Які мікрооб'єкти належать до основних елементарних частинок. Елементарна частка, що не має заряду

Елементарна частка - найдрібніша, неподільна, не має структури частка.

ОСНОВИ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Електродинаміка- Розділ фізики, що вивчає електромагнітні взаємодії. Електромагнітні взаємодії- Взаємодії заряджених частинок. Основними об'єктами вивчення в електродинаміці є електричні та магнітні поля, створювані електричними зарядами та струмами.

Тема 1. Електричне поле (електростатика)

Електростатика -розділ електродинаміки, що вивчає взаємодію нерухомих (статичних) зарядів.

Електричний заряд.

Усі тіла електризуються.

Наелектризувати тіло – це означає повідомити електричний заряд.

Наелектризовані тіла взаємодіють – притягуються та відштовхуються.

Чим більше наелектризовані тіла, тим більше вони взаємодіють.

Електричний заряд - це фізична величина, яка характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні взаємодії і є кількісним заходом цих взаємодій.

Сукупність всіх відомих експериментальних фактів дозволяє зробити такі висновки:

· Існує два роду електричних зарядів, умовно названих позитивними та негативними.

· Заряди не існують без частинок

· Заряди можуть передаватися від одного тіла до іншого.

· На відміну від маси тіла електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Те саме тіло в різних умовах може мати різний заряд.

· Електричний заряд залежить від вибору системи відліку, де він вимірюється. Електричний заряд залежить від швидкості руху носія заряду.

· однойменні заряди відштовхуються, різноіменні – притягуються.

Одиниця виміру в СІ - Кулон

Елементарна частка - найдрібніша, неподільна, не має структури частка.

Наприклад, в атомі: електрон ( , протон ( , Нейтрон ( .

Елементарна частка може мати заряд, а може не мати заряду: , ,

Елементарний заряд -заряд, що належить елементарній частинці, найменший, неподільний.

Елементарний заряд – заряд електрона за модулем.

Заряди електрона та протона чисельно рівні, але протилежні за знаком:

Електризація тел.
Що означає «макроскопічне тіло заряджено»? Чим визначається заряд будь-якого тіла?

Усі тіла складаються з атомів, до складу яких входять позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони та нейтральні частки – нейтрони . Протони та нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронну оболонку атомів.

У нейтральному атомі число протонів у ядрі дорівнює числу електронів в оболонці.

Макроскопічні тіла, які з нейтральних атомів, електронейтральні.

Атом цієї речовини може втратити один або кілька електронів або придбати зайвий електрон. У цих випадках нейтральний атом перетворюється на позитивно або негативно заряджений іон.

Електризація тіл– процес отримання електрично заряджених тіл із електронейтральних.

Тіла електризуються під час контакту один з одним.

При контакті частина електронів з тіла переходить в інше, обидва тіла електризуються, тобто. отримують заряди рівні за величиною та протилежні за знаком:
«надлишок» електронів у порівнянні з протонами створює в тілі «-» заряд;
"Недолік" електронів у порівнянні з протонами створює в тілі "+" заряд.
Заряд будь-якого тіла визначається кількістю надлишкових чи недостатніх порівняно з протонами електронів.

Заряд може передаватися від одного тіла до іншого лише порціями, що містять ціле число електронів. Таким чином, електричний заряд тіла – дискретна величина, кратна заряду електрона:

Подальше проникнення глибини мікросвіту пов'язані з переходом від рівня атомів до рівня елементарних частинок. Як перша елементарна частка наприкінці XIX ст. було відкрито електрон, та був у перші десятиліття XX в. – фотон, протон, позитрон та нейтрон.

Після Другої світової війни, завдяки використанню сучасної експериментальної техніки, і насамперед потужним прискорювачам, у яких створюються умови високих енергій та величезних швидкостей, було встановлено існування великої кількості елементарних частинок – понад 300. Серед них є як експериментально виявлені, так і теоретично обчислені, включаючи резонанси, кварки та віртуальні частки.

Термін елементарна часткаспочатку означав найпростіші, далі ні на що не розкладаються частинки, що лежать в основі будь-яких матеріальних утворень. Пізніше фізики усвідомили всю умовність терміна "елементарний" стосовно мікрооб'єктів. Зараз уже не підлягає сумніву, що частинки мають ту чи іншу структуру, але, проте, назва, що історично склалася, продовжує існувати.

Основними характеристиками елементарних частинок є маса, заряд, середнє життя, спин і квантові числа.

Масу спокою елементарних частинок визначають по відношенню до маси спокою електрона. Існують елементарні частинки, що не мають маси спокою, – фотони. Інші частинки за цією ознакою поділяються на лептони– легкі частки (електрон та нейтрино); мезони- Середні частки з масою в межах від однієї до тисячі мас електрона; баріони– важкі частки, чия маса перевищує тисячу мас електрона та до складу яких входять протони, нейтрони, гіперони та багато резонансів.

Електричний заряд є іншою найважливішою характеристикою елементарних частинок. Всі відомі частинки мають позитивний, негативний або нульовий заряд. Кожній частинці, крім фотону та двох мезонів, відповідають античастинки з протилежним зарядом. Приблизно у 1963–1964 роках. була висловлена ​​гіпотеза про існування кварків- Часток з дробовим електричним зарядом. Експериментального підтвердження ця гіпотеза поки що не знайшла.

За часом життя частинки поділяються на стабільні і нестабільні . Стабільних частинок п'ять: фотон, два різновиди нейтрино, електрон та протон. Саме стабільні частинки грають найважливішу роль структурі макротіл. Всі інші частки нестабільні, вони існують близько 10-10-10-24 с, після чого розпадаються. Елементарні частинки із середнім часом життя 10 –23 –10 –22 с називають резонансами. Внаслідок короткого часу життя вони розпадаються ще до того, як встигнуть залишити атом чи атомне ядро. Резонансні стани обчислені теоретично, зафіксувати їх у реальних експериментах не вдається.

Крім заряду, маси та часу життя, елементарні частинки описуються також поняттями, які не мають аналогів у класичній фізиці: поняттям спина . Спиномназивається власний момент імпульсу частинки, не пов'язаний з її переміщенням. Спин характеризується спиновим квантовим числом s, яке може набувати цілі (±1) або напівцілі (±1/2) значення. Частинки з цілим спином – бозони, з напівцілим - ферміони. Електрон відноситься до ферміонів. Відповідно до принципу Паулі в атомі не може бути більше одного електрона з одним і тим же набором квантових чисел n,m,l,s. p align="justify"> Електрони, яким відповідає хвильові функції з однаковим числомn, дуже близькі за енергіями і утворюють в атомі електронну оболонку. Відмінності в числеl визначають "подоболочку", інші квантові числа визначають її заповнення, про що було сказано вище.

У характеристиці елементарних частинок є ще одне важливе уявлення взаємодії. Як зазначалося раніше, відомо чотири види взаємодій між елементарними частинками: гравітаційне,слабке,електромагнітнеі сильне(ядерне).

Усі частки, що мають масу спокою ( m 0), беруть участь у гравітаційному взаємодії, заряджені – й у електромагнітному. Лептони беруть участь ще й у слабкій взаємодії. Адрони беруть участь у всіх чотирьох фундаментальних взаємодіях.

Згідно з квантовою теорією поля, всі взаємодії здійснюються завдяки обміну віртуальними частинками тобто частинками, про існування яких можна судити лише опосередковано, за деякими їх проявами через якісь вторинні ефекти ( реальні частки можна безпосередньо зафіксувати за допомогою приладів).

Виявляється, що всі відомі чотири типи взаємодій - гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка - мають калібрувальну природу і описуються калібрувальними симетріями. Тобто всі взаємодії зроблені "з однієї болванки". Це вселяє надію, що можна буде знайти "єдиний ключ до всіх відомих замків" і описати еволюцію Всесвіту зі стану, представленого єдиним суперсиметричним суперполем, зі стану, в якому відмінності між типами взаємодій між різними частинками речовини і квантами полів ще не виявлені.

Існує безліч методів класифікації елементарних частинок. Так, наприклад, частинки поділяють на ферміони (Фермі-частинки) – частинки речовини та бозони (Бозе-частинки) – кванти полів.

Згідно з іншим підходом, частинки поділяють на 4 класи: фотони, лептони, мезони, баріони.

Фотони (Кванти електромагнітного поля) беруть участь в електромагнітних взаємодіях, але не мають сильної, слабкої, гравітаційної взаємодії.

Лептони отримали свою назву від грецького слова leptos- Легкий. До них відносяться частинки, що не володіють сильною взаємодією мюони (μ - , μ +), електрони (е - , е +), електронні нейтрино (ve - , e +) і мюонні нейтрино (v - m, v + m). Усі лептони мають спин, рівний ½, і, отже, є ферміонами. Всі лептони мають слабку взаємодію. Ті з них, які мають електричний заряд (тобто мюони та електрони), мають також електромагнітну взаємодію.

Мезони - Нестабільні частинки, що сильно взаємодіють, не несуть так званого баріонного заряду. До них належить р-мезони, або півонії (π + , π - , π 0), До-мезони, або каони (К + , К - , К 0), ця-мезони (η) . Маса До-мезонів становить ~970mе (494 МеВ для заряджених та 498 МеВ для нейтральних До-мезонів). Час життя До-мезон має величину порядку 10 -8 с. Вони розпадаються з освітою я-мезонів та лептонів або тільки лептонів. Маса ця-мезонів дорівнює 549 МеВ (1074mе), час життя - близько 10 -19 с. Ця-мезони розпадаються з утворенням π-мезонів та γ-фотонів. На відміну від лептонів, мезони мають не тільки слабку (і, якщо вони заряджені, електромагнітну), але також і сильну взаємодію, що проявляється при взаємодії їх між собою, а також при взаємодії між мезонами і баріонами. Спин усіх мезонів дорівнює нулю, тому вони є бозонами.

Клас баріонів поєднує в собі нуклони (p, n) і нестабільні частинки з масою більше маси нуклонів, що отримали назву гіперонів. Всі баріони мають сильну взаємодію і, отже, активно взаємодіють з атомними ядрами. Спин всіх баріонів дорівнює ½, тому баріони є ферміонами. За винятком протону, усі баріони нестабільні. При розпаді баріонів поряд з іншими частинками обов'язково утворюється баріон. Ця закономірність є одним із проявів закону збереження баріонного заряду.

Крім перерахованих вище частинок виявлено велику кількість сильно взаємодіючих короткоживучих частинок, які отримали назву резонансів . Ці частинки є резонансними станами, утвореними двома або великим числом елементарних частинок. Час життя резонансів становить лише ~ 10 -23 -10 -22 с.

Елементарні частинки, а також складні мікрочастинки вдається спостерігати завдяки тим слідам, які вони залишають при проходженні через речовину. Характер слідів дозволяє судити про знак заряду частинки, її енергії, імпульс і т. п. Заряджені частинки викликають іонізацію молекул на своєму шляху. Нейтральні частинки слідів не залишають, але вони можуть виявити себе в момент розпаду на заряджені частинки або в момент зіткнення з ядром. Отже, зрештою нейтральні частинки також виявляються по іонізації, викликаної породженими ними зарядженими частинками.

Частинки та античастинки. У 1928 р. англійському фізику П. Дірак вдалося знайти релятивістське квантово-механічне рівняння для електрона, з якого випливає ряд чудових наслідків. Насамперед, із цього рівняння природним чином, без будь-яких додаткових припущень, виходять спин та числове значення власного магнітного моменту електрона. Таким чином, з'ясувалося, що спин є величиною одночасно і квантової, і релятивістської. Але цим не вичерпується значення рівняння Дірака. Воно дозволило також передбачити існування античастки електрона – позитрон. З рівняння Дірака виходять повної енергії вільного електрона як позитивні, а й негативні значення. Дослідження рівняння показують, що при заданому імпульсі частинки існують рішення рівняння, що відповідають енергіям: .

Між найбільшою негативною енергією (– mе з 2) та найменшою позитивною енергією (+ m e c 2) є інтервал значень енергії, які можуть реалізуватися. Ширина цього інтервалу дорівнює 2 mе з 2 . Отже, виходять дві області власних значень енергії: одна починається з + m e з 2 і простягається до +∞, інша починається з – mе з 2 і тягнеться до –∞.

Частка з негативною енергією повинна мати дуже дивні властивості. Переходячи в стани з дедалі меншою енергією (тобто з модулем, що збільшується, негативною енергією), вона могла б виділяти енергію, скажімо, у вигляді випромінювання, причому, оскільки | Е| нічим не обмежений, частка з негативною енергією могла б випромінювати нескінченно велику кількість енергії. Такого висновку можна дійти наступним шляхом: із співвідношення Е=mе з 2 випливає, що у частинки з негативною енергією маса буде негативною. Під дією гальмівної сили частка з негативною масою повинна не сповільнюватися, а прискорюватися, здійснюючи над джерелом сили, що гальмує, нескінченно велика кількість роботи. Зважаючи на ці труднощі слід, здавалося б, визнати, що стан з негативною енергією потрібно виключити з розгляду як приводить до абсурдних результатів. Однак це суперечило б деяким загальним принципам квантової механіки. Тому Дірак вибрав інший шлях. Він запропонував, що переходи електронів у стани з негативною енергією зазвичай не спостерігаються з тієї причини, що всі рівні з негативною енергією вже зайняті електронами.

Згідно з Діраком, вакуум є такий стан, в якому всі рівні негативної енергії заселені електронами, а рівні з позитивною енергією вільні. Оскільки всі без винятку зайняті рівні, що лежать нижче забороненої смуги, електрони на цих рівнях ніяк себе не виявляють. Якщо одному з електронів, що знаходяться на негативних рівнях, повідомити енергію Е≥ 2mе з 2 то цей електрон перейде в стан з позитивною енергією і поводитиметься звичайним чином, як частка з позитивною масою і негативним зарядом. Ця перша з передбачених теоретично частинок була названа позитроном. При зустрічі позитрона з електроном вони анігілюють (зникають) – електрон переходить з позитивного рівня на негативний вакантний. Енергія, що відповідає різниці цих рівнів, виділяється у вигляді випромінювання. На рис. 4 стрілка 1 зображує процес народження пари електрон-позитрон, а стрілка 2 – їх анігіляцію Термін "анігіляція" не слід розуміти буквально. По суті, відбувається не зникнення, а перетворення одних частинок (електрона та позитрону) на інші (γ-фотони).

Існують частинки, які тотожні зі своїми античастинками (тобто не мають античасток). Такі частки називаються абсолютно нейтральними. До них належать фотон, π 0 -мезон і η-мезон. Частинки, тотожні зі своїми античастинками, не здатні до анігіляції. Це, однак, не означає, що вони взагалі не можуть перетворюватися на інші частки.

Якщо баріонам (тобто нуклонам та гіперонам) приписати баріонний заряд (або баріонне число) У= +1, антибаріон – баріонний заряд У= –1, а решті частинок – баріонний заряд У= 0, то для всіх процесів, що протікають за участю баріонів та антибаріонів, буде характерно збереження баріонів заряду, подібно до того як для процесів характерне збереження електричного заряду. Закон збереження баріонного заряду обумовлює стабільність м'якого з баріонів - протона. Перетворення всіх величин, що описують фізичну систему, при якому всі частинки замінюються на античастинки (наприклад, електрони протонами, а протони електронами і т. д.), називається зарядом сполучення.

Дивні частки.До-мезони та гіперони були виявлені у складі космічних променів на початку 50-х рр. XX ст. Починаючи з 1953 р. їх одержують на прискорювачах. Поведінка цих частинок виявилася настільки незвичайною, що вони були названі дивними. Незвичайність поведінки дивних частинок полягала в тому, що народжувалися вони явно за рахунок сильних взаємодій з характерним часом близько 10 -23 с, а життя їх виявилося близько 10 -8 -10 -10 с. Остання обставина вказувала на те, що розпад частинок здійснюється внаслідок слабких взаємодій. Було незрозуміло, чому дивні частки живуть так довго. Оскільки і в народженні, і в розпаді λ-гіперону беруть участь одні й ті самі частинки (π-мезони і протон), дивувалося, що швидкість (тобто ймовірність) обох процесів настільки різна. Подальші дослідження показали, що дивні частки народжуються парами. Це навело на думку, що сильні взаємодії не можуть відігравати ролі в розпаді частинок внаслідок того, що для їх прояву потрібна присутність двох дивних частинок. З тієї ж причини виявляється неможливим поодиноке народження дивних частинок.

Щоб пояснити заборону одиночного народження дивних частинок, М. Гелл-Манн і К. Нішиджима ввели до розгляду нове квантове число, сумарне значення якого має, на їхню думку, зберігатися при сильних взаємодіях. Це квантове число Sбуло названо дивністю частинки. При слабких взаємодіях дивина може зберігатися. Тому вона приписується лише сильно взаємодіючим частинкам – мезонам та баріонам.

Нейтріно.Нейтрино - єдина частка, яка не бере участі ні в сильних, ні в електромагнітних взаємодіях. Виключаючи гравітаційне взаємодія, у якому беруть участь усі частки, нейтрино може брати участь лише у слабких взаємодіях.

Довгий час залишалося незрозумілим, чим відрізняється нейтрино від антинейтрино. Відкриття закону збереження комбінованої парності дало змогу відповісти це питання: вони відрізняються спіральністю. Під спіральністюрозуміється певне співвідношення між напрямами імпульсу Рі спина Sчастки. Спіральність вважається позитивною, якщо спин та імпульс мають однаковий напрямок. У цьому випадку напрямок руху частинки ( Р) і напрямок "обертання", що відповідає спину, утворюють правий гвинт. При протилежно спрямованих спині та імпульсі спіральність буде негативною (поступальний рух та “обертання” утворюють лівий гвинт). Відповідно до розвиненої Янгом, Лі, Ландау та Саламом теорії поздовжнього нейтрино, всі існуючі в природі нейтрино, незалежно від способу їх виникнення, завжди бувають повністю поздовжньо поляризовані (тобто спин їх спрямований паралельно або антипаралельно імпульсу) Р). Нейтрино має негативну(ліву) спіральність (йому відповідає співвідношення напрямів Sі Р, зображене на рис. 5 (б), антинейтрино - позитивну (праву) спіральність (а). Отже, спіральність – те, що відрізняє нейтрино від антинейтрино.

Рис. 5.Схема спіральності елементарних частинок

Систематика елементарних частинок.Закономірності, які у світі елементарних частинок, може бути сформульовані як законів збереження. Таких законів накопичилося вже чимало. Деякі їх виявляються не точними, а лише наближеними. Кожен закон збереження висловлює певну симетрію системи. Закони збереження імпульсу Р, моменту імпульсу Lта енергії Евідображають властивості симетрії простору та часу: збереження Еє наслідок однорідності часу, збереження Робумовлено однорідністю простору, а збереження L- Його ізотропністю. Закон збереження парності пов'язаний із симетрією між правим і лівим ( Р-Інваріантність). Симетрія щодо зарядового сполучення (симетрія частинок та античастинок) призводить до збереження зарядової парності ( З-Інваріантність). Закони збереження електричного, баріонного та лептонного зарядів виражають особливу симетрію. З-функції. Нарешті, закон збереження ізотопічного спина відбиває ізотропність ізотопічного простору. Недотримання одного із законів збереження означає порушення в даній взаємодії відповідного виду симетрії.

У світі елементарних частинок діє правило: дозволено все, що не забороняють закони збереження. Останні відіграють роль правил заборони, що регулюють взаємоперетворення частинок. Насамперед відзначимо закони збереження енергії, імпульсу та електричного заряду. Ці три закони пояснюють стабільність електрона. Зі збереження енергії та імпульсу випливає, що сумарна маса спокою продуктів розпаду повинна бути меншою за масу спокою частки, що розпадається. Отже, електрон міг би розпадатися лише з нейтрино і фотони. Але ці частинки електрично нейтральні. Ось і виходить, що електрону просто нема кому передати свій електричний заряд, тому він стабільний.

Кварки.Часток, званих елементарними, стало так багато, що виникли серйозні сумніви щодо їх елементарності. Кожна із сильно взаємодіючих частинок характеризується трьома незалежними адитивними квантовими числами: зарядом Q, гіперзарядом Ута баріонним зарядом У. У зв'язку з цим виникла гіпотеза у тому, що це частки побудовано з трьох фундаментальних частинок – носіїв цих зарядів. У 1964 р. Гелл-Ман і незалежно від нього швейцарський фізик Цвейг висунули гіпотезу, згідно з якою всі елементарні частинки побудовані з трьох частинок, названих кварками. Цим частинкам приписуються дробові квантові числа, зокрема, електричний заряд, що дорівнює +⅔; -⅓; +⅓ відповідно для кожного із трьох кварків. Ці кварки зазвичай позначаються буквами U,D,S. Крім кварків, розглядаються антикварки ( u,d, S). На сьогоднішній день відомо 12 кварків – 6 кварків та 6 антикварків. Мезони утворюються із пари кварк-антикварк, а баріони – із трьох кварків. Так, наприклад, протон та нейтрон складаються з трьох кварків, що робить протон або нейтрон безбарвними. Відповідно розрізняють три заряди сильних взаємодій - червоний ( R), жовтий ( Y) та зелений ( G).

Кожному кварку приписується однаковий магнітний момент (мкВ), величина якого з теорії не визначається. Розрахунки, зроблені на підставі такого припущення, дають для протона значення магнітного моменту p = μ кв, а для нейтрону μ n = – ⅔μ кв.

Таким чином, для відношення магнітних моментів виходить значення μ p / μ n = –⅔, що чудово узгоджується з експериментальним значенням.

В основному колір кварку (подібно до знака електричного заряду) став виражати відмінність у властивості, що визначає взаємне тяжіння і відштовхування кварків. За аналогією з квантами полів різних взаємодій (фотонами в електромагнітних взаємодіях, р-мезонами у сильних взаємодіях тощо) були введені частинки-переносники взаємодії між кварками. Ці частки були названі глюонами. Вони переносять колір від одного кварку до іншого, внаслідок чого кварки утримуються разом. У фізиці кварків сформульовано гіпотезу конфайнменту (від англ. confinements- Полон) кварків, згідно з якою неможливо віднімання кварку з цілого. Він може існувати лише як елемент цілого. Існування кварків як реальних частинок у фізиці надійно обґрунтоване.

Ідея кварків виявилася дуже плідною. Вона дозволила як систематизувати вже відомі частки, а й передбачити низку нових. Положення, що склалося у фізиці елементарних частинок, нагадують становище, що утворилося у фізиці атома після відкриття в 1869 р. Д. І. Менделєвим періодичного закону. Хоча сутність цього закону була з'ясована лише приблизно через 60 років після створення квантової механіки, він дозволив систематизувати відомі на той час хімічні елементи і, крім того, призвів до передбачення існування нових елементів та їх властивостей. Так само фізики навчилися систематизувати елементарні частинки, причому розроблена систематика в ряді випадків дозволила передбачити існування нових частинок і передбачити їх властивості.

Отже, нині істинно елементарними вважатимуться кварки і лептони; їх 12, або разом з античатицями – 24. Крім того, існують частинки, що забезпечують чотири фундаментальні взаємодії (кванти взаємодії). Цих частинок 13: гравітон, фотон, W± - і Z-частки та 8 глюонів.

Існуючі теорії елементарних частинок не можуть вказати, що є початком ряду: атоми, ядра, адрони, кварки. У цьому ряду кожна складніша матеріальна структура включає більш просту як складову частину. Очевидно, так нескінченно продовжуватися не може. Припустили, що описаний ланцюжок матеріальних структур базується на об'єктах іншої природи. Показано, що такими об'єктами можуть бути не точкові, а протяжні, хоч і надзвичайно малі (~10-33 см) освіти, названі суперструнами.Описана ідея у нашому чотиривимірному просторі не реалізована. Ця область фізики взагалі надзвичайно абстрактна, і дуже важко підібрати наочні моделі, що допомагають спрощеному сприйняттю ідей, закладених у теоріях елементарних частинок. Тим не менш, ці теорії дозволяють фізикам висловити взаємоперетворення та взаємозумовленість "найбільш елементарних" мікрооб'єктів, їх зв'язок з властивостями чотиривимірного простору-часу. Найбільш перспективною вважається так звана М-теорія (М – від mystery- Загадка, таємниця). Вона оперує дванадцятимірним простором . Зрештою, при переході до безпосередньо сприйманого нами чотиривимірного світу всі “зайві” виміри “згортаються”. М-теорія поки що єдина теорія, яка дає можливість звести чотири фундаментальні взаємодії до однієї – так званої Суперсила.Важливо також, що теорія допускає існування різних світів і встановлює умови, що забезпечують виникнення нашого світу. М-теорія ще недостатньо розроблена. Вважається, що остаточна «теорія всього» на основі М-теорії буде побудована вXXIв.

Чи зможете ви коротко і ємно відповісти на запитання: Що таке електричний заряд? Це може здатися просто на перший погляд, але насправді виявляється набагато важче.

Чи відомо нам, що таке електричний заряд

Справа в тому, що на сучасному рівні знань ми ще не можемо розкласти поняття «заряд» на простіші складові. Це основне, так би мовити, первинне поняття.

Нам відомо, що це певна властивість елементарних частинок, відомий механізм взаємодії зарядів, ми можемо виміряти заряд та використовувати його властивості.

Однак усе це наслідок даних, одержаних дослідним шляхом. Природа цього явища нам досі незрозуміла. Тому однозначно визначити, що таке електричний заряд ми не можемо.

Для цього необхідно розкрити ціле коло понять. Роз'яснити механізм взаємодії зарядів та описати їх властивості. Тому простіше розібратися, що означає твердження: дана частка має (несе на собі) електричний заряд.

Наявність електричного заряду у частки

Однак пізніше вдалося встановити, що кількість елементарних частинок набагато більша, і що протон, електрон і нейтрон не є неподільними та основними будматеріалами Всесвіту. Вони самі можуть розкладатися на складові та перетворюватися на інші види частинок.

Тому назва «елементарна частка» в даний час включає досить великий клас частинок, менших за розміром, ніж атоми та ядра атомів. При цьому частинки можуть мати різні властивості і якості.

Однак така властивість, як електричний заряд, буває лише двох типів, які умовно назвали позитивним та негативним. Наявність заряду в частки це її властивість відштовхуватися або притягатися до іншої частки, яка також несе на собі заряд. Напрямок взаємодії залежить від типу зарядів.

Одноіменні заряди відштовхуються, різноіменні притягуються. При цьому сила взаємодії між зарядами дуже велика порівняно з гравітаційними силами, властивими всім без винятку тілам у Всесвіті.

У ядрі водню, наприклад, електрон, що несе негативний заряд, притягується до ядра, що складається з протона і несе позитивний заряд, з силою в 1039 разів більшою, ніж сила, з якою той же електрон притягується протоном за рахунок гравітаційної взаємодії.

Частинки можуть нести у собі заряд чи нести, залежно від типу частки. Однак «зняти» заряд з частки неможливо, так само, як неможливо і існування заряду поза частинкою.

Крім протона і нейтрона заряд несуть деякі інші види елементарних частинок, проте необмежено довго існувати можуть лише ці дві частинки.

У Всесвіті кожне тіло живе у своєму часі та основні елементарні частинки також. Час життя в більшості елементарних частинок досить короткий.

Деякі відразу після свого народження розпадаються, тому ми називаємо їх нестабільними частинками.

Вони через короткий час розпадаються на стабільні: протони, електрони, нейтрино, фотони, гравітони та їх античастинки.

Найважливіші мікрооб'єкти в нашому близькому космосі протони та електрони. Якісь із віддалених частин Всесвіту можуть складатися з антиречовини, найважливішими частинками там будуть антипротон і антиелектрон (позитрон).

Всього відкрито кілька сотень елементарних частинок: протон (р), нейтрон (n), електрон (e -), а також фотон (g), пі-мезони (p), мюони (m), нейтрино трьох типів (електронне v e, мюонне) v m, з лептоном v t), і т.д. явно принесуть ще нові мікрочастинки.

Поява частинок:

Протонів та електронів

Поява протонів і електронів належить до часу , та його вік налічує приблизно десять мільярдів років.

Ще один вид мікрооб'єктів, які відіграють істотну роль у структурі близького космосу - нейтрони, що мають загальну назву з протоном: нуклони. Самі собою нейтрони нестабільні, вони розпадаються приблизно десять хвилин після виникнення. Стабільними вони можуть бути лише у ядрі атома. Величезна кількість нейтронів постійно виникає в глибинах зірок, де з протонів народжуються ядра атомів.

Нейтріно

У Всесвіті також постійно відбувається народження нейтрино, які схожі на електрон, але без заряду і з малою масою. В 1936 відкрито різновид нейтрино: мюонні нейтрино, які виникають при перетворенні протонів в нейтрони, в надрах надмасивних зірок і при розпаді багатьох нестабільних мікрооб'єктів. Вони народжуються під час зіткнення космічних променів у міжзоряному просторі.

Великий вибух спричинив появу величезної кількості нейтрино та мюонних нейтрино. Їхнє число в космосі постійно збільшується, тому що вони не поглинаються практично ніякою матерією.

Фотонів

Як і фотони, нейтрино та мюонне нейтрино заповнюють весь космічний простір. Це називається «нейтринним морем».
З часу Великого вибуху залишилося безліч фотонів, які ми називаємо реліктовими чи фоссильними. Ними наповнено весь космічний простір, та його частота, отже, і енергія постійно зменшується, оскільки Всесвіт розширюється.

В даний час всі космічні тіла, насамперед зірки та туманності, беруть участь в утворенні фотонної частини Всесвіту. Фотони народжуються на поверхні зірок із енергії електронів.

З'єднання частинок

У початковій стадії утворення Всесвіту всі основні елементарні частки були вільними. Тоді не існувало ні ядер атомів, ні планет, ні зірок.

Атоми, а з них планети, зірки та всі речовини утворилися пізніше, коли минуло 300 000 років і розпечена матерія при розширенні достатньою мірою охолоне.

Лише нейтрино, мюонне нейтрино і фотон не увійшли в жодну систему: їхнє взаємне тяжіння надто слабке. Вони так і залишилися вільними частинками.

Ще на початковому етапі утворення Всесвіту (через 300 000 років після його народження) вільні протони та електрони з'єдналися в атоми водню (один протон та один електрон, пов'язані електричною силою).

Відомо, що «будівельними мікроблоками» Всесвіту є протони та електрони.

Нарешті, під час зустрічі протона і антипротону немає ніякої системи, але їх енергія спокою звільняється як фотонів ().

Вчені стверджують, що ніби існує ще й примарна основна елементарна частка гравітону, яка переносить гравітаційну взаємодію аналогічну електромагнетизму. Проте наявність гравітону доведено лише теоретично.

Таким чином, виникли і зараз представляють наш Всесвіт, у тому числі і Землю, основні елементарні частинки: протони, електрони, нейтрино, фотони, гравітони та ще безліч відкритих та невідкритих мікрооб'єктів.

Сторінка 1

Дати коротке, задовільне у всіх відносинах визначення заряду неможливо. Ми звикли знаходити зрозумілі нам пояснення складних утворень і процесів на кшталт атома, рідких кристалів, розподілу молекул за швидкостями тощо. А ось найголовніші, фундаментальні поняття, нерозчленовані на простіші, позбавлені, за даними науки на сьогоднішній день, будь-якого внутрішнього механізму, коротко задовільним чином вже не пояснити. Особливо, якщо об'єкти безпосередньо не сприймаються нашими органами почуттів. Саме таких фундаментальних понять належить електричний заряд.

Спробуємо спочатку з'ясувати не що таке електричний заряд, а що ховається за твердженням дане тіло або частка мають електричний заряд.

Ви знаєте, що всі тіла побудовані з найдрібніших, неподільних на простіші (наскільки зараз науці відомо) частинок, які тому називають елементарними. Всі елементарні частинки мають масу і завдяки цьому притягуються одна до одної. Відповідно до закону всесвітнього тяжіння сила тяжіння порівняно повільно зменшується зі збільшенням відстані між ними: назад пропорційно квадрату відстані. Крім того, більшість елементарних частинок, хоча і не всі, мають здатність взаємодіяти один з одним з силою, яка також зменшується пропорційно квадрату відстані, але ця сила у величезне число, раз перевищує силу тяжіння. Так, в атомі водню, схематично зображеному на малюнку 1, електрон притягується до ядра (протону) з силою, що у 1039 разів перевищує силу гравітаційного тяжіння.

Якщо частинки взаємодіють один з одним із силами, які повільно зменшуються зі збільшенням відстані та у багато разів перевищують сили всесвітнього тяжіння, то кажуть, що ці частинки мають електричний заряд. Самі частки називаються зарядженими. Бувають частинки без електричного заряду, але немає електричного заряду без частинки.

Взаємодії між зарядженими частинками звуться електромагнітних. Коли ми говоримо, що електрони та протони електрично заряджені, то це означає, що вони здатні до взаємодій певного типу (електромагнітним), і нічого більше. Відсутність заряду у частинок означає, що подібних взаємодій вона не виявляє. Електричний заряд визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій, як маса визначає інтенсивність гравітаційних взаємодій. Електричний заряд – друга (після маси) найважливіша характеристика елементарних частинок, що визначає їхню поведінку в навколишньому світі.

Таким чином

Електричний заряд- Це фізична скалярна величина, що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.

Електричний заряд позначається літерами q чи Q.

Подібно до того, як у механіці часто використовується поняття матеріальної точки, що дозволяє значно спростити вирішення багатьох завдань, при вивченні взаємодії зарядів ефективним виявляється уявлення про точковий заряд. Точковий заряд – це таке заряджене тіло, розміри якого значно менші за відстань від цього тіла до точки спостереження та інших заряджених тіл. Зокрема, якщо говорять про взаємодію двох точкових зарядів, то тим самим припускають, що відстань між двома зарядженими тілами, що розглядаються, значно більша за їх лінійні розміри.

Електричний заряд елементарної частки

Електричний заряд елементарної частинки - це не особливий "механізм" у частинці, який можна було б зняти з неї, розкласти на складові та знову зібрати. Наявність електричного заряду в електрона та інших частинок означає існування певних взаємодій між ними.

У природі є частинки із зарядами протилежних знаків. Заряд протона називається позитивним, а електрона негативним. Позитивний знак заряду в частки не означає, звичайно, наявності у неї особливих переваг. Введення зарядів двох знаків просто висловлює той факт, що заряджені частинки можуть притягуватися, так і відштовхуватися. При однакових знаках заряду частинки відштовхуються, а різних – притягуються.

Жодного пояснення причин існування двох видів електричних зарядів зараз немає. У всякому разі, жодних важливих відмінностей між позитивними та негативними зарядами не виявляється. Якби знаки електричних зарядів частинок змінилися протилежні, то характер електромагнітних взаємодій у природі не змінився б.

Позитивні та негативні заряди дуже добре компенсовані у Всесвіті. І якщо Всесвіт кінцевий, то його повний електричний заряд, ймовірно, дорівнює нулю.

Найбільш чудовим є те, що електричний заряд всіх елементарних частинок строго однаковий за модулем. Існує мінімальний заряд, званий елементарним, який має всі заряджені елементарні частинки. Заряд може бути позитивним, як у протона, або негативним, як у електрона, але модуль заряду завжди один і той же.

Відокремити частину заряду, наприклад, у електрона неможливо. Це, мабуть, найдивовижніше. Ніяка сучасна теорія неспроможна пояснити, чому заряди всіх частинок однакові, і може обчислити значення мінімального електричного заряду. Воно визначається експериментально з допомогою різних дослідів.

У 60-ті рр., після того як число новостворених елементарних частинок стало загрозливо зростати, була висунута гіпотеза про те, що всі сильно взаємодіючі частинки є складовими. Більше фундаментальні частки були названі кварками. Вражаючим виявилося те, що кварки повинні мати дробовий електричний заряд: 1/3 та 2/3 елементарного заряду. Для побудови протонів та нейтронів достатньо двох сортів кварків. А максимальне їхнє число, мабуть, не перевищує шести.

Одиниця виміру електричного заряду