Cząstki są elementarne. Ładunek elektryczny i cząstki elementarne

Od około 1000 sekund (dla wolnego neutronu) do pomijalnego ułamka sekundy (od 10-24 do 10-22 s dla rezonansów).

Strukturę i zachowanie cząstek elementarnych bada fizyka cząstek elementarnych.

Wszystko cząstki elementarne przestrzegać zasady identyczności (wszystkie cząstki elementarne tego samego typu we Wszechświecie są całkowicie identyczne we wszystkich swoich właściwościach) oraz zasady dualizmu korpuskularno-falowego (każda cząstka elementarna odpowiada fali de Brogliego).

Wszystkie cząstki elementarne mają właściwość interkonwertowalności, która jest konsekwencją ich oddziaływań: silnego, elektromagnetycznego, słabego, grawitacyjnego. Oddziaływania cząstek powodują przemiany cząstek i ich agregatów w inne cząstki i ich agregaty, o ile takich przemian nie zabraniają prawa zachowania energii, pędu, momentu pędu, ładunku elektrycznego, ładunku barionowego itp.

Główne cechy cząstek elementarnych: czas życia , masa , spin , ładunek elektryczny , moment magnetyczny , ładunek barionowy , ładunek leptonowy , obcość , spin izotopowy , parzystość , parzystość ładunku , G-parity , CP-parity .

Klasyfikacja

Przez całe życie

• Stabilne cząstki elementarne to cząstki, które mają nieskończoną liczbę wielki czasżycie w stanie swobodnym (proton, elektron, neutrino, foton i ich antycząstki).
• Niestabilne cząstki elementarne - cząstki rozpadające się na inne cząstki w stanie swobodnym w skończonym czasie (wszystkie inne cząstki).

Według wagi

Wszystkie cząstki elementarne dzielą się na dwie klasy:

• Cząstki bezmasowe - cząstki o zerowej masie (foton, gluon).
• Cząstki o masie niezerowej (wszystkie inne cząstki).

Rozmiar z tyłu

Wszystkie cząstki elementarne dzielą się na dwie klasy:

Według rodzaju interakcji

Cząstki elementarne dzielą się na następujące grupy:

Cząstki kompozytowe

• Hadrony to cząstki biorące udział we wszelkiego rodzaju fundamentalnych oddziaływaniach. Składają się z kwarków i dzielą się z kolei na:
  • mezony - hadrony o spinie całkowitym, czyli będące bozonami;
  • bariony to hadrony o spinie połówkowym, czyli fermiony. Należą do nich w szczególności cząstki tworzące jądro atomu - proton i neutron.

Cząstki podstawowe (bezstrukturalne)

• Leptony to fermiony, które wyglądają jak cząstki punktowe (czyli nie składają się z niczego) do skali rzędu 10-18 m. Nie uczestniczą w oddziaływaniach silnych. Udział w oddziaływaniach elektromagnetycznych zaobserwowano eksperymentalnie tylko dla naładowanych leptonów (elektronów, mionów, leptonów tau) i nie zaobserwowano go dla neutrin. Znanych jest 6 rodzajów leptonów.
• Kwarki to ułamkowo naładowane cząstki, które tworzą hadrony. Nie zaobserwowano ich w stanie wolnym (zaproponowano mechanizm odosobnienia, aby wyjaśnić brak takich obserwacji). Podobnie jak leptony dzielą się na 6 typów i uważane są za bezstrukturalne, jednak w przeciwieństwie do leptonów uczestniczą w oddziaływaniu silnym.
• Bozony wskaźnikowe - cząstki, poprzez wymianę których przeprowadzane są oddziaływania:
  • foton - cząstka przenosząca oddziaływanie elektromagnetyczne;
  • osiem gluonów, cząstek przenoszących silną siłę;
  • trzy pośrednie bozony wektorowe W + , W− i Z 0 , przenoszący słabą interakcję ;
  • grawiton to hipotetyczna cząstka, która przenosi oddziaływanie grawitacyjne. Istnienie grawitonów, chociaż nie zostało jeszcze eksperymentalnie udowodnione ze względu na słabość oddziaływania grawitacyjnego, jest uważane za całkiem prawdopodobne; jednak grawiton nie jest zawarty w Modelu Standardowym cząstek elementarnych.

Powiązane wideo

Rozmiary cząstek elementarnych

Pomimo duża różnorodność cząstki elementarne, ich rozmiary mieszczą się w dwóch grupach. Wymiary hadronów (zarówno barionów, jak i mezonów) wynoszą około 10-15 m, co jest zbliżone do średniej odległości między ich kwarkami. Wielkości fundamentalnych, bezstrukturalnych cząstek - bozonów cechowania, kwarków i leptonów - w granicach błędu eksperymentalnego są zgodne z ich dokładnością (górna granica średnicy wynosi około 10-18 m) ( zobacz wyjaśnienie). Jeśli ostateczne rozmiary tych cząstek nie zostaną znalezione w dalszych eksperymentach, może to wskazywać, że rozmiary bozonów cechowania, kwarków i leptonów są zbliżone do długości fundamentalnej (która z dużym prawdopodobieństwem może okazać się długością Plancka równą 1,6 10). -35 m).

Należy jednak zauważyć, że wielkość cząstki elementarnej jest pojęciem dość złożonym, nie zawsze zgodnym z pojęciami klasycznymi. Po pierwsze, zasada nieoznaczoności nie pozwala na ścisłe zlokalizowanie cząstki fizycznej. Paczka falowa, reprezentująca cząstkę jako superpozycję precyzyjnie zlokalizowanych stanów kwantowych, zawsze ma skończone wymiary i pewną strukturę przestrzenną, a wymiary paczki mogą być dość makroskopowe – np. elektron w eksperymencie z interferencją na dwóch szczelinach „czuje” obie szczeliny interferometru oddzielone odległością makroskopową. Po drugie, fizyczna cząstka zmienia strukturę próżni wokół siebie, tworząc „powłokę” z krótkotrwałych wirtualnych cząstek - par fermion-antyfermion (patrz Polaryzacja próżni) i bozonów-nośników oddziaływań. Przestrzenne wymiary tego obszaru zależą od ładunków wzorcowych, jakie ma cząstka, oraz od mas pośrednich bozonów (promień powłoki masywnych wirtualnych bozonów jest zbliżony do ich długości fali Comptona, co z kolei jest odwrotnie proporcjonalne do ich masa). Tak więc promień elektronu z punktu widzenia neutrin (możliwe tylko słabe oddziaływanie między nimi) jest w przybliżeniu równy długości fali Comptona bozonów W, ~3 × 10 −18 m, a wymiary obszaru oddziaływanie silne hadronu jest określone przez długość fali Comptona najlżejszego z hadronów, mezonu pi (~10 -15 m ), który działa tutaj jako nośnik interakcji.

Historia

Początkowo termin „cząstka elementarna” oznaczał coś absolutnie elementarnego, pierwszą cegłę materii. Kiedy jednak w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych odkryto setki hadronów o podobnych właściwościach, stało się jasne, że przynajmniej hadrony mają wewnętrzne stopnie swobody, czyli nie są, w ścisłym tego słowa znaczeniu, elementarne. Podejrzenie to zostało później potwierdzone, gdy okazało się, że hadrony składają się z kwarków.

W ten sposób fizycy przeszli nieco głębiej w strukturę materii: najbardziej elementarne, punktowe części materii uważa się obecnie za leptony i kwarki. Dla nich (wraz z bozonami cechowania) termin „ fundamentalny cząstki".

Teoria strun, rozwijana aktywnie od połowy lat 80., zakłada, że ​​cząstki elementarne i ich interakcje są konsekwencjami różnego rodzaju wibracje szczególnie małych „strun”.

model standardowy

Model Standardowy cząstek elementarnych obejmuje 12 smaków fermionów, odpowiadające im antycząstki, a także bozony cechowania (foton, gluony, W- I Z-bozony), które przenoszą interakcje między cząstkami, oraz odkryty w 2012 roku bozon Higgsa, który odpowiada za obecność masy bezwładnej w cząstkach. Jednak Model Standardowy jest w dużej mierze postrzegany jako teoria tymczasowa, a nie prawdziwie fundamentalna, ponieważ nie uwzględnia grawitacji i zawiera kilkadziesiąt parametrów swobodnych (masy cząstek itp.), których wartości nie wynikają bezpośrednio z teorii. Być może istnieją cząstki elementarne, które nie są opisane model standardowy- na przykład takie jak grawiton (cząstka, która hipotetycznie przenosi siły grawitacyjne) lub supersymetryczni partnerzy zwykłych cząstek. W sumie model opisuje 61 cząstek.

Fermiony

12 smaków fermionów jest podzielonych na 3 rodziny (generacje) po 4 cząsteczki każda. Sześć z nich to kwarki. Pozostałe sześć to leptony, z których trzy to neutrina, a pozostałe trzy niosą jednostkowy ładunek ujemny: elektron, mion i lepton tau.

antycząstki

Istnieje również 12 antycząstek fermionowych odpowiadających powyższym dwunastu cząstkom.

Kwarki

Kwarki i antykwarki nigdy nie odnaleziono w stanie wolnym - tłumaczy to zjawisko

719. Prawo zachowania ładunku elektrycznego

720. Nadwozia posiadające ładunki elektryczne inny znak, …

Przyciągają się do siebie.

721. Identyczne metalowe kulki naładowane przeciwstawnymi ładunkami q 1 =4q i q 2 = -8q zetknęły się i rozsunęły na tę samą odległość. Każda piłka ma ładunek

q 1 \u003d -2q i q 2 \u003d -2q

723. Kropla mająca ładunek dodatni(+2e), stracił jeden elektron podczas oświetlania. Szarża zrzutu stała się równa

724. Identyczne metalowe kulki naładowane ładunkami q 1 = 4q, q 2 = - 8q i q 3 = - 2q zetknęły się i rozsunęły na tę samą odległość. Każda z piłek będzie miała ładunek

q 1 = - 2q, q 2 = - 2q i q 3 = - 2q

725. Identyczne metalowe kulki naładowane ładunkami q 1 \u003d 5q i q 2 \u003d 7q zostały zetknięte i odsunięte na tę samą odległość, a następnie doprowadzono do kontaktu drugą i trzecią kulkę z ładunkiem q 3 \u003d -2q i oddalił się na tę samą odległość. Każda z piłek będzie miała ładunek

q 1 = 6q, q 2 = 2q i q 3 = 2q

726. Identyczne metalowe kulki naładowane ładunkami q 1 = - 5q i q 2 = 7q zostały zetknięte i odsunięte na tę samą odległość, a następnie zetknęły się z drugą i trzecią kulką ładunkiem q 3 = 5q i rozsunęły się na tę samą odległość. Każda z piłek będzie miała ładunek

q 1 \u003d 1q, q 2 \u003d 3q i q 3 \u003d 3q

727. Istnieją cztery identyczne metalowe kulki z ładunkami q 1 = 5q, q 2 = 7q, q 3 = -3q i q 4 = -1q. Najpierw zetknęły się i rozsunęły na tę samą odległość ładunki q 1 i q 2 (1 układ ładunków), a następnie zetknęły się ładunki q 4 i q 3 (drugi układ ładunków). Następnie wzięli po jednym ładunku z systemu 1 i 2, wszczepili je w kontakt i rozsunęli na tę samą odległość. Te dwie kule będą miały ładunek

728. Istnieją cztery identyczne metalowe kulki z ładunkami q 1 = -1q, q 2 = 5q, q 3 = 3q i q 4 = -7q. Najpierw doprowadzono do kontaktu ładunki q 1 i q 2 (1 układ ładunków) i oddaliły się na tę samą odległość, a następnie zetknęły się ładunki q 4 i q 3 (2 układy ładunków). Następnie wzięli jeden ładunek z systemu 1 i 2, zbliżyli je do siebie i rozsunęli na tę samą odległość. Te dwie kule będą miały ładunek

729. W atomie ładunek dodatni ma

Rdzeń.

730. Osiem elektronów porusza się wokół jądra atomu tlenu. Liczba protonów w jądrze atomu tlenu wynosi

731.Ładunek elektryczny elektron jest równy

-1,6 10 -19 C.

732. Ładunek elektryczny protonu to

1,6 10 -19 C.

733. Jądro atomu litu zawiera 3 protony. Jeśli 3 elektrony krążą wokół jądra, to

Atom jest elektrycznie obojętny.

734. W jądrze fluoru znajduje się 19 cząstek, z których 9 to protony. Liczba neutronów w jądrze i liczba elektronów w obojętnym atomie fluoru

Neutrony i 9 elektronów.

735. Jeśli w jakimkolwiek ciele liczba protonów więcej numeru elektrony, to ciało jako całość

pozytywnie naładowany.

736. Kropla o ładunku dodatnim +3e straciła 2 elektrony podczas naświetlania. Szarża zrzutu stała się równa

8 10 -19 kl.

737. Ujemny ładunek w atomie przenosi

Muszla.

738. Jeśli atom tlenu zamienił się w jon dodatni, to

Zgubiłem elektron.

739. Ma dużą masę

Ujemny jon wodorowy.

740. W wyniku tarcia z powierzchni szklanego pręta usunięto 5 10 10 elektronów. Ładunek elektryczny na patyku

(e = -1,6 10 -19 C)

8 10 -9 kl.

741. W wyniku tarcia ebonitowy sztyft otrzymał 5 10 10 elektronów. Ładunek elektryczny na patyku

(e = -1,6 10 -19 C)

-8 10 -9 kl.

742. Siła oddziaływania kulombowskiego dwóch punktowych ładunków elektrycznych przy 2-krotnym zmniejszeniu odległości między nimi

Zwiększy się 4 razy.

743. Siła oddziaływania kulombowskiego dwóch punktowych ładunków elektrycznych przy 4-krotnym spadku odległości między nimi

Zwiększy się 16 razy.

744. Dwupunktowe ładunki elektryczne działają na siebie zgodnie z prawem Coulomba z siłą 1N. Jeżeli odległość między nimi zwiększy się 2 razy, to siła oddziaływania kulombowskiego tych ładunków stanie się równa

745. Dwa ładunki punktowe działają na siebie z siłą 1BA. Jeżeli wartość każdego z ładunków zwiększy się czterokrotnie, to siła oddziaływania kulombowskiego staje się równa

746. Siła oddziaływania dwóch ładunków punktowych wynosi 25 N. Jeżeli odległość między nimi zmniejszy się o współczynnik 5, to siła oddziaływania tych ładunków staje się równa

747. Siła oddziaływania kulombowskiego dwóch ładunków punktowych ze wzrostem odległości między nimi 2 razy

Zmniejszy się 4 razy.

748. Siła oddziaływania kulombowskiego dwóch punktowych ładunków elektrycznych przy 4-krotnym wzroście odległości między nimi

Zmniejszy się 16 razy.

749. Wzór na prawo Coulomba

.

750. Jeżeli 2 identyczne metalowe kulki z ładunkami +q i +q zostaną zetknięte i odsunięte na tę samą odległość, to moduł siły oddziaływania

Nie zmieni się.

751. Jeśli 2 identyczne metalowe kulki z ładunkami +q i -q zostaną zetknięte i odsunięte na tę samą odległość, to siła oddziaływania

Stanie się 0.

752. Dwa ładunki oddziałują w powietrzu. Jeżeli są umieszczone w wodzie (ε = 81), bez zmiany odległości między nimi, to siła oddziaływania kulombowskiego

Zmniejszy się 81 razy.

753. Siła oddziaływania dwóch ładunków po 10 nC, znajdujących się w powietrzu w odległości 3 cm od siebie, jest równa

()

754. Ładunki 1 μC i 10 nC oddziałują w powietrzu z siłą 9 mN na odległość

()

755. Dwa elektrony w odległości 3 10 -8 cm od siebie odpychają ; e \u003d - 1,6 10 -19 C)

2,56 10 -9 N.

756

Zmniejsz 9 razy.

757. Natężenie pola w punkcie wynosi 300 N/C. Jeśli ładunek wynosi 1 10 -8 C, to odległość do punktu

()

758. Jeśli odległość od ładunku punktowego wytwarzającego pole elektryczne wzrasta 5 razy, to intensywność pola elektrycznego

Zmniejszy się 25 razy.

759. Natężenie pola ładunku punktowego w pewnym punkcie 4 N/C. Jeśli odległość od ładunku zostanie podwojona, wówczas intensywność staje się równa

760. Wskaż wzór na natężenie pola elektrycznego w przypadku ogólnym.

761. Zapis matematyczny zasady superpozycji pól elektrycznych

762. Wskaż wzór na natężenie punktowego ładunku elektrycznego Q

.

763. Moduł natężenia pola elektrycznego w punkcie, w którym znajduje się ładunek

1 10 -10 C równa się 10 V/m. Siła działająca na ładunek wynosi

1 10 -9 N.

765. Jeżeli na powierzchni metalowej kulki o promieniu 0,2 m rozprowadzany jest ładunek 4 10 -8 C, to gęstość ładunku

2,5 10 -7 C/m2.

766.W pionie skierowanym jednorodnym pole elektryczne jest drobinka kurzu o masie 1,10-9 g i ładunku 3,2·10-17 C. Jeżeli siła grawitacji ziarna pyłu jest równoważona siłą pola elektrycznego, to natężenie pola jest równe

3 10 5 N/C.

767. Na trzech wierzchołkach kwadratu o boku 0,4 m znajdują się identyczne ładunki dodatnie o wartości 5 10 -9 C każdy. Znajdź napięcie w czwartym wierzchołku

() 540 N/Cl.

768. Jeżeli dwa ładunki mają wartość 5 10 -9 i 6 10 -9 C, tak że odpychają się z siłą 12 10 -4 N, to znajdują się w odległości

768

Zwiększy się 8 razy.

Zmniejsza się.

770. Iloczyn ładunku elektronu i potencjału ma wymiar

Energia.

771. Potencjał w punkcie A pola elektrycznego wynosi 100V, potencjał w punkcie B wynosi 200V. Praca wykonana przez siły pola elektrycznego podczas przenoszenia ładunku 5 mC z punktu A do punktu B wynosi

-0,5 J.

772. Cząstka o ładunku +q i masie m, znajdująca się w punktach pola elektrycznego o natężeniu E i potencjale, ma przyspieszenie

773. Elektron porusza się w jednolitym polu elektrycznym wzdłuż linii napięcia od punktu o wyższym potencjale do punktu o niższym potencjale. Jednocześnie jego szybkość

Wzrastający.

774. Atom, który ma jeden proton w jądrze, traci jeden elektron. To tworzy

Jon wodorowy.

775. Pole elektryczne w próżni tworzą cztery dodatnie ładunki punktowe umieszczone na wierzchołkach kwadratu o boku a. Potencjał w środku kwadratu to

776. Jeśli odległość od ładunku punktowego zmniejszy się 3 razy, wtedy potencjał pola

Zwiększy się 3 razy.

777

778. Ładunek q został przeniesiony z punktu pola elektrostatycznego do punktu o potencjale. Która z poniższych formuł:

1) 2) ; 3) możesz znaleźć pracę, aby przenieść opłatę.

779. W jednolitym polu elektrycznym o sile 2 N / C ładunek 3 C porusza się wzdłuż linii pola siły w odległości 0,5 m. Praca sił pola elektrycznego w przemieszczaniu ładunku wynosi

780. Pole elektryczne tworzą cztery ładunki punktowe o przeciwnych nazwach umieszczone w wierzchołkach kwadratu o boku a. Opłaty o tej samej nazwie znajdują się w przeciwnych wierzchołkach. Potencjał w środku kwadratu to

781. Potencjalna różnica między punktami leżącymi na tym samym linia pola w odległości 6 cm od siebie wynosi 60 V. Jeśli pole jest jednolite, to jego siła jest równa

782. Jednostka różnicy potencjałów

1 V \u003d 1 J / 1 C.

783. Niech ładunek porusza się w jednorodnym polu o natężeniu E=2 V/m wzdłuż linii siły 0,2 m. Znajdź różnicę między tymi potencjałami.

U = 0,4 V.

784. Zgodnie z hipotezą Plancka absolutnie czarne ciało promieniuje energią

Porcjami.

785. Energia fotonu jest określona wzorem

1. E = p . 2. E=hv/c 3. E=h 4. E=mc 2 . 5. E=hv. 6.E=hc/

1, 4, 5, 6.

786. Jeśli energia kwantu podwoiła się, to częstotliwość promieniowania

zwiększona o 2 razy.

787. Jeżeli fotony o energii 6 eV spadają na powierzchnię płytki wolframowej, to maksymalna energia kinetyczna wybijanych przez nie elektronów wynosi 1,5 eV. Minimalna energia fotonu, przy której możliwy jest efekt fotoelektryczny dla wolframu, wynosi:

788. Oświadczenie jest poprawne:

1. Prędkość fotonu jest większa niż prędkość światła.

2. Prędkość fotonu w dowolnej substancji jest mniejsza niż prędkość światła.

3. Prędkość fotonu jest zawsze równa prędkości światła.

4. Prędkość fotonu jest większa lub równa prędkości światła.

5. Prędkość fotonu w dowolnej substancji jest mniejsza lub równa prędkości światła.

789. Fotony promieniowania mają duży pęd

Niebieski.

790. Gdy temperatura nagrzanego ciała spada, maksymalna intensywność promieniowania

© 2015-2019 strona
Wszelkie prawa należą do ich autorów. Ta strona nie rości sobie praw autorskich, ale zapewnia bezpłatne użytkowanie.
Data utworzenia strony: 2016-02-13

Czy możesz krótko i zwięźle odpowiedzieć na pytanie: „Co to jest ładunek elektryczny?” Na pierwszy rzut oka może się to wydawać proste, ale w rzeczywistości okazuje się znacznie trudniejsze.

Czy wiemy, czym jest ładunek elektryczny?

Faktem jest, że na obecnym poziomie wiedzy nadal nie możemy rozłożyć pojęcia „ładunku” na prostsze elementy. To jest fundamentalna, by tak rzec, pierwotna koncepcja.

Wiemy, że jest to pewna właściwość cząstek elementarnych, znamy mechanizm oddziaływania ładunków, potrafimy zmierzyć ładunek i wykorzystać jego właściwości.

Wszystko to jest jednak konsekwencją danych uzyskanych empirycznie. Natura tego zjawiska wciąż nie jest dla nas jasna. Dlatego nie możemy jednoznacznie określić, czym jest ładunek elektryczny.

Aby to zrobić, konieczne jest otwarcie całej gamy koncepcji. Wyjaśnij mechanizm oddziaływania ładunków i opisz ich właściwości. Dlatego łatwiej jest zrozumieć, co oznacza stwierdzenie: „dana cząstka ma (niesie) ładunek elektryczny”.

Obecność ładunku elektrycznego na cząstce

Jednak później udało się ustalić, że liczba cząstek elementarnych jest znacznie większa, a proton, elektron i neutron nie są niepodzielnymi i podstawowymi budulcami Wszechświata. Same mogą rozkładać się na składniki i przekształcać się w inne rodzaje cząstek.

Dlatego nazwa „cząstka elementarna” obejmuje obecnie dość dużą klasę cząstek mniejszych niż atomy i jądra atomów. W tym przypadku cząsteczki mogą mieć najwięcej różne właściwości i jakość.

Jednak taka właściwość, jak ładunek elektryczny, istnieją tylko dwa rodzaje, które są warunkowo nazywane dodatnimi i ujemnymi. Obecność ładunku w cząstce jest jej właściwością polegającą na odpychaniu lub przyciąganiu do innej cząstki, która również niesie ładunek. Kierunek interakcji w tym przypadku zależy od rodzaju opłat.

Jak ładunki odpychają, w przeciwieństwie do ładunków przyciągają. Jednocześnie siła oddziaływania między ładunkami jest bardzo duża w porównaniu z siłami grawitacyjnymi tkwiącymi we wszystkich ciałach bez wyjątku we Wszechświecie.

Na przykład w jądrze wodoru elektron niosący ładunek ujemny jest przyciągany do jądra składającego się z protonu i niosącego ładunek dodatni z siłą 1039 razy większą niż siła, z jaką ten sam elektron jest przyciągany przez proton w wyniku oddziaływanie grawitacyjne.

Cząsteczki mogą przenosić ładunek lub nie, w zależności od rodzaju cząstki. Nie da się jednak „usunąć” ładunku z cząstki, tak jak niemożliwe jest również istnienie ładunku na zewnątrz cząstki.

Oprócz protonu i neutronu niektóre inne rodzaje cząstek elementarnych niosą ładunek, ale tylko te dwie cząstki mogą istnieć w nieskończoność.

« Fizyka - klasa 10 "

Rozważmy najpierw najprostszy przypadek, kiedy ciała naładowane elektrycznie są w spoczynku.

Sekcja elektrodynamiki poświęcona badaniu warunków równowagi dla ciał naładowanych elektrycznie nosi nazwę elektrostatyka.

Co to jest ładunek elektryczny?
Jakie są opłaty?

słowami prąd, ładunek elektryczny, Elektryczność spotkałeś się wiele razy i udało ci się do nich przyzwyczaić. Ale spróbuj odpowiedzieć na pytanie: „Co to jest ładunek elektryczny?” Sama koncepcja opłata- to jest główne, pierwotne pojęcie, którego na obecnym poziomie rozwoju naszej wiedzy nie da się sprowadzić do żadnych prostszych, elementarnych pojęć.

Spróbujmy najpierw wyjaśnić, co oznacza stwierdzenie: Otrzymane ciało lub cząsteczka ma ładunek elektryczny.

Wszystkie ciała zbudowane są z najmniejszych cząstek, które są niepodzielne na prostsze i dlatego nazywane są podstawowy.

Cząstki elementarne mają masę i dzięki temu przyciągają się do siebie zgodnie z prawem powszechnego ciążenia. Wraz ze wzrostem odległości między cząstkami siła grawitacji maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu tej odległości. Większość cząstek elementarnych, choć nie wszystkie, również ma zdolność oddziaływania ze sobą z siłą, która również maleje odwrotnie do kwadratu odległości, ale siła ta jest wielokrotnie większa niż siła grawitacji.

Tak więc w atomie wodoru, pokazanym schematycznie na rysunku 14.1, elektron jest przyciągany do jądra (protonu) z siłą 10 39 razy większą niż siła przyciągania grawitacyjnego.

Jeśli cząstki oddziałują na siebie siłami, które zmniejszają się wraz ze wzrostem odległości w taki sam sposób, jak siły powszechnej grawitacji, ale wielokrotnie przewyższają siły grawitacji, to mówi się, że cząstki te mają ładunek elektryczny. Same cząstki nazywają się naładowany.

Istnieją cząstki bez ładunku elektrycznego, ale nie ma ładunku elektrycznego bez cząstki.

Oddziaływanie naładowanych cząstek nazywa się elektromagnetyczny.

Ładunek elektryczny determinuje intensywność oddziaływań elektromagnetycznych, podobnie jak masa określa intensywność oddziaływań grawitacyjnych.

Ładunek elektryczny cząstki elementarnej nie jest specjalnym mechanizmem w cząstce, który można by z niej usunąć, rozłożyć na części składowe i ponownie złożyć. Obecność ładunku elektrycznego w elektronie i innych cząsteczkach oznacza jedynie istnienie między nimi pewnych oddziaływań siłowych.

W zasadzie nic nie wiemy o ładunku, jeśli nie znamy praw tych interakcji. Znajomość praw interakcji powinna być uwzględniona w naszym rozumieniu ładunku. Prawa te nie są proste i nie da się ich opisać w kilku słowach. Dlatego nie da się dać wystarczająco satysfakcjonującego krótka definicja pojęcie ładunek elektryczny.

Dwie oznaki ładunków elektrycznych.

Wszystkie ciała mają masę i dlatego przyciągają się nawzajem. Naładowane ciała mogą zarówno przyciągać się, jak i odpychać. Ten najważniejszy fakt, znane wam, oznacza, że ​​w przyrodzie istnieją cząstki o ładunkach elektrycznych o przeciwnych znakach; W przypadku ładunków tego samego znaku cząstki odpychają się, a w przypadku różnych znaków przyciągają.

Ładunek cząstek elementarnych - protony, które są częścią wszystkich jąder atomowych, nazywamy dodatnimi, a ładunek elektrony- negatywny. Nie ma wewnętrznych różnic między ładunkami dodatnimi i ujemnymi. Gdyby znaki ładunków cząstek zostały odwrócone, charakter oddziaływań elektromagnetycznych w ogóle by się nie zmienił.

ładunek elementarny.

Oprócz elektronów i protonów istnieje kilka innych rodzajów naładowanych cząstek elementarnych. Ale tylko elektrony i protony mogą istnieć w nieskończoność w stanie wolnym. Reszta naładowanych cząstek żyje mniej niż milionowe części sekundy. Rodzą się podczas zderzeń szybkich cząstek elementarnych i, istniejąc przez znikomy czas, ulegają rozpadowi, zamieniając się w inne cząstki. Zapoznasz się z tymi cząsteczkami w 11 klasie.

Cząstki, które nie mają ładunku elektrycznego, to neutron. Jego masa tylko nieznacznie przekracza masę protonu. Neutrony wraz z protonami są częścią jądra atomowego. Jeśli cząsteczka elementarna ma ładunek, to jej wartość jest ściśle określona.

naładowane ciała Siły elektromagnetyczne w przyrodzie odgrywają ogromną rolę ze względu na fakt, że w skład wszystkich ciał wchodzą cząstki naładowane elektrycznie. Części składowe atomów - jądra i elektrony - mają ładunek elektryczny.

Bezpośrednie działanie sił elektromagnetycznych między ciałami nie jest wykrywane, ponieważ ciała w stanie normalnym są elektrycznie obojętne.

Atom dowolnej substancji jest obojętny, ponieważ liczba elektronów w nim jest równa liczbie protonów w jądrze. Cząstki naładowane dodatnio i ujemnie są połączone ze sobą siłami elektrycznymi i tworzą układy neutralne.

Ciało makroskopowe jest naładowane elektrycznie, jeśli zawiera nadmierną liczbę cząstek elementarnych o dowolnym znaku ładunku. Tak więc ładunek ujemny ciała wynika z nadmiaru liczby elektronów w porównaniu z liczbą protonów, a ładunek dodatni wynika z braku elektronów.

W celu uzyskania naładowanego elektrycznie ciała makroskopowego, czyli elektryzowania go, konieczne jest oddzielenie części ładunku ujemnego od związanego z nim ładunku dodatniego lub przeniesienie ładunku ujemnego na ciało obojętne.

Można to zrobić za pomocą tarcia. Jeśli przesuniesz grzebień po suchych włosach, to niewielka część najbardziej ruchliwych naładowanych cząstek - elektrony przejdą z włosa do grzebienia i naładują go ujemnie, a włosy będą naładowane dodatnio.

Równość ładunków podczas elektryzacji

Za pomocą doświadczenia można udowodnić, że po naelektryzowaniu przez tarcie oba ciała uzyskują ładunki o przeciwnych znakach, ale identycznej wielkości.

Weźmy elektrometr, na którego pręcie zamocowana jest metalowa kula z otworem, oraz dwie płytki na długich uchwytach: jedna z ebonitu, druga z pleksi. Podczas ocierania się o siebie płyty są naelektryzowane.

Wprowadźmy jedną z płytek do wnętrza kuli bez dotykania jej ścian. Jeśli płytka jest naładowana dodatnio, część elektronów z igły i pręta elektrometru zostanie przyciągnięta do płytki i zbierze się dalej wewnętrzna powierzchnia kule. W takim przypadku strzałka będzie naładowana dodatnio i odepchnięta od pręta elektrometru (ryc. 14.2, a).

Jeżeli do kuli zostanie wprowadzona inna płytka, po uprzednim usunięciu pierwszej, elektrony kuli i pręcik zostaną odepchnięte od płytki i gromadzą się w nadmiarze na strzałce. Spowoduje to, że strzałka będzie odchylać się od pręta, co więcej, o ten sam kąt, co w pierwszym eksperymencie.

Po opuszczeniu obu płytek wewnątrz kuli nie znajdziemy w ogóle żadnego odchylenia strzałki (ryc. 14.2, b). Dowodzi to, że ładunki płyt są równe co do wielkości i przeciwne pod względem znaku.

Elektryfikacja ciał i jej przejawy. Podczas tarcia tkanin syntetycznych dochodzi do znacznego elektryzowania. Zdejmowanie koszuli materiał syntetyczny w suchym powietrzu słychać charakterystyczny trzask. Małe iskry przeskakują między naładowanymi obszarami trących się powierzchni.

W drukarniach papier podczas drukowania elektryzuje się, a arkusze sklejają się. Aby temu zapobiec, do odprowadzania ładunku używa się specjalnych urządzeń. Jednak elektryzowanie ciał w bliskim kontakcie jest czasami stosowane, na przykład w różnych elektrokopiarkach itp.

Prawo zachowania ładunku elektrycznego.

Doświadczenie z elektryzowaniem płyt udowadnia, że ​​po naelektryzowaniu przez tarcie istniejące ładunki ulegają redystrybucji między ciałami, które wcześniej były obojętne. Niewielka część elektronów przechodzi z jednego ciała do drugiego. W tym przypadku nie pojawiają się nowe cząstki, a poprzednio istniejące nie znikają.

elektryzując ciała, prawo zachowania ładunku elektrycznego. To prawo obowiązuje dla układu, który nie wchodzi z zewnątrz i z którego nie wychodzą naładowane cząstki, tj. dla system izolowany.

W izolowanym systemie suma algebraiczna zarzuty wszystkich organów są zachowane.

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const. (14.1)

gdzie q 1, q 2 itd. to ładunki poszczególnych oskarżonych organów.

Prawo zachowania ładunku ma głębokie znaczenie. Jeśli liczba naładowanych cząstek elementarnych się nie zmienia, to prawo zachowania ładunku jest oczywiste. Ale cząstki elementarne mogą przekształcać się w siebie, rodzić się i znikać, dając życie nowym cząsteczkom.

Jednak we wszystkich przypadkach naładowane cząstki powstają tylko w parach z ładunkami o tym samym module i przeciwnym znaku; naładowane cząstki również znikają tylko parami, zamieniając się w neutralne. I we wszystkich tych przypadkach suma algebraiczna ładunków pozostaje taka sama.

Ważność prawa zachowania ładunku potwierdzają obserwacje ogromnej liczby przemian cząstek elementarnych. Prawo to wyraża jedną z najbardziej podstawowych właściwości ładunku elektrycznego. Przyczyna zachowania ładunku jest wciąż nieznana.

Dalsza penetracja w głąb mikroświata wiąże się z przejściem z poziomu atomów do poziomu cząstek elementarnych. Jako pierwsza cząstka elementarna pod koniec XIX wieku. elektron został odkryty, a następnie w pierwszych dekadach XX wieku. foton, proton, pozyton i neutron.

Po II wojnie światowej, dzięki zastosowaniu nowoczesnej technologii eksperymentalnej, a przede wszystkim potężnych akceleratorów, w których powstają warunki wysokich energii i ogromnych prędkości, ustalono istnienie dużej liczby cząstek elementarnych – ponad 300. Wśród nich są zarówno odkryte eksperymentalnie, jak i obliczone teoretycznie, w tym rezonanse, kwarki i cząstki wirtualne.

Termin cząstka elementarna pierwotnie oznaczało najprostsze, dalsze nierozkładalne cząstki, które leżą u podstaw wszelkich formacji materialnych. Później fizycy zdali sobie sprawę z całej umowności terminu „elementarny” w odniesieniu do mikroobiektów. Teraz nie ma wątpliwości, że cząstki mają taką czy inną strukturę, niemniej jednak historycznie ugruntowana nazwa nadal istnieje.

Główne cechy cząstek elementarnych to masa, ładunek, średni czas życia, spin i liczby kwantowe.

masa spoczynkowa cząstki elementarne są określane w stosunku do masy spoczynkowej elektronu.Istnieją cząstki elementarne, które nie mają masy spoczynkowej, - fotony. Pozostałe cząstki na tej podstawie dzieli się na leptony– cząstki światła (elektron i neutrino); mezony– cząstki średnie o masie od jednego do tysiąca mas elektronów; bariony- ciężkie cząstki o masie przekraczającej tysiąc mas elektronu, w skład których wchodzą protony, neutrony, hiperony i wiele rezonansów.

Ładunek elektryczny to kolejna ważna cecha cząstek elementarnych. Wszystkie znane cząstki mają ładunek dodatni, ujemny lub zerowy. Każda cząstka, z wyjątkiem fotonu i dwóch mezonów, odpowiada antycząstkom o przeciwnym ładunku. Około 1963-1964. postawił hipotezę, że istnieje kwarki– cząstki o ułamkowym ładunku elektrycznym. Ta hipoteza nie została jeszcze potwierdzona eksperymentalnie.

Przez całe życie cząstki są podzielone na stabilny I nietrwały . Istnieje pięć stałych cząstek: foton, dwa rodzaje neutrin, elektron i proton. To właśnie stabilne cząstki odgrywają najważniejszą rolę w budowie makrociał. Wszystkie inne cząstki są niestabilne, istnieją przez około 10 -10 -10 -24 s, po czym ulegają rozpadowi. Cząstki elementarne o średnim czasie życia 10–23–10–22 s nazywane są rezonanse. Ze względu na krótki czas życia rozkładają się, zanim jeszcze opuszczą atom lub jądro atomowe. Stany rezonansowe zostały obliczone teoretycznie, nie da się ich ustalić w rzeczywistych eksperymentach.

Oprócz ładunku, masy i czasu życia cząstki elementarne są również opisywane pojęciami, które nie mają odpowiedników w fizyce klasycznej: pojęcie plecy . Spin to wewnętrzny moment pędu cząstki, niezwiązany z jej przemieszczeniem. Spin jest scharakteryzowany spinowa liczba kwantowa s, które mogą przyjmować wartości całkowite (±1) lub połówkowe (±1/2). Cząstki z wirowaniem liczb całkowitych bozony, z liczbą połówkową - fermiony. Elektron należy do fermionów. Zgodnie z zasadą Pauliego atom nie może mieć więcej niż jednego elektronu o tym samym zestawie liczb kwantowych. n,m,ja,s. Elektrony, które odpowiadają funkcjom falowym o tej samej liczbie n, mają bardzo zbliżoną energię i tworzą powłokę elektronową w atomie. Różnice w liczbie l determinują „podpowłokę”, pozostałe liczby kwantowe determinują jej wypełnienie, jak wspomniano powyżej.

W charakterystyce cząstek elementarnych pojawia się jeszcze jeden ważny pomysł interakcje. Jak wspomniano wcześniej, znane są cztery rodzaje oddziaływań między cząstkami elementarnymi: grawitacyjny,słaby,elektromagnetyczny I mocny(jądrowy).

Wszystkie cząstki, które mają masę spoczynkową ( m 0), uczestniczą w oddziaływaniu grawitacyjnym, naładowanym - i elektromagnetycznym. Leptony uczestniczą również w oddziaływaniach słabych. Hadrony uczestniczą we wszystkich czterech podstawowych interakcjach.

Zgodnie z kwantową teorią pola wszystkie interakcje zachodzą poprzez wymianę cząstki wirtualne , to znaczy cząstki, których istnienie można ocenić tylko pośrednio, na podstawie niektórych ich przejawów poprzez pewne efekty wtórne ( prawdziwe cząstki można bezpośrednio przymocować za pomocą instrumentów).

Okazuje się, że wszystkie cztery znane rodzaje oddziaływań – grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe – mają charakter cechowania i są opisane symetriami cechowania. Oznacza to, że wszystkie interakcje powstają niejako „z jednego pustego pola”. Budzi to nadzieję, że uda się znaleźć „jedyny klucz do wszystkich znanych zamków” i opisać ewolucję Wszechświata ze stanu reprezentowanego przez pojedyncze supersymetryczne superpole, ze stanu, w którym występują różnice między rodzajami oddziaływań, między wszelkiego rodzaju cząstki materii i kwanty pola nie zostały jeszcze zamanifestowane.

Istnieje wiele sposobów klasyfikacji cząstek elementarnych. Na przykład cząstki dzielą się na fermiony (cząstki Fermi) - cząstki materii i bozony (cząstki Bosego) - kwanty pola.

Według innego podejścia cząstki dzielą się na 4 klasy: fotony, leptony, mezony, bariony.

Fotony (kwanty pola elektromagnetycznego) uczestniczą w oddziaływaniach elektromagnetycznych, ale nie mają oddziaływań silnych, słabych, grawitacyjnych.

Leptony ma swoją nazwę od greckiego słowa jaeptos- łatwo. Należą do nich cząstki, które nie mają silnego oddziaływania mionów (μ - , μ +), elektronów (e - , e +), neutrin elektronowych (ve - , ve +) i neutrin mionowych (v - m , v + m). Wszystkie leptony mają spin ½ i dlatego są fermionami. Wszystkie leptony mają słabą interakcję. Te, które mają ładunek elektryczny (czyli miony i elektrony), również oddziałują elektromagnetycznie.

Mezony są silnie oddziałującymi niestabilnymi cząstkami, które nie niosą tak zwanego ładunku barionowego. Wśród nich należy r-mezony, czyli piony (π +, π -, π 0), DO-mezony lub kaony (K + , K - , K 0) oraz ten-mezony (η) . Waga DO-mezony to ~970me (494 MeV dla naładowanego i 498 MeV dla neutralnego) DO mezony). Dożywotni DO-mezony mają wielkość około 10–8 s. Rozpadają się, tworząc i-mezony i leptony lub tylko leptony. Waga ten-mezony to 549 MeV (1074me), czas życia to około 10-19 s. Ten-rozpad mezonów z utworzeniem π-mezonów i γ-fotonów. W przeciwieństwie do leptonów, mezony mają nie tylko słabe (i jeśli są naładowane, elektromagnetyczne), ale także silne oddziaływanie, które przejawia się w ich wzajemnej interakcji, a także w interakcji między mezonami i barionami. Spin wszystkich mezonów wynosi zero, więc są to bozony.

Klasa bariony łączy nukleony (p, n) i cząstki niestabilne o masie większej niż masa nukleonów, zwane hiperonami. Wszystkie bariony mają silne oddziaływanie i dlatego aktywnie oddziałują z jądrami atomowymi. Spin wszystkich barionów wynosi ½, więc bariony to fermiony. Z wyjątkiem protonu wszystkie bariony są niestabilne. W rozpadzie barionów, wraz z innymi cząstkami, z konieczności powstaje barion. Ten wzór jest jednym z przejawów prawo zachowania ładunku barionowego.

Oprócz cząstek wymienionych powyżej odkryto dużą liczbę silnie oddziałujących cząstek o krótkim czasie życia, które nazywane są rezonanse . Cząstki te są stanami rezonansowymi utworzonymi przez dwie lub więcej cząstek elementarnych. Żywotność rezonansów to tylko ~ 10–23–10–22 s.

Cząsteczki elementarne, a także mikrocząstki złożone, można obserwować dzięki śladom, które pozostawiają, gdy przechodzą przez materię. Charakter śladów umożliwia ocenę znaku ładunku cząstki, jej energii, pędu itp. Naładowane cząstki powodują jonizację cząsteczek na swojej drodze. Cząstki obojętne nie pozostawiają śladów, ale mogą ujawnić się w momencie rozpadu na cząstki naładowane lub w momencie zderzenia z dowolnym jądrem. Dlatego ostatecznie cząstki obojętne są również wykrywane przez jonizację wywołaną przez naładowane cząstki generowane przez nie.

Cząstki i antycząstki. W 1928 r. angielski fizyk P. Dirac zdołał znaleźć relatywistyczne równanie kwantowo-mechaniczne dla elektronu, z którego wynika szereg niezwykłych konsekwencji. Przede wszystkim z tego równania, w sposób naturalny, bez żadnych dodatkowych założeń, spin i wartość numeryczna własny moment magnetyczny elektronu. Okazało się więc, że spin jest wielkością zarówno kwantową, jak i relatywistyczną. Ale to nie wyczerpuje znaczenia równania Diraca. Umożliwiło również przewidzenie istnienia antycząstki elektronu - pozyton. Z równania Diraca otrzymuje się nie tylko dodatnie, ale także ujemne wartości dla całkowitej energii swobodnego elektronu. Badania tego równania pokazują, że dla danego pędu cząstki istnieją rozwiązania równania odpowiadające energiom: .

Pomiędzy największą negatywną energią (- m mi od 2) i najmniejsza energia dodatnia (+ m mi C 2) istnieje przedział wartości energii, którego nie można zrealizować. Szerokość tego przedziału wynosi 2 m mi od 2. W konsekwencji uzyskuje się dwa obszary wartości własnych energii: jeden zaczyna się od + m mi od 2 i rozciąga się do +∞, druga zaczyna się od - m mi od 2 i rozciąga się do –∞.

Cząstka o ujemnej energii musi mieć bardzo dziwne właściwości. Przechodząc w stany o coraz niższej energii (czyli z ujemną energią rosnącą w wartości bezwzględnej), może uwolnić energię, powiedzmy, w postaci promieniowania, co więcej, ponieważ | mi| nie jest niczym ograniczona, cząsteczka o ujemnej energii może promieniować nieskończenie dużą ilością energii. Do podobnego wniosku można dojść w następujący sposób: z relacji mi=m mi od Z 2 wynika, że ​​masa cząstki o energii ujemnej również będzie ujemna. Pod działaniem siły hamowania cząstka o ujemnej masie nie powinna zwalniać, ale przyspieszać, wykonując nieskończenie dużą pracę nad źródłem siły hamowania. Wobec tych trudności wydaje się, że należy przyznać, iż stan z ujemną energią powinien być wyłączony z rozważań jako prowadzący do absurdalnych skutków. Byłoby to jednak sprzeczne z pewnymi ogólnymi zasadami mechaniki kwantowej. Więc Dirac wybrał inną ścieżkę. Zaproponował, że przejścia elektronów do stanów o ujemnej energii zwykle nie są obserwowane, ponieważ wszystkie dostępne poziomy o ujemnej energii są już zajęte przez elektrony.

Według Diraca próżnia to stan, w którym wszystkie poziomy ujemnej energii są zapełnione elektronami, a poziomy o dodatniej energii są wolne. Ponieważ wszystkie poziomy poniżej zakazanego pasma są bez wyjątku zajęte, elektrony na tych poziomach w żaden sposób się nie ujawniają. Jeśli jeden z elektronów znajdujących się na poziomach ujemnych otrzyma energię mi≥ 2m mi od 2 , wtedy elektron ten przejdzie w stan o dodatniej energii i będzie się zachowywał w zwykły sposób, jak cząstka o dodatniej masie i ujemnym ładunku. Ta pierwsza teoretycznie przewidywana cząstka została nazwana pozytonem. Kiedy pozyton spotyka elektron, anihilują (znikają) – elektron przechodzi z poziomu dodatniego do pustego poziomu ujemnego. Energia odpowiadająca różnicy między tymi poziomami jest uwalniana w postaci promieniowania. Na ryc. 4, strzałka 1 przedstawia proces powstawania pary elektron-pozyton, a strzałka 2 – ich anihilację Terminu „anihilacja” nie należy brać dosłownie. W istocie to, co się dzieje, nie jest znikaniem, ale przekształceniem niektórych cząstek (elektronów i pozytonów) w inne (γ-fotony).

Istnieją cząstki, które są identyczne z ich antycząstkami (to znaczy nie mają antycząstek). Takie cząsteczki nazywane są całkowicie neutralnymi. Należą do nich foton, π 0 -mezon i η-mezon. Cząstki identyczne z ich antycząstkami nie są zdolne do anihilacji. Nie oznacza to jednak, że nie mogą w ogóle przekształcić się w inne cząstki.

Jeśli barionom (czyli nukleonom i hiperonom) przypisano ładunek barionowy (lub liczbę barionową) W= +1, antybariony – ładunek barionowy W= –1, a dla wszystkich pozostałych cząstek – ładunek barionowy W= 0, to dla wszystkich procesów zachodzących z udziałem barionów i antybarionów charakterystyczna będzie zachowanie ładunku barionów, tak jak zachowanie ładunku elektrycznego jest charakterystyczne dla procesów. Prawo zachowania ładunku barionowego określa stabilność najdelikatniejszego barionu, protonu. Przekształcenie wszystkich wielkości opisujących układ fizyczny, w którym wszystkie cząstki są zastąpione przez antycząstki (na przykład elektrony przez protony, protony przez elektrony itp.), nazywa się ładunkiem sprzężonym.

Dziwne cząsteczki.DO-mezony i hiperony zostały odkryte w składzie promieni kosmicznych na początku lat pięćdziesiątych. Od 1953 roku produkowane są na akceleratorach. Zachowanie tych cząstek okazało się tak niezwykłe, że nazwano je dziwnymi. Niezwykłe zachowanie dziwnych cząstek polegało na tym, że narodziły się one oczywiście w wyniku oddziaływań silnych o charakterystycznym czasie rzędu 10–23 s, a ich czasy życia okazały się rzędu 10–8–10–10 s. Ta ostatnia okoliczność wskazywała, że ​​cząstki rozpadają się w wyniku oddziaływań słabych. Zupełnie niezrozumiałe było, dlaczego dziwne cząstki żyją tak długo. Ponieważ te same cząstki (mezony π i protony) biorą udział zarówno w tworzeniu, jak i rozpadzie hiperonu λ, wydawało się zaskakujące, że tempo (czyli prawdopodobieństwo) obu procesów jest tak różne. Dalsze badania wykazały, że dziwne cząstki powstają w parach. Doprowadziło to do wniosku, że oddziaływania silne nie mogą odgrywać roli w rozpadzie cząstek, ponieważ do ich manifestacji konieczna jest obecność dwóch dziwnych cząstek. Z tego samego powodu pojedyncza produkcja dziwnych cząstek jest niemożliwa.

Aby wyjaśnić zakaz jednorazowej produkcji dziwnych cząstek, M. Gell-Mann i K. Nishijima wprowadzili nową liczbę kwantową, której łączna wartość, zgodnie z ich założeniem, powinna być zachowana przy oddziaływaniach silnych. To liczba kwantowa S został nazwany dziwność cząstek. W słabych interakcjach obcość może nie zostać zachowana. Dlatego przypisuje się go tylko silnie oddziałującym cząstkom - mezonom i barionom.

Neutrino. Neutrino jest jedyną cząstką, która nie uczestniczy ani w oddziaływaniach silnych, ani elektromagnetycznych. Wyłączając oddziaływanie grawitacyjne, w którym uczestniczą wszystkie cząstki, neutrino może brać udział tylko w oddziaływaniach słabych.

Przez długi czas nie było jasne, czym różnią się neutrina od antyneutrin. Odkrycie prawa zachowania parytetu połączonego pozwoliło odpowiedzieć na to pytanie: różnią się one helicity. Pod skrętność rozumie się pewien związek między kierunkami pędu r i z powrotem S cząstki. Helicity jest uważane za dodatnie, jeśli obrót i pęd są w tym samym kierunku. W tym przypadku kierunek ruchu cząstki ( r) i kierunek „obrotu” odpowiadający wirowaniu tworzą prawą śrubę. Przy przeciwnie skierowanym obrocie i pędzie helicity będzie ujemne (ruch translacyjny i „obrót” tworzą lewą śrubę). Zgodnie z teorią neutrin podłużnych, opracowaną przez Yanga, Lee, Landaua i Salama, wszystkie neutrina występujące w przyrodzie, niezależnie od sposobu ich powstania, są zawsze całkowicie spolaryzowane podłużnie (czyli ich spin jest skierowany równolegle lub przeciwnie do pędu). r). Neutrino ma negatywny(lewa) helicity (odpowiada stosunkowi kierunków S I r pokazano na ryc. 5 (b), antyneutrino - dodatnia (prawa) helicity (a). Zatem helicity jest tym, co odróżnia neutrina od antyneutrin.

Ryż. pięć. Schemat helikacji cząstek elementarnych

Systematyka cząstek elementarnych. Wzorce obserwowane w świecie cząstek elementarnych można sformułować jako prawa zachowania. Takich praw jest już sporo. Niektóre z nich nie są dokładne, a jedynie przybliżone. Każde prawo zachowania wyraża pewną symetrię systemu. Prawa zachowania pędu r, moment pędu L i energia mi odzwierciedlają właściwości symetrii przestrzeni i czasu: konserwacja mi jest konsekwencją jednorodności czasu, zachowania r ze względu na jednorodność przestrzeni i konserwację L- jego izotropia. Prawo zachowania parzystości jest związane z symetrią między prawą a lewą stroną ( r-niezmienność). Symetria pod wpływem koniugacji ładunków (symetria cząstek i antycząstek) prowadzi do zachowania parzystości ładunku ( OD-niezmienność). Szczególną symetrię wyrażają prawa zachowania ładunków elektrycznych, barionowych i leptonowych OD-Funkcje. Wreszcie prawo zachowania spinu izotopowego odzwierciedla izotropię przestrzeni izotopowej. Nieprzestrzeganie jednego z praw ochronnych oznacza naruszenie w tej interakcji odpowiedniego rodzaju symetrii.

W świecie cząstek elementarnych obowiązuje zasada: dozwolone jest wszystko, czego nie zabraniają przepisy konserwatorskie. Te ostatnie pełnią rolę zakazów regulujących wzajemne przemiany cząstek. Przede wszystkim zwracamy uwagę na prawa zachowania energii, pędu i ładunku elektrycznego. Te trzy prawa wyjaśniają stabilność elektronu. Z zasady zachowania energii i pędu wynika, że ​​całkowita masa spoczynkowa produktów rozpadu musi być mniejsza niż masa spoczynkowa rozpadającej się cząstki. Oznacza to, że elektron mógł rozpadać się tylko na neutrina i fotony. Ale te cząstki są elektrycznie obojętne. Okazuje się więc, że elektron po prostu nie ma komu przekazać swojego ładunku elektrycznego, więc jest stabilny.

Kwarki. Jest tak wiele cząstek zwanych elementarnymi, że istnieją poważne wątpliwości co do ich elementarnej natury. Każda z silnie oddziałujących cząstek charakteryzuje się trzema niezależnymi addytywnymi liczbami kwantowymi: ładunkiem Q, hiperdoładowanie Na i ładunek barionowy W. W związku z tym pojawiła się hipoteza, że ​​wszystkie cząstki zbudowane są z trzech podstawowych cząstek – nośników tych ładunków. W 1964 Gell-Mann i niezależnie od niego szwajcarski fizyk Zweig wysunęli hipotezę, zgodnie z którą wszystkie cząstki elementarne zbudowane są z trzech cząstek zwanych kwarkami. Cząsteczkom tym przypisuje się ułamkowe liczby kwantowe, w szczególności ładunek elektryczny równy +⅔; –⅓; +⅓ odpowiednio dla każdego z trzech kwarków. Kwarki te są zwykle oznaczane literami U,D,S. Oprócz kwarków brane są pod uwagę antykwarki ( ty,D,s). Do tej pory znanych jest 12 kwarków - 6 kwarków i 6 antykwarków. Mezony zbudowane są z pary kwark-antykwark, a bariony z trzech kwarków. Na przykład proton i neutron składają się z trzech kwarków, co sprawia, że ​​proton lub neutron jest bezbarwny. W związku z tym wyróżnia się trzy ładunki oddziaływań silnych - czerwony ( r), żółty ( Y) i zielony ( g).

Każdemu kwarkowi przypisywany jest ten sam moment magnetyczny (µV), którego wartość nie jest określona z teorii. Obliczenia wykonane na podstawie tego założenia dają protonowi wartość momentu magnetycznego μ p = μ q, a dla neutronu μ n = – ⅔μ kw.

Zatem dla stosunku momentów magnetycznych wartość μ p / μn = –⅔, w doskonałej zgodności z wartością doświadczalną.

Zasadniczo kolor kwarka (podobnie jak znak ładunku elektrycznego) zaczął wyrażać różnicę we właściwościach determinujących wzajemne przyciąganie i odpychanie kwarków. Przez analogię z kwantami pól różnych oddziaływań (fotony w oddziaływaniach elektromagnetycznych, r-mezony w oddziaływaniach silnych itp.), wprowadzono cząstki-nośniki oddziaływania między kwarkami. Te cząstki zostały nazwane gluony. Przenoszą kolor z jednego kwarka na drugi, w wyniku czego kwarki są trzymane razem. W fizyce kwarków sformułowano hipotezę uwięzienia (z angielskiego. odosobnienie- niewola) kwarków, zgodnie z którą nie można odjąć kwarka od całości. Może istnieć tylko jako element całości. Istnienie kwarków jako rzeczywistych cząstek w fizyce jest wiarygodnie udowodnione.

Pomysł na kwarki okazał się bardzo owocny. Umożliwiło to nie tylko usystematyzowanie już znanych cząstek, ale także przewidzenie szeregu nowych. Sytuacja, jaka rozwinęła się w fizyce cząstek elementarnych, przypomina sytuację, jaka powstała w fizyce atomowej po odkryciu w 1869 r. przez D. I. Mendeleva prawa okresowości. Chociaż istota tego prawa została wyjaśniona dopiero około 60 lat po powstaniu mechaniki kwantowej, umożliwiło to usystematyzowanie znanych do tego czasu pierwiastków chemicznych, a ponadto doprowadziło do przewidywania istnienia nowych pierwiastków i ich właściwości . Dokładnie w ten sam sposób fizycy nauczyli się systematyzować cząstki elementarne, a opracowana systematyka w kilku przypadkach umożliwiła przewidywanie istnienia nowych cząstek i przewidywanie ich właściwości.

Tak więc w chwili obecnej kwarki i leptony można uznać za naprawdę elementarne; jest ich 12 lub razem z antycząstkami - 24. Ponadto istnieją cząstki, które zapewniają cztery fundamentalne oddziaływania (kwanty interakcji). Jest 13 takich cząstek: grawiton, foton, W± - i Z-cząstki i 8 gluonów.

Istniejące teorie cząstek elementarnych nie mogą wskazać, co jest początkiem szeregu: atomy, jądra, hadrony, kwarki W tej serii każda bardziej złożona struktura materiału zawiera prostszą, jak część składowa. Najwyraźniej to nie może trwać w nieskończoność. Założono, że opisany łańcuch struktur materialnych opiera się na obiektach o fundamentalnie odmiennym charakterze. Wykazano, że takie obiekty mogą nie być punktowymi, lecz rozciągniętymi, aczkolwiek niezwykle małymi (~10 -33 cm) formacjami, zwanymi superstruny. Opisany pomysł nie jest możliwy do zrealizowania w naszej czterowymiarowej przestrzeni. Ta dziedzina fizyki jest na ogół niezwykle abstrakcyjna i bardzo trudno jest znaleźć modele wizualne, które pomogą w uproszczonym postrzeganiu idei osadzonych w teoriach cząstek elementarnych. Niemniej jednak teorie te pozwalają fizykom wyrazić wzajemne przekształcenie i współzależność „najbardziej elementarnych” mikroobiektów, ich związek z właściwościami czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Najbardziej obiecujący jest tzw. M-teoria (Jestem z tajemnica- zagadka, tajemnica). Ona działa przestrzeń dwunastowymiarowa . Ostatecznie, podczas przejścia do świata czterowymiarowego bezpośrednio przez nas postrzeganego, wszystkie „dodatkowe” wymiary „zapadają się”. M-teoria jest jak dotąd jedyną teorią, która umożliwia sprowadzenie czterech podstawowych oddziaływań do jednego – tzw. Supermocarstwo. Ważne jest również to, że M-teoria pozwala na istnienie różnych światów i ustanawia warunki, które zapewniają powstanie naszego świata. Teoria M nie jest jeszcze wystarczająco rozwinięta. Uważa się, że finał „teoria wszystkiego” na podstawie M-teorii powstanie w XXI wieku.