Презентация "Элементарные частицы"

Опорный конспект по теме «Элементарные частицы»

• Учитель физики Серединовского филиала МБОУ Сатинской СОШ Дивеев А.А.

Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части.

• Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части.
• Адроны имеют сложную внутреннюю структуру, но разделить их на части невозможно.
• Ряд элементарных частиц являются бесструктурными (фундаментальные) частицами – это частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

С 1932г. Открыто более 400 элементарных частиц. Для классификации используют электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни виды взаимодействия.

• С 1932г. Открыто более 400 элементарных частиц. Для классификации используют электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни виды взаимодействия.

• По величине спина

• фермионы

• бозоны

Фермионы – частицы с полуцелым спином: ħ/2, 3/2ħ …

• Фермионы – частицы с полуцелым спином: ħ/2, 3/2ħ …
• (е-, р, n, vе- - электронное нейтрино)
• Для фермионов справедлив принцип Паули: в одном и том же энергетическом состоянии могут находится не более 2х фермионов с противоположными спинами.

Бозоны – частицы с целым спином 0, ħ, 2ħ …

• Бозоны – частицы с целым спином 0, ħ, 2ħ …
• (фотон, мезон)
• Для бозонов принцип Паули не существует, поэтому в одном энергетическом состоянии может находится любое число бозонов.

Рассмотрим в качестве примера распределение фермионов по 3м возможным энергетическим состояниям системы: E1, E2, E3.

• Рассмотрим в качестве примера распределение фермионов по 3м возможным энергетическим состояниям системы: E1, E2, E3.

• N - число фермионов; S - спиновое число

• S=3/2

• S=1/2

• (спиновый момент ħ/2)

• Спин имеет 2е ориентации S=0, 1 т.е. можно рассматривать как бозон с целым спином 0 или ħ

• S=1/2

• S=-1/2
• S=0

• S=1/2

• S=1/2

• S=1/2

• S=-1/2

• S=1/2

• S=1/2

• S=1

• S=1/2

• S=1/2

• S=1/2

• S=1/2

• S=-1/2

Элементарные частицы существуют в 2х разновидностях

• Элементарные частицы существуют в 2х разновидностях

• Частицы(а)

• античастицы(ā)

• Античастицы(ā) – элементарная частица имеющая (по отношению к а) равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд.
• Первая античастица обноружена в 1932г. Американским физиком К. Андерсоном в космическом излучении.

Фотографируя траекторию частиц космических лучей в камере Вильсона, Андерсон обнаружил трек, принадлежащий частице с массой “e-” (а), в магнитном поле частица двигалась по окружности r=(me-v)/( e-B) (Fл=Fц); ее направление движения было неизвестно и зависело от знака заряда.

• Фотографируя траекторию частиц космических лучей в камере Вильсона, Андерсон обнаружил трек, принадлежащий частице с массой “e-” (а), в магнитном поле частица двигалась по окружности r=(me-v)/( e-B) (Fл=Fц); ее направление движения было неизвестно и зависело от знака заряда.

• +

• В

• а)

• В

• +

• +

• б)

• Для определения движения частицы Андерсон разместил на ее пути свинцовую пластинку толщиной 6мм, тормозившую частицу, r уменьшился (V), движение снизу вверх и обладает (+), т.е. античастица электрона – позитрон е+

В 1947г. – антипион

• В 1947г. – антипион
• 1955г. - антипротон
• 1956г. – антинейтрон
• Получены атомы антидейтерия, антитрития, антигелия.
• Истинно нейтральной частицей является фотон, совпадающий со своей античастицей.

Аннигиляция – процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которой они превращаются в γ-кванты (фотоны) или другие частицы.

• Аннигиляция – процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которой они превращаются в γ-кванты (фотоны) или другие частицы.
• е- + е+→ 2 γ
• Один γ-квант не образуется т.к. одновременно должны быть выполнены законы сохранения импульса и энергии.

Электрон – позитронная пара возникает при взаимодействии γ-кванта с веществом.

• Электрон – позитронная пара возникает при взаимодействии γ-кванта с веществом.
• γ→ е- + е+

• γ

• е+

• е-

• В

Классификация по видам взаимодействия

• Элементарные частицы

• адроны

• лептоны

• Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.
• Лептоны – фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии (12 частиц – 6 частиц и 6 античастиц).
• Все лептоны – фермионы – полуцелый спин.
• В реакциях слабого взаимодействия лептонов участвуют лептон – нейтринные дублеты. Нейтрино всегда возникает в реакции вместе с определенным лептоном. Для выделения класса лептонов вводят квантовое число – лептонный заряд L.
• L=1 – для лептонов
• L=-1 – для антилептонов
• L=0 – для адронов

Закон сохранения лептонного заряда

• Сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется.
• Лептонный заряд “е-” и “vе- ”, образующих 1ый лептонный дублет, равен 1, а позитрона равен -1.
• Пример для реакции β- -распада:
• n→ p + e- + vе (электронное антинейтрино).
• Закон сохраненя лептонного заряда имеет вид: 0 = 0 + 1 -1.

• ~

Второй лептонный дублет образуют отрицательно заряженный мюон μ- и мюонное нейтрино V μ.

• Второй лептонный дублет образуют отрицательно заряженный мюон μ- и мюонное нейтрино V μ.
• Мюон открыт в 1936г. В космических лучах и напоминает тяжелый “е-”.
• m μ- > m е- в 207 раз, через 2,2с μ- распадается на е- , V μ , vе.
• Лептонный заряд мюона и мюонного нейтрино L=1.

• ~

μ- → е- + vμ + vе.

• μ- → е- + vμ + vе.
• 1 =1-1+1.
• Античастицам vμ и μ+ L=-1.
• В 1975г. Открыт самый тяжелый (-) лептон – таон τ- (или τ-лептон). Таон в 3492 раза тяжелее электрона и почти в 2 раза тяжелее протона, за 4*10-13с таон распадается на мюон, мюонное нейтрино, лептоный заряд таона и таонного нейтрино L=1.
• τ-→ μ- + V μ + Vτ
• З,С: 1= 1-1+1
• Таон и таонное нейтрино образуют 3ий лептонный дублет.

• ~

• ~

• ~

Лептоны и их характеристики

Дублет	Название	Символ		Масса		L	Время жизни(с)
		частица	античастица	в me	МэВ
1	Электрон	е-	е+	1	0,511	±1	стабильно
	Электронное нейтрино	vе	vе	0	0(1,4*10-5)	±1	стабильно
2	Мюон	μ-	μ+	207	105,66	±1	2,2*10-6
	Мюонное нейтрино	V μ	V μ	0	0(<0,25)	±1	стабильно
3	Таон	τ-	τ+	3492	1784	±1	<4*10-13
	Таонное нейтрино	Vτ	Vτ	0	0(<0,35)	±1	стабильно

• ~

• ~

• ~

Любое взаимодействие обусловлено обменом частиц.

• Любое взаимодействие обусловлено обменом частиц.
• В 1956г. Американский физик Швингер предположил, что переносчиком слабого взаимодействия являются 2 заряженных промежуточных векторных бозона W+ и W-.
• В 1961г. – американский физик Глэшоу отрицательный и нейтральный бозон.

Бета – распад происходит с участием W-бозона. Сначала нейтрон распадается на протон и W-, затем промежуточный бозон W- распадается на е- и vе.

• Бета – распад происходит с участием W-бозона. Сначала нейтрон распадается на протон и W-, затем промежуточный бозон W- распадается на е- и vе.

• β - распад

• W-

• vе

• е-

• р

• n

• ~

• ~

В действительности излучение или поглощение заряженных векторных бозонов – результат превращения одного типа лептона е-, в другой - vе.

• В действительности излучение или поглощение заряженных векторных бозонов – результат превращения одного типа лептона е-, в другой - vе.

• W-

• е-

• vе

• е-

• vе

• Взаимопревращение е- и vе

• ~

• ~

• ~

• ~

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

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

• В зависимости от значения спина

• Адроны

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

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

• Мезоны (meso - средний)

• Барионы (barys - тяжелый)

• (подгруппы)

• нуклоны

• гипероны

Классификация адронов

Адроны
Мезоны	Барионы
S = 0, 1	нуклоны	гипероны
π+ π- π0	S = ½	λ 0 λ0 Σ+ Σ- Σ0 Σ0
К+ К- К0 К0 µ0	p, р, n, n	Ξ0 Ξ0 Ξ+ Ω- Ω+

• ~

• ~

• ~

• ~

• ~

• ~

Время жизни протона (1031 лет) – стабильная частица, все другие адроны распадаются.

• Время жизни протона (1031 лет) – стабильная частица, все другие адроны распадаются.
• Американские физики-теоретики Геллман и Цвейг предположили, что адроны являются составными частицами (т.к. их “m” > чем “m” лептонов).

Нуклоны (p,n) состоят из 3х фундаментальных, электрически заряженных частиц, называемых кварками.

• Нуклоны (p,n) состоят из 3х фундаментальных, электрически заряженных частиц, называемых кварками.
• Экспериментально подтверждено в 1969г. При рассеянии е- с энергией 20ГэВ на протонах и нейтронах.
• Было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в нуклоне; в нуклоне 3и точ. заряда установлено(±).

Основные характеристики кварков

• 1) имеют дробный электрический заряд: +2/3е – называются U-кварками (верх)
• -1/3е – d-кварк (низ).
• кварковый состав протона представляет U и d, электрона U и d.
• т.к. mp≈mn , то близки и массы кварков (mn>mp на 2,5 mе), поэтому d-кварки чуть тяжелее U-кварка.

2) Барионный заряд

• 2) Барионный заряд
• Во всех взаимодействиях барионный заряд сохраняется.
• Массовое число А является барионным зарядом В ядра: В=А, для барионов В=1; антибарионов В=-1, у частиц, не являющимися барионами В=0.
• при β-распаде: n → p + e- -Ve
• З.с барионного заряда: 1 = 1+ 0 + 0.
• Барионный заряд кварков =1/3, что дает для барионов(р,n) В=1.

• ~

Затем были открыты тяжелые адроны:

• Затем были открыты тяжелые адроны:
• S – странный
• C – очарованный
• b – красота
• t – правда
• Их массы превышают массы “U” и“d” – кварков.
• Все кварки – фермионы, полуцелый спин, т.к. адроны являются фермионами.
• Различные типы кварков называются ароматом.

Характеристики кварков и антикварков

Кварк (аромат) S=1/2	q	B	Антикварк S=1/2	q	B
U, C, t	+2/3e	1/3	U, C, t	-2/3e	-1/3
d, S, b	-1/3e	1/3	d, S, b	+1/3e	-1/3

• ~

• ~

• ~

• ~

• ~

• ~

Цвет кварков

• Каврки отличаются цветом, т.к. некоторые кварки могут состоять из 3х одинаковых кварков:
• (каждый тип кварков, U-кварк – либо зеленым, либо красным, либо синим)
• Реально они не окрашены, но так лучше запомнить.
• Цветовой заряд является характеристикой взаимодействия кварков.
• Адроны – цветонейтральны.
• Мезоны – цветонейтральны.

поколение	частица		цвет	q	m((ГэВ)
1	Кварк	U		2/3e	0,330
		D		-1/3e	0,333
	Лептон	e		-e	5,11*10-4
		Ve		0	<1,4*10-8
2	Кварк	C		2/3e	1,65
		S		-1/3e	0,486
	Лептон	µ-		-e	0,106
		Vµ		0	<2,5*10-4
3	Кварк	t		2/3e	>80
		b		-1/3e	4,5
	Лептон	τ-		-e	1,78
		Vτ		0	<0,035

π+- мезон π- - мезон

• π+- мезон π- - мезон
• ↑U 2/3е U↑ - 2/3е S↓ - 1/3e
• ↓d 1/3e
• барионный заряд = 0 (1/3 – 1/3 = 0)
• С помощью разноцветных кварков можно построить любой адрон: 6 кварков, 6 антикварков(каждый 3 цвета, полное число кварков - 36)

• ~

Фундаментальные частицы – кварки и лептоны.

• Фундаментальные частицы – кварки и лептоны.

• В сильном взаимодействии

• Не участвуют в сильном взаимодействии

• Они образуют начальный уровень материи
• Вселенная состоит из 48 фундаментальных частиц (см. таблицу).