Particulă subatomică

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 11 august 2022; verificarea necesită 1 editare .

O particulă subatomică  este o particulă mult mai mică decât un atom [1] . Sunt considerate două tipuri de particule subatomice: particulele elementare , care, conform teoriilor moderne, nu sunt formate din alte particule; și particule compozite [2] . Fizica particulelor și fizica nucleară studiază aceste particule și modul în care interacționează [3] . Ideea unei particule a suferit o regândire majoră atunci când experimentele au arătat că lumina se poate comporta ca un flux de particule (numite fotoni ) și, de asemenea, poate prezenta proprietățile unei unde. Acest lucru a condus la apariția conceptului de dualitate val-particulă, reflectând faptul că „particulele” la scara cuantică se comportă ca particule și unde. Un alt concept, principiul incertitudinii , afirmă că unele dintre proprietățile lor, cum ar fi poziția și impulsul lor simultane, luate împreună, nu pot fi măsurate cu precizie [4] . Mai târziu s-a demonstrat că dualitatea unei unde și a unei particule este aplicabilă nu numai fotonilor, ci și particulelor mai masive [5] .

Interacțiunile particulelor în cadrul teoriei câmpurilor cuantice sunt înțelese ca crearea și distrugerea cuantelor interacțiunilor fundamentale corespunzătoare . Aceasta combină fizica particulelor cu teoria câmpului .

Clasificare

Compoziție

Particulele subatomice sunt fie „elementare”, adică nu sunt formate din multe alte particule, fie „compozite” și sunt formate din mai mult de o particulă elementară legată între ele.

Particulele elementare ale modelului standard sunt [6] :

Toate au fost descoperite prin experimente, cel mai recent fiind cuarcul adevărat (1995), neutrinul tau (2000) și bosonul Higgs (2012).

Diverse extensii ale modelului standard prezic existența particulei elementare graviton și a multor alte particule elementare, dar din 2019 acestea nu au fost descoperite.

Hadroni

Aproape toate particulele compuse conțin mai mulți quarci (antiquarci) legați împreună de gluoni (cu rare excepții, cum ar fi pozitroniul și muonium ). Cele care conțin puțini (≤ 5) [anti]quarci se numesc hadroni . Datorită unei proprietăți cunoscute sub denumirea de limitare a culorii , quarcii nu se găsesc niciodată individual, ci se găsesc întotdeauna în hadronii care conțin mai mulți quarci. Hadronii sunt împărțiți la numărul de quarci (inclusiv antiquarci) în barioni care conțin un număr impar de quarci (aproape întotdeauna 3), dintre care cei mai faimoși sunt protonii și neutronii ; și mezoni , care conțin un număr par de cuarci (aproape întotdeauna 2, un cuarc și un antiquarc), dintre care cei mai cunoscuți sunt mezonii pi și k mezonii .

Cu excepția protonului și neutronului, toți ceilalți hadroni sunt instabili și se descompun în alte particule în microsecunde sau mai puțin. Protonul este format din doi cuarci up și unul down , în timp ce neutronul este format din doi cuarci down și unul up. De obicei, se leagă împreună într-un nucleu atomic, de exemplu, un nucleu de heliu-4 este format din doi protoni și doi neutroni. Majoritatea hadronilor nu trăiesc suficient pentru a forma compozite asemănătoare nucleelor; cei care pot (cu excepția protonului și neutronului) să formeze hipernuclei .

Statistic

Orice particulă subatomică, ca orice particulă din spațiul tridimensional care respectă legile mecanicii cuantice, poate fi fie un boson (cu spin întreg ) fie un fermion (cu spin semiîntreg impar).

În modelul standard, toți fermionii elementari au spin 1/2 și sunt împărțiți în quarci, care poartă o sarcină de culoare și, prin urmare, simt forța puternică, și leptoni, care nu. Bosonii elementari includ bosoni gauge (fotoni, W și Z, gluoni) cu spin 1, în timp ce bosonul Higgs este singura particulă elementară cu spin zero.

Gravitonul ipotetic ar trebui, teoretic, să aibă spin 2, dar nu face parte din modelul standard. Unele extensii, cum ar fi supersimetria , prezic existența unor particule elementare de spin 3/2 suplimentare, dar din 2019 acestea nu au fost descoperite.

Datorită legilor de spin ale particulelor compuse, barionii (3 quarci) au spin 1/2 sau 3/2 și, prin urmare, sunt fermioni; mezonii (2 cuarci) au spin întreg 0 sau 1 și, prin urmare, sunt bozoni.

Prin masă

În relativitatea specială , energia unei particule în repaus este egală cu masa ei înmulțită cu pătratul vitezei luminii, E = mc². Adică, masa poate fi exprimată în termeni de energie și invers. Dacă există un cadru de referință în care particula este în repaus, atunci aceasta are o masă pozitivă în repaus și se numește masivă .

Toate particulele compuse sunt masive. Barionii (însemnând „grei”) au mai multă masă decât mezonii (însemnând „intermediari”), care, la rândul lor, sunt mai grei decât leptonii (însemnând „ușoare”), dar cel mai greu lepton (particula tau) este mai greu decât două aromă cea mai ușoară a barioni (nucleoni). De asemenea, este evident că orice particulă cu sarcină electrică este masivă.

Când au fost descriși inițial în anii 1950, termenii barioni, mezoni și leptoni se refereau la mase; cu toate acestea, după ce modelul cuarcului a fost adoptat în anii 1970, s-a recunoscut că barionii sunt compuși din trei cuarci, mezonii sunt compoziții dintr-un cuarc și un antiquarc, iar leptonii sunt elementari și sunt definiți ca fermioni elementari fără încărcătură de culoare.

Toate particulele fără masă (particule a căror masă invariantă este egală cu zero) sunt elementare. Acestea includ fotonul și gluonul, deși acesta din urmă nu poate fi izolat.

Prin despărțire

Majoritatea particulelor subatomice nu sunt stabile. Toți mezonii, precum și barionii - cu excepția protonului - se descompun sub influența interacțiunilor puternice sau slabe. Dezintegrarea protonului nu a fost înregistrată, deși nu se știe dacă este „cu adevărat” stabil. Leptonii încărcați mu și tau se descompun din interacțiunea slabă; la fel pentru antiparticulele lor. Neutrinii (și antineutrinii) nu se degradează, dar se crede că fenomenul oscilațiilor neutrinilor există chiar și în vid. Electronul și antiparticula sa, pozitronul, sunt teoretic stabile datorită conservării sarcinii , cu excepția cazului în care există o particulă mai ușoară cu o sarcină electrică ≤e (ceea ce este puțin probabil).

Dintre particulele subatomice care nu poartă o sarcină de culoare (și prin urmare pot fi izolate), doar fotonul, electronul, neutrinul, mai multe nuclee atomice (inclusiv protonul) și antiparticulele lor pot rămâne în aceeași stare pe o perioadă nedeterminată.

Alte proprietăți

Toate particulele subatomice observabile au o sarcină electrică care este întreagă și un multiplu al sarcinii elementare . Cuarcurile din Modelul Standard au sarcini electrice „neîntregi”, și anume multipli de 1 ⁄ 3  e , dar quarcurile (și alte combinații cu sarcină electrică non-întreg) nu pot fi izolate din cauza confinării . Pentru barioni, mezoni și antiparticulele lor, sarcinile quarcilor constituenți se adună la un multiplu întreg al lui e .

Datorită lucrărilor lui Albert Einstein , Satyendra Nath Bose , Louis de Broglie și mulți alții, teoria științifică modernă susține că toate particulele au și o natură ondulatorie [7] . Acest lucru a fost verificat nu numai pentru particulele elementare, ci și pentru particulele compuse, cum ar fi atomii și chiar moleculele. De fapt, conform formulărilor tradiționale ale mecanicii cuantice non-relativiste , dualitatea undă-particulă se aplică tuturor obiectelor, chiar și celor macroscopice; deși proprietățile de undă ale obiectelor macroscopice nu pot fi detectate din cauza lungimilor lor de undă mici [8] .

Interacțiunile dintre particule au fost studiate cu atenție timp de multe secole, iar comportamentul particulelor în ciocniri și interacțiuni se bazează pe câteva legi simple. Cele mai fundamentale dintre acestea sunt legile de conservare a energiei și de conservare a impulsului , care permit calculele interacțiunilor particulelor pe scări de la stele la quarci.

Vezi și

Note

  1. ↑ Particule subatomice (link downlink) . NTD. Consultat la 5 iunie 2012. Arhivat din original pe 16 februarie 2014. 
  2. ↑ Bolonkin, Alexandru. Univers , nemurire umană și evaluare umană viitoare  . - Elsevier , 2011. - P. 25. - ISBN 9780124158016 .
  3. ↑ Fritzsch, Harold. Particule elementare  (neopr.) . - World Scientific , 2005. - S. 11-20. - ISBN 978-981-256-141-1 . Arhivat pe 31 octombrie 2020 la Wayback Machine
  4. ↑ Heisenberg, W. (1927), Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik , Zeitschrift für Physik T. 43 (3–4): 172–198 , DOI 10.1007/BF01397280 
  5. ↑ Arndt, Markus; Nairz, Olaf; Vos-Andreae, Julian; Keller, Claudia; Van Der Zouw, Gerbrand; Zeilinger, Anton. Dualitate val-particulă a moleculelor C60  (engleză)  // Natura . - 2000. - Vol. 401 , nr. 6754 . - P. 680-682 . - doi : 10.1038/44348 . — . — PMID 18494170 .
  6. ↑ Cottingham, WN; Greenwood, D.A. O introducere în modelul standard al fizicii particulelor  . - Cambridge University Press , 2007. - P. 1. - ISBN 978-0-521-85249-4 . Arhivat pe 19 august 2020 la Wayback Machine
  7. ↑ Walter Greiner. Mecanica cuantică: o introducere  (neopr.) . - Springer , 2001. - P. 29. - ISBN 978-3-540-67458-0 . Arhivat pe 18 august 2020 la Wayback Machine
  8. ↑ Eisberg, R.; Resnick, R. Fizica cuantică a atomilor, moleculelor, solidelor, nucleelor ​​și particulelor . — al 2-lea. - John Wiley & Sons , 1985. - P. 59-60. — ISBN 978-0-471-87373-0 .  

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii