Решение дифференциальных уравнений Примеры решения типовых задач Курс практики по математике Инженерная графика Машиностроительное черчение История дизайна Архитектура ПК Лабораторные работы Курс лекций по физике теплоэнергетика
Курс лекций по физике Законы теплового излучения Фотоэффект Ядерная модель атома Квантовые генераторы Зонная теория твёрдых тел Электропроводимость металлов Ядерная физика Дозиметрия

Курс лекций по физике Примеры решения задач

Элементарные частицы

Сначала элементарными считались частицы, из которых состоят атомы и их ядра – т.е. электроны, протоны и нейтроны.

Впоследствии оказалось, что протоны и нейтроны имеют внутреннюю структуру. В число элементарных также включили фотоны и нейтрино.

По мере возрастания мощности ускорителей и усовершенствования методики эксперимента, было обнаружено около 400 элементарных частиц.

В настоящее время элементарными называют частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением других, более «простых» частиц, существующих в свободном состоянии. Элементарная частица в процессе взаимодействия с другими частицами или полями должна вести себя как единое целое.

Хотя нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, нельзя считать, что он состоит из этих частиц. «Внутри» нейтрона этих частиц нет. Поэтому нейтрон считается элементарной частицей. Точно так же мюон, который распадается на электрон и два нейтрино:

не состоит из этих частиц, а они рождаются в процессе распада мюона.

Античастицы

Уравнение Шрёдингера является нерелятивистским. Наличие у электрона спина из этого уравнения не следовало и вводилось в теорию как опытный факт.

Волновое уравнение Дирака, полученное в 1928 г. и учитывающее релятивистские эффекты, объединило теорию относительности и кванты. Из этого уравнения теоретически вытекало наличие у электрона спина. Кроме того, из уравнения Дирака получалось, что у электрона должен быть «двойник» – частица с положительным элементарным зарядом.

В 1932 г. позитроны были экспериментально обнаружены в космическом излучении.

В дальнейшем было показано, что у всех элементарных частиц имеются античастицы.

В 1955 г. был обнаружен антипротон  ; в 1956 г. – антинейтрон   и т.д..

Так, антинейтрино, выделяющееся при распаде нейтрона по схеме

25 – 2

может захватываться протоном и образовывать нейтрон и позитрон:

 .

 А вот нейтрон с этим антинейтрино не взаимодействует. Эато нейтрон хорошо взаимодействует с нейтрино по схеме:

 .

 Таким образом, электронные нейтрино и антинейтрино являются разными частицами, отличающимися только знаком спина. Тоже можно сказать про нейтрон и антинейтрон.

 Существуют также частицы, полностью совпадающие со своими античастицами. Это фотон, пи-нуль-мезон π0 и эта-мезон η0.

  Из уравнения Дирака также следовало, что при столкновении частицы с античастицей они исчезают (аннигилируют), превращаясь в два γ-кванта, например:

или рождаются при прохождении γ-кванта большой энергии вблизи атомного ядра:

 , причём  1,022 МэВ.

 Действующие в мире элементарных частиц законы сохранения не допускают возможности возникновения одиночных античастиц.

Основные  характеристики элементарных частиц

 а) Масса – т (измеряется в энергетических единицах (МэВ или ГэВ)).

 б) Среднее время жизни – τ (служит мерой стабильности частицы и измеряется в с ) .

 в) Спин – J – собственный момент импульса частицы. Принимает целые и полуцелые значения. ( Измеряется в единицах   ).

 г) Электрический заряд – q (измеряется в единицах элементарного заряда е ). Для всех частиц в свободном состоянии он равен 0 или  .

  д) Магнитный момент – μ – максимальное значение проекции вектора собственного магнитного момента  частицы. Векторы  и  (спин) коллинеарны. Если  то , а если  , то μ < 0. Магнитные моменты μ элементарных частиц обычно измеряют в единицах соответствующих магнетонов   (например, для электрона это магнетон Бора ).

Фундаментальные взаимодействия

Взаимодействие 

Механизм

обмена

Интенсивность

Длительность

процессов, с

Радиус

действия, м

Сильное 

глюонами

1

10-23

10-15

Электромагнитное

фотонами

1/137

10-16

Слабое

промежут.

бозонами

10-6

10-13

10-18

Гравитационное

гравитонами

10-38

?

 Интенсивность (или константу взаимодействия) представляют в относительных единицах, где за единицу принята интенсивность при сильных взаимодействиях.

1) Сильные взаимодействия удерживают нуклоны в ядрах. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами (протон, нейтрон, гипероны, мюоны и др.). Короткодействующие.

2) Электромагнитные взаимодействия значительно слабее сильных, но дальнодействующие. Именно эти силы вызывают разлёт осколков, которые образуются при делении атомных ядер. Они также ответственны за все электрические и магнитные явления, а также за оптические, механические, тепловые и химические явления.

3) Слабые взаимодействия являются универсальными. Они присутствуют при взаимодействиях всех частиц кроме фотона. Несмотря на свою малую интенсивность и короткодействие эти взаимодействия играют очень важную роль в природе. Они ответственны за все виды β-распада  ядер, за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Кроме того, слабое взаимодействие играет определяющую роль в реакциях, происходящих на Солнце и других звёздах.

4) Гравитационные взаимодействия испытывают все частицы без исключения, но для элементарных частиц, масса которых ничтожно мала, гравитационное взаимодействие не имеет существенного значения.

1. Молекулярная физика. Статистический и термодинамический методы исследования. Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Модель идеального газа. Давления и температура. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы. Степени свободы. Классический закон распределения энергии по степеням свободы.
Фотопроводимость полупроводников