Елементарні частинки і квантова теорія поля
Для опису властивостей і взаємодій елементарних частинок в сучасній теорії суттєве значення має поняття фізичного поля, яке ставиться у відповідність кожній частинці . Поле – це специфічна форма матерії ; воно описується функцією, яка задається у всіх точках (x) простору-часу, яка характеризується певними трансформаційними властивостями по відношенню до групи Лоренца (скаляр, спінор, вектор і т.д.)і груп “внутрішніх” симетрій (ізотопічний скаляр, ізотопічний спінор і т.д.). Електромагнітне поле , яке характеризується властивостями чотирьох вимірного вектора Аm(х) (m = 1, 2, 3, 4), – історично перший приклад фізичного поля. Поля , які можна співставити з елементарними частинками , мають квантову природу, тобто їх енергія і імпульс складаються із багатьох окремих порцій–квантів, причому енергія і імпульс кванта зв'язані співвідношенням спеціальної теорії відносності : Ek2 = pk2c2 + m2c2. Кожний такий квант і є елементарна частинка із заданою енергією, імпульсом і масою .Квантами електромагнітного поля являються фотони , кванти інших полів відповідають всім іншим відомим елементарним частинкам. Поле є фізичне відображення існування безкінечної сукупності частинок – квантів. Спеціальний математичний апарат квантової теорії поля дозволяє описати народження і знищення частинки в кожній точці x.
Для опису процесів , що відбуваються з елементарними частинками , необхідно знати , як різні фізичні поля пов'язані один з одним, тобто знати динаміку полів . У сучасному апараті квантової теорії поля повідомлення про динаміку полів містяться в особливій величині, яка виявляється через поля–лагранжіана (L).Знання L дозволяє в принципі розраховувати ймовірність переходів від однієї сукупності частинок до іншої під впливом різних взаємодій .
|
|
|
Таблиця 1
| Назва частинки | Символ частинка | Символ античастинка | Електричний заряд | Маса спокою | Час життя всек. (наближено) |
| Лептони: Фотон Нейтрино електронне Нейтрино мюонне Нейтрино таонне Електрон Мюон Таон | V Ve Vм Vф e- м- ф - | Ve Vм Vф e+ м+ ф+ | 0 0 0 0 1 1 1 | 0 0 0 0 1 206,8 3487 | Стабільний Стабільне Стабільне Стабільне Стабільний -6 10 -12 10 |
| Мезони: Піони Каони Ета-мезони | { р0 , р+ { К0 , К+ з0 | р0 р- К0 К- з0 | 0 1 0 1 0 | 264,1 273,1 974,0 966,2 1074 | -6 10 -8 10 -10 -8 10 - 10 -8 10 -19 10 |
| Баріони: Протон Нейтрон Гіперони: лямбда сигма ксі омега | р n л0 У0 {У+ У- О0 О- Щ- | р n л0 У0 У+ У- О0 О- Щ- | 1 0 0 0 1 1 0 1 1 | 1836,2 1838,7 2183 2334 2328 2343 2573 2586 3273 | Стабільний 3 10 -10 10 -20 10 -10 10 -10 10 -10 10 -10 10 -10 10 |
|
|
|
В період 50-70-х років був досягнутий значний прогрес в розумінні струк- тури лагранжиана , який дозволив істотно уточнити його форму для сильних і слабких взаємодій. Вирішальну роль в цьому відіграло вияснення тісного взаємозв'язку між властивостями симетрії взаємодій елементарних частинок і формою лагранжиана.
|
|
|
Симетрія взаємодій елементарних частинок знаходить своє відображення в існуванні законів збереження певних фізичних величин і ,відповідно, в збереженні звязаних з ними квантових чисел елементарних частинок. Точна симетрія , яка має місце для всіх класів взаємодій, відповідає наявності у елементарних частинок точних квантових чисел ; наближена симетрія , характерна лише для деяких кла- сів взаємодій (сильних, електромагнітних), приводить до неточних квантових чисел. Якщо симетрія точна , то маса кванта поля дорівнює нулю. Для наближеної симетрії маса кванта векторного поля відмінна від нуля.
Тепер перейдемо до питання про взаємодію кварків в нуклоні. Експерименти по розсіюванню нейтрино і антинейтрино на нуклоні показали , що імпульс нуклона лише частково (приблизно на 50%) переноситься карками , а інша його частина переноситься іншим видом матерії, яка не взаємодіє з нейтрино. Передбачається , що ця частина матерії складається із частинок , якими обмінюються кварки і за рахунок яких вони утримуються в нуклоні. Ці частинки одержали назву “глюонів” (з англійської glue - клей). З викладеної вище точки зору на взаємодію ці частинки рахують векторними. В сучасній теорії їх існування пов'язується з симетрією , що зумовлює появу “кольору” у кварків.
|
|
|
Отже , на рівні елементарних частинок фактично відсутні істотні відмінності між речовиною і полем як видами матерії .І електрон , і позитрон , і протон , і фотон є як елементарними частинками речовини, так і квантами відповідних полів. Про відносність поділу матерії на рівні елементарних частинок на частинки речовини і частинки поля переконливо свідчить взаємоперетворюваність частинок речовини й поля . Наприклад, у 1934 році було встановлено , що при зіткненні електрона з позитроном відбувається їх перетворення в два фотони, тобто відбувається перетворення частинок речовини в частинки електромагнітного поля. Можна також говорити про перетворення квантів електронно-позитронного поля в кванти електромагнітного поля. Можливий також і зворотний процес перетворення фотона великої енергії під час зіткнення з ядром в пару електрон –позитрон. У цьому випадку частинка поля–фотон–перетворюється в частинку речовини (електрон–позитрон). Природно , під час цих перетворень виконується всі закони збереження. Так , маса фотона виявляється точно рівною сумі мас частинок , які утворилися. Тому не може бути й мови ні про яке “знищення” або “створення” маси , а тим більше матерії в цих процесах.
Дослідження показали , що перетворення в фотони і створення за рахунок фотонів спостерігається для всіх заряджених частинок і античастинок: протона й антипротона ,м-- мезона й м+ -мезона , р+ - мезона і р-- мезона , К- - мезона і К+ - мезона , а також для нейтрона і антинейтрона. Як і у випадку перетворення пари електрон– позитрон , під час всіх цих процесів перетворення частинок речовини в частинки електромагнітного поля (фотони) і зворотно зберігаються маса, енергія , імпульс і деякі інші характеристики частинок.
Застосування елементарних частинок
Встановлення факту існування античастинок–позитронів , антинейтронів, антипротонів – привело до нової проблеми–проблеми антиречовини. Відкриття антипротона дало можливість висловити припущення , що антипротон може захоплювати на зовнішню орбіту позитрон і утворювати “антиатом”, аналогічний до атома Гідрогену, з тією лише різницею, що позитивні й негативні заряди міняються місцями . З антипротонів і антинейтронів можуть утворюватися “антиядра”
й інших елементів, які, захопивши на зовнішню орбіту відповідну кількість позитронів, утворюють антиатоми цих елементів. Сукупність таких антиатомів утворює антиречовину .
Ці припущення дістали експериментальне підтвердження. На сьогодні одержано важкий антиводень (антидейтерій), антигелій і антитритій.
Властивості антиречовини нічим не відрізняються від властивостей звичайної речовини, але разом речовина й антиречовина існувати не можуть взаємодіючи , атоми речовини й антиречовини зникають , перетворюючись у фотони та інші частинки . При такому перетворенні дефект маси досягає максимуму і виділяється максимально можлива , згідно з законом взаємозв'язку маси й енергії , кількість повної енергії 2mcІ, де m – маса однієї частинки. Таким чином , антиречовина є найбільш досконалим , найбільш “калорійним” паливом. Але це паливо необхідно не лише навчитися добувати , а й зберігати , оскільки воно має бути старанно ізольоване від звичайної речовини . Чи зможе людство успішно розв'язати цю проблему, покаже майбутнє.
Вчені припускають можливість існування окремих зір , а можливо , й цілих зоряних систем (галактик), які складаються з антиречовини , – антисвітів. Зустріч у світовому просторі зірок з двома типами речовини закінчилося б гігантським вибухом, зумовленим спільним зникнення атомів і антиатомів–перетворенням їх у фотони та інші частинки.
Частинки нейтрино характеризуються величезною проникаючою здатністю : одна така частинка може пройти крізь шар сталі товщиною в діаметр нашої галактики. Також вдається зафіксувати окремі взаємодії антинейтрино з атомами речовини . Такі взаємодії зрідка спостерігаються поблизу атомних реакторів , які випромінюють дуже сильні нейтринні потоки.
В останні роки високого розвитку досягла астрономія. Появилися нові розділи астрономії: радіо-і рентгеноастрономія , нейтринна астрономія . Відкриті нові космічні об'єкти – радіозірки, квазари, пульсари і т. д. Загальноприйнятим стало відкриття пульсарів як нейтронних зірок , деякі з них являються залишками вибухів понад нових зірок , як знаменитий пульсар в центрі Крабовидної туманності .
Спостерігається розвиток нейтринної астрономії. Великі маси речовини , здатними взаємодіяти з антинейтрино, містяться в балонах під горою Андирчі в Баксанській ущелині на Кавказі так, щоб можна було зафіксувати частинки , які пройшли через товщину Землі . Це робиться для того , щоб виключити випадкові взаємодії з частинками космічних променів. Потоки нейтрино несуть інформацію із тих місць , де вони зародилися . Це , як правило , внутрішній вміст зірок , в тому числі Сонця . Світло, що досягає поверхні Землі через 8,5 хв , випускається поверхнею нашого світила . Антинейтрино , що випускається і з надр Сонця, досягає Землі менше ніж за 9 хв, не взаємодіючи по дорозі ні з чим. Біля 10% енергії , що випромінюється Сонцем , забирає антинейтрино. На поверхні Землі густина потоку антинейтрино повинна дорівнювати 10 частинок/(смІ с). Поки-що зафіксувати таке випромінювання не вдалося.
В наш час відомими нам закономірностями не можна пояснити інтенсивність випромінювання квазарів , які ми спостерігаємо, не все зрозуміло в процесах утворення чорних дірок , не знайдено на досліді антинейтринне випромінювання Сонця, яке повинно супроводжувати термоядерну реакцію в надрах нашого світила.
Зміщення спектральних ліній доказує , що галактики розбігаються , чим дальше від нас галактика , тим більша її швидкість зникнення . Причини розбігання ми не знаємо , але існує думка , що колись всі галактики почали розбігатися з однієї точки . Тоді в цій точці повинна була вибухнути якась частинка , енергія якої розподілилася між всіма галактиками , які виникли внаслідок цього вибуху. Так наука про макрокосмос – астрономія – поєднується з наукою про мікрокосмос – фізикою елементарних частинок .
Цікавим являється питання про модель нашої Вселеної: чи припиниться коли-небудь розбігання галактик і чи воно буде продовжуватися вічно? Іншими словами, чи справедлива модель пульсуючої Вселеної? Існує гіпотеза, що наявність маси спокою у всіх нейтрино робить середню густину Вселеної достатньою для існування пульсуючої Вселеної.
Висновок
Роблячи висновок, можна назвати три моменти , які відзначають значення фізики елементарних частинок.
По-перше , фізика високих енергій вивчає фундаментальну структуру матерії , із якої побудований весь навколишній фізичний і біологічний світ . Вона являє собою природні продовження успішної традиції у фізиці , яка пройшла від вивчення макроскопічної матерії до молекул , атомів і ядер...
По-друге, розвиток спеціальної теорії відносності і квантової механіки залишило глибокий слід навіть у філософському мисленні людства. У своїй роботі над явищами при дуже високих енергіях і дуже малих відстанях фізики досліджують основну структуру не тільки речовини , але й простору часу, енергії електричного заряду . Це привело до глибоких змін самих основ фізики .
По-третє, ми живемо в епоху новітньої техніки , в якій людина починає маніпулювати все більш дрібними одиницями аж до атомних і субатомних розмірів.
Ряд фундаментальних відкриттів на початку 20ст– квантованості енергії і енергетичних рівнів електронів в атомах , єдності корпускулярних і хвильових властивостей у мікрочастинок , різноманітності типів елементарних частинок і їх властивостей, взаємодій і перетворень – все це привело до заміни електромагнітної картини якісно новою квантово-польовою картиною світу. Сучасна квантово-польова картина світу , як і будь яка інша наукова картина , ґрунтується на визнані матеріальності і єдності світу, загального зв'язку і зумовленості структурних рівнів, на визнанні невичерпності властивостей матерії і необмеженості її пізнання.
З погляду сучасної фізики , існують дві форми матерії – речовина і поле. Речовина має переривчасту (дискретну) будову, а поле – безперервну. Однак розвиток фізики показав , що поділ матерії на речовину й поле втратив абсолютний смисл . Ми знаємо , що кожному полю відповідають кванти цього поля : електромагнітному полю – фотони , ядерному – р-мезони тощо . В свою чергу всі частинки речовини мають хвильові властивості .За відповідних умов частинки речовини можуть перетворюватися в кванти відповідних полів і , навпаки, кванти полів можуть перетворюватися в частинки речовини .
Відображенням матеріальної єдності світу є також і те , що вся різноманітність різних форм руху мікрочастинок і макроскопічних тіл виявляється через чотири основних типи взаємодій : 1) сильну , яка здійснює зв'язок нуклонів у ядрах атомів ;2) електромагнітну , яка зумовлює зв'язок між електрично зарядженими частинками ; 3) слабку , яка зумовлює бета-розпад ядер і перетворення нейтрона в протон ; 4) гравітаційну , яка зумовлює тяжіння між всіма матеріальними об'єктами. Сильні й слабкі взаємодії разом з електромагнітними зумовлюють будову і властивості атомних ядер і елементарних частинок .
Матеріальна єдність світу виявляється також в абсолютності і відносності існування матерії , в її нестворюваності і незнищуваності , підтвердженних всім розвитком природознавства . Сучасна фізична картина світу є результатом узагальнення найважливіших досягнень усіх фізичних наук. Одна хоч ця частина світу і успішно пояснює багато явищ , все ж у природі існує невичерпна кількість явищ , які сучасна фізична частина світу пояснити не може. З таких трудностей слід насамперед вказати ті , що пов'язані із створенням єдиної теорії елементарних частинок . Складність світу переважає і завжди переважатиме складність людських уявлень про нього .
Список використаної літератури
1) Ахієзер А.И. , Рекало М.П. “Біографія елементарних частинок” . К. Наукова думка , 1983
2) Евграфова Н.Н. , Каган В.Л. Курс физики . М. “Высшая школа” ,1984
3)Марков М.А. О природе материи. М., 1976
4) И., Иоффе Б. Л., Окунь Л. Б., Новые элементарные частицы, “Успехи физических наук”, 1975, т. 117, в. 2, с. 227
5)Новости фундаментальной физики, пер. с англ., М., 1977, с 120-240.
6) Гончаренка С.У. Фізика . К. “ Освіта” , 2002
Дата добавления: 2019-09-02; просмотров: 206; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!