Классификация элементарных частиц.

Естественнонаучная картина мира

Под научной картиной мира понимается целостная система представлений о мире, его общих свойствах и закономерностях, возникающая в результате обобщения и синтеза основных естественно-научных понятий и принципов.

Общая научная картина мира складывается в результате синтеза знаний, получаемых различными науками, и содержит общие представления о мире, вырабатываемые на различных стадиях исторического развития науки. Общая научная картина мира включает представления о природе и обществе.
Естественно-научной картиной мира называется часть общей научной картины мира, которая включает в себя представления о природе.
Создание единой естественно-научной картины мира предполагает установление связей между науками. В структуре конкретных наук в их главных компонентах выражена собственная целостная картина природы, которая называется специальной (или локальной) картиной мира. Эти картины являются в какой-то степени фрагментами окружающего мира, которые изучаются методами данной науки (например, биологическая картина мира, химическая картина мира, физическая картина мира). Такие картины часто рассматривают как относительно самостоятельные фрагменты единой научной картины мира.

см. эл. версию лекции

 

Лекция № 2 Структурные уровни организации материи

План:

1.Структура и динамика естественнонаучного познания

 

2.Классификация элементарных частиц

3.Общая характеристика физического взаимодействия

1. Структура и динамика естественнонаучного познания

Весь окружающий нас мир — это движущаяся материя в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми свойствами, связями и отношениями. Согласно современной естественно-научной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем — неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.

Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир — область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир — мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. Сюда относятся макромолекулы, вещества в различных агрегатных состояниях, живые организмы, человек и продукты его деятельности, т.е. макротела. Мегамир — сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами. и парсеками, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. Сюда относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.

Структура мегамира

Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.

Планеты — несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. В силу близости к Земле наиболее изученными являются планеты Солнечной системы, двигающиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. К этой группе планет относится и наша Земля, расположенная от Солнца на расстоянии 150 млн. км.

Звезды — светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации. Число звезд в Галактике — порядка триллиона. Самые многочисленные из них — карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. В зависимости от массы, звёзды в процессе эволюции становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, либо черными дырами.

Белый карлик — это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр белого карлика равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность — 10 т/см³, т.е. в сотни раз больше земной плотности.

Нейтронные звезды (пульсары) возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в ее наружных слоях начинается бурное протекание ядерных реакций. Оставшийся объект и получил название нейтронной звезды, т.к. он состоит из протонов и нейтронов.

Черные дыры — это звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, и имеющие диаметр от 10 до 20 км.; обладают гигантской массой (10¹⁵ г) и аномально сильным гравитационным полем; не обладают свечением, и за счет своего гравитационного поля захватывают из пространства все космические тела и излучение, которые не могут выйти из них обратно, они как бы проваливаются в них (затягиваются, как в дыру). Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными».

Звездные системы (звездные скопления) — группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд.

Галактики — совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы.

Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. Первый - спиральные галактики – у них отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй - включает эллиптические галактики, т.е. такие, которые имеют форму эллипса. Третий - галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра.

Галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т.е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.

Метагалактика — система галактик, включающая все известные космические объекты.

Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы: астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца, 1 а.е. равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин;парсек — единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними.

Структура макромира

Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами — удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Структура микромира

Согласно концепции элементарных частиц основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.

Все элементарные частицы обладают некоторыми общими свойствами: 1.свойство корпускулярно-волнового дуализма, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества;

2. свойство- наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы — это элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции — превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

3 свойство элементарных частиц - их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.

Классификация элементарных частиц.

Элементарные частицы — основные «кирпичики», из которых состоит как материя, так и поле. При этом все элементарные частицы неоднородны: некоторые из них являются составными (протон, нейтрон), а другие — несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называют фундаментальными.

Одной из важнейших характеристик частиц является их масса. Масса элементарной частицы — это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно подразделить на несколько групп: частицы, не имеющие массы покоя. К этой группе частиц относят фотоны, движущиеся со скоростью света; лептоны (от «лептос» — легкий) — легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны (от «мезос» — средний, промежуточный) — средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона; барионы (от «барос» — тяжелый) — тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы).

Второй важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона (—1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом — кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно.

Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы: адроны (от «андрос» — крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии; лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии; частицы — переносчики взаимодействий, они обеспечивают взаимодействие. К ним относятся: фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны — переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны — переносчики слабого взаимодействия; гравитоны — частицы, обеспечивающие гравитационное взаимодействие.

Четвертой основной характеристикой элементарных частиц выступает время их жизни, которое определяет их стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни составляет 10^-10— 10^-24 с, т.е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10^-10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, иначе их называют резонансами. Время жизни резонансов составляет от 10^-24 до 10^-26 с.

Важнейшей характеристикой частиц является спин — собственный момент количества движения (импульса) частицы. В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (1/2, 3/2) числу. Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым спином — бозонами.

Фермионы — это не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2, — омега-гиперон. Бозоны — это кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, однако в классическом пределе выступают как поля. Примером бозонов служит фотон, спин которого равен 1, и мезон, спин которого равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 — гравитоны.

Все перечисленные элементарные частицы являются переносчиками физических взаимодействий.

Теория кварков.

Адроны состоят из более мелких частиц — кварков, которые представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков — их дробный электрический заряд. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами — парами и тройками. Соединение трех кварков приводит к образованию барионов; кварка и антикварка — к образованию мезонов, трех антикварков — к образованию антибарионов.