Загальна фізика. Частина 2. Магнетизм. Коливання і хвилі. Оптика. Елементи атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та елементарних часток

Різноманітні процеси з елементарними частинками помітно відрізняються за інтенсивністю їх протікання. У зв’язку з цим взаємодії елементарних часток ділять на декілька видів: сильну, електромагнітну, слабку, гравітаційну. Інтенсивність взаємодій прийнято характеризувати безрозмірними параметрами, пов’язаними з квадратами констант зв’язку відповідних взаємодій. 

Сильна взаємодія обумовлює найміцніший зв’язок елементарних часток. Для неї параметр   (g – стала мезон-нуклонної взаємодії), характерний час S  10-23 c, радіус дії rS  10-15 м. Саме вона забезпечує зв’язок нуклонів у ядрі.

Електромагнітна взаємодія менш інтенсивна, вона характеризується параметрами:   (е – елементарний електричний заряд), е  10-20 с, re  . Саме ця взаємодія відповідальна за зв’язок електронів з ядрами в атомах і атомів в молекулах.

Слабка взаємодія, як і сильна, – короткодіюча, її параметри:   (f – електронно-нейтринний заряд, що відповідає полю слабких взаємодій), w  10-10 с, rw  10-18 м. Вона відповідальна за повільні процеси -розпаду ядер та розпад квазістабільних елементарних часток.

Гравітаційна взаємодія універсальна, але в зв’язку з малими масами елементарних часток на характерних для них відстанях ~10–15м вона помітної ролі не грає:  , rg  ; однак вона може стати суттєвою на відстанях ~10–35м.

Слід відмітити, що відносна роль різних взаємодій змінюється з ростом енергії часток. Але різні властивості симетрії сприяють їх розділенню до досить значних енергій. Лише в границі самих великих енергій поділ взаємодій на види, мабуть, втрачає зміст.

В залежності від участі в тих чи інших видах взаємодій елементарні частинки розбиваються на класи: лептони (“слабкі” частинки), адрони (“сильні” частинки) з підкласами мезонів (“середніх” часток) та баріонів (“важких” часток); окрему групу елементарних часток складають частинки, що є носіями різних взаємодій.

Групу лептонів складають: електрон е–, м’юон –, таон –, відповідні нейтрино (е, , ) та їх античастинки. Спін всіх цих частинок J = 1/2, тобто вони є ферміонами (підкоряються статистиці Фермі-Дірака). Маса мюонів m =207 me, маса таонів m =3498 me, відомості про масу нейтрино – недостовірні. Лептони приймають участь у слабкій взаємодії (заряджені – також і в електромагнітній), але не зазнають сильної взаємодії. Лептони можна вважати істинно елементарними частинками, бо на сучасному рівні знань ніякої внутрішньої структури в них не виявлено.

Підгрупу мезонів складають заряджені чи нейтральні адрони, спін яких цілочисельний або дорівнює нулю, тобто вони є бозонами (підкоряються статистиці Бозе-Ейнштейна). Сюди входять піони  , каони  , -мезон, деони  ; mK  970 me, m  1074 me, mD  3658 me. Всі вони нестабільні, розпадаються за рахунок слабкої і електромагнітної взаємодії, приймають участь також у сильній взаємодії.

Підгрупа баріонів об’єднує нуклони (р, n) і гіперони (Λ, ,  ,  ), маса яких  (1,2 – 1,8) mp. Спін цих адронів напівцілий, тобто вони, як і лептони, є ферміонами. Баріони приймають участь у всіх видах взаємодій.

Відкриті на прискорювачах (починаючи з 60-х років) резонанси, список яких все збільшується, є сильновзаємодіючими короткоживучими частинками. Вони трапляються з цілим і напівцілим спіном, тому, відповідно, відносяться до мезонів або баріонів. 

До групи переносників взаємодій відносяться: фотони , що є квантами електромагнітного поля, проміжні векторні бозони w, z0, які є переносниками слабкої взаємодії, глюони – кванти поля сильної взаємодії кварків, гіпотетичні гравітони – кванти гравітації. Спін перших трьох типів квантів J = 1 , спін гравітона J = 2 , тобто всі ці кванти є бозонами.

Кожна елементарна частинка, поряд зі специфікою притаманних їй взаємодій, описується сукупністю дискретних значень певних фізичних величин, що її характеризують, так званих квантових чисел. Загальними характеристиками всіх елементарних часток є маса m, час життя , спін J, електричний заряд Q.

В залежності від часу життя елементарні частинки діляться на стабільні, квазістабільні і нестабільні. Стабільними вважаються електрон ( > 1021 р), протон ( > 1031 р), фотон, нейтрино. До квазістабільних відносяться частинки, які розпадаються за рахунок електромагнітної і слабкої взаємодії. Нестабільними є резонанси, які розпадаються за рахунок сильної взаємодії з характерним часом життя   10-23 с.

Спін частинки J, що характеризує її власний момент імпульсу, може бути цілим або напівцілим кратним величини  ( , де h – постійна Планка). В цих одиницях у відомих часток J набуває значень  ; серед резонансів зустрічаються частинки і з більшим спіном.

Електричний заряд Q частинки є цілим кратним елементарного заряду е. У відомих елементарних частинок  .

Було помічено, що квантові числа елементарних часток пов’язані з законами збереження, які відображають певні симетрії у природі. Наприклад, закони збереження енергії Е, імпульсу  , момента імпульсу   відображають властивості симетрії простору-часу (однорідності часу, однорідності та ізотропності простору). Відповідні закони збереження (а також закон збереження електричного заряду) є точними; вони виконуються у всіх видах взаємодій. Разом з цим, елементарні частинки характеризуються ще рядом квантових чисел, пов’язаних з так званими “внутрішніми” симетріями.

Це, перш за все, – баріонний заряд B. Для всіх баріонів B = +1, для антибаріонів B = –1, для всіх останніх часток B = 0.