для взаимодействия каких частиц характерно каждое фундаментальное взаимодействие

Физика. 11 класс

Конспект урока

Урок 30. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

Кварк — это фундаментальная частица в стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3 и не обнаруженная в свободном состоянии.

Глюоны – элементарные частицы, переносчики сильного взаимодействия.

Стандартная модель – это теория в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя теорию гравитации.

Ускоритель заряженных частиц – класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий.

Единая физическая картина мира — единая физическая теория, объясняющая загадки мироустройства

Основная и дополнительная литература по теме урока:

2.Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 165 – 166.

4. Джанколи Д.К. Физика в двух томах. Т.2. М: «МИР», 1989. С. 620 – 630.

Основное содержание урока

Все бесконечное многообразие взаимодействий можно свести к четырём фундаментальным:

Фундаментальные взаимодействия имеют различную природу и силу.

Свойства этих четырёх типов фундаментального взаимодействия приведены в таблице.

Гравитоны (не обнаружены)

В 1916 году Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности (ОТО), в которой объясняется гравитационное взаимодействие.

Слабое взаимодействие объясняет теория электрослабого взаимодействия (ТЭВ), созданная в 1967 году физиками Саламом, Глэшоу и Вайнбергом на основе квантовой электродинамики. За нее они получили Нобелевскую премию в 1979 году.

В 1927-1940-е годы Дираком, Паули, Фейнманом, Швингером создана квантовая электродинамика (КЭД), которая объясняет суть электромагнитного взаимодействия.

В 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия – квантовая хромодинамика (КХД), созданная объединенными усилиями многих физиков.

На основе этих двух последних теорий была создана Стандартная модель, все предсказания которой подтвердились, включая бозон Хиггса.

Стандартная модель – это теория в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя теорию гравитации.

Согласно этой теории, материя состоит из 24 частиц – 6 видов кварков и 6 видов лептонов, при этом каждой частице соответствует античастица (всего 12 античастиц).

Лепто́ны — фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. К лептонам относятся: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, τ-лептон, τ-нейтрино. Лептоны участвуют в слабом взаимодействии. Между заряженными частицами, относящимися к этому классу частиц, происходит ещё и электромагнитное взаимодействие.

Кварк – это фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3 и не обнаруженная в свободном состоянии.

Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 10 −16 см, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона.

Протоны и нейтроны состоят из трёх кварков – u, d и s.

Протон как структура из двух u-кварков и одного d-кварка

Нейтрон как структура из двух d-кварков и одного u-кварка

Кварковая модель элементарных частиц была независимо постулирована в 1964

году американскими физиками Марри Гел-Манном и Джорджем Цвейгом.

В настоящее время считается, что существует 6 сортов (чаще говорят: ароматов) кварков: u, d, s, c, b, t.

Некоторые свойства кварков

Кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой цветом. Каждый из ароматов кварка имеет цвет – красный, зелёный и синий.

Кварк одного цвета может перейти в кварк другого цвета, испустив цветной глюон – частицу, являющуюся переносчиком сильного взаимодействия. Кварки в адронах находятся в таких цветовых состояниях, что суммарный цветовой заряд адрона равен нулю. Говорят, что адроны бесцветные или белые.

Физика высоких энергий находится в постоянном поиске и развитии. На данном этапе истинно элементарными (то есть не имеющими структуры) считаются кварки, лептоны, кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитоны) и частица Хиггса.

Для того чтобы понять сложные законы микромира применяют ускорители заряженных частиц.

Ускоритель заряженных частиц – класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий.

Принцип работы всех ускорителей прост – заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля, магнитное же поле, создавая силу Лоренца, отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы.

Конструктивно ускорители можно принципиально разделить на две большие группы:

Виды циклические ускорителей:

Можно также классифицировать ускорители по назначению:

Современные ускорители являются огромными дорогостоящими комплексами, которые сооружают усилиями многих стран.

Единая физическая картина мира.

В первой половине XX века был обнаружен фундаментальный факт: все элементарные частицы способны превращаться друг в друга. Основным принципом единой картины мира стало единство в строении материи. Но единство мира проявляется и в законах движения частиц, и в законах их взаимодействия.

Революционное изменение классических представлений произошло после открытия квантовых свойств материи. Принципы квантовой теории являются совершенно общими, но все же многого выяснить пока еще не удалось

Предпринимаются попытки создания общей теории для всех типов взаимодействий, между которыми существует определённая связь. Электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия уже объединены в рамках теории великого объединения. Конечной целью физики является включение в эту теорию сил гравитации. Возможно совсем скоро кто-нибудь из вас, друзья, сумеет решить эту сложную проблему.

Разбор тренировочного задания

1. Решите кроссворд.

1) один из создателей КЭД;

5) название u-кварка.

2) один из создателей кварковой модели;

4) переносчик сильного взаимодействия.

Ответ: по горизонтали: 1) Паули; 5) верхний;

по вертикали: 2) Цвейг; 3) истинный; 4) глюон.

2. Определите по рисунку: 1) сколько кварков в составе протона и сколько в составе нейтрона; 2) сколько кварков в составе π-мезонов?

Кварковый состав протона и нейтрона

Ответ: 1) протон и нейтрон состоят из трех кварков; 2) π-мезоны состоят из двух кварков.

Источник

Для взаимодействия каких частиц характерно каждое фундаментальное взаимодействие

Таблица 10: Основные типы взаимодействий и их характеристики

3.2 Взаимодействия и поля в физике частиц

Таким образом, каждый фотон передает импульс q за время t = r/с, при этом сила взаимодействия равна

Число испущенных и поглощенных фотонов предполагается пропорциональным произведению зарядов, что приводит к закону Кулона

как и в классическом случае.
Квантовая концепция поглощения и испускания виртуальных фотонов является такой же условностью, как и классическая полевая концепция. Никто не наблюдал виртуальных квантов, на опыте измеряются только силы.
В табл. 11 представлены типы взаимодействий, соответствующие им силы взаимодействия и полевые кванты.

3.3 Диаграммы Фейнмана

Взаимодействия частиц в квантово-полевом подходе описываются с помощью диаграмм Фейнмана, для которых введены формальные правила. Диаграммы Фейнмана обладают большой наглядностью. На них ось времени направлена слева направо, так что слева находятся начальные состояния, а справа − конечные (реже ось времени направлена снизу вверх). Каждая частица, участвующая в процессе, изображается линией. Свободный левый или правый конец линии обозначает нахождение частицы в начальном или конечном состоянии соответственно. Внутренние линии на диаграммах (т.е. линии, не имеющие свободных концов) соответствуют так называемым виртуальным частицам. Это частицы, рождающиеся и поглощающиеся в процессе взаимодействия. Их нельзя зарегистрировать, в отличие от реальных частиц. Взаимодействие частиц на диаграмме изображается узлами (или вершинами). Тип взаимодействия характеризуется константой связи α, которая может быть записана в виде: α = g 2 /ћc, где g − заряд источника взаимодействия, α − основная количественная характеристика силы, действующей между частицами. В электромагнитном взаимодействии α_е = e 2 /ћc = 1/137.

Таблица 11: Силы в природе

Величина ћ/m_pc − это комптоновская длина волны протона. Она вводится в выражение α_слаб для того, чтобы сделать эту константу безразмерной.
Для гравитационного взаимодействия имеем константу взаимодействия

3.5 Электромагнитные взаимодействия

Наиболее полно и последовательно изучены электромагнитные взаимодействия. Разработана теория этих взаимодействий − квантовая электродинамика. Электромагнитным взаимодействиям подвержены все заряженные частицы и фотоны.
Примерами простейших электромагнитных процессов, в которых участвуют фотоны, являются фотоэффект, комптон-эффект, образование электрон-позитронных пар, а для заряженных частиц − ионизационное рассеяние и тормозное излучение. Некоторые из этих процессов изображены с помощью диаграмм Фейнмана на рис. 16.

Рис. 16: Примеры электромагнитных процессов: а − фотоэффект; б − комптон-эффект; в − рождение пар; г − рассеяние электрона на электроне; д − тормозное излучение.

Диаграммный метод позволяет получить сечение данного процесса через амплитуды вероятности процессов, соответствующих отдельным узлам диаграммы. Каждому узлу соответствует константа связи, равная квадратному корню из константы взаимодействия данного процесса.
В космических лучах электромагнитные процессы играют большую роль, например при прохождении космического излучения через атмосферу Земли, образовании широких атмосферных ливней и при прохождении частиц в плотных веществах.
На рис. 17 показаны сечения процессов взаимодействия фотонов с веществом в зависимости от энергии фотона. Относительные потери энергии заряженными частицами − на ионизацию и тормозное излучение − в свинце приведены на рис. 18.

Рис. 17: Зависимость коэффициента ослабления потока фотонов в свинце от энергии фотона за счет разных процессов: 1 − фотоэффекта; 2 − комптон-эффекта; 3 − образования электрон-позитронных пар; 4 − полный коэффициент ослабления.

Рис. 18: Потери энергии заряженными частицами: 1 − на ионизацию и 2 − на тормозное излучение.

3.6 Слабые взаимодействия

Исторически впервые слабые взаимодействия наблюдались при ядерном β-распаде:

где A − атомный номер, Z − число протонов, N − число нейтронов в ядре.

Все эти переходы связаны с превращениями протона в нейтрон в ядре и обратно

возможны и обратные реакции − захват электрона:

_e + p → е + + n.

Процесс поглощения антинейтрино наблюдался американскими физиками Райнесом и Коуэном в 1954 году вблизи реактора.
Слабое взаимодействие было описано Ферми в 1934 году в терминах четырехфермионного контактного взаимодействия, определяемого константой Ферми

где m_p − масса протона.
При очень высоких энергиях вместо фермиевского контактного взаимодействия слабое взаимодействие описывается как обменное, при котором происходит обмен квантом, наделенным слабым зарядом g (по аналогии с электрическим зарядом) и действующим между фермионами.

Рис. 19: Диаграммы Фейнмана для реакций: а − с заряженным и б − с нейтральным токами.

3.7 Сильные взаимодействия

Таблица 12. Представление глюона ввиде комбинаций цвета и антицвета к с з к с з к с з к с з

Рис. 20. Диаграмма Фейнмана, иллюстрирующая образование кварковых и глюонных струй.

Рис. 21: Перспективы объединения взаимодействий.

3.8 Гравитационные взаимодействия

10 11 ГэВ.
Релятивистской классической теорией гравитационных взаимодействий является общая теория относительности Эйнштейна, которая в пределе слабых гравитационных полей переходит в теорию тяготения Ньютона.
В квантовой теории гравитационные взаимодействия переносятся гравитоном − частицей с нулевой массой и спином, равным 2. Однако последовательная теория квантовой гравитации до настоящего времени не создана.
Основной характеристикой взаимодействий является константа взаимодействия а, определяющая силу взаимодействия на расстоянии, равном радиусу. Безразмерная константа а для указанных типов взаимодействий при Е_сцм

1 ГэВ подчиняется отношению

в котором за единицу принято значение константы для сильного взаимодействия. Далее следуют значения констант для электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий. Другие характеристики взаимодействий см. в табл. 10.

3.8.1 Константы взаимодействий и последствия их сравнения

Если объединить слабое взаимодействие с сильным, т.е. положить α_w ≈α_s(m), то.

Если объединить все взаимодействия, т.е. приравнять α_g ≈ α_w ≈ α_е ≈ α_s, то

3.8.2 Константа сильного взаимодействия

Остановимся подробнее на константе сильного взаимодействия

0.1 ГэВ − масштабный параметр КХД, μ 2 − характерный импульс кварка в адроне, b =11 − 2n_f/3; n_f − число ароматов кварков.
КХД − теория взаимодействия цветных точечных объектов, которая строится по аналогии с КЭД. В КХД рассматривается взаимодействие кварков на расстоянии r, которое на опыте определяется через квадрат переданного 4-импульса Q 2

_a + _b = _c + _d,

Рис. 22. Диаграмма Фейнмана и кварковая струна в КХД.

На рис. 23 и 24 проиллюстрирована аналогия между КЭД и КХД. На этих рисунках изображены диаграммы, описывающие поляризацию в КЭД и в КХД.

Рис. 23: Диаграммы, описывающие поляризацию электромагнитного вакуума.

Рис. 24: Диаграммы, описывающие поляризацию квантово-хромодинамического вакуума.

Рис. 25. Зависимость константы сильного взаимодействия от расстояния.

3.9 Свойства основных типов взаимодействий для фундаментальных фермионов

Рис. 26: Силовые линии: а − цветовое поле q с потенциалом V(r)

Сравнение конфигураций силовых линий в сильном и электромагнитном взаимодействиях представлено на рис. 26. Из-за сильного глюон-глюонного взаимодействия цветовое поле q, схематически представленное на рис. 26а, стягивается в струну (или трубку). Струна, подвергнутая возбуждению, разрывается и эта процедура приводит к образованию двух струн, а при последующих возбуждениях − к образованию многих струн. Схема процесса показана на рис. 27 (возбуждение изображается стрелкой). Каждую q струну можно рассматривать как мезон, а процесс образования многих струн есть процесс множественного рождения мезонов. При существующих энергиях возбуждения не удается разорвать струну с выделением отдельных кварков q или . Это явление названо конфайнментом.

Рис. 27: Образование струн при возбуждении кварка и антикварка.

Схематическое изображение разных взаимодействий, происходящих на кварковом уровне, показано на рис. 28.

Рис. 28. Схематическое изображение разных взаимодействий, происходящих на кварковом уровне:
а − распад Δ ++ → π + р; символическая схема, напоминающая, что Δ ++ распадается через сильное взаимодействие (с радиусом действия 1 Ф); б − β-распад, происходящий за счет слабого взаимодействия; массивный W-бозон испускается и поглощается с вероятностью α_w, в − распад мюона.

В табл. 13 представлены основные типы взаимодействий и их диаграммы для кварков и лептонов.

Таблица 13. Основные типы взаимодействий для кварков и лептонов

3.10 Стандартная Модель физики частиц

Современное представление о физике частиц содержится в так называемой Стандартной Модели. Стандартная Модель физики частиц базируется на квантовой электродинамике, квантовой хромодинамике и кварк-партонной модели.
Квантовая электродинамика (КЭД) − высокоточная теория − описывает процессы, происходящие под действием электромагнитных сил, которые изучены с высокой степенью точности.
Квантовая хромодинамика (КХД), описывающая процессы сильных взаимодействий, строится по аналогии с КЭД, но в большей степени это полуэмпирическая модель.
Кварк-партонная модель объединяет теоретические и экспериментальные результаты исследований свойств частиц и их взаимодействий.
До сего времени не обнаружено отклонений от Стандартной Модели.

Источник

Фундаментальные взаимодействия

На сегодня достоверно известно существование четырёх фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса):

слабого.При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.

Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено (см. Пятая сила).

В теориях Великого объединения предполагается существование электроядерного взаимодействия. Также, возможно, нарушение CP-инвариантности вызывается сверхслабым взаимодействием.

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Основные положения статистической интерпретации волновой функции были сформулированы М. Борном в 1926 году, как только было опубликовано волновое уравнение Шрёдингера. В отличие от интерпретации Шрёдингера, представляющей электрон в атоме в виде волнового пакета, интерпретация М.Борна рассматривала электрон в атоме как отрицательно заряженную элементарную частицу и сохраняла структуру электрона. Но при этом законы движения электрона в атоме приобретают вероятностный характер, определяемый волновой.

В физике элементарных частиц электрослабое взаимодействие является общим описанием двух из четырёх фундаментальных взаимодействий: слабого взаимодействия и электромагнитного взаимодействия. Хотя эти два взаимодействия очень различаются на обычных низких энергиях, в теории они представляются как два разных проявления одного взаимодействия. При энергиях выше энергии объединения (порядка 100 ГэВ) они соединяются в единое электрослабое взаимодействие.

Хи́ггсовский механи́зм или механи́зм Хи́ггса, предложенный английским физиком Питером Хиггсом в 1964 г. и основанный на предположении Филиппа Андерсона, — теория, которая описывает, как приобретают массы все элементарные частицы. Например, он делает Z-бозон отличным от фотона. Этот механизм может быть рассмотрен как элементарный случай тахионной конденсации, где роль тахиона играет скалярное поле, названное полем Хиггса. Массивный квант этого поля был назван бозоном Хиггса.

Источник