Елементарні частинки та їх властивості

8. Серед величин, що характеризують елементарні частинки, є ще одна суто квантово-механічна величина, яку називають парністю Р. Розглянемо її. Відомо, що в квантовій механіці стан однієї частинки або системи частинок описується хвильовою функцією, яка задовольняє рівняння Шредінгера і залежить від координат і часу. Під парністю стану, або парністю хвильової функції, розуміють характер її поведінки при просторовій інверсії — зміні знака всіх координат частинки на протилежні (х на -х, у на -у, z на -z), що еквівалентно дзеркальному відображенню, або переходу від правогвинтової системи координат до лівогвинтової. При такій просторовій інверсії можливі два випадки: хвильова функція залишається незмінною або змінює свій знак на протилежний. У першому випадку хвильова функція є парною, а в другому — непарною.

Поведінка хвильової функції при інверсії визначається внутрішніми властивостями частинок, які вона описує. Саме для того, щоб наголосити на цьому, і вводять нове квантове число Р. Частинкам із парною хвильовою функцією приписують позитивну парність (Р=+1). Вважають, що частинки з непарною хвильовою функцією мають негативну парність (Р=-1). Парність системи частинок визначається добутком парностей окремих частинок, що входять до складу системи.

Із квантової механіки випливає закон збереження парності, який стверджує: при всіх перетвореннях, яких зазнає система частинок, парність стану залишається незмінною. Закон збереження парності означає, що процеси в природі не залежать від вибору правогвинтової або лівогвинтової системи координат, в яких ці процеси вивчають, або, що те саме, немає різниці між об’єктом і його дзеркальним відображенням. Отже, закон збереження парності пов’язаний із властивостями дзеркальної симетрії простору. До 1956 р. вважали, що закон збереження парності має загальний характер і виконується при всіх видах взаємодії. В 1956 р. було з’ясовано, що при слабких взаємодіях закон збереження парності порушується.

Ми розглянули основні квантові числа елементарних частинок. Кожне з них об’єднує велику групу частинок за тією ознакою, яку вона має. Електричний заряд поділяє всі частинки на заряджені позитивно, заряджені негативно і нейтральні. Баріонний заряд об’єднує частинки у велику групу баріонів, для яких він відмінний від нуля. Зазначимо, що баріони можуть бути електрично нейтральними або зарядженими позитивно чи негативно. Лептонний заряд об’єднує групу легких частинок — лептони, які беруть участь в електромагнітних і слабких взаємодіях і не беруть участі в сильних. Дивність групує частинки на дивні, куди входять як баріони, так і мезони з баріонним зарядом, що дорівнює нулю, і на звичайні — недивні, куди також входять баріони і мезони, але з нульовою дивністю. Звичайний спін поділяє всі частинки на ферміони (з півцілим спіном) і бозони (з цілим спіном), кожній групі з яких відповідає своя статистика. Те саме можна сказати і про ізоспін, який об’єднує відомі нам частинки в ізотопічні мультиплети.

Отже, за допомогою квантових чисел можна повністю охарактеризувати кожну елементарну частинку. Проте слід зазначити їхню істотну відмінність, яка насамперед полягає в тому, що не всі вони є універсальними квантовими числами, здатними описувати всі види взаємодії. Деякі з них (парність, ізотопічний спін) змінюють своє значення при слабких взаємодіях, закон збереження ізотопічного спіну порушується також при електромагнітній взаємодії.

4. Наскільки різноманітні елементарні частинки, настільки ж різноманітні і їх характеристики. Саме на підставі характеристик і складена класифікація елементарних частинок.

Один з найважливіших показників – це маса. Важливо брати до уваги саме масу спокою частки, оскільки в момент руху, особливо з високими швидкостями, вона значно збільшується. Іноді, не враховуючи цей факт, деякі вчені оголошували про відкриття нових частинок, хоча мали справу з давно відомими. Одиницею відліку прийнято вважати масу спокою електрона, оскільки він є найлегшою з них. У наш час класифікація елементарних частинок у відповідності з їх масами спокою виглядає наступним чином:

фотони, у яких немає маси спокою, оскільки постійно рухаються зі світловою швидкістю;

легкі частинки – лептони, до яких відносяться нейтрино і електрон;

середні частинки, які важать від однієї маси електрона до тисячі;

важкі – Ядерна фізика, що володіють масою в більш, ніж тисячу мас електрона, до яких відносяться нейтрони, протони, Гіперіон.

Наступна характеристика, за якою створена класифікація елементарних частинок, – їх електричний заряд. Він кратний заряду одного електрона (-1) завжди. Згідно даній характеристиці всі частинки діляться на позитивно заряджені, негативно заряджені і з нульовим зарядом. Передбачається також існування частинок, що мають дробовий заряд.

Ще одна характеристика, за якою створена класифікація елементарних частинок, – час їх життя:

vстабільні частинки, до яких відносяться електрон, нейтрино, фотон і протон, нейтрон зберігає стабільність до тих пір, поки знаходиться у складі ядра атома, а у вільному стані він розпадається протягом 15 хвилин;

vнестабільні частки – всі інші. Час життя у них 10 (-10) – 10 (-24) секунд, а частки з найкоротшою тривалість життя – резонанси, що руйнуються ще до того, як встигають покинути атомне ядро або атом. Живуть вони 10 (-25) – 10 (-26) секунди. Хоча існування такого роду частинок теоретично обчислено, але практично їх ніхто не зафіксував. У життєдіяльності людини найважливіша роль належить, звичайно, стабільним часткам, адже саме з них і побудовані всі макротела.

Наступна класифікаційна характеристика – тип взаємодії:

üлептони – частки, які беруть участь тільки в слабкому і електромагнітній взаємодії;

üадрони – це частинки, які, крім перерахованих вище, беруть участь ще й у сильних взаємодіях.

Але найважливіша характеристика елементарних частинок – це спін (опис імпульсу частки). Така величина в класичній механіці визначає характеристику обертання тіла. Але фізика, розглядаючи властивості елементарних частинок, спін характеризує по-іншому – як внутрішню ступінь свободи даної частинки. Він може приймати тільки позитивні значення, які пропорційні постійної Планка, на відміну від спина в механіці, здатного приймати будь-які значення. Коефіцієнт, що виражає його пропорційність, названий квантовим спіновим числом. Для одних частинок він може мати цілочисельні (0, 1, 2), а у інших – напівцілим (1/2, 3/2) значення. Частка, що володіє 0-вим спіном, виглядає однаково при повороті її під будь-яким кутом, зі спіном в одиницю – знаходить такий же вигляд після повороту її на 360 градусів, а зі спінів рівним 2 – після повороту на 180 градусів, зі спіном в ½ – на 720 градусів. Всі частинки з нецілим значенням спинив носять назву – ферміони. До них відносяться всі широко відомі частинки, наприклад, протони, електрони, нейтрони. Їх спини становлять 1/2. А з цілочисельними – бозони. Ці речовини, по суті, є квантами полів, але навіть володіючи корпускулярними властивостями, все ж виступають у ролі полів в класичному межі. Яскравим зразком бозонів є фотон, спін у яких становить 1, а також мезони з нульовим спіном.

5. Існує 4 типи взаємодії елементарних частинок:

uелектромагнітна,

uсильна

uслабка

uгравітаційна.

Вони різняться т. з. константами взаємодії, інтенсивностями, радіусами дії сил та законами збереження квантових чисел. Розмірність константи взаємодії дорівнює розмірності електр. заряду е, а інтенсивність - безрозмірній величині відношення квадрата константи взаємодії до добутку hc, де h - Планка стала, с - швидкість світла у вакуумі. Електромагнітній взаємодії підлягають усі заряджені, а також нейтральні, з відмінним від нуля магнітним моментом, елементарні частинки і фотон; вона обумовлює структуру атомів і молекул. Радіус дії електромагнітної взаємодії нескінченний. Інтенсивність сильної взаємодії приблизно в тисячу разів більша за інтенсивність електромагнітної, а радіус дії дорівнює бл. 10-15 м. Сильній взаємодії підлягають адрони, вона визначає структуру атомного ядра. Слабка взаємодія проявляється в повільному розпаді елементарних частинок. Так, напр., внаслідок слабкої взаємодії нейтрон розпадається на протон, електрон і нейтрино, причому час життя нейтрона становить 15 хв. Інтенсивність слабкої взаємодії у 1010 разів менша за інтенсивність сильної. Слабка взаємодія короткодіюча, радіус її дії 10-19 м. Найменш інтенсивною є гравітаційна взаємодія, яка в 1039 разів слабша за електромагнітну. Вона не відіграє скільки-небудь помітної ролі у світі елементарних частинок. Гравітаційній взаємодії підлягає вся матерія в цілому, вона визначає структуру Всесвіту і рух макроскопічних тіл. В. е. ч. характеризуються певними властивостями симетрії. Найбільш симетричною є сильна взаємодія. Це значить, що в процесах, обумовлених нею, зберігаються всі відомі до цього часу квантові числа. В усіх взаємодіях зберігається енергія, імпульс, кутовий момент, а також електр. заряд і баріонний заряд; у сильній, крім цього,- спін ізотопічний, дивність, просторова і зарядова парність. Із зменшенням інтенсивності взаємодії зменшується кількість квантових чисел, що залишаються сталими. Так, в електромагнітній взаємодії не зберігається ізотопічний спін, а в слабкій - крім нього, ще й дивність та просторова парність. Носіями електромагнітної взаємодії є фотони, сильної-різного роду мезони. Носіями слабкої взаємодії, можливо, є гіпотетичні, до цього часу експериментально не виявлені, заряджені і нейтральні векторні бозони з дуже великими масами.