Группы элементарных частиц

Все известные частицы разделены на группы элементарных частиц (см. табл. 14) по различным признакам. Есть частицы выделенные в одну группу по величине спина, массе покоя и т.д.

В этой и некоторых других статьях мы часто будем ссылаться на таблицу 14 статьи «Элементарные частицы«. Это даже не таблица, а рисунок, на котором схематично изображены группы элементарных частиц и приведены некоторые их свойства.

На две большие группы элементарных частиц можно разделить частицы по величине спина:

  • фермионы с полуцелым спином и
  • бозоны с нулевым или целым спином.

Об этом мы говорили всё в той же статье «Элементарные частицы«, это изображает рис. 18.

Группа элементарных частиц — Фермионы

В зависимости от массы покоя группа частиц «фермионы» в свою очередь делится еще на две группы:

  • барионы и
  • лептоны.

Группа Барионы

В верхней части таблицы вы видите группу тяжелых фермионов — барионов. Самый легкий из барионов — протон (p). Чуть большей массой обладает нейтрон (n). Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, т.е. из четырех нуклонов. Ядро углерода состоит из 12 нуклонов и т.д. Барионы, более тяжелые, чем нуклоны, называются гиперонами. (По-гречески hyper означает «сверх»). Это нестабильные частицы, которые через короткое время распадаются на нуклоны.

Группа Лептоны

Другую группу частиц образуют легкие фермионы или лептоны. К ним относятся:

  • электрон (е),
  • отрицательный мюон (μ), называемый также тяжелым электроном (иногда ошибочно называемый мю мезон),
  • электронное нейтрино (Ve)
  • и мюонное нейтрино (Vμ).

Каждый из этих четырех лептонов имеет лептонный заряд +1.

Антилептоны левой части таблицы имеют соответственно лептонный заряд -1.

К антилептонам относятся:

  • позитрон или положительный електрон (е+),
  • положительный мюон (μ+),
  • электронное антинейтрино (V~e)
  • и мюонное антинейтрино (V~μ).

Чтобы Вам не приходилось постоянно отвлекаться подсматривание таблицы 14 из предыдущей статьи, размещу я эту картинку и здесь:

Группы элементарных частиц
Группы элементарных частиц

Бозоны расположены в правой части таблицы. Иногда их называют полевыми частицами или квазичастицами.

Бозоны являются переносчиками сил, с помощью которых частицы влияют друг на друга. О силах взаимодействия между частицами — ядерной, электрической и гравитационной — мы поговорим позже. К бозонам — переносчикам этих сил относятся:

  • пионы,
  • каоны,
  • фотоны,
  • W-бозоны,
  • гравитоны.
Гравитоны остаются пока гипотетическими частицами, т.к. не были обнаружены ни при одном опыте.

Важную роль в ядерном взаимодействии играют пионы или π-мезоны и каоны или К-мезоны. Все частицы, влияющие друг на друга с помощью ядерных сил, называются адронами. К группе адронов, следовательно, относятся барионы и мезоны.

Особое место среди бозонов занимает фотон. Его энергия покоя равна нулю, однако он никогда не бывает в состоянии покоя. Сразу же после своего возникновения он отправляется в полет в космическом пространстве, безостановочно летя с максимальной возможной скоростью (300 000 км/сек). Фотоны играют важную роль в передаче энергии и информации.

Фотоны — частицы электромагнитного излучения

Мы познаем Вселенную так же, как и нашу Землю, с помощью света.

Электромагнитные колебания
Рис.21. Электромагнитные колебания.

Свет — это электромагнитные волны (т.е. электромагнитное излучение), подобные волнам на поверхности воды. В то время, как при волновом движении на воде поверхность ее колеблется вверх и вниз, в электромагнитной волне две силы, магнитная и электрическая, колеблются перпендикулярно друг другу (рис. 22).

Свет представляет собой вид электромагнитного излучения, которое мы можем видеть невооруженным глазом.

Длина световой волны колеблется в пределах от 400 до 700 нм. Напомним, что длина световой волны настолько мала, что потребовалось ввести особую единицу измерения, называемую нанометрнм: 1 нм = 10-9 метра = 10-6 мм. Таким образом, миллион нанометров равняется одному миллиметру.

Электромагнитные волны длиной 400-450 нм вызывают ощущение голубого цвета, волны длиной 650—700 нм мы воспринимаем как красный цвет. Между синим и красным цветами располагаются зеленый, желтый и оранжевый. Один миллиметр содержит две с половиной тысячи волн синего цвета и тысячу четыреста волн красного цвета.

Кроме световых электромагнитных волн есть множество других волн, которые оказывают влияние на наше зрение, часто неблагоприятное, но мы их не видим.

Электромагнитное излучение
Рис.22

Рис.22. Электромагнитное излучение состоит из фотонов. Это сгустки энергии, в которых две силы, магнитная и электрическая, колеблются перпендикулярно друг другу. Скорость фотонов в вакууме — 300 000 км/сек, что приблизительно сравнимо с расстоянием от Земли до Луны.

Волны, более короткие, чем световые, от 10 нм до 400 нм, называются ультрафиолетовым излучением. Еще более короткие волны, от 0.001 нм до 10 нм, известны под названием рентгеновского излучения. Электромагнитное излучение, волны которого короче 0,001 нм, мы называем гамма-излучением.

Излучение, длина которого больше длины волны красного цвета, т.е. от 700 нм до 0.3 мм, называется инфракрасным. Мы не видим его, но ощущаем его воздействие в виде тепла.

Электромагнитные волны длиной от миллиметра до многих километров — радиоизлучение. Их передает любой теле- и радиопередатчик. Радиоизлучение испускают многие космические тела, например, Солнце и другие звезды. Грозовые молнии излучают радиоволны, называемые атмосфериками.

Отметим одну важную особенность: все перечисленные виды излучений — гамма, рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное и радио — представляют собой электромагнитные волны, отличающиеся друг от друга только длиной волны.

Мы уже говорили, что все тела состоят из элементарных частиц (протонов, нейтронов и электронов). То же самое наблюдается и у электромагнитного излучения: оно состоит из фотонов. Это маленькие сгустки энергии, в которых колеблются перпендикулярно друг другу электрическая и магнитная силы.

Нам известно из вышесказанного, что фотон не может остановиться, он постоянно движется с максимально возможной скоростью и при этом колеблется. В безвоздушном пространстве (в вакууме) все фотоны движутся с одинаковой скоростью. За одну секунду они покрывают расстояние в триста тысяч километров, т.е. расстояние, приблизительно равное семи оборотам вокруг Земли. За одну секунду свет от Земли долетает почти до Луны.

Эту скорость (300 000 км/сек) называют скорость света в вакууме и обозначают буквой с.

В стекле, воде, воздухе и другой материи свет и другие виды электромагнитных излучений движутся более медленно, с меньшей скоростью, чем с. Это значит, что в материи фотоны движутся медленнее, чем в вакууме. Именно здесь кроется причина преломления света и других видов электромагнитных излучений при переходе их из одного вида вещества в другой (рис. 27).

Электромагнитное излучение мы можем представить себе двумя способами:

  • в виде электрических и магнитных волн
  • или в виде потока колеблющихся сгустков энергии — фотонов (см.рис. 21, 22).

В первом случае мы приводим длину волны излучения, которая обозначается греческой буквой «лямбда» λ. Во втором случае, у фотонов, мы приводим количество колебаний в секунду, т.е. частоту колебаний излучения, обозначаемую греческой буквой «ню» ν.

Диапазон электромагнитных излучений
Рис.23. Вверху частота излучения в герцах, внизу— соответствующие длины волн в метрах.

Например, длина волны оранжевого фотона равна λ = 600 нм, а частота его колебаний 5*1014 в секунду (ν = 5*1014сек-1). При одном колебании фотон образует одну волну, т.е. пролетает расстояние равное длине волны λ. Так как за одну секунду он производит ν колебаний, то пролетает расстояние в ν раз больше длины волны (ν*λ). Однако мы уже знаем, что в вакууме каждый фотон летит со скоростью 300 000 км/сек, (с = 300 000 км/сек-1). Это означает:

ν*λ = с

Проверим это соотношение на примере с оранжевым фотоном:

5*1014 сек-1*600 нм = 3*1017 нм сек-1

= 300 000 км/сек-1.

Из этого легко заключить: чем больше частота электромагнитного излучения, тем короче длина его волны.

Фотон фиолетового цвета колеблется в два раза быстрее, чем фотон пурпурного цвета. Поэтому длина волны фиолетового цвета наполовину меньше длины волны цвета пурпурного. Фотон рентгеновского излучения колеблется приблизительно в тысячу раз быстрее фотона света. Длина его волны в тысячу раз меньше длины световой волны.

Радиоволны
Рис.23 (2).

Фотоны радиоизлучения, напротив, колеблются почти в миллион раз медленнее световых, т.е. радиоволны почти в миллион раз длиннее световых волн. Колебание фотонов напоминает тоны музыкальных инструментов. Высокие тоны пикколо соответствуют гамма-фотонам, звучание скрипки можно сравнить с фотонами света, а низкие тоны контрабаса похожи на радиоизлучение.

Рис.24.

Еще полвека назад астрономы наблюдали космос только в световой части спектра, как будто слушали мелодию, исполняемую на скрипке. Но в последние десять лет ученые наблюдают космос уже во всех частотах электромагнитного излучения — от гамма до радио. Это дает нам полное представление о Вселенной.

Произошедшую перемену можно было бы сравнить с заменой скрипки оркестром филармонии, в котором зазвучали все инструменты.

Каждое тело на Земле и в космосе испускает электромагнитные излучения (фотоны) различной длины. Чем выше температура тела, тем больше фотонов с большей частотой оно будет излучать. На рисунке 25 изображено, сколько излучений испускают тела с различной температурой, и какие излучения преобладают у разных видов тел.

Излучение объектов вселенной
Рис.25

Рис.25. Излучение объектов Вселенной зависит от их температуры, которую мы приводим в кельвинах. Наглядно продемонстрирована величина различных звезд.

Кривая показывает количество излучения в соответствии с длинами волн.

Иными словами, на какой частоте кривая занимает наивысшее положение. Эту частоту называют частотой максимума.

Частота максимума звезды — частота излучения, на которой звезда излучает максимум энергии.

Чем выше температура тела, тем больше частота максимума. Описанная закономерность называется законом Вина. Астрономы измеряют частоту максимума излучения звезд с помощью спектрографа. Используя закон Вина легко можно рассчитать температуру на поверхности звезды.

Излучение звезд и других тел состоит из фотонов самой разной частоты. Спектрограф классифицирует фотоны, приходящие со звезд, по их частоте. Такое распределение излучения называется спектром звезды (рис. 25).

По спектру звезды мы можем определить не только ее температуру, но и:

  • скорость, с которой она к нам приближается или отдаляется от нас,
  • ее химический состав,
  • скорость вращения,
  • величину,
  • массу
  • и количество энергии, излучаемой звездой.

Звездный спектр и спектр других тел имеет большое значение в познании Вселенной.

Если фотоны соприкасаются с какой-либо материей, то происходит одно из следующих явлений:

а) Лучи, попадающие на гладкую блестящую поверхность (напр. зеркало) отражаются. При этом они меняют свое направление, не вызывая в материи никаких изменений.

б) При попадании на черную шероховатую поверхность лучи ею поглощаются. Это означает, что они превращаются в тепло черной материи, которая нагревается.

в) Через прозрачную материю, например, стекло, лучи проходят беспрепятственно, не поглощаясь ею. Но в цветном стекле некоторые виды лучей поглощаются. (Например, через красное стекло проходят только фотоны красного цвета, остальные поглощаются, превращаясь в тепло.)

г) Отражение света в разных направлениях называется рассеянием. Оно происходит с помощью молекул воздуха и пылинок. Синий свет распространяется прежде всего на молекулах воздуха, тогда как красный почти не рассеивается таким способом. Этим объясняется голубой цвет неба и красный цвет заходящего Солнца, (рис. 26).

Рассеивание света
Рис.26. Рассеяние света на молекулах воздуха. Рассеивается прежде всего синий свет, в то время как красный проходит насквозь. Этим объясняется голубой цвет нашей планеты и неба и красный цвет Солнца на закате.

д) Если лучи попадают на поверхность прозрачной материи под углом, то они преломляются. Чем медленнее лучи распространяются в этой материи, тем больше они отклоняются от первоначального направления.

Преломление света
Рис.27. Преломление света при переходе из одного вещества в другое. При ловле рыбы индейцы целятся немного ниже того места, где видят рыбу, и, благодаря этому, точно попадают в цель.

е) Если белый свет, состоящий из всех цветов радуги, падает на плоскость стеклянной призмы, он преломляется. Красный свет распространяется в стекле быстрее, чем синий, и поэтому синий преломляется больше красного. По этой причине белый свет раскладывается в призме на отдельные цвета. Это открыл приблизительно в 1700 г. Исаак Ньютон. Белый солнечный свет, разложенный призмой на цветовые полосы, называется спектром. Подобное явление происходит с кристаллами льда в облаках на больших высотах. При этом на небе появляется красивейшее зрелище — солнечное гало. В качестве другого примера вспомним разложение света во время дождя — радугу.

ж) При прохождении через некоторые виды вещества (например, кристаллы), лучи поляризуются. Солнечный свет и свет лампы — неполяризованный, естественный свет. Это означает, что его фотоны колеблются в разных направлениях. Однако через кристаллы могут пройти только фотоны, колеблющиеся в одном направлении. Таким образом, поляризованный свет — свет упорядоченный, направленный, а свет естественный, неполяризованный — неупорядоченный.

В космосе движутся фотоны разных видов энергии. Они возникают не только в беспредельном космическом пространстве, но и в самих звездах. В недрах нашего Солнца, например, находится огромное количество фотонов рентгеновского излучения.

Недра тяжелых звезд, масса которых более чем в десять раз превышает массу нашего Солнца, скрывают громадное количество фотонов гамма-излучения. Это следует из закона Вина. Можно сказать, что фотоны заполняют всю Вселенную и ее тела. Все вместе они образуют так называемую фотонную составную Вселенной.

Когда-то, при рождении Вселенной, фотоны играли гораздо более значительную роль, чем остальные частицы. Об этом мы еще поговорим в следующих статьях. Однако и в нынешнем космосе фотоны имеют большое значение: например, несут солнечную энергию на Землю, несут информацию о теле, где они родились, и о пространстве, через которое проникли.

Мы живем на Земле благодаря фотонам солнечного света и с помощью самых разных фотонов, попадающих на Землю из космоса, познаем Вселенную.

Возраст фотонов
Рис.28. Чем дальше от Земли тело, излучающее фотоны, тем больше их возраст в тот момент, когда они достигают нашей планеты. 1 — Солнце (8 минут) 2 — спиральные рукава Млечного Пути за созвездием Стрельца (10 000 лет) 3 — туманность Андромеды (2 миллиона лет) 4 — фоссильные фотоны (10 миллиардов лет) 5 — квазар (7-10 миллиардов лет) 6 — центр Млечного Пути (30 000 лет) 7 — комета (5—30 минут) 8— Луна (1 секунда)

Все фотоны движутся в космосе с одинаковой скоростью. Поэтому с ближайших звезд они долетают к нам раньше, чем из отдаленных галактик. Таким образом, фотоны, которые сейчас попадают на Землю из космоса, разного возраста.

Их возраст определяется удаленностью тела, пославшего фотон, от поверхности Земли. Время жизни фотонов, прилетевших с метеоров, исчисляется приблизительно тысячной долей секунды, с Луны они летят секунду с четвертью, с Солнца — восемь минут, с близких звезд — несколько лет. Фотоны из центра Млечного Пути долетают к нам через тридцать тысяч лет, из галактики в созвездии Андромеды — через два миллиона лет, а из отдаленных галактик — через несколько миллиардов лет. Самые старые фотоны мы называем фоссильными. Они «помнят» рождение; Вселенной.

Взгляд в космос — взгляд в прошлое

И чем более отдаленный космос мы наблюдаем, тем в более давнее прошлое мы заглядываем. И все это благодаря уже известной нам скорости света.

Взгляд в космос - взгляд в прошлое
Рис.29. Представьте себе, что мы с помощью совершенного телескопа можем наблюдать пятилетнего мальчика на планете, находящейся от нас на расстоянии 80 световых лет. В действительности, мальчику в это время уже 85 лет. Тем не менее, мы видели бы его в пятилетием возрасте, то есть в момент, когда планета послала свои лучи, только что дошедшие до нас.

Только нашим потомкам, которые будут жить на Земле через два миллиона лет, удастся узнать, что происходит сейчас, в наше время, например, в соседней галактике М31 в созвездии Андромеды. Именно столько лет летит от нее световой луч до нашей Галактики, хотя мы можем видеть ее невооруженным глазом на осеннем небе. Это вообще самый отдаленный объект в космосе, который можно наблюдать без телескопа. Таким образом, взгляд в космос — это взгляд в прошлое.

Антивещество

Для того, чтобы лучше понять слово «анти«, давайте посмотрим в зеркало.

Человек, которого мы видим в зеркале, все-таки не я, а кто-то другой, хотя и очень похожий на меня. Ведь у меня пробор слева, а у него справа, у меня с одной стороны родинка, а у него с другой. Если я положу на сердце правую руку, то он кладет левую. И сердце у него в противоположной стороне. У человека в зеркале — противоположные знаки и движения. Можно сказать, что это мой античеловек.

Не только этот античеловек, но и весь окружающий мир, обладает в зеркале противоположными свойствами: стрелки часов движутся в противоположном направлении, все «правши» становятся в зеркале левшами и наоборот. Мир, видимый нами в зеркале, — антимир, который вполне может существовать.

Например, в действительности есть люди, у которых сердце находится справа, а аппендикс слева и т.д.

Антимир - симметричен нашему миру
Рис.30. Антимир — симметричен нашему миру.

Теперь нам уже становится ясно, что античастицы — это элементарные частицы, имеющие противоположные свойства по сравнению с протоном, нейтроном, электроном и другими элементарными частицами, о которых мы говорили. Античастицы обладают противоположным электрическим, барионным и лептонным зарядом.

Например, электрический заряд антипротона равен -1, барионный -1, лептонный 0.

Теперь мы уже знаем, что такое античастицы. Нам остается ответить на вопрос, как они возникают, как ведут себя при встрече со своими частицами (например, что произойдет, если электрон столкнется с позитроном) и какова их роль в эволюции Вселенной.

Опыты в ускорителе показали, что античастицы при столкновении со своими частицами, превращаются в гамма-излучение. Этот процесс называется аннигиляцией.

Антиатомы состоят из антипротонов, антинейтронов и позитронов, а те в свою очередь образуют антивещество (рис. 30). Антивещество сыграло важную роль при рождении нашей Вселенной.

Оцените статью
Добавить комментарий