

При образовании пары позитрон-электрон электромагнитная энергия превращается в массу. При прохождении через вещество позитрон может столкнуться с электроном: при этом произойдет аннигиляция (уничтожение) обеих частиц, и масса-энергия пары появится в виде двух фотонов с полной энергией:

(помните, Е=mс²!).

У нейтрино также есть античастица - антинейтрино. Как же так, у частицы нет заряда, а античастица есть?

Для любой элементарной частицы есть своя античастица.

Частица и ее античастица имеют в точности одинаковые массы, периоды полураспада и типы распада, а также квантовые числа спина, и в то же время - противоположные электромагнитные свойства. Например, для электрона и позитрона электрические заряды имеют разные знаки и векторы спина S и собственного магнитного момента p обладают разной взаимной ориентацией.

Как обнаружить элементарную частицу?

Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами.Фотографии таких треков показаны на рисунках ниже.

Все частицы делятся на два класса:
1. Фермионы, которые составляют вещество;
2. Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие.

Фермионы подразделяются на лептоны и кварки.





Остальные фундаментальные частицы носят название кварков. Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.





Заряды кварков дробные - от -1/3e до +2/3e (e - заряд электрона).

Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Например, протон - uud, нейтрон - udd.




Взаимодействия между частицами

Четыре вида физических взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, слабые,  сильные.
Слабое и сильное взаимодействия - ядерные.

Слабое взаимодействие - меняет внутреннюю природу частиц.

Сильные взаимодействия - обусловливают различные ядерные реакции, а также возникновение сил, связывающих нейтроны и протоны в ядрах.





Каким же образом осуществляются эти взаимодействия? Механизм взаимодействий один: за счет обмена другими частицами - переносчиками взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие: переносчик - фотон.

Гравитационное взаимодействие: переносчики - кванты поля тяготения - гравитоны.

И фотоны, и гравитоны не имеют массы (массы покоя) и всегда движутся со скоростью света.
Слабые взаимодействия: переносчики - векторные бозоны.
Существенным отличием переносчиков слабого взаимодействия от фотона и гравитона является их массивность.
Переносчики сильных взаимодействий: глюоны (от английского слова glue - клей), с массой покоя равной нулю.

Взаимодействие	Радиус действия	Конст. взаимдств.
Гравитационное	Бесконечно большой	6.10-39
Электромагнитное	Бесконечно большой	1/137
Слабое	Не превышает 10-16 см	10-14
Сильное	Не превышает 10-13 см	1



Концепции Современного Естествознания








Вверх