Элементарные частицы и античастицы

ФИЗИКА

Сборник методических указаний

для самостоятельной работы студентов бакалавриата

очной и заочной форм обучения

по теме

ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Брянск 2011

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Брянская государственная инженерно-технологическая академия»

Кафедра «Физика»

УТВЕРЖДЕНО

НМС БГИТА

Протокол №___ от "__"________г.

Сборник методических указаний

для самостоятельной работы студентов бакалавриата

очной и заочной форм обучения

по теме

ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Брянск 2011

УДК 538.91(072)

Сборник методических указаний для самостоятельной работы студентов бакалавриата очной и заочной форм обучения по теме «ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ». Брянск, гос. инж. -технол. акад. Сост. С. П. Симохин. - Брянск: БГИТА, 2011. - 32с.

Даны теоретические выкладки к самостоятельному изучению раздела курса физики, посвященного элементарным частицам, приведены примеры решения задач по данному разделу.

Рецензент:

кандидат ф.-м. наук, доц. кафедры математики БГИТА Часова Н.А.

Рекомендованы редакционно-издательской и методической комиссиями строительного факультета БГИТА. Протокол № от 2011 г

Составитель: старший преподаватель кафедры физики БГИТА Симохин С.П.

СОДЕРЖАние

ШПАРГАЛКА: ЧАСТИЦЫ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Атомы состоят из электронов е, образующих оболочки, и ядер. Ядра состоят из протонов р и нейтронов п. Протоны и нейтроны состоят из кварков двух типов, и и d: р = uud, n = ddu. Свободный нейтрон испытывает бета-распад: , где — электронное антинейтрино. В основе распада нейтрона лежит распад d-кварка: .

Притяжение электрона к ядру — пример электромагнитного взаимодействия. Взаимное притяжение кварков — пример сильного взаимодействия. Бета-распад — пример проявления слабого взаимодействия. Кроме этих трех фундаментальных взаимодействий важную роль в природе играет четвертое фундаментальное взаимодействие — гравитационное, притягивающее все частицы друг к другу.

Фундаментальные взаимодействия описываются соответствующими силовыми полями. Возбуждения этих полей представляют собой частицы, которые называют фундаментальными бозонами. Электромагнитному полю отвечает фотон , сильному — восемь глюонов, слабому — три промежуточных бозона W⁺, W^-, Z°, гравитационному — гравитон.

У большинства частиц есть двойники — античастицы, имеющие те же массы, но противоположные по знаку заряды (например, электрический, слабый). Частицы, совпадающие со своими античастицами, т. е. не имеющие никаких зарядов, как, например, фотон, называют истинно нейтральными.

Наряду с е и известны еще две пары похожих на них частиц: , и , . Все они называются лептонами. Наряду с и- и d- кварками известны еще две пары более массивных кварков: с, s и t, b. Лептоны и кварки называют фундаментальными фермионами.

Частицы, состоящие из трех кварков, называют барионами, из кварка и антикварка — мезонами. Барионы и мезоны образуют семейство сильновзаимодействующих частиц — адронов.

Элементарные частицы и античастицы

Изучая радиоактивный распад и ядерные реакции, мы упоминали об элементарных частицах: протонах и нейтронах (входят в состав атомного ядра), электронах (образуют электронную оболочку атома), фотонах (квантах электромагнитного излучения), нейтрино (рождаются в процессах бета-распадов). Также мы рассматривали античастицы: позитрон и антинейтрино.

Следует подчеркнуть, что по мере развития науки и экспериментальной техники понятие «элементарности» все время трансформировалось. Если вначале атомы считались неделимыми частицами материи, то впоследствии оказалось, что атомы состоят из электронов и ядер, а последние — из нуклонов (протонов и нейтронов), которые в свою очередь состоят из кварков.

В настоящее время элементарными частицами называют большую группу мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона — ядра атома водорода) и которые при взаимодействии ведут себя как единое целое. Характерным свойством всех элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям (рождению и уничтожению) при взаимодействии с другими частицами.

Для описания свойств и поведения элементарных частиц им приписываются известные уже характеристики, такие как масса, среднее время жизни, электрический заряд, магнитный момент, спин, а также новые, характерные только для них величины (квантовые числа), которые будут рассмотрены в дальнейшем.

Существование античастицы электрона — позитрона — было предсказано П. Дираком (1931) при анализе квантово—механического, релятивистского уравнения для электрона и который был обнаружен в составе космического излучения К.Андерсоном (1932). Электрон и позитрон, как уже следует из рассмотренного материала, не являются единственной парой частица—античастица. К середине 70-х годов XX в. были обнаружены античастицы практически для всех элементарных частиц.

Согласно принципу зарядового сопряжения, сформулированному в релятивистской квантовой теории, для каждой элементарной частицы должна существовать античастица. Эксперименты показывают, что за немногим исключением, каждая частица действительно имеет античастицу. В настоящее время общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) насчитывается более 400.

Из общих положений квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку, электрические заряды (и магнитные моменты), а также одинаковые остальные квантовые числа, приписываемые элементарным частицам. Античастицы обозначаются тем же символом, что и частицы, только с тильдой (например, n и , р и ).

Согласно теории Дирака, столкновение частицы и античастицы должно приводить к их взаимной аннигиляции (процесс, при котором частица и античастица, сталкиваясь, взаимно уничтожают друг друга), в результате которой выделяется энергия и рождаются другие частицы.

Примером указанного процесса является реакция аннигиляции пары электрон—позитрон:

, (1)

т.е. электронно—позитронная пара превращается в два —кванта (рис. 1), причем энергия пары переходит в энергию фотонов. Термин «аннигиляция» не следует трактовать буквально: никакого уничтожения материи в процессе (1) не происходит [один ее вид (электрон и позитрон) превращается в другой вид (фотоны)].

Следует отметить, что при аннигиляции электрона и позитрона не всегда рождаются два —кванта [cм.(1)]. Например, если электрон и позитрон обладают очень большой энергией, то при их столкновении могут рождаться разные частицы, даже очень тяжелые. Поэтому метод встречных пучков электронов и позитронов используют для генерации новых частиц и исследования их свойств. В процессе (1) выполняются законы сохранения импульса (фотоны разлетаются в разные стороны) и энергии (энергия обоих —квантов не может быть меньше суммы энергий покоя электрона и позитрона), закон сохранения спина.

В природе также возможен процесс, обратный аннигиляции, — рождение пар. Так, —квант с энергией, большей или равной 2m_ec², при прохождении вблизи ядра атома может превратиться в электрон и позитрон:

. (2)

Здесь также выполняются законы сохранения импульса, энергии, заря- Рис. 1 довых чисел и закон сохранения спина.