Дифракция элементарных частиц

 

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования  «Ижевский государственный технический  университет имени М. Т. Калашникова»

факультет « Инженерно-строительный »

Дифракция элементарных частиц

Реферат по физике

Выполнил: Студентка группы БО1-506-1зт

Ренёва Ю.С.

Проверил: Преподаватель Пономарев А.Г.

Ижевск, 2014

Содержание:

Введение (3- 4 стр.)

1. Понятие элементарных частиц (5-7 стр.)

2. Характеристики субатомных частиц (8-10 стр.)

3. Основные свойства элементарных частиц (11-15 стр.)

4. Понятие дифракции элементарных частиц (16-18 стр.)

5. Опыты по дифракции частиц и их квантовомеханическая интерпретация (19-27 стр.)

6. Специфика дифракции различных частиц. Атомная амплитуда рассеяния. (28-30 стр.)

7. Заключение (31 стр.)

8. Список используемой литературы (32стр.)

Введение

В середине и  второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением  фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Движение микрочастиц  оказалось во многих отношениях более  родственно движению волн, нежели движению материальной точки по траектории. Явление дифракции несовместимо с предположением о движении частиц по траекториям. Поэтому принципы классической механики, в которых понятие траектории является одним из основных понятий, непригодны для анализа движения микрочастиц.

1.Понятие элементарных частиц

Элементарные частицы  в точном значении этого термина  — первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

В понятии « элементарные частицы» в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие « элементарные частицы» сформировалось в тесной связи с установлением характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19—20 вв. мельчайших носителей свойств вещества — молекул и атомов — и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих — атомов.

Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов — электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов) существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями — элементарные частицы. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение «состоит из...» на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения «элементарности» в этом случае придется отказаться. Существование элементарных частиц — это своего рода постулат, и проверка его справедливости — одна из важнейших задач физики.

Термин « элементарные частицы» часто употребляется в современной физике не в своём точном значении, а менее строго — для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет простейшее ядро атома водорода — протон). Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна.

Помимо упоминавшихся  протона (р), нейтрона (n) и электрона (e^-) к ней относятся: фотон (g), пи-мезоны (p), мюоны (m), нейтрино трёх типов (электронное v_e, мюонное v_m и связанное с т. н. тяжёлым лептоном v_t), т. н. странные частицы (К-мезоны и гипероны),разнообразные резонансы, открытые в 1974—77 y-частицы, «очарованные» частицы, ипсилон-частицы (¡) и тяжёлые лептоны (t⁺, t^—) — всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число частиц, включаемых в эту группу, продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико; при этом большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по современным представлениям, они являются составными системами.

Использование названия « элементарные частицы » ко всем этим частицам имеет исторические причины и связано с тем периодом исследований (начало 30-х гг. 20 в.), когда единственно известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица электромагнитного поля — фотон. Эти четыре частицы тогда естественно было считать элементарными, т. к. они служили основой для построения окружающего нас вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура протона и нейтрона не была известна.

Открытие новых микроскопических частиц материи постепенно разрушило  эту простую картину. Вновь обнаруженные частицы, однако, во многих отношениях были близки к первым четырём известным частицам. Объединяющее их свойство заключается в том, что все они являются специфическими формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы (иногда по этой причине их называют «субъядерными частицами»).

Пока количество таких  частиц было не очень велико, сохранялось  убеждение, что они играют фундаментальную  роль в строении материи, и их относили к категории элементарных частиц. Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложного строения показало, что они, как правило, не обладают свойствами элементарности, но традиционное название « элементарные частицы » за ними сохранилось.

2. Характеристики  субатомных частиц

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Когда говорят о массе  частицы, имеют в виду ее массу  покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с не нулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из полученных в ускорителях элементарных частиц (Z-частица) обладает массой в 200 000 раз большей массы электрона. 

Электрический заряд  меняется в довольно узком диапазоне  и всегда кратен фундаментальной  единице заряда - заряду электрона (-1). Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.

Важная характеристика частицы — спин — собственный  момент импульса частицы. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, a спин фотона равен 1. Известны частицы  со спином 0,3/2,2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-оборота (180°). Частиц со спином более 2 возможно вообще не существует. 

В зависимости от спина  все частицы делятся на две  группы: бозоны — частицы с целыми спинами 0, 1 и 2; фермионы — частицы  с полуцелыми спинами (1/2, 3/2). 

Частицы характеризуются  и временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10-24 с. 

Физики выяснили, что  прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы - переносчики взаимодействий. 

Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундаментальных взаимодействий. Для лептонных нейтрино и их античастиц L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих античастиц В=-1.

Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные) адроны - протон, нейтрон, π-мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными свойствами по отношению к сильному взаимодействию, но с различными значениями электрического заряда; простейший пример – протон и нейтрон. Общее квантовое число для таких элементарных частиц – так называемый изотопический спин, принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения ±1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Основные свойства элементарных частиц

Важное свойство элементарных частиц – их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или других взаимодействий.

Один из видов взаимопревращений - так называемое рождение пары, или  образование одновременно частицы  и античастицы (в общем случае - образование пары элементарныех частиц с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар e^-e⁺, мюонных пар μ⁺μ^- новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb-состояний (см. ниже).

Другой вид взаимопревращений элементарных частиц - аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (γ-квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц и 3 фотона - при суммарном спине, равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).

При определенных условиях, в частности при невысокой  скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной системы - позитрония e^-e⁺ и мюония μ⁺e^-. Эти нестабильные системы, часто называемые водородоподобными атомами.

 

Табл. 1 Основные элементарные частицы и их характеристики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В таблице 1 приведены  наиболее хорошо изученные Э. ч. из групп  лептонов и адронов и их квантовые числа. В специальную группу выделен фотон. Раздельно даны частицы и античастицы (изменение Р у антибарионов не указано). Абсолютно нейтральные частицы помещены посередине первой колонки. Слева значком * помечены резонансы, для которых вместо т приведена более удобная величина — ширина резонанса   . Члены одного изотопического мультиплета расположены в одной строке, иногда с небольшим смещением (в тех случаях, когда даются характеристики каждого члена мультиплета).

Как следует из табл. 1, лептоны представлены сравнительно небольшим числом частиц: электроном, мюоном, t-лептоном и соответствующими им нейтрино. Массы v_e и v_m очень малы, но равны ли они в точности нулю, предстоит решить будущим экспериментам; информация о массе v_t пока ограничена.

Основную часть Э. ч. составляют адроны. Увеличение числа Э. ч. в 60—70-х  гг. происходило исключительно за счёт расширения данной группы. Адроны в своём большинстве представлены резонансами; наблюдается тенденция к росту спина по мере роста массы резонансов, которая хорошо прослеживается на различных группах мезонов и барионов с заданными J и Y и Ch. Следует также отметить, что странные частицы (особенно квазистабильные) несколько тяжелее обычных (нестранных) частиц, а очарованные частицы тяжелее странных.