Може ли да съществува елементарна частица без заряд? Електричен заряд и елементарни частици

« Физика - 10 клас"

Първо, нека разгледаме най-простия случай, когато електрически заредените тела са в покой.

Клонът на електродинамиката, посветен на изучаването на условията на равновесие на електрически заредени тела, се нарича електростатика.

Какво е електрически заряд?
Какви такси има?

С думи електричество, електрически заряд, електрически ток срещали сте се много пъти и сте успели да свикнете с тях. Но опитайте се да отговорите на въпроса: "Какво е електрически заряд?" Самата концепция такса- това е основно, първично понятие, до което не може да се сведе съвременно ниворазвитие на знанията ни до някои по-прости, елементарни концепции.

Нека първо се опитаме да разберем какво се има предвид с твърдението: „Това тяло или частица има електрически заряд“.

Всички тела са направени от миниатюрни частици, които са неделими на по-прости и затова се наричат елементарен.

Елементарните частици имат маса и поради това се привличат една към друга по закон универсална гравитация. С увеличаване на разстоянието между частиците гравитационната сила намалява обратно пропорционално на квадрата на това разстояние. Повечето елементарни частици, макар и не всички, също имат способността да взаимодействат помежду си със сила, която също намалява обратно пропорционално на квадрата на разстоянието, но тази сила е многократно по-голяма от силата на гравитацията.

Така във водородния атом, показан схематично на фигура 14.1, електронът е привлечен към ядрото (протона) със сила 10 39 пъти по-голяма от силата на гравитационното привличане.

Ако частиците взаимодействат помежду си със сили, които намаляват с увеличаване на разстоянието по същия начин като силите на всемирната гравитация, но превишават многократно гравитационните сили, тогава се казва, че тези частици имат електрически заряд. Самите частици се наричат заредена.

Има частици без електрически заряд, но няма електрически заряд без частица.

Взаимодействието на заредените частици се нарича електромагнитни.

Електрически зарядопределя интензивността на електромагнитните взаимодействия, точно както масата определя интензивността на гравитационните взаимодействия.

Електрическият заряд на елементарната частица не е специален механизъм в частицата, който може да бъде отстранен от нея, разложен на съставните й части и отново сглобен. Наличието на електрически заряд върху електрон и други частици означава само наличието на определени силови взаимодействия между тях.

Ние, по същество, не знаем нищо за заряда, ако не знаем законите на тези взаимодействия. Познаването на законите на взаимодействията трябва да бъде включено в нашите представи за заряда. Тези закони не са прости и е невъзможно да бъдат очертани с няколко думи. Поради това е невъзможно да се даде достатъчно задоволително кратко определениеконцепция електрически заряд.

Два знака за електрически заряди.

Всички тела имат маса и следователно се привличат. Заредените тела могат както да се привличат, така и да се отблъскват. това най-важният факт, познато ви, означава, че в природата има частици с електрически заряди с противоположни знаци; при заряди с еднакъв знак частиците се отблъскват, а при различни по знак се привличат.

Заряд на елементарни частици - протони, които са част от всички атомни ядра, се наричат ​​положителни, а зарядът електрони- отрицателен. Няма вътрешни разлики между положителните и отрицателните заряди. Ако знаците на зарядите на частиците бяха обърнати, тогава природата на електромагнитните взаимодействия изобщо нямаше да се промени.

Елементарно зареждане.

В допълнение към електроните и протоните има няколко други вида заредени елементарни частици. Но само електрони и протони могат да съществуват в свободно състояние за неопределено време. Останалите заредени частици живеят по-малко от една милионна от секундата. Те се раждат по време на сблъсък на бързи елементарни частици и след като са съществували незначително кратко време, се разпадат, превръщайки се в други частици. Ще се запознаете с тези частици в 11 клас.

Частиците, които нямат електрически заряд включват неутрон. Масата му е само малко по-голяма от масата на протона. Неутроните, заедно с протоните, са част от атомно ядро. Ако една елементарна частица има заряд, тогава стойността му е строго определена.

Заредени телаЕлектромагнитните сили в природата играят огромна роля поради факта, че всички тела съдържат електрически заредени частици. Съставните части на атомите - ядрата и електроните - имат електрически заряд.

Директно действие електромагнитни силимежду телата не се открива, тъй като телата в нормалното си състояние са електрически неутрални.

Атом на всяко вещество е неутрален, защото броят на електроните в него е равен на броя на протоните в ядрото. Положително и отрицателно заредените частици са свързани една с друга електрически силии образуват неутрални системи.

Макроскопичното тяло е електрически заредено, ако съдържа излишно количество елементарни частици с един знак за заряд. така че отрицателен зарядтяло се причинява от излишък на електрони спрямо броя на протоните, а положителен се дължи на липса на електрони.

За да се получи електрически заредено макроскопично тяло, т.е. да се електрифицира, е необходимо да се отдели част от отрицателния заряд от свързания с него положителен заряд или да се прехвърли отрицателен заряд към неутрално тяло.

Това може да стане с помощта на триене. Ако прокарате гребен през суха коса, тогава малка част от най-подвижните заредени частици - електрони - ще се преместят от косата към гребена и ще я заредят отрицателно, а косата ще се зареди положително.

Равнопоставеност на зарядите при електрификация

С помощта на експеримента може да се докаже, че при наелектризиране чрез триене и двете тела придобиват заряди, които са противоположни по знак, но еднакви по големина.

Да вземем електрометър, на чийто прът има метална сфера с дупка и две пластини на дълги дръжки: едната от твърда гума, а другата от плексиглас. При триене една в друга плочите се наелектризират.

Нека вкараме една от плочите вътре в сферата, без да докосваме стените й. Ако плочата е положително заредена, тогава някои от електроните от иглата и пръта на електрометъра ще бъдат привлечени от плочата и събрани върху вътрешна повърхностсфери. В същото време стрелката ще бъде заредена положително и ще бъде изтласкана от пръта на електрометъра (фиг. 14.2, а).

Ако поставите друга плоча вътре в сферата, като първо сте извадили първата, тогава електроните на сферата и пръчката ще бъдат отблъснати от плочата и ще се натрупат в излишък върху стрелката. Това ще накара стрелката да се отклони от пръта и то под същия ъгъл, както при първия експеримент.

След като спуснахме двете плочи вътре в сферата, изобщо няма да открием никакво отклонение на стрелката (фиг. 14.2, b). Това доказва, че зарядите на плочите са равни по големина и противоположни по знак.

Електрификация на телата и нейните прояви.По време на триенето на синтетични тъкани възниква значително наелектризиране. Когато свалите риза от синтетичен материал на сух въздух, можете да чуете характерен пращене. Между заредените зони на триещите се повърхности прескачат малки искри.

В печатниците хартията се наелектризира по време на печат и листите се слепват. За да не се случи това, се използват специални устройства за източване на заряда. Въпреки това, електрифицирането на тела в близък контакт понякога се използва, например в различни електрокопирни инсталации и др.

Закон за запазване на електрическия заряд.

Опитът с наелектризирането на плочи доказва, че по време на наелектризиране чрез триене се получава преразпределение на съществуващите заряди между тела, които преди това са били неутрални. Малка част от електроните се премества от едно тяло в друго. В този случай не се появяват нови частици, а вече съществуващите не изчезват.

Когато телата се наелектризират, закон за запазване на електрическия заряд. Този закон е валиден за система, в която заредените частици не влизат отвън и от която не излизат, т.е. изолирана система.

В изолирана система алгебрична сумазарядите на всички тела се запазват.

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const. (14.1)

където q 1, q 2 и т.н. са зарядите на отделните заредени тела.

Законът за запазване на заряда има дълбок смисъл. Ако броят на заредените елементарни частици не се променя, тогава изпълнението на закона за запазване на заряда е очевидно. Но елементарните частици могат да се трансформират една в друга, да се раждат и изчезват, давайки живот на нови частици.

Във всички случаи обаче заредените частици се раждат само по двойки със заряди с еднаква величина и противоположен знак; Заредените частици също изчезват само по двойки, превръщайки се в неутрални. И във всички тези случаи алгебричната сума на зарядите остава същата.

Валидността на закона за запазване на заряда се потвърждава от наблюденията на огромен брой трансформации на елементарни частици. Този закон изразява едно от най-фундаменталните свойства на електрическия заряд. Причината за запазването на заряда все още не е известна.

Страница 1

Невъзможно е да се даде кратко определение на таксата, което да е задоволително във всички отношения. Свикнали сме да намираме обяснения, които много разбираме сложни образуванияи процеси като атома, течни кристали, разпределение на молекулите по скорост и др. Но най-основните, фундаментални понятия, неделими на по-прости, лишени според днешната наука от всякакъв вътрешен механизъм, вече не могат да бъдат обяснени накратко по задоволителен начин. Особено ако обектите не се възприемат директно от сетивата ни. Именно тези основни понятия са свързани с електрическия заряд.

Нека първо се опитаме да разберем не какво е електрически заряд, а какво се крие зад твърдението дадено тялоили частица има електрически заряд.

Знаете, че всички тела са изградени от малки частици, неделими на по-прости (доколкото сега науката знае) частици, които затова се наричат ​​елементарни. Всички елементарни частици имат маса и поради това се привличат една към друга. Според закона за всемирното привличане силата на привличане намалява сравнително бавно с увеличаване на разстоянието между тях: обратно пропорционално на квадрата на разстоянието. Освен това повечето елементарни частици, макар и не всички, имат способността да взаимодействат помежду си със сила, която също намалява обратно пропорционално на квадрата на разстоянието, но тази сила е огромен брой пъти по-голяма от силата на гравитацията . Така във водородния атом, схематично показан на фигура 1, електронът се привлича към ядрото (протона) със сила 1039 пъти по-голяма от силата на гравитационното привличане.

Ако частиците взаимодействат една с друга със сили, които бавно намаляват с увеличаване на разстоянието и са многократно по-големи от силите на гравитацията, тогава се казва, че тези частици имат електрически заряд. Самите частици се наричат ​​заредени. Има частици без електрически заряд, но няма електрически заряд без частица.

Взаимодействията между заредените частици се наричат ​​електромагнитни. Когато казваме, че електроните и протоните са електрически заредени, това означава, че те са способни на взаимодействие от определен тип (електромагнитно) и нищо повече. Липсата на заряд на частиците означава, че не открива такива взаимодействия. Електрическият заряд определя интензивността на електромагнитните взаимодействия, точно както масата определя интензивността на гравитационните взаимодействия. Електрическият заряд е втората (след масата) най-важна характеристика на елементарните частици, която определя поведението им в околния свят.

Така

Електрически заряд– това е физическо скаларно количество, характеризиращ свойството на частиците или телата да влизат в електромагнитни силови взаимодействия.

Електрическият заряд се символизира с буквите q или Q.

Точно както в механиката понятието често се използва материална точка, което позволява значително да се опрости решаването на много проблеми, когато се изучава взаимодействието на зарядите, идеята за точков заряд се оказва ефективна. Точковият заряд е заредено тяло, чиито размери са значително по-малки от разстоянието от това тяло до точката на наблюдение и други заредени тела. По-специално, ако говорим за взаимодействието на две точкови такси, тогава те приемат, че разстоянието между двете разглеждани заредени тела е значително по-голямо от техните линейни размери.

Електрически заряд на елементарна частица

Електрическият заряд на елементарната частица не е специален „механизъм“ в частицата, който може да бъде отстранен от нея, разложен на съставните й части и отново сглобен. Наличието на електрически заряд на електрон и други частици означава само наличието на определени взаимодействия между тях.

В природата има частици с противоположни знаци. Зарядът на протона се нарича положителен, а зарядът на електрона - отрицателен. Положителният знак на заряда на една частица не означава, разбира се, че тя има някакви специални предимства. Въвеждането на заряди с два знака просто изразява факта, че заредените частици могат както да привличат, така и да отблъскват. При идентични знацичастиците се отблъскват, но ако са различни, те се привличат.

В момента няма обяснение за причините за съществуването на два вида електрически заряди. Във всеки случай никаква фундаментални различиямежду положителни и отрицателни заряди не се открива. Ако знаците на електрическите заряди на частиците се променят на противоположни, тогава природата на електромагнитните взаимодействия в природата няма да се промени.

Положителните и отрицателните заряди са много добре балансирани във Вселената. И ако Вселената е ограничена, тогава общият й електрически заряд по всяка вероятност е равен на нула.

Най-забележителното е, че електрическият заряд на всички елементарни частици е абсолютно еднакъв по големина. Има минимален заряд, наречен елементарен, който всички заредени елементарни частици притежават. Зарядът може да бъде положителен, като протон, или отрицателен, като електрон, но модулът на заряда е един и същ във всички случаи.

Невъзможно е да се отдели част от заряда, например, от електрон. Това е може би най-изненадващото. Няма съвременна теорияне може да обясни защо зарядите на всички частици са еднакви и не може да изчисли стойността на минималния електрически заряд. Определя се експериментално чрез различни експерименти.

През 60-те години на миналия век, след като броят на новооткритите елементарни частици започна тревожно да расте, се появи хипотезата, че всички силно взаимодействащи частици са съставни. По-фундаменталните частици бяха наречени кварки. Удивително беше, че кварките трябва да имат частичен електрически заряд: 1/3 и 2/3 елементарен заряд. За изграждането на протони и неутрони са достатъчни два вида кварки. И максималният им брой, очевидно, не надвишава шест.

Мерна единица за електрически заряд

Можете ли кратко и сбито да отговорите на въпроса: „Какво е електрически заряд?“ Това може да изглежда просто на пръв поглед, но в действителност се оказва много по-сложно.

Знаем ли какво е електрически заряд?

Факт е, че на сегашното ниво на познание все още не можем да разложим понятието „заряд“ на по-прости компоненти. Това е фундаментално, така да се каже, първично понятие.

Ние знаем, че това е специфичен имотелементарни частици, механизмът на взаимодействие на зарядите е известен, можем да измерим заряда и да използваме неговите свойства.

Всичко това обаче е следствие от експериментално получени данни. Природата на това явление все още не ни е ясна. Следователно не можем еднозначно да определим какво е електрически заряд.

За да направите това, е необходимо да разширите цял набор от концепции. Обяснете механизма на взаимодействие между зарядите и опишете техните свойства. Следователно е по-лесно да разберете какво означава твърдението: „ тази частицаима (носи) електрически заряд.

Наличие на електрически заряд върху частица

По-късно обаче беше възможно да се установи, че броят на елементарните частици е много по-голям и че протонът, електронът и неутронът не са неделими и основни строителни материали на Вселената. Самите те могат да се разлагат на компоненти и да се превръщат в други видове частици.

Следователно наименованието "елементарна частица" в момента включва доста голям клас частици, по-малки по размер от атомите и атомните ядра. В този случай частиците могат да имат различни свойства и качества.

Въпреки това, такова свойство като електрически заряд се предлага само в два вида, които условно се наричат ​​положителни и отрицателни. Наличието на заряд върху частица е нейната способност да отблъсква или да бъде привлечена от друга частица, която също носи заряд. Посоката на взаимодействие зависи от вида на зарядите.

Еднаквите заряди отблъскват, за разлика от зарядите привличат. Освен това силата на взаимодействие между зарядите е много голяма в сравнение с гравитационните сили, присъщи на всички тела във Вселената без изключение.

Във водородното ядро, например, електрон, носещ отрицателен заряд, е привлечен от ядро, състоящо се от протон и носещ положителен заряд, със сила 1039 пъти по-голяма от силата, с която същият електрон е привлечен от протон поради гравитационно взаимодействие.

Частиците могат или не могат да носят заряд, в зависимост от вида на частицата. Невъзможно е обаче да се „премахне” зарядът от частицата, както е невъзможно съществуването на заряд извън частицата.

В допълнение към протона и неутрона, някои други видове елементарни частици носят заряд, но само тези две частици могат да съществуват неопределено време.

От приблизително 1000 секунди (за свободен неутрон) до незначителна част от секундата (от 10 −24 до 10 −22 s за резонанси).

Структурата и поведението на елементарните частици се изучава от физиката на елементарните частици.

Всички елементарни частици се подчиняват на принципа на идентичност (всички елементарни частици от един и същи тип във Вселената са напълно еднакви във всички свои свойства) и на принципа на двойствеността вълна-частица (всяка елементарна частица съответства на вълна на де Бройл).

Всички елементарни частици имат свойството на взаимопреобразуемост, което е следствие от техните взаимодействия: силни, електромагнитни, слаби, гравитационни. Взаимодействията на частиците причиняват трансформации на частици и техните колекции в други частици и техните колекции, ако такива трансформации не са забранени от законите за запазване на енергията, импулса, ъгловия момент, електрическия заряд, барионния заряд и др.

Основни характеристики на елементарните частици:време на живот, маса, спин, електрически заряд, магнитен момент, барионен заряд, лептонен заряд, странност, изотопен спин, четност, зарядова четност, G-четност, CP-четност.

Класификация

По цял живот

• Стабилните елементарни частици са частици, които имат безкрайно голямо времеживот в свободно състояние (протон, електрон, неутрино, фотон и техните античастици).
• Нестабилните елементарни частици са частици, които се разпадат на други частици в свободно състояние за крайно време (всички останали частици).

По тегло

Всички елементарни частици се делят на два класа:

• Безмасовите частици са частици с нулева маса (фотон, глуон).
• Частици с ненулева маса (всички останали частици).

По най-големия гръб

Всички елементарни частици се делят на два класа:

По вид взаимодействие

Елементарните частици се делят на следните групи:

Съставни частици

• Адроните са частици, които участват във всички видове фундаментални взаимодействия. Те се състоят от кварки и от своя страна се делят на:
  • мезоните са адрони с цял спин, тоест те са бозони;
  • барионите са адрони с полуцяло въртене, тоест фермиони. Те включват по-специално частиците, които изграждат ядрото на атома - протон и неутрон.

Фундаментални (безструктурни) частици

• Лептоните са фермиони, които имат формата на точкови частици (т.е. не се състоят от нищо) до мащаби от порядъка на 10−18 m. Те не участват в силни взаимодействия. Участие в електромагнитни взаимодействиянаблюдавано експериментално само за заредени лептони (електрони, мюони, тау лептони) и не се наблюдава за неутрино. Има 6 известни вида лептони.
• Кварките са частично заредени частици, които са част от адроните. Те не са наблюдавани в свободно състояние (предложен е механизъм за задържане, за да се обясни липсата на такива наблюдения). Подобно на лептоните, те са разделени на 6 типа и се считат за безструктурни, но за разлика от лептоните те участват в силни взаимодействия.
• Калибровъчните бозони са частици, чрез обмена на които се осъществяват взаимодействия:
  • фотонът е частица, която носи електромагнитно взаимодействие;
  • осем глуона - частици, които носят силната сила;
  • три междинни векторни бозона У + , У− и З 0, които толерират слабо взаимодействие;
  • гравитон - хипотетична частица, пренасяйки гравитационно взаимодействие. Съществуването на гравитони, въпреки че все още не е експериментално доказано поради слабостта на гравитационното взаимодействие, се счита за доста вероятно; гравитонът обаче не е включен в Стандартния модел на елементарните частици.

Видео по темата

Размери на елементарните частици

Въпреки голямото разнообразие от елементарни частици, техните размери се вписват в две групи. Размерите на адроните (както бариони, така и мезони) са около 10 −15 m, което е близо до средното разстояние между кварките, включени в тях. Размерите на фундаменталните, безструктурни частици - калибровъчни бозони, кварки и лептони - в рамките на експерименталната грешка са в съответствие с тяхната точкова природа ( горна границадиаметър около 10−18 m) ( вижте обяснението). Ако при по-нататъшни експерименти окончателните размери на тези частици не бъдат открити, тогава това може да означава, че размерите на калибровъчните бозони, кварки и лептони са близки до основната дължина (която много вероятно може да се окаже дължината на Планк, равна на 1,6 10 −35 m).

Трябва да се отбележи обаче, че размерът на елементарната частица е доста сложно понятие, което не винаги е в съответствие с класическите концепции. Първо, принципът на неопределеността не позволява строго локализиране на физическа частица. Вълновият пакет, който представлява частица като суперпозиция от точно локализирани квантови състояния, винаги има крайни размери и определена пространствена структура, като размерите на пакета могат да бъдат доста макроскопични - например електрон в експеримент с интерференция на две процепите „усеща“ двата процепа на интерферометъра, разделени от макроскопично разстояние. второ, физическа частицапроменя структурата на вакуума около себе си, създавайки "обвивка" от кратковременни виртуални частици - двойки фермион-антифермион (вижте Поляризация на вакуума) и бозони, които носят взаимодействия. Пространствените размери на тази област зависят от калибровъчните заряди, притежавани от частицата, и от масите на междинните бозони (радиусът на обвивката на масивните виртуални бозони е близък до тяхната дължина на вълната на Комптън, която от своя страна е обратно пропорционална на тяхната маса). И така, електронният радиус от гледна точка на неутрино (между тях е възможно само слабо взаимодействие) е приблизително равна на дължината на вълната на Комптън на W бозоните, ~3 × 10 −18 m, и размерите на региона силно взаимодействиеадроните се определят от дължината на вълната на Compton на най-лекия адрон, pi-мезона (~10 −15 m), който действа тук като носител на взаимодействие.

История

Първоначално терминът "елементарна частица" означаваше нещо абсолютно елементарно, първата тухла от материята. Въпреки това, когато стотици адрони с подобни свойства бяха открити през 50-те и 60-те години на миналия век, стана ясно, че адроните поне имат вътрешни степени на свобода, тоест не са елементарни в тесния смисъл на думата. Това подозрение по-късно се потвърди, когато се оказа, че адроните се състоят от кварки.

Така физиците са навлезли малко по-дълбоко в структурата на материята: лептоните и кварките сега се считат за най-елементарните, точковидни части на материята. За тях (заедно с калибровъчните бозони) терминът „ фундаменталенчастици".

В теорията на струните, която се развива активно от около средата на 80-те години на миналия век, се приема, че елементарните частици и техните взаимодействия са следствие от различни видовевибрации на особено малки „струни“.

Стандартен модел

Стандартният модел на елементарните частици включва 12 разновидности на фермиони, съответните им античастици, както и калибровъчни бозони (фотони, глуони, У- И З-бозони), които пренасят взаимодействията между частиците, и Хигс бозона, открит през 2012 г., който е отговорен за присъствието инертна масапри частици. Стандартният модел обаче до голяма степен се разглежда като временна теория, а не като наистина фундаментална, тъй като не включва гравитацията и съдържа няколко десетки свободни параметри (маси на частиците и т.н.), чиито стойности не следват директно от теорията. Може би има елементарни частици, които не са описани Стандартен модел- например като гравитон (частица, която хипотетично носи гравитационни сили) или суперсиметрични партньори на обикновени частици. Общо моделът описва 61 частици.

Фермиони

12-те вкуса на фермионите са разделени на 3 семейства (генерации) от по 4 частици всяко. Шест от тях са кварки. Другите шест са лептони, три от които са неутрино, а останалите три носят единичен отрицателен заряд: електрон, мюон и тау лептон.

Поколения на частици

Първо поколение	Второ поколение	Трето поколение
Електрон: e−	Мюон: μ −	Тау лептон: τ −
Електронно неутрино: ν e	Мюонно неутрино: ν μ	Тау неутрино: ν τ (\displaystyle \nu _(\tau ))
u-кварк („нагоре“): u	c-кварк („очарован“): c	t-кварк („вярно“): t
d-кварк („надолу“): d	s-кварк („странно“): s	b-кварк („прекрасен“): b

Античастици

Има и 12 фермионни античастици, съответстващи на горните дванадесет частици.

Античастици

Първо поколение	Второ поколение	Трето поколение
позитрон: e+	Положителен мюон: μ +	Положителен тау лептон: τ +
Електронно антинеутрино: ν ¯ e (\displaystyle (\bar (\nu ))_(e))	Мюонно антинеутрино: ν ¯ μ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\mu ))	Тау антинеутрино: ν ¯ τ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\tau ))
u- антични: u ¯ (\displaystyle (\bar (u)))	c- антични: c ¯ (\displaystyle (\bar (c)))	t- антични: t ¯ (\displaystyle (\bar (t)))
d- антични: d ¯ (\displaystyle (\bar (d)))	s- антични: s ¯ (\displaystyle (\bar (s)))	b- антични: b ¯ (\displaystyle (\bar (b)))

Кварки

Кварките и антикварките никога не са били откривани в свободно състояние - това се обяснява с феномена