§2 Строение вещества. Микрочастицы и их свойства

Современная физика достигла больших успехов в изучении строения вещества, основанном на идеях дискретности и бесконечности познания.

Идея дискретности строения вещества возникла еще в древности и развивалась многими философами и учеными. В ходе развития идеи дискретности вещества было введено понятие об элементарной частице. Под элементарной частицей понимают частицу, структура которой на данном этапе познания неизвестна.

На различных этапах продвижения “в глубь“ вещества элементарными назывались различные частицы. Сначала элементарными считались сравнительно крупные частицы вещества, затем по мере накопления знаний выяснялась сложность этих частиц, и тогда представление об элементарности переносилось на составляющие их части. Этот путь познания строения вещества можно представить как путь через последовательные уровни элементарности.

В микромире выделяют три уровня, различающиеся характерными масштабами R и энергиями Е. Первый из них- молекулярно-атомный уровень, для которого R~10^-8÷10^-10м, Е~1÷10эВ.

Молекула-это наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Химические свойства вещества не делимы. В этом смысле молекулу можно называть простейшей неделимой частицей вещества. Молекулы сложны и состоят из атомов.

Слово “атом“ по-гречески означает “неделимый“, и это название полностью оправдывается в отношении атома как носителя химических свойств элементов. Образование молекул из атомов изучает химия, По законам химии можно установить какие молекулы могут образовываться из определенных атомов. Для этого не нужно знать строения атомов, достаточно знать только их химические свойства. Свойства атомов в химии считаются заданными.

Для характеристики масс атомов и молекул применяются величины, называемые атомной массой и молекулярной массой. Относительной атомной массой (А) химического элемента называется отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы атома углерода . Относительной молекулярной массой (М) вещества называется отношение массы молекулы этого вещества к 1/12 массы атома углерода :

;

Это безразмерные величины.

В 1971 г. Международная конференция по мерам и весам приняла 7-ю единицу измерения – количество вещества (ν). Единица измерения количества вещества [ν]=моль.

Моль – это есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде ₆С¹² массой 0,012 кг.

Массу моля обозначают через μ. Единица измерения молярной массы в СИ [µ]=кг/моль. Моли всех веществ содержат одно и то же число молекул (число Авогадро):

Зная число Авогадро, можно найти единичную массу, т.е. массу 1/12 массы : Массу любого атома или молекулы можно вычислить следующим образом: Молекулы веществ имеют размеры порядка 10^-10м.

Объяснение атомных свойств и таблицы Менделеева было дано по открытию строения атома. Составные части атома электрон и ядро являются элементарными частицами на втором, ядерном, (R~10^-14÷10^-15м, Е~10⁶÷10⁸эВ) уровне элементарности.

На третьем уровне элементарности располагаются микрочастицы, не являющиеся молекулами, атомами и ядрами. В настоящее время этот уровень элементарности разделен на два подуровня: подуровень адронов и подуровень фундаментальных частиц. К адронам относят составные элементарные частицы, которым присуще сильное взаимодействие (мезоны, барионы, резонансы).

Своеобразие микрочастиц, обладающих некоторой внутренней структурой, определяемой взаимодействием, состоит в неодно­значности их размеров. Для выявления структуры и размеров микрочастиц применяются электроны с высокими энергиями. Из соотношений неопределенностей следует, что для выявления деталей структуры с размерами порядка Δr нужны зондирующие частицы с импульсам р, не меньшими р~ħ/Δr. Максимальные доступные в лабораторных условиях энергии составляют по порядку величины 1000ГэВ, чему соответствуют минимальные расстояния R~10^-19м.

Фундаментальными называют несоставные элементарные частицы. Список таких “первоначал“ состоит из фундаментальных бозонов и фундаментальных фермионов. Фундаментальные бозоны – “переносчики“ основных взаимодействий.

Фундаментальными фермионами являются лептоны и кварки. Считается, что все адроны состоят из кварков – дробнозаряженных фундаментальных частиц. Считается, что существует шесть сортов (“ароматов“) кварков и шесть сортов лептонов.

Для описания свойств отдельных элементарных частиц введен целый ряд физических величин:

• масса (m, единица измерения- МэВ, ГэВ, в соответствии с соотношением Эйнштейна); спектр масс известных элементарных частиц простирается от 0 90 ГэВ; по этой физической величине первоначально проводилась классификация элементарных частиц в соответствии с которой выделялись лептоны («легкие»), мезоны («средние»), барионы («тяжелые»), гипероны («гипер»- «сверх»);

• среднее время жизни (τ,с); служит мерой стабильности частицы; значения τ варьируются в чрезвычайно широком диапазоне (от

10^-24с до ∞);

• спин J - собственный момент импульса частицы, измеряется в единицах ћ, принимает целые и полуцелые значения; элементарная частица со спином J имеет 2J+1спиновых состояний, отличающихся проекцией J;

• магнитный момент(μ)- максимальное значение проекции вектора собственного магнитного моментачастицы;

• заряд:

• -электрический, q; измеряется в единицах элементарного заряда е;

для всех частиц, существующих в свободном состоянии q принимает лишь целочисленные значения q=0,±1; для некоторых резонансов q=.±2;

-барионный, В.В=±1 для барионов, В=0 для всех других частиц;

-лептонный, L L=±1 для лептонов, L=0 для всех других частиц.

Своеобразной характеристикой странных частиц является “странность“, а очарованных частиц - “очарование“.

Введение зарядов, характеризующих свойства элементарных частиц, позволяет с некоторых общих позиций различать час­тицы и античастицы, которые обозначаются одним символом, но с добавлением тильды над ним. У любой частицы масса, время жизни и спин такие же, как у ее античастицы, а знаки всех зарядов и странности про­тивоположные. Таким образом, при заданных энергии, импульсе и моменте импульса всегда возможны два симметричных зарядо­вых состояния — частица и античастица.

Общее число известных элементарных частиц вместе с античастицами приближается к 400. Некоторые из них являются стабильными или квазистабильными (электрон, протон, нейтрон, γ фотон, электронное нейтрино). Все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичном космическом излучении или лабораторных условиях при столкновении быстрых стабильных частиц.

Квазистабильные частицы распределяют по трем семействам. Первое включает фотон. Второе семейство образуют лептоны (лепта- мелкая монета, электрон, мюон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино). Третье, наиболее многочисленное семейство, было названо адронами (адрос- массивный, тяжелый, мезоны, барионы).

Взаимопревращаемость элементарных частиц – одно из наиболее фундаментальных их свойств. Образующиеся частицы не входят в состав исходных частиц, а возникают непосредственно в процессах их соударений или распадов. В процессах взаимопревращений открывают ранее неизвестные частицы. Для этого сталкивают друг с другом известные стабильные частицы с как можно большими энергиями, а затем исследуют продукты протекающих реакций и те фракции, на которые распались образовавшиеся частицы.

Взаимодействия между частицами обуславливают различные процессы. Они делятся на три большие группы:

• при упругом рассеянии частицы не претерпевают превращений, а просто изменяют состояние своего движения;

• в неупругих взаимодействиях сталкивающиеся частицы превращаются в частицы других сортов; эти процессы подразделяются на экзотермические (Q>0) и эндотермические (Q<0);

• возникшие при неупругих взаимодействиях частицы являются нестабильными и претерпевают распады.

В процессе многолетних экспериментов накоплены обширные сведения о разнообразных реакциях с элементарными частицами. Анализ этих реакций и привел к введению новых сохраняю­щихся величин и законов сохранения. Это скалярные аддитивные величины, складывающиеся алгебраически при любых реакциях с частицами; при объединении последних в системы, распадах и рождениях.

Законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и специфических зарядов задают рамки, в которых и происходят различные процессы с элементарными частицами. С одной сто­роны, процесс возможен лишь при выполнении законов сохране­ния, с другой, — если законы выполнены, то процесс должен иметь место. Это своеобразный принцип микромира: все, что не запрещено законами сохранения, происходит. Принцип- обуслов­лен вероятностным характером микропроцессов как квантовых переходов, их массовостью.

При познании строения вещества на микроуровне претерпели радикальные изменения представления о свойствах элементарных частиц. Закономерности микромира оказались совершенно отличными от законов макромира. В классической физике предполагалось, что законы движения элементарных частиц таковы же, что и законы движения макротел.

Квантовая физика выявила, что электроны и другие микрочастицы обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами, которые считались несовместимыми в макрофизике. Таким образом, элементарные частицы представляют собой микрообъекты, подчиняющиеся законам квантовой механики.

Несмотря на отличие квантовомеханических законов от классических и свойств элементарных частиц от свойств макротел, соотношение между понятиями элементарной и сложной частицы осталось прежним. И в ньютоновской механике, и в квантовой механике сложная частица состоит из стабильных элементарных частиц, причем энергия связи частиц значительно меньше их энергии покоя.

Вопросы для самоконтроля:

1.Что понимают под элементарной частицей?

2. Какие уровни элементарности выделяют в микромире?

3. Какие физические величины введены для описания свойств отдельных элементарных частиц?

4.Какие элементарнее частицы называют квазистабильными, и какие семейства этих частиц выделяют?

5. В чем заключается взаимопревращаемость элементарных частиц?

6.Какие процессы обуславливают взаимодействия частиц?

7.В соответствии с какими законами сохранения происходят процессы с элементарными частицами?