Tolesnis skverbimasis į mikropasaulio gelmes yra susijęs su perėjimu iš atomų lygio į elementariųjų dalelių lygį. Kaip pirmoji elementarioji dalelė pabaigos XIX V. buvo atrastas elektronas, o paskui pirmaisiais XX amžiaus dešimtmečiais. – fotonas, protonas, pozitronas ir neutronas.

Po Antrojo pasaulinio karo, panaudojus šiuolaikines eksperimentines technologijas, o visų pirma galingus greitintuvus, kuriuose sukuriamos didelės energijos ir milžiniško greičio sąlygos, buvo nustatytas didelis elementariųjų dalelių skaičius – per 300. Tarp jų yra ir eksperimentiškai atrastų, ir teoriškai apskaičiuotų, įskaitant rezonansus, kvarkus ir virtualias daleles.

Terminas elementarioji dalelė iš pradžių reiškė paprasčiausias, toliau neskaidomas daleles, kurios yra bet kokių medžiagų darinių pagrindas. Vėliau fizikai suprato visą termino „elementarus“ susitarimą, susijusį su mikroobjektais. Dabar neabejotina, kad dalelės turi vienokią ar kitokią struktūrą, tačiau, nepaisant to, istoriškai nusistovėjęs pavadinimas ir toliau egzistuoja.

Pagrindinės elementariųjų dalelių charakteristikos yra masė, krūvis, vidutinė gyvavimo trukmė, sukimasis ir kvantiniai skaičiai.

Poilsio masė elementariosios dalelės nustatomos likusios elektrono masės atžvilgiu elementariosios dalelės, neturėdamas poilsio masės, – fotonai. Likusios dalelės pagal šį kriterijų skirstomos į leptonai– šviesos dalelės (elektronai ir neutrinai); mezonai– vidutinio dydžio dalelės, kurių masė svyruoja nuo vieno iki tūkstančio elektronų masių; barionai– sunkiosios dalelės, kurių masė viršija tūkstantį elektronų masių ir kurios apima protonus, neutronus, hiperonus ir daugybę rezonansų.

Elektros krūvis yra dar viena svarbi elementariųjų dalelių savybė. Visos žinomos dalelės turi teigiamą, neigiamą arba nulinį krūvį. Kiekviena dalelė, išskyrus fotoną ir du mezonus, atitinka priešingų krūvių antidaleles. Maždaug 1963–1964 m buvo iškelta hipotezė apie egzistavimą kvarkai– dalelės, turinčios dalinį elektros krūvį. Ši hipotezė dar nepatvirtinta eksperimentiškai.

Pagal gyvenimą dalelės skirstomos į stabilus Ir nestabilus . Yra penkios stabilios dalelės: fotonas, dviejų tipų neutrinai, elektronas ir protonas. Žaidžia stabilios dalelės gyvybiškai svarbus vaidmuo makrokūnų struktūroje. Visos kitos dalelės yra nestabilios, jos egzistuoja apie 10 -10 -10 -24 s, po to suyra. Elementariosios dalelės, kurių vidutinė gyvavimo trukmė yra 10–23–10–22 s, vadinamos rezonansus. Dėl trumpo gyvenimo trukmės jie suyra net nepalikdami atomo ar atomo branduolio. Rezonansinės būsenos buvo apskaičiuotos teoriškai, atliekant tikrus eksperimentus.

Be krūvio, masės ir gyvenimo trukmės, elementariosios dalelės taip pat apibūdinamos sąvokomis, kurios neturi analogų klasikinėje fizikoje: sąvoka atgal . Sukimasis yra dalelės vidinis kampinis impulsas, nesusijęs su jos judėjimu. Nugara pasižymi sukimosi kvantinis skaičius s, kuri gali turėti sveikojo skaičiaus (±1) arba pusės sveikojo skaičiaus (±1/2) reikšmes. Dalelės su sveikuoju sukimu – bozonai, su puse sveikuoju skaičiumi – fermionai. Elektronai klasifikuojami kaip fermionai. Pagal Pauli principą atomas negali turėti daugiau nei vieno elektrono su tuo pačiu kvantinių skaičių rinkiniu n,m,l,s. Elektronai, atitinkantys bangines funkcijas su tuo pačiu skaičiumi n, yra labai artimi energijai ir formuojasi atome elektronų apvalkalas. Skaičiaus l skirtumai lemia „subapvalką“, likę kvantiniai skaičiai – jo užpildymą, kaip minėta aukščiau.

Elementariųjų dalelių charakteristikose yra dar viena svarbi idėja sąveikos. Kaip minėta anksčiau, žinomi keturi elementariųjų dalelių sąveikos tipai: gravitacinis,silpnas,elektromagnetinis Ir stiprus(branduolinis).

Visos dalelės, turinčios ramybės masę ( m 0), dalyvauja gravitacinėje sąveikoje, o įkrauti taip pat dalyvauja elektromagnetinėje sąveikoje. Leptonai taip pat dalyvauja silpnoje sąveikoje. Hadronai dalyvauja visose keturiose pagrindinėse sąveikose.

Remiantis kvantinio lauko teorija, visos sąveikos vyksta dėl mainų virtualios dalelės , tai yra dalelės, kurių egzistavimą galima spręsti tik netiesiogiai, pagal kai kuriuos jų pasireiškimus per tam tikrus antrinius efektus ( tikrosios dalelės galima tiesiogiai įrašyti naudojant instrumentus).

Pasirodo, visos keturios žinomos sąveikos rūšys – gravitacinė, elektromagnetinė, stiprioji ir silpnoji – turi matuoklio pobūdį ir apibūdinamos matuoklio simetrija. Tai yra, visos sąveikos yra tarsi padarytos „iš to paties tuščio“. Tai suteikia vilties, kad bus galima rasti „vienintelį raktą į visus žinomus užraktus“ ir aprašyti Visatos evoliuciją iš būsenos, vaizduojamos vienu supersimetriniu superlauku, iš būsenos, kurioje skiriasi sąveikos tipai, tarp visų materijos dalelių rūšys ir lauko kvantai dar nepasireiškė.

Egzistuoja didžiulis skaičius elementariųjų dalelių klasifikavimo būdai. Pavyzdžiui, dalelės skirstomos į fermionus (Fermi daleles) – medžiagos daleles ir bozonus (Bose particles) – lauko kvantus.

Pagal kitą požiūrį dalelės skirstomos į 4 klases: fotonus, leptonus, mezonus, barionus.

Fotonai (elektromagnetinio lauko kvantai) dalyvauja elektromagnetinėse sąveikose, tačiau neturi stiprios, silpnosios ar gravitacinės sąveikos.

Leptonai gavo savo vardą iš Graikiškas žodis leptos-lengva. Tai apima daleles, kurios neturi stiprios sąveikos: miuonai (μ – , μ +), elektronai (e – , e +), elektronų neutrinai (v e – , v e +) ir miuonų neutrinai (v – m, v + m). . Visų leptonų sukimasis yra ½, todėl jie yra fermionai. Visi leptonai turi silpną sąveiką. Tie, kurie turi elektrinį krūvį (ty miuonai ir elektronai), taip pat turi elektromagnetinę jėgą.

Mezonai – stipriai sąveikaujančios nestabilios dalelės, neturinčios vadinamojo bariono krūvio. Tarp jų yra r-mezonai arba pionai (π + , π – , π 0), KAM-mezonai, arba kaonai (K +, K –, K 0), ir tai-mezonai (η) . Svoris KAM-mesons yra ~970me (494 MeV įkrautam ir 498 MeV neutraliam KAM-mezonai). Gyvenimo laikas KAM-mezonų dydis yra 10–8 s. Jie suyra ir susidaro aš-mezonai ir leptonai arba tik leptonai. Svoris tai-mezonai yra 549 MeV (1074 me), tarnavimo laikas yra apie 10–19 s. Tai-mezonai skyla, sudarydami π-mezonus ir γ-fotonus. Skirtingai nuo leptonų, mezonai turi ne tik silpną (o jei jie yra įkrauti – elektromagnetinę) sąveiką, bet ir stiprią sąveiką, kuri pasireiškia jiems sąveikaujant tarpusavyje, taip pat mezonų ir barionų sąveikos metu. Visų mezonų sukimas lygus nuliui, taigi jie yra bozonai.

Klasė barionai jungia nukleonus (p,n) ir nestabilias daleles, kurių masė didesnė už nukleonų masę, vadinamas hiperonais. Visi barionai turi stiprią sąveiką, todėl aktyviai sąveikauja su atominiais branduoliais. Visų barionų sukimasis yra ½, todėl barionai yra fermionai. Visi barionai, išskyrus protoną, yra nestabilūs. Barionams irstant kartu su kitomis dalelėmis būtinai susidaro barionas. Šis modelis yra viena iš apraiškų Bariono krūvio išsaugojimo įstatymas.

Be aukščiau išvardytų dalelių, mes nustatėme didelis skaičius stipriai sąveikaujančios trumpaamžės dalelės, kurios vadinamos rezonansus . Šios dalelės yra rezonansinės būsenos, sudarytos iš dviejų ar daugiau elementariųjų dalelių. Rezonanso tarnavimo laikas yra tik ~ 10 –23 –10 –22 s.

Elementariąsias daleles, taip pat sudėtingas mikrodaleles, galima pastebėti dėl pėdsakų, kuriuos jos palieka eidamos per medžiagą. Pėdsakų pobūdis leidžia spręsti apie dalelės krūvio ženklą, jos energiją, impulsą ir kt. Įkrautos dalelės sukelia molekulių jonizaciją savo kelyje. Neutralios dalelės nepalieka pėdsakų, tačiau gali atsiskleisti skilimo į įkrautas daleles momentu arba susidūrimo su bet kuriuo branduoliu momentu. Todėl neutralios dalelės galiausiai taip pat aptinkamos pagal jonizaciją, kurią sukelia jų generuojamos įkrautos dalelės.

Dalelės ir antidalelės. 1928 metais anglų fizikui P. Dirakui pavyko rasti reliatyvistinę kvantinę mechaninę elektrono lygtį, iš kurios išplaukia daugybė nuostabių pasekmių. Visų pirma, iš šios lygties natūraliu būdu, be jokių papildomų prielaidų gauname sukinį ir skaitinė reikšmė paties elektrono magnetinis momentas. Taigi paaiškėjo, kad sukinys yra ir kvantinis, ir reliatyvus dydis. Tačiau tai neišsemia Dirako lygties reikšmės. Tai taip pat leido numatyti elektrono antidalelės egzistavimą - pozitronas. Iš Dirako lygties gaunamos ne tik teigiamos, bet ir neigiamos bendros laisvojo elektrono energijos vertės. Lygties tyrimai rodo, kad tam tikram dalelės impulsui yra lygties sprendiniai, atitinkantys energijas: .

Tarp didžiausių neigiama energija (–m e Su 2) ir mažiausiai teigiamos energijos (+ m e c 2) yra energijos verčių intervalas, kurio negalima realizuoti. Šio intervalo plotis yra 2 m e Su 2. Vadinasi, gaunamos dvi energijos savųjų verčių sritys: viena prasideda + m e Su 2 ir tęsiasi iki +∞, kitas prasideda nuo – m e Su 2 ir tęsiasi iki –∞.

Neigiamos energijos dalelė turi turėti labai keistų savybių. Pereinant į būsenas su vis mažiau energijos (ty kai neigiama energija didėja), ji galėtų išleisti energiją, tarkime, spinduliuotės pavidalu, ir, kadangi | E| nėra niekuo ribojamas, neigiamą energiją turinti dalelė galėtų išskirti be galo daug energijos. Panašią išvadą galima padaryti tokiu būdu: iš santykio E=m e Su 2 iš to išplaukia, kad neigiamos energijos dalelė taip pat turės neigiamą masę. Veikiant stabdymo jėgai, neigiamos masės dalelė turėtų ne sulėtėti, o įsibėgėti, atlikdama be galo daug darbo stabdymo jėgos šaltiniui. Atsižvelgiant į šiuos sunkumus, atrodytų, kad reikėtų pripažinti, kad neigiamos energijos būsena neturėtų būti vertinama kaip vedanti į absurdiškus rezultatus. Tačiau tai prieštarautų kai kuriems bendriesiems principams kvantinė mechanika. Todėl Dirakas pasirinko kitą kelią. Jis pasiūlė, kad elektronų perėjimai į būsenas su neigiama energija paprastai nepastebimi dėl to, kad visi turimi neigiamos energijos lygiai jau yra užimti elektronų.

Anot Dirako, vakuumas yra būsena, kai visi neigiamos energijos lygiai yra užimti elektronų, o lygiai su teigiama energija yra laisvi. Kadangi visi lygiai, esantys žemiau uždraustos juostos, yra užimti be išimties, elektronai šiuose lygiuose niekaip neatsiskleidžia. Jei vienam iš elektronų, esančių neigiamuose lygiuose, suteikiama energija E≥ 2m e Su 2, tada šis elektronas pereis į teigiamos energijos būseną ir elgsis įprastu būdu, kaip dalelė, turinti teigiamą masę ir neigiamą krūvį. Ši pirmoji teoriškai prognozuojama dalelė buvo vadinama pozitronu. Kai pozitronas susitinka su elektronu, jie anihiliuojasi (dingsta) – elektronas iš teigiamo lygio pereina į laisvą neigiamą. Šių lygių skirtumą atitinkanti energija išsiskiria spinduliuotės pavidalu. Fig. 4, rodyklė 1 vaizduoja elektronų ir pozitronų poros kūrimo procesą, o rodyklė 2 – jų sunaikinimą. Termino „naikinimas“ nereikia suprasti pažodžiui. Iš esmės įvyksta ne išnykimas, o kai kurių dalelių (elektronų ir pozitronų) pavertimas kitomis (γ-fotonais).

Yra dalelių, kurios yra identiškos jų antidalelėms (tai yra, jos neturi antidalelių). Tokios dalelės vadinamos absoliučiai neutraliomis. Tai apima fotoną, π 0 mezoną ir η mezoną. Dalelės, identiškos jų antidalelėms, nėra pajėgios anihiliuoti. Tačiau tai nereiškia, kad jie apskritai negali virsti kitomis dalelėmis.

Jei barionams (ty nukleonams ir hiperonams) priskiriamas bariono krūvis (arba bariono skaičius) IN= +1, antibarionai – bariono krūvis IN= –1, o visos kitos dalelės turi bariono krūvį IN= 0, tada visi procesai, vykstantys dalyvaujant barionams ir antibarionams, pasižymės krūvio barionų išsaugojimu, kaip procesai pasižymi elektros krūvio išsaugojimu. Bariono krūvio tvermės dėsnis lemia minkščiausio bariono – protono – stabilumą. Visų aprašančių dydžių konvertavimas fizinę sistemą, kuriame visos dalelės pakeičiamos antidalelėmis (pavyzdžiui, elektronai su protonais, o protonai su elektronais ir kt.), vadinamas konjugacijos krūviu.

Keistos dalelės.KAM-mezonai ir hiperonai buvo aptikti kaip kosminių spindulių dalis XX amžiaus 50-ųjų pradžioje. Nuo 1953 m. jie gaminami greitintuvuose. Šių dalelių elgesys pasirodė toks neįprastas, kad jos buvo pavadintos keistomis. Neįprastas keistų dalelių elgesys buvo tas, kad jos aiškiai gimė dėl stiprios sąveikos, kurių būdingas laikas yra 10–23 s, o jų gyvenimo trukmė buvo 10–8–10–10 s. Pastaroji aplinkybė parodė, kad dalelių skilimas vyksta dėl silpnos sąveikos. Buvo visiškai neaišku, kodėl keistos dalelės taip ilgai gyvavo. Kadangi tos pačios dalelės (π-mezonai ir protonai) dalyvauja tiek kuriant, tiek irnt λ-hiperonui, buvo stebėtina, kad abiejų procesų greitis (ty tikimybė) buvo toks skirtingas. Tolesni tyrimai parodė, kad keistos dalelės gimsta poromis. Tai paskatino idėją, kad stipri sąveika negali turėti įtakos dalelių skilimui dėl to, kad joms pasireikšti būtina dviejų keistų dalelių buvimas. Dėl tos pačios priežasties vienas keistų dalelių kūrimas pasirodo neįmanomas.

Norėdami paaiškinti draudimą gaminti vieną keistų dalelių, M. Gell-Mann ir K. Nishijima pristatė naują kvantinį skaičių, kurio bendra vertė, jų prielaida, turėtų būti išsaugota esant stipriai sąveikai. Tai yra kvantinis skaičius S buvo pavadintas dalelės keistumas. Silpnoje sąveikoje keistumas gali neišsaugoti. Todėl jis priskiriamas tik stipriai sąveikaujančioms dalelėms – mezonams ir barionams.

Neutrinas. Neutrinas yra vienintelė dalelė, kuri nedalyvauja nei stiprioje, nei elektromagnetinėje sąveikoje. Išskyrus gravitacinę sąveiką, kurioje dalyvauja visos dalelės, neutrinai gali dalyvauti tik silpnoje sąveikoje.

Ilgą laiką liko neaišku, kuo neutrinas skiriasi nuo antineutrino. Kombinuoto pariteto išsaugojimo dėsnio atradimas leido atsakyti į šį klausimą: jie skiriasi sraigtu. Pagal sraigtiškumas suprantamas tam tikras ryšys tarp impulso krypčių R ir atgal S dalelių. Sraigtiškumas laikomas teigiamu, jei sukimasis ir impulsas yra ta pačia kryptimi. Šiuo atveju dalelių judėjimo kryptis ( R) ir sukimosi kryptis, atitinkanti sukimąsi, sudaro dešinįjį varžtą. Kai sukimasis ir impulsas nukreipti priešingai, sraigtas bus neigiamas (transliacinis judėjimas ir „sukimas“ sudaro kairiarankį varžtą). Pagal Yang, Lee, Landau ir Salam sukurtą išilginių neutrinų teoriją, visi gamtoje esantys neutrinai, nepaisant jų kilmės būdo, visada yra visiškai išilgai poliarizuoti (tai yra, jų sukimasis nukreiptas lygiagrečiai arba antiparaleliškai impulsui). R). Neutrino turi neigiamas(kairėje) sraigtas (atitinka krypčių santykį). S Ir R, parodyta pav. 5 (b), antineutrino – teigiamas (dešiniarankis) sraigtas (a). Taigi sraigtas yra tai, kas išskiria neutrinus nuo antineutrinų.

Ryžiai. 5. Elementariųjų dalelių sraigtiškumo schema

Elementariųjų dalelių sistematika. Elementariųjų dalelių pasaulyje stebimus modelius galima suformuluoti išsaugojimo dėsnių forma. Tokių įstatymų jau susikaupė nemažai. Kai kurie iš jų pasirodo ne tikslūs, o tik apytiksliai. Kiekvienas išsaugojimo dėsnis išreiškia tam tikrą sistemos simetriją. Impulso išsaugojimo dėsniai R, kampinis momentas L ir energija E atspindi erdvės ir laiko simetrijos savybes: išsaugojimą E yra laiko vienalytiškumo, išsaugojimo pasekmė R dėl erdvės homogeniškumo ir išsaugojimo L– jo izotropija. Pariteto išsaugojimo dėsnis yra susijęs su simetrija tarp dešinės ir kairės ( R-nekintamumas). Simetrija, susijusi su krūvio konjugacija (dalelių ir antidalelių simetrija), lemia krūvio pariteto išsaugojimą ( SU-nekintamumas). Elektrinių, barionų ir leptonų krūvių tvermės dėsniai išreiškia ypatingą simetriją SU-funkcijomis. Galiausiai, izotopinio sukimosi išsaugojimo dėsnis atspindi izotopinės erdvės izotropiją. Vieno iš išsaugojimo įstatymų nesilaikymas reiškia atitinkamo tipo simetrijos pažeidimą šioje sąveikoje.

Elementariųjų dalelių pasaulyje galioja taisyklė: leidžiama viskas, ko nedraudžia gamtosaugos įstatymai. Pastarieji atlieka atskirties taisyklių, reglamentuojančių dalelių tarpusavio konversiją, vaidmenį. Pirmiausia atkreipkime dėmesį į energijos, impulso ir elektros krūvio tvermės dėsnius. Šie trys dėsniai paaiškina elektrono stabilumą. Iš energijos ir impulso išsaugojimo išplaukia, kad bendra skilimo produktų ramybės masė turi būti mažesnė už likusią irstančios dalelės masę. Tai reiškia, kad elektronas gali suskaidyti tik į neutrinus ir fotonus. Tačiau šios dalelės yra elektriškai neutralios. Taip išeina, kad elektronas tiesiog neturi kam perduoti savo elektros krūvio, todėl yra stabilus.

Kvarkai. Dalelių, vadinamų elementariomis, tapo tiek daug, kad kilo rimtų abejonių dėl jų elementarios prigimties. Kiekvienai stipriai sąveikaujančiai dalelei būdingi trys nepriklausomi priediniai kvantiniai skaičiai: krūvis K, perkrovimas U ir bariono krūvis IN. Šiuo atžvilgiu kilo hipotezė, kad visos dalelės yra sudarytos iš trijų pagrindinių dalelių - šių krūvių nešėjų. 1964 m. Gell-Mann ir, nepriklausomai nuo jo, šveicarų fizikas Zweigas iškėlė hipotezę, pagal kurią visos elementarios dalelės yra sudarytos iš trijų dalelių, vadinamų kvarkais. Šioms dalelėms priskiriami trupmeniniai kvantiniai skaičiai, visų pirma, elektros krūvis lygus +⅔; –⅓; +⅓ atitinkamai kiekvienam iš trijų kvarkų. Šie kvarkai paprastai žymimi raidėmis U,D,S. Be kvarkų, laikomi antikvarkai ( u,d,s). Iki šiol žinoma 12 kvarkų – 6 kvarkai ir 6 antikvarkai. Mezonai susidaro iš kvarkų-antikvarkų poros, o barionai – iš trijų kvarkų. Pavyzdžiui, protonas ir neutronas susideda iš trijų kvarkų, dėl kurių protonas arba neutronas tampa bespalvis. Atitinkamai išskiriami trys stiprios sąveikos krūviai - raudona ( R), geltona ( Y) ir žalia ( G).

Kiekvienam kvarkui priskiriamas tas pats magnetinis momentas (µV), kurio reikšmė nėra nustatyta iš teorijos. Skaičiavimai, atlikti remiantis šia prielaida, suteikia protono magnetinio momento μ p reikšmę = μ kv, o neutronui μ n = – ⅔μ kv.

Taigi magnetinių momentų santykiui gaunama reikšmė μ p / μn = –⅔, puikiai sutampa su eksperimentine verte.

Iš esmės kvarko spalva (kaip ir elektros krūvio ženklas) pradėjo reikšti skirtumą toje savybėje, kuri lemia abipusį kvarkų trauką ir atstūmimą. Analogiškai su įvairių sąveikų laukų kvantais (fotonai elektromagnetinėje sąveikoje, r-mezonai stiprioje sąveikoje ir kt.) buvo įvestos kvarkų sąveiką vykdančios dalelės. Šios dalelės buvo pavadintos gliuonai. Jie perkelia spalvą iš vieno kvarko į kitą, todėl kvarkai laikosi kartu. Kvarkų fizikoje buvo suformuluota uždarumo hipotezė (iš anglų k. įkalinimo– gaudymas) kvarkų, pagal kuriuos neįmanoma atimti kvarko iš visumos. Ji gali egzistuoti tik kaip visumos elementas. Kvarkų, kaip tikrų dalelių, egzistavimas fizikoje yra patikimai pagrįstas.

Kvarkų idėja pasirodė labai vaisinga. Tai leido ne tik susisteminti jau žinomos dalelės, bet ir prognozuoti visą eilę naujų. Situacija, susidariusi elementariųjų dalelių fizikoje, primena situaciją, susidariusią atomų fizikoje po periodinio dėsnio atradimo 1869 metais D. I. Mendelevo. Nors šio dėsnio esmė buvo išaiškinta tik praėjus maždaug 60 metų nuo kvantinės mechanikos sukūrimo, jis leido susisteminti iki tol žinomus cheminius elementus ir, be to, leido numatyti naujų elementų egzistavimą ir jų savybes. . Lygiai taip pat fizikai išmoko sisteminti elementarias daleles, o sukurta taksonomija retais atvejais leido numatyti naujų dalelių egzistavimą ir numatyti jų savybes.

Taigi šiuo metu kvarkus ir leptonus galima laikyti tikrai elementariais; Jų yra 12, arba kartu su anti-chatitais – 24. Be to, yra dalelių, kurios užtikrina keturias pagrindines sąveikas (sąveikos kvantus). Yra 13 šių dalelių: gravitonas, fotonas, W± - ir Z-dalelės ir 8 gliuonai.

Esamos elementariųjų dalelių teorijos negali nurodyti, kas yra serijos pradžia: atomai, branduoliai, hadronai, kvarkaiŠioje serijoje kiekviena sudėtingesnė medžiagos struktūra apima paprastesnę, pvz. komponentas. Matyt, tai negali tęstis be galo. Buvo daroma prielaida, kad aprašyta materialių struktūrų grandinė remiasi iš esmės skirtingos prigimties objektais. Parodyta, kad tokie objektai gali būti ne taškiniai, o ištęsti, nors ir itin maži (~10-33 cm) dariniai, vadinami superstygos. Apibūdinta idėja mūsų keturmatėje erdvėje neįgyvendinama. Ši fizikos sritis paprastai yra labai abstrakti, todėl labai sunku rasti vaizdinius modelius, kurie padėtų supaprastinti elementariųjų dalelių teorijoms būdingų idėjų suvokimą. Nepaisant to, šios teorijos leidžia fizikams išreikšti „elementariausių“ mikroobjektų tarpusavio transformaciją ir tarpusavio priklausomybę, jų ryšį su keturmačio erdvėlaikio savybėmis. Perspektyviausias yra vadinamasis M teorija (M – nuo paslaptis- mįslė, paslaptis). Ji operuoja dvylikamatė erdvė . Galiausiai, pereinant į keturių dimensijų pasaulį, kurį mes tiesiogiai suvokiame, visi „papildomi“ matmenys „sugriūna“. M teorija kol kas vienintelė teorija, leidžianti keturias esmines sąveikas redukuoti į vieną – vadinamąją Supergalia. Svarbu ir tai, kad M teorija leidžia egzistuoti skirtingiems pasauliams ir nustato sąlygas, užtikrinančias mūsų pasaulio atsiradimą. M teorija dar nėra pakankamai išvystyta. Manoma, kad finalas "visko teorija" remiantis M teorija bus pastatyta XXI a.

Elementarioji dalelė yra mažiausia, nedaloma, bestruktūrė dalelė.

ELEKTRODINAMIKOS PAGRINDAI

Elektrodinamika– fizikos šaka, tirianti elektromagnetines sąveikas. Elektromagnetinės sąveikos– įkrautų dalelių sąveika. Pagrindiniai elektrodinamikos studijų objektai yra elektriniai ir magnetiniai laukai, kuriuos sukuria elektros krūviai ir srovės.

1 tema. Elektrinis laukas (elektrostatika)

Elektrostatika - elektrodinamikos šaka, tirianti stacionarių (statinių) krūvių sąveiką.

Elektros krūvis.

Visi korpusai elektrifikuoti.

Elektrifikuoti kūną reiškia suteikti jam elektros krūvį.

Įelektrinti kūnai sąveikauja – traukia ir atstumia.

Kuo labiau elektrifikuoti kūnai, tuo stipriau jie sąveikauja.

Elektros krūvis yra fizinis kiekis, kuris apibūdina dalelių ar kūnų savybę įsijungti į elektromagnetinę sąveiką ir yra kiekybinis šios sąveikos matas.

Visų žinomų eksperimentinių faktų visuma leidžia mums padaryti tokias išvadas:

· Yra dviejų tipų elektros krūviai, sutartinai vadinami teigiamais ir neigiamais.

· Krūviai neegzistuoja be dalelių

· Krūvius galima perkelti iš vieno kūno į kitą.

· Skirtingai nuo kūno masės, elektros krūvis nėra neatsiejama tam tikro kūno charakteristika. Tas pats kūnas skirtingos sąlygos gali turėti kitokį mokestį.

· Elektros krūvis nepriklauso nuo pasirinktos atskaitos sistemos, kurioje jis matuojamas. Elektros krūvis nepriklauso nuo krūvininko greičio.

· Kaip krūviai atstumia, kitaip nei krūviai traukia.

SI vienetas – pakabukas

Elementarioji dalelė yra mažiausia, nedaloma, bestruktūrė dalelė.

Pavyzdžiui, atome: elektronas ( , protonas ( , neutronas ( .

Elementarioji dalelė gali turėti arba neturėti krūvio: , ,

Elementarus mokestis-elementariai dalelei priklausantis krūvis yra mažiausias, nedalomas.

Elementarus krūvis – elektronų krūvio modulis.

Elektrono ir protono krūviai yra lygūs, bet priešingi pagal ženklą:

Kėbulų elektrifikavimas.
Ką reiškia „makroskopinis kūnas yra įkrautas“? Kas lemia bet kurio kūno krūvį?

Visi kūnai sudaryti iš atomų, tarp kurių yra teigiamai įkrauti protonai, neigiamai įkrauti elektronai ir neutralios dalelės - neutronai . Protonai ir neutronai yra atomo branduolių dalis, elektronai sudaro atomų elektroninį apvalkalą.

Neutralaus atomo protonų skaičius branduolyje yra lygus elektronų skaičiui apvalkale.

Makroskopiniai kūnai, sudaryti iš neutralių atomų, yra elektriškai neutralūs.

Tam tikros medžiagos atomas gali prarasti vieną ar daugiau elektronų arba įgyti papildomą elektroną. Tokiais atvejais neutralus atomas virsta teigiamai arba neigiamai įkrautu jonu.

Kėbulų elektrifikavimas– elektra įkrautų kūnų gavimo iš elektrai neutralių kūnų procesas.

Sąlyčiodami vienas su kitu, kūnai įsielektrina.

Susilietus dalis elektronų iš vieno kūno pereina į kitą, abu kūnai įsielektrina, t.y. gauti krūvius, kurių dydis yra vienodas ir priešingo ženklo:
elektronų "perteklius", palyginti su protonais, sukuria "-" krūvį kūne;
Elektronų "trūkumas", palyginti su protonais, sukuria "+" krūvį kūne.
Bet kurio kūno krūvį lemia elektronų perteklius arba nepakankamas kiekis, palyginti su protonais.

Krūvis gali būti perduodamas iš vieno kūno į kitą tik dalimis, kuriose yra sveikasis elektronų skaičius. Taigi kūno elektrinis krūvis yra diskretiškas kiekis, elektrono krūvio kartotinis:

Visatoje kiekvienas kūnas gyvena savo laiku, taip pat pagrindinės elementarios dalelės. Daugumos elementariųjų dalelių gyvenimo trukmė yra gana trumpa.

Kai kurios suyra iš karto po gimimo, todėl jas vadiname nestabiliomis dalelėmis.

Jie baigėsi trumpas laikas suyra į stabilius: protonus, elektronus, neutrinus, fotonus, gravitonus ir jų antidaleles.

Svarbiausi mikroobjektai mūsų netoliese esančioje erdvėje - protonai ir elektronai. Kai kurias tolimas Visatos dalis gali sudaryti antimedžiaga, svarbiausios dalelės bus antiprotonas ir antielektronas (pozitronas).

Iš viso atrasta keli šimtai elementariųjų dalelių: protonas (p), neutronas (n), elektronas (e -), taip pat fotonas (g), pi-mezonai (p), miuonai (m), neutrinai. trijų tipų(elektroninis v e, muoninis v m, su leptonu v t) ir kt. Akivaizdu, kad jie atneš daugiau naujų mikrodalelių.

Dalelių išvaizda:

Protonai ir elektronai

Protonai ir elektronai atsirado seniai, o jų amžius yra maždaug dešimt milijardų metų.

Kitas mikroobjektų tipas, kuris vaidina svarbų vaidmenį struktūroje netoli kosmoso- neutronai, turintys bendras vardas su protonu: nukleonai. Patys neutronai yra nestabilūs, jie suyra maždaug dešimt minučių po jų susidarymo. Jie gali būti stabilūs tik atomo branduolyje. Daugybė neutronų nuolat atsiranda žvaigždžių gelmėse, kur iš protonų gimsta atomų branduoliai.

Neutrinas

Visatoje taip pat nuolat gimsta neutrinai, panašūs į elektroną, bet be krūvio ir su lengvas svoris. 1936 m. buvo atrastas neutrinų tipas: miuoniniai neutrinai, atsirandantys protonams virstant neutronais, supermasyvių žvaigždžių gelmėse ir daugeliui nestabilių mikroobjektų irimo metu. Jie gimsta, kai tarpžvaigždinėje erdvėje susiduria kosminiai spinduliai.

Didysis sprogimas sukėlė didžiulė suma neutrinai ir miuoniniai neutrinai. Jų skaičius erdvėje nuolat didėja, nes jų nesugeria praktiškai jokia medžiaga.

Fotonai

Kaip ir fotonai, neutrinai ir miuonai užpildo viską kosminė erdvė. Šis reiškinys vadinamas „neutrinų jūra“.
Kadangi didysis sprogimas liko labai daug fotonų, kuriuos vadiname reliktais arba fosilijomis. Visa išorinė erdvė jais užpildyta, o jų dažnis, taigi ir energija, nuolat mažėja, nes plečiasi Visata.

Šiuo metu viskas kosminiai kūnai, pirmiausia žvaigždės ir ūkai, dalyvauja formuojant Visatos fotonų dalį. Fotonai gimsta žvaigždžių paviršiuje iš elektronų energijos.

Dalelių jungtis

Pradiniame Visatos formavimosi etape visos pagrindinės elementarios dalelės buvo laisvos. Tada nebuvo nei atomų branduolių, nei planetų, nei žvaigždžių.

Atomai, o iš jų planetos, žvaigždės ir visos substancijos, susidarė vėliau, kai praėjo 300 000 metų, o karštoji medžiaga plečiantis pakankamai atvėso.

Tik neutrinas, miuonas neutrinas ir fotonas nebuvo įtraukti į jokią sistemą: jų abipusė trauka per silpna. Jos liko laisvos dalelės.

Daugiau apie pradinis etapas Visatos susidarymas (300 000 metų po jos gimimo) laisvųjų protonų o elektronai susijungę sudaro vandenilio atomus (vienas protonas ir vienas elektronas sujungti elektros jėga).

Yra žinoma, kad Visatos „statybiniai mikroblokai“ yra protonai ir elektronai.

Galiausiai, kai protonas ir antiprotonas susitinka, sistema neatsiranda, bet visa jų poilsio energija išsiskiria fotonų pavidalu ().

Mokslininkai teigia, kad yra ir vaiduokliška pagrindinė elementarioji dalelė – gravitonas, kuri vykdo gravitacinę sąveiką, panašią į elektromagnetizmą. Tačiau gravitono buvimas įrodytas tik teoriškai.

Taigi, atsirado pagrindinės elementarios dalelės, kurios dabar atstovauja mūsų Visatai, įskaitant Žemę: protonai, elektronai, neutrinai, fotonai, gravitonai ir daugelis kitų atrastų ir neatrastų mikroobjektų.

719. Elektros krūvio tvermės dėsnis

720. Kūnai su elektros krūviais skirtingas ženklas, …

Jie traukia vienas kitą.

721. Identiški metaliniai rutuliukai, įkrauti priešingais krūviais q 1 = 4q ir q 2 = -8q, buvo sujungti ir nustumti vienas nuo kito iki vienodo atstumo. Kiekvienas kamuoliukas turi krūvį

q 1 = -2q ir q 2 = -2q

723.Lašelis, turintis teigiamą krūvį (+2e), apšviestas prarado vieną elektroną. Lašo krūvis tapo lygus

724. Identiški metaliniai rutuliai, įkrauti krūviais q 1 = 4q, q 2 = - 8q ir q 3 = - 2q, buvo sulieti ir nustumti vienas nuo kito iki vienodo atstumo. Kiekvienas kamuoliukas turės krūvį

q 1 = – 2q, q 2 = – 2q ir q 3 = – 2q

725. Identiški metaliniai rutuliai, įkrauti krūviais q 1 = 5q ir q 2 = 7q, buvo sulieti ir nustumti vienas nuo kito į tą patį atstumą, o po to susilietė antrasis ir trečiasis rutuliai, kurių krūvis q 3 = -2q, ir atitrūko. į tą patį atstumą. Kiekvienas kamuoliukas turės krūvį

q 1 = 6q, q 2 = 2q ir q 3 = 2q

726. Identiški metaliniai rutuliai, įkrauti krūviais q 1 = - 5q ir q 2 = 7q, buvo sulieti ir nustumti vienas nuo kito į tą patį atstumą, o tada susilietė antrasis ir trečiasis rutuliai su krūviu q 3 = 5q ir atitrūko. į tą patį atstumą. Kiekvienas kamuoliukas turės krūvį

q 1 = 1q, q 2 = 3q ir q 3 = 3q

727. Yra keturi vienodi metaliniai rutuliai, kurių krūviai q 1 = 5q, q 2 = 7q, q 3 = -3q ir q 4 = -1q. Pirma, krūviai q 1 ir q 2 (1-oji krūvių sistema) buvo sujungti ir nustumti vienas nuo kito į tą patį atstumą, o po to susiliejo krūviai q 4 ir q 3 (2-oji krūvių sistema). Tada jie paėmė po vieną įkrovą iš 1 ir 2 sistemų, sujungė juos ir perkėlė juos į tą patį atstumą. Šie du rutuliai turės krūvį

728. Yra keturi vienodi metaliniai rutuliai, kurių krūviai q 1 = -1q, q 2 = 5q, q 3 = 3q ir q 4 = -7q. Pirma, krūviai q 1 ir q 2 (1 krūvių sistema) buvo sujungti ir perkelti vienas nuo kito į tą patį atstumą, o tada susiliejo krūviai q 4 ir q 3 (2 krūvių sistema). Tada jie paėmė po vieną įkrovą iš 1 ir 2 sistemų, sujungė juos ir perkėlė juos į tą patį atstumą. Šie du rutuliai turės krūvį

729.Atomas turi teigiamą krūvį

Šerdis.

730. Aplink deguonies atomo branduolį juda aštuoni elektronai. Protonų skaičius deguonies atomo branduolyje yra

731.Elektrono krūvis yra

-1,6 · 10 -19 Cl.

732.Protono elektros krūvis yra

1,6 · 10 -19 Cl.

733.Ličio atomo branduolyje yra 3 protonai. Jei aplink branduolį sukasi 3 elektronai, tai

Atomas yra elektriškai neutralus.

734. Fluoro branduolyje yra 19 dalelių, iš kurių 9 yra protonai. Neutronų skaičius branduolyje ir elektronų skaičius neutraliame fluoro atome

Neutronai ir 9 elektronai.

735.Jei bet kuriame kūne protonų skaičius daugiau numerio elektronai, tada visas kūnas

Teigiamai įkrautas.

736. Lašelis, kurio teigiamas krūvis +3e, apšvitintas neteko 2 elektronų. Lašo krūvis tapo lygus

8·10 -19 Cl.

737. Neigiamas krūvis atome neša

Lukštas.

738.Jei deguonies atomas virsta teigiamas jonas, tada jis

Pametė elektroną.

739.Turi didelę masę

Neigiamas jonas vandenilis.

740.Dėl trinties nuo stiklo strypo paviršiaus pasišalino 5·10 10 elektronų. Elektros krūvis ant pagaliuko

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

8 · 10 -9 Cl.

741.Dėl trinties ebonito strypas gavo 5·10 10 elektronų. Elektros krūvis ant pagaliuko

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

-8·10 -9 Cl.

742.Jėga Kulono sąveika dviejų taškų elektros krūviai, kai atstumas tarp jų sumažėja 2 kartus

Padidės 4 kartus.

743.Dviejų taškinių elektros krūvių Kulono sąveikos jėga, kai atstumas tarp jų sumažėja 4 kartus

Padidės 16 kartų.

744.Du taškiniai elektros krūviai vienas kitą veikia pagal Kulono dėsnį 1N jėga. Jei atstumas tarp jų padidės 2 kartus, tada šių krūvių Kulono sąveikos jėga taps lygi

745.Du taškiniai krūviai vienas kitą veikia 1N jėga. Jei kiekvieno krūvio dydis padidinamas 4 kartus, Kulono sąveikos stiprumas taps lygus

746. Dviejų taškinių krūvių sąveikos jėga lygi 25 N. Jei atstumas tarp jų sumažės 5 kartus, tai šių krūvių sąveikos jėga taps lygi.

747.Dviejų taškinių krūvių Kulono sąveikos jėga, kai atstumas tarp jų padidėja 2 kartus

Sumažės 4 kartus.

748.Dviejų taškinių elektros krūvių Kulono sąveikos jėga, kai atstumas tarp jų padidėja 4 kartus

Sumažės 16 kartų.

749. Kulono dėsnio formulė

.

750. Jei 2 vienodi metaliniai rutuliai, kurių krūviai +q ir +q, susiliečia ir nukeliauja vienas nuo kito iki vienodo atstumo, tai sąveikos jėgos modulis

Tai nepasikeis.

751. Jei 2 vienodi metaliniai rutuliai, kurių krūviai +q ir -q, rutuliai susiliečia ir nustumiami vienas nuo kito iki vienodo atstumo, tai sąveikos jėga

Taps lygus 0.

752.Du užtaisai sąveikauja ore. Jei jie dedami į vandenį (ε = 81), nekeičiant atstumo tarp jų, tada Kulono sąveikos jėga

Sumažės 81 kartą.

753.Sąveikos jėga tarp dviejų 10 nC krūvių, esančių ore 3 cm atstumu vienas nuo kito, lygi

()

754. 1 µC ir 10 nC krūviai ore sąveikauja 9 mN jėga atstumu

()

755. Du elektronai, esantys 3·10 -8 cm atstumu vienas nuo kito, atstumia jėga ( ; e = -1,6 10 -19 C)

2,56·10 -9 N.

756. Atstumui nuo krūvio padidėjus 3 kartus, įtampos modulis elektrinis laukas

Sumažės 9 kartus.

757. Lauko stipris taške yra 300 N/C. Jei krūvis 1·10 -8 C, tai atstumas iki taško

()

758.Jei atstumas nuo taškinis mokestis, sukuriant elektrinį lauką, padidės 5 kartus, tada elektrinio lauko stiprumas

Sumažės 25 kartus.

759.Taškinio krūvio lauko stipris tam tikrame taške yra 4 N/C. Jei atstumas nuo įkrovos padidės dvigubai, įtampa taps lygi

760.Nurodykite elektrinio lauko stiprio formulę bendruoju atveju.

761. Elektrinių laukų superpozicijos principo matematinis žymėjimas

762.Nurodykite taškinio elektros krūvio Q intensyvumo formulę

.

763. Elektrinio lauko stiprio modulis taške, kuriame yra krūvis

1·10 -10 C yra lygus 10 V/m. Krūvį veikianti jėga lygi

1,10 -9 N.

765. Jeigu metalinio rutulio, kurio spindulys 0,2 m, paviršiuje pasiskirsto 4·10 -8 C krūvis, tai krūvio tankis.

2,5·10 -7 C/m2.

766.Vertikaliai nukreiptame tolygiame elektriniame lauke yra dulkių dėmė, kurios masė 1·10 -9 g, o krūvis 3,2·10-17 C. Jei dulkių grūdelio gravitaciją subalansuoja elektrinio lauko stiprumas, tada lauko stiprumas yra lygus

3·10 5 N/Cl.

767. Trijose kvadrato, kurio kraštinė yra 0,4 m, viršūnėse yra vienodi teigiami krūviai po 5·10 -9 C. Raskite įtampą ketvirtoje viršūnėje

() 540 N/Cl.

768. Jei du krūviai yra 5·10 -9 ir 6·10 -9 C, taigi jie atstumia 12·10 -4 N jėga, tai jie yra nutolę

768. Jei taškinio krūvio modulis sumažinamas 2 kartus, o atstumas iki krūvio sumažinamas 4 kartus, tai elektrinio lauko stiprumas tam tikrame taške

Padidės 8 kartus.

Sumažėja.

770. Elektrono krūvio ir potencialo sandauga turi matmenį

Energija.

771.Potencialas taške A elektrinio lauko yra 100V, potencialas taške B yra 200V. Elektrinio lauko jėgų atliktas darbas perkeliant 5 mC krūvį iš taško A į tašką B lygus

-0,5 J.

772. Dalelė, kurios krūvis +q ir masė m, esanti E intensyvumo ir potencialo elektrinio lauko taškuose, turi pagreitį

773. Elektronas juda vienodame elektriniame lauke išilgai įtempimo linijos iš taško su didelis potencialas iki taško, kuriame yra mažiau galimybių. Jo greitis yra

Didėja.

774.Atomas, kurio branduolyje yra vienas protonas, praranda vieną elektroną. Tai sukuria

Vandenilio jonas.

775. Elektrinį lauką vakuume sukuria keturi taškai teigiami krūviai, pastatytas kvadrato su kraštine a viršūnėse. Potencialas aikštės centre yra

776. Jei atstumas nuo taško krūvio sumažėja 3 kartus, tai lauko potencialas

Padidės 3 kartus.

777. Taškiniam elektros krūviui q judant tarp taškų, kurių potencialų skirtumas yra 12 V, atliekamas 3 J darbas

778. Krūvis q pajudėjo iš taško elektrostatinis laukas iki taško, kuriame yra potencialo. Pagal kurią iš šių formulių:

1) 2) ; 3) galite rasti darbo perkraustymo mokestį.

779. Vienodame 2 N/C stiprumo elektriniame lauke 3 C krūvis juda išilgai lauko linijų 0,5 m atstumu Elektrinio lauko jėgų atliktas darbas krūviui perkelti lygus

780. Elektrinį lauką sukuria keturi taškai, skirtingai nuo krūvių, esančių kvadrato, kurio kraštinė a, viršūnėse. Kaip ir kaltinimai priešingos viršūnės. Potencialas aikštės centre yra

781. Galimas skirtumas tarp taškų, esančių tame pačiame elektros linija 6 cm atstumu vienas nuo kito, lygi 60 V. Jei laukas vienodas, tai jo stiprumas lygus

782.Potencialų skirtumo vienetas

1 V = 1 J/1 C.

783. Tegul krūvis juda vienodame lauke, kurio intensyvumas E = 2 V/m, išilgai 0,2 m lauko linijos. Raskite skirtumą tarp šių potencialų.

U = 0,4 V.

784.Pagal Plancko hipotezę, absoliučiai juodas kūnas spinduliuoja energiją

Dalimis.

785. Fotono energija nustatoma pagal formulę

1. E = pс 2. E=hv/c 3. E=h 4. E = mc2. 5. E=hv. 6.E=hc/

1, 4, 5, 6.

786. Jei kvanto energija padvigubėjo, tai spinduliavimo dažnis

padidėjo 2 kartus.

787.Jei ant volframo plokštės paviršiaus krinta fotonai, kurių energija yra 6 eV, tai didžiausia jų išmuštų elektronų kinetinė energija yra 1,5 eV. Minimali fotono energija, kuriai esant galimas fotoelektrinis efektas, volframui yra lygi:

788. Šis teiginys yra teisingas:

1. Fotono greitis didesnis už šviesos greitį.

2. Fotono greitis bet kurioje medžiagoje yra mažesnis už šviesos greitį.

3. Fotono greitis visada lygus šviesos greičiui.

4. Fotono greitis yra didesnis arba lygus šviesos greičiui.

5. Fotono greitis bet kurioje medžiagoje yra mažesnis arba lygus šviesos greičiui.

789.Spinduliavimo fotonai turi didelį impulsą

Mėlyna.

790. Kai įkaitusio kūno temperatūra mažėja, didžiausias spinduliavimo intensyvumas

©2015-2019 svetainė
Visos teisės priklauso jų autoriams. Ši svetainė nepretenduoja į autorystę, tačiau suteikia galimybę nemokamai naudotis.
Puslapio sukūrimo data: 2016-02-13

Šios trys dalelės (taip pat ir kitos, aprašytos toliau) yra tarpusavyje pritraukiamos ir atstumiamos pagal jų savybes mokesčiai, kurių yra tik keturių tipų pamatines jėgas gamta. Krūvius galima išdėstyti mažėjančia atitinkamų jėgų tvarka: spalvinis krūvis (kvarkų sąveikos jėgos); elektros krūvis (elektros ir magnetinės jėgos); silpnas krūvis (stiprumas kai kuriuose radioaktyvūs procesai); galiausiai masė (gravitacinės jėgos arba gravitacinė sąveika). Žodis „spalva“ čia neturi nieko bendra su spalva matoma šviesa; tai tiesiog stipraus krūvio ir didžiausių jėgų charakteristika.

Mokesčiai yra išsaugoti, t.y. mokestis patenka į sistemą lygus įkrovimui, išeinant iš jo. Jei bendras tam tikro skaičiaus dalelių elektrinis krūvis prieš jų sąveiką lygus, tarkime, 342 vienetams, tai po sąveikos, nepriklausomai nuo jos rezultato, jis bus lygus 342 vienetams. Tai taikoma ir kitiems mokesčiams: spalva (mokama stipri sąveika), silpna ir masė (masė). Dalelės skiriasi savo krūviais: iš esmės jie „yra“ šie krūviai. Kaltinimai yra tarsi „pažymėjimas“ apie teisę reaguoti į atitinkamą jėgą. Taigi spalvų jėgos veikia tik spalvotas daleles, o tik elektriškai įkrautas daleles elektros jėgos ir tt Nustatomos dalelės savybės didžiausia jėga, veikia pagal tai. Tik kvarkai yra visų krūvių nešėjai, todėl juos veikia visos jėgos, tarp kurių dominuoja spalva. Elektronai turi visus krūvius, išskyrus spalvą, o jiems dominuojanti jėga yra elektromagnetinė jėga.

Stabiliausi gamtoje, kaip taisyklė, yra neutralūs dalelių deriniai, kuriuose vieno ženklo dalelių krūvis kompensuojamas visu kito ženklo dalelių krūviu. Tai atitinka minimalią visos sistemos energiją. (Tokiu pat būdu du strypiniai magnetai yra išdėstyti linijoje, su Šiaurės ašigalis vienas iš jų skirtas pietų ašigalį kita, kuri atitinka mažiausią magnetinio lauko energiją.) Gravitacija yra šios taisyklės išimtis: neigiama masė neegzistuoja. Nėra kūnų, kurie krenta aukštyn.

MEDŽIAGŲ RŪŠYS

Paprastoji medžiaga susidaro iš elektronų ir kvarkų, sugrupuotų į neutralios spalvos, o vėliau elektrinio krūvio objektus. Spalvos galia neutralizuojama, kaip bus išsamiau aptarta toliau, kai dalelės sujungiamos į tripletus. (Iš čia ir pats terminas „spalva“, paimtas iš optikos: sumaišius tris pagrindines spalvas gaunama balta spalva.) Taigi kvarkai, kurių spalvos stiprumas yra pagrindinis, sudaro tripletus. Bet kvarkai, ir jie skirstomi į u-kvarkai (iš anglų kalbos į viršų – į viršų) ir d-kvarkai (iš anglų kalbos žemyn - apačioje), taip pat turi elektros krūvį, lygų u-kvarkas ir už d- kvarkas. Du u-kvarkas ir vienas d-kvarkai suteikia elektros krūvį +1 ir sudaro protoną, o vieną u-kvarkas ir du d-kvarkai nesuteikia nulinio elektros krūvio ir sudaro neutroną.

Stabilūs protonai ir neutronai, traukiami vienas prie kito juos sudarančių kvarkų sąveikos liekamųjų spalvų jėgų, sudaro spalvoms neutralų atominį branduolį. Tačiau branduoliai turi teigiamą elektros krūvį ir, pritraukdami neigiamus elektronus, kurie skrieja aplink branduolį, kaip planetos, skriejančios aplink Saulę, yra linkę sudaryti neutralų atomą. Jų orbitose esantys elektronai pašalinami iš branduolio atstumais, dešimtis tūkstančių kartų didesniais už branduolio spindulį – tai įrodymas, kad juos laikančios elektrinės jėgos yra daug silpnesnės nei branduolinės. Dėl spalvų sąveikos galios 99,945% atomo masės yra jo branduolyje. Svoris u- Ir d- kvarkuoja maždaug 600 kartų daugiau masės elektronas. Todėl elektronai yra daug lengvesni ir judresni už branduolius. Jų judėjimą materijoje sukelia elektros reiškiniai.

Yra keli šimtai natūralių atomų (įskaitant izotopus) atmainų, kurios skiriasi neutronų ir protonų skaičiumi branduolyje ir atitinkamai elektronų skaičiumi jų orbitose. Paprasčiausias yra vandenilio atomas, susidedantis iš protono pavidalo branduolio ir vieno aplink jį besisukančio elektrono. Visa „matoma“ materija gamtoje susideda iš atomų ir iš dalies „išardytų“ atomų, kurie vadinami jonais. Jonai yra atomai, kurie, praradę (arba įgiję) kelis elektronus, tapo įkrautomis dalelėmis. Medžiaga, kurią beveik vien sudaro jonai, vadinama plazma. Žvaigždės, kurios dega dėl centruose vykstančių termobranduolinių reakcijų, daugiausia susideda iš plazmos, o kadangi žvaigždės yra labiausiai paplitusi materijos forma Visatoje, galime sakyti, kad visa Visata daugiausia susideda iš plazmos. Tiksliau, žvaigždėse vyrauja visiškai jonizuotos vandenilio dujos, t.y. atskirų protonų ir elektronų mišinys, todėl beveik visa matoma Visata susideda iš jo.

tai - matoma medžiaga. Tačiau Visatoje yra ir nematomos materijos. Ir yra dalelių, kurios veikia kaip jėgos nešėjai. Yra antidalelių ir kai kurių dalelių sužadintos būsenos. Visa tai lemia akivaizdžiai per didelę „elementariųjų“ dalelių gausą. Šioje gausybėje galima rasti požymį apie tikrąją elementariųjų dalelių prigimtį ir tarp jų veikiančias jėgas. Remiantis naujausiomis teorijomis, dalelės iš esmės gali būti išplėsti geometriniai objektai - „stygos“ dešimties matmenų erdvėje.

Nematomas pasaulis.

Visatoje yra ne tik matoma materija (bet ir juodosios skylės bei tamsioji medžiaga“, pavyzdžiui, šaltos planetos, kurios tampa matomos apšviestos). Taip pat yra tikrai nematoma materija, kuri kiekvieną sekundę persmelkia mus visus ir visą Visatą. Tai greitai judančios vieno tipo dalelių – elektroninių neutrinų – dujos.

Elektroninis neutrinas yra elektrono partneris, tačiau neturi elektros krūvio. Neutrinai turi tik vadinamąjį silpną krūvį. Tikėtina, kad jų ramybės masė yra lygi nuliui. Bet jie sąveikauja su gravitaciniu lauku, nes turi kinetinė energija E, kuris atitinka efektyvi masė m, pagal Einšteino formulę E = mc 2 kur c– šviesos greitis.

Pagrindinis neutrino vaidmuo yra tai, kad jis prisideda prie transformacijos Ir- kvarkuoja d-kvarkai, dėl kurių protonas virsta neutronu. Neutrinai veikia kaip „karbiuratoriaus adata“ žvaigždžių sintezės reakcijoms, kurių metu keturi protonai (vandenilio branduoliai) susijungia ir sudaro helio branduolį. Tačiau kadangi helio branduolys susideda ne iš keturių protonų, o iš dviejų protonų ir dviejų neutronų, branduolių sintezė reikia dviejų Ir-kvarkai virto dviem d- kvarkas. Transformacijos intensyvumas lemia, kaip greitai žvaigždės degs. O transformacijos procesą lemia silpni krūviai ir silpnos dalelių sąveikos jėgos. Tuo pačiu metu Ir-kvarkas (elektros krūvis +2/3, silpnas krūvis +1/2), sąveikaujantis su elektronu (elektros krūvis - 1, silpnas krūvis -1/2), susidaro d-kvarkas (elektros krūvis –1/3, silpnas krūvis –1/2) ir elektronų neutrinas (elektros krūvis 0, silpnas krūvis +1/2). Dviejų kvarkų spalvų krūviai (arba tik spalvos) išnyksta šiame procese be neutrino. Neutrino vaidmuo yra nunešti nekompensuotą silpną krūvį. Todėl transformacijos greitis priklauso nuo to, kiek silpnos yra silpnosios jėgos. Jei jie būtų silpnesni, nei yra, žvaigždės visai nedegtų. Jei jie būtų stipresni, žvaigždės jau seniai būtų išdegusios.

O neutrinai? Kadangi šios dalelės itin silpnai sąveikauja su kita medžiaga, jos beveik iš karto palieka žvaigždes, kuriose gimė. Visos žvaigždės šviečia, skleidžia neutrinus, o neutrinai šviečia per mūsų kūnus ir visą Žemę dieną ir naktį. Taigi jie klajoja po Visatą, kol galbūt patenka į naują STAR sąveiką).

Sąveikos nešėjai.

Kas sukelia jėgas, veikiančias tarp dalelių per atstumą? Šiuolaikinė fizika atsakymai: dėl kitų dalelių mainų. Įsivaizduokite, kad du greitieji čiuožėjai mėto kamuolį. Suteikdami rutuliui impulsą metant ir gaudami impulsą su gautu kamuoliu, abu sulaukia stūmimo viena nuo kitos nukreipta kryptimi. Tai gali paaiškinti atstumiančių jėgų atsiradimą. Tačiau kvantinėje mechanikoje, nagrinėjančioje reiškinius mikropasaulyje, leidžiamas neįprastas įvykių tempimas ir delokalizacija, o tai veda prie iš pažiūros neįmanomo: vienas iš čiuožėjų meta kamuolį į tą pusę. iš kitoks, bet vis tiek tas Galbūt pagauti šį kamuolį. Nesunku įsivaizduoti, kad jei tai būtų įmanoma (o elementariųjų dalelių pasaulyje tai įmanoma), tarp čiuožėjų atsirastų trauka.

Dalelės, dėl kurių keitimosi sąveikos jėgos tarp keturių aukščiau aptartų „medžiagos dalelių“, vadinamos matuoklinėmis dalelėmis. Kiekviena iš keturių sąveikų – stiprioji, elektromagnetinė, silpnoji ir gravitacinė – turi savo matuojamųjų dalelių rinkinį. Stiprios sąveikos dalelės nešančiosios yra gliuonai (jų yra tik aštuoni). Fotonas – nešiklis elektromagnetinė sąveika(yra tik vienas, o fotonus suvokiame kaip šviesą). Silpnosios sąveikos nešiklio dalelės yra tarpinės vektoriniai bozonai(atidarytas 1983 ir 1984 m W + -, W- -bozonai ir neutralūs Z- bozonas). Gravitacinės sąveikos nešančioji dalelė yra vis dar hipotetinis gravitonas (turi būti tik vienas). Visos šios dalelės, išskyrus fotoną ir gravitoną, kurie gali bėgti be galo dideli atstumai, egzistuoja tik medžiagų dalelių mainų procese. Fotonai užpildo Visatą šviesa, o gravitonai užpildo gravitacines bangas(dar patikimai neatrasta).

Sakoma, kad dalelė, galinti skleisti matuojamas daleles, yra apsupta atitinkamo jėgų lauko. Taigi elektronai, galintys skleisti fotonus, yra apsupti elektrinių ir magnetinių laukų, taip pat silpnų ir gravitaciniai laukai. Kvarkus taip pat supa visi šie laukai, bet ir stiprus sąveikos laukas. Dalelės, turinčios spalvos krūvį spalvos jėgų lauke, yra veikiamos spalvos jėgos. Tas pats pasakytina ir apie kitas gamtos jėgas. Todėl galime sakyti, kad pasaulį sudaro materija (medžiagos dalelės) ir laukas (materialinės dalelės). Daugiau apie tai žemiau.

Antimedžiaga.

Kiekviena dalelė turi antidalelę, su kuria dalelė gali abipusiai anihiliuotis, t.y. „sunaikinti“, todėl išsiskiria energija. Tačiau „gryna“ energija pati savaime neegzistuoja; Dėl sunaikinimo atsiranda naujų dalelių (pavyzdžiui, fotonų), kurios šią energiją neša.

Daugeliu atvejų antidalelė turi savybių, priešingų atitinkamai dalelei: jei dalelė, veikiama stiprių, silpnų ar elektromagnetinių laukų, juda į kairę, tada jos antidalelė judės į dešinę. Trumpai tariant, antidalelė turi priešingus visų krūvių požymius (išskyrus masės krūvį). Jei dalelė yra sudėtinė, pavyzdžiui, neutronas, tada jos antidalelė susideda iš komponentų su priešingi ženklai mokesčiai. Taigi antielektrono elektrinis krūvis yra +1, silpnas +1/2 ir vadinamas pozitronu. Antineutroną sudaro Ir-antikvarkai su elektros krūviu –2/3 ir d-antikvarkai su elektros krūviu +1/3. Tikros neutralios dalelės yra jų pačių antidalelės: fotono antidalelė yra fotonas.

Pagal šiuolaikines teorines koncepcijas, kiekviena gamtoje egzistuojanti dalelė turėtų turėti savo antidalelę. Ir daug antidalelių, įskaitant pozitronus ir antineutronus, iš tiesų buvo gauta laboratorijoje. To pasekmės yra labai svarbios ir visa tai lemia eksperimentinė fizika elementariosios dalelės. Remiantis reliatyvumo teorija, masė ir energija yra lygiavertės ir tam tikromis sąlygomis energija gali būti paversta mase. Kadangi įkrova išsaugoma, o vakuuminis krūvis ( tuščia vieta) yra lygus nuliui, bet kokios dalelių ir antidalelių poros (kurių bendras krūvis nulinis) gali atsirasti iš vakuumo, kaip triušiai iš mago kepurės, jei tik energijos pakanka jų masei sukurti.

Dalelių kartos.

Eksperimentai su greitintuvais parodė, kad medžiagos dalelių kvartetas (kvartetas) kartojasi mažiausiai du kartus daugiau didelės vertės masės. Antroje kartoje elektrono vietą užima miuonas (kurio masė maždaug 200 kartų didesnė už elektrono masę, bet su tomis pačiomis visų kitų krūvių reikšmėmis), elektrono neutrino vieta yra paimtas miuono (kuris lydi miuoną silpnoje sąveikoje taip pat, kaip elektroną lydi elektroninis neutrinas), vieta Ir- kvarkas užima Su- kvarkas ( sužavėtas), A d-kvarkas - s- kvarkas ( keista). Trečiosios kartos kvartetą sudaro tau leptonas, tau neutrinas, t- kvarkas ir b- kvarkas.

Svoris t- kvarkas yra apie 500 kartų didesnis už lengviausio masę d- kvarkas. Eksperimentiškai nustatyta, kad yra tik trijų tipų šviesieji neutrinai. Taigi ketvirtos kartos dalelės arba visai neegzistuoja, arba atitinkami neutrinai yra labai sunkūs. Tai atitinka kosmologinius duomenis, pagal kuriuos gali egzistuoti ne daugiau kaip keturi šviesių neutrinų tipai.

Eksperimentuose su dalelėmis didelės energijos elektronas, miuonas, tau leptonas ir atitinkami neutrinai veikia kaip izoliuotos dalelės. Jie neturi spalvoto krūvio ir sąveikauja tik su silpna ir elektromagnetine. Bendrai jie vadinami leptonai.

Kvarkai, veikiami spalvų jėgų, susijungia į stipriai sąveikaujančias daleles, kurios dominuoja daugumoje didelės energijos fizikos eksperimentų. Tokios dalelės vadinamos hadronai. Jie apima du poklasius: barionai(pvz., protonas ir neutronas), sudaryti iš trijų kvarkų ir mezonai, susidedantis iš kvarko ir antikvarko. 1947 metais kosminiai spinduliai buvo atrastas pirmasis mezonas, vadinamas pionu (arba pi-mezonu), ir kurį laiką buvo manoma, kad šių dalelių mainai - pagrindinė priežastis branduolines pajėgas. Omega-minus hadronai, atrasti 1964 m. Brookhaven nacionalinėje laboratorijoje (JAV), ir JPS dalelė ( J/y-mezonas), aptiktas vienu metu Brukhavene ir Stanfordo linijinio greitintuvo centre (taip pat JAV) 1974 m. Omega minus dalelės egzistavimą numatė M. Gell-Mann savo vadinamajame „ S.U. 3 teorija“ (kitas pavadinimas – „aštuonių kartų kelias“), kurioje pirmą kartą buvo pasiūlyta kvarkų egzistavimo galimybė (ir šis pavadinimas jiems buvo suteiktas). Po dešimtmečio – dalelės atradimas J/y patvirtino egzistavimą Su-kvarkas ir galiausiai privertė visus patikėti tiek kvarko modeliu, tiek teorija, kuri sujungė elektromagnetines ir silpnąsias jėgas ( žr. žemiau).

Antrosios ir trečiosios kartos dalelės yra ne mažiau tikros nei pirmosios. Tiesa, atsiradę, per milijonąsias ar milijardines sekundės dalis suyra į įprastas pirmosios kartos daleles: elektroną, elektronų neutriną ir taip pat. Ir- Ir d-kvarkai. Klausimas, kodėl gamtoje egzistuoja kelios dalelių kartos, vis dar lieka paslaptimi.

APIE skirtingos kartos Apie kvarkus ir leptonus dažnai kalbama (tai, žinoma, šiek tiek ekscentriškai), kaip apie skirtingus dalelių „skonius“. Būtinybė juos paaiškinti vadinamas „skonio“ problema.

BOSONAI IR FERMIONAI, LAUKAS IR MEDŽIAGA

Vienas iš esminių dalelių skirtumų yra skirtumas tarp bozonų ir fermionų. Visos dalelės skirstomos į šias dvi pagrindines klases. Identiški bozonai gali persidengti arba persidengti, bet identiški fermionai negali. Superpozicija atsiranda (arba nevyksta) diskretiškai energetinės būsenos, į kurią kvantinė mechanika skirsto gamtą. Šios būsenos yra kaip atskiros ląstelės, į kurią galima įdėti daleles. Taigi, į vieną ląstelę galite įdėti tiek identiškų bozonų, kiek norite, bet tik vieną fermioną.

Kaip pavyzdį apsvarstykite tokias ląsteles arba „būsenas“, skirtas elektronui, skriejančiam aplink atomo branduolį. Skirtingai nuo planetų saulės sistema, elektronas, pagal kvantinės mechanikos dėsnius, negali cirkuliuoti jokia elipsine orbita, nes yra tik atskiros serijos leistinos „judesio būsenos“. Tokių būsenų aibės, sugrupuotos pagal atstumą nuo elektrono iki branduolio, vadinamos orbitalės. Pirmoje orbitoje yra dvi būsenos su skirtingu kampiniu impulsu, taigi ir dvi leidžiamos ląstelės, o aukštesnėse orbitalėse yra aštuonios ar daugiau ląstelių.

Kadangi elektronas yra fermionas, kiekvienoje ląstelėje gali būti tik vienas elektronas. Tai veda prie labai svarbias pasekmes– visa chemija, nes chemines medžiagų savybes lemia atitinkamų atomų sąveika. Jei eisi kartu periodinė lentelė elementų iš vieno atomo į kitą tokia tvarka, kad protonų skaičius branduolyje padidėtų vienu (atitinkamai padidės ir elektronų skaičius), tada pirmieji du elektronai užims pirmąją orbitą, kiti aštuoni bus išdėstyti antra ir kt. Šiuo nuosekliu pasikeitimu elektroninė struktūra atomus nuo elemento iki elemento ir nustatyti jų modelius cheminės savybės.

Jei elektronai būtų bozonai, tai visi atomo elektronai galėtų užimti tą pačią orbitą, atitinkančią minimalią energiją. Tokiu atveju visos materijos savybės Visatoje būtų visiškai skirtingos, o Visata tokia forma, kokią mes žinome, būtų neįmanoma.

Visi leptonai – elektronas, miuonas, tau leptonas ir juos atitinkantys neutrinai – yra fermionai. Tą patį galima pasakyti ir apie kvarkus. Taigi visos dalelės, sudarančios „materiją“, pagrindinį Visatos užpildą, taip pat nematomi neutrinai yra fermionai. Tai gana reikšminga: fermionai negali derintis, todėl tas pats pasakytina ir apie materialaus pasaulio objektus.

Tuo pačiu metu visos „matūros dalelės“, kuriomis keičiasi sąveikaujančios medžiagos dalelės ir kurios sukuria jėgų lauką ( žr. aukščiau), yra bozonai, o tai taip pat labai svarbu. Taigi, pavyzdžiui, daugelis fotonų gali būti toje pačioje būsenoje, sudarydami magnetinį lauką aplink magnetą arba elektrinį lauką aplink elektros krūvį. Dėl to galimas ir lazeris.

Sukite.

Skirtumas tarp bozonų ir fermionų yra susijęs su kita elementariųjų dalelių savybe - suktis. Keista, bet visos pagrindinės dalelės turi savo kampinį impulsą arba, paprasčiau tariant, sukasi aplink savo ašį. Impulso kampas yra sukimosi judėjimo charakteristika, kaip ir visas transliacinio judėjimo impulsas. Bet kokios sąveikos metu išsaugomas kampinis momentas ir impulsas.

Mikrokosme kampinis impulsas yra kvantuojamas, t.y. priima diskrečiųjų vertybių. Tinkamais matavimo vienetais leptonų ir kvarkų sukimasis yra 1/2, o matuoklio dalelės – 1 (išskyrus gravitoną, kuris eksperimentiškai dar nebuvo pastebėtas, bet teoriškai turėtų turėti 2). Kadangi leptonai ir kvarkai yra fermionai, o matuoklio dalelės yra bozonai, galime daryti prielaidą, kad „fermioniškumas“ yra susijęs su sukiniu 1/2, o „bozoniškumas“ – su 1 (arba 2) sukimu. Iš tiesų, ir eksperimentas, ir teorija patvirtina, kad jei dalelė turi pusės sveikojo skaičiaus sukimąsi, tada ji yra fermionas, o jei ji turi sveikąjį skaičių, tai yra bozonas.

MATUOKLIŲ TEORIJOS IR GEOMETRIJOS

Visais atvejais jėgos atsiranda dėl bozonų mainų tarp fermionų. Taigi dviejų kvarkų (kvarkų – fermionų) sąveikos spalvinė jėga atsiranda dėl gliuonų mainų. Panašūs mainai nuolat vyksta protonuose, neutronuose ir atomų branduoliai. Panašiai fotonai, kuriais keičiasi elektronai ir kvarkai, sukuria elektrines patrauklias jėgas, kurios laiko elektronus atome, o tarpiniai vektoriniai bozonai, kuriais keičiasi leptonai ir kvarkai, sukuria silpnas sąveikos jėgas, atsakingas už protonų pavertimą neutronais. termobranduolinės reakcijosžvaigždėse.

Šių mainų teorija yra elegantiška, paprasta ir tikriausiai teisinga. Tai vadinama matuoklio teorija. Tačiau šiuo metu yra tik nepriklausomos stipriosios, silpnosios ir elektromagnetinės sąveikos matuoklio teorijos ir panaši, nors ir šiek tiek kitokia, gravitacijos matavimo teorija. Vienas iš svarbiausių fizinių problemų yra atnešti šiuos atskiros teorijosį vieną ir tuo pačiu metu paprasta teorija, kuriame jie visi taptų skirtingus aspektus viena tikrovė – kaip krištolo briaunos.

Paprasčiausia ir seniausia matuoklių teorija yra elektromagnetinės sąveikos matuoklio teorija. Jame elektrono krūvis lyginamas (kalibruojamas) su kito nuo jo nutolusio elektrono krūviu. Kaip galite palyginti mokesčius? Pavyzdžiui, galite priartinti antrąjį elektroną prie pirmojo ir palyginti jų sąveikos jėgas. Tačiau ar nepasikeičia elektrono krūvis, kai jis juda į kitą erdvės tašką? Vienintelis būdas patikrina – siunčia signalą iš artimo elektrono į tolimą ir pažiūri, kaip jis reaguoja. Signalas yra matuoklio dalelė – fotonas. Kad būtų galima išbandyti tolimų dalelių krūvį, reikalingas fotonas.

Matematiškai ši teorija itin tiksli ir graži. Viskas išplaukia iš aukščiau aprašyto „kalibravimo principo“. kvantinė elektrodinamika (kvantinė teorija elektromagnetizmas), taip pat teorija elektromagnetinis laukas Maxwellas yra vienas didžiausių mokslo pasiekimai XIX a

Kodėl toks paprastas principas toks vaisingas? Matyt, tai išreiškia kažkokią koreliaciją skirtingos dalys Visata, leidžianti atlikti matavimus Visatoje. IN matematiškai laukas geometriškai interpretuojamas kaip kokios nors įsivaizduojamos „vidinės“ erdvės kreivumas. Krūvio matavimas yra viso „vidinio kreivumo“ aplink dalelę matavimas. Matuoklio teorijos stipriųjų ir silpnos sąveikos skiriasi nuo elektromagnetinio matuoklio teorija tik atitinkamo krūvio vidine geometrine „struktūra“. Paklausus, kur tiksliai tai yra vidaus erdvė, bando atsakyti daugiamačiai vieningos teorijos laukai, kurie čia neapimami.

Dalelių fizika dar nėra baigta. Vis dar toli gražu neaišku, ar turimų duomenų pakanka pilnai suprasti dalelių ir jėgų prigimtį, taip pat tikroji prigimtis ir erdvės bei laiko matmenys. Ar tam reikia eksperimentų su 10 15 GeV energijomis, ar pakaks minties pastangų? Atsakymo dar nėra. Tačiau galime drąsiai teigti, kad galutinis vaizdas bus paprastas, elegantiškas ir gražus. Gali būti, kad nebus tiek daug esminių idėjų: matuoklio principo, didesnių matmenų erdvės, griūties ir išsiplėtimo, o svarbiausia – geometrijos.