Микромир

Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия. В природе существуют качественно различные связанные системы объектов - ядра, атомы, макротела, звездные системы. Существует нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы разрушить систему частично или полностью, нужно затратить энергию. Взаимное влияние частей системы характеризуется энергией взаимодействия, или просто взаимодействием.

В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу основных фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному.

Гравитационное взаимодействие (тяготение). Притяжение тел к Земле, существование солнечной системы и галактик обусловлено действием сил тяготения, или, иначе, гравитационными взаимодействиями.

Эти взаимодействия универсальны, т.е. применимы к любым микромакрообъектам. Однако они существенны лишь для астрономических объектов, для формирования структуры и эволюции Вселенной как целого. Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают с уменьшением массы объектов и практически не играют роли для ядерных и атомных систем.

Источником гравитации являются массы тел, а дальность гравитационного взаимодействия неограниченна.

Закон всемирного тяготения (Ньютон): гравитационная сила, с которой притягиваются друг к другу две частицы (тела), обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами и прямо пропорциональна произведению их масс.

где G - гравитационная постоянная =

Электромагнитные взаимодействия. Ими обусловлены связи в атомах, молекулах и обычных макротелах. Радиус их действия также не ограничен, но оно преобладает внутри вещества: определяет химические связи, излучение света, намагничивание, словом, все явления, наблюдаемые в молекулах и атомах. Гравитационное взаимодействие здесь не сказывается из-за его малой силы, а слабое и сильное - из-за их короткого радиуса действия. Энергия ионизации атома, т.е. энергия отрыва электрона от ядра определяет значение электромагнитного взаимодействия, существующего в атоме.

Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия, которые гораздо интенсивнее электромагнитных (в сотни раз), ибо иначе ядро не могло бы образоваться. Эти взаимодействия проявляются лишь в пределах ядра на расстояниях менее 10^-13 см. Сильное взаимодействие скрепляет нуклоны в ядре и кварки внутри нуклонов.

Нуклон-нуклонная сила не является “чистой” силой притяжения. На расстояниях порядка 10^-14 см она становится силой отталкивания. Мы до сих пор не знаем природы этих сил во всех деталях; их разгадка является одной из главных проблем современной ядерной физики.

Слабые взаимодействия. Слабое взаимодействие существует между любыми парами элементарных части. Радиус их действия не больше, чем у ядерных сил, а может быть, и равен нулю.

Обнаруженная в 1896 году Беккерелем радиоактивность была первым сигналом о наличии слабых взаимодействий. Оказалось, что слабое взаимодействие принимает участие в некоторых термоядерных реакциях, поддерживающих излучение Солнца и других звезд.

Оно является единственным взаимодействием, существующим между электроном и нейтрино

Это взаимодействие виртуально (на короткое время) превращает каждый протон ядра в нейтрон, позитрон и нейтрино, а каждый нейтрон - в протон, электрон и антинейтрино.

Слабое взаимодействие вызывает переходы между разными типами кварков, бета-распады нуклонов в ядрах. При бета-распаде один из трех кварков, составляющих нуклон, переходит в кварк другого типа и излучает электроны и антинейтрино.

Нейтроны имеют массу, превышающую приблизительно на 1 МэВ сумму масс протона и электрона. Поэтому свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергии приблизительно 1 МэВ. Время жизни свободного нейтрона примерно 10 мин.

Аналогичное событие происходит с мюоном - он распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Перед тем, как распасться, мюон живет около 10^-6 с.

40 лет понадобилось физикам, чтобы прийти к убеждению, что слабое взаимодействие переносится сверхмассивными частицами - в 100 раз тяжелее протона. Эти частицы имеют спин 1 и называются векторными бозонами (открыты в 1983 г.)

Значительное число медленных распадов элементарных частиц сопровождается излучением нейтрино. Эта частица крайне слабо взаимодействует с веществом. Длина пути между двумя столкновениями нейтрино с частицами вещества в среде с обычной плотностью - 10¹⁷ км. Следовательно, Земля для нейтрино совершенно прозрачна.

По своей величине основные взаимодействия располагаются в следующем порядке: сильное (ядерное) - электрическое - слабое - гравитационное.

Физики пытаются уловить связь между силами природы. Выяснилось, что электромагнитное и слабое взаимодействия связаны друг с другом. Электромагнитное поле представляет собой часть более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких компонент. Элементарные частицы - кварки и лептоны - излучают и поглощают кванты электрослабого поля, которыми являются фотоны и бозоны.

Радиус действия слабых сил см. На этом масштабе они объединяются с электромагнитными силами, а на меньших масштабах электрослабые поля неразделимы.

Дальше начинается область гипотез. Согласно большинству из них, электрослабые взаимодействия объединяются с сильными на масштабе см. Трудно представить себе эксперименты на таких малых масштабах. Однако решающий эксперимент для проверки этого, так называемого Великого объединения может быть проведен в ближайшие годы. Дело в том, что почти неизбежным следствием Великого объединения является нестабильность протона. Это процесс, при котором в нуклонах происходят превращения кварков в антикварки и лептоны.

Вероятности таких превращений очень малы, иначе просто не существовали бы ни мы сами, ни окружающая нас ядерная материя - она бы рассыпалась на более легкие частицы. По теоретическим оценкам время жизни протона должно составлять лет. Это намного больше, чем возраст Вселенной. Но даже такие крайне редкие события можно попытаться обнаружить.

Другое вероятное следствие Великого объединения - это существование монополей, одиночных магнитных зарядов. Их масса должна быть фантастически велика. Опыты по обнаружению космических монополей сейчас ведутся.

Эйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитного взаимодействия с гравитационным. Теперь это будет Суперобъединение - все четыре силы природы сводятся к одной, исходя из какого-то фундаментального принципа. В последнее время все чаще высказывается мысль, что этот принцип геометрический, как и принцип общей теории относительности.

Протон. Стабильная частица, ядро атома водорода. Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер элемента. Протон имеет положительный электрический заряд в точности равный абсолютной величине заряда электрона. Протон в 1836 раз тяжелее электрона. С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из трех кварков. Эксперименты по рассеянию электронов на протонах свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Размеры протона около см. Протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц. Время жизни протоналет, что во много раз больше возраста Вселенной (лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни.

Нейтрон. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд равен нулю. Состоит из трех кварков. Устойчив лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон - нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон и электронное антинейтрино. Время жизни нейтрона около 15 мин. Они возникают в природе или получаются в лаборатории в результате ядерных реакций. Масса нейтрона 1840. Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. Они играют важную роль в ядерной энергетике.

Кварки вначале рассматривались как чисто математические структурные элементы, открывающие возможность удобного описания адронов. Эксперименты выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований, которые отождествили с кварками.

Название было заимствовано М.Гелл-Маном в одном из романов Дж. Джойса. В переводе с немецкого “кварк” - “творог”, но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное; герою снится сон, где чайки кричат: ”Три кварка для мистера Марка”. Термин вошел в научный обиход, возможно, потому, что соответствовал двусмысленной и таинственной роли кварков в физике.

Кварк - частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом. Помимо спина кварки имеют еще две внутренние степени свободы - “аромат” и “цвет”. Каждый кварк может находиться в одном из трех “цветовых” состояний, которые условно называют “красным”, “синим” и “желтым”. Все три состояния одинаково поглощают и испускают кванты света. Массы всех цветовых состояний также строго одинаковы.

“Ароматов” известно пять и предполагается существование шестого: truth, beauty, charmed, strange, down, up (правдивый или истинный, прелестный или красивый, очарованный, странный, низ, верх). Свойства кварков с различными “ароматами” различны.

Каждый кварк может быть окрашен в любой из трех цветов, иметь по два спиновых состояния +1/2 и по два зарядовых состояния. Это дает 6x3x2x2, т.е. 72 варианта.

Обычное вещество состоит из легчайших u- и d-кварков, входящих в состав нуклонов ядер. Более тяжелые кварки рождаются искусственно.

Кварки участвуют во всех известных взаимодействиях - гравитационных, слабых, электромагнитных и сильных. Неизвестно, из чего состоят сами кварки; возможно, они элементарны. Их собственный размер, во всяком случае, меньше .

В свободном состоянии кварки до сих не наблюдались, и есть теоретические соображения, которые указывают на невозможность таких состояний для кварков.

Лептоны - частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны как и кварки, рассматривают как бесструктурные точечные частицы, как истинно элементарные.

Электрон - отрицательно заряженная элементарная частица, носитель наименьшей известной сейчас массы, и наименьшего электрического заряда в природе. Заряд электрона примерно равен Масса электрона примерно

Электрон стабилен, время его жизни не менее лет. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях.

Нейтрино - электрически нейтральная частица. Вероятно существует не более 4-6 типов нейтрино. Масса покоя нейтрино обычно считается равной нулю, как у фотона. Но в отличие от фотона для этого нет серьезных оснований. Японские и американские физики определили массу покоя электронного нейтрино в пределах 11 - 13,4 эВ/с2.

Нейтрино столь же распространенная частица как и фотон. Нейтрино образуется в слабых распадах атомных ядер и элементарных частиц. Мощные потоки нейтрино испускаются звездами в результате происходящих в их недрах термоядерных реакций. Предполагается, что нейтрино в изобилии рождаются при гравитационном коллапсе звезд. Наконец, все пространство заполнено нейтринным газом, оставшимся от ранних этапов развития Вселенной.

К частицам - переносчикам взаимодействий относятся: глюоны, фотоны и массивные промежуточные бозоны.

Взаимодействия элементарных частиц представляются как своеобразная игра в мячики: перебросом глюонами осуществляется связь между кварками, обмен фотонами происходит в актах взаимодействия электрически заряженных частиц, массивные промежуточные бозоны ответственны за медленные распады частиц и за чрезвычайно слабое взаимодействие всех типов нейтрино с веществом.

Фотон - квант электромагнитного поля, элементарная частица с нулевой массой покоя и спином, равным единице. Масса покоя, равная нулю, означает, что фотон невозможно ни остановить, ни замедлить. Независимо от своей энергии он обречен двигаться с фундаментальной скоростью c.

Фотон - наиболее распространенная из всех элементарных частиц. Он встречается и в потоках видимого света, и в рентгеновском излучении, и в виде радиоволн, и в лазерных импульсах.

В 1964 г. американские радиоастрономы А.Пензиас и Р.Вильсон обнаружили, что мировое пространство заполнено миллиметровыми радиоволнами, которые можно рассматривать как холодный фотонный газ при температуре 2,7 K. По современным представлениям, это излучение (его называют реликтовым) возникло на ранних стадиях развития Вселенной. Средняя плотность реликтовых фотонов составляет около 500 в 1 см3. Интересно, что плотность протонов во Вселенной в среднем не более одного на 1 м3. Таким образом, во Вселенной фотоны встречаются в миллиард раз чаще, чем протоны.

Античастицы. К настоящему времени экспериментально обнаружены античастицы почти всех элементарных частиц. Частица и соответствующая античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица-античастица является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода.

Античастицы могут собираться в антивещество. Так в Серпухове на ускорителе получен антигелий-3, у которого ядро состоит из двух антипротонов и одного антинейтрона и окружено оболочкой из пары позитронов.

Частицы и соответствующие им античастицы одинаково взаимодействуют с полем тяготения; это указывает на отсутствие “антигравитации”.

Несмотря на микроскопическую симметрию между частицами и античастицами, во Вселенной до сих пор не обнаружены области со сколько-нибудь заметным содержанием антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было бы мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом. Ведь аннигиляция только 1 г вещества и антивещества приводит к выделению Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн.

Вселенная в основном состоит из обычного вещества. Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурах количество частиц и античастиц совпадало: на большое количество антипротонов (примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один “лишний” протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частица и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает.

Идея о возникновении во Вселенной асимметрии между частицами и античастицами впервые была высказана А.Д.Сахаровым.

Ядра. Атомные ядра представляют собой связанные системы протонов и нейтронов (нуклонов). Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных нуклонов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра.

В отличие от массы электрические заряды ядер строго равны сумме зарядов, входящих в ядро протонов. Известны ядра с зарядом от 1e до 107e и с числом нуклонов от 1 до примерно 260. Особенно устойчивыми ядрами являются ядра с числами протонов или нейтронов 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, получившими название магических.

Плотность массы ядер Радиусы ядер от(ядро гелия) до(ядро урана). Периоды полураспадов изменяются в пределах от лет до с.