Cząstki elementarne obejmują: Cząstka elementarna: co to jest?

Słowo atom oznacza „niepodzielny”. Został wprowadzony przez filozofów greckich na oznaczenie najmniejszych cząstek, z których według ich rozumienia składa się materia.

Dziewiętnastowieczni fizycy i chemicy przyjęli ten termin w odniesieniu do najmniejszych znanych im cząstek. Choć od dawna potrafiliśmy „rozdzielać” atomy i niepodzielne przestało być niepodzielne, to jednak termin ten został zachowany. Według naszego obecnego zrozumienia atom składa się z maleńkich cząstek, które nazywamy cząstki elementarne. Istnieją również inne cząstki elementarne, które w rzeczywistości nimi nie są integralna część atomy. Zwykle produkuje się je przy użyciu cyklotronów, synchrotronów i innych akceleratorów cząstek o dużej mocy, specjalnie zaprojektowanych do badania tych cząstek. Występują również, gdy promienie kosmiczne przechodzą przez atmosferę. Te cząstki elementarne rozpadają się w ciągu kilku milionowych części sekundy, a często w jeszcze krótszym czasie od ich pojawienia się. W wyniku rozpadu albo zamieniają się w inne cząstki elementarne, albo uwalniają energię w postaci promieniowania.

Badanie cząstek elementarnych koncentruje się na stale rosnącej liczbie krótkotrwałych cząstek elementarnych. Chociaż ten problem ma wielkie znaczenie w szczególności dlatego, że wiąże się to z najbardziej podstawowymi prawami fizyki, niemniej jednak badania cząstek prowadzone są obecnie niemal w oderwaniu od innych dziedzin fizyki. Z tego powodu ograniczymy się do rozważenia tylko tych cząstek, które są stałymi składnikami najpowszechniejszych materiałów, a także niektórych cząstek, które są im bardzo bliskie. Pierwszą z cząstek elementarnych odkrytych pod koniec XIX wieku był elektron, który stał się wówczas niezwykle użytecznym sługą. W lampach radiowych przepływ elektronów odbywa się w próżni; i to poprzez regulację tego przepływu przychodzące sygnały radiowe są wzmacniane i przekształcane na dźwięk lub szum. W telewizorze wiązka elektronów pełni funkcję pióra, które natychmiast i dokładnie kopiuje na ekranie odbiornika to, co widzi kamera nadajnika. W obu przypadkach elektrony poruszają się w próżni, aby w miarę możliwości nic nie zakłócało ich ruchu. Jeszcze jedno przydatna właściwość jest ich zdolność, przechodząc przez gaz, do nadawania mu blasku. Zatem przepuszczając elektrony przez szklaną rurkę wypełnioną gazem pod określonym ciśnieniem, wykorzystujemy to zjawisko do produkcji światła neonowego, wykorzystywanego nocą do oświetlania dużych miast. A oto kolejne spotkanie z elektronami: błyskawica rozbłysła, a niezliczone elektrony, przebijając się przez grubość powietrza, tworzą przetaczający się dźwięk grzmotu.

Jednak w warunkach ziemskich istnieje stosunkowo niewielka liczba elektronów, które mogą się swobodnie poruszać, jak widzieliśmy w poprzednich przykładach. Większość z nich jest bezpiecznie związana w atomach. Ponieważ jądro atomu jest naładowane dodatnio, przyciąga ujemnie naładowane elektrony, zmuszając je do pozostawania na orbitach stosunkowo blisko jądra. Atom składa się zwykle z jądra i pewnej liczby elektronów. Jeśli elektron opuszcza atom, zwykle jest natychmiast zastępowany przez inny elektron, który jądro atomowe przyciąga z dużą siłą ze swojego najbliższego otoczenia.

Jak wygląda ten wspaniały elektron? Nikt go nie widział i nigdy nie zobaczy; a przecież znamy jego właściwości na tyle dobrze, że potrafimy bardzo szczegółowo przewidzieć, jak się będzie zachowywał różne sytuacje. Znamy jego masę („ciężar”) i ładunek elektryczny. Wiemy, że najczęściej zachowuje się tak, jakby osoba przed nami była bardzo mała cząstka, w pozostałych przypadkach wykazuje właściwości fale. Niezwykle abstrakcyjna, ale jednocześnie bardzo precyzyjna teoria elektronu została zaproponowana w pełnej formie kilkadziesiąt lat temu przez angielskiego fizyka Diraca. Teoria ta daje nam możliwość określenia, w jakich okolicznościach elektron będzie bardziej podobny do cząstki i w jakich okolicznościach będzie dominował jego falowy charakter. Ta podwójna natura – cząstka i fala – utrudnia uzyskanie jasnego obrazu elektronu; dlatego teoria, która uwzględnia oba te pojęcia, a mimo to daje pełny opis elektronu, musi być bardzo abstrakcyjna. Nierozsądnym byłoby jednak ograniczanie opisu tak cudownego zjawiska, jak elektron, do takich ziemskich obrazów, jak groszek i fale.

Jednym z założeń teorii elektronu Diraca było to, że musi istnieć cząstka elementarna, która ma takie same właściwości jak elektron, z tą różnicą, że jest naładowana dodatnio, a nie ujemnie. Rzeczywiście, taki bliźniak elektronowy został odkryty i nazwany pozyton. Jest częścią promieni kosmicznych, a także powstaje w wyniku rozpadu niektórych substancji radioaktywnych. W warunkach ziemskich życie pozytonu jest krótkie. Gdy tylko znajdzie się w pobliżu elektronu, a dzieje się to we wszystkich substancjach, elektron i pozyton „niszczą się” wzajemnie; Dodatni ładunek elektryczny pozytonu neutralizuje ładunek ujemny elektronu. Ponieważ zgodnie z teorią względności masa jest formą energii, a energia jest „niezniszczalna”, energia reprezentowana przez połączone masy elektronu i pozytonu musi być w jakiś sposób zachowana. Zadanie to spełnia foton (kwant światła), lub zwykle dwa fotony, które są emitowane w wyniku tego fatalnego zderzenia; ich energia jest równa całkowitej energii elektronu i pozytonu.

Wiemy też, co się dzieje i proces odwrotny, Foton może w pewnych warunkach, np. przelatując blisko jądra atomu, „z niczego” stworzyć elektron i pozyton. Do takiego powstania musi mieć energię co najmniej równą energii odpowiadającej całkowitej masie elektronu i pozytonu.

Dlatego cząstki elementarne nie są wieczne i stałe. Zarówno elektrony, jak i pozytony mogą pojawiać się i znikać; jednakże energia i wynikające z niej ładunki elektryczne są zachowywane.

Z wyjątkiem elektronu, cząstką elementarną znaną nam znacznie wcześniej niż jakakolwiek inna cząstka nie jest pozyton, który jest stosunkowo rzadki, ale proton- jądro atomu wodoru. Podobnie jak pozyton, jest naładowany dodatnio, ale jego masa jest około dwa tysiące razy większa niż masa pozytonu lub elektronu. Podobnie jak te cząstki, proton czasami wykazuje właściwości falowe, ale tylko w wyjątkowo szczególnych warunkach. To, że jego falowy charakter jest mniej wyraźny, jest w rzeczywistości bezpośrednią konsekwencją posiadania przez niego znacznie większej masy. Natura falowa, charakterystyczna dla całej materii, nie jest dla nas nabywana ważny dopóki nie zaczniemy pracować wyłącznie z lekkimi cząsteczkami, takimi jak elektrony.

Proton jest bardzo popularną cząstką. Atom wodoru składa się z protonu, który jest jego jądrem, i krążącego wokół niego elektronu. Proton jest także częścią wszystkich innych jądra atomowe.

Fizycy teoretyczni przewidzieli, że proton, podobnie jak elektron, ma antycząstkę. Otwór ujemny proton Lub antyproton, który ma takie same właściwości jak proton, ale jest naładowany ujemnie, potwierdził tę prognozę. Zderzenie antyprotonu z protonem „niszczy” je oba w taki sam sposób, jak w przypadku zderzenia elektronu z pozytonem.

Kolejna cząstka elementarna neutron, ma prawie taką samą masę jak proton, ale jest elektrycznie obojętny (bez ładunek elektryczny w ogóle). Jego odkrycie w latach trzydziestych naszego stulecia – mniej więcej jednocześnie z odkryciem pozytonu – było niezwykle ważne dla fizyki jądrowej. Neutron jest częścią wszystkich jąder atomowych (z wyjątkiem oczywiście zwykłego jądra atomu wodoru, które jest po prostu wolnym protonem); Kiedy jądro atomowe zapada się, uwalnia jeden (lub więcej) neutronów. Eksplozja bomba atomowa zachodzi w wyniku uwolnienia neutronów z jąder uranu lub plutonu.

Ponieważ protony i neutrony tworzą razem jądra atomowe, oba nazywane są nukleonami. Po pewnym czasie wolny neutron zamienia się w proton i elektron.

Znamy inną cząstkę, zwaną antyneutron, który podobnie jak neutron jest elektrycznie obojętny. Ma wiele właściwości neutronu, ale jedną z podstawowych różnic jest to, że antyneutron rozpada się na antyproton i elektron. Podczas zderzenia neutron i antyneutron niszczą się nawzajem,

Foton, czyli kwant światła, jest niezwykle interesującą cząstką elementarną. Chcąc przeczytać książkę, włączamy żarówkę. Zatem zapalona żarówka generuje ogromną liczbę fotonów, które z prędkością światła pędzą do książki, a także do wszystkich innych zakątków pokoju. Część z nich uderzając w ściany ginie natychmiast, inne uderzają i odbijają się od ścian innych obiektów raz za razem, jednak po niespełna jednej milionowej sekundy od momentu ich pojawienia się, wszystkie giną, z wyjątkiem tylko nielicznym udaje się uciec przez okno i wymknąć w przestrzeń kosmiczną. Energia potrzebna do wygenerowania fotonów jest dostarczana przez elektrony przepływające przez włączoną żarówkę; Kiedy fotony umierają, oddają tę energię książce lub innemu przedmiotowi, podgrzewając go, lub oku, powodując pobudzenie nerwów wzrokowych.

Energia fotonu, a co za tym idzie jego masa, nie pozostaje niezmieniona: występują fotony bardzo lekkie i bardzo ciężkie. Fotony wytwarzające zwykłe światło są bardzo lekkie, a ich masa stanowi zaledwie kilka milionowych masy elektronu. Pozostałe fotony mają masę w przybliżeniu taką samą jak masa elektronu, a nawet znacznie większą. Przykładami ciężkich fotonów są promienie rentgenowskie i promienie gamma.

Tutaj ogólna zasada: im lżejsza cząstka elementarna, tym bardziej wyrazisty jest jej falowy charakter. Najcięższe cząstki elementarne – protony – wykazują stosunkowo słabą charakterystykę falową; są nieco silniejsze dla elektronów; najsilniejsze są fotony. W rzeczywistości falowa natura światła została odkryta znacznie wcześniej niż jego korpuskularna charakterystyka. Wiemy, że światło to nic innego jak ruch fal elektromagnetycznych, odkąd Maxwell to wykazał w drugiej połowie ubiegłego wieku, ale to Planck i Einstein na początku XX wieku odkryli, że światło ma również właściwości korpuskularne , że czasami jest emitowany w postaci pojedynczych „kwantów”, czyli innymi słowy w postaci strumienia fotonów. Nie można zaprzeczyć, że trudno jest połączyć i stopić w naszych umysłach te dwie pozornie odmienne koncepcje natury światła; możemy jednak powiedzieć, że podobnie jak „dwoista natura” elektronu, nasza koncepcja tak nieuchwytnego zjawiska, jak światło, musi być bardzo abstrakcyjna. I tylko wtedy, gdy chcemy wyrazić naszą ideę za pomocą przybliżonych obrazów, musimy czasami porównać światło do przepływu cząstek, fotonów lub ruchu falowego o naturze elektromagnetycznej.

Istnieje związek pomiędzy korpuskularną naturą zjawiska a jego właściwościami „falowymi”. Im cięższa cząstka, tym krótsza odpowiednia długość fali; im dłuższa długość fali, tym jaśniejsza odpowiednia cząstka. Promienie rentgenowskie, składające się z bardzo ciężkich fotonów, mają odpowiednio bardzo krótką długość fali. Światło czerwone, które ma dłuższą długość fali niż światło niebieskie, składa się z fotonów lżejszych od fotonów przenoszących światło niebieskie. Najdłuższy fale elektromagnetyczne Ze wszystkich istniejących - fal radiowych - składają się z najmniejszych fotonów. Fale te w najmniejszym stopniu nie wykazują właściwości cząstek; ich falowa natura jest całkowicie dominującą cechą.

I wreszcie najmniejsza ze wszystkich małych cząstek elementarnych to neutrino. Nie ma ładunku elektrycznego, a jeśli ma jakąkolwiek masę, to jest ona bliska zeru. Z pewną przesadą można powiedzieć, że neutrino jest po prostu pozbawione właściwości.

Nasza wiedza o cząstkach elementarnych stanowi współczesną granicę fizyki. Atom odkryto w XIX wieku, a naukowcy tamtych czasów odkrywali coraz większą ich liczbę różne typy atomy; w podobny sposób dzisiaj znajdujemy coraz więcej cząstek elementarnych. I chociaż udowodniono, że atomy składają się z cząstek elementarnych, nie możemy oczekiwać, że przez analogię okaże się, że coś podstawowego cząstki składają się z jeszcze mniejszych cząstek. Problem, przed którym stoimy dzisiaj, jest zupełnie inny i nic nie wskazuje na to, że uda nam się rozdzielić cząstki elementarne. Mamy raczej nadzieję, że wszystkie cząstki elementarne okażą się przejawami jednego, jeszcze bardziej fundamentalnego zjawiska. A gdyby można było to ustalić, bylibyśmy w stanie zrozumieć wszystkie właściwości cząstek elementarnych; potrafił obliczyć ich masy i metody ich oddziaływania. Podjęto wiele prób rozwiązania tego problemu, który jest jednym z najbardziej powszechnych ważne kwestie fizyka.

Te trzy cząstki (jak również inne opisane poniżej) są wzajemnie przyciągane i odpychane zgodnie ze swoimi właściwościami opłaty, których są tylko cztery typy w zależności od liczby podstawowych sił natury. Ładunki można uporządkować w kolejności malejącej odpowiadających im sił w następujący sposób: ładunek kolorowy (siły oddziaływania pomiędzy kwarkami); ładunek elektryczny (siły elektryczne i magnetyczne); ładunek słaby (siły w niektórych procesach radioaktywnych); wreszcie masa (siła grawitacyjna lub oddziaływanie grawitacyjne). Słowo „kolor” nie ma tutaj nic wspólnego z kolorem światła widzialnego; jest to po prostu cecha silnego ładunku i największych sił.

Opłaty są zapisane, tj. ładunek wprowadzany do układu jest równy ładunkowi opuszczającemu go. Jeśli całkowity ładunek elektryczny pewnej liczby cząstek przed ich oddziaływaniem będzie równy, powiedzmy, 342 jednostki, to po interakcji, niezależnie od jej wyniku, będzie on równy 342 jednostkom. Dotyczy to również innych ładunków: kolorowego (ładunek oddziaływania silnego), słabego i masowego (masa). Cząstki różnią się ładunkami: w istocie „są” tymi ładunkami. Ładunki są swego rodzaju „zaświadczeniem” prawa do odpowiedzi odpowiedniej sile. Zatem tylko kolorowe cząstki podlegają siłom koloru, tylko cząstki naładowane elektrycznie podlegają siłom elektrycznym itp. O właściwościach cząstki decyduje największa siła działająca na nią. Tylko kwarki są nośnikami wszystkich ładunków i dlatego podlegają działaniu wszelkich sił, wśród których dominuje kolor. Elektrony mają wszystkie ładunki oprócz koloru, a dominującą dla nich siłą jest siła elektromagnetyczna.

Najbardziej stabilne w przyrodzie są z reguły neutralne kombinacje cząstek, w których ładunek cząstek jednego znaku jest kompensowany przez całkowity ładunek cząstek drugiego znaku. Odpowiada to minimalnej energii całego układu. (W ten sam sposób dwa magnesy sztabkowe są ułożone w linii, z biegunem północnym jednego z nich skierowanym w stronę biegun południowy inna, która odpowiada minimalnej energii pola magnetycznego.) Grawitacja jest wyjątkiem od tej reguły: masa ujemna nie istnieje. Nie ma ciał, które spadają w górę.

RODZAJE MATERII

Zwykła materia składa się z elektronów i kwarków, pogrupowanych w obiekty o neutralnym kolorze i ładunku elektrycznym. Moc koloru zostaje zneutralizowana, co zostanie omówione bardziej szczegółowo poniżej, gdy cząstki połączy się w trojaczki. (Stąd sam termin „kolor” zaczerpnięty z optyki: trzy kolory podstawowe po zmieszaniu dają biel.) Zatem kwarki, dla których najważniejsza jest siła koloru, tworzą trójki. Ale kwarki i są podzielone na ty-kwarki (od angielskiego w górę - od góry) i D-kwarki (od angielskiego dół - dół), również mają ładunek elektryczny równy ty-kwark i dla D-kwark. Dwa ty-kwark i jeden D-kwarki dają ładunek elektryczny +1 i tworzą proton i jeden ty-kwark i dwa D-kwarki dają zerowy ładunek elektryczny i tworzą neutron.

Stabilne protony i neutrony, przyciągane do siebie przez resztkowe siły koloru powstałe w wyniku interakcji pomiędzy ich składowymi kwarkami, tworzą jądro atomowe o neutralnym kolorze. Jednak jądra niosą dodatni ładunek elektryczny i przyciągając ujemne elektrony krążące wokół jądra niczym planety krążące wokół Słońca, mają tendencję do tworzenia neutralnego atomu. Elektrony na swoich orbitach są usuwane z jądra na odległości dziesiątki tysięcy razy większe niż promień jądra - dowód, że utrzymujące je siły elektryczne są znacznie słabsze niż siły jądrowe. Dzięki sile oddziaływania kolorów 99,945% masy atomu zawarte jest w jego jądrze. Waga ty- I D-kwarki mają masę około 600 mas elektronu. Dlatego elektrony są znacznie lżejsze i bardziej mobilne niż jądra. Ich ruch w materii powodowany jest zjawiskami elektrycznymi.

Istnieje kilkaset naturalnych odmian atomów (w tym izotopów), różniących się liczbą neutronów i protonów w jądrze, a co za tym idzie, liczbą elektronów na ich orbitach. Najprostszy jest atom wodoru, składający się z jądra w postaci protonu i krążącego wokół niego pojedynczego elektronu. Cała „widzialna” materia w przyrodzie składa się z atomów i częściowo „rozłożonych” atomów, które nazywane są jonami. Jony to atomy, które po utracie (lub zdobyciu) kilku elektronów stały się naładowanymi cząstkami. Materia składająca się prawie wyłącznie z jonów nazywana jest plazmą. Gwiazdy płonące w wyniku reakcji termojądrowych zachodzących w centrach składają się głównie z plazmy, a ponieważ gwiazdy są najpowszechniejszą formą materii we Wszechświecie, można powiedzieć, że cały Wszechświat składa się głównie z plazmy. Mówiąc dokładniej, gwiazdy składają się głównie z całkowicie zjonizowanego wodoru, tj. mieszanina pojedynczych protonów i elektronów, dlatego składa się z niej prawie cały widzialny Wszechświat.

To jest materia widzialna. Ale we Wszechświecie istnieje również materia niewidzialna. Istnieją cząstki, które działają jako nośniki siły. Istnieją antycząstki i stany wzbudzone niektórych cząstek. Wszystko to prowadzi do wyraźnie nadmiernej obfitości cząstek „elementarnych”. W tej obfitości można znaleźć wskazanie na rzeczywistą, prawdziwą naturę cząstek elementarnych i sił działających pomiędzy nimi. Według najnowszych teorii cząstki mogą być zasadniczo rozciągniętymi obiektami geometrycznymi – „strunami” w przestrzeni dziesięciowymiarowej.

Niewidzialny świat.

We Wszechświecie istnieje nie tylko materia widzialna (ale także czarne dziury i „ciemna materia”, takie jak zimne planety, które stają się widoczne po oświetleniu). Istnieje także prawdziwie niewidzialna materia, która w każdej sekundzie przenika nas wszystkich i cały Wszechświat. Jest to szybko poruszający się gaz składający się z cząstek jednego rodzaju – neutrin elektronowych.

Neutrino elektronowe jest partnerem elektronu, ale nie ma ładunku elektrycznego. Neutrina niosą jedynie tak zwany słaby ładunek. Ich masa spoczynkowa wynosi najprawdopodobniej zero. Ale oddziałują z polem grawitacyjnym, ponieważ mają energię kinetyczną mi, co odpowiada masie efektywnej M zgodnie ze wzorem Einsteina mi = mc 2 gdzie C– prędkość światła.

Kluczową rolą neutrina jest to, że przyczynia się ono do transformacji I-kwarkuje D-kwarki, w wyniku których proton zamienia się w neutron. Neutrina działają jak „igła gaźnika” w reakcjach syntezy gwiazd, podczas których cztery protony (jądra wodoru) łączą się, tworząc jądro helu. Ponieważ jednak jądro helu nie składa się z czterech protonów, lecz z dwóch protonów i dwóch neutronów, dla takich fuzja nuklearna potrzebuję dwóch I-kwarki zamieniły się w dwa D-kwark. Intensywność transformacji określa, jak szybko gwiazdy będą się palić. A proces transformacji determinowany jest przez słabe ładunki i słabe siły interakcji między cząstkami. Naraz I-kwark (ładunek elektryczny +2/3, ładunek słaby +1/2), oddziałujący z elektronem (ładunek elektryczny - 1, ładunek słaby –1/2), formy D-kwark (ładunek elektryczny –1/3, ładunek słaby –1/2) i neutrino elektronowe (ładunek elektryczny 0, ładunek słaby +1/2). Ładunki kolorowe (lub po prostu kolory) dwóch kwarków znoszą się w tym procesie bez neutrina. Rolą neutrina jest odprowadzanie nieskompensowanego, słabego ładunku. Dlatego tempo transformacji zależy od tego, jak słabe są słabe siły. Gdyby były słabsze niż obecnie, gwiazdy w ogóle by nie płonęły. Gdyby były silniejsze, gwiazdy już dawno by się wypaliły.

A co z neutrinami? Ponieważ cząstki te oddziałują wyjątkowo słabo z inną materią, niemal natychmiast opuszczają gwiazdy, w których się urodziły. Wszystkie gwiazdy świecą, emitując neutrina, a neutrina świecą w naszych ciałach i całej Ziemi w dzień i w nocy. Wędrują więc po Wszechświecie, aż być może wejdą w nową interakcję GWIAZDY).

Nośniki interakcji.

Co powoduje siły działające pomiędzy cząstkami oddalonymi od siebie? Współczesna fizyka odpowiada: w wyniku wymiany innych cząstek. Wyobraź sobie dwóch łyżwiarzy szybkich rzucających piłką. Nadając pęd piłce podczas rzucania i otrzymując pęd wraz z otrzymaną piłką, obaj otrzymują pchnięcie w kierunku od siebie. To może wyjaśniać pojawienie się sił odpychających. Ale w mechanice kwantowej, która uwzględnia zjawiska w mikroświecie, dozwolone jest niezwykłe rozciąganie i delokalizacja zdarzeń, co prowadzi do pozornie niemożliwego: jeden z łyżwiarzy rzuca piłkę w kierunku z inny, ale jednak ten Może złapać tę piłkę. Nietrudno sobie wyobrazić, że gdyby to było możliwe (a w świecie cząstek elementarnych jest to możliwe), pomiędzy łyżwiarzami powstałoby przyciąganie.

Cząstki, w wyniku wymiany sił oddziaływania pomiędzy czterema omówionymi powyżej „cząstkami materii”, nazywane są cząstkami cechowania. Każde z czterech oddziaływań – silne, elektromagnetyczne, słabe i grawitacyjne – ma swój własny zestaw cząstek cechujących. Cząstkami nośnikowymi oddziaływania silnego są gluony (jest ich tylko osiem). Foton jest nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego (jest tylko jeden i fotony postrzegamy jako światło). Cząstkami nośnikowymi oddziaływania słabego są bozony wektorów pośrednich (odkryto je w latach 1983 i 1984 W + -, W- -bozony i neutralny Z-bozon). Cząstką nośną oddziaływania grawitacyjnego jest wciąż hipotetyczny grawiton (powinien być tylko jeden). Wszystkie te cząstki, z wyjątkiem fotonu i grawitonu, które mogą pokonywać nieskończenie duże odległości, istnieją jedynie w procesie wymiany pomiędzy cząstkami materialnymi. Fotony wypełniają Wszechświat światłem, a grawitony wypełniają Wszechświat falami grawitacyjnymi (jeszcze nie wykrytymi w sposób wiarygodny).

Mówi się, że cząstka zdolna do emitowania cząstek miernikowych jest otoczona odpowiednim polem sił. Zatem elektrony zdolne do emitowania fotonów są otoczone elektrycznie i pola magnetyczne, a także pola słabe i grawitacyjne. Kwarki również są otoczone wszystkimi tymi polami, ale także silnym polem interakcji. Cząstki posiadające ładunek koloru w polu sił koloru podlegają oddziaływaniu siły koloru. To samo dotyczy innych sił natury. Można zatem powiedzieć, że świat składa się z materii (cząstek materialnych) i pola (cząstek pomiarowych). Więcej na ten temat poniżej.

Antymateria.

Każda cząstka ma antycząstkę, z którą może się ona anihilować, czyli anihilować. „anihilować”, powodując uwolnienie energii. Jednakże „czysta” energia sama w sobie nie istnieje; W wyniku anihilacji pojawiają się nowe cząstki (na przykład fotony), które przenoszą tę energię.

W większości przypadków antycząstka ma właściwości odwrotne do odpowiadającej jej cząstki: jeśli cząstka porusza się w lewo pod wpływem pola silnego, słabego lub elektromagnetycznego, wówczas jej antycząstka przesunie się w prawo. Krótko mówiąc, antycząstka ma przeciwne znaki wszystkich ładunków (z wyjątkiem ładunku masowego). Jeśli cząstka jest złożona, np. neutron, wówczas jej antycząstka składa się ze składników o przeciwnych znakach ładunków. Zatem antyelektron ma ładunek elektryczny +1, ładunek słaby +1/2 i nazywany jest pozytonem. Antyneutron składa się z I-antykwarki z ładunkiem elektrycznym –2/3 i D-antykwarki z ładunkiem elektrycznym +1/3. Prawdziwie neutralne cząstki są swoimi własnymi antycząstkami: antycząstką fotonu jest foton.

Według współczesnych koncepcji teoretycznych każda cząstka istniejąca w przyrodzie powinna mieć swoją antycząstkę. W laboratorium rzeczywiście otrzymano wiele antycząstek, w tym pozytony i antyneutrony. Konsekwencje tego są niezwykle ważne i leżą u podstaw całej eksperymentalnej fizyki cząstek. Zgodnie z teorią względności masa i energia są sobie równoważne i pod pewnymi warunkami energię można zamienić na masę. Ponieważ ładunek jest zachowany, a ładunek próżni (pustej przestrzeni) wynosi zero, dowolne pary cząstek i antycząstek (o zerowym ładunku wypadkowym) mogą wyłonić się z próżni jak króliki z kapelusza maga, o ile jest wystarczająco dużo energii, aby stworzyć ich masę.

Pokolenia cząstek.

Eksperymenty akceleratorowe wykazały, że kwartet cząstek materiału powtarza się co najmniej dwukrotnie przy większych wartościach mas. W drugiej generacji miejsce elektronu zajmuje mion (o masie około 200 razy większej od masy elektronu, ale o takich samych wartościach wszystkich pozostałych ładunków), miejsce neutrina elektronowego zajmuje pobrane przez mion (który towarzyszy mionowi w oddziaływaniach słabych w taki sam sposób, w jaki elektronowi towarzyszy neutrino elektronowe), miejsce I-kwark zajmuje Z-kwark ( oczarowany), A D-kwark – S-kwark ( dziwny). W trzeciej generacji kwartet składa się z leptonu tau, neutrina tau, T-kwark i B-kwark.

Waga T-kwark jest około 500 razy większy od masy najlżejszego – D-kwark. Ustalono eksperymentalnie, że istnieją tylko trzy rodzaje lekkich neutrin. Zatem cząstki czwartej generacji albo w ogóle nie istnieją, albo odpowiadające im neutrina są bardzo ciężkie. Jest to zgodne z danymi kosmologicznymi, według których mogą istnieć nie więcej niż cztery typy lekkich neutrin.

W eksperymentach z cząstkami wysokoenergetycznymi elektron, mion, lepton tau i odpowiadające im neutrina działają jak izolowane cząstki. Nie przenoszą ładunku barwnego i wchodzą jedynie w oddziaływania słabe i elektromagnetyczne. Nazywa się je zbiorczo leptony.

Tabela 2. GENERACJA CZĄSTEK PODSTAWOWYCH
Cząstka	Masa spoczynkowa, MeV/ Z 2	Ładunek elektryczny	Ładunek kolorowy	Słaby ładunek
DRUGA GENERACJA
Z-kwark	1500	+2/3	Czerwony, zielony lub niebieski	+1/2
S-kwark	500	–1/3	To samo	–1/2
Neutrino mionowe		0	0	+1/2
Mion	106	0	0	–1/2
TRZECIA GENERACJA
T-kwark	30000–174000	+2/3	Czerwony, zielony lub niebieski	+1/2
B-kwark	4700	–1/3	To samo	–1/2
Neutrino Tau		0	0	+1/2
Tau	1777	–1	0	–1/2

Kwarki pod wpływem sił koloru łączą się w silnie oddziałujące cząstki, które dominują w większości eksperymentów fizyki wysokich energii. Takie cząstki nazywane są hadrony. Obejmują one dwie podklasy: bariony(takie jak proton i neutron), które składają się z trzech kwarków, oraz mezony, składający się z kwarka i antykwarka. W 1947 roku w promieniowaniu kosmicznym odkryto pierwszy mezon, zwany pionem (lub pi-mezonem), i przez pewien czas uważano, że wymiana tych cząstek - główny powód siły nuklearne. Hadrony omega-minus odkryte w 1964 roku w Brookhaven National Laboratory (USA) oraz cząstka JPS ( J/y-mezon), odkrytą jednocześnie w Brookhaven i w Stanford Linear Accelerator Center (także w USA) w 1974 roku. Istnienie cząstki omega minus przewidział M. Gell-Mann w swoim tzw. SU 3” (inna nazwa to „ośmioraka ścieżka”), w której po raz pierwszy zasugerowano możliwość istnienia kwarków (i nadano im taką nazwę). Dziesięć lat później odkrycie cząstki J/y potwierdził istnienie Z-kwark i w końcu sprawił, że wszyscy uwierzyli zarówno w model kwarku, jak i teorię łączącą siły elektromagnetyczne i słabe ( patrz poniżej).

Cząstki drugiej i trzeciej generacji są nie mniej realne niż cząstki pierwszej. To prawda, że po powstaniu w ciągu milionowych lub miliardowych części sekundy rozpadają się na zwykłe cząstki pierwszej generacji: elektron, neutrino elektronowe, a także I- I D-kwarki. Pytanie, dlaczego w przyrodzie istnieje kilka generacji cząstek, wciąż pozostaje tajemnicą.

Często mówi się o różnych generacjach kwarków i leptonów (co jest oczywiście nieco ekscentryczne) jako o różnych „smakach” cząstek. Konieczność ich wyjaśnienia nazywa się problemem „smaku”.

BOzony i FERMIONY, POLE I MATERIA

Jedną z podstawowych różnic między cząstkami jest różnica między bozonami i fermionami. Wszystkie cząstki są podzielone na te dwie główne klasy. Identyczne bozony mogą nakładać się na siebie lub nakładać, ale identyczne fermiony nie. Superpozycja zachodzi (lub nie występuje) w dyskretnych stanach energii, na które mechanika kwantowa dzieli przyrodę. Stany te są jak oddzielne komórki, w których można umieścić cząstki. Możesz więc umieścić w jednej komórce dowolną liczbę identycznych bozonów, ale tylko jeden fermion.

Jako przykład rozważmy takie komórki lub „stany” elektronu krążącego wokół jądra atomu. W przeciwieństwie do planet Układu Słonecznego, zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, elektron nie może krążyć po żadnej orbicie eliptycznej; istnieje dla niego jedynie dyskretny ciąg dozwolonych „stanów ruchu”. Zbiory takich stanów, pogrupowane według odległości elektronu od jądra, nazywane są orbitale. Na pierwszym orbicie znajdują się dwa stany z w różnym czasie pęd, a zatem dwie dozwolone komórki, a na wyższych orbitali - osiem lub więcej komórek.

Ponieważ elektron jest fermionem, w każdej komórce może znajdować się tylko jeden elektron. Z tego wynikają bardzo ważne konsekwencje - cała chemia, ponieważ właściwości chemiczne substancji są określone przez interakcje między odpowiednimi atomami. Jeśli pójdziesz układ okresowy pierwiastki z jednego atomu do drugiego w kolejności zwiększania o jeden liczby protonów w jądrze (liczba elektronów również odpowiednio wzrośnie), wówczas pierwsze dwa elektrony zajmą pierwszy orbital, kolejnych osiem będzie znajdować się w drugie itd. Ta konsekwentna zmiana w strukturze elektronowej atomów z pierwiastka na pierwiastek determinuje wzory w ich atomach właściwości chemiczne.

Gdyby elektrony były bozonami, wówczas wszystkie elektrony w atomie mogłyby zajmować ten sam orbital, odpowiadający minimalnej energii. W takim przypadku właściwości całej materii we Wszechświecie byłyby zupełnie inne, a Wszechświat w postaci, w jakiej znamy, byłby niemożliwy.

Wszystkie leptony – elektron, mion, lepton tau i odpowiadające im neutrina – są fermionami. To samo można powiedzieć o kwarkach. Zatem wszystkie cząstki tworzące „materię”, główny wypełniacz Wszechświata, a także niewidzialne neutrina, są fermionami. Jest to dość znaczące: fermiony nie mogą się łączyć, więc to samo dotyczy obiektów w świecie materialnym.

Jednocześnie wszystkie „cząstki pomiarowe”, które dokonują wymiany pomiędzy oddziałującymi cząstkami materiału i które tworzą pole sił ( patrz wyżej) są bozonami, co również jest bardzo ważne. Na przykład wiele fotonów może znajdować się w jednym stanie, tworząc pole magnetyczne wokół magnesu lub pole elektryczne wokół ładunku elektrycznego. Dzięki temu możliwy jest również laser.

Kręcić się.

Różnica między bozonami i fermionami wiąże się z inną cechą cząstek elementarnych - kręcić się. Co zaskakujące, wszystkie cząstki podstawowe mają swój własny moment pędu lub, mówiąc prościej, obracają się wokół własnej osi. Kąt impulsu jest cechą ruchu obrotowego, podobnie jak całkowity impuls ruchu translacyjnego. W każdej interakcji moment pędu i pęd są zachowane.

W mikrokosmosie moment pędu jest kwantowany, tj. przyjmuje wartości dyskretne. W odpowiednich jednostkach miary leptony i kwarki mają spin 1/2, a cząstki cechujące spin 1 (z wyjątkiem grawitonu, którego nie zaobserwowano jeszcze eksperymentalnie, ale teoretycznie powinien mieć spin 2). Ponieważ leptony i kwarki to fermiony, a cząstki cechujące to bozony, możemy założyć, że „fermionowość” jest powiązana ze spinem 1/2, a „bozonowość” ze spinem 1 (lub 2). Rzeczywiście, zarówno eksperyment, jak i teoria potwierdzają, że jeśli cząstka ma spin połówkowy, to jest fermionem, a jeśli ma spin całkowity, to jest bozonem.

TEORIE PRZYMIARÓW I GEOMETRIA

We wszystkich przypadkach siły powstają w wyniku wymiany bozonów pomiędzy fermionami. Zatem siła koloru oddziaływania między dwoma kwarkami (kwarkami - fermionami) powstaje w wyniku wymiany gluonów. Podobna wymiana zachodzi stale w protonach, neutronach i jądrach atomowych. Podobnie fotony wymieniane między elektronami i kwarkami tworzą elektryczne siły przyciągania, które utrzymują elektrony w atomie, a bozony wektorów pośrednich wymieniane między leptonami i kwarkami tworzą słabe siły odpowiedzialne za przekształcanie protonów w neutrony w reakcjach termojądrowych w gwiazdach.

Teoria tej wymiany jest elegancka, prosta i prawdopodobnie poprawna. To się nazywa teoria miernika. Jednak obecnie istnieją tylko niezależne teorie cechowania dotyczące oddziaływań silnych, słabych i elektromagnetycznych oraz podobna, chociaż nieco inna teoria cechowania grawitacji. Jednym z najważniejszych problemów fizycznych jest redukcja tych indywidualnych teorii do jednej i jednocześnie prosta teoria, w którym wszystkie stałyby się różnymi aspektami jednej rzeczywistości – niczym krawędzie kryształu.

Tabela 3. NIEKTÓRE HADRONY

Tabela 3. NIEKTÓRE HADRONY
Cząstka	Symbol	Skład kwarkowy *	Masa spoczynkowa, MeV/ Z 2	Ładunek elektryczny
BARONY
Proton	P	uud	938	+1
Neutron	N	udd	940	0
Omega-minus	W –	sss	1672	–1
MEZONY
Pi plus	P +	ty	140	+1
Pi minus	P –	du	140	–1
Fi	F	sє	1020	0
JP	J/r	cў	3100	0
Upsilon	Ў	B	9460	0
* Skład kwarku: ty- szczyt; D- niżej; S- dziwny; C– zaczarowany; B- Piękny. Antyki są oznaczone linią nad literą.

Najprostszą i najstarszą z teorii cechowania jest teoria cechowania dotycząca oddziaływań elektromagnetycznych. W nim porównuje się (kalibruje) ładunek elektronu z ładunkiem innego odległego od niego elektronu. Jak porównać opłaty? Można na przykład zbliżyć drugi elektron do pierwszego i porównać siły ich oddziaływania. Ale czy ładunek elektronu nie zmienia się, gdy przemieszcza się do innego punktu w przestrzeni? Jedyny sposób sprawdza - wyślij sygnał z bliskiego elektronu do odległego i zobacz jak zareaguje. Sygnałem jest cząstka cechująca – foton. Aby móc przetestować ładunek na odległych cząstkach, potrzebny jest foton.

Matematycznie teoria ta jest niezwykle dokładna i piękna. Z opisanej powyżej „zasady cechowania” wypływa cała elektrodynamika kwantowa (kwantowa teoria elektromagnetyzmu), a także teoria pola elektromagnetycznego Maxwella – jedno z największych osiągnięć naukowych XIX wieku.

Dlaczego taka prosta zasada jest tak owocna? Najwyraźniej wyraża pewną korelację pomiędzy różnymi częściami Wszechświata, umożliwiając dokonywanie pomiarów we Wszechświecie. Z matematycznego punktu widzenia pole jest interpretowane geometrycznie jako krzywizna jakiejś możliwej „wewnętrznej” przestrzeni. Pomiar ładunku polega na pomiarze całkowitej „wewnętrznej krzywizny” wokół cząstki. Teorie cechowania oddziaływań silnych i słabych różnią się od teorii cechowania elektromagnetycznego jedynie wewnętrzną „strukturą” geometryczną odpowiedniego ładunku. Na pytanie, gdzie to dokładnie jest przestrzeń wewnętrzna, spróbuj odpowiedzieć na wielowymiarowe, ujednolicone teorie pola, które nie są tutaj brane pod uwagę.

Tabela 4. PODSTAWOWE INTERAKCJE
Wzajemne oddziaływanie	Intensywność względna w odległości 10–13 cm	Zakres	Nośnik interakcji	Masa spoczynkowa nośnika, MeV/ Z 2	Zakręć nośnikiem
Mocny	1		Gluon	0	1
Elektro- magnetyczny	0,01	Ґ	Foton	0	1
Słaby	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
Grawitacja- cjonalne	10 –38	Ґ	Grawiton	0	2

Fizyka cząstek nie jest jeszcze ukończona. Nadal nie jest jasne, czy dostępne dane wystarczą do pełnego zrozumienia natury cząstek i sił, a także prawdziwej natury i wymiaru przestrzeni i czasu. Czy potrzebne są do tego eksperymenty z energiami 10 15 GeV, czy też wystarczą wysiłki myślenia? Jeszcze nie ma odpowiedzi. Ale możemy śmiało powiedzieć, że ostateczny obraz będzie prosty, elegancki i piękny. Możliwe, że nie będzie tak wielu podstawowych idei: zasada cechowania, przestrzenie wyższych wymiarów, zapadanie się i rozszerzanie, a przede wszystkim geometria.

Aby wyjaśnić właściwości i zachowanie cząstek elementarnych, trzeba je wyposażyć, oprócz masy, ładunku elektrycznego i typu, w szereg dodatkowych, charakterystycznych dla nich wielkości (liczb kwantowych), które omówimy poniżej.

Cząstki elementarne dzieli się zazwyczaj na cztery klasy . Oprócz tych klas zakłada się istnienie innej klasy cząstek - grawitony (kwanty pola grawitacyjnego). Cząstki te nie zostały jeszcze odkryte eksperymentalnie.

Dajmy krótki opis cztery klasy cząstek elementarnych.

Do jednego z nich należy tylko jedna cząstka - foton .

Fotony (kwanty pola elektromagnetycznego) uczestniczą w oddziaływaniach elektromagnetycznych, ale nie mają oddziaływań silnych i słabych.

Tworzy się druga klasa leptony , trzeci - hadrony i wreszcie czwarty - bozony cechowania (Tabela 2)

Tabela 2

Cząstki elementarne
Leptony	Kalibrowanie bozony	Hadrony

		N, P, hiperony barionowy rezonanse	Mezonowy rezonanse

Leptony (grecki „ lepto" - łatwy) - cząsteczki,uczestnicząc w oddziaływaniach elektromagnetycznych i słabych. Należą do nich cząstki, które nie oddziałują silnie: elektrony (), miony (), taony (), a także neutrina elektronowe (), neutrina mionowe () i neutrina taonowe (). Wszystkie leptony mają spiny równe 1/2 i dlatego są fermiony . Wszystkie leptony oddziałują słabo. Te, które mają ładunek elektryczny (tj. miony i elektrony), oddziałują również elektromagnetycznie. Neutrina uczestniczą tylko w oddziaływaniach słabych.

Hadrony (grecki „ adros„ – duży, masywny) - cząsteczki,udział w silnych,oddziaływania elektromagnetyczne i słabe. Obecnie znanych jest ponad sto hadronów i dzieli się je na bariony I mezony .

Bariony - hadrony,składający się z trzech kwarków (qqq) i posiadający liczbę barionową B = 1.

Klasa barionów łączy nukleony ( P, N) oraz cząstki niestabilne o masie większej niż masa nukleonów, tzw hiperony (). Wszystkie hiperony mają silną interakcję i dlatego aktywnie oddziałują z jądrami atomowymi. Spin wszystkich barionów wynosi 1/2, więc bariony są fermiony . Z wyjątkiem protonu wszystkie bariony są niestabilne. Kiedy barion rozpada się wraz z innymi cząstkami, koniecznie powstaje barion. Ten wzór jest jednym z przejawy prawa zachowania ładunku barionowego.

Mezony - hadrony,składający się z kwarka i antykwarku () i posiadający liczbę barionową B = 0.

Mezony to silnie oddziałujące cząstki niestabilne, które nie przenoszą tzw. ładunku barionowego. Należą do nich -mezony lub piony (), K-mezony lub kaony ( ) i -mezony. Masy i mezony są takie same i wynoszą odpowiednio 273,1, 264,1 czasu życia i s. Masa K-mezonów wynosi 970. Czas życia K-mezonów jest rzędu s. Masa mezonów eta wynosi 1074, czas życia jest rzędu s. W przeciwieństwie do leptonów mezony oddziałują nie tylko słabo (a jeśli są naładowane, elektromagnetycznie), ale także silnie, co objawia się podczas wzajemnego oddziaływania, a także podczas oddziaływania mezonów z barionami. Spin wszystkich mezonów wynosi zero, więc tak jest bozony.

Bozony miernikowe - cząsteczki,oddziałujące pomiędzy podstawowymi fermionami(kwarki i leptony). To są cząstki W + , W – , Z 0 i osiem rodzajów gluonów g. Dotyczy to również fotonu γ.

Właściwości cząstek elementarnych

Każda cząstka opisana jest zbiorem wielkości fizycznych – liczb kwantowych, które określają jej właściwości. Najczęściej stosowane właściwości cząstek są następujące.

Masa cząstek , M. Masy cząstek wahają się w szerokim zakresie od 0 (fotonów) do 90 GeV ( Z-bozon). Z-bozon jest najcięższą znaną cząstką. Mogą jednak istnieć również cięższe cząstki. Masy hadronów zależą od rodzaju zawartych w nich kwarków, a także od ich stanów spinowych.

Czas życia , τ. W zależności od czasu życia cząstki dzielą się na stabilne cząstki, mający stosunkowo długą żywotność i nietrwały.

DO stabilne cząstki obejmują cząstki, które rozpadają się w wyniku oddziaływań słabych lub elektromagnetycznych. Podział cząstek na stabilne i niestabilne jest dowolny. Do cząstek stabilnych zaliczają się zatem cząstki takie jak elektron, proton, dla których dotychczas nie wykryto rozpadów, oraz mezon π 0, którego czas życia τ = 0,8×10 - 16 s.

DO niestabilne cząstki obejmują cząstki, które rozpadają się w wyniku oddziaływań silnych. Zwykle się je nazywa rezonanse . Charakterystyczny czas życia rezonansów wynosi 10 - 23 -10 - 24 s.

Kręcić się J. Wartość wirowania mierzy się w jednostkach ħ i może przyjmować wartości 0, półcałkowite i całkowite. Na przykład spin mezonów π i K jest równy 0. Spin elektronu i mionu jest równy 1/2. Spin fotonu wynosi 1. Istnieją cząstki o większej wartości spinu. Cząstki o spinie połówkowym podlegają statystyce Fermiego-Diraca, a cząstki o spinie całkowitym podlegają statystyce Bosego-Einsteina.

Ładunek elektryczny Q. Ładunek elektryczny jest całkowitą wielokrotnością mi= 1,6×10 - 19 C, zwany elementarnym ładunkiem elektrycznym. Cząstki mogą mieć ładunki 0, ±1, ±2.

Wewnętrzny parytet R. Liczba kwantowa R charakteryzuje właściwość symetrii funkcji falowej względem odbić przestrzennych. Liczba kwantowa R ma wartość +1, -1.

Oprócz cech wspólnych dla wszystkich cząstek, wykorzystują one również liczby kwantowe, które są przypisane tylko poszczególnym grupom cząstek.

Liczby kwantowe : liczba barionowa W, osobliwość S, czar (czar) Z, uroda (dno Lub uroda) B, górny (szczytowość) T, spin izotopowy I przypisywane jedynie silnie oddziałującym cząstkom - hadrony.

Liczby Leptona Le, L μ , Lτ. Liczby leptonowe są przypisane cząstkom tworzącym grupę leptonów. Leptony mi, μ i τ uczestniczą jedynie w oddziaływaniach elektromagnetycznych i słabych. Leptony V mi, n μ i n τ uczestniczą tylko w oddziaływaniach słabych. Liczby leptonowe mają znaczenie Le, L μ , Lτ = 0, +1, -1. Na przykład e - , neutrino elektronowe n mi Posiadać Le= +l; , Posiadać Le= - l. Wszystkie hadrony tak mają .

Liczba barionowa W. Liczba barionowa ma znaczenie W= 0, +1, -1. Bariony np. N, R, Λ, Σ, rezonanse nukleonowe mają liczbę barionową W= +1. Mezony, rezonanse mezonowe mają W= 0, mają antybariony W = -1.

Osobliwość S. Liczba kwantowa s może przyjmować wartości -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 i jest określona przez skład kwarkowy hadronów. Na przykład hiperony Λ, Σ mają S= -l; K + - , K– – mezony mają S= + l.

Czar Z. Liczba kwantowa Z Z= 0, +1 i -1. Na przykład barion Λ+ ma Z = +1.

Dno B. Liczba kwantowa B może przyjmować wartości -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Obecnie odkryto cząstki, które mają B= 0, +1, -1. Na przykład, W+ -mezon ma B = +1.

Topowość T. Liczba kwantowa T może przyjmować wartości -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Obecnie odkryto tylko jeden warunek T = +1.

Izospina I. Silnie oddziałujące cząstki można podzielić na grupy cząstek, które mają podobne właściwości (taką samą wartość spinu, parzystości, liczby barionowej, dziwności i innych liczb kwantowych, które są zachowane w silnych oddziaływaniach) - multiplety izotopowe. Wartość izospiny I określa liczbę cząstek wchodzących w skład jednego multipletu izotopowego, N I R stanowi dublet izotopowy I= 1/2; Σ + , Σ - , Σ 0 są uwzględnione triplet izotopowy I= 1, Λ - singlet izotopowy I= 0, liczba cząstek zawartych w jednej multiplet izotopowy, 2I + 1.

G - parytet jest liczbą kwantową odpowiadającą symetrii w odniesieniu do jednoczesnego działania koniugacji ładunku Z oraz zmiany znaku trzeciego składnika I izospina. G- parytet jest zachowany tylko w silnych interakcjach.

Cząstki elementarne

Rozważanie struktury materii jest rzeczą naturalną rozpocząć od „najmniejszych” jednostek strukturalnych, których istnienie zostało obecnie ustalone. Cząstki takie nazywane są elementarnymi, ponieważ są bardziej niepodzielne (nie można wykryć ich struktury) i fundamentalnymi, z których składa się materia.

Klasyfikacja cząstek elementarnych. Cząstki biorące udział w oddziaływaniach silnych tworzą rodzinę hadronów. Są to bariony (proton R, neutron N), hiperony (λ, Σ itp.), mezony (π-; k-), a także duża grupa tak zwane cząstki rezonansowe (rezonanse). Bariony mają spiny półpełne, mezony mają spiny pełne. Bariony różnią się od mezonów tzw. ładunkiem barionowym, dlatego też przemiana barionów w mezony jest zabroniona przez prawo zachowania ładunku barionowego. Ten ważna własność, co zapewnia stabilność jąder, a co za tym idzie, całego otaczającego ich świata. Rzeczywiście, gdyby nukleony barionowe (proton i neutron) mogły zamienić się w mezony, wówczas jądra atomowe ostatecznie uległyby rozpadowi. Hadrony nie są tak naprawdę cząstkami elementarnymi, tzn. są struktura wewnętrzna. To częściowo wyjaśnia niestabilność większości hadronów.

Dziś istnienie prawdziwie fundamentalnych, pozbawionych struktury cząstek tworzących hadrony można uznać za udowodnione. Cząstki te nazywane są kwarkami (Gell-Mann. Zweig, 1963). Nie zostały jeszcze odkryte eksperymentalnie, prawdopodobnie przepływy, które nie istnieją osobno, to znaczy w stanie wolnym. Wiadomo, że ładunek kwarków jest wielokrotnością 1/3 mi, a spin wynosi 1/2. Istnieje sześć rodzajów kwarków, które wyróżniają się cechą zwaną „smakiem” (górny, dolny, czarujący, dziwny, prawdziwy, piękny); Każdy kwark charakteryzuje się także określoną liczbą kwantową – „kolorem” (czerwony, zielony, niebieski). Wszystkie bariony składają się z trzech kwarków (na przykład proton z dwóch górnych o ładunkach +2/3 mi i jeden dolny z ładunkiem - 1/3 mi). Trójka kwarków jest „wybierana” według „koloru”, tak że proton jest „biały”. Mezony składają się z kwarka i antykwarka.

Wszystkie inne cząstki (z wyjątkiem fotonu), które nie biorą udziału w oddziaływaniach silnych, nazywane są leptonami. Rodzinę leptonów reprezentuje sześć bezstrukturalnych („punktowych”) cząstek: elektron mi, mion μ, tau-lepton (taon) τ i neutrina odpowiadające tym cząstkom ( w mi, w μ , w τ).

Zgodnie z zasadą symetrii kwark-lepton każdemu leptonowi odpowiada konkretny kwark (tabela 5.2).

Tabela 5.2.

Zatem dzisiejsze kwarki i leptony, wraz z cząstkami przenoszącymi oddziaływania, uważane są za prawdziwie elementarne (fundamentalne) cząstki. Współczesny Wszechświat zbudowany jest z leptonów i kwarków pierwszej generacji wraz z fotonami. Uważa się, że cząstki drugiej i trzeciej generacji odegrały ważną rolę we wczesnym Wszechświecie, w pierwszych momentach Wielkiego Wybuchu, podczas gdy nie było rozróżnienia na kwarki i leptony.

Podstawowe charakterystyki cząstek elementarnych. Jedną z najważniejszych cech cząstek elementarnych jest stabilność, czyli zdolność określony czas(przez całe życie), aby być w stanie wolnym. Spośród cząstek wykrytych eksperymentalnie tylko kilka jest stabilnych. Proton, elektron, foton i, jak się uważa, neutrina wszystkich typów mogą istnieć w stanie wolnym przez nieograniczony czas. Wszystkie inne cząstki, próbując przejść w stan o minimalnej energii, rozpadają się mniej lub bardziej szybko, osiągając końcowy stan stabilny. Najbardziej krótki czasżywotność (~10 -23 s) dla cząstek rezonansowych. Neutron istnieje w stanie swobodnym przez ~10 3 s. W rodzinie leptonów mion „żyje” ~10-6 s, a taon ~10-12 s.

Zakłada się, że w naturze krótkotrwałe cząstki elementarne odgrywają decydującą rolę w ekstremalnych warunkach, na przykład podobnych do początkowych etapów powstawania Wszechświata.

Masy odpoczynku stabilne cząstki elementarne mają następujące znaczenia: proton M p ≈ 1,67 · 10 -27 kg, elektron M e ≈ 0,91 · 10 -30 kg. Foton i wszystkie typy neutrin mają zerową masę spoczynkową.

Z reguły masy cząstek elementarnych wyrażane są w jednostkach energii - elektronowoltach. Następnie Mр ≈938,3×10 6 eV =938,3 MeV, M e ≈ 0,51 MeV.

Cząstki elementarne mają ładunek elektryczny +tj Lub -mi lub są elektrycznie neutralne.

Ładunek elektronowy mi równe - 1,6 · 10 -19 C.

Jeden z najważniejsze cechy cząstki elementarne - spin. Wartość spinu określa rodzaj funkcji falowej (symetryczna lub antysymetryczna) oraz rodzaj statystyki (czyli prawa opisującego zachowanie grupy mikrocząstek). Cząstki o spinie zerowym lub całkowitym (fotony, mezony π itp.) podlegają statystyce Bosego-Einsteina i nazywane są bozonami. Cząstki o spinie półcałkowitym (elektrony, protony, neutrony) podlegają statystyce Fermiego-Diraca i nazywane są fermionami. Podstawowymi fermionami są leptony i kwarki. Fermiony podlegają zasadzie Pauliego, zgodnie z którą w dowolnym układzie identycznych fermionów dowolne dwa z nich nie mogą znajdować się jednocześnie w tym samym stanie. W zastosowaniu do rozkładu elektronów w atomie zasada Pauliego stwierdza; że w tym samym atomie nie może znajdować się więcej niż jeden elektron z tym samym zestawem czterech liczb kwantowych n, l, m I σ .

Zasada Pauliego opiera się na nierozróżnialności identycznych cząstek kwantowych. Kiedy dwa fermiony zostaną zamienione, funkcja falowa musi zmienić swój znak. Jeśli jednak stany dwóch fermionów (tj. ich zbiory liczb kwantowych) są takie same, to funkcja ψ nie powinna zmieniać znaku. Sprzeczność ta jest formalnie eliminowana dopiero przy ψ=0, co oznacza, że nie jest możliwe (prawdopodobieństwo zerowe), aby cząstka znajdowała się w takim stanie.

Antycząstki. Dla każdej znanej cząstki elementarnej istnieje tzw. antycząstka. Masy, czasy życia i spiny cząstek i antycząstek są takie same. Inne cechy, na przykład ładunek elektryczny, moment magnetyczny, mają tę samą wielkość, ale przeciwny znak. Takimi parami są na przykład proton R oraz antyproton, elektron i antyelektron mi+ (tj. pozyton mi+). Niektóre cząstki, takie jak foton, są identyczne ze swoimi antycząstkami.

Antycząstki rodzą się w reakcjach jądrowych przy dość wysokich energiach, ale w materii ich czas życia jest krótki. Kiedy cząstka i antycząstka spotykają się, następuje anihilacja. Masa i energia kinetyczna pary cząstka-antycząstka zamieniana jest na energię fotonów lub innych cząstek. Na przykład, gdy elektron i pozyton anihilują, uwalniane są dwa fotony:

mi - + mi+ → 2γ.

Z kolei fotony mogą zamienić się w pary elektron-pozyton. Reakcje te wyraźnie świadczą o braku wyraźnej granicy między polem a materią, charakterystycznej dla klasycznego obrazu świata.

Jądra atomowe

Kolejnym w rozważanej hierarchii obiektów Natury jest jądro atomowe. Jądro jest związanym układem dwóch rodzajów hadronów – protonów i neutronów, które w tym przypadku łączy się pod wspólną nazwą „nukleony”. Proton jest jądrem najprostszego atomu – atomu wodoru. Ma ładunek dodatni, liczbowo równy ładunkowi elektronu. Neutron jest elektrycznie obojętny. Masa neutronów M n =1,6750·10 -27 kg. Liczbę protonów w jądrze atomowym nazywa się liczbą atomową ( Z), a całkowita liczba nukleonów to liczba masowa ( A). Ładunek jądrowy jest dodatni i równy Z · mi. Większość jąder atomowych jest reprezentowana przez grupy izotopów. Opłata Z w każdej grupie izotopów jest stała, ale liczba neutronów jest różna. Istnieją stabilne, długo żyjące i radioaktywne izotopy. Przyczyny niestabilności radioaktywnej są związane z brakiem lub nadmiarem neutronów w jądrze.

Wielkość jądra tradycyjnie charakteryzuje się promieniem R jądra. Promień rośnie wraz z liczbą nukleonów zgodnie ze wzorem gdzie R 0 = (1,3 ..., 1,7) · 10 -15 m Gęstość „upakowania” nukleonów w jądrze jest bardzo duża i wynosi ~10 44 nukleonów/m 3 lub 10 17 kg/m 3 .

Jak już wspomniano, stabilność jądra tłumaczy się obecnością silnych oddziaływań lub jądrowych sił przyciągania. Energia potrzebna do utrzymania nukleonów w jądrze, zgodnie z prawem zachowania energii, jest określona przez pracę, jaką należy wykonać, aby rozdzielić jądro na nukleony składowe. Energia ta nazywana jest energią wiązania jądra. Energia wiązania objawia się zmniejszeniem masy jądra podczas jego powstawania w porównaniu do całkowitej masy nukleonów tworzących jądro:

Wartość Δ M nazywa się defektem masy. Energię wiązania definiuje się jako

Zazwyczaj jądro charakteryzuje się specyficzną energią wiązania, czyli energią na nukleon. Na ryc. 5.3 pokazuje zależność konkretna energia połączenia z numeru masowego A, charakteryzujący siłę wiązań nukleonowych w jądrach różnych pierwiastków chemicznych. Jak wynika z wykresu, najsilniejsze wiązania występują pomiędzy jądrami pierwiastków o liczbach masowych (28…138). W miarę zwiększania się A energia wiązania maleje. Spadek siły jąder tłumaczy się tym, że w lekkich jądrach wiązania nukleonów nie są nasycone, a w ciężkich jądrach zaczyna działać odpychanie protonów od siebie kulombowskim.

Z ryc. 5.3 pokazuje również, że procesy powstawania jąder bardziej stabilnych (tj. charakteryzujących się dużymi wartościami Δ mi SW towarzyszy uwolnienie energii. Zatem reakcja syntezy lekkich jąder z utworzeniem cięższych (strzałka 1 na ryc. 5.3) i reakcja rozszczepienia ciężkich jąder (strzałka 2 na ryc. 5.3) są obiecujące z energetycznego punktu widzenia.

Zagadnienie to zostało szczegółowo omówione w drugiej części kursu.

Reakcje jądrowe. Radioaktywność. Reakcje jądrowe to procesy, w wyniku których z jąder jednego pierwiastka powstają jądra innych pierwiastków. Procesy te mogą zachodzić zarówno w wyniku wpływów zewnętrznych (na przykład „zderzeń jądra z innymi cząstkami”), jak i spontanicznie, spontanicznie (wzrost radioaktywny).

Reakcje jądrowe zapisuje się jak reakcje chemiczne. Na przykład w wyniku reakcji rozszczepienia jądra uranu w zderzeniu z neutronem powstają jądra cezu i rubidu oraz dwa neutrony:

Do przeprowadzenia reakcji jądrowych najczęściej wykorzystuje się naświetlanie jądra neutronami. Faktem jest, że elektrycznie obojętny neutron nie ulega odpychaniu kulombowskiemu protonów jądrowych i łatwo w niego przenika. Pod wpływem wysokoenergetycznego (>100 MeV) napromieniania neutronami następuje rozszczepienie wszystkich jąder.

Neutrony uwalniane w reakcjach rozpadu mogą powodować rozszczepienie innych jąder, w wyniku czego powstają reakcja łańcuchowa- proces podobny do lawiny, na przykład eksplozja bomby atomowej. Część neutronów można usunąć z materiału rozszczepialnego, a następnie można kontrolować reakcję rozszczepienia. Absorpcja neutronów w prętach grafitowych jest stosowana w reaktorach jądrowych.

Spontaniczny rozpad jąder z uwolnieniem różnych cząstek nazywa się radioaktywnością. W każdym rozpadzie promieniotwórczym masa pierwotnego jądra przekracza jedną masę produktów cięcia, tj. uwalniana jest energia. Promieniotwórczość naturalną odkrył A. Bsquerel (1896), a radioaktywność sztuczną odkryli małżonkowie Joliot-Curie (1936). Głównymi rodzajami promieniotwórczości są rozpady alfa, beta i gamma.

Rozpad alfa polega na spontanicznej emisji cząstki ci (tj. jądra helu) z jądra. Rozpad alfa obserwuje się tylko w ciężkich jądrach o Z ≥ 82.

Podczas rozpadu beta jądro emituje elektron i antyneutrino elektronowe (lub pozyton i neutrino elektronowe):

Rozpad beta spowodowany jest przemianą nukleonów spowodowaną słabym oddziaływaniem, np. w pierwszej z zarejestrowanych reakcji neutron ulega konwersji według schematu

Rozpad gamma polega na emisji fotonów o wysokiej energii (kwantach γ) z jądra. Jądro, będąc układem kwantowym, może znajdować się w stanach o różnych energiach. Podczas przejść ze wzbudzonych stanów energii do podstawowych, niewzbudzonych stanów jądra emitują kwanty γ. W tym przypadku nie jest to ani liczba masowa A, ani liczba atomowa jądra Z nie zmieniaj się.

CZĄSTECZKI ELEMENTARNE- pierwotne, dalsze nierozkładalne cząstki, z których, jak się uważa, składa się cała materia. We współczesnej fizyce termin „cząstki elementarne” jest zwykle używany do określenia dużej grupy drobnych cząstek materii, które nie są atomami (patrz Atom) ani jądrami atomowymi (patrz Jądro atomowe); Wyjątkiem jest jądro atomu wodoru – proton.

W latach 80. XX wieku nauka znała ponad 500 cząstek elementarnych, z których większość była niestabilna. Cząstki elementarne obejmują proton (p), neutron (n), elektron (e), foton (γ), pi-mezony (π), miony (μ), ciężkie leptony (τ +, τ -), neutrina trzech typów - elektroniczne (V e), mionowe (V μ) i związane z tzw. ciężkim deptonem (V τ), a także cząstki „dziwne” (K-mezony i hiperony), różne rezonanse, mezony o ukrytym uroku, „zaczarowane ”, cząstki upsilon (Υ), cząstki „piękne”, bozony wektorów pośrednich itp. Powstała niezależna gałąź fizyki - fizyka cząstek elementarnych.

Historia fizyki cząstek sięga roku 1897, kiedy J. J. Thomson odkrył elektron (patrz: Promieniowanie elektronowe); w 1911 r. R. Millikan zmierzył wielkość jego ładunku elektrycznego. Pojęcie „fotonu” – kwantu światła – wprowadził M. Planck w 1900 roku. Bezpośrednie eksperymentalne dowody na istnienie fotonu uzyskali Millikan (1912-1915) i Compton (A. N. Compton, 1922). Badając jądro atomowe, E. Rutherford odkrył proton (patrz promieniowanie protonowe), aw 1932 r. J. Chadwick odkrył neutron (patrz promieniowanie neutronowe). W 1953 roku udowodniono eksperymentalnie istnienie neutrin, które W. Pauli przewidział już w 1930 roku.

Cząstki elementarne dzielą się na trzy grupy. Pierwsza jest reprezentowana przez pojedynczą cząstkę elementarną - foton, kwant γ lub kwant promieniowanie elektromagnetyczne. Druga grupa to leptony (gr. leptos małe, lekkie), uczestniczące oprócz elektromagnetycznych także w oddziaływaniach słabych. Znanych jest 6 leptonów: neutrino elektronowe i elektronowe, neutrino mionowe i mionowe, ciężki τ-lepton oraz odpowiadające mu neutrino. Trzecią – główną grupą cząstek elementarnych są hadrony (gr. hadrosy duże, mocne), które uczestniczą we wszystkich rodzajach oddziaływań, w tym także w oddziaływaniach silnych (patrz niżej). Hadrony obejmują cząstki dwóch rodzajów: bariony (gr. barys ciężki) – cząstki o spinie półcałkowitym i masie nie mniejszej niż masa protonu oraz mezony (greckie medium mezo) – cząstki o spinie zerowym lub całkowitym (patrz Elektron paramagnetyczny rezonans). Bariony obejmują proton i neutron, hiperony, niektóre rezonanse i „czarowane” cząstki oraz niektóre inne cząstki elementarne. Jedynym stabilnym barionem jest proton, pozostałe bariony są niestabilne (neutron w stanie wolnym jest cząstką niestabilną, natomiast w stanie związanym wewnątrz stabilnych jąder atomowych jest stabilny. Mezony mają swoją nazwę od mas pierwszego odkryte mezony – mezon pi i mezon K – miały wartości pośrednie między masami protonu i elektronu. Później odkryto mezony, których masa przekracza masę protonu. Hadrony również charakteryzują się dziwnością (S ) - zerowa, dodatnia lub ujemna liczba kwantowa Hadrony o zerowej dziwności nazywane są zwykłymi, a przy S ≠ 0 - dziwnymi. W 1964 r. G. Zweig i M. Gell-Mann niezależnie zasugerowali strukturę kwarkową hadronów Wiele eksperymentów wskazuje, że kwarki są prawdziwymi formacjami materialnymi wewnątrz kwarków i mają szereg niezwykłych właściwości, np. ułamkowy ładunek elektryczny itp. Nie obserwowano kwarków w stanie swobodnym. Uważa się, że wszystkie hadrony powstają z powodu różne kombinacje kwarki.

Początkowo cząstki elementarne badano w badaniu rozpadu radioaktywnego (patrz Radioaktywność) i promieniowania kosmicznego (patrz). Jednak od lat 50. XX wieku badania cząstek elementarnych prowadzone są na akceleratorach cząstek naładowanych (patrz), w których przyspieszone cząstki bombardują cel lub zderzają się z cząstkami lecącymi w ich stronę. W tym przypadku cząstki oddziałują ze sobą, powodując ich wzajemną konwersję. W ten sposób odkryto większość cząstek elementarnych.

Każda cząstka elementarna, wraz ze specyfiką jej nieodłącznych oddziaływań, opisana jest zbiorem dyskretnych wartości pewnych wielkości fizycznych, wyrażonych w liczbach całkowitych lub liczby ułamkowe(liczby kwantowe). Ogólna charakterystyka wszystkich cząstek elementarnych to masa (m), czas życia (t), spin (J) – wewnętrzny moment pędu cząstek elementarnych, który ma charakter kwantowy i nie jest związany z ruchem cząstki jako całości, ładunek elektryczny ( Ω) i moment magnetyczny (μ). Ładunki elektryczne badanych cząstek elementarnych w wartościach bezwzględnych są całkowitymi wielokrotnościami ładunku elektronu (e≈1,6*10 -10 k). Znane cząstki elementarne mają ładunki elektryczne równe 0, ±1 i ±2.

Wszystkim cząstkom elementarnym odpowiadają antycząstki, których masa i spin są równe masie i spinowi cząstki, a ładunek elektryczny, moment magnetyczny i inne cechy mają tę samą wartość bezwzględną i przeciwny znak. Na przykład antycząstką elektronu jest pozyton – elektron o dodatnim ładunku elektrycznym. Cząstka elementarna, identyczny z jej antycząstką, nazywany jest prawdziwie neutralnym, na przykład neutronem i antyneutronem, neutrinem i antyneutrinem itp. Kiedy antycząstki oddziałują ze sobą, następuje ich anihilacja (patrz).

Kiedy cząstka elementarna wchodzi do środowiska materialnego, wchodzi z nim w interakcję. Wyróżnia się oddziaływania silne, elektromagnetyczne, słabe i grawitacyjne. Oddziaływanie silne (silniejsze niż oddziaływanie elektromagnetyczne) zachodzi pomiędzy cząstkami elementarnymi znajdującymi się w odległości mniejszej niż 10 -15 m (1 Fermiego). W odległościach większych niż 1,5 Fermiego siła oddziaływania pomiędzy cząstkami jest bliska zeru. To właśnie silne oddziaływania między cząstkami elementarnymi zapewniają wyjątkową wytrzymałość jąder atomowych, która leży u podstaw stabilności materii w warunkach ziemskich. Cechą charakterystyczną oddziaływania silnego jest jego niezależność od ładunku elektrycznego. Hadrony są zdolne do silnych oddziaływań. Oddziaływania silne powodują rozpad cząstek krótkotrwałych (czas życia rzędu 10 -23 - 10 -24 sek.), które nazywane są rezonansami.

Wszystkie naładowane cząstki elementarne, fotony i cząstki neutralne posiadające moment magnetyczny (na przykład neutrony) podlegają oddziaływaniom elektromagnetycznym. Podstawą oddziaływań elektromagnetycznych jest połączenie z polem elektromagnetycznym. Siły oddziaływania elektromagnetycznego są około 100 razy słabsze od sił oddziaływania silnego. Głównym zakresem oddziaływania elektromagnetycznego są atomy i cząsteczki (patrz Cząsteczka). Ta interakcja determinuje strukturę ciał stałych i charakter substancji chemicznej. procesy. Nie jest ograniczony odległością między cząstkami elementarnymi, więc rozmiar atomu jest w przybliżeniu 10-4 razy większy od rozmiaru jądra atomowego.

Słabe interakcje leżą u podstaw niezwykle powolnych procesów z udziałem cząstek elementarnych. Na przykład neutrina o słabym oddziaływaniu mogą z łatwością przeniknąć przez grubość Ziemi i Słońca. Oddziaływania słabe powodują także powolne rozpady tzw. quasi-stabilnych cząstek elementarnych, których czas życia mieści się w przedziale 10 8 - 10 -10 sek. Cząstki elementarne powstające podczas silnego oddziaływania (w czasie 10 -23 -10 -24 s), ale rozpadające się powoli (10 -10 s), nazywane są dziwnymi.

Oddziaływania grawitacyjne między cząstkami elementarnymi dają niezwykle małe efekty ze względu na nieznaczność mas cząstek. Ten typ interakcji został dobrze zbadany na makroobiektach o dużych masach.

Różnorodność cząstek elementarnych o różnych właściwościach fizycznych wyjaśnia trudność ich usystematyzowania. Ze wszystkich cząstek elementarnych jedynie fotony, elektrony, neutrina, protony i ich antycząstki są faktycznie stabilne, ponieważ mają długi czas życia. Cząstki te są końcowymi produktami spontanicznej transformacji innych cząstek elementarnych. Narodziny cząstek elementarnych mogą nastąpić w wyniku pierwszych trzech rodzajów oddziaływań. W przypadku cząstek silnie oddziałujących źródłem powstania są reakcje silnych oddziaływań. Leptony najprawdopodobniej powstają w wyniku rozpadu innych cząstek elementarnych lub rodzą się parami (cząstka + antycząstka) pod wpływem fotonów.

Przepływy cząstek elementarnych tworzą promieniowanie jonizujące (patrz), powodując jonizację obojętnych cząsteczek ośrodka. Biologiczne działanie cząstek elementarnych wiąże się z powstawaniem w napromienianych tkankach i płynach ustrojowych substancji o dużej aktywności chemicznej. Do takich substancji zaliczają się wolne rodniki (patrz Wolne rodniki), nadtlenki (patrz) i inne. Cząstki elementarne mogą także oddziaływać bezpośrednio na biomolekuły i struktury supramolekularne, powodować zerwanie wiązań wewnątrzcząsteczkowych, depolimeryzację związków wielkocząsteczkowych itp. Procesy migracji energii i powstawania związków metastabilnych wynikające z długotrwałego zachowania stanu wzbudzenia w niektórych substratach makrocząsteczkowych. W komórkach dochodzi do zahamowania lub zakłócenia aktywności układów enzymatycznych, zmienia się struktura błon komórkowych i powierzchniowych receptorów komórkowych, co prowadzi do wzrostu przepuszczalności błon i zmiany procesów dyfuzji, czemu towarzyszą zjawiska denaturacji białek, odwodnienia tkanek, zakłócenie środowisko wewnętrzne komórki. Podatność komórek w dużej mierze zależy od intensywności ich podziału mitotycznego (patrz Mitoza) i metabolizmu: wraz ze wzrostem tej intensywności wzrasta radiowrażliwość tkanek (patrz Radiowrażliwość). Ich zastosowanie w radioterapii (patrz), zwłaszcza w leczeniu nowotworów złośliwych, opiera się na tej właściwości przepływów cząstek elementarnych - promieniowaniu jonizującym. Zdolność penetracji naładowanych cząstek elementarnych zależy w dużej mierze od liniowego przenoszenia energii (patrz), to znaczy od średniej energii pochłoniętej przez ośrodek w miejscu przejścia naładowanej cząstki, na jednostkę jej drogi.

Szkodliwy wpływ przepływu cząstek elementarnych szczególnie wpływa na komórki macierzyste tkanki krwiotwórczej, nabłonek jąder, jelito cienkie i skórę (patrz Choroba popromienna, Uszkodzenia popromienne). Przede wszystkim wpływa to na układy znajdujące się w stanie aktywnej organogenezy i różnicowania podczas napromieniania (patrz Narząd krytyczny).

Działanie biologiczne i terapeutyczne cząstek elementarnych zależy od ich rodzaju i dawki promieniowania (patrz: Dawki promieniowania jonizującego). Na przykład pod wpływem promieniowanie rentgenowskie(patrz terapia rentgenowska), promieniowanie gamma (patrz terapia gamma) i promieniowanie protonowe (patrz terapia protonowa) na cały organizm człowieka w dawce około 100 rad, obserwuje się przejściową zmianę w hematopoezie; zewnętrzny wpływ promieniowania neutronowego (patrz promieniowanie neutronowe) prowadzi do powstawania w organizmie różnych substancji radioaktywnych, na przykład radionuklidów sodu, fosforu itp. Kiedy radionuklidy będące źródłem cząstek beta (elektronów lub pozytonów) lub kwantów gamma organizmu, nazywa się to wewnętrznym napromienianiem organizmu (patrz Wprowadzanie substancji radioaktywnych). Szczególnie niebezpieczne pod tym względem są np. szybko wchłaniające się radionuklidy o równomiernym rozmieszczeniu w organizmie. tryt (3H) i polon-210.

W diagnostyce radioizotopowej wykorzystuje się radionuklidy, będące źródłem cząstek elementarnych i biorące udział w metabolizmie (patrz).

Bibliografia: Akhiezer A.I. i Rekalo M.P. Biografia cząstek elementarnych, Kijów, 1983, bibliogr.; Bogolyubov N. N. i Shirokov D. V. Pola kwantowe, M., 1980; Urodzony M. Fizyka atomowa, przeł. z języka angielskiego, M., 1965; Jones X. Fizyka radiologii, przeł. z języka angielskiego M., 1965; Krongauz A. N., Lyapidevsky V. K. i Frolova A. V. Fizyczne podstawy dozymetrii klinicznej, M., 1969; Radioterapia wykorzystująca promieniowanie wysokoenergetyczne, wyd. I. Becker i G. Schubert, przeł. z języka niemieckiego, M., 1964; Tyubiana M. i wsp. Fizyczne podstawy radioterapii i radiobiologii, przeł. z francuskiego, M., 1969; Shpolsky E.V. Fizyka atomowa, tom 1, M., 1984; Młody Ch. Cząstki elementarne, przeł. z języka angielskiego M., 1963.

R. V. Stavntsky.

Być może zainteresują Cię poniższe materiały