Subatomär partikel

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 11 augusti 2022; verifiering kräver 1 redigering .

En subatomär partikel  är en partikel mycket mindre än en atom [1] . Två typer av subatomära partiklar anses vara: elementarpartiklar , som enligt moderna teorier inte består av andra partiklar; och kompositpartiklar [2] . Partikelfysik och kärnfysik studerar dessa partiklar och hur de interagerar [3] . Idén om en partikel genomgick en stor omtanke när experiment visade att ljus kunde bete sig som en ström av partiklar (kallade fotoner ) och även uppvisa egenskaperna hos en våg. Detta ledde till begreppet våg-partikeldualitet , vilket återspeglar att "partiklar" på kvantskalan beter sig som partiklar och vågor. Ett annat koncept, osäkerhetsprincipen , säger att vissa av deras egenskaper, såsom deras samtidiga position och momentum, tillsammans, inte kan mätas exakt [4] . Senare visades det att dualiteten av en våg och en partikel är tillämplig inte bara på fotoner, utan även på mer massiva partiklar [5] .

Interaktioner mellan partiklar inom ramen för kvantfältteorin förstås som skapandet och förstörelsen av kvanta av motsvarande fundamentala interaktioner . Detta kombinerar partikelfysik med fältteori .

Klassificering

Komposition

Subatomära partiklar är antingen "elementära", det vill säga inte uppbyggda av många andra partiklar, eller "sammansatta" och består av mer än en elementarpartikel bunden till varandra.

Elementarpartiklarna i standardmodellen är [6] :

Alla av dem har upptäckts genom experiment, den senaste är den sanna kvarken (1995), tau neutrinon (2000) och Higgs boson (2012).

Olika förlängningar av standardmodellen förutsäger existensen av gravitonelementarpartikeln och många andra elementarpartiklar, men från och med 2019 har de inte upptäckts.

Hadrons

Nästan alla sammansatta partiklar innehåller flera kvarkar (antikvarker) bundna tillsammans av gluoner (med sällsynta undantag som positronium och muonium ). De som innehåller få (≤ 5) [anti]kvarkar kallas hadroner . På grund av en egenskap som kallas färginneslutning , finns kvarkar aldrig individuellt, utan finns alltid i hadroner som innehåller flera kvarkar. Hadroner delas med antalet kvarkar (inklusive antikvarkar) i baryoner innehållande ett udda antal kvarkar (nästan alltid 3), av vilka de mest kända är protonen och neutronen ; och mesoner , innehållande ett jämnt antal kvarkar (nästan alltid 2, en kvark och en antikvark), de mest kända är pi mesoner och k mesoner .

Med undantag för protonen och neutronen är alla andra hadroner instabila och sönderfaller till andra partiklar på mikrosekunder eller mindre. Protonen består av två uppkvarkar och en nedkvarkar , medan neutronen består av två nedkvarkar och en uppkvarkar. De binder vanligtvis samman till en atomkärna, till exempel är en helium-4 kärna uppbyggd av två protoner och två neutroner. De flesta hadroner lever inte tillräckligt länge för att bilda kärnliknande kompositer; de som kan (förutom protonen och neutronen) bilda hyperkärnor .

Statistiskt

Vilken subatomär partikel som helst, som vilken partikel som helst i det tredimensionella rymden som lyder kvantmekanikens lagar, kan antingen vara en boson (med heltalsspinn ) eller en fermion (med udda halvheltalsspinn) .

I standardmodellen har alla elementära fermioner spin 1/2 och är uppdelade i kvarkar, som bär en färgladdning och därför känner den starka kraften, och leptoner, som inte gör det. Elementära bosoner inkluderar gauge-bosoner (foton, W och Z, gluoner) med spin 1, medan Higgs-bosonen är den enda elementarpartikeln med noll spin.

Den hypotetiska gravitonen bör teoretiskt ha spin 2, men är inte en del av standardmodellen. Vissa förlängningar, såsom supersymmetri , förutspår förekomsten av ytterligare spin 3/2 elementarpartiklar, men från och med 2019 har dessa inte upptäckts.

På grund av spinnlagarna för sammansatta partiklar har baryoner (3 kvarkar) spin 1/2 eller 3/2 och är därför fermioner; mesoner (2 kvarkar) har heltalsspinn 0 eller 1 och är därför bosoner.

Massvis

I speciell relativitetsteori är energin hos en partikel i vila lika med dess massa gånger kvadraten på ljusets hastighet, E = mc². Det vill säga, massa kan uttryckas i termer av energi och vice versa. Om det finns en referensram där partikeln är i vila, så har den en positiv vilomassa och kallas massiv .

Alla sammansatta partiklar är massiva. Baryoner (som betyder "tunga") har mer massa än mesoner (som betyder "mellanliggande"), som i sin tur är tyngre än leptoner (som betyder "lätt"), men den tyngsta leptonen (tau-partikeln) är tyngre än två av den lättaste smaken av baryoner (nukleoner). Det är också uppenbart att varje partikel med en elektrisk laddning är massiv.

När de ursprungligen beskrevs på 1950-talet, hänvisade termerna baryoner, mesoner och leptoner till massor; Men efter att kvarkmodellen antogs på 1970-talet insåg man att baryoner är sammansatta av tre kvarkar, mesoner är sammansättningar av en kvark och en antikvark, och leptoner är elementära och definieras som elementära fermioner utan färgladdning. .

Alla masslösa partiklar (partiklar vars invarianta massa är lika med noll) är elementära. Dessa inkluderar fotonen och gluonen, även om den senare inte kan isoleras.

Genom uppbrott

De flesta subatomära partiklar är inte stabila. Alla mesoner, såväl som baryoner - förutom protonen - sönderfaller under påverkan av starka eller svaga interaktioner. Protonens sönderfall har inte registrerats, även om det inte är känt om den är "riktigt" stabil. De laddade leptonerna mu och tau sönderfaller från den svaga interaktionen; samma sak för deras antipartiklar. Neutrinos (och antineutrinos) förfaller inte, men fenomenet neutrinoscillationer tros existera även i ett vakuum. Elektronen och dess antipartikel, positronen, är teoretiskt stabila på grund av bevarande av laddning , såvida det inte finns en lättare partikel med en elektrisk laddning ≤e (vilket är osannolikt).

Av de subatomära partiklar som inte bär en färgladdning (och därför kan isoleras) kan bara fotonen, elektronen, neutrinon, flera atomkärnor (inklusive protonen) och deras antipartiklar förbli i samma tillstånd på obestämd tid.

Andra egenskaper

Alla observerbara subatomära partiklar har en elektrisk laddning som är heltal och en multipel av elementarladdningen . Standardmodellkvarkar har "icke-heltals" elektriska laddningar, nämligen multiplar av 1 ⁄ 3  e , men kvarkar (och andra kombinationer med icke-heltals elektrisk laddning) kan inte isoleras på grund av inneslutning . För baryoner, mesoner och deras antipartiklar summeras laddningarna av kvarkarna till en heltalsmultipel av e .

Tack vare arbetet av Albert Einstein , Satyendra Nath Bose , Louis de Broglie och många andra, hävdar modern vetenskaplig teori att alla partiklar också har en vågnatur [7] . Detta har verifierats inte bara för elementära partiklar, utan också för sammansatta partiklar som atomer och till och med molekyler. I själva verket, enligt traditionella formuleringar av icke-relativistisk kvantmekanik , gäller våg-partikeldualitet för alla objekt, även makroskopiska; även om vågegenskaperna hos makroskopiska objekt inte kan detekteras på grund av deras små våglängder [8] .

Interaktioner mellan partiklar har studerats noggrant i många århundraden, och partiklars beteende vid kollisioner och interaktioner bygger på några enkla lagar. De mest grundläggande av dessa är lagarna för bevarande av energi och bevarande av rörelsemängd , som tillåter beräkningar av partikelinteraktioner på skalor som sträcker sig från stjärnor till kvarkar.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Subatomära partiklar (nedlänk) . NTD. Hämtad 5 juni 2012. Arkiverad från originalet 16 februari 2014. 
  2. ↑ Bolonkin, Alexander. Universum , mänsklig odödlighet och framtida mänsklig utvärdering  . - Elsevier , 2011. - P. 25. - ISBN 9780124158016 .
  3. ↑ Fritzsch, Harold. Elementarpartiklar  (neopr.) . - World Scientific , 2005. - S. 11-20. - ISBN 978-981-256-141-1 . Arkiverad 31 oktober 2020 på Wayback Machine
  4. ↑ Heisenberg, W. (1927), Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik , Zeitschrift für Physik T. 43 (3–4): 172–198 , DOI 10.1007/BF01397280 
  5. ↑ Arndt, Markus; Nairz, Olaf; Vos-Andreae, Julian; Keller, Claudia; Van Der Zouw, Gerbrand; Zeilinger, Anton. Våg-partikeldualitet av C60-molekyler  (engelska)  // Nature . - 2000. - Vol. 401 , nr. 6754 . - s. 680-682 . - doi : 10.1038/44348 . — . — PMID 18494170 .
  6. ↑ Cottingham, WN; Greenwood, D.A. En introduktion till standardmodellen för partikelfysik  . - Cambridge University Press , 2007. - P. 1. - ISBN 978-0-521-85249-4 . Arkiverad 19 augusti 2020 på Wayback Machine
  7. ↑ Walter Greiner. Quantum Mechanics: An Introduction  (neopr.) . - Springer , 2001. - P. 29. - ISBN 978-3-540-67458-0 . Arkiverad 18 augusti 2020 på Wayback Machine
  8. ↑ Eisberg, R.; Resnick, R. Kvantfysik av atomer, molekyler, fasta ämnen, kärnor och partiklar . — 2:a. - John Wiley & Sons , 1985. - S. 59-60. — ISBN 978-0-471-87373-0 .  

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk