Элементар блшектер туралы малмат
Элементар блшектер физикасыны даму жолыны ш кезеі.
1-кезе: Электроннан позитрона дейін 1897-1932 ж.ж грек философы Демокрит одан рі блінбейтін арапайым блшектерді атом (атом блінбейді) деп атаанда бл принципінде мншалыты крделі болады деп ойламаан болар. р трлі нсілдер, сімдіктер, жануарлар згермейтін блінбейтін блшектерден трады. Дниедегі кездесетін трленулер блар атомдарды жай ана орын ауыстыруы. Дниедегі мнісі блжымай алатын атомны зінен басаны брі де теді, брі де згереді. Демокрит атомдара алай араса алашы кезде бл блшектерде дл осындай кзарас болды. Олар лемні одан рі блінбейтін лемні негізгі кірпіштері деп есептеді.
2-кезе: Позитроннан кварктара дейін 1932-1970 ж (барлы элементар блшектер бір-біріне трленеді). Элементар деген сзді зінде екі маына бар. Бір жаынан элементар зінен зі тсінікті арапайым дегенді білдіреді. Екінші жаынан элементар деп заттара негіз етіп алынады (субатомды блшектер – ол атомды райтын блшектер). Блшектерді бірде бірі мгілік емес. азіргі кезде элементар деп аталып жрген блшектерді кпшілігі ешбір сырты серсіз-а секундты 2 мин-ды лесінен арты уаыт мір сре алмайды. Еркін нейтрон (атом ядросынан тыс нейтрон) орта есеппен аланда 15 мин мір среді. Тек бкіл лемде жеке дара кездесетін болса ана здеріні згермейтіндігін сатаан болар еді. Біра электрондар мен протондарды ауіпті туыстары позитрондар мен антипротондар бар. Бл блшектер бір бірімен сотыысан да зара жойылып жаа блшектер пайда болады. Осы кнгі деткіштер зарядталан блшектерге жары жылдамдыына жуы жылдамды бере алады. Сотыысатын блшекті энергиясы нерлым жоары болса, солрлым кп те, анарлым ауыр да блшектер туады. Бан себеп жылдамды скен кезде блшектерді массасы артады. Блшектерді осіні бір осаыны массасын арта отырып кні бгінгі белгілі блшектерді брін де алуа болады. 60 млрд электрон энергиясы бар кміртегі ядросыны фотоэмулсиядаы кміс ядросымен сотыысу нтижесін арастырса, ядро трлі баытта шашырап шатын жарышатара блінеді, оса абаттаса кптеген элементар блшектер – пиондар пайда болады. деткіште алынан релятивистік блшектерді сотыысуынан пайда болан осындай реакциялар дние жзінде бірінші рет 1976 ж. Дубна аласындаы ядролы зерттеуді біріккен институтыны жоары энергиялы лабороториясында Балдинні басаруымен жзеге асырылады. Электрон абышаларынан айырылан ядролар кміртегі атомын лазер сулесімен иондау жолымен алынан.
3-кезе: кварктар туралы 1964 ж. азіргі кнге дейін 60 жылдары азіргі элементар жргізілген барлы блшектер осы атауа лайы. Оны туу себебі арапайым. Ондай блшектер тым кбейіп кетті. Жаа блшектерді ашылуы ылым шін аса зор маызды. Бдан кп брыныра р жыл табыс кзі ашылан сайын аздап мазасызды араласа бастады. Бір топ «оаш» деп аталатын блшектер табылды: К-мезондар жне массалары нуклондар массасынан ауыр гиперондар 70 жылдары блара массасы олардікінен де ауыр ажап блшектерді лкен бір тобы келіп осылды. Мнымен оса мір сру уаыты 10-22 – 10-23 секунд шамасында ана болатын ыса мірлік блшектер табылды. Бл блшектер резонанстар деп аталады. Оларды саны 200-ден астам. 1964 ж. Гейл-Манн жне Цвейг сынан модель зара кшті серлесетін барлы блшектерден іргелі блшектерден (кварктардан) растырылатындыын крсеткен еді. азіргі кезде кварктарды наты бар екендігіне ешкім де кмнданбайды, дегенмен олар бос кйінде лі де блінген жо. кшті деген сзді білдіреді).
Позитрон. Аылшын физигі Дирак 1931 ж. электронны негізі позитронны бар екендігі жнінде теориялы болжам жасаан болатын. Сондай-а Дирак позитрон электронмен кездескенде блшектерді екеуі бірдей жоалып, жоары энергиялы фотондар пайда болуы тиіс екенін айтты. Электрон - позитрон жбы туатын кері процесіні
болуы да ммкін. Мселен едуір жоары энергиялы фотон ядромен сотыысан кезде осы процесс байалады. Арада 2 жыл ткен со позитрон магнит рісінде орналасан Вильсон камерасыны кмегімен табылды. Элементар блшектер арасындаы реакциялар кезінде бір блшектерді жоалып (аннигиляция) екіншілеріні пайда болуы ескі блшектерді рамды бліктеріні жаа комбинацияларды пайда болуы емес. Бл трлену болып табылады. Тынышты кйде электрон позитрон блшектерді белгілі массалары жне электр зарядтары болады. Осы кезде туатын фотонны заряды да тынышты массасы да жо. йткені ол тынышты кйде бола алмайды. Кп блшектерді антиблшектері табылады. Антиблшектерді блшектерге арсы ойылатын себебі егер блшек сйкес антиблшекпен кездескенде оларды аннигилациясы байалады. Екі блшектер жары квантына немесе баса блшектерге айналып жойылады. Ядролары антинуклондардан тратын атомдар антизат тзеді. 1969 ж. яни кеес дуірінде бірінші рет антигелий алынды. Антизат пен затты аннигилациясы кезінде затты тынышты энергиясы гамма кванттар тзетін кинетикалы энергияа айналады.
Нейтронны ыдырауы. Нейтронны ашылуы.Бета ыдырау кезінде ядродан электрон шып шыады. Ядродан электрон шып шыаннан кейін ядроны заряды бірге артады. Ендеше протондар саны да бірге артады. Ядронны массалы саны згермейді. Бл нейтрондарды саны бірге кемиді деген сз. Бета радиоактивті ядроларды ішіндегі нейтронны протон мен электрона блінетін боланы. Протон ядрода алады. Ал электрон сырта шып шыып, тек траты ядроларда ана нейтрон орныты болады. Тебе те ядролар энергиясы трліше электрон шыарады.. Алайда шыарылан электронны энергиясы андай екендігіне арамастан жаадан пайда болан ядролар 0-1 дей болады. Бастапы ядроны энергиясы жаа ядромен электрон энергиясыны осындысына те болмайтын болып шыты. Швецария физигі Паули нейтронны ыдырауы кезінде протонмен жне электронмен бірге жетіспейтін энергияны кзге крінбейтін айсы бір блшек кетеді деп болжам айтады. Ол электр зарядтарын тасымалдамайды. Сондытан оны физикалы приболар тіркей алмайды. Яни блшектерді бар жоын білдіретіндей із алдырмайды. Сондытан Паули зіні гипотезалы блшегінде ол затпен те лсіз рекеттеседі. Сондытан затты алы абатынан із тзсіз еркін те алады-деп болжаан еді. Бл блшекті ферми нейтроны деп атайды. Ол кішкентай нейтрон деген сз. Паули алдын ала болжаандай нейтрон 0-ге те екен. Бл сзді тыныштыта тран нейтроны жо деп тсіну керек. Жары дниеге келген бетте олар бірден 300 км/с жылдамдыпен озалады. Нейтронны орасын ішінде жарыты вакуумда бірнеше жыл бойы жретін ашытыына те аралыта басып тетін абілеті бар. Нейтонны ролі тек бетаны ыдырауын тсіндірумен ана тынбайды. Кптеген элементар блшектер еркін кйінде нейтроны баса нуклондармен рекеттесуіні арасында траты кйге тседі. Еркін электрон орташа есеппен 15 мин. мір среді. Басаша блшектер сияты нейтронны да анти блшегі бар. Ол антинейтроны деп аталады. Нейтрон протон мен электрона ыдыраанда дл осы антинейтрона шыарылады. . Нейтронны энергиясы рашанда протон мен электрон энергияларыны осындысыан арты болады. Арты энергияны антинейтроны алып кетеді. Протона антинейтроны келіп тигенде позитрон мен нейтрон пайда болатынын теория алдын ала болжаан еді. Антинейтронны тімділік абілетіні ажап кштілігінен мндай процесті болу ытималдыы тіптен аз. Біра антинейторны те кп болса, оны байауа болатындыына
міттенуге болады. Ал уран ядролары блініп шыан кезде мір сру уаыты те аз бета радиоактивті жарышалар кптен пайда болады. Міне осындай реакторды жанына (тжірибе 1956ж америкада ткізілген) жерге орасын, парафинен жшік кмілді. Жшікте сйы сцентиллятор (300л жуы) абатымен оршалан 200 л су болан. Сцинтиллятор зі арылы гамма кванты ткенде жыпылытайды .Су молекулаларыны біреуіне анти нейтроны тигенде пайда болатын позитрон кешікпей электрондарды біреуімен аннигиляцияланып, 2 гамма квантты береді. Гамма кванттар арнаулы приборлар тіркеп отыратын сцинтилляторды жыпылытауынан туызады. Реакция кезінде туан нейтрон біраз кезіп жріп суа дейі араластырылан колиді ядросына тседі. Одан кейін кодиді гамма квантар шыарып нейтронны келгенін хабарлайды. уелі р жаа шып шыан гамма квантарды содан со аздаан уаыт ткенде таы да бірнеше гамма квантарды пайда боланына арап антинейтронны бар екендігі длелденді.Нейтонны ыдырау жадайында брі айын. Жары жылдамдыымен ана тзу сызыты озалып жретін антинейтроны ішінде болуы ммкін емес . Нейтрон ыдыраан блініп шыатын протон мен электрон орныты жйе рай алады. Біра бл нейтрон емес, зімізге жасы таныс сутек атомы. мір сру мерзімі белгілі баса блшектер шін де жадай осылай. Блшекті ыдырауы оны элементар болуы-болмауыны белгісі емес нейтрон зіні трасыздыына арамастан элементар блшек болып саналады. Ал ауыр сутегі атомны ядросы дейтрон траты боланымен, ол нейтрон мен протоннан трады.
Элементар блшектер физиканы дамуы, арышты сулелерді ашылуымен байланысты. Оларды пайда болуын 1910ж бірінші рет Гесс жне Кольгерстер айтан болатын. Сонымен арыштан жер бетіне келіп жатан сулелерді арышты сулелер деп атайды. арышты сулелер здеріні ту асиеттері жнінен сулелерді барлы трінен ерекше. Олар 1-ші жне 2-ші арышты сулелер болып блінеді. Жер атмосфераны жоары абатына (50 км биіктікке дейін) келіп жеткен сулелерді 1-ші арышты сулелер деп атайды. Бл сулелерді энергиясы те жоары 1010-1019 эВ. Ал бірінші арышты сулелер ауданы райтын газдарды ядроларымен сотыысып (20 км биіктікте ) 2-ші арышты сулелер тзіледі. 1-ші арышты сулелер рамында 92,9 % протондар жне 6,3 % альфа блшектер болатын болса, 2-ші арышты сулелерде барлы элементар блшектер кездеседі деуге болады. азіргі ылым жетістіктеріні нтиежелері арышты сулелерді пайда болу тегі галактикалы деп тсіндіріледі. Элементар блшектерді массаларына арай мынадай 4 топа блуге болады. Фотондар, лептондар (жеіл блшектер), мезондар (орташа блшектер), жне бариондар (ауыр блшектер). Элементар блшектер негізінен орныты жне орнысыз болып блінеді. Орныты блшектерді саны 40-а жуы болады да, орнысыздарды осанда барлыы 200 блшектер.Сонымен атар спиндік санына байланысты
1.Егер S = +- ½ болса, мндай блшектер Паули принципіне негізделіп фермиондор деп аталады.
2. Егер S = +- ½ , +- 2 болса, онда олар бозондар деп аталады.
1. Фотонны жалыз зі бірінші топты райды. Фотон жары кванты. Бл XIX басында жары аыны трінде табылды, яни ол энергия трінде таралады. Фотонны белгілі бір клем ішінде аншалыты шамасыны барлыын білу иын. Фотонны тыныштытаы массасы жне заряды жо, 0-ге те, S =1 боландытан бозондар тобына жатады.
2. Жеіл блшектер лептондар тобынан ерекше позитрона 1928ж аылшын физигі Дирак электронды теория жасады. Бл теория табылан блшектерді арама-арсы блшектері яни антиблшектері болатынын тсіндірді. Блшектер мен антиблшектерді массасы, спині жне магнит моменті руаытта бірдей болып саталады. Тек зарядтары арама-арсы болады.
3. Мезондар. Мезондарды ашылуы те кездейсо Мндаы пи-мезондарды 1947 ж аылшын физигі Пауэлл арыш сулелерінен тапан болатын, ал К-мезон 1949ж арыш сулелерін зерттеуді нтиежесінде табылды.
Элементар блшектер. Блшектер мен электромагниттiк сулелердi зара трленуi
Физиканы даму барысында элементар блшектер ымы бiраз згерiске шырады. Алашы кезде элементар деп iшкi рылымы жо, баса рамдас блiктерге ыдырамайтын блшектердi тсiндi. Бгiнгi кннi тсiнiгi бойынша элементар блшектерден оларды iшкi рылымыны болмауы талап етiлмейдi. Элементар блшектер деп, физика ылымыны азiргi даму дрежесiнде бос кйiнде кездесетiн арапайым блшектерден трады деп есептеуге болмайтын блшектердi айтады. Элементар блшектердi кейде субъядролы блшектер деп те атайды.азiргi заманны элементар блшектер физикасы осы блшектердi асиеттерiн анытайды, оларды классификациялайды, iргелi серлесудi асиеттерiн зерттейдi жне осы сердi салдарынан оларды бiр бiрiне ауысуларын зерттейдi. Соы кездерi элементар блшектердi iшкi рылымдары да кеiнен зерттелуде. Бл блшектердi кптеген ерекшелiктерi, соны iшiнде iшкi рылымы тек жеткiлiктi жоары энергияда ана крiнiс табады. Сондытан элементар блшектер физикасын жоары энергия физикасы деп те атайды.Кейбiр элементар блшектер табиатта бос немесе боса байланысан кйде кездеседi. Бiздi оршаан дние негiзiнен осы блшектерден ралан. Мндай блшектердi атарына ядро рамына кiретiн протондар жне нейтрондар, атомны абыршыын райтын электрондар, электромагниттiк рiстi кванттары болып табылатын фотондар (-кванттар) жатады. Сл кейiнiрек ядроны -ыдырауы кезiнде туатын e нейтрино жне антинейтрино, ядролы серлесудi тасымалдаушылары болып табылатын пи-мезондар ( + , 0 , –) ашылды. Бдан рi осы блшектердi антиблшектерi ашылдыУаыт те келе элементар блшектердi саны крт стi. Бгiнгi кнде оларды жалпы саны антиблшектерiн оса есептегенде 350 ден асып тседi. Бiра оларды аса кп блiгi орнысыз блшектер. Олар табиатта бос кйiнде кездеспейдi. Оларды тек арнайы зертханаларда лкен жылдамдытаы орныты блшектердi сотыыстыру арылы алады. Осылай туындылаан орнысыз блшектер тез арада ыдырап кетедi де аырында орныты блшектер пайда болады.Блшек пен антиблшек кездесетiн болса жойылып, екi кейде ш фотона айналады. Бл былысты аннигиляция деп атайды. Мысалы электрон мен оны антиблшегi позитрон кездескен кезде мынадай трлену боладыБл рдiс кезiнде электр зарядыны, энергияны, импульстi жне импульс моментiнi саталу заы орындалады. 1933 жылы Ф. и И.Жолио-Кюри керi процесс – атом ядросыны маындаы гамма кванттан электрон-позитронны тууын байады. Энергияны саталу заы бойынша мндай гамма-квантты энергиясы электрон мен позитронны тынышты энергияларыны осындысынан арты болуы керек. Антиблшектерден атом ралуы ммкiн. Мысалы антисутегiнi атомында терiс зарядталан антипротонны маында о зардталан позитрон озалып жредi. Элементар блшектердi кестесiнде мiр сру 10-20с-тан арты болатын элементар блшектер жнiнде деректер келтiрiлген. Ол жердегi блшектер оларды массаларыны су ретiмен келтiрiлген. Мндаы жеiл блшектер лептондар, ал одан ауырыратары мезондар, ал е ауырлары бариондар деп аталады. Мезондар мен бариондар адрондар деп аталатын топа кiредi. Бл кестедегi топтарды еш айсысына кiрмейтiн фотон ерекше тр. Табиаттаы барлы заттар, блшектер бiр-бiрiмен серлеседi. Бiр араанда осындай сан-алуан болып келетiн серлесулер негiзiнен iргелi серлесу теп аталатын трт трлi серлесудi натылы жадайда крiнiс табуы болып табылады. Iргелi серлесуге гравитациялы, электромагниттiк, кштi жне лсiз серлесулер жатады. Гравитациялы серлесу 1687 жылы И.Ньютон ашан бкiл лемдiк тартылыс заымен аныталады. Гравитацилы кштер кез-келген денелердi арасында сер етедi. Бiра массалары те аз боландытан элементар блшектердi арасында бл кш ешандай роль атармайды. Бл кш аспан механикасында, астрофизикада шешушi роль атарады. Кез-келген зарядталан дене немесе блшек электромагниттiк серлесуге атысады. Атомдарды, молекулаларды кристаллдарды болуы газ, сйы жне атты денелердi асиеттерi осы кштi негiзiнде аныталады. Кштi серлесу мезондар мен бариондара, яни адрондара тн. Лептондар мен фотон кштi серлесуге атыспайды. Ол ыса аралыта ана, шамамен 10-15м, сер етедi. Бл аралытаы оны мнi гравитациялы жне электромагниттiк кштермен салыстыранда те лкен. лсiз серлесуге фотоннан баса кез-келген блшек атысады. Бл кштердi сер ету аймаы 10-18м. лсiз серлесудi мысалдары нейтронны, мюонны жне зарядталан пиондарды тмендегi ыдыраулары. азiргi заман физикасыны е кштi теориялары квантты механикада, квантты электродинамика мен квантты хромодинамикада блшектердi зара серлесуi оларды арасында болатын блшек алмасу арылы тсiндiрiледi. Осы трыдан аланда электромагниттiк серлесу ол блшектер арасында фотонны алмасуы арылы, ядролы кштер нуклонны арасында пи-мезондарды, ал жалпы кштi серлесу бл рiстi кванттары глюондарды алмасуы, лсiз серлесу те ауыр блшектер W+, W– жне Z0 векторлы мезондарды алмасуы арылы тсiндiрiледi. Ендi элементар блшектерге ысаша шолу жасай кетелiк.
Лептондар – жоарыда айтанымыздай, кштi серлесуге атыспайтын блшектер. Оларды атарына жататындар : электрон e–, электрон нейтриносы e, мюон –, мюон нейтриносы , таон – жне таон нейтриносы . рине барлы лептондарды антиблшектерi бар. Нейтриноларды массасыны неге те екендiгi жнiндегi мселе бгiнгi кнге дейiн шешiмiн тапан жо.
Адрондар. Элементар блшектердi е кп тараан тобы адрондар. Адрондар барлы iргелi серлесулерге атысады. Адронны протоннан басасы орнысыз. Олар белгiлi бiр уаыттан кейiн баса блшектерге ыдырап кетедi. Оларды жартылай ыдыру периоды 10-20 – 10-24 с аралыында болады. Бл блшектердi резонанстар деп атайды. Спинiнi мнiне байланысты адрондар спинi нлге те болатын мезондар жне спинi 1/2 болатын бариондар болып блiнедi. Энергиясы ондаан гигаэлектронвольт болатын электрондарды протоннан жне нейтроннан шашырауын зерттеу бл блшектердi iшкi рылымы бар екенiне нсайды. Жалпы адрондарды андай да бiр iргелi блшектен раланы жнiнде бiрнеше теория сынылан болатын. Соны е жемiстiсi кварктар теориясы болды.
Кварктар -деп наыз элементар блшектердi айтады. Барлы адрондар, яни мезондар, бариондар жне резонанстар осы кварктардан трады. Бгiнгi кнде алты кварк бар деп есептелiнедi. Олады сйкес латынныu, d, s, c, b, t рiптерiмен белгiлейдi. Бл кварктарды асиеттерi жне олардан адрондарды алай ралатыны тмендегi кестелерде келтiрiлген.
арапайым блшектерді асиеттері мен рылымын зерттеу – азіргі физиканы негізгі мселелеріні бірі. азіргі кезде антиблшектерді осанда 200-ге жуы арапайым блшек белгілі болып отыр. Соларды ішінен атомдар рамына кіретін электрон, протон жне нейтрон ана. Протон мен нейтрондардан атом ядросы, ал электрондардан атомны электронды абытары тзіледі. алан арапайым блшектер детте секундты те аз лесіндей уаыт ана мір среді. арапайым блшектер зат атомдарымен серлесуі нтижесінде электрондар мен протондара трленеді. Электрон, позитрон, протон, антипротон, нейтрино, антинейтрино жне фотоннан баса блшектерді барлыы здігінен ыдырайды. арапайым б-ді пайда болу мезеті мен ыдырау мезетіні арасындаы уаыт (трасыз Э. б-ді мір сру уаыты деп аталатын) детте секундты миллионды жне миллиардты лесіндей болады.
Табиаттаы трасыз арапайым блшектер арышты сулелерде (арыштаы дей озалан протондар мен электрондарды атмосферадаы блшектерді соылау кезінде) пайда болады. Алайда арышты сулелердегі трасыз арапайым блшектерді асиеттерін длірек зерттеу иыныра. йткені оларды арындылыы те аз. Сондытан одан грі зарядты блшектер деткішінде алынан арапайым блшектер шоын зерттеу олайлы. деткіште жылдамдатылан протондарды не электрондарды энергиясы нерлым жоары болан сайын ауыр, трасыз арапайым блшектер алынады. азіргі кезде деткіштер блшектерді энергиясын 70 ГэВ-ке дейін жеткізе алады.
арапайым блшектерді млшері те кішкентай (мыс., протонны млшері шамамен 10–13 см) боландытан, оларды ешандай оптик. приборды кмегімен круге болмайды. Физиктер арапайым блшектер жніндегі деректерді арапайым блшектерді зат арылы туі кезінде пайда болан былыстарды зерттеу нтижесінде алады. Мндай былыстара озалан блшектерді фотоэмульсиядаы (. алы абатты фотопластинка дісі) не арнаулы прибордаы (мыс., Вильсон камерасы, Кпіршікті камера, т.б.) іздері, арапайым блшектерді Черенков – Вавилов суле шыаруы, арапайым блшектер ткен кезде арнаулы санауыштарда пайда болатын разрядтар жатады.
арапайым блшектерді зерттеу саласында соы уаытта ірі табыстара ол жетті. арапайым блшектерді рылымы зірше айындалмаса да оларды наыз элементар деп айтуа болмайды. арапайым блшектерді крделі болатындыы оларды бір-бірімен серлесетіндігіне байланысты. арапайым блшектер бір-бірімен серлесе отырып баса бір арапайым блшектерге трленеді. Осы трлену кезінде энергияны, импульсты жне озалыс млшеріні задары, сондай-а арнаулы задар да (мыс, электр зарядыны саталу заы, ажаптылыты саталу заы) орындалады.
арапайым блшектерді фотоннан басасы лептондар, мезондар жне бариондар деп аталатын ш топа блінеді. р топты здеріне тн квантты сандары болады. Э. б. гравитац. зара серден баса – кшті, эл.-магн. жне лсіз зара серге атысады. рбір арапайым блшекті антиблшегі бар. Блшек пен антиблшек жбыны арапайым мысалына электрон мен позитрон жатады. зара серлесуді р тріне сйкес зіні симметриясы болады. 20 -ды 60-жылдары барлы белгілі Э. б. -ралады деп жорамалданатын жне адрондарды кшті зара серіне атысатын – кварктер теориясы жасалды (американ физигі М.Гелл-Ман, австрия физигі Г.Цвейг). Кварктерді болатындыы зірше іс жзінде длелденген жо.
Біздерге таныс атом блшектері электрон, протон, нейтрон, солармен атар фотон жне нейтринолар арапайым блшектер болып табылады. арапайым блшектер атарына антиблшектер де кіреді. Электронны антибелшегін позитрон, ал протондікін антипротон деп атайды. Олар бір-бірінен зарядтарыны табасымен ана ерекшеленеді. Мысалы, электронны бір теріс элементар заряды бар болса (е ), позитрон бір о элементар зарядты иеленеді (е+). Дл осылай протон (р) бір о элементар зарядты, ал анти-протон (р) бір теріс элементар зарядты иеленеді.