2. ядролық физика негіздері
жүктеу/скачать 1,3 Mb.
|
ядерка часть2новый2018
- Бұл бет үшін навигация:
- Әсерлесу түрі
- Өзара әрекеттерді тасымалдаушылар
- 2.4.2. Есеп шығару үлгілері.
| 2.4. ЭЛЕМЕНТАР БӨЛШЕКТЕР
2.4.1. Қысқаша теориялық кіріспе Дәлірек айтатын болсақ, элементар бөлшек деп алғашқы, құрамды бөліктерге бөлінбейтін микрообъектілер айту керек. Бірақта, элементар бөлшектер туралы айтқанда ядролық физиканың және элементар бөлшектер физикасының қарқынды даму динамикасын ескеру қажет. Тіпті, жақында ғана нуклондар, электрондар және фотондар элементар бөлшектер саналатын еді. Кейінгі зерттеулер протон және нейтрон, жалпы барлық адрондар сияқты құрамды бөлшектер болып табылатындығын көрсетті. Бұлар іргелірек бөлшектер – кварктардан тұрады. Қазіргі уақытта дәстүр бойынша элементар бөлшектер деп барлық субъядролық бөлшектер жатқызылады, бірақ бұлардың көпшілігі осы сөздің бастапқы мағынасында элементар емес болып табылады. Қазіргі уақытта 500-ге жуық элементар бөлшектер белгілі. Бұлардың қатарына протон, нейтрон, электрон және фотонмен қоса π-мезондар, мюондар, τ-лептондар, нейтрино, κ-мезондар, гиперондар, резонанстар және барлық антибөлшектер кіреді. Осы бөлшектердің көпшілігі орнықты емес, олар басқа бөлшектерге түрленіп, спонтанды ыдырайды. Орнықты бөлшектерге, яғни осы уақытқа дейін бұлардың ыдырауы эксперименттік байқалмаған бөлшектерге, фотон, электрон, нейтриноның барлық түрлері (νе электрондық, νμ мюондық және τ – лептондық ντ), және бұлардың антибөлшектері жатқызылады. Сонымен, қазіргі заман көріністері бойынша, бұрын біртұтас деп саналып келген субъядролық элементар бөлшектер деңгейі, шын мәнінде, екі деңгейге бөлінеді. Адрондық деп аталатын бұлардың жоғарғысы құрамды бөлшектерден тұрады. Ең төменгі деңгейде ғылым мен техниканың қазіргі күйінде нағыз элементар деп саналатын, яғни ұсағырақ құрамды бөліктерге бөлінбейтін бөлшектер орналасқан. Бұларды іргелі бөлшектер деп те атайды. Осы деңгейде электрон (және де басқа мезондар), фотон (және басқа әсерлесулерді тасымалдаушылар), және де кварктар орналасады. Элементар бөлшектердің негізгі қасиеттері. Элементар бөлшектердің массалары мен мөлшерлері аса кіші шамалар болады. Бұлардың көпшілігінің массаларын mp=1,6726·10-27 кг протон массасымен салыстыруға келеді. Элементар бөлшектер физикасында массаны электрон-вольтта өрнектеу, яғни бөлшектің m0 массасы орнына m0c2 тыныштық энергиясының мәнін келтіру қабылданған. Осы бірліктерде протон массасы mp=938,3 МэВ болады. Тыныштық массасы нөл емес барлық бөлшектер ішінен елеулі кіші (1836 есе) масса тек электрондікі me=0,91·10-30кг немесе mе=0,511 МэВ. Қазіргі уақытта табылған ең ауыр бөлшек – Zo– бозонның массасы протон массасынан 100 есе артық:ГэВ. Протон, нейтрон, π-мезон және басқа адрондардың мөлшерлері өзара шамалас және реттік шамалары 10-15 м құрайды. Электрон және мюонның қазіргі уақытта мөлшерлері анықталмаған, бірақ олар 10-19 м-ден кіші, яғниre<10-19 м. Барлық элементар бөлшектердің ең маңызды кванттық қасиеттерінің бірі басқа бөлшектермен өзара әрекетінде осыған біріне- бірі өзара түрленіп пайда болып және ыдырау қабілеті болып табылады. Осы жағдайда бөлшектің ыдырау өнімдері ыдырау процесінің өзінде ғана пайда болады. Мысал ретінде электрон – позитрондық жұптың пайда болуын қарастырайық. Осы жұптар Eγ> 2mec2 энергиясы бар фотондардың зарядталған бөлшектермен, әдетте, атомдық ядролармен соқтығысқанда түзіледі: 
Мұнда, Х атомдық ядро, ол импульстің сақталу заңы орындалу үшін қажет. Атап өтетін нәрсе, ол электрон мен позитрон жұбының пайда болу процесінде ғана алынады. Бұғанға дейін олар тіпті болмаған, олар фотонның немесе атомдық ядроның құрамына да кірмеген. Элементар бөлшектердің маңызды сипаттамаларына және орташа өмір сүру уақыты, спин, электр заряды, магниттік моменті жатады. Тағы да лептондық және бариондық заряд бар. Элементар бөлшектердің τ орташа өмір сүру уақыты бөлшектің орнықтылығын сипаттайды. Фотон, электрон, протон және нейтриноның барлық үш түрі орнықты, бұлардың антибөлшектері де орнықты. Бұл эксперименттерден белгілі. Осы бөлшектердің ыдырауы осы уақытқа дейін байқалмаған. Электрон мен протонның эксперименттен алынған өмір сүру уақытын бағалау нәтижелері: τe> 4,2·1022 жыл, τp>5·1032 жыл. Бірақта элементар бөлшектердің басым көпшілігі орнықты емес, олар өздігінен басқа бөлшектер пайда болып ыдырайды. Мәселен, нейтрон орнықты емес. Еркін нейтронның орташа өмір сүру уақыты: τn = 887 ± 2c. Орташа өмір сүру уақытының реттік шамасы 10-6, 10-8, 10-10, 10-13 с және т.т. болатын элементар бөлшектердің топтары болады. Ең орнықсыз (қысқа өмір сүретін) бөлшектер үшін τ ~ 10-23…10-24 c. Элементар бөлшектердің маңызды қасиеті іс жүзінде әрбір бөлшекке өзінің антибөлшегі сәйкес келеді. Антибөлшектердің болатындығын 1930 жылы П. Дирак болжап айтқан. Теория бойынша, бөлшек пен антибөлшектің массалары, өмір сүру уақыты және спині бірдей болуы тиіс. Бұл экспериментте өте дәл расталады. Басқа сипаттамалары мысалы, электр заряды және магниттік моменті модульдері бойынша тең, бірақ таңбалары бойынша қарама-қарсы. Бөлшек пен антибөлшек мысалдары: Электрон е- – позитрон е+, Протон р – антипротон, Нейтрон n – антинейтрон. Бөлшектер мен антибөлшектер әрқашанда электр зарядтарының таңбаларымен өзгешеленеді. Нейтрон n – антинейтрон қос бөлшектің магниттік моменттерінің және бариондық зарядтарының таңбалары әртүрлі болады. Барлық зарядтары (электрлік, лептондық және бариондық) нөлге тең болатын бөлшектер болады. Осындай бөлшектер нағыз бейтарап деп аталады, олар өздерінің антибөлшектерімен теңбе-тең. Осындай бөлшектерге фотон, πо- және η-мезондар жатады. Бөлшектер өзінің антибөлшегімен соқтығысқанда бұлар аннгилиляциялана алады. Мысалы, электрон мен позитрон бір-бірімен кездескенде, γ – сәуленің екі фотоны пайда болып, аннигиляцияға түсе алады: 
«Аннигиляция» термині жойылу дегенді білдіреді, бірақ оны дәл осылай түсінбеу керек. Осы процесте материяның ешқандай жойылуы болмайды. Оның бір түрі – зат (электрон мен позитрон) – басқа түрге – электромагниттік өріске (фотон) ауысады. Осы жағдайда энергияның сақталу заңы орындалады. Электрон мен позитронның тыныштық энергиясы сәуле энергиясына айналады. Элементар бөлшектердің өзара әсерлесу түрлері. Қазіргі уақытта элементар бөлшектер арасындағы әсерлесудің төрт түрі белгілі: күшті, электромагниттік, әлсіз және гравитациялық. Әсерлесу интенсивтігін әдетте А әсерлесу тұрақтысы деп аталатын өлшемділіксіз параметрмен сипаттайды. Бөлшектердің әсерлесетін күші А әсерлесу тұрақтысына пропорционал болады, ал әсерлесу ықтималдығы А2-қа пропорционал болады. Іргелі әсерлесулердің әртүрлері үшін А тұрақты мәндері кестеде келтірілген. Мұнда және күштердің әрекет ету радиустары және берілген әсерлесу түрі салдарынан ыдырайтын бөлшектердің орташа өмір сүру уақыты (ыдырау уақыты) келтірілген.
А тұрақтысы күшті әсерлесу үшін шартты түрде бірлік ретінде алынған, әсерлесудің басқа түрлері үшін тұрақтылар күшті әсерлесуге қатысты анықталады. Элементар бөлшектердің топтастырылуы. Элементар бөлшектерді әдетте төрт топқа бөледі. Бірінші топты әсерлесуді тасымалдаушылар құрайды. Екінші топты лептондар, үшінші – мезондар және төртінші – бариондар құрайды.
Өзара әрекеттердің тасымалдаушыларына фотон, W±және Zo – бозондар, және де глюондар жатады. Фотон электромагниттік өзара әрекеттесу тасымалдаушысы болып табылады, алW± және Zo – бозондар әлсіз өзара әрекеттесуді тасымалдайды. Глюондар күшті әрекеттесуге жауап береді. Лептондар. Лептондар (көне гректің – жеңіл) деп күшті әсерлесуге қатыспайтын, спині ½- ге тең, элементар бөлшектерді айтады, яғни лептондар – фермиондар. Лептондарға электрон е-, мюон μ-, τ – лептон, нейтриноның барлық түрі (νе электрондық, νμ – мюондық, ντ τ – лептондық) және бұлардың антибөлшектері жатқызылады. Барлық лептондар әлсіз әсерлесуге қатынасады. Электрлік заряды бар лептондар (электрондар, мюондар және τ – лептондар) әлсіз әсерлесумен қатар, электромагниттік әсерлесуге де қатысады. Мезондар. Күшті әсерлесуге қатысатын элементар бөлшектер адрондар деп аталады. Адрондар өз кезегінде екі топқа: мезондар және бариондарға бөлінеді. Мезондар (көне грекше – орташа, аралық) деп нөлдік немесе бүтін санды спинге ие адрондар осылай аталады. Бұлардың қатарына π -, κ-, η-мезондар, және де мезондық резананстар, яғни өмір сүру уақытының реті 10-23 с мезондар жатады. Барлық мезондар – бозе-бөлшектер болып табылады. Мезондар күшті электромагниттік (егер электр заряды болса) және әлсіз әсерлесуге қатысады. Бариондар. Бариондар (көне грекше – ауыр) деп бүтіннің жартысына тең спинге ие адрондарды айтады. Бариондардың ең жеңілі протон. Барлық бариондар ферми-бөлшектер болып табылады. Бариондарға нуклондар (протн және нейтрон), гиперондар және бариондық резонанстар жатады. Протоннан басқа барлық бариондар орнықсыз. Олар нуклондарға және жеңіл бөлшектерге ыдырайды. Кварктар. Іргелі жорамал бөлшектер. Қазіргі заман түсініктері бойынша барлық белгілі адрондар кварктардан тұрады. Кварктардың спині ½-ге тең (ћ бірлігінде), өйткені тек фермиондардан фермиондарды да (ферминдардың тақ санынан), бозондарды да (фермиондардың жұп санынан) «құрастырып» алуға болады. Кварктарға электрлік және бариондық бөлшек зарядтар таңылады. 2.4.2. Есеп шығару үлгілері. Элементар бөлшектер Массасы m, импульсі р релятивтік бөлшектің кинетикалық энергиясын анықтау керек. Шешімі: Теңдеудің инварианттылығын пайдаланып: E2 – p2 = m2, мұндағы, Е = m + К, табамыз: 
квадрат теңдеуді шешеміз: 
Кинетикалық энергиясы К релятивтік π – мезон пайда болғаннан ыдырауға дейін l арақашықтықты ұшып өтеді. Осы мезондардың өздік τ0өмір сүру уақытын табу керек. Шешімі: Бөлшектің өмір сүру уақыты мен өздік уақыты τ0 мынадай теңдеу арқылы байланысқан. 
мұндағы β = υ/с және τ = 1/υ. Сонда: . (*) β2-ты К кинетикалық энергиясының формуласына қоямыз. Бөлшектің толық энергиясы: 
Осыдан: 
(*) өрнегіне қойғаннан кейін, 
теңдеуі шығады. Тоқтаған π – мезон мюонға және антинейтриноға ыдыраған. Мюонның кинетикалық энергиясын анықтау керек. жүктеу/скачать 1,3 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||