Физика элементарных частиц

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

МОСКОВСКИЙ  ОБЛАСТНОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: ФИЗИКА И ИНФОРМАТИКА

НА ТЕМУ: «ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ» 
 
 
 

ВЫПОЛНИЛ___________                                                    П.М. БУРМИСТРОВ 

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ____________ К.Ф-М.Н. ДОЦЕНТ Н.Н.БАРАБАНОВА 
 
 
 
 
 
 

МОСКВА 2011

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

    Данная  курсовая работа посвящена элементарным частицам, из которых построена вся материальная Вселенная, и силам взаимодействия этих частиц друг с другом. Чтобы исследовать поведение частиц и даже просто объяснить их. Мы сначала изложим современные представления о структуре материи и совсем кратко расскажем, на чем основано убеждение, что эти представления верны. Мы опишем важнейшие элементарные частицы, со свойствами которых мы познакомимся более детально в дальнейшем, и охарактеризуем силы, действующие между ними.

Задачи:

1. Изучить учебную литературу по теме «Физика элементарных частиц».
2. Определить понятие «Элементарная частица».
3. Привести примеры задач по теме «Физика элементарных частиц».

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Понятие элементарной частицы

В самом слове  элементарная заключается двоякий смысл. С одной стороны, элементарный — это само собой разумеющийся, простейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто фундаментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сейчас и называют субатомные частицы элементарными).

Считать известные  сейчас элементарные частицы подобными  неизменным атомам Демокрита мешает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна. Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, не могут прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне. Свободный нейтрон (нейтрон, находящийся вне атомного ядра) живет в среднем 16 мин.

Лишь четыре частицы — фотон, электрон, протон и нейтрино — могли бы сохранять  свою неизменность, если бы каждая из них  была одна в целом мире. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Электроны, протоны, нейтроны и нейтрино

    Первой  открытой субатомной частицей был электрон (); об его открытии заявил Дж. Дж. Томсон в 1897 г. Большое число электронов покидает металлы при нагревании, при сообщении металлам отрицательного электрического заряда, а также когда на них падает свет. Эти частицы отклоняются электрическими и магнитными полями; направление отклонения показывает, что электрон обладает отрицательным электрическим зарядом. Измеряя отклонение электронов в магнитном поле, можно определить отношение λ заряда электрона к его массе. Измерить непосредственно заряд электрона очень трудно. Но из ряда косвенных экспериментов известно, что наблюдаемые электрические заряды всегда оказываются целыми кратными некоторой основной величине е, значение которой в единицах СИ равно 1.6•10^-19 Кл. Предполагая, что эта величина равна заряду электрона, можно вычислить массу электрона, которая, таким образом, равна m=е/λ=9,1 • 10^-28 г.

    Дж. Дж. Томсон представлял атом в виде положительно заряженной субстанции, внутри которой по свои орбитам движутся электроны. Опыты Резерфорда по рассеиванию  альфа-частиц показали, что это не так. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома, но столкнулся с двумя трудностями. Первая модель противоречила максвелловской теории электромагнитного поля, по ней электрон должен был отдать всю свою энергию в электромагнитное излучение и упасть на ядро. Вторая трудность связана с излучением, которое испускается всякий раз, когда электрон получается дополнительную энергию от какого-нибудь источника и затем теряет ее.

    В начале века так же ходило заблуждение, что ядро атома однородно, и возможно что считали бы что разным атомам соответствуют разные ядра. Но в последствии эта теория была экспериментально опровергнута радиоактивностью, показавшим что ядром состоит из более мелких частиц.

    Радиоактивные вещества распадаясь испускают α, β и γ лучи. α –лучи имеют заряд положительный заряд 2е и являются ядрами атома гелия. β лучи это поток электронов. γ лучи представляют поток электромагнитного излучения. Но в процессе изучения возникли трудности с объяснением закона сохранения массы ядра. Тем самым введя понятия нейтрон, Резерфорд выдвигал теорию что внутри атома есть частица которая состоит из протона и электрона.

    Нейтрино  было открыто в 1930г. Паули. Рассматривая бета-распад было выяснено, что электроны имеют разную энергию. Таким образом, создается впечатление, что энергия не сохраняется при бета-распаде.  Паули предложил. Что недостающая энергия уносится еще одной гипотетической частицей, которая в рассматриваемых экспериментах не наблюдалась, так как она слабо взаимодействовала с веществом.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Античастицы барионы и лептоны

    Для элементарной частицы каждого типа существуют такие же частицы по механическим свойствам (масса и спин), но с  противоположным электрическим  зарядом. Такие частицы называются античастицами.

    Античастица для электрона называется позитроном (е⁺).

    Позитрон  был экспериментально обнаружен  Андерсоном в 1932 г. Когда электрон и позитрон сталкиваются, они могут уничтожить друг друга; при этом их масса превращается в энергию электромагнитного излучения. Наоборот, при определенных условиях электрон-позитронные пары могут образовываться из излучения. Такие рождающиеся пары оставляют характерные следы на фотографиях, полученных в пузырьковых камерах. Будучи противоположно заряженными, электрон и позитрон в магнитном поле движутся по противоположно искривленным траекториям, образуя па снимках характерные развилки в виде рогов оленя. 
 

    

    Рис1 (Снимок ЦЕРНа) Рождение электрон-позитронных пар фотонами интенсивного электромагнитного излучения

    Античастица, соответствующая протону, называется антипротоном (). Она может быть получена только вместе с протоном в процессе рождения пары, подобной только что описанной электрон-позитронгюй паре. Хотя нейтрон и нейтрино и не обладают электрическими зарядами, для них тоже существуют античастицы и . Эти античастицы отличаются от своих частиц не электрическим зарядом, а другими характеристиками, которые проще всего понять на примере радиоактивного бета-распада и других аналогичных процессов следующим образом.

    Как и электроны, позитроны также  испускаются некоторыми радиоактивными ядрами, и их испускание тоже сопровождается испусканием некоторых других частиц с нулевой массой покоя; эти последние  частицы называют теперь нейтрино. Например, существует радиоактивный изотоп кислорода, ядра которого содержат 8 протонов и 6 нейтронов и распадаются в ядра азота, состоящие из 7 протонов и 7 нейтронов:

          (3.1)

    Такой процесс аналогичен процессу обычного бета-распада

              (3.2)

    Причиной  распада углерода можно считать  распада одного из нейтронов в  ядре ¹⁴С:

    (3.3)

    Аналогично  причиной распада (1.11) можно считать  распад одного из протонов в ядре ¹⁴О:

                    (3.4) 

    Протоны сталкиваяся с антинейтрино образуют нейтроны и позитроны

                     (3.5)

    Аналогичный процесс можно наблюдать и  с нейтрино:

                   (3.6) 

    В процессах (3.3) - (3.6) участвуют частицы двух различных типов: сравнительно тяжелые частицы n и р и легкие частицы e^-, е⁺, ν и . Первые называются барионами, а вторые пептонами (от греческих слов «тяжелый» и «легкий»). В каждом из рассматриваемых процессов участвует по одному бариону до начала процесса и после процесса. Таким образом, число барионов сохраняется. Это утверждение не справедливо в отношении лептонов, так как в процессах принимают участие и античастицы. Но если при подсчете лептонов в начале и в копне процесса позитрон и антинейтрино учитывать с отрицательным знаком, то полное число лептонов в реакции тоже будет сохраняться в каждом рассматриваемом процессе.

    В науке введены лептонные и  барионные числа. Существует закон  о сохранении лептонных и барионных  чисел.

    Указанные три сохраняющиеся величины (электрический  заряд, лептонное число и барионное число) называются аддитивными квантовыми числами. 

    Характеристики  рассмотренных выше элементарных частиц приведены в таблице 1

                                                                Таблица 1

 

    Кварки  и лептоны

    При исследовании космических лучей, а  так же проведенные эксперименты на ускорителях элементарных частиц открыли существования других частиц вещества.

    Первой  из новых частиц явился мюон (µ^-). Эта частица подобна электрону, кроме значения массы (106 МэВ); она в отличие от электрона нестабильна и распадается в процессе. Среднее время жизни мюона 2ˑ10^-6 с 

      (4.1) 

    Впрочем последним распад не очень существенно отличает мюон от электрона, так как он является просто следствием большей массы мюона, которая делает возможным данный распад.