Полная версия


Элементарные частицы

Астрономия для любителей Квантовая физика и Вселенная Элементарные частицы

Элементарные частицы

Многим со школы хорошо известно, что все вещества состоял из атомы. Атомы в свою очередь состоят из протонов и нейтронов образующих ядро атомы и электронов, расположенных на некотором расстоянии от ядра. Многие также слышали, что свет тоже состоит из частиц – фотонов. Однако на этом мир частиц не ограничивается. На сегодняшний день известно более 400 различных элементарных частиц. Попробуем понять, чем элементарные частицы отличаются друг от друга.

Существует множество параметров, по которым можно отличить элементарные частицы друг от друга:

  • Масса.
  • Электрический заряд.
  • Время жизни. Почти все элементарные частицы имеют конечное время жизни по истечении которого они распадаются.
  • Спин. Его можно, весьма приближенно считать как вращательный момент.

Еще несколько параметров, или как их принято называть в науке квантовых чисел. Эти параметры не всегда имеют понятный физический смысл, но они нужны для того, чтобы отличать одни частицы от других. Все эти дополнительные параметры введены как некоторые величины, сохраняющиеся во взаимодействии.

Массой обладают почти все частицы, кроме фотоны и нейтрино (по последним данным нейтрино обладают массой, но столь малой, что часто ее считают нулем). Без массовые частицы могут существуют только в движении. Масса у всех частиц различна. Минимальной массой, не считая нейтрино, обладает электрон. Частицы, которые называются мезонами обладают массой в 300-400 раз большей массы электрона, протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее электрона. Сейчас уже открыты частицы, которые почти в 100 раз тяжелее протона. Масса,( или ее энергетический эквивалент по формуле Эйнштейна:
Формула Эйншейна
сохраняется во всех взаимодействиях элементарных частиц.

Электрическим зарядом обладают не все частицы, а значит что не все частицы способны участвовать в электромагнитном взаимодействии. У всех свободно существующих частиц электрический заряд кратен заряду электрона. Кроме свободно существующих частиц существуют также частицы, находящие только в связанном состоянии, о них мы скажем чуть позже.

Спин, как и другие квантовые числа у различных частиц различны и характеризуют их уникальность. Некоторые квантовые числа сохраняются в одних взаимодействиях, некоторые в других. Все эти квантовые числа определяют то, какие частицы взаимодействуют с какими и как. Элементарные частицы

Время жизни также очень важная характеристика частицы и ее мы рассмотрим наиболее подробно. Начнем с замечания. Как мы уже сказали в начале статьи – все что нас окружает состоит из атомов (электронов, протонов и нейтронов) и света (фотонов). А где же тогда еще сотни различных видов элементарных частиц. Ответ прост – всюду вокруг нас, но мы из не замечаем по двум причинам.

Первая из них – почти все остальные частицы живут очень мало, примерно 10 в минус 10 степени секунд и меньше, и потому не образовывают таких структур как атомы, кристаллические решетки и т.п. Вторая причина касается нейтрино, эти частицы хоть и не распадаются, но они подвержены только слабому и гравитационному взаимодействию. Это значит, что эти частицы взаимодействуют на столько незначительно, что обнаружить из почти невозможно.

Представим наглядно в чем выражается то, на сколько частица хорошо взаимодействуем. Например поток электронов можно остановить довольно тонким листом стали, порядка нескольких миллиметров. Это произойдет потому, что электроны сразу начнут взаимодействовать с частицами листа стали, будут резко менять свой направления, излучать фотоны, и таким образом довольно быстро потеряют энергию. С потоком нейтрино все не так, они почти без взаимодействий могут пройти насквозь Земного Шара. И потому обнаружить их очень тяжело.

Итак, большинство частиц живут очень короткое время, по истечении которого она распадаются. Распады частиц- наиболее часто встречающиеся реакции. В результате распада одна частица распадается на несколько других меньшей массы, а те в свою очередь распадаются дальше. Все распады подчиняются определенным правилам – законам сохранения. Так, например, в результате распада должен сохраняться электрический заряд, масса, спин и еще ряд квантовых чисел. Некоторые квантовые числа в ходе распада могут меняться, но тоже подчиняясь определенным правилам. Именно правила распада говорят нам о том, что электрон и протон это стабильные частицы. Они уже не могут распадаются подчиняясь правилам распада, и потому именно ими заканчиваются цепочки распада.

Здесь хочется сказать несколько слов о нейтроне. Свободный нейтрон тоже распадается, на протон и электрон примерно за 15 минут. Однако когда нейтрон находится в атомном ядре это не происходит. Этот факт можно объяснить различными способами. Например так, когда в ядре атома появляется электрон и лишний протон от распавшегося нейтрона, то тут же происходит обратная реакция – один из протонов поглощает электрон и превращается в нейтрон. Такая картина называется динамическим равновесием. Она наблюдалась в вселенной на ранней стадии ее развития вскоре после большого взрыва.

Кроме реакций распада есть еще реакции рассеяния – когда две или более частиц вступают во взаимодействие одновременно, и в результате получается одна или несколько других частиц. Также есть реакции поглощение, когда из двух или более частиц получается одна. Все реакции происходят в результате сильного слабого или электромагнитного взаимодействия. Реакции идущие за счет сильного взаимодействия идут быстрее всего, время такой реакции может достигать 10 в минус 20 секунды. Скорость реакций идущих за счет электромагнитного взаимодействия ниже, тут время может быть порядка 10 в минус 8 секунды. Для реакций слабого взаимодействия время может достигать десятков секунд а иногда и годы.

В завершении рассказа про частицы расскажем про кварки. Кварки – это элементарные частицы, имеющие электрический заряд кратный трети заряда электрона и которые не могут существовать в свободном состоянии. Их Взаимодействие устроено так, что они могут жить только в составе чего либо. Например комбинация из трех кварков определенного типа образуют протон. Другая комбинация дает нейтрон. Всего известно 6 кварков. Их различные комбинации дают нам разные частицы, и хотя далеко не все комбинации кварков разрешены физическими законами, частиц, составленных из кварков довольно много.

Здесь может возникнуть вопрос, как можно протон называть элементарным если он состоит из кварков. Очень просто – протон элементарен, так как его невозможно расщепить на составные части – кварки. Все частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии состоят из кварков, и при этом являются элементарными.

Понимание взаимодействий элементарных частиц очень важно для понимания устройства вселенной. Все что происходит с макро телами есть результат взаимодействия частиц. Именно взаимодействием частиц описываются рост деревьев на земле, реакции в недрах звезд, излучение нейтронных звезд и многое другое.

Автор статьи: Михаил Карневский

Вероятности и квантовая механика  <-- *       * -->  Виды взаимодействий

guesto 06.05.2016 19:29
Вранье!
Протон - это когда заходишь в дом и оттуда не выходишь. Заходишь в сартир и оттуда не выходишь.
Заходишь в банк и оттуда не выходишь. Заходишь в завод и оттуда не выходишь.
Протон весит всего этого плюс вес углубления шланга в подземелье.
Шланг то у тебя есть?
уничтожитель протонов
Вячеслав 15.01.2016 23:22 Рейтинг: 3Рейтинг: 3Рейтинг: 3Рейтинг: 3Рейтинг: 3
Добрый день. Не могли бы Вы объяснить, почему так много элементарных частиц? И второй вопрос, при проведении  одинаковых экспериментов по получению элементарных частиц, получается одинаковый набор элементарных частиц?
гиперон 25.11.2015 09:34
Мир описанный математиками, отличается от реального. Математики, описывая мир, могут ошибиться, все мы люди. И вот тогда появляются на свет кварки, спины, странности...  Кто-то нашел гравитационное взаимодействие между электроном и протоном. Откуда?    Все проще и красивее. Жаль, что ученые не могут вырваться из привычной колеи. Так проще и спокойнее.
Артемий 23.05.2015 00:33 Рейтинг: 5Рейтинг: 5Рейтинг: 5Рейтинг: 5Рейтинг: 5
Очень интересная статья. Полезно даже просто прочесть на досуге вместо ленты новостей в ВК. На самом деле, эта тема очень актуальна в наше время, поскольку сегодня ведутся исследования и первые разработки в области наноэлектроники: в процессоре компьютера (его тактовая частота) зависит от движения электронов (ГГц). Планируют заменить электроны на фотоны - это обусловлено тем, что фотон имеет гораздо больше скорость, чем электрон и в одном фотоне можно вместо гораздо больше информации, чем в электроне. В итоге если создать такой процессор, то мы навсегда забем что такое "зависание компьютера" и "перегрузка интернет-серверов". Это будущее. Помните как говорил 30 лет назад Билл Гейтс: "600 кб хватит на всех!", а что получилось?! Некоторым даже терабайтнего жесткого диска не хватает. Кстати, нам очень интересно читал лекции в МГТУ ГА профессор Новиков Сергей Михайлович по этой теме, недавно тоже про новое поколение процессоров рассказывал. Дай Бог ему здоровья и сил!
С уважением... 
C. Нау 15.03.2013 06:00 Рейтинг: 1Рейтинг: 1Рейтинг: 1Рейтинг: 1Рейтинг: 1
[left][/left]Примитивно уже 100 лет
Елена 22.11.2010 22:11 Рейтинг: 5Рейтинг: 5Рейтинг: 5Рейтинг: 5Рейтинг: 5
Спасибо за статью!
Дмит. 03.02.2010 01:25 Рейтинг: 4Рейтинг: 4Рейтинг: 4Рейтинг: 4Рейтинг: 4
При определенных условиях кварки разъединяются.
Эти условия были сразу после Большого Взрыва.
Затем температура снизилась и глюоны получили возможность соединять кварки.
Рудольф 09.09.2009 18:10
Статья хорошая, но вы никогда не задумывались, как появились кварки-эти состовляющие?
Натали 13.05.2009 21:58 Рейтинг: 5Рейтинг: 5Рейтинг: 5Рейтинг: 5Рейтинг: 5
На мой взгляд очень интересная статья!!!!:yes: