Теоретичні відомості. Елементарними частинками прийнято називати найменш відомі нам частинки матерії

Елементарними частинками прийнято називати найменш відомі нам частинки матерії. За змістом поняття елементарності термін «Елементарні частинки» повинен був би означати – найпростіші, далі неподільні частинки, що складають матерію.

Частинки, які називають в ядерній фізиці елементарними, не зовсім відповідають такому означенню і тому термін «елементарні частинки» для них в певній мірі умовний, тому що частинки можуть перетворюватись одна в другу. Як правило, до «елементарних частинок» відносять всі найменші частинки матерії, які вважаються безструктурними матеріальними точками, що мають ряд властивостей: масу, заряд, енергію, спін, час життя, характерні взаємодії з іншими частинками.

Елементарні частинки діляться на такі групи:

1. Фотони – це кванти електромагнітного випромінювання.

2. Лептони – це легкі частинки: нейтрино, електрон, позитрон і мюон.

3. Мезони – кванти ядерної взаємодії. Не мають спіна. Мезони поділяються на π-мезони і К-мезони.

4. Баріони – важкі частинки: нуклони, гіперони, резонанси.

Альфа-частинки не відносяться до елементарних. Це ядра атома гелію. Позначається альфа-частинка , що означає, що масове число дорівнює 4, а заряд двом зарядам електрона із знаком плюс. Альфа-частинка складається з двох протонів і двох нейтронів.

Альфа-частинки утворюються при самовільному розпаді деяких важких ядер. Пояснити утворення α-частинок можна тільки з квантової точки зору в результаті тунельного ефекту. Спектр енергій α-частинок дискретний, на відміну від неперервного спектру β-частинок.

Знімки треків заряджених частинок одержують в камері Вільсона, яка являє собою скляний циліндр із поршнем. Циліндр наповнений інертним газом (гелієм або аргоном), який насичений парами води або спирту. При різкому адіабатному розширенні газу відбувається охолодження газу, що призводить до випадіння роси у вигляді туману в місцях де пролітає елементарна частинка внаслідок іонізації газу. Траєкторія руху частинок візуалізується у вигляді треків.

Російський фізик Скобельцин Д.В. у 1927 році розширив можливості камери Вільсона, помістивши її в магнітне поле. При цьому по викривленню траєкторії руху частинки під дією сили Лоренца можна зробити висновок про знак її заряду. Якщо відомий тип частинки, то по виміряному радіусу кривизни треку можна визначити її енергію, масу, імпульс.

Вивід робочих формул. Як відомо, повна енергія частинки зв’язана з її масою співвідношенням:

, (99.1)

де m – релятивістська маса.

, (99.2)

де m ₀ – маса спокою частинки, v – її швидкість, c – швидкість світла у вакуумі. З урахуванням співвідношень (99.1) і (99.2) отримаємо формулу:

, (99.3)

де Е ₀ – енергія спокою частинки. Піднесемо до квадрату рівність (99.3) і позбудемось знаменника. Отримаємо:

. (99.4)

З врахуванням співвідношення (99.1)

, (99.5)

де р=mv – імпульс частинки. З врахуванням (99.5) рівність (99.4) набуде вигляду:

. (99.6)

Якщо частинка рухається в магнітному молі з індукцією В таким чином, що кут α між векторами v і В дорівнює 90°, то її траєкторія викривлюється під дією сили Лоренца, яка є доцентровою:

, (99.7)

де r – радіус кривизни траєкторії, q – заряд частинки.

Імпульс частинки, виходячи із співвідношення (99.7):

. (99.8)

З врахування співвідношень (99.6) і (99.8) повна енергія частинки:

(99.9)

або

. (99.10)

Враховуючи, що формулу (99.10) можна подати у вигляді:

. (99.11)

Кінетична енергія частинки:

. (99.12)

Радіус кривизни траєкторії зарядженої частинки визначають, враховуючи поправку h /2 на його зміну від точки до точки (рис.99.1). Хорда АВ = l, «Стрілка прогину» СD = h, OD = r. Якщо h << r, то із геометричної теореми про перпендикуляр, проведений із будь-якої точки кола на її діаметр, маємо:

, (99.13)

звідки:

. (99.14)

Більш точні результати при визначенні r можна одержати із формули, яка враховує зміну кривизни траєкторії від точки до точки:

. (99.15)