Внутренние свойства и характеристики частиц

 

    Все элементарные частицы обладают целым набором внутренних свойств, определяющим само существование этой частицы, ее индивидуальность и взаимодействие с другими частицами.

    Экспериментально обнаруженные внутренние свойства микрочастиц имеют количественное выражение, что позволило присвоить им различные числовые характеристики:

1) масса покоя,

2) время жизни,

3) спин,

4) электрический заряд,

5) неэлектрические заряды,

6) другие характеристики.

    Различные неэлектрические заряды определяют принадлежность данной частицы к какому-то сорту частиц. Если какая-то частица не принадлежит к этому сорту частиц, соответствующий заряд у этой частицы равен нулю.

 

Частицы и античастицы

 

    Практически у каждой элементарной частицы в природе есть своя античастица, которая имеет такие же массу покоя, время жизни и спин, но отличается знаками электрического заряда и всех других характеристик.

    Для обозначения символа античастицы над символом соответствующей частицы ставится значок «~» (тильда).

    Одна из античастиц, античастица электрона, имеет собственное название – позитрон. Название остальных античастиц образуется из названий соответствующих частиц с добавлением приставки «анти».

 

 

Античастица	Символ
Позитрон (антиэлектрон)
Антипротон
Антинейтрон
Антинейтрино

 

Аннигиляция

 

    Важнейшим свойством родственных частиц и античастиц является их способность к аннигиляции, то есть к взаимному уничтожению при встрече.

    Так например, аннигиляция электрона и позитрона сопровождается «рождением» двух фотонов ():

 

 

    При этом вместо «исчезнувших» частиц вещества появляются совсем другие частицы – частицы поля.

    Здесь масса превратилась в энергию, а вещество превратилось в поле.

 

Вещество и антивещество

 

    В принципе из антипротонов, антинейтронов и антиэлектронов можно построить антиатом и антивещество.

    Из-за аннигиляции совместное существование вещества и антивещества невозможно.

    Наша Вселенная состоит из вещества. Число же античастиц очень мало.

 

 

Принцип минимума (экономии) энергии

 

    Любая частица во внешнем поле или система взаимодействующих частиц во внешнем и во внутреннем полях, будучи предоставленными самим себе, перейдут в состояние, соответствующее минимально возможному значению энергии.

    В соответствии с этим принципом существуют стабильные составные частицы и целые связанные системы частиц и тел.

 

Связанные состояния

 

    Взаимодействующие притягивающиеся частицы, объединившиеся в некоторое составное тело, окажутся в энергетически выгодном связанном состоянии.

    Их общая потенциальная энергия отрицательна, а их суммарная кинетическая энергия мала по сравнению с модулем потенциальной энергии.

    Таким образом, полная механическая энергия этих частиц отрицательна.

    Разность между нулевой энергией и отрицательной энергией данного связанного состояния называется энергией связи.

 

                         

 

 

                    

 

                                                                   

 

 

    Примерами связанных состояний являются нуклон, ядро, атом, молекула, любое твердое тело, жидкость, планетная система, звездное скопление, галактика и, возможно, сама Вселенная.

    Чтобы отделить эти частицы друг от друга, то есть разрушить это составное тело, нужно затратить пороговую энергию, равную энергии связи составного тела.

    Пороговая энергия – это энергия, необходимая для разрушения связанного состояния.

    Для каждого структурного уровня существует свой порог энергии. При энергиях, ниже этого порога, все объекты данного уровня неделимы, и их можно считать бесструктурными.

    При воздействии на эти объекты с энергией, сравнимой с пороговой энергией или превышающей ее, они обнаруживают внутреннюю структуру и могут быть разделены на составляющие их элементы.

 

Объект	Энергия связи, эВ
Атом	1 – 10
Ядро	10⁶ – 10⁹

 

    Чем больше пороговая энергия, тем труднее разрушить составную частицу. По мере углубления в микромир пороговая энергия возрастает, и мы встречаем все более стабильные объекты. Так разрушить атом гораздо легче, чем ядро атома.

 

Химические элементы

 

    Протоны, нейтроны и электроны являются фермионами. Многообразие в нашем мире химических элементов, построенных из фермионов, объясняется совместным действием двух принципов: принципа минимума энергии и принципа запрета.

    Ядра и атомы различных химических элементов устроены по-разному и обладают разными химическими свойствами.