Характеристики элементарных частиц
Каждая частица описывается набором физических величин - квантовых чисел - определяющих её свойства. Наиболее часто употребляемые характеристики частиц:
1. Масса частицы,m.
Массы частиц меняются в широких пределах от 0 (фотон) до 90 ГэВ (Z-бозон). Z-бозон - наиболее тяжелая из известных частиц. Однако могут существовать и более тяжелые частицы. Массы адронов зависят от типов входящих в их состав кварков, а также от их спиновых состояний.
2. Время жизни, τ.
В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные частицы, имеющие относительно большое время жизни, и нестабильные. Деление частиц на стабильные и нестабильные условно: к стабильным частицам принадлежат такие частицы как электрон, протон, для которых в настоящее время распады не обнаружены, так и π0-мезон, имеющий время жизни τ = 0.8×10-16 с. К стабильным частицам относят частицы, распадающиеся по слабому или электромагнитному взаимодействию. К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Их обычно называют резонансами. Характерное время жизни резонансов - 10-23-10-24 с.
3. Спин, J.
Величина спина измеряется в единицах ħ и может принимать 0, полуцелые и целые значения. Например, спин π, К-мезонов равен 0.
Спин электрона, мюона равен 1/2. Спин фотона равен 1. Существуют частицы и с большим значением спина. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака, с целым спином - Бозе-Эйнштейна.
4. Электрический заряд,q.
Электрический заряд является целой кратной величиной от е = 1,6×10-19 Кл (Кулон), называемой элементарным электрическим зарядом. Частицы могут иметь заряды 0, ±1, ±2.
5. Внутренняя четность,Р.
Квантовое числоР характеризует свойство симметрии волновой функции относительно пространственных отражений. Квантовое число Р имеет значение +1, -1.
Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые приписывают только отдельным группам частиц.
Квантовые числа:
лептонное число L
барионное число В,
странность s,
очарование (charm) с,
красота (bottomness или beauty) b,
верхний (topness) t,
изотопический спин I приписывают только сильно взаимодействующим частицам - адронам.
Странные частицы
В начале 50-х годов ХХ в. было обнаружено, что некоторые из недолго до того открытых частиц, а именно К, Ʌ, Sведут себя странно в двух отношениях. Во-первых, они всегда рождаются парами. Например, реакция проходит с вероятностью, близкой к 1, а реакция π– + p → K0 + n никогда не наблюдалась. Это казалось тем боле странным, что вторая реакция не нарушала ни одного из известных законов сохранения и для её осуществления было достаточно энергии.Во-вторых, хотя рождение странныхчастиц (как их стали называть) было обусловлено сильным взаимодействием (т.е. происходило с большой вероятностью), их распады не имели характерного для сильного взаимодействия времени жизни, хотя они и распадались на сильно взаимодействующие частицы например,
K → 2π, ∑+ → p+ π0.
Время жизни странных частиц оказалось в пределах от 10–10 до 10–8с, что характерно для слабого взаимодействия.
Для объединения этих фактов были введены новое квантовое число странностьи новый закон сохранения (сохранности). Так вот в первой реакции странность частиц до реакции совпадает со странностью частиц после реакции, а во второй реакции странность не сохраняется и поэтому эта реакция не идет. Для объяснения особенностей распада странных частиц предполагается, что странность сохраняется в сильном взаимодействии и не сохраняется в слабом взаимодействии. Следовательно, хотя закон сохранения запрещает распад странных частиц на более лёгкие не странные частицы, за счёт сильного взаимодействия, такие распады и происходят за счёт слабого взаимодействия. Но слабые распады происходят гораздо медленнее, что соответствует большим временам жизни. Сохранение странности оказалось первым примером «частично сохраняющейся величины»: странность сохраняется в сильном и не сохраняется в слабом взаимодействии.
Кварки и очарование
Почти все наблюдаемые частицы принадлежат одному из двух семейств: лептонам и адронам. Основное различие между ними состоит в том, что адроны не участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны участвуют. Другое важное различие состоит в том, что в 60-х годах были известны четыре лептона (e–, µ–, νe,νµ) и их античастицы и более сотни адронов. Лептоны считаются элементарными частицами, т.к. они, насколько известно, не распадаются на составные части, не обнаруживают никакой внутренней структуры и не имеют определённого размера. Попытки определить размеры лептонов показали, что верхний предел составляет 10–18 м.
С другой стороны, адроны оказались более сложными частицами. Эксперименты показали, что адроны обладают внутренней структурой, и их обилие наводит на мысль, что адроны совсем не элементарны. Для решения этой проблемы М. Гелл-Манн и Г. Цвейг в 1963 г. независимо высказали идею, согласно которой все известные адроны неэлементарны, а построены из трёх более фундаментальных точечных объектов, называемых кварками.
Подобно лептонам кварки представляют собой истинно элементарные частицы.
Три «сорта» кварков были обозначены буквами
u(up – вверх),
d(down – вниз),
s(strange – странный).
Привычное свойство-спин: векторное сложение-спин равен сумме спинов кварков.
Непривычное свойство-дробные заряды: Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков
Четвертый кварк получил название очарованный. Его электрический заряд должен быть равен 2/3е.
Кроме того, четвёртый кварк должен обладать ещё одним свойством, отличающим его от трёх остальных кварков. Это новое свойство или квантовое число, было названо очарованием. Предполагалось, что очарование с ведёт себя подобно странности: сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействии и не сохраняется в слабом взаимодействии.
У нового очарованного кварка с = +1, у его антикварка с = – 1.
Исходя из симметрии природы физики предположили существование ещё двух кварков:
b-кварки (bottom – низ или beauty - красивый)
t-кварки (top – высший или truth - истинный). Соответственно новые свойства (квантовые числа), отличающие новые кварки от ранее известных, называются t- и b-свойствами или истиной и красотой.
Фотоэффект и его виды
Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.
Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.
Вентильный фотоэффект (разновидность внутреннего фотоэффекта) – возникновение эдс (фото-эдс) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля).
Опыт Столетова.
Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Два электрода (катод К из исследуемого материала и анод А (металлическая сетка)) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое стекло), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. В 1899 Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны.Вольтамперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, от напряжения
Максимальное значение тока Iнас. – фототок насыщения – определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:
где n – число электронов испускаемых катодом в 1 с.
Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U0.