Инфоурок Физика ПрезентацииИстория развития элементарные частиц

История развития элементарные частиц

Скачать материал

 

 

 

 

 

 

Элементарные частицы

 

 

 

 

 

 

 

Подготовила: Ганеева Р.Ф

 

 

 

 

                              

 

Содержание

Введение………………………………………………………………..3

Тема 1. Элементарные частицы………...…………………………….4

Тема 2. История открытия элементарных частиц……………………….7

Тема 3. Классификация элементарных частиц………………………...17

Тем а 4.Фундаментальные взаимодействия частиц…………………..19

Тема 5. Барионы………………………………………………………………30

Тема 6. Мезоны……………………………………………………………….33

Тема 7. Лептоны………………………………………………………………37

Тема 8. Кварки………………………………………………………………...43

Тема 9. Античастицы ………………………………….................................46

Тема10.Радиоактивность, цепные реакции …………………………….53

Тема 11.Методы наблюдения и регистрации элементарных части.59

Тема 12.Ускорители заряженных частиц……………………………….60

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Данная тема весьма интересна, так как она рассказывает из каких частиц состоит материя.

Понятие «элементарная частица» сформировалось в связи с установлением строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение в начале 20-го века мельчайших носителей свойств вещества – атомов – позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и достаточно большого, количества составляющих – атомов.

Выявления сложного строения атомов, оказавшихся построенными всего из трёх типов частиц (электронов и протонов и нейтронов в ядре), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи заканчивается дискретными бесструктурными образованиями – элементарными частицами. Нельзя с уверенностью сказать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, долгое время считавшиеся элементарными, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Есть гипотеза о том, что существуют так называемые «геометрические кванты». Её смысл заключается в том, что на расстоянии 10ֿ³³ см силы взаимодействия настолько велики, что само пространство сворачивается в некие микрообъекты, напоминая губку, и меньших расстояний попросту не бывает. Эти шарики и представляют собой «геометрические кванты», или струны.

Сейчас термин «элементарные частицы» используется в не совсем точном значении, а включает в себя группу мельчайших частиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон – ядро атома водорода).

 

 

Тема 1. Что такое элементарная частица.

 Элементарными называют частицы, у которых на данный момент не обнаружено внутренней структуры. Еще в прошлом веке элементар­ными частицами считались атомы. Их внут­ренняя структура — ядра и электроны — была обнаружена в начале XX в. в опытах Э. Резерфорда. Размер атомов — около 10 -8 см ядер — в десятки тысяч раз меньше, а размер электронов совсем мал. Он меньше чем 10 -16 см, как это следует из современных тео­рий и экспериментов.

   Таким образом, сейчас электрон — элемен­тарная частица. Что касается ядер, то их внутренняя структура обнаружилась вскоре после их открытия. Они состоят из нукло­нов — протонов и нейтронов. Ядра довольно плотные: среднее расстояние между нуклонами всего в несколько раз больше их собственного размера. Для того чтобы выяснить, из чего состоят нуклоны, понадобилось около полуве­ка, правда, при этом заодно появились и были разрешены и другие загадки природы.

   Нуклоны состоят из трех кварков, которые элементарны с той же точностью, что и элек­трон, т. е. их радиус меньше 10-16 см. Радиус нуклонов — размер области, занимаемой квар­ками, — около 10-13см. Нуклоны принадлежат к большому семейству частиц — барионов, составленных из трех различных (или одина­ковых) кварков. Кварки могут по-разному связываться в тройки, и это определяет раз­личия в свойствах бариона, например, он может иметь различный спин.

   Кроме того, кварки могут соединяться в пары - мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Спин мезонов принимает целые значения, в то время как для барионов он при­нимает полуцелые значения. Вместе барионы и мезоны называются адронами.

    В свободном виде кварки не найдены, и сог­ласно принятым в настоящее время представ­лениям они могут существовать только в виде адронов. До открытия кварков некоторое время адроны считались элементарными частицами (и такое их название еще довольно часто встре­чается в литературе).

Первым экспериментальным указанием на составную структуру адронов были опыты по рассеянию электронов на протонах на линейном ускорителе в Станфорде (США), которые мож­но было объяснить, лишь предположив наличие внутри протона каких-то точечных объектов.

    Вскоре стало ясно, что это — кварки, существо­вание которых предполагалось еще ранее тео­ретиками.

Здесь представлена таблица современных элементарных частиц. Кроме шести видов квар­ков (в опытах пока проявляются только пять, но теоретики предполагают, что есть и шестой) в этой таблице приведены лептоны — частицы, к семье которых принадлежит и электрон. Еще в этой семье обнаружены мюон и (совсем не­давно) t-лептон. У каждого из них есть свое нейтрино, так что лептоны ес­тественным образом разбиваются на три пары е, nе; m, nm;t, nt.

Каждая из этих пар объединяется с соответ­ствующей парой кварков в четверку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, как это видно из таблицы. Отличаются лишь массы. Второе поколение тяжелее первого, а третье по­коление тяжелее второго.

В природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные создаются искусственно на ускорителях заряженных час­тиц или при взаимодействии космических лучей в атмосфере.

Кроме имеющих спин 1/2 кварков и лептонов, вместе называемых частицами ве­щества, в таблице приведены частицы со спином 1. Это кванты полей, создаваемых час­тицами вещества. Из них наиболее известная частица — фотон, квант электромагнитного поля.

Так называемые промежуточные бозоны W+ и W- , обладающие очень большими массами, были недавно обнаружены в экспериментах на встречных р-пучках при энергиях в несколь­ко сотен ГэВ. Это переносчики слабых взаимо­действий между кварками и лептонами. И на­конец, глюоны — переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и сами квар­ки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но  проявляются   на   промежуточных   стадиях реакций   рождения   и   уничтожения   адронов. Недавно были зарегистрированы струи адронов, порожденные глюонами. Поскольку все пред­сказания теории кварков и глюонов — кван­товой хромодинамики — сходятся с опытом, почти нет сомнений в существовании глюонов.

Частица со спином 2 — это гравитон. Его существование вытекает из теории тяготе­ния Эйнштейна, принципов квантовой механики и теории относительности. Обнаружить грави­тон экспериментально будет чрезвычайно трудно, поскольку он очень слабо взаимодействует с веществом.

Наконец, в таблице со знаком вопроса приве­дены частицы со спином 0 (Н-мезоны) и 3/2  (гравитино); они не обнаружены на опы­те, но их существование предполагается во многих современных теоретических моделях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 2. История открытия элементарных частиц

Первая элементарная частица – электрон – была открыта Дж. Дж. Томсоном в 1897 году. Он установил, что так называемые катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, названных впоследствии электронами. В 1911 году Э.Резерфорд, пропуская α-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги из разных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях – ядрах. В 1919 году обнаружил протоны – положительно заряженные частицы, с массой, в 1836,2 раза превышающей массу электрона – среди частиц, выбитых из атомных ядер. В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью частицу, входящую в состав атома – нейтрон, изучая взаимодействия α-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не имеет заряда. М.Планк, предположив, что энергия абсолютно чёрного тела квантована, получил правильную формулу для спектра излучения (1900 год). Развивая идею Планка, Эйнштейн постулировал, что электромагнитное излучение в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона даны Р.Милликеном (1912-1915 года) и А.Комптоном (1922 год).

Открытие нейтрино – частицы, почти не взаимодействующей с веществом – ведёт своё начало от гипотезы В.Паули(1930 год), позволившей найти «невидимого вора» в процессах β-распада радиоактивных ядер (часть энергии исчезала неизвестно куда). Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 году Ф. Райнесом и К.Коуэном в США.

В настоящее время нет окончательных ответов, но учеными пройдён большой путь и можно подвести некоторые итоги. История развития теории элементарных частиц происходила в три этапа:

Этап первый. От электрона до позитрона: 1897-1932гг (Элементарные частицы - "атомы Демокрита" на более глубоком уровне)

 Греческий философ Демокрит назвал простейшие, нерасчленимые далее частицы атомами, то ему все представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные построены из неделимых, неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, - это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными.

Но в конце XIX века Д. Томсоном был поставлен эксперимент по изучению катодных лучей и был открыт электрон как составная часть атома. Целью опытов Томсона было определение удельного заряда тех предполагаемых частиц, которые, по мнению английских физиков, образуют катодные лучи.

 

 

Прибор, созданный Томсоном, схематически показан на рисунке 1.

Img Kvant-1985-03-001.jpg

Рис.1

В стеклянный сосуд впаяны катод К, и анод А, диафрагма и пластины конденсатора. Между К и А подается достаточно высокое напряжение, необходимое для возникновения катодных лучей. Отверстия в аноде и диафрагме «вырезают» узкий пучок лучей, попадающий на противоположную стенку сосуда, где он вызывает свечение стекла. Пунктирная окружность на рисунке изображает катушки (вне сосуда), создающие магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю конденсатора (и плоскости рисунка).

Когда в трубке создано только электрическое поле конденсатора и верхняя пластина заряжена положительно, пучок лучей, если он действительно состоит из отрицательно заряженных частиц, отклоняется вверх (траектория a на рисунке). Если создано только магнитное поле, направленное от нас за плоскость рисунка, пучок отклоняется вниз (траектория b). По свечению торцевой стенки трубки легко установить, куда именно попадает пучок.

Но можно подобрать такие значения напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В, чтобы пучок вовсе не отклонялся и двигался по прямолинейной траектории (показанной на рисунке красным цветом). Это означает, что электрическая сила, действующая на частицу, равна по модулю силе Лоренца: qE = qυB. Отсюда для скорости частицы получаем выражение v=E. Подставив его в формулу для удельного заряда, находим

 . (1)

Все в опыте Томсона происходило так, как и предполагалось. В электрическом поле пучок двигался по одной траектории (a), в магнитном — по другой (b). При одновременном действии обоих полей пучок не отклонялся вовсе.

По формуле (1), в которую входят легко измеряемые величины (и не входит скорость частиц), можно было определить удельный заряд частиц, образующих то, что до того называлось катодными лучами. Удельный заряд этих частиц оказался чудовищно большим: 1,76·1011 Кл/кг. Эти-то частицы и получили название электронов. Поэтому теперь принято считать, что год открытия электрона — 1897, а автор этого важнейшего открытия — Джозеф Джон Томсон.

Затем, уже в XX веке, были открыты протон и нейтрон - частицы, входящие в состав атомного ядра.  В 1911 году со­сто­ял­ся опыт Ре­зер­фор­да по опре­де­ле­нию стро­е­ния атома. А в 1913 году, т.е. через 2 года после сво­е­го зна­ме­ни­то­го экс­пе­ри­мен­та, Ре­зер­форд вы­дви­нул очень важ­ную идею. Он пред­ло­жил счи­тать, что в со­став лю­бо­го ядра, т.е. всех хи­ми­че­ских эле­мен­тов, в ядре лю­бо­го хи­ми­че­ско­го эле­мен­та на­хо­дит­ся во­до­род. На чем ос­но­вы­ва­лись его такие раз­мыш­ле­ния?

Уже был опре­де­ле­ны ха­рак­те­ри­сти­ки ядер во­до­ро­да. Была из­вест­на масса, был из­ве­стен заряд ядра во­до­ро­да. Ока­за­лось, что массы хи­ми­че­ских эле­мен­тов де­лят­ся на массу во­до­ро­да без остат­ка. Таким об­ра­зом, Ре­зер­форд сде­лал за­яв­ле­ние, что, по всей ве­ро­ят­но­сти, внут­ри лю­бо­го ядра на­хо­дит­ся то или иное ко­ли­че­ство ато­мов во­до­ро­да.

Но любая тео­рия долж­на под­твер­ждать­ся обя­за­тель­но экс­пе­ри­мен­том. Такой экс­пе­ри­мент со­сто­ял­ся в 1919 г., имен­но тогда и был от­крыт про­тон. В своем экс­пе­ри­мен­те Ре­зер­форд ис­поль­зо­вал a-ча­сти­цы. Их Ре­зер­форд на­пра­вил на ядра азота. В ре­зуль­та­те этого экс­пе­ри­мен­та были по­лу­че­ны два ка­ких-то хи­ми­че­ских эле­мен­та. Один из них был отож­деств­лен – кис­ло­род, а вто­рой, по всей ве­ро­ят­но­сти, яв­лял­ся во­до­ро­дом. Об­ра­щаю ваше вни­ма­ние: уве­рен­но­сти здесь не было. По­че­му?

Ре­зер­форд ис­поль­зо­вал в своем экс­пе­ри­мен­те метод сцин­тил­ля­ций, когда по­па­да­ю­щая ча­сти­ца дает вспыш­ку. По ре­зуль­та­там таких экс­пе­ри­мен­тов он судил о том, что там есть ка­кая-то ча­сти­ца, со­от­вет­ству­ю­щая атому ядра во­до­рода.

 

 

http://static.interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/1550/d6d6b1e5cef7fe0d1b3d698208bc5bf1.jpg

 

 

 

 

 

 

 

 Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но все же значительно меньше скорости света), α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Схема опыта Резерфорда представлена на рис. 6.1.2.

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Его представления находил bcm в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 6.1.3 иллюстрирует рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.

http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter6/section/paragraph1/images/6-1-3.gif

 

Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Эту ча­сти­цу, ядро во­до­ро­да, он на­звал про­то­ном (от греч. «про­тос» – «пер­вый»). Когда этот экс­пе­ри­мент по­вто­ри­ли, но уже в ка­ме­ре Виль­со­на, при­чем эта ка­ме­ра на­хо­ди­лась в маг­нит­ном поле, то уже не было ни­ка­ких со­мне­ний: от­кры­та новая ча­сти­ца – про­тон.

 Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неименными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания.

Сле­ду­ю­щий этап в раз­ви­тии стро­е­ния ядра атома был свя­зан с име­нем Че­дви­ка. Это уче­ник Ре­зер­фор­да. Имен­но ему уда­лось в 1932 г. от­крыть ней­трон. Об­на­ру­жить ней­трон было го­раз­до слож­нее, ведь ней­трон – элек­три­че­ски ней­траль­ная ча­сти­ца, как мы уже знаем.

В 1930 г. двое немец­ких уче­ных, Боте и Бек­кер, в ре­зуль­та­те опы­тов об­на­ру­жи­ли, что при об­лу­че­нии a-ча­сти­ца­ми бе­рил­лия об­ра­зу­ет­ся ка­кое-то неиз­вест­ное из­лу­че­ние.

После от­кры­тия Ре­зер­фор­дом про­то­на, мно­гие уче­ные на­пра­ви­ли свои по­мыс­лы и силы на то, чтобы про­ве­сти ядер­ные ре­ак­ции, ис­кус­ствен­ные ядер­ные ре­ак­ции. При по­мо­щи a-лу­чей стали об­лу­чать мно­гие эле­мен­ты, на­блю­дая за ре­ак­ци­ей. Вот и немец­кие уче­ные в 1930 г., об­лу­чая бе­рил­лий, по­лу­чи­ли неиз­вест­ное из­лу­че­ние. Вна­ча­ле это из­лу­че­ние ре­ши­ли отож­де­ствить с g-лу­ча­ми. Они рас­про­стра­ня­лись вдоль пря­мой, не от­кло­ня­лись в элек­три­че­ском и маг­нит­ном полях, об­ла­да­ли боль­шой энер­ги­ей и вы­со­кой про­ни­ка­ю­щей спо­соб­но­стью.

Этап второй. От позитрона до кварков: 1932-1970гг (Все элементарные частицы превращаются друг в друга)

Однако ситуация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элементарная частица заключается двоякий смысл. С одной стороны, элементарный - это само собой разумеющийся, простейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто фундаментальное, лежащее в основе вещей.

Считать известные сейчас элементарные частицы подобными неизменными атомам Демокрита мешает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна. Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, не могут прожить более двух миллионов долей секунды, даже в отсутствие какой-либо воздействие извне. Свободный нейтрон (нейтрон, находящийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 минут.

Лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире.

Но у электронов и протонов имеются опаснейшие собратья - позитроны и антипротоны, при столкновении с которыми происходит взаимное уничтожение этих частиц и образование новых.

Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10-8с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бумагой.

Лишь нейтрино почти бессмертно из-за того, что оно чрезвычайно слабо взаимодействует с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.

Итак, в извечном стремлении к отысканию неизменного в нашем изменчивом мире ученые оказались не на "гранитном основании", а на "зыбком песке".

Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения - главный факт их существования.

Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась.

Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам. Вот что заставляет так думать. Пусть у вас возникло естественное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон? Можно придумать только один способ. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если хочет узнать, что находится внутри пластмассовой игрушки, - сильный удар.

Разумеется, по электрону нельзя ударить молотком. Для этого можно воспользоваться другим электроном, летящим с огромной скоростью, или какой-либо иной, движущейся с большой скоростью элементарной частицей.

Современные ускорители сообщают заряженными частицами скорости, очень близкие к скорости света.

Что же происходит при столкновении частиц сверхвысокой энергии? Они отнюдь не дробятся на нечто такое, что можно было бы назвать их составными частями. Нет, они рождают новые частицы из числа тех, которые уже фигурируют в списке элементарных частиц. Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем большее количество и притом более тяжелых частиц рождается. Это возможно благодаря тому, что при увеличении скорости масса частиц растет. Всего лишь из одной пары любых частиц с возросшей массой можно в принципе получить все известные на сегодняшний день частицы.

Возможно, что при столкновении частиц с недоступной пока нам энергией будут рождаться и какие-то новые, еще неизвестные частицы. Но сути дела это не изменит. Рождаемые при столкновениях новые частицы никак нельзя рассматривать как составные части частиц - "родителей". Ведь "дочерние" частицы, если их ускорить, могут, не изменив своей природы, а только увеличив массу, породить в свою очередь при столкновениях сразу несколько таких же в точности частиц, какими были их "родители", да еще и множество других частиц.

Итак, по современным представлениям элементарные частицы - это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однако неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.

Этап третий. От гипотезы о кварках (1964г) до наших дней. (Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру)

В 60-е годы возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают это название. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много.

Открытие элементарной частицы всегда составляла и сейчас составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства. Триумфы стали следовать буквально друг за другом. Были открыта группа так называемых "странных" частиц: К-мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е годы к ним прибавилась большая группа "очарованных" частиц с еще большими массами. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10-22-10-23 с. Эти частицы были названы резонансами, и их число перевалило за двести.

Вот тогда-то в 1964г М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц - кварков.

В настоящее время в реальности кварков почти никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены.

 

Тема 4. Классификация элементарных частиц.

Каждая элементарная частица, наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физических величин, или своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа и некоторый общий множитель – единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах элементарных частиц и задают только их, опуская единицы измерения.

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса (m), время жизни (t), спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того, по какому закону распределены массы элементарных частиц.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (t > 5×1021 лет), протон (t> 2×1030 лет), фотон и нейтрино – образуется при распаде мюона. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10–20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10–23–10–24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений – ~10–20 сек.

Еще одна характеристика элементарных частиц – спин. Спин – собственный магнитный момент элементарных частиц, не зависящий от наличия или отсутствия электромагнитного поля. Спин элементарных частиц является целым или полуцелым кратным от величины. В этих единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1.

Следящая характеристика это – заряд. Электрические заряды изученных элементарных частиц являются целыми кратными от величины заряда электрона 1,6×10-19 Кл(кулон), называются элементарным электрическим зарядом. У элементарных частиц Q = 0, ±1, ±2 и т.д.

Адроны — общее название для частиц, участ­вующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный».

К классу адронов относится около 300 элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии:

Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ, участвующие в сильном взаимодействии.

Мезоны – бозоны со спином 0, ħ участвующие в сильном взаимодействии.

Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ, участвующие в сильном взаимодействии.

Тема 4.Фундаментальные взаимодействия

Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, бесчисленны и сильно отличаются по характерным временам их протекания и энергиям. По современным представлениям, в природе есть четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Их и называют фундаментальными.

Сильное взаимодействие. Представление о существовании сильного взаимодействия постепенно складывалось по мере того, как прояснялась структура атомного ядра. Что-то должно было удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, более сильное, чем электромагнитное. Но за пределами ядра сильное ядерное притяжение не ощущается, поэтому радиус действия новой силы должен быть очень мал. Действительно, сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10-13 см. Следовательно, хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, оно не может непосредственно проявляться в макроскопических телах.

     Сильное взаимодействие испытывают протоны и нейтроны, но не электроны. Нейтрино и фотоны также не подвластны ему. Вообще в сильном взаимодействии участвуют только более тяжелые частицы. Оно проявляется и как обычное притяжение, не позволяющее разваливаться ядру, но вместе с тем и как слабая сила, вызывая распад некоторых нестабильных частиц. Вследствие своей большой величины сильное взаимодействие является источником огромной энергии. По-видимому, наиболее важный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, — это свечение Солнца. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Именно в результате этого взаимодействия высвобождается энергия водородной бомбы.[2]

     Первые попытки объяснить природу сильного взаимодействия не принесли особого успеха. Ни одно из простых математических описаний процесса не было вполне удовлетворительным. Сильное взаимодействие, по-видимому, довольно сложным образом зависит от расстояния, и тем, кто старался моделировать его свойства, приходилось вводить в расчеты много произвольных параметров. Создавалось впечатление, что сильное взаимодействие представляет собой сплав взаимодействий с самыми различными свойствами.

     А пока физики-ядерщики пытались преодолеть эти трудности, в начале 60-х годов была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из трех кварков. Чтобы это “трио” кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий “клей”; оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между 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.

     Как только природу сильного взаимодействия удалось объяснить на основе взаимодействия кварков, стало легче моделировать его математически. В дальнейшем мы увидим, как подобное описание выявило аналогии между сильным и другими взаимодействиями, указав тем самым на существование объединяющей все взаимодействия суперсилы.

     Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.
    Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица ядра. [2]

     Характерный масштаб сильного взаимодействия можно проиллюстрировать рассмотрев два покоящихся нуклона. Теория приводит к потенциальной энергии их взаимодействия в виде потенциала Юкавы

$V(r) = -{g}^{2}\displaystyle{\frac{{e}^{-r/r_0}}{r}}$,

где величина r0neaeq.gif (64 bytes)10-13  см и совпадает по порядку величины с характерным размером ядра, g - константа связи сильного взаимодействия. Это соотношение показывает, что сильное взаимодействие является короткодействующим и по существу полностью сосредоточено на расстояниях, не превышающих характерного размера ядра. При r > r0 оно практически исчезает. Известным макроскопическим проявлением сильного взаимодействия служит эффект $\alpha$-радиоактивности. Следует, однако, иметь в виду, что потенциал Юкавы не является универсальным свойством сильного взаимодействия и не связан с его фундаментальными аспектами.
    В настоящее время существует квантовая теория сильного взаимодействия, получившая название квантовой хромодинамики. Согласно этой теории, переносчиками сильного взаимодействия являются элементарные частицы - глюоны. По современным представлениям частицы, участвующие в сильном взаимодействии и называемые адронами, состоят из элементарных частиц - кварков.
    Кварки представляют собой фермионы со спином 1/2 и ненулевой массой. Наиболее удивительным свойством кварков является их дробный электрический заряд. Кварки формируются в три пары (три поколения дублетов), обозначаемые следующим образом:

U

c

T

D

s

B

Каждый тип кварка принято называть ароматом, так что существуют шесть кварковых ароматов. При этом u-, c-, t-кварки имеют электрический заряд 2/3|e| , а d-, s-, b-кварки - электрический заряд -1/3|e|, где e - заряд электрона. Кроме того, существуют три кварка данного аромата. Они отличаются квантовым числом, называемым цветом и принимающим три значения: желтый, синий, красный. Каждому кварку соответствует антикварк, имеющий по отношению к данному кварку противоположный электрический заряд и так называемый антицвет: антижелтый, антисиний, антикрасный. Принимая во внимание число ароматов и цветов, мы видим, что всего существуют 36 кварков и антикварков.
    Кварки взаимодействуют друг с другом посредством обмена восемью глюонами, которые представляют собой безмассовые бозоны со спином 1. В процессе взаимодействия цвета кварков могут изменяться. При этом сильное взаимодействие условно изображается (Рис.7) следующим образом:

Частица, испускающая глюон - частица, поглощающая гюон

Рис.7 Условное изображение сильного взаимодействия.

Кварк, входящий в состав адрона, испускает глюон, в силу чего состояние движения адрона изменяется. Этот глюон поглощается кварком, входящим в состав другого адрона, и меняет состояние его движения. В результате возникает взаимовоздействие адронов друг на друга.
    Природа устроена так, что взаимодействие кварков всегда ведет к образованию бесцветных связанных состояний, которые как раз и являются адронами. Например, протон и нейтрон составлены из трех кварков: p = uud, n = udd. Пион
${\pi}^{-}$составлен из кварка u и антикварка $\bar{d}$: ${\pi}^{-}$ = u$\bar{d}$. Отличительная черта кварк-кваркового взаимодействия через глюоны состоит в том, что с уменьшением расстояния между кварками их взаимодействие ослабляется. Это явление получило название асимптотической свободы и ведет к тому, что внутри адронов кварки можно рассматривать как свободные частицы. Асимптотическая свобода естественным образом вытекает из квантовой хромодинамики. Имеются экспериментальные и теоретические указания на то, что с ростом расстояния взаимодействие между кварками должно возрастать, в силу чего кваркам энергетически выгодно находиться внутри адрона. Это означает, что мы можем наблюдать только бесцветные объекты - адроны. Одиночные кварки и глюоны, обладающие цветом, не могут существовать в свободном состоянии. Явление удержания элементарных частиц, обладающих цветом, внутри адронов получило название конфайнмента. Для объяснения конфайнмента предлагались различные модели, однако последовательное описание, вытекающее из первых принципов теории, до сих пор не построено. С качественной точки зрения трудности связаны с тем, что, обладая цветом, глюоны взаимодействуют со всеми цветными объектами, в том числе и друг с другом. По этой причине квантовая хромодинамика является существенно нелинейной теорией и приближенные методы исследования, принятые в квантовой электродинамике и электрослабой теории, оказываются не вполне адекватными в теории сильных взаимодействий. [2]

 

Гравитационное взаимодействие. После появления в ХVII в. ньютоновской теории гравитации - закона всемирного тяготения - удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий.

Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10n, где n = - 3 9, от силы взаимодействия электрических зарядов. (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!) (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!). Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности. Ничто во Вселенной не избавлено от гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной.

Гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание никогда еще не наблюдалось (Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация - поиск "фактов" антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться.

Чем является гравитация, неким полем или проявлением искривления пространства-времени, - на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Как уже отмечалось нами, существуют разные мнения и концепции физиков на сей счет

Слабое взаимодействие. Человечество познакомилось со слабым взаимодействием, так и не осознав этого события, еще в 1054 г., когда китайские астрономы отметили появление яркой голубой звезды в той области неба, где раньше не наблюдалось ничего. Соперничая в блеске даже с планетами, звезда ярко светила на протяжении нескольких недель, а затем стала медленно угасать. Современные астрономы считают вспышку в 1054 г. взрывом сверхновой — гигантским по силе взрывом старой звезды, вызванным внезапным коллапсом ее ядра, который сопровождается кратковременным испусканием огромного количества нейтрино. Обладающие только слабым взаимодействием, эти нейтрино тем не менее разметали наружные слои звезды в космическом пространстве, образовав клочья облаков расширяющегося газа. Ныне сверхновая 1054 г. наблюдается в виде туманного светлого пятнышка в созвездии Тельца.

     Сверхновые — один из немногих случаев зримого проявления слабого взаимодействия. Это взаимодействие действительно очень слабое, оно значительно уступает по величине всем взаимодействиям, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий.

К мысли о существовании слабого взаимодействия ученые продвигались медленно. Все началось в 1896 г., когда Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола радом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Эрнестом Резерфордом; он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух различных типов, которые назвал альфа и бета. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия. Бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.

    Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Типичный пример слабого взаимодействия - это бета-распад нейтрона

n ---->p + e- + aneutrinoe,

Где n - нейтрон, p - протон, e- - электрон, aneutrinoe - электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино.

     Видно, что слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.
    Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.
    Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности:
$\alpha$-, бета- и $\gamma$-радиоактивных распадов. При этом $\alpha$-распад обусловлен сильным взаимодействием, $\gamma$-распад - электромагнитным. Оставшийся бета-распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.
    Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом
$\beta$-радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.
       Вопрос о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия, долгое время был неясен. Понимания удалось достичь сравнительно недавно в рамках объединенной теории электрослабых взаимодействий - теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые
${W}^{\pm}$- и Z0-бозоны. Это заряженные ${W}^{\pm}$и нейтральная Z0 элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 mp.

 

Схема слабого взаимодействия.

     Как видно из схемы (Рис.6), нейтрон состоит из 3-х кварков: u,d,d. А протон из кварков: u,d,u. Чтобы нейтрон преобразовался в протон, нужно, чтобы d кварк превратился в u кварк. Это произойдет, при взаимодействии нейтрона с бозоном W. При этом взаимодействии образуется протон, и испускается электрон и  электронное антинейтрино.[1]

 

Дальнодействие – концепция мгновенного взаимодействия тел через пустоту.

Близкодействие – концепция взаимодействия тел через посредника – то или иное поле.

 

Взаимодействие

Радиус

Относ. Величина

Источники

Переносчики

Гравитационное

Все

Гравитон

Электромагнитное

Лептоны, адроны

Фотон

Слабое

Лептоны, адроны

, -бозоны

Сильное

1

Адроны

Глюон

 

Тема 6. Барионы

 Барионы (от   греческого   слова,   означающего «тяжелый») — это адроны с полуце­лым спином . Самые известные барионы — протон и нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда-то странно­стью. Единицей странности обладают барион лямбда (L°)  и семейство барионов сигма (S-, S+ и S°). Индексы +, - ,0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обла­дают барионы кси (X- и X°). Барион W- имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10-10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микро­мира это не так. Такая частица, даже двига­ясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой скорости, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оста­вить свой след в детекторе элементарных час­тиц. Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного за­ряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех извест­ных процессах разности между числом барио­нов и антибарионов.

 

 

 

Тема 7. Мезоны

  Мезоны — адроны с целым спином  Название произошло от греческого слова, озна­чающего «средний, промежуточный», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные зна­чения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Лег­чайшие из мезонов — пионы, или пи-мезоны p-,p+ и p°. Их массы примерно в 6—7 раз меньше массы протона..  Более массивны стран­ные мезоны — каоны K+, К- и  К°. Их массы почти в два раза меньше массы протона. Ха­рактерное время жизни этих мезонов — 10-8 с.

           Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма—минус S- имеет античастицу антисигма—плюс S`+, которая отлична от S+ . То же самое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколько иначе: отрицательный пион — античастица положи­тельного пиона, а нейтральный пион античасти­цы вообще не имеет, поскольку является анти­частицей сам себе. В то же время нейтральный каон   K° имеет античастицу К`°. Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов.

       Мир адронов огромен — он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабиль­ны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка 10–23c. Это — характерное время сильных взаимодействий; за столь ко­роткий интервал даже свет успевает пройти расстояние, равное всего лишь радиусу прото­на (10-13 см). Ясно, что столь короткоживущие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рождение обнаруживают то косвенным признакам. Например, изучают реакцию аннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения электронов и позитронов, обнаруживают, что при каком-то значении энергии выход адронов вдруг резко увеличивается. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица, масса которой равна соответствующей энергии (с точностью до множителя с2). Эта частица мгновенно распадется на другие адроны, и единственным следом ее появления остается пик на графике зависимости вероятности рождения адронов от энергии столкновения.

       Такие короткоживущие частицы называют резонансами. Большинство барионов и мезонов — резонансы. Они не оставляют «автографов» в камерах и на фотографиях, и все же физикам удается изучать их свойства: определять массу, время жизни, спин, четность, способы распада и т. п.

По современным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами. Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трех кварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и всегда отличен от бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в состав которых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметь античастиц. Кварки удержи­ваются внутри адронов глюонным полем. В принципе теория допускает существование других адронов, построенных из большего числа кварков или, наоборот, из одного глюонного поля. В послед­нее время появились некоторые эксперимен­тальные данные о возможном существовании таких гипотетических частиц. Динамическая теория кварков, описываю­щая их взаимодействия, стала развиваться относительно недавно. Первоначально кварковая модель была предложена для «наведения порядка» в слишком многочисленном семействе адронов. Эта модель включала кварки трех видов, или, как принято говорить, арома­тов. С помощью кварков удалось навести порядок в многочисленном семействе адронов, распределив их в группы частиц, называемые мультиплетами. Частицы одного мультиплета имеют близкие массы, но не только это послужило основой их классификации; кроме опытных данных в этом случае исполь­зовали специальный математический аппарат теории групп.

       В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описания всех адронов. В 1974 г. были открыты так называе­мые пси-мезоны, состоящие из кварка и анти­кварка нового вида (сс¢). Этот аромат был наз­ван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался гораздо тяжелее своих «соб­ратьев»: легчайшая из пси-частиц — мезон J/y — имеет массу 3097 МэВ, т. е. в 3 раза тяжелее протона. Время ее жизни около 10 -20с. Было открыто целое семейство пси-мезонов с тем же кварковым составом  cc¢ , но находящих­ся в возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих большие массы.

Тема 8. Лептоны

 Лептоны — группа частиц, не участвующих в 1 сильном взаимодействии (название происходит от греческого слова «лептос» — «легкий»).

   Все лептоны имеют спин 1/2. Различают заряженные лептоны — электрон е -, мюон m -, тяжелый лептон t - и соответствующие античастицы е +, m + и t + и нейтральные – различного рода нейтрино.

    Первым из заряженных лептонов был открыт электрон — в 1897 г. английским ученым  Дж. Дж. Томсоном . Его античастица— позитрон — была найдена в  1932 г. в космических лучах американским физиком К. Андерсоном. В 1936 г. также при излучении космических лучей были обнаружены мюоны (К. Андерсон и С. Неддермейер). Сначала произошла маленькая путаница: мюоны попытались отождествить с  частицей, которая, согласно теории японского  физика X. Юкавы, переносила сильные взаимодействия. Вскоре, впрочем, выяснилось, что к  сильным взаимодействиям мюон отношения не  имеет (частицами, предсказанными Юкавой, оказались   открытые   в    1947   г.   л-мезоны). И тогда возникла загадка мюона. Дело в том, что мюон удивительно похож на электрон: у них  одинаковый электрический заряд, спин, оба

они участвуют лишь в слабых и электромагнитных взаимодействиях, причем аналогичным образом. Единственное видимое их отличие заключается в массе: мюон в 206,8 раза тя­желее электрона (современное значение его  массы m = 105,65943 МэВ/с@ 1,88- 10 –25 г).

Из-за   большей   величины   массы   мюон   утерял  стабильность,  время  его  жизни @2,2 • 10 -6 с.

Электрон стабилен, так как ему просто не на что распадаться. Действительно, из-за со­хранения электрического заряда распад элек­трона был бы возможен только с испусканием более легких заряженных частиц, но о сущест­вовании таких частиц до сих пор ничего не известно. Если бы закон сохранения заряда не являлся вполне точным законом природы, то электрон мог бы распасться, например, на нейтрино и фотон. Поиски таких распадов, однако, не увенчались успехом и по­казали, что время жизни электрона, по крайней мере, больше чем 1022 лет (для сравнения: наша Вселенная существует «всего» около 2 • 10 -10 лет). Поэтому в современных теориях электрон считается стабильной частицей. Заметим все же, что экспериментальные пределы для вре­мени жизни протона выглядят еще внушитель­нее (не менее 1032 лет), но теории, в которых он может распадаться, в последнее время стали очень популярны.

   С распадом мюона дело обстоит проще, он может распадаться и в действительности распадается на электрон и пару нейтрино раз­ных сортов: m -® е - + nе`+ nm . За этот распад ответственны слабые взаимодействия. Экспе­риментальное значение времени жизни мюона хорошо согласуется с теоретическими расчета­ми. Разумеется, аналогичным образом про­исходит и распад положительно заряженно­го мюона:

m + ® е + + nе +nm`.

     Не успев еще разобраться в загадке мю­она, физики открыли третий заряженный леп­тон t (тау - лептон). Он был обнаружен в 1975 г. в опытах на встречных электрон-позитронных пучках в Станфорде (США) группой физиков во главе с М. Перлом при аннигиляции электрона и позитрона очень больших энергий. Тяжелый тау-лептон имеет массу почти в 3500 раз большую, чем масса электрона (me~1784 МэВ/с2). Он даже почти в 2 раза тяжелее протона. Время жизни t-лептона с достаточ­ной точностью было измерено лишь в 1981 г.— 3,4 • 10 -13 с. Такое время жизни показывает, что слабые взаимодействия t-лептонов очень похожи на слабые взаимодействия электронов и мюонов (следует иметь в виду, что чем тя­желее частица, тем быстрее, при прочих оди­наковых условиях, она распадается на более легкие. Име­ющиеся данные позволяют утверждать, что и в остальном t-лептон подобен электрону и мюону.

   Заряженные лептоны объединены еще одним свойством: в современных теориях все они представляются точечными объектами, не имеющими, в отличие от адронов, внут­ренней структуры. Эксперименты на самых мощных ускорителях при максимально дости­жимых в настоящее время энергиях показы­вают, что это справедливо, по крайней мере, вплоть до расстояний @10 -16 см.

Наблюдая за реакциями с участием лептонов, ученые обнаружили, что всегда остается постоянной разность числа лептонов и антилептонов. Для описания этого свойства ввели особое квантовое число — лептонный за­ряд  L, условно приписав значение L = 1 от­рицательно заряженным лептонам и сопутст­вующим им нейтрино, а значение L.= -1  -  их античастицам. Тогда указанное явление сво­дится к закону сохранения лептонного заряда. Позднее установили, что электронное и мюонное нейтрино не тож­дественны друг другу, и пришлось ввести раз­личные, сохраняющиеся независимо лептонные заряды. По-видимому, сущест­вует и третий тип лептонного заряда, связан­ный с тяжелым лептоном и его нейтрино.

Пока не наблюдалось случаев нарушения закона сохранения лептонного заряда. Скажем, этот закон запрещает безнейтринные распады мюона. Отношение вероятностей запрещенного и обычного рас­падов мюона оценивалось в экспериментах и оказалось меньшим 10 -9—10 –10. Поиск за­прещенных распадов представляет большой интерес, так как не исключена возможность обнаружения несохранения лептонного заряда. Следует подчеркнуть, что лептонный заряд не является источником какого-то «лептонного» поля, а введен исключительно для объяснения наблюдаемых на опыте закономерностей реак­ций с участием лептонов.

 

Появившиеся в последнее время теории, ос­нованные на представлениях о единстве сил природы, предсказывают неустойчивость про­тона и одновременно нарушение сохранения лептонного заряда. В чем же заключается причина существова­ния разных типов лептонов с близкими свойст­вами и сильно различающимися массами? Какова природа лептонных зарядов? И нет ли еще других, пока что неизвестных нам лептонов? Сейчас на эти вопросы еще нет ответа. Решение их связано не только с лептонами, но и с другими истинно элементарными частицами—кварками, представляющими собой основные структурные элементы мира сильновзаимодействующих частиц. Кварки  сильно различаются по массам и обладают своими специфическим «зарядами». Пары кварков объединяются вместе с парами лептонов (заряженным лептоном и соответствующим нейтрино) в так называемые поколения  элементарных частиц. Многие свойства   частиц   повторяются   из   поколения в поколение, а массы поколений сильно различаются между собой: второе поколение  ( в него входят мюоны) тяжелее первого (с электронами),  а  третье  поколение   (включающее t-лептоны)    тяжелее   второго.   Исследования многих загадок этих поколений еще только начинаются.

 

 

 

Название

Частицы

Обозначение

Античастица

Масса покоя, МэВ/

Электр. заряд Q

Время жизни, с

Основные

каналы

распада

Электрон

 -

позитрон

0,511

Стабилен

Электронное

Нейтрино

0

0

Стабильно

Мюон

105,7

Мюонное

нейтрино

0

0

Стабильно

t-лептон

1784,0

,

,

адроны

t-нейтрино

0

0

Стабильно

 

 

 

 

Тема 9. Кварки

К настоящему времени установлено существование пяти ароматов кварков: u, d, s, c, b. Неоднократно поступали сообщения о об открытии t-кварка , но окончательно его существование не установлено. Массы кварков: mu = 5 МэВ, md = МэВ, ms = 150 МэВ, mc = 1,3 ГэВ, mb = 5 ГэВ, mt= > 22 ГэВ. Эти данные – оценочные и грубо ориентировочные, так как кварки в свободном состоянии не наблюдались и их нельзя было исследовать прямыми методами.

        Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд ⅓. Кварки u, с, t, называют верхними, так как они имеют заряд +⅔, а остальные кварки u, s, b с электрическим зарядом -⅓ – нижними. Кварк s является носителем странности, с – очарования, b – красоты (прелести). Странность была обнаружена в 1953 году при открытии К-мезонов и гиперонов. Они рождались за счёт сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10-23 с, а времена жизни оказались порядка 10-8-10-10с. Было совершенно непонятно, почему они живут так долго, почему не распадаются за счёт сильного взаимодействия, в результате которого они возникают? Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц из-за того, что для их проявления необходимо присутствие двух странных частиц. По той же причине запрещено рождение одиночных странных частиц.

В основе запрета какого-либо процесса лежит некоторый закон сохранения. Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М.Гелл-Манн и К.Нишиджима ввели новое квантовое число S, суммарное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях. Его и назвали странностью.

Очарованный кварк – это кварк с квантовым числом С, которое у всех остальных равно нулю, равным единице. Частицы семейств χ и ψ представляют собой различные уровни(состояния) системы сс~. Эта система названа чармонием, по аналогии с системой электрон – позитрон, названной позитронием. Поскольку очарование кварка и антикварка в чармонии в сумме даёт ноль, говорят, что эта система обладает скрытым очарованием. В 1976 году были предсказаны и открыты частицы с явным очарованием.

Красота – это разность между числами b-кварков и антикварков b~. Красота сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях и может нарушаться при слабых.

Цвет внутри нуклона от кварка к кварку переносят частички -глюоны. Они похожи на фотоны. У глюонов нет массы, они движутся со скоростью света. Однако в отличие от зарядово-нейтральных фотонов, глюоны просто «измазаны» зарядом. Фотон никакого нового электрического поля вокруг себя не создаёт. Глюон же своим собственным зарядом рождает новые глюоны и происходит лавинообразное саморазмножение.

Каждый кварк утоплен в толстом комке глюонной «резины». Очищенными от глюонов они становятся лишь в центре нуклона. Зондирование центральных областей нуклона дало неожиданные результаты – чистые кварки – лёгкие объекты, они в 100 раз легче нуклона. Оказывается, нуклоны состоят в основном из глюонов.

Опыты показали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействиями, и ведут себя как плавающие в воздухе надувные шарики. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу возникают связывающие их силы. Сквозь стенки протона легко проникают пучки зондирующих электронов, их пронизывают фотоны и нейтрино. И в то же время оттуда не может вырваться ни один кварк. Понять, почему это происходит, можно на очень простой модели. Представим себе, что между кварками натянуто что-то вроде резиновых нитей. Когда кварки рядом друг с другом, нити провисают, и ничто не мешает им двигаться. Но как только они расходятся, нити натягиваются и утягивают кварки обратно. Если в один из кварков «выстрелить» быстрым электроном, то он получит большой импульс и отскочит. Но его движение будет продолжаться лишь до тех пор, пока натяжение «резиновой нити» не возрастёт настолько, что их энергии хватит на рождение новой пары кварков. «Нить» рвётся, в точке разрыва выделяется энергия и рождается пара кварк-антикварк. Антикварк и выбитый электроном кварк «слипнутся» в мезон, а оставшийся кварк займёт место выбитого кварка.

Теперь должно быть понятно, почему не удаётся выбить кварк из нуклона: сколько по нему ни бей, из него будут вылетать целые частицы – адроны, а не их осколки – кварки и антикварки.

Каждый лептон характеризуется лептонным зарядом, или лептонным числом. Следует различать мюонный, электронный и таонный заряды, обозначаемые соответственно через Lμ, Le, Lτ. Это различные величины, хотя им условно приписываются одинаковые числовые значения. Условились для всех отрицательно заряженных лептонов считать лептонные заряды равными +1. Лептонные заряды всех остальных частиц находятся из экспериментально установленного факта, согласно которому в замкнутой системе разность между числом лептонов и антилептонов остаётся постоянной. Для этого нужно придать этому факту форму закона сохранения лептонного заряда. При этом лептонные заряды всех остальных частиц принимаются равными нулю, так как у этих частиц свойства, связанные с существованием лептонного заряда, не обнаруживаются. Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы все положительно заряженные лептоны имели лептонный заряд, равный -1. Это видно из того, что возможны реакции:

 

e+ + e- —> 2γ, μ+ + μ- —> 2 γ, τ+ + τ-—> 2γ

 

Только тогда суммарный лептонный заряд правой части будет равен нулю, а это необходимо, так как фотон лептонного заряда не имеет. Из возможности процессов

 

π+ —> μ+ + νμ p —> n + e++ νe

 

следует, что лептонный заряд νe и νμ равен +1, а соответствующих им античастиц – -1. Аналогично надо приписать ντ лептонный заряд +1, а соответствующей ему античастице – -1.

В настоящее время существует гипотеза о родстве кварков и лептонов. Эту гипотезу выдвинули А.Салам и Дж.Пати. По их мнению, кварки и лептоны очень похожи. Лептон является белым состоянием кварка. Электрические заряды лептонов 0 и 1, то есть 0/3 и 3/3, прекрасно укладываются в один ряд с зарядами кварков. Что же касается масс, то по их гипотезе, это результат влияния окружающего фона. Ведь вокруг всякой частицы образуется облако испущенных ею частиц, которые экранируют частицу и изменяют её свойства. Только такие заэкранированные, закутанные в облака частицы с изменёнными, или, как говорят физики, эффективными свойствами и наблюдаются на опытах. Внутри облака частица чувствует себя, как в ванне. А поскольку плотность и состав облака зависят от величины заряда и других характеристик частицы, вес членов кваркового мультиплета оказывается различным.

Новая теория сократила список независимых элементарных частиц, сделала таблицу более стройной. Однако одного этого ещё недостаточно, чтобы физики поверили в гипотезу о тесной связи кварков с лептонами. Новая теория всего лишь заменила один непонятный факт – упрямство лептонов, другим – их родством с кварками. Это всё равно, что старую тайну объяснять с помощью новой загадки. Уильям Оккам, член Ордена нищенствующих монахов, выступавший с лекциями по богословию и логике, говорил:«Не следует с помощью большего делать то, чего можно достигнуть меньшей ценой» или более кратко:«Сущностей не следует умножать сверх необходимого». С тех пор этот принцип называют «бритвой Оккама». Она срезает все слабо обоснованные гипотезы, вылущивая зёрна истины. Это первый краеугольный камень научного исследования. Второй краеугольный камень – обязательная проверка экспериментом. Как ни стройна была бы теория, если она не проверена на опыте, то относится к разряду недоказанных гипотез. Аристотель, например, считал, что у женщин меньше зубов, чем у мужчин. Ему и в голову не приходило проверить это, хотя у него было две жены. Этот пример выглядит историческим анекдотом, но он полно передаёт пренебрежение науки того времени к эксперименту. Если же теория такова, что выводы её можно проверить лишь в далёком будущем, учёные подходят к ней с большой осторожностью.

В теориях, основанных на родстве кварков и лептонов, глюоны, перенося цвет, могут сделать кварк лептоном, и такая частица – например, протон – сразу же распадётся на составные части, поскольку частиц, состоящих из смеси кварков и лептонов в природе не существует. Подобной радиоактивности ни в одной другой теории нет, поэтому распад протона будет убедительным доказательством того, что кварки и лептоны – близкие родственники. Расчёт говорит, что протон распадается крайне редко. В теле человека от рождения до смерти распадается в среднем 1 протон. Пройдёт немало лет, прежде чем потери атомов в мире станут заметными.

Как же обнаружить такое сверхредкое событие? Прежде всего, заметим, что протон имеет положительный заряд. Значит, при распаде через какое-то время образуется позитрон. Двигаясь в веществе, он встретится с электроном, и они аннигилируют в кванты света. Эти искорки света – сигналы о «протонных катастрофах» в веществе. Засечь их очень трудно, и поэтому физикам приходится наблюдать за большим объёмом вещества сразу. Пока ни одного распада протона зарегистрировать не удалось, но физики со всего мира ждут вестей с «протонного фронта». Если же ни один протон так и не распадётся, это послужит сигналом тому, что физики в чём-то крупно ошибаются, и тогда придётся искать новую дорогу в недра микромира.

 

 

 

 

 

Характеристики кварков

 
 

 


Обозначение

(аромат) кварка

Электр. заряд Q

Странность S

Шарм С

Красота b

Истина t

u

0

0

0

0

d

0

0

0

0

s

0

0

0

c

0

+1

0

0

b

0

0

+1

0

t

0

0

0

+1

 

Тема 10. Античастицы

Для всякой известной элементарной частицы имеется вероятность найти античастицу — то есть частицу с той же массой, но противоположными другими физическими характеристиками.

В 1920-е годы — после введения принципов квантовой механики — субатомный мир представлялся крайне простым. Всего два вида элементарных частицы — протоны и нейтроны — составляли ядро атома (хотя экспериментально существование нейтронов и было подтверждено лишь в 1930-е годы), и один вид частиц — электроны — существовали за пределами ядра, вращаясь вокруг него на орбитах. Казалось, всё многообразие Вселенной выстроено из этих трех частиц.

Увы, столь простой картине мира суждено было просуществовать недолго. Ученые, оборудовав высокогорные лаборатории по всему миру, принялись за изучение состава космических лучей, бомбардирующих нашу планету (см. Элементарные частицы), и вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к вышеописанной идиллической триаде. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы.

Мир античастиц — своего рода зеркальное отражение знакомого нам мира. Масса античастицы в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все её остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несёт отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица — «позитрон» (производное от «позитивный электрон») — положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона — отрицательный. И так далее. При взаимодействии частицы и парной ей античастицы происходит их взаимная аннигиляция — обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.

Существование античастиц впервые предсказал Поль Дирак в статье, опубликованной им в 1930 году. Чтобы понять, как ведут себя частицы и античастицы при взаимодействии по Дираку, представьте себе ровное поле. Если взять лопату и вырыть в нём ямку, в поле появятся два объекта - собственно ямка и кучка грунта рядом с ней. Теперь представим, что кучка грунта — это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», — античастица. Засыпьте ямку ранее извлеченным из неё грунтом — и не останется ни ямки, ни кучки (аналог процесса аннигиляции). И снова перед вами ровное поле.

Пока шло теоретизирование вокруг античастиц, молодой физик-экспериментатор из Калифорнийского технологического института Карл Дейвид Андерсон (Carl David Anderson) (1905–1991) монтировал оборудование астрофизической лаборатории на вершине Пайк в штате Колорадо, намереваясь заняться изучением космических лучей. Работая под руководством Роберта Милликена (см. Опыт Милликена), он придумал установку для регистрации космических лучей, состоящую из мишени, помещенной в мощное магнитное поле. Бомбардируя мишень, частицы оставляли в камере вокруг мишени треки из капелек конденсата, которые можно было сфотографировать и по полученным фотографиям изучать траектории движения частиц.

При помощи этого аппарата, получившего название конденсационная камера, Андерсон смог зарегистрировать частицы, возникающие в результате столкновения космических лучей с мишенью. По интенсивности трека, оставленного частицей, он мог судить о ее массе, а по характеру отклонения ее траектории в магнитном поле — определить электрический заряд частицы. К 1932 году ему удалось зарегистрировать ряд столкновений, в результате которых образовывались частицы с массой, равной массе электрона, однако отклонялись они под воздействием магнитного поля в противоположную сторону по сравнению с электроном и, следовательно, имели положительный электрический заряд. Так была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. В 1932 году Андерсон опубликовал полученные результаты, а в 1936 году был отмечен за них половиной Нобелевской премии по физике. (Вторую половину премии получил австрийский физик-экспериментатор Виктор Франц Гесс (Victor Franz Hess) (1883–1964), впервые экспериментально подтвердивший существование космических лучей. — Прим. переводчика.) Это был первый (и, пока что, последний) случай присуждения Нобелевской премии ученому, официально даже не числившемуся на тот момент в штате научных сотрудников своего университета!

Хотя вышеописанный пример, казалось бы, служит идеальной иллюстрацией сценария «предсказание - проверка» в рамках научного метода, описанного во Введении, историческая реальность представляется не столь простой, как кажется. Дело в том, что Андерсон, судя по всему, не знал о публикации Дирака абсолютно ничего до своего экспериментального открытия. Так что в данном случае речь идёт, скорее, об одновременном теоретическом и экспериментальном открытии позитрона.

Все следующие за позитроном античастицы были экспериментально обнаружены уже в лабораторных условиях — на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих экспериментов, и чем-то из ряда вон выходящим античастицы давно не считаются.

 

 

antimatter_5_1251137982_full.jpg

Тема11.Радиоактивность, цепные реакции

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер. К числу основных таких превращений относятся: 1) альфа-распад, 2). бета-распад (в том числе К-захват), 3) протонная радиоактивность и 4) спонтанное деление тяжелых ядер.

Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, существующих в природных условиях, -называется естественной. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам.

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. Беккерелем. Было обнаружено, что радиоактивное вещество является источником трёх видов излучения. Одно из них под действием магнитного поля отклоняется в ту же сторону, в которую отклонялся бы поток положительно заряженных частиц; оно получило название α-лучей. Второе, названное β-лучами, отклоняется магнитным полем в противоположную сторону, т. е. так, как отклонялся бы поток отрицательно заряженных частиц. Третье излучение, никак не реагирующее на действие магнитного поля, было названо γ-лучами. Впоследствии выяснилось, что γ-лучи представляют собой электромагнитное излучение весьма малой длины волны.

Искусственно-радиоактивные вещества могут получаться при весьма разнообразных ядерных реакциях. Примером может служить реакция захвата нейтронов серебром. Для проведения такой реакции достаточно поместить пластинку серебра поблизости от источника нейтронов, окружённого парафином. В парафине нейтроны замедляются, а медленные нейтроны легко захватываются ядрами и вызывают ядерную реакцию. Пластинка серебра при этом не претерпевает под действием нейтронов каких-либо видимых изменений. Но если поднести её к газоразрядному счётчику, то он покажет, что пластинка стала радиоактивной, т. е. испускает β-лучи. При этом обнаруживается, что приобретённая радиоактивность постепенно ослабевает.

Искусственная радиоактивность – весьма распространённое явление: в настоящее время получено по нескольку искусственно-радиоактивных изотопов для каждого из элементов периодической системы.

Простейшие ядерные реакции.

Ядерной реакцией называется процесс интенсивного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра. Взаимодействие возникает при сближении частиц благодаря действию ядерных сил.

Наиболее распространённым видом ядерной реакции является взаимодействие лёгкой частицы a с ядром Х, в результате которого образуется лёгкая частица b и ядро Y:

 

Х + а = Y + b

 

В качестве частиц а и b могут фигурировать нейтрон, протон, ядро тяжёлого водорода (дейтон), α-частица и фотон. Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии называется тепловым эффектом реакции. Он определяется разностью масс покоя (выраженных в энергетических единицах) исходных и конечных ядер. Если сумма масс образующихся ядер превосходит сумму масс исходных ядер, реакция идет с поглощением энергии и тепловой эффект ее будет отрицательным.

Как установил Н. Бор в 1936 г., реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап заключается в захвате приблизившейся к ядру X на достаточно малое расстояние (такое, чтобы могли вступить в действие ядерные силы) посторонней частицы а и в образовании промежуточного ядра П, называемого составным ядром или компаунд-ядром. Энергия, привнесенная частицей а (она слагается из кинетической энергии частицы и энергии ее связи с ядром), за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоянии.

На втором этапе составное ядро испускает частицу b. Символически такое двустадийное протекание реакции можно представить следующим образом:

 

Х + а = П = Y + b

 

Может случиться, что испущенная частица тождественна с захваченной (b = а). Тогда процесс называют рассеянием, причем в случае, если энергия частицы b равна энергии частицы а (Еь = Еа), рассеяние будет упругим, в противном случае неупругим. Ядерная реакция имеет место, если частица b не тождественна с а.

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтонами, протекают без образования промежуточного ядра. Такие реакции носят название прямых ядерных взаимодействий. Типичной реакцией прямого взаимодействия является реакция срыва, наблюдающаяся при нецентральных соударениях дейтона с ядром. При таких соударениях один из нуклонов дейтона может попасть в зону действия ядерных сил и будет захвачен ядром, в то время как другой нуклон останется вне зоны действия ядерных сил и пролетит мимо ядра.

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. При облучении азота α-частицами, испускаемыми радиоактивным источником, некоторые ядра азота превращались в ядра кислорода, испуская при этом протон.

Резерфорд воспользовался для расщепления атомного ядра природными снарядами — α-частицами. Ядерная реакция, вызванная искусственно ускоренными частицами, была впервые осуществлена Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г. С помощью так называемого умножителя напряжения они ускоряли протоны до энергии порядка 0,8 Мэв и наблюдали реакцию: 3Li7(p,α)2 Не4

В дальнейшем по мере развития техники ускорения заряженных частиц множилось число ядерных превращений, осуществляемых искусственным путем.

Наибольшее значение имеют реакции, вызываемые нейтронами. В отличие от заряженных частиц (р,d) нейтроны не испытывают кулоновского отталкивания, вследствие чего они могут проникать в ядра, обладая весьма малой энергией. Эффективные сечения реакций обычно возрастают при уменьшении энергии нейтронов. Это можно объяснить тем, что чем меньше скорость нейтрона, тем больше время, которое он проводит в сфере действия ядерных сил, пролетая вблизи ядра, и, следовательно, тем больше вероятность его захвата. Однако часто наблюдаются случаи, когда сечение захвата нейтронов имеет резко выраженный максимум для нейтронов определенной энергии Еr.

Деление ядер.

В 1938 г. немецкие учёные О. Ганн и Ф. Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы – барий и лантан. Объяснение этого явления было дано немецкими учёными О. Фришем и Л. Мейтнер. Они предположили, что захватившее нейтрон ядро урана делится на две примерно равные части, получившие название осколков деления.

Дальнейшие исследования показали, что деление может происходить разными путями. Всего образуется 80 различных осколков, причём наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, для ядер средней массы значительно больше, чем у тяжёлых ядер. Отсюда следует, что деление ядер должно сопровождаться выделением большого количества энергии. Но особенно важным является то, что при делении каждого ядра высвобождается несколько нейтронов. Относительное количество нейтронов в тяжёлых ядрах заметно больше, чем в средних ядрах. Поэтому образовавшиеся осколки оказываются сильно перегруженными нейтронами, в результате чего выделяют по нескольку нейтронов. Большинство нейтронов испускается мгновенно. Часть (около 0,75 %) нейтронов, получившая название запаздывающих нейтронов, испускается не мгновенно, а с запаздыванием до 1 мин. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 выделившихся нейтронов.

Выделение мгновенных и запаздывающих нейтронов не устраняет полностью перегрузку осколков деления нейтронами. Поэтому осколки оказываются в большинстве случаев радиоактивными и претерпевают цепочку βпревращений, сопровождаемых испусканием γ-лучей.

Предложенная модель является идеальной. Процесс размножения нейтронов протекал бы таким образом при условии, что все выделившиеся нейтроны поглощаются делящимися ядрами. В реальных условиях это далеко не так. Прежде всего из-за конечных размеров делящегося тела и большой проникающей способности нейтронов многие из них покинут зону реакции прежде, чем будут захвачены каким-либо ядром и вызовут его деление. Кроме того, часть нейтронов поглотится ядрами неделящихся примесей, вследствие чего выйдет из игры, не вызвав деления и, следовательно, не породив новых нейтронов.

Поверхность тела растёт как квадрат, а объём – как куб линейных размеров. Поэтому относительная доля вылетающих наружу нейтронов уменьшается с ростом массы делящегося вещества.

Цепные реакции.

Природный уран содержит 99,27% изотопа U238, 0,72% U235 и около 0,01% U234. Таким образом, на каждое делящееся под действием медленных нейтронов ядро U235 приходится 140 ядер U238, которые захватывают не слишком быстрые нейтроны без деления. Поэтому в природном уране цепная реакция деления не возникает.

Цепная ядерная реакция в уране может быть осуществлена двумя способами. Первый способ заключается в выделении из природного урана делящегося изотопа U235. Вследствие химической неразличимости изотопов разделение их представляет собой весьма трудную задачу. Однако она была решена несколькими методами. Промышленное значение приобрел диффузионный (точнее, эффузионный) метод разделения, при котором летучее соединение урана UF6 (гексафторид урана) многократно пропускается через перегородку с очень малыми порами. В куске чистого U235 каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление с испусканием ~2,5 новых нейтронов. Однако, если масса такого куска меньше определенного критического значения (составляющего для U235 по вычислениям немецкого физика В. Гейзенберга примерно 9 кг), то большинство испущенных нейтронов вылетит наружу, не вызвав деления, так что цепная реакция не возникает. При массе, большей критической, нейтроны быстро размножаются и реакция приобретает взрывной характер. На этом основано действие атомной бомбы. Ядерный заряд такой бомбы представляет собой два или более кусков почти чистого U235 или Pu239. Масса каждого куска меньше критической, вследствие чего цепная реакция не возникает. В земной атмосфере всегда имеется некоторое количество нейтронов, рожденных космическими лучами. Поэтому, чтобы вызвать взрыв, достаточно соединить части ядерного заряда в один кусок с массой, большей критической. Это нужно делать очень быстро и соединение кусков должно быть очень плотным. В противном случае ядерный заряд разлетится на части прежде, чем успеет прореагировать заметная доля делящегося вещества. Для соединения используется обычное взрывчатое вещество (запал), с помощью которого одной частью ядерного заряда выстреливают в другую. Все устройство заключено в массивную оболочку из металла большой плотности. Оболочка служит отражателем нейтронов и, кроме того, удерживает ядерный заряд от распыления до тех пор, пока максимально возможное число его ядер не выделит свою энергию при делении. Цепная реакция в атомной бомбе идет на быстрых нейтронах. При взрыве успевает прореагировать только часть ядерного заряда.

Иной способ осуществления цепной реакции используется в ядерных реакторах (называемых также атомными котлами). В качестве делящегося вещества в реакторах служит природный (либо несколько обогащенный изотопом U235) уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами U238 (который становится особенно интенсивным при энергии нейтронов — 7 эВ), сравнительно небольшие блоки (куски) делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, а промежутки между блоками заполняют замедлителем, т. е. веществом, в котором нейтроны замедляются до тепловых скоростей. Сечение захвата тепловых нейтронов ядром U238 составляет всего 3 барна, в то время как сечение деления U235 тепловыми нейтронами почти в 200 раз больше (580 барн). Поэтому, хотя нейтроны сталкиваются с ядрами U238 в 140 раз чаще, чем с ядрами U235, радиационный захват происходит реже, чем деление, и при больших критического размерах всего устройства коэффициент размножения нейтронов может достигнуть значений, больших единицы.

Замедление нейтронов осуществляется за счёт упругого рассеяния. В этом случае энергия, теряемая замедляемой частицей, зависит от соотношения масс сталкивающихся частиц. Максимальное количество энергии теряется, если частицы имеют одинаковую массу. С этой точки зрения идеальным замедлителем должно бы быть вещество, содержащее обычный водород, например, вода (массы протона и нейтрона примерно одинаковы). Однако такие вещества оказались непригодными в качестве замедлителя, потому что обычный водород поглощает нейтроны.

Ядра замедлителя должны обладать малым сечением захвата нейтронов и большим сечением упругого рассеяния. Этому условию удовлетворяют дейтерий, а также ядра графита и бериллия.

Тема 11.Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

Элементарные частицы удаётся наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своём прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, её энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своём пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порождёнными ими заряженными частицами.

Приборы, применяемые для регистрации ионизирующих частиц, подразделяются на две группы. К первой группе относятся устройства, которые регистрируют факт пролёта частицы и позволяют судить об её энергии. Вторую группу образуют трековые приборы, т. е. приборы, позволяющие наблюдать следы частиц в веществе. К числу регистрирующих приборов относятся ионизационные камеры и газоразрядные счётчики. Широкое распространение получили черенковские счётчики и сцинтилляционные счётчики.

Заряженная частица, пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждение атомов. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы испускают видимый свет. Вещества, в которых заряженные частицы возбуждают заметную световую вспышку (сцинтилляцию), называют фосфорами. Фосфоры бывают органические и неорганические.

Сцинтилляционный счетчик.

Состоит из фосфора, от которого свет подается по специальному светопроводу к фотоумножителю. Импульсы, получающиеся на выходе фотоумножителя, подвергаются счету. Определяется также амплитуда импульсов (которая пропорциональна интенсивности световых вспышек), что дает дополнительную информацию о регистрируемых частицах.

Счетчики часто объединяются в группы и включаются так, чтобы регистрировались только такие события, которые отмечаются одновременно несколькими приборами, либо только одним ним из них. В первом случае говорят, что счетчики включены по схеме совпадений, во втором — по схеме антисовпадений.

К числу трековых приборов относится камеры Вильсона, пузырьковые камеры, искровые камеры и эмульсионные камеры.

Камера Вильсона.

Так называют прибор, созданный английским физиком Ч. Вильсоном в 1912 г. Дорожка из ионов, проложенная летящей заряженной частицей, становится видимой в камере Вильсона, потому что на ионах происходит конденсация пересыщенных паров какой-либо жидкости. Прибор работает не непрерывно, а циклами. Сравнительно короткое время чувствительности камеры чередуется с мертвым временем (в 100—1000 раз большим), в течение которого камера готовится к следующему рабочему циклу.

vilson

Пересыщение достигается за счет внезапного охлаждения, вызываемого резким (адиабатическим) расширением рабочей смеси, состоящей из неконденсирующегося газа (гелия, азота, аргона) и паров воды, этилового спирта и т. п. В этот же момент производится стереоскопическое (т. е. с нескольких точек) фотографирование рабочего объема камеры.

Стереофотографии позволяют воссоздать пространственную картину зафиксированного явления. Так как отношение времени чувствительности к мертвому времени очень мало, приходится иногда делать десятки тысяч снимков, прежде чем будет зафиксировано какое-либо событие, обладающее небольшой вероятностью. Чтобы увеличить вероятность наблюдения редких явлений, используются управляемые камеры Вильсона, у которых работой расширительного механизма управляют счетчики частиц, включенные в электронную схему, выделяющую нужное событие.

Пузырьковая камера.

В изобретенной Д. А. Глезером в 1952 г. пузырьковой камере пересыщенные пары заменены прозрачной перегретой жидкостью (т. е. жидкостью, находящейся под внешним давлением, меньшим давления ее насыщенных паров). Пролетевшая через камеру ионизирующая частица вызывает бурное вскипание жидкости, вследствие чего след частицы оказывается обозначенным цепочкой пузырьков пара — образуется трек.

В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении.

При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии.

Заряженные частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара. В качестве жидкостей используются главным образом жидкий водород и пропан.

    Пузырьковая камера, как и камера Вильсона, работает циклами. Запускается камера резким снижением (сбросом) давления, вследствие чего рабочая жидкость переходит в метастабильное перегретое состояние. В качестве рабочей жидкости, которая одновременно служит мишенью для пролетающих через нее частиц, применяются жидкий водород (в этом случае нужны низкие температуры).

Искровые камеры.

В 1957 г. Краншау и де-Биром был сконструирован прибор для регистрации траекторий заряженных частиц, названный искровой камерой. Прибор состоит из системы плоских параллельных друг другу электродов, выполненных в виде каркасов с натянутой на них металлической фольгой либо в виде металлических пластин. Электроды соединяются через один. Одна группа электродов заземляется, а на другую периодически подается кратковременный (длительностью 10-7 сек) высоковольтный импульс (10— 15 кВ). Если в момент подачи импульса через камеру пролетит ионизирующая частица, её путь будет отмечен цепочкой искр, проскакивающих между электродами.

Прибор запускается автоматически с помощью включенных по схеме совпадений дополнительных счетчиков, регистрирующих прохождение через рабочий объем камеры исследуемых частиц. В камерах, наполненных инертными газами, межэлектродное расстояние может достигать нескольких сантиметров. Если направление полета частицы образует с нормалью к электродам угол, не превышающий 40°, разряд в таких камерах развивается по направлению трека частицы.

Метод фотоэмульсий.

Советские физики Л. В. Мысовский и А. П. Жданов впервые применили для регистрации элементарных частиц фотопластинки. Заряженная частица, проходя через фотоэмульсию, вызывает такое же действие, как и фотоны. Поэтому после проявления пластинки в эмульсии образуется видимый след (трек) пролетевшей частицы.

Недостатком метода фотопластинок была малая толщина эмульсионного слоя, вследствие чего получались полностью лишь треки частиц летящих параллельно плоскости слоя. В эмульсионных камерах облучению подвергаются толстые пачки (весом до нескольких десятков килограммов), составленные из отдельных слоев фотоэмульсии (без подложки). После облучения пачка разбирается на слои, каждый из которых проявляется и просматривается под микроскопом. Для того чтобы можно было проследить путь частицы при переходе из одного слоя в другой, перед разборкой пачки на все слои наносится с помощью рентгеновских лучей одинаковая координатная сетка.

Счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера — один из важнейших приборов для автоматического счета частиц.

       Счетчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется газом, обычно аргоном.

 Заряженная частица (электрон, а-частица и т.д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация.

 

geiger

Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

Особенности Счетчика Гейгера:

·          Для того чтобы счетчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически.

·          Счетчик регистрирует почти все попадающие в него электроны; что же касается γ-квантов, то он регистрирует приблизительно только один γ - квант из ста.

·          Регистрация тяжелых частиц (например, α-частиц) затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.

 

 

 

Тема 12.Ускорители заряженных частиц

       Ускорители позволяют получать пучки заряженных частиц с энергиями от нескольких МэВ до нескольких сотен ГэВ. Интенсивность пучков достигает 1016 частиц в секунду, причем эти пучки можно сфокусировать на мишени площадью в несколько квадратных миллиметров. В качестве «первичных снарядов» чаще всего используются протоны и электроны (см. Приложение).

Только с помощью ускорителей можно решать такие задачи, как получение новых частиц или новых состояний экспериментально уже открытых частиц, а также исследовать детально структуру субатомных объектов. В природе существует совсем немного стабильных частиц – протон, электрон, нейтрино и фотон. В веществе нашей Земли имеется весьма ограниченный набор возможных атомных ядер, причем они практически всегда находятся в основных состояниях.

Чтобы выйти за узкие рамки тех объектов, которые попадают нам в руки на земле естественным путем, следует возбуждать новые состояния частиц и ядер искусственно. Для получения какого-либо нового такого состояния, обладающего массой М, необходимо, по меньшей мере, энергия E=mc2. Пока не найден еще предел значений масс частиц, находящихся в возбужденных новых состояниях, и неизвестно, существует ли он вообще. Чтобы ответить на этот вопрос, требуется иметь более мощные ускорители высоких энергий. Высокие энергии нужны не только для получения новых состояний. Они необходимы также и для выяснения деталей уже открытых, субатомных объектов. Легко видеть, что энергия частиц, используемых для исследования все более мелких деталей ядер и частиц, должна возрастать. Действительно, дебройлевская длина волны частицы с импульсом р равна  Часто используют приведенную дебройлевскую длину волны . Чтобы различить структурные детали объекта с линейными размерами порядка d, должны использоваться длины волн, сравнимые с d или меньше d: λ≤d. Иначе говоря, требуются частицы с импульсом P. Чем меньше детали объектов, которые мы хотим рассмотреть, тем, следовательно, выше должны быть значения импульсов, а потому и энергий. В качестве примера возьмем объект размером порядка d=1 фм, а в качестве «инструмента» используем протон. В данном случае применимо (покажем это ниже) нерелятивистское приближение. Минимальная кинетическая энергия протона должна равняться

 

.

 

Воспользуемся этим примером, чтобы показать, как рассчитывать Екин. и другие подобные величины очень удобным способом. Представим по возможности все величины, входящие в формулу, в виде безразмерных отношений. Величина Екин. имеет размерность энергии. Такую же размерность имеет энергия покоя протонов mpc2=938 МэВ. Следовательно, мы можем написать безразмерное отношение

 

 

Величина в скобках – не что иное, как комптоновская длина волны протона . Таким образом, для кинетической энергии протона непосредственно имеем

 

 

Согласно этому результату, кинетическая энергия протонов, используемых для рассмотрения деталей с линейными размерами порядка 1 фм, должна составлять около 20 МэВ. Поскольку эта кинетическая энергия во много раз меньше энергии покоя одного нуклона, то нерелятивистское приближение, которым мы пользовались, вполне оправдано. Природа не предоставляет нам интенсивные пучки протонов, с такой высокой энергией, и их приходится получать искусственно – на ускорителях. В космических лучах, правда, имеются частицы и с гораздо более высокими энергиями, но интенсивность пучков этих частиц столь мала, что с их помощью можно решать лишь весьма ограниченный круг задач.

Самый простой способ получения пучков частиц с высокой энергией – ускорение их в электрическом поле. Сила, действующая на частицу с зарядом q в электрическом поле , определяется формулой . В простейшем ускорителе имеется две сетки с наложенной на них разностью потенциалов V, расположенные на расстоянии d. Средняя напряженность поля равна, а приобретаемая частицей энергия ω=F·d=qV. Обе сетки должны быть расположены в вакууме, чтобы избежать потерь энергии. Поэтому на рисунке обозначен вакуумный насос. Кроме того, указан источник ионов – он создает заряженные частицы. Указанные элементы – источник ионов, ускоряющее устройство, вакуумный насос – составные части любого ускорителя. Можно ли получить с помощью простейшего ускорителя пучки частиц, с энергией 20 МэВ? Это очень сложная техническая задача. Уже при напряжениях в несколько киловольт может произойти пробой. Чтобы превысить 100 кэВ, нужны специальные технические схемы для решения этой проблемы. Благодаря упорной работе многих изобретателей, были созданы электростатические генераторы, способные давать ускоренные частицы, с энергиями порядка 10 МэВ. Большей энергии частиц с помощью электростатического генератора достичь не удалось. Потребовалась новая идея: как ускорять частицы? И она возникла. Это многократное воздействие данной разностью потенциалов на одну и ту же ускоряемую частицу. И в дальнейшем всякий раз, когда казалось, что уже достигнута максимальная энергия ускорения частиц, каждая из «непреодолимых» трудностей устранялась путем нового, остроумного решения.

 

 

 

Электростатический генератор Ван де Граафа

  В период становления ядерной физики (1919–1932 гг.) развитие ускорителей шло по пути получения высоких напряжений и их использования для непосредственного ускорения заряженных частиц. В 1931 году американским физиком Р. Ван-де-Граафом был построен электростатический генератор, а в 1932 году английские физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали так называемый каскадный генератор. Эти установки позволили получить потоки ускоренных частиц с энергией порядка миллиона электрон-вольт (Мэв). В 1932 году на этих установках впервые была осуществлена ядерная реакция, возбуждаемая искусственно ускоренными частицами, – расщепление ядра лития протонами.

Трудно получить достаточно высокое напряжение, непосредственно используя трансформатор и выпрямители. В генераторе Ван-де-Граафа трудность эта обойдена транспортировкой заряда Q к проводящему полому кондуктору С, получающаяся разность потенциалов оказывается равной V=q/C и именно она используется для ускорения ионов. Основные элементы генератора показаны на Рис. 1.

 

 

Рис. 1. Схема генератора Ван-де-Граафа: 1 – ленточный транспортер зарядов; 2 – устройство для нанесения и съема зарядов; 3 – шкивы транспортера; 4 – высоковольтный электрод генератора

 

Положительные заряды наносятся на ленту из изоляционного материала с помощью зарядного устройства, работающего при напряжении 20–30 кв. Лена приводится в движение мотором и заряды переносятся кондуктору, и снимаются там рядом коронирующих игл и поступают непосредственно на его поверхность. Положительные ионы – протоны, дейтроны, и т.п. – подаются специальным источником ионов и ускоряются в вакуумной трубке. Пучок частиц, выходящих из этой трубки, обычно направляется на мишень при помощи отклоняющего магнита. Если вся система работает при обычном атмосферном давлении, то может быть достигнуто напряжение порядка нескольких МэВ, до наступления «пробоя», который разрядит кондуктор. Если система находится в резервуаре, наполненном инертным газом, например, азотом, под давлением 15 атм, то можно получить напряжение вплоть до 12 МэВ. Максимальное напряжение можно увеличить вдвое, используя так называемый тандемный ускоритель Ван-де-Граафа. Здесь кондуктор расположен посередине длинного резервуара высокого давления. На одном конце резервуара находится источник отрицательных ионов, например, ионы Н. Эти ионы ускоряются электростатическим полем в направлении кондуктора, где они «обдираются», то есть, каждый из них лишается пары электронов, при прохождении сквозь фольгу или канал, содержащий газ. Полученные положительные ионы теперь летят в направлении мишени и снова набирают энергию. Таким образом, полная энергия удваивается по сравнению с одноступенчатым ускорителем. Ускорители Ван-де-Граафа зарекомендовали себя надежными экспериментальными установками для исследования структуры атомных ядер. Однако их максимально достигаемая энергия не превышает 30–40 МэВ для протонов. Такие ускорители нельзя применять при исследовании структуры и взаимодействий элементарных частиц.

 Линейный ускоритель

Чтобы достичь очень высоких энергий, частицу необходимо подвергнуть многократному ускорению. Наиболее простой по замыслу системой для этого является линейный ускоритель, схематически изображенный на Рис. 2.

 

Рис. 2. Схематический разрез резонатора (1) линейного ускорителя с дрейфовыми трубками (2). Вблизи оси электрическое поле Е сосредоточено лишь в зазорах между трубками

      Ряд цилиндрических трубок присоединяется к генератору высокой частоты, причем там, чтобы в любой данный момент времени, следующие друг за другом трубки имели противоположную полярность. Пучок частиц впрыскивается вдоль оси цилиндров. Внутри каждого цилиндра электрическое поле всегда равно нулю. В промежутках между трубками, то есть в зазорах, поле меняется с частотой генератора. Рассмотрим частицу с зарядом Е, которая проходит первый зазор в момент максимума ускоряющего поля. Длина следующего цилиндра должна быть выбрана так, чтобы частица оказывалась в следующем зазоре как раз в тот момент, когда поле изменит знак. Она таким образом опять испытает воздействие максимального ускоряющего поля и после этого будет обладать энергией 2eV0. Чтобы такой трюк удался, длина L должна точно равняться 1/2VT, где V – скорость частицы, а Т – период колебаний поля. Поскольку скорость частицы увеличивается при прохождении каждого очередного зазора, длины цилиндров должны возрастать. В линейных ускорителях электронов скорость электронов приближается к скорости света С и поэтому L стремится в пределе к 1/2CT. Описанное устройство с цилиндрами не единственно возможное. Для ускорения частиц можно использовать электромагнитные волны, распространяющиеся внутри цилиндрических полостей. В обоих видах линейных ускорителей требуется иметь в распоряжении генераторы довольно значительной мощности, и поэтому прежде чем линейные ускорители стали строить, пришлось решить ряд трудных технических проблем. Стэндфордский электронный линейный ускоритель трехкилометровой длины позволяет получать электроны с энергией более 20 ГэВ. Лос-аламосский протонный линейный ускоритель рассчитан на 800 МэВ при интенсивности пучков в 1 мА.

 

 Циклотрон

Существенная часть циклотрон – две полые металлические коробки, называемые дуантами (Рис. 3). Дуанты немного раздвинуты по диаметру друг от друга и подключены к радиочастотному генератору, работающему на частоте порядка нескольких мегагерц. Дуанты помещают в вакуумное пространство между полюсами мощного магнита, который создает магнитное поле с индукцией до нескольких Тл. Заряженная частица вылетает из источника ионов, помещенного в центре между дуантами, со скоростью V0. Магнитное поле действует на частицу с силой , а поскольку , то . Применим второй закон Ньютона , где m – масса частицы. Частица движется по полукругу радиусом . Выходя из дуантов, частица попадает в электрическое поле, создаваемое радиочастотным генератором. Высокочастотное поле синхронизируют таким образом, что, как только частица покидает один дуант, оно дает ей «толчок», и во второй дуант эта частица попадает ускоренной. В силу того, что частица обладает теперь большей скоростью, во втором дуанте она движется по траектории большего радиуса .

Траектория частицы внутри дуантов образует некоторую раскручивающуюся спираль. Ускорение продолжается до некоторого максимального радиуса. После этого частицу вывозят из циклотрона и направляют на мишень.

Частота обращения частицы в циклотроне равна

 

.

 

Рис. 3. Схема движения частиц в циклотроне; магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа. 1 – ионный источник; 2 – орбита ускоряемой частицы (спираль); 3 – ускоряющие электроды; 4 – выводное устройство (отклоняющие пластины); 5 – источник ускоряющего поля

 

Максимальная кинетическая энергия частицы, когда она покидает циклотрон, равна

 

.

 

При r=0,5 м конструктивные параметры циклотрона, предназначенного для ускорения α-частиц до энергии 20 МэВ, следующие:

 

 

 

Первый циклотрон был построен в 1930 г. Он стал прародителем целого семейства ускорителей, отличающихся от него в деталях, но сходных в главном: в них используется синхронизированное (согласованное по фазе) высокочастотное электромагнитное поле.

Бетатрон

Бетатрон был спроектирован в 1941 году в Иллинойском университете. Этот прибор был предназначен специально для ускорения электронов. Поперечный разрез и схема основных узлов бетатрона показана на Рис. 4.

Вакуумная стеклянная камера в форме бублика имеет источник электронов, смонтированный между полюсами мощного электромагнита. Большинство бетатронов работает обычно от источника напряжения частотой в 60 Гц.

 

Рис. 4. Схематический разрез бетатрона: 1 – полюсы магнита; 2 – сечение кольцевой вакуумной камеры; 3 – центральный сердечник; 4 – обмотки электромагнита; 5 – ярмо магнита

 

Когда магнитное поле изменяется со временем, возбуждается ЭДС индукции, равная , где  – магнитный поток, ограниченный круговой траекторией электрона, В ср – среднее значение индукции магнитного поля внутри круговой траектории. Напряженность получающегося вихревого электрического поля направлена по касательной к круговой траектории и по абсолютному значению равна:

 

Импульс электрона mv=qBr и, следовательно, при неизменном радиусе r изменение индукции магнитного поля dB приводит к изменению импульса d(mv)=qrdB.

Это изменение импульса равно d(mv)= Fdt=qEdt=qdBср. Сравнивая с предыдущей формулой, получаем dBср=2dB или Bср=2В. Таким образом, для получения устойчивой орбиты магнитному полю надо придать такую конфигурацию, чтобы среднее значение индукции магнитного поля по площади, ограничиваемой круговой орбитой, было в два раза больше индукции поля на орбите. Полюсам магнита придается такая геометрическая форма, при которой переменное магнитное поле не только сообщает электронам энергии, но также удерживает их на устойчивой орбите. После того, как электрон прокрутится много раз на орбите и получит нужную энергию, магнитное поле изменяют и заставляют электрон ударяться о мишень.

Серийный бетатрон на 100 МэВ имеет диаметр полюсов около 2 м и магнит массой 130 т. Электронам сообщается энергия 100 МэВ порциями по 420 эВ на каждом обороте, так что всего ускоряемый электрон совершает 2,4·105 оборотов, т.е. пробегает расстояние около 1280 км (примерно расстояние от Ростова-на-Дону до Москвы).

Верхний предел, получаемых на бетатроне энергий, ограничивается на двумя факторами. Во-первых, так как электроны разгоняются до скоростей, близких к скорости света, становятся важными релятивистские эффекты и дальнейшее увеличение скорости электрона не происходит. Во-вторых, поскольку электроны – заряженные частицы и так как они двигаются по круговым орбитам, т.е. постоянно ускоряются, то они должны терять энергию на излучение.

Синхротрон – это вариант бетатрона, в котором скомпенсированы релятивистские эффекты.

Синхротрон

Идею синхротрона предложил в 1945 В. Векслер. Его основные элементы показаны на Рис. 5. Инжектор впрыскивает частицы с начальной энергией Еi в ускорительно кольцо. Двухполюсные магниты удерживают частицы на круговой траектории с радиусом кривизны ρ, а система четырех полюсных магнитов поддерживает коллмелированность пучка частиц, ускоряемых полостями, работающими на частоте ω. Реальная траектория частиц состоит из прямых участков, проходящих внутри резонансных полостей, внутри фокусирующих и других элементов, и их участков круговых траекторий, расположенных внутри магнитов, удерживающих частицы. Поэтому радиус ускорительного кольца R оказывается большим радиуса кривизны ρ.

 

 

Рис. 5. Схема синхротрона: 1 – инжектор; 2 – система ввода; 3 – вакуумная камера; 4 – сектор электромагнита; 5 – прямолинейный промежуток; 6 – ускоряющее устройство. Магнитное поле перпендикулярно плоскости рисунка

       После инжекции (когда радиочастотное ускорительные устройства еще не включены) частицы будут двигаться по кольцу со скоростью V, делая полный оборот за время Т, которое определяется выражением .

Энергия Е и импульс частицы связаны формулой Е22с2+m2с4. С учетом  формула для периода

 

, (1)

 

где Еi и Рi – начальная энергия и импульс частицы. Соответствующая круговая частота равна

 

 (2)

 

Магнитное поле, необходимое для удержания частиц на траектории, определяется из формулы . Ситуация меняется когда включаются радиочастотные ускорительные устройства. Прежде всего радиочастота ω должна быть больше круговой частоты Ω (в к раз), чтобы подталкивать частицу в нужные моменты времени. Далее из формулы (2) мы видим, что частота приложенного радиочастотного поля должная возрастать с ростом энергии ускоряемой частицы вплоть до достижения такого режима, когда частицы можно уже считать полностью релятивистскими, т.е. когда рс=Е. Магнитное поле также должно возрастать:

 

 и  (3)

     Если эти два условия выполняются, то частицы действительно ускоряются. Весь процесс ускорения выглядит следующим образом. В момент t=0 инжектируется сгусток частиц с энергией Еi. Затем магнитное поле и радиочастоту непрерывно увеличивают от их начальных значений Bi и ωi до конечных значений Bf и ωf, причем так чтобы в каждый момент выполнялись оба соотношения (3). Энергия частиц возрастает в течении этого процесса от первоначальной энергии Еi до конечной энергии Еf. Время, требующееся для доведения энергии частиц до конечного значения, зависит от размеров установки. Для очень больших ускорительных машин это время порядка 1 с. Соотношения (3) раскрывают еще одну характерную особенность больших синхротронных ускорителей. Частицы в них нельзя ускорять сразу с помощью одного лишь синхротрона до полной энергии. Диапазон изменения радиочастоты и магнитного поля был бы тогда слишком велик. Поэтому частицы приходится предварительно ускорять на малых машинах и затем инжектировать в больших синхротронные ускорители.

Синхротроны могут применяться для ускорения и протонов и электронов. Электронные синхротроны имеют одно общее свойство с другими кольцевыми электронными ускорителями: они являются интенсивными источниками коротковолнового синхротронного излучения. Мощность излучения частицы с зарядом e, движущейся со скоростью υ=βс по круговой орбите радиуса R, дается формулой:

 

 

 

Если β≈1, то

,

          где , .

 

Время Т одного оборота частицы по круговой орбите определяется формулой (1), а энергия, теряемая за один оборот равна

 

 

Из этой формулы сразу становится очевидно различие между протонным и электронным синхронными ускорителями. Для одних и тех же значений радиуса орбиты и полных энергий отношение энергетических потерь в общих ускорителях составляет

 

 

Таким образом, энергетические потери обязательно надо принимать во внимание при проектировании электронных синхротронов.

 

 Оптика пучков частиц

Попытаемся ответить на вопрос, каким образом пучок частиц, пройдя в ускорителях путь длинной в несколько километров остается хорошо сколлимированным? В оптике световых пучков путь монохроматического светового луча, проходящего через систему тонких линз, найти легко, используя законы геометрической оптики. Рассмотрим, например, простую комбинацию из двух тонких линз – выпуклой и вогнутой, – находящихся на расстоянии d друг от друга и имеющих одинаковые фокусные расстояния f. Такая комбинация линз всегда является фокусирующей с результирующим фокусным расстоянием . Для управления пучками заряженных частиц в ускорителях можно было бы, казалось, воспользоваться и электрическими и магнитными линзами. Напряженность электрического поля, необходимая для эффективной фокусировки частиц высокой энергии в электрических линзах, оказывается, однако, неприемлемо большой, и поэтому применяются лишь магнитные линзы.

При попытке сфокусировать пучок возникают различные трудности. Очевидно, что обычный двухполюсный магнит может изменить траекторию частицы, оставляя ее только в одной определенной плоскости, и поэтому фокусировку пучка с его помощью можно осуществить лишь в этой плоскости. Создание магнитных линз аналогичных свойствам оптических фокусирующих линз стало возможным после того, как в 1950 году была высказана идея «жесткой» фокусировки. Чтобы пояснить основную мысль этой идеи достаточно понять, что если в оптической системе чередовать фокусирующие и дефокусирующие элементы, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, то в результате получим эффект фокусировки. В транспортных системах для пучков жесткая фокусировка наиболее часто достигается путем применения четырех полюсных магнитов. Поперечное сечение такого магнита показано на Рис. 6. Этот магнит имеет четыре полюса, причем поле в центральной точке равно нулю, а в направлении от центра к краям, возрастает. Чтобы пояснить, как действует четырехполюсный магнит, рассмотрим три положительно заряженные частицы, летящие вдоль оси магнита и проходящие через точки А, В и С.

 

Рис. 6. Поле магнитной квадрупольной линзы: N, S – северный и южный полюсы магнита, F – сила действия магнитного поля на частицу, движущуюся перпендикулярно плоскости рисунка (в центре F = 0)

 

Частица А проходит через центр и не отклоняется магнитами. На частицы В и С действует лоренцева сила, которая отклоняет частицу В к центру, а частицу С от центра. Таким образом, магнит ведет себя как фокусирующее устройство в отношении одной плоскости и дефокусирующее в отношении другой. Комбинация двух расположенных один за другим четырехполюсных магнитов будет фокусировать пучок в двух плоскостях, если второй магнит повернуть вокруг центральной оси на 900 по отношению к первому магниту. Такие пары четырехполюсных магнитов являются существенными элементами всех современных ускорителей частиц и устройств, транспортирующих пучки к мишеням. Применение подобных фокусирующих устройств позволяет выводить пучки на многие километры от ускорителя без существенных потерь от интенсивности.

Большой адронный коллайдер – LHC (Large Hadron Collider)

         В Европейской организации ядерных исследований (CERN) с 1996 г. реализуется глобальный научный проект – LHC – большой адронный коллайдер. Большой адронный коллайдер – кольцевой ускоритель заряженных частиц на встречных пучках с кольцом длиной 26,65 км, проходящим под территориями Швейцарии и Франции. Реализация проекта объединит мировой опыт создания и эксплуатации больших экспериментальных установок, накопленный во всем мире на протяжении последних десятилетий. Подобно тому, как открытие атомной структуры, волновых свойств материи и квантовой механики в начале ХХ столетия обеспечило быстрое развитие науки и технологий, результаты экспериментов на LHC не только дадут возможность установить фундаментальные законы физики частиц, но и могут привести к открытиям, которые определят генеральное развитие науки и технологии в XXI веке.

Проект ускорителя задуман как крупномасштабная международная программа. России было предложено участвовать в его создании. Договоренность закреплена в Протоколе об участии в проекте, подписанном 14 июня 1996 г. CERN и Миннауки России по поручению Правительства Российской Федерации. Согласно этому документу российские институты и промышленные предприятия произведут высокотехнологичное оборудование на сумму 200 млн швейцарских франков в течение 10 лет. Финансовый вклад России, определяющий масштаб последующего участия российских физиков в экспериментах на коллайдере, должен составить 133 млн швейцарских франков, а инвестиции CERN и других западных партнеров в Россию – более 66 млн швейцарских франков. Несмотря на то, что финансовый вклад России составит менее 5% общей стоимости проекта, реальная доля участия российских физиков в последующих экспериментальных исследованиях на этом уникальном комплексе составит в среднем 16%. Это результат признания значительного интеллектуального и технологического вклада российских ученых в развитие физики высоких энергий вообще и в осуществление проекта LНС, в частности.

Новый ускоритель будет установлен в уже существующем в CERN кольцевом тоннеле, созданном для электронно-позитронного коллайдера LЕР, и станет крупнейшим в мире ускорителем заряженных частиц.

Ввод ускорителя в строй намечен на 2006–2007 гг. На коллайдере будут изучаться столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ/протон. Эта энергия в миллионы раз больше энергии, выделяемой в единичном акте термоядерного синтеза.

Россия принимает участие как в строительстве ускорителя, создании детекторов, так и в последующих научных исследованиях с их использованием. Координатором проекта от России и стран-участниц является ОИЯИ (г. Дубна).

 

 

Просмотрено: 0%
Просмотрено: 0%
Скачать материал
Скачать материал "История развития элементарные частиц"

Настоящий материал опубликован пользователем Ганеева Руфина Фаритовна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

  • Скачать материал
    • 23.05.2017 9828
    • DOCX 3.1 мбайт
    • 50 скачиваний
    • Оцените материал:
  • Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

    Удалить материал
  • Автор материала

    Ганеева Руфина Фаритовна
    Ганеева Руфина Фаритовна
    • На сайте: 7 лет и 10 месяцев
    • Подписчики: 0
    • Всего просмотров: 10640
    • Всего материалов: 2

Рабочий лист по физике 10 Электрический заряд и элементарные частицы

Файл будет скачан в формате:

  • pdf
499
9
03.11.2023

«Инфоурок»

Рабочий лист по физике 10 класса по теме "Электрический заряд и элементарные частицы" Рабочий лист рекомендую использовать при первичном закреплении, так как тема вводная и основа - теоретический материал.

Краткое описание методической разработки

Рабочий лист по физике 10 класса по теме "Электрический заряд и элементарные частицы"

Рабочий лист рекомендую использовать при первичном закреплении, так как тема вводная и основа - теоретический материал.

Смотреть ещё 5 411 курсов

Методические разработки к Вашему уроку:

Рабочие листы
к вашим урокам

Скачать

Скачать материал

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

7 012 983 материала в базе

Скачать материал

Другие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Оформите подписку «Инфоурок.Маркетплейс»

Вам будут доступны для скачивания все 175 176 материалов из нашего маркетплейса.

Мини-курс

Искусственный интеллект и право: вызовы нового времени

2 ч.

699 руб.
Подать заявку О курсе
  • Этот курс уже прошли 13 человек

Мини-курс

Основы профессиональной деятельности эксперта в области индивидуального консультирования

4 ч.

699 руб.
Подать заявку О курсе

Мини-курс

Оптимизация бизнес-процессов: от логистики до управления персоналом

3 ч.

699 руб.
Подать заявку О курсе
Смотреть ещё 5 411 курсов