"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Элементарные частицы — объекты микромира, свойства и превращения которых изучают с помощью экспериментов, в том числе столкновений частиц. Одни из них, например электроны, относятся к лептонам, другие — адроны — имеют кварковую структуру. Частицы могут иметь античастицы и превращаться друг в друга, но такие процессы не происходят произвольно: их ограничивают законы сохранения. В основе происходящего лежат четыре фундаментальных взаимодействия — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Элементарная частица — объект микромира, который в современной физике не рассматривают как состоящий из более простых частиц. Однако это не означает абсолютной неделимости: представления об элементарности меняются с развитием науки, а некоторые частицы, например протоны, имеют внутреннюю структуру. Это понятие помогает описывать состав вещества и процессы на самом малом изучаемом уровне.
Античастица — частица, совпадающая с соответствующей частицей по массе, но имеющая противоположные значения некоторых характеристик. Например, заряд позитрона положителен, а заряд электрона — отрицателен; при этом могут различаться и другие квантовые характеристики. Понятие античастицы нужно, чтобы описывать симметрию микромира и превращения частиц.
Лептоны — класс частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. К ним относятся электрон, мюон, тау-лептон и нейтрино. Такое деление показывает, какие взаимодействия могут влиять на частицу.
Адроны — частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Их делят на барионы, к которым относятся протон и нейтрон, и мезоны; обе группы состоят из кварков. Это деление помогает различать адроны по составу и свойствам.
Частицы обнаруживают не прямым наблюдением, а по следам, которые они оставляют в детекторах, и по продуктам их взаимодействий. В столкновениях частицы могут передать друг другу энергию и импульс, а часть энергии — перейти в массу новых частиц. Поэтому ускорители позволяют изучать объекты, которые не встречаются в обычных условиях. По набору и свойствам продуктов учёные восстанавливают, что произошло в столкновении.
Существование античастиц означает, что частица и её античастица могут взаимно превращаться в другие частицы — это называется аннигиляцией. Например, электрон и позитрон могут превратиться в фотоны, если соблюдаются законы сохранения. Масса исходных частиц не пропадает: соответствующая энергия входит в энергию продуктов реакции. Обратный процесс, рождение пары частица — античастица, возможен при достаточной энергии и соблюдении тех же ограничений.
Лептоны отличаются от адронов прежде всего тем, что не испытывают сильного взаимодействия. Адроны, напротив, взаимодействуют сильно, а эксперименты показывают, что многие их свойства объясняются наличием внутри кварков. Кварки удерживаются сильным взаимодействием и не наблюдаются поодиночке в обычных условиях. Поэтому протон — не элементарная частица в строгом смысле, хотя его часто изучают как самостоятельную частицу.
В природе выделяют четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Их различают по тому, на какие частицы они действуют, насколько далеко распространяются и какова их относительная интенсивность. Сильное взаимодействие наиболее интенсивно, но проявляется на очень малых расстояниях; слабое также короткодействующее и отвечает за некоторые превращения частиц. Электромагнитное и гравитационное взаимодействия имеют неограниченную дальность, хотя гравитация на уровне частиц чрезвычайно слаба.
Взаимодействия могут менять состояние частиц и превращать одни частицы в другие: например, слабое взаимодействие участвует в некоторых процессах радиоактивного распада. Но возможны не любые превращения. Для каждого процесса должны выполняться законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда, а также другие правила, связанные с характеристиками частиц. Проверяя их, можно определить, допустима ли реакция и какие продукты в ней могут возникнуть.
| Взаимодействие | На какие частицы действует | Относительная интенсивность | Дальность действия | Пример проявления |
|---|---|---|---|---|
| Гравитационное | На все частицы, обладающие энергией | Около 10⁻³⁸ | Не ограничена | Притяжение тел и удержание планет на орбитах |
| Электромагнитное | На электрически заряженные частицы | Около 10⁻² | Не ограничена | Взаимодействие электронов с ядрами |
| Сильное | На кварки и адроны | 1 | Около 10⁻¹⁵ м | Связь кварков в протоне |
| Слабое | На кварки и лептоны | Около 10⁻¹³ | Около 10⁻¹⁸ м | Некоторые виды радиоактивного распада |
Относительная интенсивность дана приблизительно: за единицу принято значение для сильного взаимодействия. Чтобы сравнить взаимодействия, сначала смотрите, на какие частицы они действуют, а затем сопоставляйте дальность и интенсивность. Например, гравитация действует повсюду, но на уровне частиц намного слабее других взаимодействий.
Задача 1. У электрона и позитрона одинаковы массы. Укажите, какие свойства у них противоположны. Чтобы ответить, нужно отделить общие характеристики частицы и античастицы от тех, которые изменяются при переходе к античастице. Одной разницы в названии недостаточно: надо сопоставить известные свойства пары.
Ответ: противоположны электрические заряды и некоторые другие квантовые характеристики; массы одинаковы.
Задача 2. Определите, к какому классу относятся протон, нейтрино и мезон: к лептонам или адронам. Для решения используйте критерий участия в сильном взаимодействии. Дополнительно проверьте, связан ли объект с кварковой структурой, характерной для адронов.
Ответ: протон и мезон — адроны, нейтрино — лептон.
Задача 3. При аннигиляции частицы и античастицы образуются другие частицы. Объясните, почему нельзя считать, что исходная масса просто исчезла. Нужно рассматривать весь процесс, а не только исчезновение исходных объектов: масса связана с энергией, а продукты реакции обладают энергией и импульсом. Допустимыми будут лишь такие продукты, которые удовлетворяют законам сохранения.
Ответ: энергия исходных частиц переходит в энергию продуктов аннигиляции; законы сохранения при этом выполняются.
Ошибка: считать элементарную частицу обязательно неделимой. Так думают из-за буквального смысла слова, но в физике оно означает, что объект не описывают как составленный из более простых частиц в рамках принятой модели. Проверяйте себя: адроны, например протоны, имеют кварковую структуру.
Ошибка: считать, что античастица отличается только знаком заряда. Заряд — наглядный пример, поэтому другие характеристики легко упустить. Сверьте свойства пары целиком: массы совпадают, а противоположными могут быть также другие квантовые характеристики.
Ошибка: полагать, что сильное взаимодействие действует на все частицы. Это неверно, потому что лептоны, например электроны и нейтрино, в нём не участвуют. Проверка простая: если частица относится к лептонам, сильного взаимодействия у неё нет.
Ошибка: называть аннигиляцию исчезновением энергии. Исходные частицы перестают существовать как прежние объекты, но продукты реакции уносят энергию и импульс. Проверяйте описание процесса по законам сохранения: энергия, заряд и импульс должны быть сбалансированы до и после реакции.
Для понимания превращений частиц нужны законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Они позволяют проверить, возможна ли реакция, и предсказать свойства её продуктов. Представления о строении атома и ядра помогают связать микромир с уже знакомыми объектами.
Эта тема пригодится при изучении ядерных реакций, радиоактивности и строения вещества. Классификация частиц и понятие взаимодействия помогают объяснить, почему ядра распадаются, а частицы рождаются или превращаются. Кварковая модель показывает, как современная физика описывает внутреннее строение адронов.
Физика поля связывает свойства частиц с действием на расстоянии. Электромагнитное поле объясняет взаимодействие заряженных частиц, а гравитационное — взаимодействие масс и энергии. Сравнение этих случаев показывает, почему для описания микромира нужны разные фундаментальные взаимодействия.
Почему элементарные частицы так называют, если некоторые из них состоят из кварков?
Элементарными называют частицы, которые в современной физике не описываются как состоящие из более простых объектов. Адроны, например протон, имеют внутреннюю структуру из кварков, поэтому они не элементарны в строгом современном смысле. Название отражает уровень знаний и принятую классификацию частиц.
Чем античастица отличается от обычной частицы?
У частицы и соответствующей античастицы одинаковы массы, но противоположны электрические заряды, если заряд у них есть. Могут различаться и другие квантовые характеристики. Например, античастица электрона — позитрон — имеет положительный заряд.
Почему электрон — лептон, а протон — адрон?
Электрон не участвует в сильном взаимодействии, поэтому его относят к лептонам. Протон участвует в сильном взаимодействии и состоит из кварков, поэтому это адрон. По той же причине нейтрино — лептон, а мезон — адрон.
Какое фундаментальное взаимодействие самое сильное?
Самое интенсивное на уровне частиц — сильное взаимодействие. Оно связывает кварки внутри адронов и действует на очень малых расстояниях. Сильное взаимодействие удерживает вместе частицы в атомных ядрах.
Что происходит с энергией при аннигиляции?
При аннигиляции частица и античастица превращаются в другие частицы, часто в фотоны. Энергия исходных частиц не исчезает, а переходит в энергию продуктов реакции. Одновременно должны выполняться и другие законы сохранения, например закон сохранения импульса.
§ 72. Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия
