Элементы квантовой физики. Строение атома и ядра



страница18/18
Дата06.01.2013
Размер0.86 Mb.
ТипДокументы
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   18

4.3.Гипотеза строения элементарных частиц из кварков. @


В настоящее время не существует законченной теории, объясняющей все характеристики частиц и все виды реакций, но разработана хорошая гипотеза для классификации частиц. Эта классификация основана на представлении о существовании суперэлементарных частиц – кварков, из которых как бы «состоят» частицы. Под термином «состоят» не следует понимать их простое объединение, т.к. например масса покоя частицы может быть намного меньше масс кварков, из которых она «состоит», этот термин только обозначает тот факт, что при реакциях происходит переобъединение кварков в другие частицы с сохранением суммарных характеристик системы частиц.

Гипотеза строения элементарных частиц из более фундаментальных частиц   кварков была предложена Гелл-Манном и Цвейгом в 1964 году. Кварки несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо  1 / 3 или  2 / 3 от заряда электрона. Все кварки имеют спин 1/2, поэтому они относятся к фермионам. Чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны, Гелл-Манн и Цвейг ввели три сорта (аромата) кварков: u (от up- верхний), d (от down- нижний), s (от strange - странный) и три соответствующих антикварка. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы, более легкие пары кварк - антикварк образуют мезоны. Например, протон состоит из двух u- и одного d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей". Оказалось, что сильное взаимодействие представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны.
Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов (сортов) кварков. Они получили названия: c -кварк (от charm - очарование); b -кварк (от beauty - прелесть); впоследствии был введен еще один аромат - t ( от top - верхний). Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносчики сильного взаимодействия - глюоны (цветовые заряды).

Для описания всех известных (в настоящее время) характеристик частиц оказалось достаточным иметь всего 36 кварков. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков с помощью глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Гипотеза кварков позволила предсказать существование новых частиц, которые были позднее обнаружены экспериментально, но обнаружить экспериментально сами кварки пока еще не удалось. Хотя и существуют некоторые недостатки у кварковой теории, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и предполагается, что между этими двумя различными семействами должна существовать взаимосвязь. Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий и с учетом существования для каждой частицы античастицы) на конец ХХ века равно 48 (лептонов (6х2) = 12, кварков (6х3)х2 =36). По современным представлениям, законченная теория строения материи должна включать кроме самой теории элементарных частиц и теорию фундаментальных взаимодействий.

4.4.Гипотеза Великого объединения всех видов взаимодействия.@


В 70-е ХХ века в естествознании было установлено, что электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы весьма разные по своей природе, в действительности являются двумя разновидностями единого так называемого электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ века - это убеждение, что все взаимодействия поддерживают в природе некий набор абстрактных симметрий. Принято считать, что объект обладает симметрией, если он остается неизменным в результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов на отрицательные. Таким образом, под симметрией понимается инвариантность (неизменность) свойств относительно какой либо операции. Существуют разные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди последних есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и связаны с преобразованием уровня отсчета или масштаба некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при таком преобразовании. Например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение - от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что с её помощью можно, в принципе, объяснить теоретически все четыре фундаментальных взаимодействия.

Выяснилось, что симметрия электромагнитного взаимодействия входит в симметрию слабого взаимодействия. Для объяснения этого пришлось ввести три новых силовых поля и, соответственно, три новых типа частиц - переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1, их условное обозначение Z, W+ и W- частицы. В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Опираясь на идею спонтанного нарушения симметрии, авторы теории электрослабого взаимодействия Вайнберг и Салам сумели решить великую теоретическую проблему - они объединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля. Проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W и Z -частиц. Их открытие в 1983 году стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа и означало торжество теории единого электрослабого взаимодействия. Из четырех фундаментальных взаимодействий осталось три.

Следующий шаг на пути объединения всех фундаментальных взаимодействий - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Для этого необходимо было придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию и сильное взаимодействие представлять как результат обмена глюонами. Было сделано предположение, что каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля, его назвали цветом (это название не имеет никакого отношения к обычному цвету). Каждый кварк "окрашен" в один из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим, соответственно антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние. Далее теория сильного взаимодействия развивалась по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Были введены восемь новых вспомогательных силовых полей и восемь различных типов переносчиков этих полей – глюонов. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый). Поэтому, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка ("игра цветов"). Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени "суммарный" цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму "красный + зеленый + синий". Такое своеобразное введение “цветов” дало теории сильного взаимодействия название квантовой хромодинамики. С точки зрения квантовой хромодинамики сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Квантовая хромодинамика во многом объясняет правила, по которым возникают всевозможные комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой, сложную структуру адронов и др. Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, тем не менее, ее достижения многообещающи.

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий. Модели единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказывает возможные пути дальнейшего развития единства физики   объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что величины слабого и сильного взаимодействий становятся равными друг другу при некоторой очень большой энергии частиц, эту энергию называют энергией объединения. При этой энергии (более 1017 МэВ) и на расстояниях r < 10-31м сильные и слабые взаимодействия, возможно, имеют общую природу, при этом кварки и лептоны должны быть практически неразличимы. В настоящее время существуют разные подходы, порождающие конкурирующих варианты теорий Великого объединения. На проверку выводов этих подходов направлены усилия экспериментаторов, но пока еще твердо установленных экспериментальных данных нет. Дело в том, что теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц выше 1017 МэВ, это очень высокая энергия и сейчас трудно сказать, когда удастся получить частицы столь высоких энергий в ускорителях.

Библиографический список


1. И.Е.Иродов. Квантовая физика. М.,С. – Петербург, физматлит, 2001г.

2. И.В.Савельев. Курс физики. Т.3. 1989.

3. А.А.Детлаф, Б.М.Яворский. Курс физики. 1989.

4. Э.В.Шпольский. Атомная физика. Т.2. 1974.

5. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики.-М.: Высшая школа, 1961.

6. Давыдов А.С. Квантовая механика-М.: Физматгиз, 1968.

7. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Квантовая механика.-М.: Наука, 1978.

8. Матвеев А.Н Атомная физика.-М.: Высшая школа,1989.

9. Сивухин Д.В. Общий курс физики.Т.5. Атомная физика.-М.: Наука,1986.

10. Боум А. Квантовая механика.-М.: Мир,1990.
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   18

Похожие:

Элементы квантовой физики. Строение атома и ядра iconКонтрольный тест. Строение атома. Строение вещества
Заряд ядра атома и число неспаренных электронов у атома кислорода в основном состоянии соответственно равен
Элементы квантовой физики. Строение атома и ядра icon56. Атомная физика. Строение атома. Радиоактивность. Строение ядра
...
Элементы квантовой физики. Строение атома и ядра icon2. Когерентность и монохроматичность световых волн. Время и длина когерентности
Вопросы для зачетов по физике для студентов специальностей ВиВ; пг и сб по разделам: «Волновая оптика. Квантовая природа излучения....
Элементы квантовой физики. Строение атома и ядра icon«Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер» Радиоактивность
Вопросы к зачету по теме «Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер»
Элементы квантовой физики. Строение атома и ядра iconТест «Строение атома» Ядро атома состоит из … а
А разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное массовое число
Элементы квантовой физики. Строение атома и ядра iconБлок 16. Атом. Ядро атома. Ядерные реакции. Термоядерный синтез Строение атома
Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны. Находиться...
Элементы квантовой физики. Строение атома и ядра icon2. стабильные ядра и их основные характеристики 1 Состав ядра
Из анализа экспериментов следовало, что размеры ядра (~10-15 м) много меньше размеров самого атома (~10-10 м), при этом практически...
Элементы квантовой физики. Строение атома и ядра iconЛекция 14. Элементы квантовой статистики и зонной теории твердого тела 14 Понятие о квантовой статистике
Свойства систем, состоящих из огромного числа частиц, подчиняющихся законам квантовой механики, изучаются в разделе статистической...
Элементы квантовой физики. Строение атома и ядра iconУрок является шестым уроком в разделе «Строение атома и атомного ядра»
Предложенный урок является шестым уроком в разделе «Строение атома и атомного ядра»
Элементы квантовой физики. Строение атома и ядра iconОптика. Основы квантовой механики. Физика атома и атомного ядра
Элементы волновой теории света. Интерференция света. Электромагнитная природа света. Когерентность и монохроматичность световых волн....
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org