Физика 11 класс (Урок№29 — Элементарные частицы и их классификация.)

Физика 11 класс
Урок№29 — Элементарные частицы и их классификация.

мы узнаем:
— из чего состоит вся материя;
— как формулируется принцип Паули;
— что такое аннигиляция, спин, глюон, кварк;
мы научимся:
— выделять группы элементарных частиц;
— перечислять законы сохранения, которые выполняются при превращениях частиц;
мы сможем:
— описывать роль ускорителей в изучении элементарных частиц.

Квантовая механика и теория относительности утверждают, что каждая элементарная частица характеризуется неотрицательной массой и неотрицательным целым или полуцелым спином и что для каждой частицы существует античастица с такими же массой и спином, но с противоположным электрическим зарядом. Частицы, масса которых отлична от нуля, движутся медленнее света, и их можно затормозить, в то время как частицы с нулевой массой (такие, как фотон и гравитон) движутся со скоростью света по отношению ко всем наблюдателям. Спин есть мера собственного момента импульса частицы. Если частица с массой имеет спин s, то она может находиться в любом из (2s + 1) квантовых состояний, отличающихся проекцией спина. Античастица электрона, называемая позитроном, впервые была обнаружена в 1932 году в космических лучах. Антипротоны были впервые получены и зарегистрированы на бэватроне в Беркли в 1955 году. Фотоны совпадают со своими собственными античастицами.
При контакте частицы со своей античастицей они аннигилируют. Всё вещество на Земле (и почти всё вещество во Вселенной) состоит из частиц, а не античастиц. В противном случае не было бы ни нас с вами, ни этого рассказа.

Фермионы и бозоны
Частицы с полуцелым спином (например, электрон со спином 1/2) подчиняются статистике Ферми – Дирака и называются фермионами. Два одинаковых фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии (принцип запрета Паули). Частицы с целым спином (например, фотон) подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Многие из бозонов могут (и, в известном смысле, «любят») собираться в одном и том же квантовом состоянии, что является принципиальной основой работы лазеров.

Фундаментальные фермионы – кварки и лептоны
Наш перечень таких частиц содержит двенадцать частиц со спином 1/2: шесть кварков и шесть лептонов. Кварки были придуманы М. Гелл-Манном и Г. Цвейном в 1963 году, u-, с-, t-кварки (от слов «up» – вверх, «charmed» – очарованный, «top» – верхний) несут электрический заряд, равный 2/3, в то время как d-, s-, b-кварки (от слов «down» – вниз, «strange» – странный, «botton» – нижний) несут заряд, равный – 1/3. Отдельный кварк не может быть изолирован от адрона, частью которого он является. Таким образом, кварки нельзя рассматривать как полноправные частицы. Слово лептон происходит от греческого «лептос», означающего «маленький» или «легкий», и было введено в 1948 году Л. Розенфельдом для обозначения любого фермиона небольшой массы, подобного электрону или нейтрино. В настоящее время лептоны включают все шесть известных фермионов, на которые не распространяется сильное ядерное взаимодействие. Три из них имеют электрический заряд: электрон, мюон (примерно в 200 раз тяжелее) и тау-лептон (ещё в 17 раз тяжелее). Каждому из них соответствует свой сорт нейтрино, всего получается шесть лептонов. Нейтрино очень лёгкие; возможно, они имеют нулевую массу. Недавние эксперименты позволяют предположить, что существует не больше трёх разновидностей нейтрино. Это означало бы, что наш список фундаментальных фермионов является полным. Так ли это на самом деле, увидим!

Фундаментальные бозоны
Эти частицы осуществляют связь между фундаментальными фермионами. Электромагнитное взаимодействие является результатом того, что заряжённые частицы обмениваются фотонами – частицами света, имеющими нулевую массу. Сильное ядерное взаимодействие возникает, когда кварки обмениваются глюонами с нулевой массой. Слабое взаимодействие – это результат обмена тяжёлыми W- или Z-бозонами между фундаментальными фермионами. Можно думать, что гравитация обусловлена обменом гравитонами с нулевой массой. Глюоны, подобно кваркам, оказываются «запертыми»: их нельзя наблюдать в свободном состоянии. Заряженные W- и нейтральные Z-бозоны были открыты в 1983 году в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе). Последний из фундаментальных бозонов в нашем «зоопарке» – это бозон Хиггса, открытый на Большом адронном коллйдере (ЦЕРН).