Охарактеризуйте элементарные частицы микромира

К микромиру относятся: частицы элементарные и ядра атомов – область порядка 10^{-15 см, атомы и молекулы 10-8} – 10^{-7 см.}

Свойства элементарных частиц многообразны. Так, каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (например, фотон). Каждая элементарная частица характеризуется собственным набором значений определенных физических величин. К таким величинам относятся: масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Общие характеристики всех частиц: масса, время жизни, спин. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз.

Важная характеристика частицы – спин – собственный момент импульса частицы. В зависимости от спина все частицы делятся на две группы: бозоны – частицы с целыми спинами 0, 1 и 2; фермионы – частицы с полуцелыми спинами (1/2, 3/2).

Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0,3/2,2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 (гипотетический гравитон) принимает прежнее положение через пол-оборота (180°).

Частицы характеризуются и временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы – это электрон, протон, фотон и нейтрино, (до конца пока не решен вопрос о стабильности протона. Возможно, он распадается за t = 10³¹ лет). Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10^-24 с. Самые нестабильные частицы резонансы. Время их жизни 10^-22–10^-24 с.

Прежде всего, свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие преимущественно в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Отдельную группу элементарных частиц составляет фотон.

Лептоны. Лептоны ведут себя как точечные объекты, не обнаруживая внутренней структуры даже при сверхвысоких энергиях. Они, по-видимому, являются элементарными (в собственном смысле этого слова) объектами, т.е. они не состоят из каких-то других частиц. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2.

К лептонам относятся: электрон, мюон, тау-частица и нейтрино.

Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон – это первая из открытых элементарных частиц. Электрон – носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда (не считая кварков) в природе. Масса электрона равна 1, заряд – (-1).

Другой хорошо известный лептон – нейтрино. Нейтрино наряду с фотонами являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Нейтрино почти неуловимы, обладают огромной проникающей способностью, особенно при низких энергиях. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино – это некие «призраки» физического мира. С одной стороны, это усложняет их детектирование, а с другой – создает возможность изучения внутреннего строения звезд, ядер галактик, квазаров и др.

Одна из интересных страниц истории изучения нейтрино связана с вопросом о его массе: имеет или не имеет нейтрино массу покоя. Теория допускает, что в отличие от фотона нейтрино может иметь небольшую массу покоя. Если нейтрино действительно обладает массой покоя (по оценкам, от 0,1 эВ до 10 эВ), то это влечет за собой фундаментальные следствия в теории Великого объединения, космологии, астрофизике. Длящаяся уже почти 60 лет «погоня» физиков за массой неуловимой частицы, похоже, подходит к концу.

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Мюон – одна из первых известных нестабильных субатомных частиц с массой 206,7 и зарядом -1. Во всех отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. Проникая в вещество, мюоны взаимодействуют с ядрами и электронами атомов и образуют необычные соединения. Положительный мюон, присоединяя к себе электрон, образует систему, аналогичную атому водорода – мюоний, химические свойства которого во многом подобны свойствам водорода. А отрицательный мюон может замещать на электронной оболочке один из электронов, образуя так называемый мезоатом. В мезоатоме мюоны расположены в сотни раз ближе к ядру, чем электроны. Это позволяет использовать мезоатом для изучения формы и размеров ядра.

Известен заряженный лептон, получивший название тау-лептон. Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону. Заряд тау-лептона равен 0.

Кроме того, существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тay-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов – шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно 12. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные – в слабом и электромагнитном.

Адроны. Если лептонов всего 12, то адронов насчитываются сотни. Подавляющее большинство из них – резонансы, т.е. крайне нестабильные частицы. Тот факт, что адронов существует сотни, наводит на мысль, что адроны сами построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях – электрически заряженные и нейтральные. Они участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное.

Наиболее известны и широко распространены такие адроны, как нейтрон и протон. Остальные адроны быстро распадаются. Адроны подразделяются на два класса. Это – класс барионов (тяжелые частицы) (протон, нейтрон, гипероны и барионные резонансы) и большое семейство более легких мезонов (π-мезон, К- мезон, η- мезон).

Адроны имеют сложную внутреннюю структуру, они построены из более мелких частиц – кварков. Так барионы (протон, нейтрон) состоят и 3 кварков, мезоны – из кварка и антикварка.

Протон и нейтрон – относятся к бозонам, тяжелее электрона почти в 2000 раз. Они являются наиболее стабильными барионами. Протон абсолютно стабилен, нейтрон – испытывает бета-распад с временем жизни, близким к 1000 с.

Все мезоны распадаются на электроны и нейтрино; периоды полураспада для этих процессов лежат в интервале от 10^-8 до 10^-23 с. Все мезоны с массой меньше 0,6 массы протона имеют большие периоды полураспада (>10^-8 с) и поэтому являются «стабильными» с точки зрения элементарных процессов.

Самым важным из наиболее изученным членом семейства мезонов является π-мезон или пион. Он является квантом поля ядерных сил, то есть участвует в сильном взаимодействии. Существуют два вида заряженных пионов π⁺ и π^- (которые являются частицей и античастицей) и нейтральный пион π⁰. Масса π^± составляет 270 m _е, π⁰ – 260 m _е, среди адронов они самые легкие. Пионы примерно в 7 раз легче протонов и в 270 раз тяжелее электронов. Они являются бозонами.

  Фотон. Заряд фотона равен 0. Эта частица, имеет нулевую массу покоя, является бозоном и движется со скоростью света. Фотон выступает переносчиком электромагнитного взаимодействия, а также гравитационного. Так как не существует системы отсчета, в которой фотон покоится, ему нельзя приписать внутренней четности (квантовомеханической характеристики состояния физической микрочастицы, отображающей свойства симметрии этой микрочастицы относительно зеркальных отражений). Фотон – это абсолютно (истинно) нейтральная частица. Фотоны могут испускаться и поглощаться, то есть возникать и исчезать. Установлена возможность взаимопревращения пар электронов и позитронов в фотоны. В электростатическом поле атомного ядра фотон с энергией выше 1 Мэв может превратиться в электрон и позитрон и наоборот, столкновение электрона и позитрона приводит к превращению двух (или трех) фотонов высокой энергии.