Сторінка
2

Елементарні частинки

Мюони взаємодіють із ядрами атомів дуже слабко, тому вони не можуть бути носіями ядерної взаємодії.

Адрони. Мезони. Гіперони

Адрони, на відміну від лептонів, можуть брати участь у сильній ядерній взаємодії. До цієї групи належать нуклони (протон і нейтрон), мезони (група частинок j масою меншою, ніж маса протона) і гіперони (група частинок із масою більшою, ніж маса протона).

Мезони бувають двох типів:

π-мезони (піони);

К-мезони (каони).

Піони були вперше штучно отримані бомбардуванням а-частинками атомів Be, С і Сu. π-Мезони сильно взаємодіють із нуклонами й атомними ядрами; вони є головним чинником існування ядерних сил.

Піони можуть бути позитивно (π+) і негативно (π ) зарядженими Чисельно величина їхнього заряду дорівнює величині заряду електрона Крім того, існують і нейтральні (π0) піони.

Піони нестабільні. Час життя заряджених піонів складає 2,6 10-8 с. незаряджених - 0,8 •10-16 с.

Спонтанно я-мезони розпадаються за такою схемою

Маси позитивно і негативно заряджених π-мезонів однакові й складають 273,1 от . Маса π°-мезона дорівнює 264,1 тс Усі мезони належать до легких частинок. Заряджені піони мають нульовий спін.

К-мезони — частинки з нульовим спіном і масою 970/и, Відомі 4 типи каонів

К+ — позитивно заряджений кцон;

К" — негативно заряджений каон;

К° і К° — нейтральні каони.

Час життя К-мезонів коливається в періоді від 10 8 до 10 10 с і залежить від їхнього типу. Розпад заряджених каонів відбувається відповідно до такої схеми

Гіперони — важкі нестабільні елементарні частинки масою (2183-3273)тс, що перевищує масу протона. Відомо кілька типів гіперонів

Спін гіперонів дорівнює 1/2 (для Ω -гіперону 3/2). Час життя гіперонів складає 10-10 с (для Ω°-гіперонів 10-20 с). Розпад гіперонів супроводжується утворенням нуклонів і легких частинок (я-мезонів, електронів, нейтрино і у-квантів)

Властивості гіперонів дозволили виявити ще одну квантову характеристику елементарних частинок — дивність Справа в тому, що розрахований теоретично час життя гіперонів був у 1013 разів менший, ніж експериментально встановлений Закон збереження дивності s пояснив цей факт, а також і те, що гіперон народжується кожного разу у парі з К-мезоном. Слід зауважити, що закон збереження дивності виконується тільки при сильних і електромагнітних взаємодіях.

Античастинки

Квантова теорія передбачала існування античастинок задовго до експериментального доказу цього факту. Наявність у кожної елементарної частинки античастинки підтверджується принципом зарядового спряження. Справді, кожній частинці, m винятком фотона і π°-мезона, відповідає античастинка.

Частинка та античастинка мають однакову масу і рівну тривалість життя у вакуумі. їхній заряд однаковий за величиною і протилежний за знаком. Спін частинки та античастинки однаковий.

Довгий час вважалося, що, завдяки подібності характеристик, частинки та античастинки повинні брати участь в аналогічних процесах (повна симетрія). Пізніше було доведено, що подібна симетрія характерна тільки для сильної й електромагнітної взаємодій, а для слабкої порушується.

Процес зіткнення частинки з античастинкою, у результаті чого виникають інші елементарні частинки або фотони, одержав назву анігіїяція. Першим прикладом анігіляції у фізиці стала взаємодія електрона й позитрона з утворенням двох у-квантів:

Для створення пари «частинка-античастинка» потрібна енергія, яка дорівнює або перевищує подвоєну енергію спокою пари. Це відбувається тому, що частинкам необхідно надати значної кінетичної енергії. Наприклад, для створення пари «протон-антипротон» (р-р) потрібно витратити 4,4 ГеВ.

Античастинки можуть анігілювати не тільки з відповідними до них частинками, але і з іншими частинками також. Наприклад, антипротон анігілює і з протоном, і з нейтроном відповідно до наступних схем:

Відмінність частинки та античастинки полягає не тільки в різнойменності їхніх зарядів. Крім цього, розрізняються їхні магнітні моменти. Так, нейтрон (π) і антинейтрон (π) відрізняються знаком власних магнітних моментів.

Існує група елементарних частинок, для яких немає античастинок. Це так звані істинно нейтральні частинки. До них належать фотон, π°-мезон і π-мезон (тη = 1074mt, час життя 7 10 19,с, при розпаді утворюються π-мезони і γ-кванти). Вважають, що істинно нейтральна частинка тотожна зі своєю античастинкою. У силу цього істинно нейтральні частинки не здатні анігілювати, зате вони зазнають взаємних перетворень.

Перетворення елементарних частинок

Розглянемо схему розпаду мюона:

На підставі цієї схеми можна зробити висновок, що мюон складається з трьох елементарних частинок, але це твердження не буде правильним. Досить узяти до уваги той факт, що для деяких частинок існує кілька схем розпаду.

Розпад частинки — перетворення її на деяку сукупність нових частинок, породжених у результаті її знищення.

При зіткненнях частинок картина взаємних перетворень не менш багата, ніж при їхньому розпаді. Наприклад, при зіткненні фотона з нейтроном мають місце такі перетворення:

З наведених схем видно, що сума мас спокою кінцевих частинок більша, ніж вихідних. Таким чином, енергія частинок, що зіштовхуються, перетворюється на масу, що не суперечить формулі Ейнштейна:

ΔЕ = Δтс2.

Також зі схем випливає, що неможливо розщепити елементарні частинки ! (зокрема нейтрони), бомбардуючи їх іншими частинками (у цьому випадку фотонами): насправді ж відбувається не розщеплення обстрілюваних частинок, а народження нових, причому значною мірою це відбувається за рахунок енергії частинок, що зіштовхуються.

Взаємні перетворення елементарних частинок мають свої закономірності, що перегукуються із законами класичної фізики. Так, дуже важливим є той факт, що для елементарних частинок також можуть бути застосовані закони збереження їхніх фундаментальних характеристик. Наприклад, для елементарних частинок виконується закон збереження електричного заряду: при будь-якому взаємному перетворенні частинок алгебраїчні суми електричних зарядів вихідних і кінцевих частинок рівні. Це дозволяє відразу виключити з аналізу ті схеми, де ця умова не виконується.