post

Елементарни частици – адрони, лептони и кварки

Елементарни частици са тези, които в микрокосмоса съставят материята и конкретно атомите и не могат да бъдат разпаднати на по-малки. В началото се е смятало, че атомът е тази универсална неделима частица и затова названието му в буквален превод от старогръцки означава „неделим„. Впоследствие обаче, учените-физици успели да го „разцепят“ на съставящите го елементарни частици.

Установено било, че протоните и неутроните изграждат атомните ядра, а електроните съставят атомната обвивка. Но оказва се, че дори ядрените частици също могат да бъдат изградени от съставящи ги такива. Заради развитието на ускорителите на частици в САЩ, Русия и най-известният в Швейцария (Големият адронен колайдер), днес са познати стотици различни елементарни частици. Те могат да съществуват в различно кратки периоди от време и да се преобразуват в друг вид чрез разпадане.

В природата, ако не влизат в взаимодействия, стабилни са само фотонът, електронът, неутриното и протонът. Те са способни да съществуват неограничено време за разлика от другите елементарни частици. Останалите, които са нестабилни се разпадат, т.е. изчезват, а на тяхно място се раждат други. Тъй като частиците от един и същи вид имат различна продължителност на съществуване, за тях е създадена усреднената велична – средно време на живот. Повечето от известните имат изключително малко средно време на живот – милиардни и дори трилионни части от секундата.

Видове елементарни частици

За целите на тази публикация ще разделим различните видове елементарни частици на четири групи: фотони, адрони, лептони и кварки.

Фотони

Фотонът е елементарна частица, която няма маса в покой и се движи във вакуум със скоростта на светлината. Всеки фотон е приносител на един квант енергия (E=hν) и притежава импулс. Повечето частици имат съответстващи им античастици. Фотоните нямат. Например на електрона (е) съответства позитрона (е+). Когато двете се срещнат, те се самоунищожават (анихилират), като се отделя един фотон – светлина с един гама квант енергия (γ).

В природа е възможен и обратният на анихилацията процес. Например от един гама квант се раждат един електрон и един позитрон. Това явление се наблюдава и при други двойки частици и античастици.

Адрони

Адроните са елементарни частици на силните взаимодействия. Те се делят на два класа: мезони и бариони.

Мезоните са нестабилни елементарни частици, които притежават цял спин (0 и 1). При разпадането им се получават електрони, позитрони, фотони и неутрино. Най-известни са π-мезоните, които се наричат още пиони. Тяхна функция според Мезонната теория е да бъдат преносители на взаимодействието между нуклоните, т.е. те стоят зад ядрените сили. Тяхното съществуване е предположено от Хидеки Юкава през 1934г. и е доказано от Пауъл през 1947 година. Днес са познати още няколко мезона – каон, ета, омега и други. Мезоните са изградени от кварки – 2 бр.

Групата на барионите включва към момента богат набор от частици, измежду които са протонът и неутронът. Всички бариони (без протона) са нестабилни елементарни частици и при разпадането им винаги се отделя протон. Например свободният неутрон е нестабилен и при деленето му се получава електрон, антинеутрино и протон (е, νe и р+). Става ясно, че масата на барионите би следвало да е по-голяма или равна на тази на протона. Всички представители на тази група имат полуцял спин (1/2 или 3/2) и са изградени от кварки – 3 бр.

 Лептони

Лептоните участват в електромагнитните, гравитационните и слабите взаимодействия, но не са част от силните ядрени взаимодействия. Те са най-леките елементарни частици и групата им включва електрона, мюона, тау-лептона (таон) и съответстващите им неутрино частици. Лептоните притежават цял електричен заряд и 1/2 спин.

За неутриното се знае, че след ядрен разпад, неговото присъствие удовлетворява закона за запазване на масата. То е електронеутрална частица с маса по-малка от тази на електрона и притежава изключителна (!) проникваща способност. Неутриното притежава 1/2 спин.

Кварки

Съществуват шест вида кварки и в долната таблица (източник Уикипедия) са изброени:

Поколение Име Символ Ел. заряд (е) Маса (MeV) Спин Антикварк Символ
1 Горен (u) +2/3 1.5 до 4 Антигорен кварк
1 Долен (d) −1/3 4 до 8 Антидолен кварк
2 Странен (s) −1/3 80 до 130 Антистранен кварк
2 Чаровен (c) +2/3 1,150 до 1,350 Античаровен кварк
3 Дънен (b) −1/3 4,100 до 4,400 Антидънен кварк
3 Топ (t) +2/3 178,000 ± 4,300 Антитоп кварк

Различните адрони са изградени съответно от различни кварки, като например протонът е съставен от два горни и един долен, а неутронът от два долни и един горен. Кварките имат полуцял положителен или отрицателен заряд. Сборът от зарядите им в отделния нуклон дават 0 за неутрона и +1 за протона.

протон и неутрон, елементарни частици

протон и неутрон и съставящите ги кварки

Кварките, както лептоните и адроните имат съответсващи им античастици. Мезоните са изградени от два – кварк и антикварк. Пионът се състои от горен кварк и долен антикварк.

Лептоните не са изградени от кварки или други съставящи ги частици. Те, заедно с кварките и фотона могат да се смятат за истински елементарни частици, за онези философски атоми на Демокрит, които са напълмо неделими.

Бозони и фермиони

Всички елементарни частици, които притежават спин равен на цяло число се наричат бозони. Всички елементарни частици, които притежават полуцял спин се наричат фермиони. Пример за фермиони са протона, електрона и неутрона, които имат спин равен на 1/2. Пример за бозони са фотонът със спин 1 и пионът със стойности на спина 1 и 0.

Фермионите са подвластни на принципа на Паули, докато бозоните не са. Това означава, че например два π+ мезона могат да се намират в едно и също състояние, за разлика от кои да е два еднакви фермиона. Най-популярен е примерът с електроните в атомната обвивка, когато става дума за спазването на принципа на Паули.

Взаимодействия

Гравитационните сили са универсални, но не могат да се приложат в микросвета, защото масите на елементарните частици са твърде малки. В електромагнитни взаимодействия участват само положително и отрицателно заредените. За силните взаимодействия стана вече дума в публикацията Атомно ядро. Те са резултат от действието на ядрените сили и са 1000 пъти по-силни от електромагнитните, но действат на много малки разстояния.

Смята се, че електромагнитните взаимодействия са резултат от обмяната на виртуални фотони, а за ядрените причината е обмяната на виртуални π-мезони. Съществува и слабо взаимодействие, което е резултат на така наречените слаби сили. То е по-слабо от електромагнитното, действието на слабите сили е на малки разстояния, но за сметка на това е универсално.

Сходни Публикации

3 thoughts on “Елементарни частици – адрони, лептони и кварки

  1. Страницата е ОК,но вие сте бая гламави след като не допускате никой да взима информация от нея..

    • Може да ползвате свободно всяка информация с образователна цел, стига да не я употребявате с комерсиални цели. Не мисля, че някой ще ви ограничи по какъвто и да е начин! Четете, учете, цитирайте – няма проблеми.

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Leave the field below empty!