A palavra átomo significa "indivisível". Foi introduzido pelos filósofos gregos para denotar as menores partículas das quais, de acordo com sua ideia, consiste a matéria.
Físicos e químicos do século XIX adotaram o termo para as menores partículas conhecidas por eles. Embora tenhamos sido capazes de “dividir” átomos por muito tempo e o indivisível tenha deixado de ser indivisível, esse termo foi preservado. De acordo com nossa ideia atual, o átomo consiste nas menores partículas, que chamamos de partículas elementares. Existem também outras partículas elementares que não são realmente constituintes dos átomos. Eles geralmente são produzidos usando poderosos ciclotrons, síncrotrons e outros aceleradores de partículas especialmente projetados para estudar essas partículas. Eles também surgem quando os raios cósmicos passam pela atmosfera. Essas partículas elementares decaem após alguns milionésimos de segundo e, muitas vezes, em um período de tempo ainda mais curto após seu aparecimento. Como resultado do decaimento, eles mudam, transformando-se em outras partículas elementares, ou liberam energia na forma de radiação.
O estudo das partículas elementares concentra-se no número cada vez maior de partículas elementares de vida curta. Embora este problema seja de grande importância, em particular, porque está relacionado com as leis mais fundamentais da física, no entanto, o estudo das partículas é realizado atualmente quase isoladamente de outros ramos da física. Por esta razão, vamos nos limitar a considerar apenas aquelas partículas que são componentes permanentes dos materiais mais comuns, bem como algumas partículas que estão muito próximas a eles. A primeira das partículas elementares descobertas no final do século XIX foi o elétron, que então se tornou um servo extremamente útil. Nos tubos de rádio, o fluxo de elétrons se move no vácuo; e é ajustando esse fluxo que os sinais de rádio recebidos são amplificados e convertidos em som ou ruído. Em um aparelho de televisão, o feixe de elétrons funciona como uma caneta que reproduz instantaneamente e com precisão na tela do receptor o que a câmera do transmissor vê. Em ambos os casos, os elétrons se movem no vácuo para que, se possível, nada interfira em seu movimento. Outra propriedade útil é sua capacidade, passando pelo gás, de fazê-lo brilhar. Assim, ao permitir que os elétrons passem por um tubo de vidro cheio de gás a uma determinada pressão, usamos esse fenômeno para produzir luz de néon, que é usada à noite para iluminar grandes cidades. E aqui está outro encontro com elétrons: relâmpagos brilharam, e miríades de elétrons, rompendo a espessura do ar, criam um som de trovão.
No entanto, em condições terrestres há um número relativamente pequeno de elétrons que podem se mover livremente, como vimos em exemplos anteriores. A maioria deles está firmemente ligada em átomos. Como o núcleo de um átomo é carregado positivamente, ele atrai elétrons carregados negativamente para si, forçando-os a permanecer em órbitas relativamente próximas ao núcleo. Um átomo geralmente consiste em um núcleo e um número de elétrons. Se um elétron deixa um átomo, geralmente é imediatamente substituído por outro elétron, que o núcleo atômico atrai com grande força de seu ambiente imediato.
Como é esse elétron maravilhoso? Ninguém o viu e nunca o verá; e, no entanto, conhecemos tão bem suas propriedades que podemos prever com grande detalhe como se comportará nas mais variadas situações. Conhecemos sua massa (seu "peso") e sua carga elétrica. Sabemos que na maioria das vezes ele se comporta como se estivesse diante de um partícula, em outros casos revela as propriedades ondas. Uma teoria do elétron extremamente abstrata, mas ao mesmo tempo muito precisa, foi proposta em sua forma final há várias décadas pelo físico inglês Dirac. Essa teoria nos dá a oportunidade de determinar em que circunstâncias o elétron será mais parecido com uma partícula e em que circunstâncias seu caráter de onda prevalecerá. Esta natureza dual - partícula e onda - torna difícil dar uma imagem clara do elétron; portanto, uma teoria que leve em conta esses dois conceitos e ainda dê uma descrição completa do elétron deve ser muito abstrata. Mas não seria razoável limitar a descrição de um fenômeno tão notável como o elétron a imagens terrenas como ervilhas e ondas.
Uma das premissas da teoria do elétron de Dirac era que deve haver uma partícula elementar que tenha as mesmas propriedades que o elétron, exceto que é carregada positivamente e não negativamente. De fato, tal gêmeo de elétrons foi descoberto e nomeado pósitron. Faz parte dos raios cósmicos e também ocorre como resultado do decaimento de certas substâncias radioativas. Sob condições terrestres, a vida de um pósitron é curta. Assim que está na vizinhança de um elétron, e isso acontece em todas as substâncias, o elétron e o pósitron se "exterminam"; A carga elétrica positiva do pósitron neutraliza a carga negativa do elétron. Como, de acordo com a teoria da relatividade, a massa é uma forma de energia, e como a energia é "indestrutível", a energia representada pelas massas combinadas do elétron e do pósitron deve ser armazenada de alguma forma. Essa tarefa é realizada por um fóton (quantum de luz), ou geralmente dois fótons, que são emitidos como resultado dessa colisão fatal; sua energia é igual à energia total do elétron e do pósitron.
Sabemos também que o processo inverso também está ocorrendo, um fóton pode, sob certas condições, por exemplo, voando próximo ao núcleo de um átomo, criar um elétron e um pósitron “do nada”. Para tal criação, deve ter uma energia pelo menos igual à energia correspondente à massa total do elétron e do pósitron.
Portanto, as partículas elementares não são eternas ou permanentes. Tanto os elétrons quanto os pósitrons podem ir e vir; no entanto, a energia e as cargas elétricas resultantes são conservadas.
Com exceção do elétron, a partícula elementar que conhecemos muito antes de qualquer outra partícula não é o pósitron, que é relativamente raro, mas prótoné o núcleo do átomo de hidrogênio. Como o pósitron, é carregado positivamente, mas sua massa é cerca de duas mil vezes maior que a massa do pósitron ou elétron. Como essas partículas, o próton às vezes exibe propriedades ondulatórias, mas apenas sob condições excepcionalmente especiais. O fato de sua natureza ondulatória ser menos pronunciada é de fato uma consequência direta de sua massa muito maior. A natureza ondulatória, característica de toda matéria, não se torna de grande importância para nós até que comecemos a trabalhar com partículas excepcionalmente leves, como os elétrons.
O próton é uma partícula muito comum, o átomo de hidrogênio é formado por um próton, que é seu núcleo, e um elétron, que orbita em torno dele. O próton também faz parte de todos os outros núcleos atômicos.
Os físicos teóricos previram que o próton, como o elétron, tem uma antipartícula. Abertura próton negativo ou antipróton, que tem as mesmas propriedades do próton, mas é carregado negativamente, confirmou essa previsão. A colisão de um antipróton com um próton "extermina" ambos da mesma forma que no caso de uma colisão de um elétron e um pósitron.
Outra partícula elementar nêutron, tem quase a mesma massa de um próton, mas é eletricamente neutro (sem carga elétrica). Sua descoberta nos anos trinta do nosso século - aproximadamente simultaneamente com a descoberta do pósitron - foi extremamente importante para a física nuclear. O nêutron faz parte de todos os núcleos atômicos (com exceção, é claro, do núcleo comum do átomo de hidrogênio, que é simplesmente um próton livre); Quando um núcleo atômico se quebra, ele libera um (ou mais) nêutrons. A explosão de uma bomba atômica ocorre devido aos nêutrons liberados dos núcleos de urânio ou plutônio.
Como prótons e nêutrons juntos formam núcleos atômicos, e ambos são chamados de nucleons, depois de algum tempo, um nêutron livre se transforma em um próton e um elétron.
Estamos familiarizados com outra partícula chamada antinêutron, que, como o nêutron, é eletricamente neutro. Ele tem muitas das propriedades de um nêutron, mas uma das diferenças fundamentais é que um antinêutron decai em um antipróton e um elétron. Colidindo, nêutrons e antinêutrons se destroem,
Fóton, ou quantum de luz, uma partícula elementar extremamente interessante. Querendo ler um livro, acendemos a lâmpada. Assim, a lâmpada incluída gera um grande número de fótons que correm para o livro, assim como para todos os outros cantos da sala, na velocidade da luz. Alguns deles, batendo nas paredes, morrem imediatamente, outros repetidamente batem e ricocheteiam nas paredes de outros objetos, mas depois de menos de um milionésimo de segundo a partir do momento em que aparecem, todos morrem, com exceção de alguns que conseguem escapar pela janela e escorregar para o espaço. A energia necessária para gerar fótons é fornecida por elétrons que fluem através de uma lâmpada acesa; morrendo, os fótons dão essa energia a um livro ou outro objeto, aquecendo-o, ou ao olho, causando estimulação dos nervos ópticos.
A energia de um fóton e, portanto, sua massa, não permanece inalterada: existem fótons muito leves junto com outros muito pesados. Os fótons que produzem luz comum são muito leves, sua massa é apenas alguns milionésimos da massa de um elétron. Outros fótons têm massa aproximadamente igual à massa de um elétron, e até muito mais. Exemplos de fótons pesados são os raios X e os raios gama.
Aqui está uma regra geral: quanto mais leve a partícula elementar, mais expressiva é sua natureza ondulatória. As partículas elementares mais pesadas - prótons - revelam características de onda relativamente fracas; eles são um pouco mais fortes para os elétrons; os mais fortes são os dos fótons. De fato, a natureza ondulatória da luz foi descoberta muito antes de suas características corpusculares. Sabemos que a luz nada mais é do que o movimento das ondas eletromagnéticas desde que Maxwell a demonstrou durante a segunda metade do século passado, mas foram Planck e Einstein no início do século XX que descobriram que a luz também tem características corpusculares, que às vezes é emitido na forma de "quanta" separados, ou, em outras palavras, na forma de um fluxo de fótons. Não se pode negar que é difícil unir e fundir em nossas mentes essas duas concepções aparentemente diferentes da natureza da luz; mas podemos dizer que, como a "natureza dual" do elétron, nossa concepção de um fenômeno tão evasivo como a luz deve ser muito abstrata. E somente quando queremos expressar nossa ideia em termos grosseiros, às vezes devemos comparar a luz a um fluxo de partículas, fótons ou movimento ondulatório de natureza eletromagnética.
Existe uma relação entre a natureza corpuscular do fenômeno e suas propriedades de "onda". Quanto mais pesada a partícula, menor o comprimento de onda correspondente; quanto maior o comprimento de onda, mais leve é a partícula correspondente. Os raios X, que são compostos de fótons muito pesados, têm comprimentos de onda correspondentemente muito curtos. A luz vermelha, que tem um comprimento de onda maior que a luz azul, é composta de fótons mais leves que os fótons de luz azul. As ondas eletromagnéticas mais longas que existem - ondas de rádio - são compostas de pequenos fótons. Essas ondas não exibem as propriedades das partículas em nada, sendo sua natureza ondulatória a característica inteiramente dominante.
E, finalmente, a menor de todas as pequenas partículas elementares é neutrino. É desprovido de carga elétrica e, se tiver alguma massa, é próximo de zero. Com algum exagero, podemos dizer que o neutrino é simplesmente desprovido de propriedades.
Nosso conhecimento de partículas elementares é a fronteira moderna da física. O átomo foi descoberto no século XIX, e os cientistas da época descobriram um número crescente de diferentes tipos de átomos; da mesma forma, hoje encontramos cada vez mais partículas elementares. E embora tenha sido provado que os átomos consistem em partículas elementares, não podemos esperar que, por analogia, se descubra que as partículas elementares consistem em partículas ainda menores. O problema que enfrentamos hoje é muito diferente, e não há o menor sinal de que possamos dividir partículas elementares. Em vez disso, deve-se esperar que seja demonstrado que todas as partículas elementares são manifestações de um fenômeno ainda mais fundamental. E se fosse possível estabelecer isso, poderíamos compreender todas as propriedades das partículas elementares; poderia calcular suas massas e como eles interagem. Muitas tentativas foram feitas para abordar a solução deste problema, que é um dos problemas mais importantes da física.
Partículas elementares são partículas que ainda não encontraram uma estrutura interna. Mesmo no século passado, os átomos eram considerados partículas elementares. Sua estrutura interna - núcleos e elétrons - foi descoberta no início do século XX. nas experiências de E. Rutherford. O tamanho dos átomos é de cerca de 10 a 8 cm, os núcleos são dezenas de milhares de vezes menores e o tamanho dos elétrons é muito pequeno. É inferior a 10 -16 cm, como segue de teorias e experimentos modernos.
Assim, agora o elétron é uma partícula elementar. Quanto aos núcleos, sua estrutura interna foi revelada logo após sua descoberta. Eles são compostos de nucleons - prótons e nêutrons. Os núcleos são bastante densos: a distância média entre os nucleons é apenas algumas vezes seu próprio tamanho. Para descobrir em que consistem os núcleons, levou cerca de meio século, no entanto, ao mesmo tempo, outros mistérios da natureza apareceram e foram resolvidos.
Os núcleons consistem em três quarks, que são elementares com a mesma precisão que um elétron, ou seja, seu raio é menor que 10 -16 cm. O raio dos núcleons - o tamanho da área ocupada pelos quarks - é de cerca de 10 -13 cm. partículas - bárions, compostos por três quarks diferentes (ou idênticos). Quarks podem formar triplos de diferentes maneiras, e isso determina as diferenças nas propriedades de um bárion, por exemplo, ele pode ter um spin diferente.
Além disso, os quarks podem se combinar em pares - mésons, consistindo em um quark e um antiquark. O spin dos mésons recebe valores inteiros, enquanto para os bárions leva valores meio inteiros. Juntos, bárions e mésons são chamados de hádrons.
Os quarks não foram encontrados na forma livre e, de acordo com os conceitos atualmente aceitos, eles podem existir apenas na forma de hádrons. Antes da descoberta dos quarks, os hádrons eram considerados partículas elementares por algum tempo (e esse nome ainda é bastante comum na literatura).
A primeira indicação experimental da estrutura composta de hádrons foram os experimentos de espalhamento de elétrons por prótons no acelerador linear de Stanford (EUA), o que só poderia ser explicado assumindo a presença de alguns objetos pontuais dentro do próton.
Logo ficou claro que eram quarks, cuja existência foi assumida ainda mais cedo pelos teóricos.
Aqui está uma tabela de partículas elementares modernas. Além de seis tipos de quarks (apenas cinco apareceram até agora em experimentos, mas os teóricos sugerem que também existe um sexto), esta tabela lista os léptons - partículas às quais o elétron também pertence. O múon e (bem recentemente) o t-lépton também foram descobertos nesta família. Cada um deles tem seu próprio neutrino, de modo que os léptons naturalmente se dividem em três pares e, n e; m, nm;t, nt.
Cada um desses pares combina com o par correspondente de quarks em um quádruplo, que é chamado de geração. As propriedades das partículas são repetidas de geração em geração, como pode ser visto na tabela. Apenas as massas diferem. A segunda geração é mais pesada que a primeira e a terceira geração é mais pesada que a segunda.
Na natureza, existem principalmente partículas de primeira geração, e as demais são criadas artificialmente em aceleradores de partículas carregadas ou durante a interação de raios cósmicos na atmosfera.
Além dos quarks e léptons de spin 1/2, coletivamente chamados de partículas de matéria, a tabela lista as partículas com spin 1. Esses são os quanta dos campos criados pelas partículas de matéria. Destes, a partícula mais conhecida é o fóton, um quantum do campo eletromagnético.
Os chamados bósons intermediários C+ e C- , que têm massas muito grandes, foram descobertos recentemente em experimentos em R-feixes em energias de várias centenas de GeV. Estes são portadores de interações fracas entre quarks e léptons. E, finalmente, os glúons são portadores de fortes interações entre os quarks. Como os próprios quarks, os glúons não foram encontrados na forma livre, mas aparecem em estágios intermediários das reações de criação e aniquilação dos hádrons. Recentemente, jatos de hádrons gerados por glúons foram detectados. Como todas as previsões da teoria de quarks e glúons - cromodinâmica quântica - concordam com a experiência, quase não há dúvida sobre a existência de glúons.
Uma partícula com spin 2 é um gráviton. Sua existência deriva da teoria da gravidade de Einstein, dos princípios da mecânica quântica e da teoria da relatividade. Será extremamente difícil detectar o gráviton experimentalmente, pois ele interage muito fracamente com a matéria.
Por fim, a tabela com ponto de interrogação mostra partículas com spin 0 (H-mésons) e 3/2 (gravitinos); eles não foram encontrados experimentalmente, mas sua existência é assumida em muitos modelos teóricos modernos.
Partículas elementares
| rodar | 0? | 1/2 | 1 | 3/2 | 2? | ||||||
| título | Partículas de Higgs | Partículas de matéria | Quanta de campo | ||||||||
| quarks | léptons | fóton | bósons vetoriais | glúon | gravitino | gráviton | |||||
| símbolo | H | você | d | ne | e | g | Z | C | g | ||
| (peso) | (?) | (?) | (0,5) | (0) | (~95 GeV) | (~80 GeV) | (?) | (?) | |||
| símbolo | com | s | n m | m | |||||||
| (peso) | (0?) | (106) | |||||||||
| símbolo | t | b | n t | t | |||||||
| (peso) | (0?) | (1784) | |||||||||
| carga de barião | 0 | 1/3 | 1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Carga elétrica | 0,±1 | 2/3 | 1/3 | 0 | -1 | 0 | 0 | ±1 | 0 | 0 | 0 |
| Cor | - | 3 | 3 | - | - | - | - | - | 8 | - | - |
Hádrons - o nome geral para partículas envolvidas em interações fortes . O nome vem da palavra grega que significa "forte, grande". Todos os hádrons são divididos em dois grandes grupos - mésons e bárions.
bárions(da palavra grega que significa "pesado") são hádrons com spin semi-inteiro . Os bárions mais famosos são prótons e nêutrons . Bárions também incluem um número de partículas com um número quântico, uma vez chamado esquisitice. A unidade de estranheza é possuída pelo bário lambda (L°) e pela família dos bárions sigma (S - , S+ e S°). Os índices +, -, 0 indicam o sinal da carga elétrica ou a neutralidade da partícula. Os bárions xy (X - e X°) têm duas unidades de estranheza. Baryon W - tem uma estranheza igual a três. As massas dos bárions listados são cerca de uma vez e meia a massa do próton, e seu tempo de vida característico é de cerca de 10 -10 s. Lembre-se de que o próton é praticamente estável, enquanto o nêutron vive por mais de 15 minutos. Parece que os bárions mais pesados têm vida curta, mas na escala do microcosmo, não é assim. Tal partícula, mesmo movendo-se relativamente devagar, com velocidade igual a, digamos, 10% da velocidade da luz, consegue percorrer uma distância de vários milímetros e deixar sua marca no detector de partículas elementares. Uma das propriedades dos bárions que os distinguem de outros tipos de partículas pode ser considerada a presença de uma carga bariônica conservada. Este valor foi introduzido para descrever o fato experimental da constância em todos os processos conhecidos da diferença entre o número de bárions e antibárions.
próton- uma partícula estável da classe dos hádrons, o núcleo de um átomo de hidrogênio. É difícil dizer qual evento deve ser considerado a descoberta do próton: afinal, como um íon de hidrogênio, é conhecido há muito tempo. A criação do modelo planetário do átomo por E. Rutherford (1911), e a descoberta de isótopos (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919), e a observação de núcleos de hidrogênio nocauteados por alfa partículas de núcleos de nitrogênio desempenharam um papel na descoberta do próton (E. Rutherford, 1919). Em 1925, P. Blackett recebeu as primeiras fotografias de traços de prótons em uma câmara de nuvens (ver Detectores de radiação nuclear), confirmando a descoberta da transformação artificial de elementos. Nesses experimentos, a partícula a foi capturada por um núcleo de nitrogênio, que emitiu um próton e se transformou em um isótopo de oxigênio.
Juntamente com os nêutrons, os prótons formam os núcleos atômicos de todos os elementos químicos, e o número de prótons no núcleo determina o número atômico de um determinado elemento. O próton tem uma carga elétrica positiva igual à carga elementar, ou seja, o valor absoluto da carga do elétron. Isso foi verificado experimentalmente com uma precisão de 10 -21 . massa de prótons m p \u003d (938,2796 ± 0,0027) MeV ou ~ 1,6-10 -24 g, ou seja, o próton é 1836 vezes mais pesado que o elétron! Do ponto de vista moderno, o próton não é uma partícula elementar verdadeira: consiste em dois você-quarks com cargas elétricas +2/3 (em unidades de carga elementar) e um d-quark com carga elétrica -1/3. Os quarks são interconectados pela troca de outras partículas hipotéticas - glúons, quanta do campo que carrega interações fortes. Os dados experimentais, nos quais foram considerados os processos de espalhamento de elétrons pelos prótons, de fato atestam a presença de centros de espalhamento pontuais dentro dos prótons. Esses experimentos são, em certo sentido, muito semelhantes aos de Rutherford, que levaram à descoberta do núcleo atômico. Como uma partícula composta, o próton tem um tamanho finito de ~ 10 -13 cm, embora, é claro, não possa ser representado como uma bola sólida. Em vez disso, o próton se assemelha a uma nuvem com um limite difuso, consistindo em partículas virtuais emergentes e aniquiladoras.
O próton, como todos os hádrons, participa de cada uma das interações fundamentais. Então. interações fortes ligam prótons e nêutrons nos núcleos, interações eletromagnéticas - prótons e elétrons nos átomos. Exemplos de interações fracas são o decaimento beta de um nêutron ou a transformação intranuclear de um próton em um nêutron com a emissão de um pósitron e um neutrino (para um próton livre, tal processo é impossível devido à lei de conservação e conversão de energia, uma vez que o nêutron tem uma massa ligeiramente maior). O spin do próton é 1/2. Hádrons com spin semi-inteiro são chamados de bárions (da palavra grega para "pesado"). Os bárions incluem o próton, o nêutron, vários hiperons (L, S, X, W) e várias partículas com novos números quânticos, a maioria das quais ainda não foi descoberta. Para caracterizar os bárions, um número especial foi introduzido - a carga bariônica, igual a 1 para bárions, - 1 - para antibárions e O - para todas as outras partículas. A carga bariônica não é uma fonte do campo bariônico; foi introduzida apenas para descrever as regularidades observadas nas reações com partículas. Essas regularidades são expressas na forma da lei de conservação da carga bariônica: a diferença entre o número de bárions e antibárions no sistema é preservada em qualquer reação. A conservação da carga do bárion torna impossível o decaimento do próton, porque é o mais leve dos bárions. Esta lei é de natureza empírica e, claro, deve ser testada experimentalmente. A precisão da lei de conservação da carga bariônica é caracterizada pela estabilidade do próton, cuja estimativa experimental para o tempo de vida dá um valor de pelo menos 1032 anos.
PARTÍCULAS ELEMENTARES- partículas primárias, mais indecomponíveis, das quais se acredita que toda a matéria seja composta. Na física moderna, o termo "partículas elementares" geralmente é usado para se referir a um grande grupo das menores partículas de matéria que não são átomos (veja Átomo) ou núcleos atômicos (veja Núcleo atômico); a exceção é o núcleo do átomo de hidrogênio - o próton.
Nos anos 80 do século 20, mais de 500 partículas elementares eram conhecidas pela ciência, a maioria das quais são instáveis. As partículas elementares incluem próton (p), nêutron (n), elétron (e), fóton (γ), mésons pi (π), múons (μ), léptons pesados (τ + , τ -), neutrinos de três tipos - eletrônico (V e), múon (V μ) e associado ao chamado depton pesado (V τ), bem como partículas "estranhas" (K-mésons e hiperons), várias ressonâncias, mésons com charme oculto, "encantado ", partículas upsilon (Υ), partículas "belas", bósons vetoriais intermediários, etc. Um ramo independente da física apareceu - física de partículas elementares.
A história da física de partículas elementares começou em 1897, quando J. J. Thomson descobriu o elétron (veja Radiação eletrônica); em 1911, R. Millikan mediu a magnitude de sua carga elétrica. O conceito de "fóton" - um quantum de luz - foi introduzido por Planck (M. Planck) em 1900. A evidência experimental direta da existência do fóton foi obtida por Millikan (1912-1915) e Compton (A. H. Compton, 1922). No processo de estudar o núcleo atômico, E. Rutherford descobriu o próton (veja a radiação do próton), e em 1932 Chadwick (J. Chadwick) - o nêutron (veja a radiação do nêutron). Em 1953, a existência do neutrino, que W. Pauli havia previsto em 1930, foi comprovada experimentalmente.
As partículas elementares são divididas em três grupos. O primeiro é representado por uma única partícula elementar - um fóton, um γ-quântico ou um quantum de radiação eletromagnética. O segundo grupo são os léptons (do grego leptos pequeno, leve), participando, além dos eletromagnéticos, também de interações fracas. Seis léptons são conhecidos: o elétron e o neutrino do elétron, o múon e o neutrino do múon, o τ-lepton pesado e o neutrino correspondente. O terceiro - o principal grupo de partículas elementares são os hádrons (hadros gregos grandes, fortes), que participam de todos os tipos de interações, incluindo interações fortes (veja abaixo). Hádrons incluem partículas de dois tipos: bárions (grego barys heavy) - partículas com um spin semi-inteiro e uma massa não menor que a massa de um próton, e mésons (grego mesos medium) - partículas com spin zero ou inteiro (veja Electron ressonância paramagnética). Os bárions incluem prótons e nêutrons, hiperons, parte de ressonâncias e partículas "encantadas" e algumas outras partículas elementares. O único bárion estável é o próton, o resto dos bárions são instáveis (o nêutron no estado livre é uma partícula instável, mas no estado ligado dentro de núcleos atômicos estáveis é estável. Os mésons receberam esse nome porque as massas do primeiro os mésons descobertos - o pi-meson e o K-meson - tinham valores intermediários entre as massas de um próton e um elétron. Mais tarde, foram descobertos mésons, cuja massa excede a massa de um próton. estranheza (S) - número quântico zero, positivo ou negativo. Os hádrons com estranheza zero são chamados de ordinários, e com S ≠ 0 - estranho G. Zweig e M. Gell-Mann propuseram independentemente a estrutura quark dos hádrons em 1964. Os resultados da vários experimentos indicam que os quarks são formações de material real dentro dos hádrons. Têm várias propriedades incomuns, por exemplo, uma carga elétrica fracionária, etc. No estado livre, os quarks não são observados se. Acredita-se que todos os hádrons são formados devido a várias combinações de quarks.
Inicialmente, as partículas elementares foram investigadas no estudo do decaimento radioativo (ver Radioatividade) e radiação cósmica (ver). No entanto, desde os anos 50 do século 20, pesquisas sobre partículas elementares foram realizadas em aceleradores de partículas carregadas (ver), nos quais partículas aceleradas bombardeiam um alvo ou colidem com partículas que voam em direção. Nesse caso, as partículas interagem umas com as outras, como resultado da sua transformação mútua. Foi assim que a maioria das partículas elementares foi descoberta.
Cada partícula elementar, juntamente com as especificidades de suas interações inerentes, é descrita por um conjunto de valores discretos de certas quantidades físicas expressas como números inteiros ou fracionários (números quânticos). As características comuns de todas as partículas elementares são massa (m), tempo de vida (t), spin (J) - o momento próprio de momento das partículas elementares, que tem natureza quântica e não está associado ao movimento da partícula como um todo , carga elétrica (Ω) e momento magnético (µ). As cargas elétricas das partículas elementares estudadas em valor absoluto são múltiplos inteiros da carga do elétron (e≈1,6*10 -10 k). As partículas elementares conhecidas têm cargas elétricas iguais a 0, ±1 e ±2.
Todas as partículas elementares têm antipartículas correspondentes, cuja massa e spin são iguais à massa e spin da partícula, e a carga elétrica, momento magnético e outras características são iguais em valor absoluto e opostos em sinal. Por exemplo, a antipartícula de um elétron é um pósitron - um elétron com carga elétrica positiva. Uma partícula elementar, idêntica à sua antipartícula, é chamada verdadeiramente neutra, por exemplo, um nêutron e um antinêutron, um neutrino e um antineutrino, etc. Quando as antipartículas interagem umas com as outras, elas se aniquilam (veja).
Quando uma partícula elementar entra no ambiente material, ela interage com ela. Existem interações fortes, eletromagnéticas, fracas e gravitacionais. A interação forte (mais forte que a eletromagnética) ocorre entre partículas elementares localizadas a uma distância inferior a 10 -15 m (1 fermi). A distâncias superiores a 1,5 fermi, a força de interação entre as partículas é próxima de zero. São as fortes interações entre as partículas elementares que fornecem a força excepcional dos núcleos atômicos, subjacentes à estabilidade da matéria em condições terrestres. Uma característica da interação forte é sua independência da carga elétrica. Hádrons são capazes de interação forte. Interações fortes causam o decaimento de partículas de vida curta (vida da ordem de 10 -23 - 10 -24 seg.), que são chamadas de ressonâncias.
Todas as partículas elementares carregadas, fótons e partículas neutras com momento magnético (por exemplo, nêutrons) estão sujeitas à interação eletromagnética. No centro das interações eletromagnéticas está a conexão com o campo eletromagnético. As forças de interação eletromagnética são cerca de 100 vezes mais fracas do que as forças de interação forte. O escopo principal da interação eletromagnética são átomos e moléculas (ver Molécula). Essa interação determina a estrutura dos sólidos, a natureza do produto químico. processos. Não é limitado pela distância entre as partículas elementares, portanto, o tamanho de um átomo é cerca de 10 4 vezes maior que o tamanho do núcleo atômico.
Interações fracas estão subjacentes a processos extremamente lentos envolvendo partículas elementares. Por exemplo, neutrinos com interações fracas podem penetrar livremente na espessura da Terra e do Sol. As interações fracas também causam decaimentos lentos das chamadas partículas elementares quase estáveis, cujo tempo de vida está na faixa de 10 8 - 10 -10 s. Partículas elementares nascidas durante uma interação forte (em 10 -23 -10 -24 seg.), mas decaindo lentamente (10 -10 seg.), são chamadas de estranhas.
As interações gravitacionais entre partículas elementares produzem efeitos extremamente pequenos devido à negligibilidade das massas das partículas. Este tipo de interação tem sido bem estudado em macroobjetos de grande massa.
A variedade de partículas elementares com diferentes características físicas explica a dificuldade de sua sistematização. De todas as partículas elementares, apenas fótons, elétrons, neutrinos, prótons e suas antipartículas são de fato estáveis, pois têm uma vida útil longa. Essas partículas são os produtos finais da transformação espontânea de outras partículas elementares. O nascimento de partículas elementares pode ocorrer como resultado dos três primeiros tipos de interações. Para partículas de interação forte, reações de interação forte são a fonte de produção. Os léptons, muito provavelmente, surgem do decaimento de outras partículas elementares ou nascem em pares (partícula + antipartícula) sob a influência de fótons.
Fluxos de partículas elementares formam as radiações ionizantes (ver), causando a ionização de moléculas neutras do ambiente. O efeito biológico das partículas elementares está associado à formação de substâncias com alta atividade química em tecidos irradiados e fluidos corporais. Essas substâncias incluem radicais livres (veja Radicais livres), peróxidos (veja) e outros. Partículas elementares também podem ter um efeito direto sobre biomoléculas e estruturas supramoleculares, causar ruptura de ligações intramoleculares, despolimerização de compostos macromoleculares, etc. excitação em alguns substratos macromoleculares. Nas células, a atividade dos sistemas enzimáticos é suprimida ou pervertida, a estrutura das membranas celulares e os receptores celulares da superfície mudam, o que leva a um aumento da permeabilidade da membrana e a uma mudança nos processos de difusão, acompanhados pelos fenômenos de desnaturação de proteínas, desidratação tecidual, e perturbação do ambiente interno da célula. A suscetibilidade das células depende em grande parte da intensidade de sua divisão mitótica (veja Mitose) e metabolismo: com o aumento dessa intensidade, a radiossuscetibilidade dos tecidos aumenta (veja Radiosensibilidade). Nesta propriedade de fluxos de partículas elementares - radiação ionizante - baseia-se seu uso para terapia de radiação (ver), especialmente no tratamento de neoplasias malignas. O poder de penetração das partículas elementares carregadas depende em grande parte da transferência linear de energia (ver), ou seja, da energia média absorvida pelo meio no ponto de passagem de uma partícula carregada, em relação à unidade de seu caminho.
O efeito nocivo do fluxo de partículas elementares afeta especialmente as células-tronco do tecido hematopoiético, o epitélio dos testículos, o intestino delgado e a pele (ver Doença por radiação, Danos por radiação). Em primeiro lugar, os sistemas que estão em estado de organogênese ativa e diferenciação durante a irradiação são afetados (ver Órgão Crítico).
O efeito biológico e terapêutico das partículas elementares depende do seu tipo e dose de radiação (ver Doses de radiação ionizante). Assim, por exemplo, quando exposto a raios-x (consulte terapia de raios-X), radiação gama (consulte Terapia gama) e radiação de prótons (consulte Terapia de prótons) em todo o corpo humano em uma dose de cerca de 100 rad, uma mudança temporária na hematopoiese observa-se; a exposição externa à radiação de nêutrons (veja Radiação de nêutrons) leva à formação de várias substâncias radioativas no corpo, por exemplo, radionuclídeos de sódio, fósforo, etc. o corpo, isso acontece chamado de irradiação interna do corpo (ver Incorporação de substâncias radioativas). Especialmente perigosos a este respeito são radionuclídeos de rápida reabsorção com uma distribuição uniforme no corpo, por exemplo. trítio (3H) e polônio-210.
Os radionuclídeos que são fontes de partículas elementares e participação em um uso de metabolismo na diagnóstica de radioisótopo (ver).
Bibliografia: Akhiezer A. I. e Rekalo M. P. Biografia de partículas elementares, Kiev, 1983, bibliogr.; Campos quânticos de Bogolyubov N. N. e Shirokov D. V., Moscou, 1980; Nascido M. Física atômica, trad. de English, M., 1965; Jones X. Física da radiologia, trad. do inglês M., 1965; Krongauz A. N., Lyapidevsky V. K. e Frolova A. V. Bases físicas de dosimetria clínica, M., 1969; Radioterapia usando radiação de alta energia, ed. I. Becker e G. Schubert, trad. de German., M., 1964; Tyubiana M. Fundamentos físicos da radioterapia e radiobiologia, trad. do francês, Moscou, 1969; Shpolsky E. V. Atomic Physics, Vol. 1, M., 1984; Yang Ch. Partículas elementares, trad. do inglês. M., 1963.
R. V. Stavntsky.
Partículas elementares, no sentido estrito - partículas que não podem ser consideradas como consistindo de outras partículas. Na física moderna, o termo " partículas elementares" é usado em um sentido mais amplo: este é o nome dado às menores partículas de matéria, sob a condição de que também não sejam átomos (o próton é uma exceção); às vezes por esse motivo partículas elementares são chamadas de partículas subnucleares. A maioria dessas partículas (mais de 350 são conhecidas) são sistemas compostos.
Partículas elementares participam de interações eletromagnéticas, fracas, fortes e gravitacionais. Devido às pequenas massas partículas elementares sua interação gravitacional geralmente não é levada em consideração. Tudo partículas elementares divididos em três grupos principais. O primeiro são os chamados bósons - portadores da interação eletrofraca. Isso inclui o fóton, ou quantum de radiação eletromagnética. A massa de repouso de um fóton é igual a zero, portanto a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas em (incluindo as ondas de luz) é a velocidade limite de propagação de um efeito físico e é uma das constantes físicas fundamentais; aceitou isso com= (299792458±1,2) m/s.
Segundo grupo partículas elementares- léptons participando de interações eletromagnéticas e fracas. Existem 6 léptons conhecidos: , neutrino do elétron, múon, neutrino do múon, τ-lepton pesado e o neutrino correspondente. O elétron (símbolo e) é considerado o portador material de menor massa na natureza m e , igual a 9,1 × 10 -28 g (em unidades de energia ≈0,511 MeV) e a menor carga elétrica negativa e\u003d 1,6 × 10 -19 C. Múons (símbolo μ -) são partículas com uma massa de cerca de 207 massas eletrônicas (105,7 MeV) e uma carga elétrica igual à de um elétron; o lépton τ pesado tem uma massa de cerca de 1,8 GeV. Os três tipos de neutrinos correspondentes a essas partículas são eletrônicos (símbolo ν
e), múon (símbolo ν μ) e τ-neutrino (símbolo ν τ) são partículas eletricamente neutras leves (possivelmente sem massa).
Cada um dos léptons corresponde a , que possui os mesmos valores de massa, spin e outras características, mas difere no sinal da carga elétrica. Existem (símbolo e +) - uma antipartícula em relação a , carregada positivamente (símbolo μ +) e três tipos de antineutrinos (símbolos ), que recebem o sinal oposto de um número quântico especial chamado carga de lépton (veja abaixo).
O terceiro grupo de partículas elementares - hádrons, eles participam de interações fortes, fracas e eletromagnéticas. Os hádrons são partículas "pesadas" com uma massa muito maior que a massa de um elétron. Este é o maior grupo partículas elementares. Os hádrons são divididos em bárions - partículas com spin ½ћ, mésons - partículas com spin inteiro (0 ou 1); bem como as chamadas ressonâncias - estados excitados de curta duração dos hádrons. Os bárions incluem um próton (símbolo p) - o núcleo de um átomo de hidrogênio com massa ~ 1836 vezes maior que m e e igual a 1,672648 × 10 -24 g (≈938,3 MeV), e uma carga elétrica positiva igual à carga de um nêutron (símbolo n) - uma partícula eletricamente neutra, cuja massa excede ligeiramente a massa de um próton. Tudo é construído a partir de prótons e nêutrons, é a forte interação que determina a conexão dessas partículas entre si. Na interação forte, um próton e um nêutron têm as mesmas propriedades e são considerados como dois estados quânticos de uma partícula - um nucleon com spin isotópico ½ћ (veja abaixo). Baryons também incluem hyperons - partículas elementares com massa maior que a do nucleon: Λ-hiperon tem massa de 1116 MeV, Σ-hyperon - 1190 MeV, Θ-hyperon - 1320 MeV, Ω-hyperon - 1670 MeV. Os mésons têm massas intermediárias entre as massas de um próton e um elétron (π-méson, K-méson). Existem mésons neutros e carregados (com carga elétrica elementar positiva e negativa). Todos os mésons são classificados como bósons de acordo com suas propriedades estatísticas.
Propriedades básicas das partículas elementares
Cada partícula elementaré descrito por um conjunto de valores discretos de quantidades físicas (números quânticos). Características gerais de todos partículas elementares- massa, tempo de vida, spin, carga elétrica.
Dependendo da vida partículas elementares são divididos em estáveis, quase estáveis e instáveis (ressonâncias). Estáveis (dentro da precisão das medições modernas) são: elétron (vida útil superior a 5 × 10 21 anos), próton (mais de 10 31 anos), fóton e neutrino. Partículas quase estáveis incluem partículas que decaem devido a interações eletromagnéticas e fracas, suas vidas são superiores a 10 -20 s. As ressonâncias decaem devido à forte interação, seus tempos de vida característicos são 10 -22 - 10 -24 s.
Características internas (números quânticos) partículas elementares são lépton (símbolo eu) e bariônico (símbolo NO) cobranças; esses números são considerados quantidades estritamente conservadas para todos os tipos de interações fundamentais. Para leptônicos e suas antipartículas eu têm sinais opostos; para bárions NO= 1, para as antipartículas correspondentes NO=-1.
Os hádrons são caracterizados pela presença de números quânticos especiais: "estranheza", "charme", "beleza". Hádrons comuns (não estranhos) - prótons, nêutrons, mésons π. Dentro de diferentes grupos de hádrons, existem famílias de partículas com massas semelhantes e propriedades semelhantes em relação à interação forte, mas com cargas elétricas diferentes; o exemplo mais simples é o próton e o nêutron. O número quântico total para tal partículas elementares- o chamado spin isotópico, que, como o spin usual, recebe valores inteiros e semi-inteiros. As características especiais dos hádrons incluem a paridade interna, que assume os valores ±1.
Propriedade importante partículas elementares- sua capacidade de transformações mútuas como resultado de interações eletromagnéticas ou outras. Um dos tipos de transformações mútuas é o chamado nascimento de um par, ou a formação tanto de uma partícula quanto de uma antipartícula (no caso geral, a formação de um par partículas elementares com cargas opostas de léptons ou bárions). Os processos possíveis são a criação de pares elétron-pósitron e - e + , pares de múons μ + μ - novas partículas pesadas em colisões de léptons, a formação de quarks cc- e bb-estados (veja abaixo). Outro tipo de intercâmbio partículas elementares- aniquilação de um par durante colisões de partículas com a formação de um número finito de fótons (γ-quanta). Normalmente, 2 fótons são produzidos quando o spin total das partículas em colisão é zero, e 3 fótons são produzidos quando o spin total é igual a 1 (manifestação da lei de conservação da paridade de carga).
Sob certas condições, em particular, a uma baixa velocidade de colisão de partículas, é possível a formação de um sistema ligado - positrônio e - e + e muônio μ + e - . Esses sistemas instáveis são frequentemente chamados de semelhantes ao hidrogênio. Seu tempo de vida na matéria depende em grande parte das propriedades da matéria, o que possibilita o uso de átomos semelhantes ao hidrogênio para estudar a estrutura da matéria condensada e a cinética de reações químicas rápidas (ver Química dos mésons, Química nuclear).
Modelo Quark de hádrons
Uma consideração detalhada dos números quânticos dos hádrons com o objetivo de classificá-los levou à conclusão de que hádrons estranhos e hádrons comuns formam associações de partículas com propriedades semelhantes, chamadas de multipletos unitários. O número de partículas incluídas neles é 8 (octeto) e 10 (décupleto). As partículas que compõem o multipleto unitário possuem a mesma paridade interna, mas diferem nos valores da carga elétrica (partículas do multipleto isotópico) e estranheza. As propriedades de simetria estão associadas a grupos unitários, sua descoberta foi a base para a conclusão sobre a existência de unidades estruturais especiais a partir das quais os hádrons são construídos - quarks. Acredita-se que os hádrons são combinações de 3 partículas fundamentais com spin ½: n-quarks, d-quarks e s-quarks. Assim, os mésons são compostos por um quark e um antiquark, os bárions são compostos por 3 quarks.
A suposição de que os hádrons são compostos de 3 quarks foi feita em 1964 (por J. Zweig e independentemente por M. Gell-Man). Posteriormente, mais dois quarks foram incluídos no modelo de estrutura de hádrons (em particular, para evitar uma contradição com o princípio de Pauli) - o quark "charmed" ( com) e bonito" ( b), bem como a introdução de características especiais dos quarks - "sabor" e "cor". Quarks atuando como componentes de hádrons não foram observados no estado livre. Toda a variedade de hádrons se deve a várias combinações n-, d-, s-, com- e b-quarks formando estados ligados. Hádrons comuns (próton, nêutron, π-mesons) correspondem a estados ligados construídos a partir de n- e d-quarks. A presença no hádron, juntamente com n- e d-quarks de um s-, com- ou b-quark significa que o hádron correspondente é "estranho", "encantado" ou "bonito".
O modelo quark da estrutura dos hádrons foi confirmado como resultado de experimentos realizados no final dos anos 1960 e início dos anos 1970. século 20 Quarks realmente começaram a ser considerados como novos partículas elementares- verdadeiro partículas elementares para a forma hadrônica da matéria. A inobservabilidade dos quarks livres, aparentemente, é de natureza fundamental e dá razão para supor que são aqueles partículas elementares, que completam a cadeia de constituintes estruturais da matéria. Existem argumentos teóricos e experimentais a favor do fato de que as forças que atuam entre os quarks não enfraquecem com a distância, ou seja, para separar os quarks uns dos outros, é necessária uma energia infinitamente grande, ou seja, o aparecimento de quarks em estado livre é impossível. Isso os torna um tipo completamente novo de unidades estruturais de matéria. É possível que os quarks atuem como o último passo na fragmentação da matéria.
Breves informações históricas
Primeira abertura partícula elementar havia um elétron - um portador de uma carga elétrica negativa nos átomos (J.J. Thomson, 1897). Em 1919, E. Rutherford descobriu prótons entre partículas eliminadas de núcleos atômicos. Os nêutrons foram descobertos em 1932 por J. Chadwick. Em 1905, A. Einstein postulou que a radiação eletromagnética é um fluxo de quanta individuais (fótons) e, com base nisso, explicou os padrões do efeito fotoelétrico. existência como um especial partícula elementar proposto pela primeira vez por W. Pauli (1930); eletrônico
Partículas elementares
É natural começar a consideração da estrutura da matéria a partir das "menores" unidades estruturais, cuja existência já foi estabelecida. Tais partículas são chamadas de elementares, como mais indivisíveis (sua estrutura não é detectada), e como fundamentais, de que a matéria é composta.
Classificação das partículas elementares. As partículas que participam da interação forte constituem a família dos hádrons. Estes são bárions (prótons R, nêutron n), hipérons (λ, Σ, etc.), mésons (π-; k-), bem como um grande grupo das chamadas partículas ressonantes (ressonâncias). Os bárions têm spins meio inteiros, os mésons têm spins inteiros. Os bárions diferem dos mésons na chamada carga bariônica, em conexão com a qual a transformação de bárions em mésons é proibida pela lei de conservação da carga bariônica. Esta é uma propriedade importante que garante a estabilidade dos núcleos e, consequentemente, de todo o mundo circundante. De fato, se nucleons que são bárions (próton e nêutron) pudessem se transformar em mésons, então os núcleos atômicos acabariam decaindo. Os hádrons não são partículas verdadeiramente elementares, ou seja, possuem uma estrutura interna. Isso explica, em particular, a instabilidade da maioria dos hádrons.
Hoje, a existência de partículas sem estrutura verdadeiramente fundamentais que formam hádrons pode ser considerada comprovada. Essas partículas são chamadas de quarks (Gell-Mann, Zweig, 1963). Eles ainda não foram detectados experimentalmente, presumivelmente fluxos que não existem separadamente, ou seja, em estado livre. Sabe-se que a carga dos quarks é um múltiplo de 1/3 e, e o spin é 1/2. Supõe-se que existam seis tipos de quarks, distinguidos por uma característica chamada "sabor" (up, down, charm, strange, true, lovely); cada quark também é caracterizado por um certo número quântico - "cor" (vermelho, verde, azul). Todos os bárions consistem em três quarks (um próton, por exemplo, dos dois primeiros com cargas +2/3 e e um inferior com carga - 1/Z e). De acordo com a “cor”, o trio de quarks é “selecionado” para que o próton seja “branco”. Os mésons são formados por um quark e um antiquark.
Todas as outras partículas (exceto o fóton) que não participam de interações fortes são chamadas de léptons. A família dos léptons é representada por seis partículas sem estrutura ("ponto"): elétron e, múon μ, tau-lépton (taon) τ e neutrinos correspondentes a essas partículas ( v e, v μ , v τ).
De acordo com o princípio da simetria quark-lépton, cada lépton corresponde a um certo quark (Tabela 5.2).
Tabela 5.2.
Assim, quarks e léptons hoje, juntamente com partículas-portadoras de interações, são considerados partículas verdadeiramente elementares (fundamentais). A partir de léptons e quarks da primeira geração, juntamente com fótons, o Universo moderno é construído. Acredita-se que partículas da segunda e terceira gerações tiveram um papel importante no início do Universo, nos primeiros momentos do Big Bang, enquanto a diferença entre quarks e léptons não existia.
Principais características das partículas elementares. Uma das características mais importantes das partículas elementares é a estabilidade, ou seja, a capacidade de estar em estado livre por um certo tempo (vida). Entre as partículas detectadas experimentalmente, apenas algumas são estáveis. Um próton, um elétron, um fóton e, como se acredita, neutrinos de todos os tipos podem existir indefinidamente em estado livre. Todas as outras partículas, tendendo a passar para um estado de energia mínima, decaem mais ou menos rapidamente, atingindo um estado final estável. A vida útil mais curta (~10 -23 s) é para partículas ressonantes. Um nêutron em estado livre existe por ~10 3 s. Na família dos léptons, o múon “vive” ~10-6 s, o taon ~10-12 s.
Supõe-se que as partículas elementares de vida curta na Natureza desempenham um papel decisivo em condições extremas, por exemplo, semelhantes às fases iniciais da formação do Universo.
massas de descanso partículas elementares estáveis têm os seguintes significados: próton m p ≈ 1,67 10 -27 kg, elétron m e ≈ 0,91 10 -30 kg. O fóton e todos os tipos de neutrinos têm massa de repouso zero.
Como regra, as massas das partículas elementares são expressas em unidades de energia - elétron-volts. Então m p ≈938,3×10 6 eV = 938,3 MeV, m e ≈ 0,51 MeV.
Partículas elementares têm carga elétrica +e ou -e ou são eletricamente neutros.
Carga de elétrons e igual a - 1,6 10 -19 C.
Uma das características mais importantes das partículas elementares é o spin. O valor do spin determina o tipo de função de onda (simétrica ou antisimétrica) e o tipo de estatística (ou seja, a lei que descreve o comportamento de um grupo de micropartículas). Partículas com spin zero ou inteiro (fótons, mésons π, etc.) obedecem à estatística de Bose-Einstein e são chamadas de bósons. Partículas com spin semi-inteiro (elétrons, prótons, nêutrons) obedecem à estatística de Fermi-Dirac e são chamadas de férmions. Os férmions fundamentais são léptons e quarks. Os férmions obedecem ao princípio de Pauli, segundo o qual, em qualquer sistema de férmions idênticos, dois deles não podem estar simultaneamente no mesmo estado. Aplicado à distribuição de elétrons em um átomo, o princípio de Pauli afirma; que no mesmo átomo não pode haver mais de um elétron com o mesmo conjunto de quatro números quânticos n,l,m e σ .
O princípio de Pauli é baseado na indistinguibilidade de partículas quânticas idênticas. Quando dois férmions são trocados, a função de onda deve mudar seu sinal. No entanto, se os estados de dois férmions (ou seja, seus conjuntos de números quânticos) são os mesmos, então a função ψ não deve mudar de sinal. Esta contradição é eliminada formalmente apenas quando ψ=0, o que significa a impossibilidade (probabilidade zero) de encontrar uma partícula em tal estado.
Antipartículas. Para cada partícula elementar conhecida existe uma chamada antipartícula. As massas, tempos de vida e spins da partícula e antipartícula são os mesmos. Outras características, por exemplo, carga elétrica, momento magnético, são iguais em valor absoluto, mas opostas em sinal. Esses pares são, por exemplo, o próton R e antipróton, elétron - e antielétron e+ (ou seja, pósitron e+). Algumas partículas, como o fóton, são idênticas às suas antipartículas.
As antipartículas nascem em reações nucleares em energias suficientemente altas, mas seu tempo de vida é curto na matéria. Quando uma partícula encontra uma antipartícula, ocorre a aniquilação. A massa e a energia cinética do par "partícula-antipartícula" são convertidas em energia de fótons ou outras partículas. Por exemplo, quando um elétron e um pósitron se aniquilam, dois fótons são liberados:
e - + e+ → 2γ.
Por sua vez, os fótons podem se transformar em pares elétron-pósitron. Em tais reações, manifesta-se claramente a ausência de uma linha clara entre o campo e a matéria, característica da imagem clássica do mundo.
Núcleos atômicos
O próximo na hierarquia considerada de objetos da Natureza é o núcleo atômico. O núcleo é um sistema conectado de dois tipos de hádrons - prótons e nêutrons, que neste caso são unidos pelo nome comum "nucleons". O próton é o núcleo do átomo mais simples, o átomo de hidrogênio. Tem uma carga positiva, numericamente igual à carga de um elétron. O nêutron é eletricamente neutro. Massa de nêutrons m n \u003d 1,6750 10 -27 kg. O número de prótons no núcleo de um átomo é chamado de número atômico ( Z), e o número total de nucleons é o número de massa ( MAS). A carga nuclear é positiva e igual a Z · e. A maioria dos núcleos atômicos são representados por grupos de isótopos. Carregar Z em cada grupo de isótopos é constante, mas o número de nêutrons é diferente. Existem isótopos estáveis, de longa duração e radioativos. As causas da instabilidade radioativa estão associadas à falta ou excesso de nêutrons dentro do núcleo.
O tamanho do núcleo é condicionalmente caracterizado pelo raio R grãos. O raio aumenta com o número de núcleons de acordo com a fórmula , onde R 0 = (1,3 ..., 1,7) · 10 -15 m. A densidade de "empacotamento" de nucleons no núcleo é muito alta e equivale a ~10 44 nucleons/m 3 ou 10 17 kg/m 3 .
Como já observado, a estabilidade do núcleo é explicada pela presença de uma forte interação ou forças nucleares de atração de forças de atração. A energia necessária para manter os nucleons no núcleo, de acordo com a lei da conservação da energia, é determinada pelo trabalho que deve ser feito para dividir o núcleo em nucleons constituintes. Essa energia é chamada de energia de ligação do núcleo. A energia de ligação se manifesta como uma diminuição na massa do núcleo durante sua formação em comparação com a massa total dos núcleons que compõem o núcleo:
Valor Δ mé chamado de defeito de massa. A energia de ligação é definida como
Normalmente, o núcleo é caracterizado pela energia de ligação específica, ou seja, a energia por nucleon. Na fig. 5.3 mostra a dependência da energia de ligação específica no número de massa MAS caracterizando a força de ligação de nucleons nos núcleos de vários elementos químicos. Como segue do gráfico, as ligações dos núcleos dos elementos com números de massa (28 ... 138) são as mais fortes. À medida que você aumenta MAS a energia de ligação diminui. A diminuição da força dos núcleos é explicada pelo fato de que nos núcleos leves as ligações dos nucleons não são saturadas, enquanto nos núcleos pesados a repulsão coulombiana dos prótons começa a afetar.
Da fig. 5.3 também mostra que os processos de formação de núcleos mais estáveis (ou seja, caracterizados por grandes valores de Δ E SW são acompanhados pela liberação de energia. Assim, a reação de fusão de núcleos leves com a formação de núcleos mais pesados (seta 1 na Fig. 5.3) e as reações de fissão de núcleos pesados (seta 2 na Fig. 5.3) são promissoras do ponto de vista energético.
Este assunto é discutido em detalhes na segunda parte do curso.
Reações nucleares. Radioatividade. As reações nucleares são processos em que os núcleos de alguns elementos são obtidos a partir dos núcleos de outros elementos. Esses processos podem ocorrer tanto como resultado de influências externas (por exemplo, "colisões do núcleo com outras partículas"), quanto de forma espontânea, espontânea (crescimento radioativo).
As reações nucleares são escritas como reações químicas. Por exemplo, como resultado da reação de fissão de um núcleo de urânio em uma colisão com um nêutron, núcleos de césio e rubídio e dois nêutrons são formados:
A irradiação do núcleo com nêutrons é mais frequentemente usada para realizar reações nucleares. O fato é que um nêutron eletricamente neutro não sofre a repulsão de Coulomb dos prótons do núcleo e penetra facilmente nele. Sob a ação de irradiação de nêutrons de alta energia (> 100 MeV), todos os núcleos são divididos.
Os nêutrons liberados nas reações de decaimento podem causar a fissão de outros núcleos, devido à qual ocorre uma reação em cadeia - um processo semelhante a uma avalanche, por exemplo, a explosão de uma bomba atômica. Parte dos nêutrons pode ser removido do material físsil, então a reação de fissão pode ser controlada. A absorção de nêutrons em barras de grafite é usada em reatores nucleares.
O decaimento espontâneo de núcleos com a emissão de várias partículas é chamado de radioatividade. Em qualquer decaimento radioativo, a massa do núcleo inicial excede a massa unitária dos produtos cortados, ou seja, energia é liberada. A radioatividade natural foi descoberta por A. Bskkerel (1896) e artificial - pelos cônjuges Joliot-Curie (1936). Os principais tipos de radioatividade são os decaimentos alfa, beta e gama.
O decaimento alfa consiste na emissão espontânea de uma ci-partícula pelo núcleo (isto é, núcleo de hélio). O decaimento alfa é observado apenas em núcleos pesados com Z ≥ 82.
Durante o decaimento beta, o núcleo emite um elétron e um antineutrino de elétron (ou um pósitron e um neutrino de elétron):
O decaimento beta é devido à transformação de nucleons causada por interação fraca, por exemplo, na primeira das reações registradas, a transformação de um nêutron ocorre de acordo com o esquema
O decaimento gama consiste na emissão de fótons de alta energia (γ-quanta) pelo núcleo. O núcleo, sendo um sistema quântico, pode estar em estados com diferentes energias. Durante as transições de estados de energia excitados para o solo, não excitados, os núcleos emitem γ-quanta. Neste caso, nem o número de massa A nem o número atômico do núcleo Z não mude.
