Пермський військовий інститут ВВ МВС РФ
Кафедра загальнонаукових дисциплін
Курсова робота з фізики
Тема: Адрони
Виконав:
Овечкін Олександр Васильович
Перм - 2003 р.
Вступ
Виявлення на рубежі 19-20 ст. найдрібніших носіїв властивостей речовини - молекул і атомів - і встановлення того факту, що молекули побудовані з атомів, вперше дозволило описати всі відомі речовини як комбінації кінцевого, хоча і великого, числа структурних складових - атомів. Виявлення в подальшому наявності складових складають атомів - електронів і ядер, встановлення складної природи ядер, які складаються із двох типів частинок (протонів і нейтронів), істотно зменшило кількість дискретних елементів, що формують властивості речовини, і дало підставу припускати, що ланцюжок складових матерії завершиться дискретними безструктурними утвореннями - елементарними частинками. Таке припущення, взагалі кажучи, є екстраполяцією відомих фактів і скільки-небудь суворо обгрунтовано бути не може.
Не можна з упевненістю стверджувати, що такі елементарні частинки, у значенні наведеного визначення, існують. Протони і нейтрони, наприклад, тривалий час вважалися елементарними частинками, як з'ясувалося, мають складну будову. Не виключена можливість того, що послідовність структурних складових матерії безкінечна. Може виявитися також, що твердження "складається з ..." на якийсь ступені вивчення матерії виявиться позбавленим змісту.
Основна частина
1. Види взаємодій
Основні, фундаментальні взаємодії у фізиці діляться на:
гравітаційні
електромагнітні
слабкі
сильні
Гравітаційні взаємодії, добре відомі за своїми макроскопічними проявами, у випадку Е. ч. на характерних відстанях ~ 10 -13 см дають надзвичайно малі ефекти через малість мас елементарних частинок.
Електромагнітні взаємодії характеризуються як взаємодії, в основі яких лежить зв'язок з електромагнітним полем. Процеси, зумовлені ними, менш інтенсивні, ніж процеси сильних взаємодій, а породжувана ними зв'язок Е. ч. помітно слабкіше. Електромагнітні взаємодії, зокрема, відповідальні за зв'язок атомних електронів з ядрами і зв'язок атомів в молекулах.
Слабка взаємодія, одне з фундаментальних взаємодій, в якому беруть участь всі елементарні частинки (крім фотона). Слабка взаємодія набагато слабкіше не тільки сильного, а й електромагнітної взаємодії, але незмірно сильніше гравітаційного. Очікуваний радіус дії слабкої взаємодії порядку 2.10 -16 см. Слабка взаємодія обумовлює більшість розпадів елементарних частинок, взаємодії нейтрино з речовиною та ін Для слабкої взаємодії характерне порушення парності, дива, «зачарування» та ін У кін. 60-х рр.. створена єдина теорія слабкого та електромагнітного взаємодій (так зване електрослабкої взаємодія).
С і Патерналізм взаимод е йствія, найсильніший з фундаментальних взаємодій елементарних частинок. У сильній взаємодії беруть участь адрони. Сильна взаємодія перевершує електромагнітна взаємодія приблизно в 100 разів, його радіус дії ок. 10 -13 см. Окремий випадок сильної взаємодії - ядерні сили.
Характерне час, за який відбуваються елементарні процеси, що викликаються с і кту взаимод е йствіямі, складає 10 -23 -10 -24 сек. С і Патерналізм взаимод е йствія володіють високим ступенем симетрії; вони симетричні щодо просторової інверсії, зарядового спряження, звернення часу. Специфічним для с і льних взаимод е йствій є наявність внутрішніх симетрій адронів: ізотопічний інваріантності, симетрії по відношенню до фазового перетворення, що приводить до існування особливого зберігається квантового числа - дивацтва, а також SU (3)-симетрії.
Найважливіша особливість с і льних взаимод е йствій - їх короткодействующих характер; вони помітно проявляються лише на відстанях порядку 10 -13 см між взаємодіючими адронами, тобто їх радіус дії приблизно в 100 000 разів менше розмірів атомів. На таких відстанях С. в. в 100-1000 разів перевищують електромагнітні сили, що діють між зарядженими частинками. Зі збільшенням відстані с і Патерналізм взаимод е йствія швидко убувають, так що на відстані кількох радіусів дії вони стають порівнянними з електромагнітними взаємодіями, а на ще більших відстанях практично зникають. З короткодействующим характером с і льних взаимод е йствій пов'язаний той факт, що вони, незважаючи на їх величезну роль у природі, були експериментально виявлені тільки у 20 ст., В той час як більш слабкі дальнодействующіх електромагнітні та гравітаційні сили були виявлені і вивчені набагато раніше (внаслідок дальнодействующей характеру електромагнітних і гравітаційних сил відбувається складання сил, що діють з боку великого числа частинок, і таким чином виникає взаємодія між макроскопічними тілами).
Для пояснення малого радіуса дії ядерних сил була висунута гіпотеза, згідно з якою з і Патерналізм взаимод е йствія між нуклонами (N) відбувається завдяки тому, що вони обмінюються один з одним деякою часткою, яка має масою, аналогічно тому, як електромагнітна взаємодія між зарядженими частинками, згідно квантової електродинаміки, здійснюється за допомогою обміну «частками світла» - фотонами. При цьому передбачалося, що існує специфічна взаємодія, що приводить до випускання і поглинання проміжної частинки - переносника ядерних сил, який назвали с і кту взаимод е йствіямі.
Відповідно до квантової механіки, час спостереження системи D t і невизначеність у її енергії D E пов'язані невизначеностей співвідношенням: D E D t ~ 
, Де - Постійна Планка. Тому, якщо вільний нуклон випускає частку з масою m (тобто енергія системи змінюється відповідно до формули теорії відносності на величину D E = mc2, де с - швидкість світла), то це може відбуватися лише на час D t ~ / Mc 2. За цей час частка, що рухається зі швидкістю, що наближається до гранично можливої швидкості світла с, може пройти відстань порядку / Mc. Отже, щоб взаємодія між двома частинками здійснювалося шляхом обміну часткою маси т, відстань між цими частками має бути порядку (або менше) / Mc, тобто радіус дії сил, які переносяться часткою з масою m, повинен складати величину / Mc. При радіусі дії ~ 10 -13 см маса переносника ядерних сил повинна бути близько 300 m e (де m e - маса електрона), або приблизно в 6 разів менше маси нуклона. Така частка була виявлена в 1947 і названа пі-мезоном (півонією, p).
Залежно від участі в тих чи інших видах взаємодій всі вивчені Е. ч., за винятком фотона, розбиваються на дві основні групи: адрони (від грецького hadros - великий, сильний) і лептони (від грецького leptos - дрібний, тонкий, легкий) .
Елементарні частинки
Елементарні частинки, дрібні відомі частки фізичної матерії. Уявлення про елементарні частинки відображають ту ступінь у пізнанні будови матерії, яка досягнута сучасною наукою. Характерна особливість елементарних частинок - здатність до взаємних перетворень; це не дозволяє розглядати елементарні частинки як найпростіші, незмінні «цеглинки світобудови», подібні атомам Демокріта. Число частинок, які називаються в сучасній теорії елементарними частинками, дуже велике. Кожна елементарна частинка (за винятком абсолютно нейтральних частинок) має свою античастинку. Всього разом з античастинками відкрито (на 1978) понад 350 елементарних частинок. З них стабільні фотон, електронне і мюонне нейтрино, електрон, протон і їх античастинки; інші елементарні частинки мимовільно розпадаються за час від 10 3 с для вільного нейтрона до 10 -22 - 10 -24 с для резонансів. Однак не можна вважати, що нестабільні елементарні частинки «складаються» зі стабільних хоча б тому, що одна і та ж частинка може розпадатися кількома способами на різні елементарні частинки.
Класифікація елементарних частинок
Класифікація елементарних частинок виробляється за типами фундаментальних взаємодій, в яких вони беруть участь, і на основі законів збереження низки фізичних величин. Окрему «групу» становить фотон. Частки зі спіном 1 / 2, що не беруть участі в сильній взаємодії і які мають зберігається внутрішньою характеристикою - лептонний зарядом, утворюють групу лептонів.
Елементарні частинки, що беруть участь у всіх фундаментальних взаємодіях, включаючи сильне, називаються адронами. Характерним для адронів сильним взаємодіям властиво максимальне число зберігаються величин (законів збереження), в т. ч. специфічного для них - баріонного заряду, дива, ізотопічного спина, «зачарування».
Адрони
Адрони діляться на баріони і мезони. За сучасними уявленнями, адрони мають складну внутрішню структуру: баріони складаються з 3 кварків, мезони - з кварка і антикварка. При зіткненнях елементарних частинок відбуваються всілякі перетворення їх один в одного (включаючи народження багатьох додаткових часток), що не забороняються законами збереження.
Послідовна теорія елементарних частинок, яка передбачала б можливі значення мас елементарних частинок і інші їхні внутрішні характеристики, ще не створена.
Адрони - (термін походить від грец. Hadros - великий, сильний; термін запропонований Л. Б. окунем в 1967).
Частинки, які беруть участь у сильній взаємодії. До адронів відносяться всі баріони (у т. ч. нуклони - протон і нейтрон) і мезони. Адрони мають зберігаються в процесах сильної взаємодії квантовими числами: дивиною, чарівністю, красою та ін Близькі за масою адрони, що мають однакові значення зазначених квантових чисел, а також баріонного числа і спина можуть бути об'єднані в ізотопічних мультиплет, що включають в себе адрони з різними електричними зарядами. Ізотопічних мультиплет, що відрізняються тільки значенням дивацтва, можуть бути, у свою чергу, об'єднані в більш великі групи частинок - супермультіплети групи SU (3).
Адрони з В = +1 утворюють підгрупу баріонів (сюди входять протон, нейтрон, гіперонів, баріонів резонанси), а адрони з В = 0 - підгрупу мезонів (p-і К-мезони, бозони резонанси). Назва підгруп адронів походить від грецьких слів bar ýs - важкий і m ésos - середній, що на початковому етапі досліджень Е. ч. відображало порівняльні величини мас відомих тоді баріонів і мезонів. Пізніші дані показали, що маси баріонів і мезонів порівнянні. Для лептонів В = 0. Для фотона В = 0 і L = 0.
Ядерна фізика і мезони поділяються на вже згадувані сукупності:
звичайних (недивно) часток (протон, нейтрон, p-мезони), дивних частинок (гіперонів, К-мезони) і
зачарованих часток. Цьому поділу відповідає наявність у адронів особливих квантових чисел: дивацтва S і чарівності (англійське charm) Ch з допустимими значеннями: 151 = 0, 1, 2, 3 та | Ch | = 0, 1, 2, 3. Для звичайних частинок S = 0 і Ch = 0, для дивних частинок | S | ¹ 0, Ch = 0, для зачарованих часток | Ch | ¹ 0, а | S | = 0, 1, 2. Замість дивацтва часто використовується квантове число гіперзаряд Y = S + В, що має, мабуть, більш фундаментальне значення.
Властивості елементарних частинок. Класи взаємодій
Характеристики елементарних частинок.
Найбільш важливе квантове властивість все елементарних частинок - їх здатність створюватися і знищуватися (випускати і поглинатися) при взаємодії з іншими частками.
Характеристики елементарних частинок.
Кожна елементарних частинок, поряд зі специфікою властивих їй взаємодій, описується набором дискретних значень певних фізичних величин, або своїми характеристиками
Загальними характеристиками всіх елементарних частинок є маса (m), час життя (t), спін (J) і електричний заряд (Q). Поки немає достатнього розуміння того, за яким законом розподілені маси елементарних частинок і чи існує для них якась одиниця виміру.
Маса, одна з основних фізичних характеристик матерії, яка визначає її інертні і гравітаційні властивості.
Всі елементарні частинки є об'єктами виключно малих мас і розмірів. У більшості з них маси мають порядок величини маси протона, яка дорівнює 1,6 × 10 -24 г (менше лише маси електрона: 9 × 10 -28 г). Певні з Розміри протона, нейтрона, p-мезона по величині дорівнюють 10 -13 см. Розміри електрона і мюона визначити не вдалося, відомо лише, що вони менші 10 -15 см
У залежності від часу життя елементарні частинки поділяються на стабільні, квазістабільні і нестабільні (резонанси).
Стабільними, в межах точності сучасних вимірів, є електрон (t> 5 × 10 21 років), протон (t> 2 × 10 30 років), фотон і нейтрино.
До квазістабільні відносять частинки, які розпадаються за рахунок електромагнітних і слабких взаємодій. Їх часи життя> 10 -20 сек (для вільного нейтрона навіть ~ 1000 сек). Резонансами називаються елементарні частинки, які розпадаються за рахунок сильних взаємодій. Їх характерні часи життя 10 -23 -10 -24 сек. У деяких випадках розпад тяжких резонансів (з масою ³ 3 Гев) за рахунок сильних взаємодій виявляється пригніченим і час життя збільшується до значень - ~ 10 -20 сек.
Спін (англ. spin, букв. - Обертання), власне момент кількості руху мікрочастинки, що має квантову природу і не пов'язаний з рухом частинки як цілого; вимірюється в одиницях Планка постійної ћ і може бути цілим (0, 1, 2, ... ) або напівцілим (1 / 2, 3 / 2 ,...).
Спін p-і К-мезонів дорівнює 0, у протона, нейтрона і електрона J = 1 / 2, у фотона J = 1
Баріонів заряд (баріонна число) (B), одна з внутрішніх характеристик баріонів. У всіх баріонів B = +1, а у їхніх античастинок B = -1 (у решти елементарних частинок B = 0). Алгебраїчна сума баріонним зарядів, що входять в систему частинок, залишаються при всіх взаємодіях.
Ізотопічного спін (ізоспін, I), внутрішня характеристика адронів і атомних ядер, що визначає число (n) часток в одному ізотопічного мультиплет: n = 2 I +1. У процесах сильної взаємодії ізотопічний спін зберігається.
Парність - квантове число, що характеризує симетрію хвильової функції фізичної системи або елементарної частинки при деяких дискретних перетвореннях: якщо при такому перетворенні не змінює знака, то парність позитивна, якщо змінює, то парність негативна. Для абсолютно нейтральних частинок (або систем), які тотожні своїм античастинка, крім парності просторової, можна ввести поняття зарядовим парності і комбінованої парності (для інших частинок заміна їх античастинками змінює саму хвильову функцію).
Важливою характеристикою адронів є також внутрішня парність Р, пов'язана з операцією просторів, інверсії: Р приймає значення = 1.
, Ізотопічний спін, гіперзаряд, парність, комбінована парність, дивність, чарівність, і т.д.).
Дивина (S), ціле (нульове, позитивне чи негативне) квантове число, що характеризує адрони. Дивина частинок і античастинок протилежні за знаком. Адрони з S0 називаються дивними. Дивина зберігається в сильному і електромагнітному взаємодіях, але порушується (на 1) у слабкій взаємодії.
«Краса» («чарівність»), квантове число, що характеризує адрони; зберігається в сильному і електромагнітному взаємодіях і не зберігається в слабкому. Носієм «краси» є b-кварк. Адрони з ненульовим значенням «краси» називаються «красивими» («чарівними»), виявлені на досвіді.
«Чарівність» (Чармен, шарм), квантове число, що характеризує адрони (або кварки); зберігається в сильному і електромагнітному взаємодіях, але порушується слабкою взаємодією. Частинки з ненульовим значенням «чарівність» називаються «зачарованими» частинками.
Колір, квантове число, що характеризує кварки і глюони. Для кожного типу кварка приймає одне з трьох можливих значень. У квантовій хромодинамике з «кольором» пов'язаний специфічний «кольорової заряд», який визначає взаємодія «кольорових» часток.
DМ = Zm p + Nm n-M (Z, N) = E св / c 2,
де M - маса ядра, що має Z протонів і N нейтронів; m p, m n - маси протона і нейтрона. Для атомів, молекул, кристалів величина дефекту маси пренебрежимо мала.
Збереження закони, закони, згідно з якими чисельні значення деяких фізичних величин не змінюються з плином часу при різних процесах. Найважливіші закони збереження - закони збереження енергії, імпульсу, моменту кількості руху, електричного заряду. Крім цих суворих законів збереження існують наближені закони збереження, які справедливі лише для певного кола процесів; напр., Збереження парності порушується лише слабкими взаємодіями.
Теорія унітарної симетрії SU
Відкриття великого числа резонансів і встановлення їх квантових чисел показало, що адрони, що входять в різні ізотопічних мультиплет, можуть бути об'єднані в більш широкі групи частинок з однаковими спинами, парністю і баріонним зарядом, але з різними гіперзарядамі - т. зв. супермультіплети. Наприклад, 8 баріонів зі спіном 1 / 2 і покладе. парністю: нуклони N (протон і нейтрон) з ізотопічних спіном I = 1 / 2 і гіперзарядом Y = 1, S-гіперонів (S +, S 0, S -) c I = 1, Y = 0, L-гіперон з I = 0, Y = 0, X-гіперонів (X 0, X -) з I = 1 / 2, Y = - 1 можуть бути об'єднані в єдиний супермультіплет - октет баріонів. У супермультіплет (декаплет) об'єднуються також баріони зі спіном 3 / 2 і позитивної парності; цей мультиплет включає резонанси D (D + +, D +, D 0, D -) з I = 3 / 2, Y = 1, резонанси S * (S + *, S 0 *, S - *) c l = 1, Y = 0, резонанси X * (X 0 *, X - *) з I = 1 / 2, Y = - 1 і W - = гіперон з I = 0, Y = - 2. Аналогічним чином в супермультіплети об'єднуються і мезони. Наприклад, p-мезони (p +, p 0, p -) з I = 1, Y = 0, K-мезони (K +, K 0, K -, K 0) з I = 1 / 2, Y = ± 1 і h-мезон c I = 0, Y = 0 об'єднуються в октет мезонів зі спіном 0 і негативною парністю. Оскільки, однак, маси частинок, що входять в один і той же супермультіплет, помітно відрізняються один від одного, ясно, що симетрія С. в., Внаслідок якої існують групи «схожих» частинок, є не точною, а наближеною симетрією. Можна вважати, що С. в. складається з володіє високим ступенем симетрії т. н. «Надсильного» взаємодії та порушує симетрію «помірно сильного» взаємодії.
Кварки
Кварки - гіпотетичні фундаментальні частинки, з яких за сучасними уявленнями, складаються всі адрони (баріони - з трьох кварків, мезони - з кварка і антикварка). Кварки мають спіном 1 / 2, баріонним зарядом 1 / 3, електричними зарядами - 2 / 3 і + 1 / 3 заряду протона, а також специфічним квантовим числом «колір». Експериментально (опосередковано) знайдені 6 типів («ароматів») кварків: u, d, s, c, b, t. У вільному стані не спостерігалися.
Гіпотетичні електрично нейтральні частинки з нульовою масою і спіном 1, здійснюють взаємодію між кварками називаються глюонами. Подібно кварків, глюони мають квантової характеристикою «колір».
Висновок
Вивчення структури різних елементарних частинок, і в першу чергу протона і нейтрона, знаходиться на самому передньому краї фронту досліджень у фізиці елементарних частинок. Протон і нейтрон - це остаточні основні стану всіх баріонів. З обох цих частинок побудовані всі атомні ядра, що знаходяться у своїх основних станах.
Класифікація адронів виявилася дуже успішною, при цьому вдалося трохи зазирнути в структуру адронів, представити їх складаються з кварків. Але багато що ще належить з'ясувати.
Не так давно з'явилася нова теорія елементарних частинок, названа «теорією зашнуровкі». Відповідно до неї жодна з частинок не є більш фундаментальною й елементарної, ніж інші. Кожна елементарна частинка існує тому, що існують всі інші частинки.
Список літератури
В. Акоста, К. Кован, Б. Грем «Основи сучасної фізики», М. Освіта, 1981;
І. Розенталь «Елементарні частинки і структура Всесвіту», М. Наука, 1984;
К. Мухін «Цікава ядерна фізика», М. Вища школа, 1985
Боголюбов М.М., Медведєв Б.В., Поліванов М. К., Питання теорії дисперсійних співвідношень, М., 1958;
Логунов А.А, Основні тенденції в розвитку теорії сильних взаємодій, «Фізика елементарних частинок, і атомного ядра (ЕЧАЯ)», 1974, т. 5, ст. 3;