Елементарна частица

Във физиката елементарна частица или фундаментална частица е частица, която не е съставена от други частици.

Елементарната частица може да бъде от една от двете групи: фермион или бозон. Фермионите са градивните елементи на материята и имат маса, докато бозоните се държат като носители на сили за фермионните взаимодействия и някои от тях нямат маса. Стандартният модел е най-приетият начин за обяснение на поведението на частиците и на силите, които им влияят. Според този модел елементарните частици се групират допълнително на кварки, лептони и калибровъчни бозони, като бозонът наХигс има специален статут на некалибровъчен бозон.

От частиците, които изграждат атома, само електронът е елементарна частица. Протоните и неутроните се състоят от по 3 кварка, което ги прави съставни частици - частици, които са изградени от други частици. Кварките са свързани помежду си с глюони. В ядрото има бозонни пионни полета, които отговарят за силната ядрена сила, свързваща протоните и неутроните, срещу електростатичното отблъскване между протоните. Такива виртуални пиони са съставени от кваркови антикваркови двойки, отново държани заедно от глуони.

Има три основни свойства, които описват една елементарна частица: "маса", "заряд" и "спин". На всяко свойство се приписва числова стойност. За масата и заряда числото може да бъде нула. Например фотонът има нулева маса, а неутриното - нулев заряд. Тези свойства винаги остават едни и същи за дадена елементарна частица.

  • Маса: Една частица има маса, ако е необходима енергия, за да се увеличи скоростта ѝ или да се ускори. В таблицата вдясно е дадена масата на всяка елементарна частица. Стойностите са дадени в MeV/c2s (което се изразява като мегаелектронволта над "c" на квадрат), т.е. в единици енергия над скоростта на светлината на квадрат. Това идва от специалната теория на относителността, която ни казва, че енергията е равна на масата, умножена по квадрата на скоростта на светлината. Всички частици с маса произвеждат гравитация. Всички частици се влияят от гравитацията, дори частиците без маса като фотона (вж. общата теория на относителността).
  • Електрически заряд: Електрическият заряд на частиците може да е положителен, отрицателен или никакъв. Ако една частица има отрицателен заряд, а друга частица - положителен, двете частици се привличат една към друга. Ако и двете частици имат отрицателен заряд или и двете имат положителен заряд, двете частици се отблъскват една от друга. На малки разстояния тази сила е много по-силна от силата на тежестта, която привлича всички частици заедно. Електронът има заряд -1, а протонът има заряд +1. Неутронът има среден заряд 0. Нормалните кварки имат заряд ⅔ или -⅓.
  • Спин: Ъгловият момент или постоянното въртене на една частица има определена стойност, наречена нейно спиново число. Спинът за елементарните частици е единица или ½. Свойството спин на частиците означава само наличието на ъглов момент. В действителност частиците не се въртят.

Масата и зарядът са свойства, които виждаме в ежедневието, тъй като гравитацията и електричеството влияят на нещата, които хората виждат и докосват. Но спинът влияе само на света на субатомните частици, така че не може да бъде наблюдаван пряко.

Стандартен модел на елементарните частици. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.Zoom
Стандартен модел на елементарните частици. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.

Фермиони

Фермионите (наречени на името на учения Енрико Ферми) имат спиново число ½ и са или кварки, или лептони. Съществуват 12 различни вида фермиони (без антиматерията). Всеки вид се нарича "аромат". Флаворите са:

  • Кварки: възходящ, низходящ, чаровен, странен, горен, долен. Кварките се срещат в три двойки, наречени "поколения". Първото поколение (нагоре и надолу) е най-лекото, а третото (горе и долу) е най-тежкото. Единият член на всяка двойка (възходящ, чаровен и горен) има заряд ⅔. Другият член (долу, странноприемницата и дъното) има заряд -⅓.
  • Лептони: електрон, мюон, тау, електронно неутрино, мюонно неутрино, тау неутрино. Неутриното има заряд 0, откъдето идва и префиксът neutr-. Останалите лептони имат заряд -1. Всяко неутрино е наречено на съответния оригинален лептон: електрон, мюон и тауон.

Смята се, че шест от 12-те фермиона са вечни: възходящите и низходящите кварки, електронът и трите вида неутрино (които постоянно сменят аромата си). Останалите фермиони се разпадат. Това означава, че те се разпадат на други частици за част от секундата след създаването им. Статистиката на Ферми-Дирак е теория, която описва как се държат колекциите от фермиони. По същество не може да има повече от един фермион на едно и също място по едно и също време.

Бозони

Бозоните, наречени на името на индийския физик Сатиендра Натх Бозе, имат спин 1. Въпреки че повечето бозони са съставени от повече от една частица, има два вида елементарни бозони:

Фотонът и глуонът нямат заряд и са единствените елементарни частици, които със сигурност имат маса 0. Фотонът е единственият бозон, който не се разпада. Статистиката на Бозе-Айнщайн е теория, която описва как се държат колекциите от бозони. За разлика от фермионите е възможно в едно и също пространство да има повече от един бозон по едно и също време.

Стандартният модел включва всички описани по-горе елементарни частици. Всички тези частици са наблюдавани в лаборатория.

Стандартният модел не говори за гравитация. Ако гравитацията работи като трите други фундаментални сили, тогава тя се носи от хипотетичен бозон, наречен гравитон. Гравитонът все още не е открит, затова не е включен в горната таблица.

Първият открит фермион, за който знаем най-много, е електронът. Първият открит бозон, за който също знаем най-много, е фотонът. Теорията, която най-точно обяснява как работят заедно електронът, фотонът, електромагнетизмът и електромагнитното излъчване, се нарича квантова електродинамика.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват елементарните частици?


О: Елементарните частици са частици, които не са съставени от други частици.

В: Към колко групи принадлежат елементарните частици?


О: Елементарните частици могат да бъдат от една от две групи - фермиони или бозони.

В: Какво представлява стандартният модел?


О: Стандартният модел е най-приетият начин за обяснение на поведението на частиците и на силите, които им влияят.

В: Как се групират елементарните частици според Стандартния модел?


О: Според Стандартния модел елементарните частици се групират още на кварки, лептони и калибровъчни бозони, като бозонът на Хигс има специален статут на некалибровъчен бозон.

Въпрос: Протоните и неутроните смятат ли се за елементарни частици?


О: Не, протоните и неутроните не се смятат за елементарни частици, тъй като всеки от тях се състои от 3 кварка, което ги прави съставни частици - т.е. те са съставени от други по-малки частици.

В: Какви свойства описват елементарната частица?


О: Има три основни свойства, които описват елементарната частица - маса, заряд и спин - на всяко свойство се приписва числова стойност.

В: Гравитацията влияе ли на всички видове частици, дори на тези без маса, като фотоните?


О: Да, всички видове частици, включително тези без маса като фотоните, изпитват гравитация поради общата теория на относителността.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3