Yüksüz bir parçacık olabilir mi? Elektrik yükü ve temel parçacıklar

Evrende her beden kendi zaman ve temel ortamında yaşar. temel parçacıklar Ayrıca. Temel parçacıkların çoğunun ömrü oldukça kısadır.

Bazıları doğduktan hemen sonra parçalanırlar, bu yüzden onlara kararsız parçacıklar diyoruz.

Bitirdiler kısa zaman kararlı olanlara bozunur: protonlar, elektronlar, nötrinolar, fotonlar, gravitonlar ve bunların antipartikülleri.

Yakınımızdaki uzaydaki en önemli mikro nesneler - protonlar ve elektronlar. Evrenin uzak kısımlarından bazıları antimaddeden oluşabilir; buradaki en önemli parçacıklar antiproton ve antielektron (pozitron) olacaktır.

Toplamda birkaç yüz temel parçacık keşfedildi: proton (p), nötron (n), elektron (e -), ayrıca foton (g), pi-mezonlar (p), müonlar (m), nötrinolar üç tip(elektronik v e, müonik v m, leptonlu v t) vb. Açıkçası daha fazla yeni mikropartikül getirecekler.

Parçacık görünümü:

Protonlar ve elektronlar

Proton ve elektronların ortaya çıkışı zamana kadar uzanır ve yaşları yaklaşık on milyar yıldır.

Yapıda önemli rol oynayan diğer bir mikro nesne türü uzaya yakın- nötronların olması ortak ad bir protonla: nükleonlar. Nötronların kendileri kararsızdır; üretilmelerinden yaklaşık on dakika sonra bozunurlar. Yalnızca atom çekirdeğinde kararlı olabilirler. Atom çekirdeklerinin protonlardan doğduğu yıldızların derinliklerinde sürekli olarak çok sayıda nötron ortaya çıkar.

Nötrino

Evrende ayrıca elektrona benzeyen, ancak yüksüz ve yüklü nötrinoların sürekli bir doğumu vardır. hafif. 1936'da bir tür nötrino keşfedildi: süper kütleli yıldızların derinliklerinde ve birçok kararsız mikro nesnenin bozunması sırasında protonların nötronlara dönüşümü sırasında ortaya çıkan müon nötrinoları. Çarpışma sonucu doğarlar kozmik ışınlar yıldızlararası uzayda.

Büyük Patlama meydana geldi büyük miktar nötrinolar ve müon nötrinoları. Uzaydaki sayıları sürekli artıyor çünkü neredeyse hiçbir madde tarafından absorbe edilmiyorlar.

Fotonlar

Fotonlar gibi nötrinolar ve müon nötrinoları da her şeyi dolduruyor uzay. Bu olguya “nötrino denizi” adı veriliyor.
O zamandan beri büyük patlama kalıntı ya da fosil dediğimiz çok sayıda foton kalıyor. Uzayın tamamı bunlarla doludur ve Evren genişledikçe frekansları ve dolayısıyla enerjileri sürekli olarak azalır.

Şu anda her şey kozmik cisimler başta yıldızlar ve bulutsular olmak üzere Evrenin foton kısmının oluşumuna katılır. Fotonlar yıldızların yüzeyinde elektronların enerjisinden doğar.

Parçacık bağlantısı

Evrenin oluşumunun ilk aşamasında tüm ana temel parçacıklar serbestti. O zaman atom çekirdeği, gezegen, yıldız yoktu.

Atomlar ve onlardan gezegenler, yıldızlar ve tüm maddeler daha sonra, 300.000 yıl geçtikten sonra ve genişleme sırasında sıcak madde yeterince soğuduğunda oluştu.

Yalnızca nötrino, müon nötrinosu ve foton hiçbir sisteme dahil edilmedi: karşılıklı çekimçok zayıf. Serbest parçacıklar olarak kaldılar.

Daha fazlası başlangıç ​​aşaması Evrenin oluşumu (doğumundan 300.000 yıl sonra) serbest protonlar ve elektronlar birleşerek hidrojen atomlarını (bir proton ve bir elektron elektrik kuvvetiyle birbirine bağlanmıştır) oluşturur.

Evrenin “mikrobloklarını oluşturan” yapıların protonlar ve elektronlar olduğu biliniyor.

Son olarak, bir proton ve bir antiproton karşılaştığında herhangi bir sistem ortaya çıkmaz, ancak geri kalan enerjilerinin tamamı fotonlar () şeklinde salınır.

Bilim insanları, elektromanyetizmaya benzer bir çekimsel etkileşim taşıyan hayaletimsi temel bir temel parçacığın, gravitonun da bulunduğunu iddia ediyor. Ancak gravitonun varlığı yalnızca teorik olarak kanıtlanmıştır.

Böylece, temel temel parçacıklar ortaya çıktı ve şimdi Dünya dahil Evrenimizi temsil ediyor: protonlar, elektronlar, nötrinolar, fotonlar, gravitonlar ve daha birçok keşfedilmiş ve keşfedilmemiş mikro nesneler.

Mikro dünyanın derinliklerine daha fazla nüfuz etmek, atom seviyesinden temel parçacık seviyesine geçişle ilişkilidir. İlk temel parçacık olarak XIX sonu V. elektron keşfedildi ve ardından 20. yüzyılın ilk on yıllarında. – foton, proton, pozitron ve nötron.

İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra, modern deneysel teknolojinin ve her şeyden önce, yüksek enerji ve muazzam hız koşullarının yaratıldığı güçlü hızlandırıcıların kullanımı sayesinde, 300'ün üzerinde çok sayıda temel parçacığın varlığı tespit edildi. Bunların arasında Rezonanslar, kuarklar ve sanal parçacıklar dahil olmak üzere hem deneysel olarak keşfedilen hem de teorik olarak hesaplananlar vardır.

Terim temel parçacık başlangıçta herhangi bir maddi oluşumun altında yatan en basit, daha fazla ayrışmaz parçacıklar anlamına geliyordu. Daha sonra fizikçiler, mikro nesnelerle ilgili olarak "temel" teriminin tüm geleneğini fark ettiler. Artık parçacıkların şu ya da bu yapıya sahip olduğuna şüphe yok, ancak yine de tarihsel olarak belirlenmiş isim varlığını sürdürüyor.

Temel parçacıkların temel özellikleri kütle, yük, ortalama ömür, spin ve kuantum sayıları.

Dinlenme kütlesi Temel parçacıklar, elektronun geri kalan kütlesine göre belirlenir. Durgun kütlesi olmayan temel parçacıklar vardır - fotonlar. Bu kritere göre kalan parçacıklar bölünür leptonlar– hafif parçacıklar (elektron ve nötrino); mezonlar– kütlesi bir ila bin elektron kütlesi arasında değişen orta parçacıklar; baryonlar Kütlesi bin elektron kütlesini aşan ve protonları, nötronları, hiperonları ve birçok rezonansı içeren ağır parçacıklar.

Elektrik yükü temel parçacıkların bir diğer önemli özelliğidir. Bilinen tüm parçacıkların pozitif, negatif veya sıfır yükü vardır. Foton ve iki mezon dışındaki her parçacık, zıt yüklü antiparçacıklara karşılık gelir. 1963–1964 civarında varlığına dair bir hipotez ortaya atıldı kuarklar– kesirli elektrik yüküne sahip parçacıklar. Bu hipotez henüz deneysel olarak doğrulanmamıştır.

Ömür boyu parçacıklar ikiye ayrılır stabil Ve dengesiz . Beş kararlı parçacık vardır: foton, iki tür nötrino, elektron ve proton. Oynayan kararlı parçacıklardır hayati rol makro cisimlerin yapısında. Diğer tüm parçacıklar kararsızdır, yaklaşık 10-10-10-24 saniye boyunca var olurlar ve sonrasında bozunurlar. Ortalama ömrü 10–23–10–22 saniye olan temel parçacıklara denir. rezonanslar. Ömürleri kısa olduğundan atomdan veya atom çekirdeğinden ayrılmadan bozunurlar. Rezonans durumları teorik olarak hesaplandı; gerçek deneylerde tespit edilemedi.

Yük, kütle ve ömrün yanı sıra, temel parçacıklar klasik fizikte benzeri olmayan kavramlarla da tanımlanır: kavram geri . Spin, bir parçacığın hareketi ile ilişkili olmayan içsel açısal momentumudur. Spin şu şekilde karakterize edilir: spin kuantum sayısı S tamsayı (±1) veya yarım tamsayı (±1/2) değerlerini alabilmektedir. Tamsayı spinli parçacıklar – bozonlar, yarım tamsayı ile – fermiyonlar. Elektronlar fermiyonlar olarak sınıflandırılır. Pauli ilkesine göre bir atomun aynı kuantum sayılarına sahip birden fazla elektronu olamaz. N,M,ben,S. Aynı n sayısına sahip dalga fonksiyonlarına karşılık gelen elektronlar enerji açısından birbirine çok yakındır ve atomda bir elektron kabuğu oluşturur. Yukarıda belirtildiği gibi l sayısındaki farklılıklar “alt kabuğu” belirler, geri kalan kuantum sayıları onun dolgusunu belirler.

Temel parçacıkların özelliklerinde başka bir önemli fikir daha var etkileşimler. Daha önce belirtildiği gibi, temel parçacıklar arasında dört tür etkileşim bilinmektedir: yerçekimi,zayıf,elektromanyetik Ve güçlü(nükleer).

Durağan kütleye sahip tüm parçacıklar ( M 0), yerçekimi etkileşimine katılır ve yüklü olanlar da elektromanyetik etkileşime katılır. Leptonlar ayrıca zayıf etkileşimlere de katılırlar. Hadronlar dört temel etkileşimin hepsine katılırlar.

Buna göre kuantum teorisi alanlarda tüm etkileşimler değişim yoluyla gerçekleştirilir. sanal parçacıklar yani varlıkları ancak dolaylı olarak, bazı ikincil etkiler yoluyla ortaya çıkmaları yoluyla değerlendirilebilen parçacıklar ( gerçek parçacıklar enstrümanlar kullanılarak doğrudan kaydedilebilir).

Bilinen dört etkileşim tipinin (yerçekimi, elektromanyetik, güçlü ve zayıf) hepsinin ayar doğasına sahip olduğu ve ayar simetrileri ile tanımlandığı ortaya çıktı. Yani, tüm etkileşimler sanki "aynı boşluktan" yapılıyor. Bu bize "bilinen tüm kilitlerin tek anahtarını" bulmanın ve Evrenin tek bir süpersimetrik süper alan tarafından temsil edilen bir durumdan, etkileşim türleri arasındaki farklılıkların, tüm etkileşim türleri arasındaki farklılıkların olduğu bir durumdan evrimini tanımlamanın mümkün olacağı umudunu veriyor. Madde parçacıkları ve alan kuantası türleri henüz tezahür etmedi.

Temel parçacıkları sınıflandırmanın çok sayıda yolu vardır. Örneğin, parçacıklar fermiyonlara (Fermi parçacıkları) - madde parçacıklarına ve bozonlara (Bose parçacıkları) - alan kuantasına bölünür.

Başka bir yaklaşıma göre parçacıklar 4 sınıfa ayrılır: fotonlar, leptonlar, mezonlar, baryonlar.

Fotonlar (elektromanyetik alan kuantumu) elektromanyetik etkileşimlere katılır, ancak güçlü, zayıf veya yerçekimsel etkileşimlere sahip değildir.

Leptonlar isimlerini nereden aldılar Yunanca kelime benEptos- kolay. Bunlar güçlü bir etkileşime sahip olmayan parçacıkları içerir: müonlar (μ – , μ +), elektronlar (e – , e +), elektron nötrinoları (v e – , v e +) ve müon nötrinoları (v – m, v + m) . Tüm leptonların spini ½'dir ve bu nedenle fermiyondurlar. Tüm leptonların zayıf bir etkileşimi vardır. Elektrik yüküne sahip olanlar (yani müonlar ve elektronlar) aynı zamanda elektromanyetik kuvvete de sahiptirler.

Mezonlar – baryon yükü olarak adlandırılan yükü taşımayan, güçlü etkileşime giren kararsız parçacıklar. Bunların arasında R-mezonlar veya pionlar (π + , π – , π 0), İLE-mezonlar veya kaonlar (K +, K –, K 0) ve Bu-mezonlar (η) . Ağırlık İLE-mezonlar ~970me'dir (yüklü için 494 MeV ve nötr için 498 MeV) İLE-mezonlar). Yaşam süresi İLE-mezonların büyüklüğü 10 –8 s mertebesindedir. Oluşmak üzere parçalanırlar BEN-mezonlar ve leptonlar veya sadece leptonlar. Ağırlık Bu-mezonlar 549 MeV'dir (1074me), ömrü yaklaşık 10–19 saniyedir. Bu-mezonlar bozunarak π-mezonları ve γ-fotonları oluşturur. Leptonlardan farklı olarak, mezonlar yalnızca zayıf (ve yüklüyse elektromanyetik) bir etkileşime değil, aynı zamanda birbirleriyle etkileşime girdiklerinde ve ayrıca mezonlar ve baryonlar arasındaki etkileşim sırasında kendini gösteren güçlü bir etkileşime sahiptir. Tüm mezonların spini sıfırdır, dolayısıyla bozonlardır.

Sınıf baryonlar nükleonları (p,n) ve nükleonların kütlesinden daha büyük bir kütleye sahip kararsız parçacıkları birleştirir, buna hiperon denir. Tüm baryonların güçlü bir etkileşimi vardır ve bu nedenle atom çekirdeğiyle aktif olarak etkileşime girer. Tüm baryonların spini ½ olduğundan baryonlar fermiyondur. Proton dışındaki tüm baryonlar kararsızdır. Baryonların bozunması sırasında diğer parçacıklarla birlikte mutlaka bir baryon oluşur. Bu model tezahürlerden biridir. baryon yükünün korunumu kanunu.

Yukarıda listelenen parçacıklara ek olarak şunları bulduk: büyük sayı kuvvetle etkileşen kısa ömürlü parçacıklara denir. rezonanslar . Bu parçacıklar iki veya daha fazla temel parçacık tarafından oluşturulan rezonans durumlarıdır. Rezonans ömrü sadece ~ 10 –23 –10 –22 sn.

Temel parçacıkların yanı sıra karmaşık mikropartiküller de madde içerisinden geçerken bıraktıkları izler sayesinde gözlenebilmektedir. İzlerin doğası, parçacığın yükünün, enerjisinin, momentumunun vb. işaretinin değerlendirilmesine olanak tanır. Yüklü parçacıklar, yolları boyunca moleküllerin iyonlaşmasına neden olur. Nötr parçacıklar iz bırakmazlar ancak yüklü parçacıklara bozunma anında veya herhangi bir çekirdekle çarpışma anında kendilerini açığa çıkarabilirler. Sonuç olarak, nötr parçacıklar sonuçta ürettikleri yüklü parçacıkların neden olduğu iyonizasyonla da tespit edilir.

Parçacıklar ve antipartiküller. 1928'de İngiliz fizikçi P. Dirac, elektron için göreli bir kuantum mekaniksel denklem bulmayı başardı ve bundan çok sayıda dikkate değer sonuç çıktı. Her şeyden önce, bu denklemden, herhangi bir ek varsayım olmaksızın doğal bir şekilde spin ve sayısal değer elektronun kendi manyetik momenti. Böylece spinin hem kuantum hem de göreli bir nicelik olduğu ortaya çıktı. Ancak bu Dirac denkleminin önemini ortadan kaldırmaz. Ayrıca elektronun antipartikülünün varlığının tahmin edilmesini de mümkün kıldı. pozitron. Dirac denkleminden serbest bir elektronun toplam enerjisi için sadece pozitif değil aynı zamanda negatif değerler de elde edilir. Denklem çalışmaları, belirli bir parçacık momentumu için enerjilere karşılık gelen denklemin çözümlerinin bulunduğunu göstermektedir: .

En büyükler arasında negatif enerji (–M e İle 2) ve en az pozitif enerji (+ M e C 2) Gerçekleştirilemeyen bir enerji değerleri aralığı vardır. Bu aralığın genişliği 2 M e İle 2. Sonuç olarak, iki enerji özdeğeri bölgesi elde edilir: biri ile başlar + M e İle 2 ve +∞'a kadar uzanır, diğeri –'den başlar M e İle 2 ve –∞'a kadar uzanır.

Negatif enerjiye sahip bir parçacığın çok tuhaf özelliklere sahip olması gerekir. Gittikçe daha az enerjiye sahip (yani negatif enerjinin büyüklüğünün arttığı) durumlara geçerek, örneğin radyasyon biçiminde enerji açığa çıkarabilir ve | e| Hiçbir şeyle sınırlı olmadığı için negatif enerjiye sahip bir parçacık sonsuz miktarda enerji yayabilir. Benzer bir sonuca şu şekilde ulaşılabilir: ilişkiden e=M e İleŞekil 2'den negatif enerjili bir parçacığın aynı zamanda negatif bir kütleye sahip olacağı sonucu çıkar. Bir frenleme kuvvetinin etkisi altında bir parçacık negatif kütle frenleme kuvvetinin kaynağı üzerinde sonsuz miktarda iş yaparak yavaşlamamalı, hızlanmalı. Bu zorluklar göz önüne alındığında, negatif enerjiye sahip durumun saçma sonuçlara yol açabileceği gerekçesiyle değerlendirme dışı bırakılması gerektiğini kabul etmek gerekecek gibi görünüyor. Ancak bu, kuantum mekaniğinin bazı genel ilkeleriyle çelişir. Bu nedenle Dirac farklı bir yol seçti. Elektronların negatif enerjili durumlara geçişlerinin genellikle gözlemlenmediğini, çünkü mevcut tüm negatif enerjili seviyelerin zaten elektronlar tarafından işgal edildiğini öne sürdü.

Dirac'a göre boşluk, negatif enerjinin tüm seviyelerinin elektronlar tarafından işgal edildiği, pozitif enerjili seviyelerin serbest olduğu bir durumdur. Yasak bandın altındaki tüm seviyeler istisnasız olarak dolu olduğundan bu seviyelerdeki elektronlar hiçbir şekilde kendilerini göstermezler. Negatif seviyelerde bulunan elektronlardan birine enerji verilirse e≥ 2M e İleŞekil 2'de gösterildiği gibi, o zaman bu elektron pozitif enerjili bir duruma girecek ve pozitif kütleli ve negatif yüklü bir parçacık gibi her zamanki gibi davranacaktır. Teorik olarak tahmin edilen bu ilk parçacığa pozitron adı verildi. Bir pozitron bir elektronla karşılaştığında yok olurlar (kaybolurlar) - elektron pozitif bir seviyeden boş bir negatif seviyeye geçer. Bu seviyeler arasındaki farka karşılık gelen enerji radyasyon şeklinde açığa çıkar. Şek. Şekil 4'teki ok 1, bir elektron-pozitron çiftinin yaratılma sürecini, ok 2 ise bunların yok oluşunu göstermektedir. "Yok olma" terimi tam anlamıyla alınmamalıdır. Esasen meydana gelen şey bir yok oluş değil, bazı parçacıkların (elektron ve pozitron) diğerlerine (γ-fotonlar) dönüşmesidir.

Antiparçacıklarıyla aynı olan (yani antiparçacıkları olmayan) parçacıklar vardır. Bu tür parçacıklara kesinlikle nötr denir. Bunlara foton, π 0 mezon ve η mezon dahildir. Antipartikülleriyle aynı olan parçacıklar yok olma yeteneğine sahip değildir. Ancak bu onların hiçbir şekilde başka parçacıklara dönüşemeyeceği anlamına gelmez.

Baryonlara (yani nükleonlar ve hiperonlara) bir baryon yükü (veya baryon numarası) atanırsa İÇİNDE= +1, antibaryonlar – baryon yükü İÇİNDE= –1 ve diğer tüm parçacıkların baryon yükü vardır İÇİNDE= 0 ise, baryonların ve antibaryonların katılımıyla meydana gelen tüm süreçler, tıpkı süreçlerin elektrik yükünün korunumu ile karakterize edilmesi gibi, yük baryonlarının korunumu ile de karakterize edilecektir. Baryon yükünün korunumu yasası, en yumuşak baryon olan protonun stabilitesini belirler. Tanımlayan tüm miktarların dönüştürülmesi fiziksel sistem Tüm parçacıkların antiparçacıklarla değiştirildiği (örneğin, elektronların protonlarla ve protonların elektronlarla vb.) yer değiştirdiği duruma konjugasyon yükü denir.

Garip parçacıklar.İLE-Mezonlar ve hiperonlar, XX yüzyılın 50'li yıllarının başında kozmik ışınların bir parçası olarak keşfedildi. 1953'ten beri hızlandırıcılarda üretiliyorlar. Bu parçacıkların davranışının o kadar sıra dışı olduğu ortaya çıktı ki onlara tuhaf denildi. Tuhaf parçacıkların olağandışı davranışı, bunların 10-23 saniyelik karakteristik bir süre ile güçlü etkileşimler nedeniyle açıkça doğmuş olmaları ve ömürlerinin 10-8-10-10 saniye civarında olmasıydı. İkinci durum, parçacıkların bozunmasının zayıf etkileşimlerin bir sonucu olarak meydana geldiğini gösterdi. Garip parçacıkların neden bu kadar uzun süre yaşadığı tamamen belirsizdi. λ-hiperonun hem oluşumunda hem de bozunmasında aynı parçacıklar (π-mezonlar ve protonlar) yer aldığından, her iki sürecin hızının (yani olasılığının) bu kadar farklı olması şaşırtıcıydı. Daha ileri araştırmalar garip parçacıkların çiftler halinde doğduğunu gösterdi. Bu, iki tuhaf parçacığın varlığının bunların ortaya çıkması için gerekli olması nedeniyle güçlü etkileşimlerin parçacık bozunmasında rol oynayamayacağı fikrine yol açtı. Aynı sebepten ötürü, garip parçacıkların tek başına yaratılmasının imkansız olduğu ortaya çıkıyor.

Garip parçacıkların tek üretiminin yasaklanmasını açıklamak için M. Gell-Mann ve K. Nishijima, varsayımlarına göre toplam değerinin güçlü etkileşimler altında korunması gereken yeni bir kuantum sayısı ortaya koydular. Bu bir kuantum sayısıdır S adı verildi parçacığın tuhaflığı. Zayıf etkileşimlerde tuhaflık korunmayabilir. Bu nedenle, yalnızca güçlü etkileşime giren parçacıklara (mezonlar ve baryonlar) atfedilir.

Nötrino. Nötrino, güçlü veya elektromanyetik etkileşimlere katılmayan tek parçacıktır. Tüm parçacıkların katıldığı yerçekimsel etkileşim hariç, nötrinolar yalnızca zayıf etkileşimlerde yer alabilir.

Uzun bir süre boyunca bir nötrinonun antinötrinodan nasıl farklı olduğu belirsizliğini korudu. Birleşik paritenin korunumu yasasının keşfi bu soruyu cevaplamayı mümkün kıldı: sarmallık açısından farklılık gösteriyorlar. Altında sarmallık dürtünün yönleri arasında belirli bir ilişki anlaşılmaktadır R ve geri S parçacıklar. Spin ve momentum aynı yönde ise sarmallık pozitif kabul edilir. Bu durumda parçacık hareketinin yönü ( R) ve dönüşe karşılık gelen "dönme" yönü sağ yönlü bir vida oluşturur. Dönme ve momentum zıt yönlerde olduğunda, sarmallık negatif olacaktır (öteleme hareketi ve "dönme", sol yönlü bir vidayı oluşturur). Yang, Lee, Landau ve Salam tarafından geliştirilen boylamsal nötrino teorisine göre, doğada var olan tüm nötrinolar, kökenlerinin yöntemi ne olursa olsun, her zaman tamamen boylamasına polarizedir (yani dönüşleri momentuma paralel veya antiparalel olarak yönlendirilir). R). Nötrino var negatif(solda) sarmallık (yönlerin oranına karşılık gelir) S Ve R, Şekil 2'de gösterilmiştir. 5 (b), antinötrino – pozitif (sağ yönlü) sarmallık (a). Dolayısıyla nötrinoları antinötrinolardan ayıran şey helisitedir.

Pirinç. 5. Temel parçacıkların sarmal şeması

Temel parçacıkların sistematiği. Temel parçacıkların dünyasında gözlemlenen modeller korunum yasaları biçiminde formüle edilebilir. Bu tür yasaların oldukça fazlası zaten birikmiştir. Bazılarının kesin olmadığı, yalnızca yaklaşık olduğu ortaya çıktı. Her korunum yasası sistemin belirli bir simetrisini ifade eder. Momentumun korunumu yasaları R, açısal momentum L ve enerji e uzay ve zamanın simetrisinin özelliklerini yansıtır: koruma e zamanın homojenliğinin bir sonucudur, korunması R mekanın homojenliği ve korunması nedeniyle L– izotropisi. Paritenin korunumu yasası sağ ve sol arasındaki simetriyle ilişkilidir ( R-değişmezlik). Yük konjugasyonuna göre simetri (partiküllerin ve antipartiküllerin simetrisi), yük paritesinin korunmasına yol açar ( İLE-değişmezlik). Elektrik, baryon ve lepton yüklerinin korunumu yasaları özel bir simetriyi ifade eder İLE-fonksiyonlar. Son olarak izotopik spinin korunumu yasası, izotopik uzayın izotropisini yansıtır. Koruma yasalarından birine uyulmaması, bu etkileşimde karşılık gelen simetri türünün ihlali anlamına gelir.

Temel parçacıkların dünyasında aşağıdaki kural geçerlidir: Koruma yasalarının yasaklamadığı her şeye izin verilir. İkincisi, parçacıkların birbirine dönüşmesini düzenleyen dışlama kurallarının rolünü oynar. Öncelikle enerjinin, momentumun ve elektrik yükünün korunumu yasalarını not edelim. Bu üç yasa elektronun kararlılığını açıklar. Enerjinin ve momentumun korunumundan, bozunma ürünlerinin toplam geri kalan kütlesinin, bozunan parçacığın geri kalan kütlesinden daha az olması gerektiği sonucu çıkar. Bu, bir elektronun yalnızca nötrinolara ve fotonlara bozunabileceği anlamına gelir. Ancak bu parçacıklar elektriksel olarak nötrdür. Böylece elektronun elektrik yükünü aktaracak kimsesi olmadığı, dolayısıyla kararlı olduğu ortaya çıktı.

Kuarklar. Temel denilen o kadar çok parçacık haline geldi ki, bunların temel doğası hakkında ciddi şüpheler ortaya çıktı. Güçlü bir şekilde etkileşime giren parçacıkların her biri, üç bağımsız toplamsal kuantum sayısıyla karakterize edilir: yük Q, aşırı yük sen ve baryon şarjı İÇİNDE. Bu bağlamda, tüm parçacıkların üç temel parçacıktan (bu yüklerin taşıyıcıları) oluştuğuna dair bir hipotez ortaya çıktı. 1964 yılında Gell-Mann ve ondan bağımsız olarak İsviçreli fizikçi Zweig, tüm temel parçacıkların kuark adı verilen üç parçacıktan oluştuğunu öne süren bir hipotez ortaya attılar. Bu parçacıklara kesirli kuantum sayıları, özellikle +⅔'ye eşit bir elektrik yükü atanır; –⅓; Üç kuarkın her biri için sırasıyla +⅓. Bu kuarklar genellikle harflerle gösterilir. sen,D,S. Kuarklara ek olarak antikuarklar da dikkate alınır ( sen,D,S). Bugüne kadar 12 kuark biliniyor; 6 kuark ve 6 antikuark. Mezonlar bir kuark-antikuark çiftinden, baryonlar ise üç kuarktan oluşur. Örneğin bir proton ve bir nötron üç kuarktan oluşur ve bu da proton veya nötronu renksiz yapar. Buna göre, güçlü etkileşimlerin üç yükü ayırt edilir - kırmızı ( R), sarı ( e) ve yeşil ( G).

Her kuark aynı şekilde atanır manyetik moment(μV), değeri teoriden belirlenmemiştir. Bu varsayıma dayanarak yapılan hesaplamalar proton için μ p manyetik momentinin değerini verir. = μ kv ve bir nötron için μ n = – ⅔μ metrekare

Böylece manyetik momentlerin oranı için μ p değeri elde edilir / μn = –⅔, deneysel değerle mükemmel uyum içinde.

Temel olarak kuarkın rengi (elektrik yükünün işareti gibi) kuarkların karşılıklı çekim ve itme kuvvetini belirleyen özellikteki farklılığı ifade etmeye başladı. Çeşitli etkileşimlerin alanlarının kuantumlarına benzetilerek (elektromanyetik etkileşimlerdeki fotonlar, R-güçlü etkileşimlerdeki mezonlar vb.) kuarklar arasındaki etkileşimi taşıyan parçacıklar tanıtıldı. Bu parçacıklara isim verildi gluonlar. Bir kuarktan diğerine renk aktararak kuarkların bir arada tutulmasını sağlarlar. Kuark fiziğinde hapsedilme hipotezi formüle edildi. hapsetmeler– kuarkların yakalanması, buna göre bir kuarkın bütünden çıkarılması imkansızdır. Ancak bütünün bir unsuru olarak var olabilir. Kuarkların fizikte gerçek parçacıklar olarak varlığı güvenilir bir şekilde kanıtlanmıştır.

Kuark fikrinin çok verimli olduğu ortaya çıktı. Bu sadece zaten mevcut olanın sistematikleştirilmesine izin vermekle kalmadı bilinen parçacıklar, ama aynı zamanda bir dizi yenisini de öngörüyor. Temel parçacıkların fiziğinde gelişen durum, 1869'da D. I. Mendelev tarafından periyodik yasanın keşfedilmesinden sonra atom fiziğinde yaratılan durumu anımsatıyor. Bu yasanın özü, kuantum mekaniğinin ortaya çıkışından sadece 60 yıl sonra açıklığa kavuşturulmasına rağmen, o zamana kadar bilinen kimyasal elementlerin sistematik hale getirilmesini mümkün kıldı ve ayrıca yeni elementlerin varlığı ve özelliklerinin tahmin edilmesine yol açtı. . Aynı şekilde fizikçiler temel parçacıkları sistemleştirmeyi öğrendiler ve bazı durumlarda geliştirilen sınıflandırma, yeni parçacıkların varlığını tahmin etmeyi ve özelliklerini tahmin etmeyi mümkün kıldı.

Yani şu anda kuarklar ve leptonlar gerçekten temel kabul edilebilir; Bunlardan 12 tane var veya anti-chatitlerle birlikte - 24 tane var. Ayrıca dört temel etkileşimi (etkileşim kuantumu) sağlayan parçacıklar da var. Bu parçacıklardan 13 tane var: Graviton, foton, K± - ve Z-partiküller ve 8 gluon.

Temel parçacıklarla ilgili mevcut teoriler serinin başlangıcının ne olduğunu gösteremez: atomlar, çekirdekler, hadronlar, kuarklar. bileşen. Görünüşe göre bu sonsuza kadar devam edemez. Tanımlanan malzeme yapıları zincirinin temelde farklı nitelikteki nesnelere dayandığı varsayılmıştır. Bu tür nesnelerin noktaya benzemeyebileceği, ancak son derece küçük (~10‑33 cm) oluşumlara rağmen uzatılmış olabileceği gösterilmiştir. süper sicimler. Açıklanan fikir dört boyutlu uzayımızda gerçekleştirilemez. Fiziğin bu alanı genellikle son derece soyuttur ve temel parçacık teorilerinin doğasında bulunan fikirlerin algılanmasını basitleştirmeye yardımcı olacak görsel modeller bulmak çok zordur. Bununla birlikte, bu teoriler fizikçilerin "en temel" mikro nesnelerin karşılıklı dönüşümünü ve birbirine bağımlılığını, bunların dört boyutlu uzay-zamanın özellikleriyle bağlantısını ifade etmelerine olanak tanır. En umut verici olanı sözde M-teorisi (M – itibaren gizem- bilmece, sır). Ameliyat ediyor on iki boyutlu uzay . Sonuçta doğrudan algıladığımız dört boyutlu dünyaya geçiş sırasında tüm “ekstra” boyutlar “çöküyor”. Şimdilik M-teorisi tek teori, dört temel etkileşimi bire indirmeyi mümkün kılan sözde Süper güç. M-teorisinin farklı dünyaların varlığına izin vermesi ve dünyamızın ortaya çıkmasını sağlayacak koşulları oluşturması da önemlidir. M-teorisi henüz yeterince gelişmemiştir. Finalin gerçekleşeceğine inanılıyor "her şeyin teorisi" M teorisine dayalı olarak 21. yüzyılda inşa edilecek.

Yaklaşık 1000 saniyeden (serbest bir nötron için) saniyenin ihmal edilebilir bir kesrine kadar (rezonanslar için 10 -24'ten 10 -22 saniyeye).

Temel parçacıkların yapısı ve davranışları parçacık fiziği tarafından incelenir.

Tüm temel parçacıklar özdeşlik ilkesine (Evrendeki aynı türdeki tüm temel parçacıklar, tüm özellikleri bakımından tamamen aynıdır) ve dalga-parçacık ikiliği ilkesine (her temel parçacık bir de Broglie dalgasına karşılık gelir) tabidir.

Tüm temel parçacıklar, etkileşimlerinin bir sonucu olan birbirine dönüştürülebilirlik özelliğine sahiptir: güçlü, elektromanyetik, zayıf, yerçekimi. Parçacık etkileşimleri, enerjinin korunumu, momentum, açısal momentum, elektrik yükü, baryon yükü vb. kanunları tarafından yasaklanmadığı takdirde, parçacıkların ve bunların topluluklarının diğer parçacıklara ve bunların topluluklarına dönüşmesine neden olur.

Temel parçacıkların temel özellikleri:ömür, kütle, spin, elektrik yükü, manyetik moment, baryon yükü, lepton yükü, gariplik, izotopik spin, parite, yük paritesi, G-paritesi, CP-paritesi.

sınıflandırma

Ömür boyu

• Kararlı temel parçacıklar sonsuz parçacıklara sahiptir. büyük zaman serbest durumda yaşam (proton, elektron, nötrino, foton ve bunların antipartikülleri).
• Kararsız temel parçacıklar, serbest durumdaki diğer parçacıklara bozunan parçacıklardır. bitiş zamanı(diğer tüm parçacıklar).

Ağırlığa göre

Tüm temel parçacıklar iki sınıfa ayrılır:

• Kütlesiz parçacıklar sıfır kütleli parçacıklardır (foton, gluon).
• Sıfır olmayan kütleye sahip parçacıklar (diğer tüm parçacıklar).

En büyük arkaya göre

Tüm temel parçacıklar iki sınıfa ayrılır:

Etkileşim türüne göre

Temel parçacıklar aşağıdaki gruplara ayrılır:

Bileşik parçacıklar

• Hadronlar her türlü temel etkileşime katılan parçacıklardır. Kuarklardan oluşurlar ve sırasıyla aşağıdakilere ayrılırlar:
  • mezonlar tamsayı spinli hadronlardır, yani bozonlardır;
  • Baryonlar yarım tamsayı spinli hadronlardır, yani fermiyonlardır. Bunlar özellikle bir atomun çekirdeğini oluşturan proton ve nötron parçacıklarını içerir.

Temel (yapısız) parçacıklar

• Leptonlar, 10−18 m mertebesinde ölçeklere kadar nokta parçacıklar biçiminde (yani hiçbir şey içermeyen) fermiyonlardır. Güçlü etkileşimlere katılmazlar. Elektromanyetik etkileşimlere katılım deneysel olarak yalnızca yüklü leptonlar (elektronlar, müonlar, tau leptonlar) için gözlemlendi ve nötrinolar için gözlemlenmedi. Bilinen 6 lepton türü vardır.
• Kuarklar hadronların bir parçası olan kesirli yüklü parçacıklardır. Serbest durumda gözlemlenmediler (bu tür gözlemlerin yokluğunu açıklamak için bir sınırlama mekanizması önerildi). Leptonlar gibi 6 türe ayrılırlar ve yapısız kabul edilirler, ancak leptonlardan farklı olarak güçlü etkileşimlere katılırlar.
• Gösterge bozonları, etkileşimlerin gerçekleştirildiği değişim yoluyla parçacıklardır:
  • foton elektromanyetik etkileşimi taşıyan bir parçacıktır;
  • sekiz gluon - güçlü kuvveti taşıyan parçacıklar;
  • üç ara vektör bozonu K + , K- ve Z 0, zayıf etkileşimi tolere eder;
  • graviton, yerçekimi kuvvetini taşıyan varsayımsal bir parçacıktır. Gravitonların varlığı, yerçekimi etkileşiminin zayıflığı nedeniyle henüz deneysel olarak kanıtlanmamış olsa da oldukça olası kabul ediliyor; ancak graviton, temel parçacıkların Standart Modeline dahil değildir.

Konuyla ilgili video

Temel parçacıkların boyutları

Temel parçacıkların çok çeşitli olmasına rağmen boyutları iki gruba ayrılır. Hadronların (hem baryonlar hem de mezonlar) boyutları yaklaşık 10−15 m'dir ve bu, içerdikleri kuarklar arasındaki ortalama mesafeye yakındır. Temel, yapısız parçacıkların - ayar bozonları, kuarklar ve leptonların - deneysel hata sınırları içindeki boyutları, nokta doğalarıyla tutarlıdır ( üst sınırçapı yaklaşık 10−18 m'dir) ( açıklamaya bakın). Daha sonraki deneylerde bu parçacıkların nihai boyutları keşfedilmezse, bu durum ayar bozonlarının, kuarkların ve leptonların boyutlarının temel uzunluğa yakın olduğunu gösterebilir (bunun büyük olasılıkla 1,6'ya eşit Planck uzunluğu olduğu ortaya çıkabilir). −35 m) .

Bununla birlikte, temel bir parçacığın boyutunun oldukça karmaşık bir kavram olduğu ve her zaman klasik kavramlarla tutarlı olmadığı unutulmamalıdır. İlk olarak belirsizlik ilkesi, fiziksel bir parçacığın tam olarak lokalizasyonunun belirlenmesine izin vermez. Bir parçacığı kesin olarak lokalize edilmiş kuantum durumlarının süperpozisyonu olarak temsil eden bir dalga paketi her zaman sonlu boyutlara ve belirli bir boyuta sahiptir. mekansal yapı ve paketin boyutları oldukça makroskobik olabilir - örneğin, iki yarık üzerindeki girişimin olduğu bir deneydeki bir elektron, makroskobik bir mesafeyle ayrılan interferometrenin her iki yarığını da "hisseder". İkinci olarak, fiziksel bir parçacık, etrafındaki vakumun yapısını değiştirerek, kısa vadeli sanal parçacıklardan oluşan bir "kaplama" oluşturur - fermiyon-antifermiyon çiftleri (bkz. Vakum polarizasyonu) ve etkileşimleri taşıyan bozonlar. Bu bölgenin uzaysal boyutları parçacığın sahip olduğu ayar yüklerine ve kütlelere bağlıdır. ara bozonlar(Devasa sanal bozonların kabuğunun yarıçapı Compton dalga boylarına yakındır ve bu da kütleleriyle ters orantılıdır). Yani, nötrinolar açısından elektron yarıçapı (aralarında sadece mümkündür) zayıf etkileşim) yaklaşık olarak W bozonlarının Compton dalga boyuna, ~3×10 −18 m'ye ve bölgenin boyutlarına eşittir. güçlü etkileşim Hadronlar, burada bir etkileşim taşıyıcısı olarak görev yapan en hafif hadronun, pi mezonunun (~10 −15 m) Compton dalga boyu tarafından belirlenir.

Hikaye

Başlangıçta, "temel parçacık" terimi kesinlikle temel bir şey, maddenin ilk tuğlası anlamına geliyordu. Ancak 1950'li ve 1960'lı yıllarda benzer özelliklere sahip yüzlerce hadron keşfedildiğinde, hadronların en azından iç serbestlik derecesine sahip olduğu, yani kelimenin tam anlamıyla temel olmadıkları ortaya çıktı. Daha sonra hadronların kuarklardan oluştuğu ortaya çıkınca bu şüphe doğrulandı.

Böylece fizikçiler maddenin yapısında biraz daha derinlere indiler: leptonlar ve kuarklar artık maddenin en temel, nokta benzeri parçaları olarak kabul ediliyor. Onlar için (ayar bozonlarıyla birlikte) “ esas parçacıklar".

Yaklaşık 1980'lerin ortalarından bu yana aktif olarak geliştirilen sicim teorisinde, temel parçacıkların ve bunların etkileşimlerinin sonuç olduğu varsayılmaktadır. çeşitli türlerözellikle küçük “tellerin” titreşimleri.

Standart model

Temel parçacıkların Standart Modeli, fermiyonların 12 çeşidini, bunlara karşılık gelen antiparçacıkları ve ayar bozonlarını (fotonlar, gluonlar, K- Ve Z Parçacıklar arasındaki etkileşimleri taşıyan bozonlar ve 2012 yılında keşfedilen ve parçacıklardaki eylemsizlik kütlesinin varlığından sorumlu olan Higgs bozonu. Bununla birlikte, Standart Model, yerçekimini içermediğinden ve değerleri doğrudan takip edilmeyen birkaç düzine serbest parametre (parçacık kütleleri vb.) içerdiğinden, gerçekten temel bir teoriden ziyade büyük ölçüde geçici bir teori olarak görülüyor. teori. Belki de tanımlanmayan temel parçacıklar vardır. Standart model- örneğin, graviton (varsayımsal olarak taşıyan bir parçacık) gibi yerçekimi kuvvetleri) veya sıradan parçacıkların süpersimetrik ortakları. Toplamda model 61 parçacığı tanımlıyor.

Fermiyonlar

Fermiyonların 12 çeşidi, her biri 4 parçacıktan oluşan 3 aileye (nesiller) bölünmüştür. Bunlardan altısı kuarktır. Diğer altısı leptondur, bunların üçü nötrinodur ve geri kalan üçü bir birim negatif yük taşır: elektron, müon ve tau lepton.

Antipartiküller

Yukarıdaki on iki parçacığa karşılık gelen 12 fermiyonik antiparçacık da vardır.

Kuarklar

Kuarklar ve antikuarklar hiçbir zaman serbest halde keşfedilmemiştir; bu durum şu fenomenle açıklanmaktadır:

Sayfa 1

Ücretin her bakımdan tatmin edici kısa bir tanımını yapmak mümkün değildir. Çok anladığımız açıklamalar bulmaya alışığız karmaşık oluşumlar ve atom gibi süreçler, sıvı kristaller, moleküllerin hıza göre dağılımı vb. Ancak günümüz bilimine göre herhangi bir iç mekanizmadan yoksun, daha basit kavramlara bölünemeyen en temel, temel kavramlar artık tatmin edici bir şekilde kısaca açıklanamaz. Özellikle nesneler doğrudan duyularımız tarafından algılanmıyorsa. Tam da buna temel kavramlar elektrik yükünü ifade eder.

Öncelikle elektrik yükünün ne olduğunu değil, şu ifadenin arkasında neyin saklı olduğunu bulmaya çalışalım: Bu cisim veya parçacık bir elektrik yüküne sahiptir.

Tüm cisimlerin, daha basit (bilimin artık bildiği kadarıyla) parçacıklara bölünemeyen küçük parçacıklardan oluştuğunu ve bu nedenle bunlara temel adı verildiğini biliyorsunuz. Tüm temel parçacıkların kütlesi vardır ve bu nedenle birbirlerini çekerler. Kanuna göre evrensel yerçekimi Aralarındaki mesafe arttıkça çekim kuvveti nispeten yavaş bir şekilde azalır: mesafenin karesiyle ters orantılıdır. Ek olarak, temel parçacıkların çoğu, hepsi olmasa da, mesafenin karesiyle ters orantılı olarak azalan bir kuvvetle birbirleriyle etkileşime girme yeteneğine sahiptir, ancak bu kuvvet, yerçekimi kuvvetinden çok daha büyüktür. . Böylece, Şekil 1'de şematik olarak gösterilen hidrojen atomunda elektron, çekim kuvvetinden 1039 kat daha büyük bir kuvvetle çekirdeğe (proton) çekilir.

Parçacıklar birbirleriyle, mesafe arttıkça yavaş yavaş azalan ve yerçekimi kuvvetinden kat kat daha büyük kuvvetlerle etkileşime giriyorsa, bu parçacıkların elektrik yüküne sahip olduğu söylenir. Parçacıkların kendilerine yüklü denir. Elektrik yükü olmayan parçacıklar vardır, ancak parçacık olmadan elektrik yükü yoktur.

Yüklü parçacıklar arasındaki etkileşimlere elektromanyetik denir. Elektronların ve protonların elektriksel olarak yüklü olduğunu söylediğimizde, bu onların belirli bir türde (elektromanyetik) etkileşime girebilecekleri anlamına gelir, başka bir şey değil. Parçacıklardaki yükün olmaması, bu tür etkileşimleri tespit edemediği anlamına gelir. Elektrik yükü yoğunluğu belirler elektromanyetik etkileşimler tıpkı kütlenin yoğunluğu belirlemesi gibi yerçekimi etkileşimleri. Elektrik yükü ikincidir (kütleden sonra) en önemli karakteristikÇevredeki dünyadaki davranışlarını belirleyen temel parçacıklar.

Böylece

Elektrik yükü parçacıkların veya cisimlerin elektromanyetik kuvvet etkileşimlerine girme özelliğini karakterize eden fiziksel bir skaler miktardır.

Elektrik yükü q veya Q harfleriyle sembolize edilir.

Tıpkı mekanikte olduğu gibi kavram sıklıkla kullanılır maddi nokta Birçok problemin çözümünü önemli ölçüde basitleştirmeyi mümkün kılan, yüklerin etkileşimi incelenirken nokta yükü fikrinin etkili olduğu ortaya çıkıyor. Nokta yükü, boyutları bu gövdeden gözlem noktasına ve diğer yüklü cisimlere olan mesafeden önemli ölçüde daha az olan yüklü bir cisimdir. Özellikle iki kişinin etkileşiminden bahsedersek puan ücretleri daha sonra söz konusu iki yüklü cisim arasındaki mesafenin doğrusal boyutlarından önemli ölçüde daha büyük olduğunu varsayarlar.

Temel bir parçacığın elektrik yükü

Temel bir parçacığın elektrik yükü, parçacıkta ondan ayrılabilecek, bileşen parçalarına ayrılabilecek ve yeniden birleştirilebilecek özel bir "mekanizma" değildir. Bir elektron ve diğer parçacıklar üzerinde bir elektrik yükünün varlığı, yalnızca aralarında belirli etkileşimlerin varlığı anlamına gelir.

Doğada zıt işaretli yüklere sahip parçacıklar vardır. Protonun yüküne pozitif, elektronun yüküne ise negatif denir. Olumlu işaret Bir parçacık üzerindeki yük elbette onun özel avantajlara sahip olduğu anlamına gelmez. İki işaretli yüklerin eklenmesi, yüklü parçacıkların hem çekebildiği hem de itebildiği gerçeğini ifade eder. Şu tarihte: aynı işaretler parçacıklar birbirini iter, ancak farklılarsa birbirlerini çekerler.

Şu anda iki tür elektrik yükünün varlığının nedenlerine ilişkin bir açıklama bulunmamaktadır. Her durumda, pozitif ve negatif yükler arasında hiçbir temel fark bulunmaz. Parçacıkların elektrik yüklerinin işaretleri tersine çevrilseydi, doğadaki elektromanyetik etkileşimlerin doğası değişmeyecekti.

Pozitif ve negatif yükler evrende çok iyi dengelenmiştir. Ve eğer Evren sonluysa, o zaman toplam elektrik yükü büyük ihtimalle sıfıra eşit olacaktır.

En dikkat çekici şey, tüm temel parçacıkların elektrik yükünün kesinlikle aynı büyüklükte olmasıdır. Tüm yüklü temel parçacıkların sahip olduğu, temel adı verilen bir minimum yük vardır. Yük, proton gibi pozitif veya elektron gibi negatif olabilir, ancak yük modülü her durumda aynıdır.

Yükün bir kısmını örneğin bir elektrondan ayırmak imkansızdır. Bu belki de en şaşırtıcı şey. Hiçbiri modern teori neden tüm parçacıkların yüklerinin aynı olduğunu açıklayamıyor ve minimum elektrik yükünün değerini hesaplayamıyor. Çeşitli deneyler kullanılarak deneysel olarak belirlenir.

1960'larda, yeni keşfedilen temel parçacıkların sayısı endişe verici derecede artmaya başladıktan sonra, güçlü etkileşime giren tüm parçacıkların bileşik olduğu hipotezi öne sürüldü. Daha temel parçacıklara kuark adı verildi. Kuarkların kesirli bir elektrik yüküne sahip olması şaşırtıcıydı: 1/3 ve 2/3 temel yük. Proton ve nötron oluşturmak için iki tür kuark yeterlidir. Ve görünüşe göre maksimum sayıları altıyı geçmiyor.

Elektrik yükünün ölçü birimi

« Fizik - 10. sınıf"

İlk olarak, elektrik yüklü cisimlerin hareketsiz olduğu en basit durumu ele alalım.

Elektrik yüklü cisimlerin denge koşullarının incelenmesine ayrılan elektrodinamik dalına denir. elektrostatik.

Elektrik yükü nedir?
Hangi suçlamalar var?

Kelimelerle elektrik, elektrik yükü, elektrik akımı defalarca karşılaştınız ve alışmayı başardınız. Ancak şu soruyu cevaplamaya çalışın: "Elektrik yükü nedir?" Konseptin kendisi şarj- bu indirgenemeyecek temel, birincil bir kavramdır modern seviye bilgimizin bazı daha basit, temel kavramlara doğru gelişmesi.

Öncelikle "Bu cisim veya parçacığın elektrik yükü vardır" ifadesinden ne kastedildiğini bulmaya çalışalım.

Tüm vücutlar yapılmıştır küçük parçacıklar daha basit olanlara bölünemez ve bu nedenle denir temel.

Temel parçacıkların kütlesi vardır ve bu nedenle evrensel çekim yasasına göre birbirlerini çekerler. Parçacıklar arasındaki mesafe arttıkça yerçekimi kuvveti bu mesafenin karesi ile ters orantılı olarak azalır. Hepsi olmasa da temel parçacıkların çoğu, mesafenin karesiyle ters orantılı olarak azalan bir kuvvetle birbirleriyle etkileşime girme yeteneğine de sahiptir, ancak bu kuvvet, yerçekimi kuvvetinden kat kat daha büyüktür.

Böylece, Şekil 14.1'de şematik olarak gösterilen hidrojen atomunda, elektron, çekim kuvvetinden 10 39 kat daha büyük bir kuvvetle çekirdeğe (proton) çekilir.

Parçacıklar, evrensel çekim kuvvetleri gibi mesafe arttıkça azalan, ancak çekim kuvvetlerini birçok kez aşan kuvvetlerle birbirleriyle etkileşime giriyorsa, bu parçacıkların elektrik yüküne sahip olduğu söylenir. Parçacıkların kendilerine denir ücretlendirildi.

Elektrik yükü olmayan parçacıklar vardır, ancak parçacık olmadan elektrik yükü yoktur.

Yüklü parçacıkların etkileşimine denir elektromanyetik.

Kütlenin yerçekimsel etkileşimlerin yoğunluğunu belirlemesi gibi, elektrik yükü de elektromanyetik etkileşimlerin yoğunluğunu belirler.

Temel bir parçacığın elektrik yükü, parçacıkta ondan ayrılabilen, bileşen parçalarına ayrılabilen ve yeniden birleştirilebilen özel bir mekanizma değildir. Bir elektron ve diğer parçacıklar üzerinde bir elektrik yükünün varlığı, yalnızca aralarında belirli kuvvet etkileşimlerinin varlığı anlamına gelir.

Bu etkileşimlerin yasalarını bilmiyorsak, özünde yük hakkında hiçbir şey bilmiyoruz. Etkileşim yasalarının bilgisi, yük hakkındaki fikirlerimize dahil edilmelidir. Bu yasalar basit değildir ve bunları birkaç kelimeyle özetlemek imkansızdır. Bu nedenle yeterince tatmin edici bir sonuç vermek mümkün değildir. kısa çözünürlüklü kavram elektrik yükü.

İki elektrik yükü belirtisi.

Bütün cisimlerin kütlesi vardır ve bu nedenle birbirlerini çekerler. Yüklü cisimler birbirini hem çekebilir hem de itebilir. Bu en önemli gerçek size tanıdık geliyor, doğada zıt işaretli elektrik yüklerine sahip parçacıkların olduğu anlamına gelir; Aynı işaretli yüklerde parçacıklar birbirini iter, farklı işaretli yüklerde ise çekerler.

Temel parçacıkların yükü - protonlar Tüm atom çekirdeklerinin bir parçası olan pozitif olarak adlandırılır ve yük elektronlar- olumsuz. Pozitif ve negatif yükler arasında iç farklılıklar HAYIR. Parçacık yüklerinin işaretleri tersine çevrilseydi, elektromanyetik etkileşimlerin doğası hiç değişmeyecekti.

Temel ücret.

Elektronlara ve protonlara ek olarak, başka türde yüklü temel parçacıklar da vardır. Ancak yalnızca elektronlar ve protonlar süresiz olarak serbest durumda bulunabilirler. Yüklü parçacıkların geri kalanı saniyenin milyonda birinden daha az yaşar. Hızlı temel parçacıkların çarpışmaları sırasında doğarlar ve çok kısa bir süre boyunca var olduklarından, bozunarak diğer parçacıklara dönüşürler. Bu parçacıklara 11. sınıfta aşina olacaksınız.

Elektrik yükü olmayan parçacıklar şunları içerir: nötron. Kütlesi protonun kütlesinden sadece biraz daha büyüktür. Nötronlar, protonlarla birlikte, atom çekirdeği. Temel bir parçacığın yükü varsa, değeri kesin olarak tanımlanır.

Yüklü cisimler Tüm cisimlerin elektrik yüklü parçacıklar içermesi nedeniyle doğadaki elektromanyetik kuvvetler büyük bir rol oynamaktadır. Atomları oluşturan parçalar (çekirdek ve elektronlar) elektrik yüküne sahiptir.

Normal durumdaki cisimler elektriksel olarak nötr olduğundan, cisimler arasındaki elektromanyetik kuvvetlerin doğrudan etkisi tespit edilmez.

Herhangi bir maddenin atomu nötrdür çünkü içindeki elektron sayısı çekirdekteki proton sayısına eşittir. Pozitif ve negatif yüklü parçacıklar birbirine bağlanır elektriksel kuvvetler ve nötr sistemler oluşturur.

Makroskobik bir cisim, herhangi bir yük işaretine sahip aşırı miktarda temel parçacık içeriyorsa, elektrik yüklüdür. Bu nedenle, bir cismin negatif yükü proton sayısına göre elektron sayısının fazlalığından, pozitif yükü ise elektron eksikliğinden kaynaklanmaktadır.

Elektrik yüklü makroskobik bir gövde elde etmek, yani onu elektriklendirmek için parçayı ayırmanız gerekir. negatif yük kendisiyle ilişkili pozitif yükten veya negatif yükü nötr bir cisme aktarın.

Bu sürtünme kullanılarak yapılabilir. Tarağı kuru saçın üzerinden geçirirseniz, en hareketli yüklü parçacıkların (elektronlar) küçük bir kısmı saçtan tarağa hareket edecek ve onu negatif olarak yükleyecek ve saç pozitif olarak yüklenecektir.

Elektrifikasyon sırasında ücretlerin eşitliği

Deney yardımıyla, sürtünmeyle elektriklendiğinde her iki cismin de zıt işaretli, ancak büyüklük olarak aynı yükler elde ettiği kanıtlanabilir.

Çubuğu üzerinde delikli metal bir küre ve uzun saplı iki plaka bulunan bir elektrometreyi alalım: biri sert kauçuktan, diğeri pleksiglastan yapılmış. Plakalar birbirine sürtündüğünde elektriklenir.

Plakalardan birini duvarlarına dokunmadan kürenin içerisine getirelim. Plaka pozitif yüklüyse, elektrometrenin iğnesi ve çubuğundan gelen elektronların bir kısmı plakaya çekilecek ve üzerinde toplanacaktır. iç yüzey küreler. Aynı zamanda ok pozitif olarak yüklenecek ve elektrometre çubuğundan uzağa itilecektir (Şekil 14.2, a).

Kürenin içine, ilkini çıkardıktan sonra başka bir plaka getirirseniz, kürenin ve çubuğun elektronları plakadan itilecek ve ok üzerinde fazla miktarda birikecektir. Bu, okun çubuktan sapmasına ve ilk deneydekiyle aynı açıda olmasına neden olacaktır.

Her iki plakayı da kürenin içine indirdikten sonra okun herhangi bir sapmasını tespit etmeyeceğiz (Şekil 14.2, b). Bu, plakalardaki yüklerin büyüklük olarak eşit ve zıt işaretli olduğunu kanıtlar.

Bedenlerin elektrifikasyonu ve tezahürleri. Sentetik kumaşların sürtünmesi sırasında önemli miktarda elektriklenme meydana gelir. Gömleğini üzerinden çıkarıyor sentetik malzeme kuru havada karakteristik bir çatırtı sesi duyabilirsiniz. Sürtünen yüzeylerin yüklü alanları arasında küçük kıvılcımlar sıçrar.

Matbaalarda baskı sırasında kağıt elektriklendirilir ve sayfalar birbirine yapışır. Bunun olmasını önlemek için şarjı boşaltmak için özel cihazlar kullanılır. Ancak yakın temas halindeki cisimlerin elektrifikasyonu bazen örneğin çeşitli elektrokopi kurulumlarında vb. kullanılır.

Elektrik yükünün korunumu kanunu.

Plakaların elektrifikasyonu ile ilgili deneyimler, sürtünme yoluyla elektrifikasyon sırasında, daha önce nötr olan gövdeler arasında mevcut yüklerin yeniden dağılımının meydana geldiğini kanıtlamaktadır. Elektronların küçük bir kısmı bir vücuttan diğerine hareket eder. Bu durumda yeni parçacıklar ortaya çıkmaz ve önceden var olanlar kaybolmaz.

Bedenler elektriklendiğinde elektrik yükünün korunumu kanunu. Bu kanun, yüklü parçacıkların dışarıdan girmediği ve çıkmadığı bir sistem için geçerlidir. izole sistem.

İÇİNDE izole sistem cebirsel toplam tüm cisimlerin yükleri korunur.

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

burada q 1, q 2 vb. bireysel yüklü cisimlerin ücretleridir.

Yükün korunumu kanunu vardır derin anlam. Yüklü temel parçacıkların sayısı değişmezse, yükün korunumu yasasının yerine geldiği açıktır. Ancak temel parçacıklar birbirine dönüşebilir, doğup yok olabilir ve yeni parçacıklara hayat verebilir.

Bununla birlikte, her durumda, yüklü parçacıklar yalnızca aynı büyüklükte ve zıt işaretli yüklere sahip çiftler halinde doğarlar; Yüklü parçacıklar da yalnızca çiftler halinde kaybolarak nötr olanlara dönüşür. Ve tüm bu durumlarda yüklerin cebirsel toplamı aynı kalır.

Yükün korunumu yasasının geçerliliği aşağıdaki gözlemlerle doğrulanır: çok büyük sayı Temel parçacıkların dönüşümleri. Bu yasa en çok bunlardan birini ifade ediyor temel özellikler elektrik yükü. Yük tasarrufunun nedeni hala bilinmiyor.