Particule élémentaire. Une particule élémentaire est la plus petite particule indivisible et sans structure

719. Loi de conservation de la charge électrique

720. Corps ayant des charges électriques de signes différents...

Ils sont attirés l'un par l'autre.

721. Des billes métalliques identiques, chargées de charges opposées q 1 = 4q et q 2 = -8q, ont été mises en contact et écartées à la même distance. Chacune des boules a une charge

q 1 = -2q et q 2 = -2q

723.Une gouttelette ayant une charge positive (+2e) a perdu un électron lorsqu'elle est éclairée. La charge de la goutte est devenue égale

724. Des billes métalliques identiques chargées de charges q 1 = 4q, q 2 = - 8q et q 3 = - 2q ont été mises en contact et écartées à la même distance. Chacune des boules aura une charge

q 1 = - 2q, q 2 = - 2q et q 3 = - 2q

725. Des billes métalliques identiques chargées de charges q 1 = 5q et q 2 = 7q ont été mises en contact et écartées à la même distance, puis les deuxième et troisième billes chargées de charge q 3 = -2q ont été mises en contact et écartées à la même distance. Chacune des boules aura une charge

q 1 = 6q, q 2 = 2q et q 3 = 2q

726. Des billes métalliques identiques chargées de charges q 1 = - 5q et q 2 = 7q ont été mises en contact et écartées à la même distance, puis les deuxième et troisième billes chargées de q 3 = 5q ont été mises en contact et écartées à la même distance. Chacune des boules aura une charge

q 1 =1q, q 2 = 3q et q 3 = 3q

727. Il existe quatre boules métalliques identiques avec des charges q 1 = 5q, q 2 = 7q, q 3 = -3q et q 4 = -1q. Tout d'abord, les charges q 1 et q 2 (1er système de charges) ont été mises en contact et écartées à la même distance, puis les charges q 4 et q 3 (2ème système de charges) ont été mises en contact. Ensuite, ils ont pris une charge chacun des systèmes 1 et 2, les ont mis en contact et les ont éloignés à la même distance. Ces deux boules auront une charge

728. Il existe quatre boules métalliques identiques avec des charges q 1 = -1q, q 2 = 5q, q 3 = 3q et q 4 = -7q. Tout d'abord, les charges q 1 et q 2 (système de charges 1) ont été mises en contact et écartées à la même distance, puis les charges q 4 et q 3 (système de charges 2) ont été mises en contact. Ensuite, ils ont pris une charge chacun des systèmes 1 et 2, les ont mis en contact et les ont éloignés à la même distance. Ces deux boules auront une charge

729.Un atome a une charge positive

Cœur.

730. Huit électrons se déplacent autour du noyau d'un atome d'oxygène. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome d'oxygène est

731. La charge électrique d'un électron est

-1,6 · 10 -19 Cl.

732.La charge électrique d'un proton est

1,6 · 10 -19 Cl.

733.Le noyau d'un atome de lithium contient 3 protons. Si 3 électrons tournent autour du noyau, alors

L'atome est électriquement neutre.

734. Il y a 19 particules dans le noyau du fluor, dont 9 sont des protons. Le nombre de neutrons dans le noyau et le nombre d'électrons dans un atome de fluor neutre

Neutrons et 9 électrons.

735. Si dans un corps le nombre de protons est supérieur au nombre d'électrons, alors le corps dans son ensemble

Chargé positivement.

736. Une gouttelette ayant une charge positive de +3e a perdu 2 électrons pendant l'irradiation. La charge de la goutte est devenue égale

8·10 -19 Cl.

737. Une charge négative dans un atome porte

Coquille.

738. Si un atome d'oxygène se transforme en ion positif, alors il

J'ai perdu un électron.

739.A une grande masse

Ion hydrogène négatif.

740. En raison du frottement, 5·10 10 électrons ont été retirés de la surface de la tige de verre. Charge électrique sur un bâton

(e = -1,6 10 -19 C)

8·10 -9Cl.

741.À la suite du frottement, la tige d'ébonite a reçu 5·10 10 électrons. Charge électrique sur un bâton

(e = -1,6 10 -19 C)

-8·10 -9Cl.

742.La force de l'interaction coulombienne de deux charges électriques ponctuelles lorsque la distance entre elles diminue de 2 fois

Augmentera 4 fois.

743.La force de l'interaction coulombienne de deux charges électriques ponctuelles lorsque la distance entre elles diminue de 4 fois

Augmentera 16 fois.

744. Deux charges électriques ponctuelles agissent l'une sur l'autre selon la loi de Coulomb avec une force de 1N. Si la distance entre eux est augmentée de 2 fois, alors la force de l'interaction coulombienne de ces charges deviendra égale

745.Deux charges ponctuelles agissent l'une sur l'autre avec une force de 1N. Si l'amplitude de chaque charge est multipliée par 4, alors la force de l'interaction coulombienne deviendra égale

746. La force d'interaction entre deux charges ponctuelles est de 25 N. Si la distance entre elles est réduite de 5 fois, alors la force d'interaction de ces charges deviendra égale

747.La force de l'interaction coulombienne de deux charges ponctuelles lorsque la distance entre elles augmente de 2 fois

Diminuera de 4 fois.

748.La force de l'interaction coulombienne de deux charges électriques ponctuelles lorsque la distance entre elles augmente de 4 fois

Diminuera de 16 fois.

749. Formule de la loi de Coulomb

.

750. Si 2 billes métalliques identiques ayant des charges +q et +q sont mises en contact et écartées de la même distance, alors le module de la force d'interaction

Ne changera pas.

751. Si 2 billes métalliques identiques ayant des charges +q et -q, les billes sont mises en contact et écartées de la même distance, alors la force d'interaction

Deviendra égal à 0.

752.Deux charges interagissent dans l'air. S'ils sont placés dans l'eau (ε = 81), sans changer la distance qui les sépare, alors la force de l'interaction coulombienne

Diminuera de 81 fois.

753.La force d'interaction entre deux charges de 10 nC chacune, situées dans l'air à une distance de 3 cm l'une de l'autre, est égale à

()

754. Des charges de 1 µC et 10 nC interagissent dans l'air avec une force de 9 mN à distance

()

755. Deux électrons situés à une distance de 3·10 -8 cm l'un de l'autre se repoussent avec une force ( ; e = - 1,6 10 -19 C)

2,56·10 -9 N.

756. Lorsque la distance de la charge augmente de 3 fois, l'intensité du champ électrique augmente

Diminuera de 9 fois.

757.L'intensité du champ en un point est de 300 N/C. Si la charge est de 1·10 -8 C, alors la distance jusqu'au point

()

758. Si la distance d'une charge ponctuelle créant un champ électrique augmente 5 fois, alors l'intensité du champ électrique

Diminuera de 25 fois.

759.L'intensité du champ d'une charge ponctuelle en un certain point est de 4 N/C. Si la distance de la charge est doublée, la tension deviendra égale à

760.Indiquez la formule de l'intensité du champ électrique dans le cas général.

761.Notation mathématique du principe de superposition des champs électriques

762.Indiquez la formule de l'intensité d'une charge électrique ponctuelle Q

.

763. Module d'intensité du champ électrique au point où se trouve la charge

1·10 -10 C est égal à 10 V/m. La force agissant sur la charge est égale à

1·10 -9N.

765. Si une charge de 4·10 -8 C est distribuée à la surface d'une boule métallique d'un rayon de 0,2 m, alors la densité de charge

2,5·10 -7 C/m2.

766.Dans un champ électrique uniforme dirigé verticalement, il y a un grain de poussière d'une masse de 1,10 -9 g et d'une charge de 3,2·10-17 C. Si la gravité d’un grain de poussière est équilibrée par l’intensité du champ électrique, alors l’intensité du champ est égale à

3·10 5 N/Cl.

767. Aux trois sommets d'un carré de 0,4 m de côté se trouvent des charges positives identiques de 5·10 -9 C chacune. Trouver la tension au quatrième sommet

() 540 N/Cl.

768. Si deux charges valent 5·10 -9 et 6·10 -9 C, de sorte qu'elles se repoussent avec une force de 12·10 -4 N, alors elles sont à distance

768. Si le module d'une charge ponctuelle est réduit de 2 fois et la distance jusqu'à la charge est réduite de 4 fois, alors l'intensité du champ électrique en un point donné

Augmentera 8 fois.

Diminue.

770. Le produit de la charge électronique et du potentiel a la dimension

Énergie.

771.Le potentiel au point A du champ électrique est de 100 V, le potentiel au point B est de 200 V. Le travail effectué par les forces du champ électrique lors du déplacement d'une charge de 5 mC du point A au point B est égal à

-0,5 J.

772. Une particule de charge +q et de masse m, située aux points d'un champ électrique d'intensité E et de potentiel, a une accélération

773.Un électron se déplace dans un champ électrique uniforme le long d’une ligne de tension allant d’un point à potentiel élevé à un point à potentiel plus faible. Sa vitesse est

En augmentant.

774.Un atome qui a un proton dans son noyau perd un électron. Cela crée

Ion hydrogène.

775. Un champ électrique dans le vide est créé par quatre charges positives ponctuelles placées aux sommets d'un carré de côté a. Le potentiel au centre de la place est

776. Si la distance d'une charge ponctuelle diminue de 3 fois, alors le potentiel de champ

Augmentera 3 fois.

777. Lorsqu'une charge électrique ponctuelle q se déplace entre des points avec une différence de potentiel de 12 V, 3 J de travail sont effectués. Dans ce cas, la charge est déplacée

778.La charge q a été déplacée d'un point du champ électrostatique vers un point avec un potentiel. Par laquelle des formules suivantes :

1) 2) ; 3) vous pouvez trouver des frais de déplacement de travail.

779. Dans un champ électrique uniforme d'intensité 2 N/C, une charge de 3 C se déplace le long des lignes de champ à une distance de 0,5 m. Le travail effectué par les forces du champ électrique pour déplacer la charge est égal à

780.Le champ électrique est créé par quatre charges ponctuelles différentes placées aux sommets d'un carré de côté a. Des charges similaires sont situées aux sommets opposés. Le potentiel au centre de la place est

781. La différence de potentiel entre des points situés sur la même ligne de champ à une distance de 6 cm les uns des autres est de 60 V. Si le champ est uniforme, alors sa force est

782.Unité de différence de potentiel

1 V = 1 J/1 C.

783. Laissez la charge se déplacer dans un champ uniforme d'intensité E = 2 V/m le long d'une ligne de champ de 0,2 m. Trouvez la différence entre ces potentiels.

U = 0,4 V.

784.Selon l'hypothèse de Planck, un corps complètement noir émet de l'énergie

En portions.

785. L'énergie des photons est déterminée par la formule

1. E =pс 2. E=hv/c 3. E = h 4. E=mc2. 5. E=hv. 6.E=hc/

1, 4, 5, 6.

786. Si l'énergie d'un quantum a doublé, alors la fréquence du rayonnement

augmenté de 2 fois.

787.Si des photons d'une énergie de 6 eV tombent sur la surface d'une plaque de tungstène, alors l'énergie cinétique maximale des électrons assommés par eux est de 1,5 eV. L'énergie photonique minimale à laquelle l'effet photoélectrique est possible est pour le tungstène égale à :

788. La déclaration suivante est exacte :

1. La vitesse d’un photon est supérieure à la vitesse de la lumière.

2. La vitesse d’un photon dans n’importe quelle substance est inférieure à la vitesse de la lumière.

3. La vitesse d’un photon est toujours égale à la vitesse de la lumière.

4. La vitesse d’un photon est supérieure ou égale à la vitesse de la lumière.

5. La vitesse d’un photon dans n’importe quelle substance est inférieure ou égale à la vitesse de la lumière.

789. Les photons de rayonnement ont une grande impulsion

Bleu.

790. Lorsque la température d'un corps chauffé diminue, l'intensité maximale du rayonnement

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Date de création de la page : 2016-02-13

« Physique - 10e année"

Considérons d’abord le cas le plus simple, celui où les corps chargés électriquement sont au repos.

La branche de l'électrodynamique consacrée à l'étude des conditions d'équilibre des corps chargés électriquement s'appelle électrostatique.

Qu'est-ce qu'une charge électrique ?
Quels sont les frais?

Avec des mots électricité, charge électrique, courant électrique vous vous êtes rencontrés plusieurs fois et avez réussi à vous y habituer. Mais essayez de répondre à la question : « Qu’est-ce qu’une charge électrique ? Le concept lui-même charge- il s'agit d'un concept fondamental et primaire qui ne peut être réduit au niveau actuel de développement de nos connaissances à des concepts élémentaires plus simples.

Essayons d’abord de découvrir ce que signifie l’énoncé : « Ce corps ou cette particule a une charge électrique ».

Tous les corps sont construits à partir des plus petites particules, qui sont indivisibles en particules plus simples et sont donc appelées élémentaire.

Les particules élémentaires ont une masse et de ce fait elles sont attirées les unes vers les autres selon la loi de la gravitation universelle. À mesure que la distance entre les particules augmente, la force gravitationnelle diminue en proportion inverse du carré de cette distance. La plupart des particules élémentaires, mais pas toutes, ont également la capacité d'interagir les unes avec les autres avec une force qui diminue également en proportion inverse du carré de la distance, mais cette force est plusieurs fois supérieure à la force de gravité.

Ainsi, dans l'atome d'hydrogène, représenté schématiquement sur la figure 14.1, l'électron est attiré vers le noyau (proton) avec une force 10 à 39 fois supérieure à la force d'attraction gravitationnelle.

Si les particules interagissent entre elles avec des forces qui diminuent avec l'augmentation de la distance de la même manière que les forces de gravité universelle, mais dépassent plusieurs fois les forces gravitationnelles, alors ces particules sont dites avoir une charge électrique. Les particules elles-mêmes sont appelées accusé.

Il existe des particules sans charge électrique, mais il n’y a pas de charge électrique sans particule.

L'interaction des particules chargées est appelée électromagnétique.

La charge électrique détermine l’intensité des interactions électromagnétiques, tout comme la masse détermine l’intensité des interactions gravitationnelles.

La charge électrique d'une particule élémentaire n'est pas un mécanisme spécial dans la particule qui pourrait en être retirée, décomposée en ses composants et réassemblée. La présence d'une charge électrique sur un électron et d'autres particules signifie uniquement l'existence de certaines interactions de force entre eux.

En substance, nous ne savons rien de la charge si nous ne connaissons pas les lois de ces interactions. La connaissance des lois des interactions devrait être incluse dans nos idées sur la charge. Ces lois ne sont pas simples et il est impossible de les décrire en quelques mots. Il est donc impossible de donner une brève définition suffisamment satisfaisante du concept charge électrique.

Deux signes de charges électriques.

Tous les corps ont une masse et s’attirent donc. Les corps chargés peuvent à la fois s’attirer et se repousser. Ce fait le plus important, qui vous est familier, signifie que dans la nature il existe des particules avec des charges électriques de signes opposés ; dans le cas de charges de même signe, les particules se repoussent, et dans le cas de signes différents, elles s'attirent.

Charge de particules élémentaires - protons, qui font partie de tous les noyaux atomiques, sont appelés positifs, et la charge électrons- négatif. Il n'y a pas de différences internes entre les charges positives et négatives. Si les signes des charges des particules étaient inversés, la nature des interactions électromagnétiques ne changerait pas du tout.

Charge élémentaire.

Outre les électrons et les protons, il existe plusieurs autres types de particules élémentaires chargées. Mais seuls les électrons et les protons peuvent exister indéfiniment à l’état libre. Le reste des particules chargées vit moins d’un millionième de seconde. Ils naissent lors de collisions de particules élémentaires rapides et, ayant existé pendant un temps insignifiant, se désintègrent et se transforment en d'autres particules. Vous vous familiariserez avec ces particules en 11e année.

Les particules qui n'ont pas de charge électrique comprennent neutron. Sa masse n’est que légèrement supérieure à celle d’un proton. Les neutrons, avec les protons, font partie du noyau atomique. Si une particule élémentaire a une charge, alors sa valeur est strictement définie.

Corps chargés Les forces électromagnétiques dans la nature jouent un rôle énorme car tous les corps contiennent des particules chargées électriquement. Les éléments constitutifs des atomes - noyaux et électrons - ont une charge électrique.

L'action directe des forces électromagnétiques entre les corps n'est pas détectée, puisque les corps dans leur état normal sont électriquement neutres.

Un atome de n’importe quelle substance est neutre car le nombre d’électrons qu’il contient est égal au nombre de protons dans le noyau. Les particules chargées positivement et négativement sont reliées entre elles par des forces électriques et forment des systèmes neutres.

Un corps macroscopique est chargé électriquement s’il contient une quantité excessive de particules élémentaires présentant un signe de charge quelconque. Ainsi, la charge négative d’un corps est due au nombre excédentaire d’électrons par rapport au nombre de protons, et la charge positive est due au manque d’électrons.

Afin d'obtenir un corps macroscopique chargé électriquement, c'est-à-dire de l'électrifier, il est nécessaire de séparer une partie de la charge négative de la charge positive qui lui est associée ou de transférer une charge négative vers un corps neutre.

Cela peut être fait en utilisant la friction. Si vous passez un peigne sur cheveux secs, une petite partie des particules chargées les plus mobiles - les électrons - se déplacera des cheveux vers le peigne et les chargera négativement, et les cheveux se chargeront positivement.

Égalité des charges lors de l'électrification

À l'aide de l'expérience, il peut être prouvé que lorsqu'ils sont électrisés par frottement, les deux corps acquièrent des charges de signe opposé, mais de magnitude identique.

Prenons un électromètre, sur la tige duquel se trouve une sphère métallique percée d'un trou, et deux plaques sur de longs manches : l'une en caoutchouc dur et l'autre en plexiglas. En frottant les unes contre les autres, les plaques s'électrifient.

Amenons l'une des plaques à l'intérieur de la sphère sans toucher ses parois. Si la plaque est chargée positivement, certains électrons de l’aiguille et de la tige de l’électromètre seront attirés vers la plaque et collectés sur la surface interne de la sphère. Dans le même temps, la flèche sera chargée positivement et sera repoussée de la tige de l'électromètre (Fig. 14.2, a).

Si vous introduisez une autre plaque à l'intérieur de la sphère, après avoir préalablement retiré la première, alors les électrons de la sphère et de la tige seront repoussés de la plaque et s'accumuleront en excès sur la flèche. Cela entraînera une déviation de la flèche par rapport à la tige, et selon le même angle que dans la première expérience.

Après avoir abaissé les deux plaques à l'intérieur de la sphère, nous ne détecterons aucune déviation de la flèche (Fig. 14.2, b). Cela prouve que les charges des plaques sont égales en grandeur et de signe opposé.

Électrification des corps et ses manifestations. Une électrification importante se produit lors du frottement des tissus synthétiques. Lorsque vous enlevez une chemise en matière synthétique à l'air sec, vous pouvez entendre un crépitement caractéristique. De petites étincelles jaillissent entre les zones chargées des surfaces frottantes.

Dans les imprimeries, le papier est électrifié lors de l’impression et les feuilles se collent les unes aux autres. Pour éviter que cela ne se produise, des dispositifs spéciaux sont utilisés pour drainer la charge. Cependant, l'électrification des corps en contact étroit est parfois utilisée, par exemple dans diverses installations d'électrocopie, etc.

Loi de conservation de la charge électrique.

L'expérience de l'électrification des plaques prouve que lors de l'électrification par friction, une redistribution des charges existantes se produit entre des corps auparavant neutres. Une petite partie des électrons se déplace d’un corps à un autre. Dans ce cas, de nouvelles particules n'apparaissent pas et celles préexistantes ne disparaissent pas.

Quand les corps sont électrisés, loi de conservation de la charge électrique. Cette loi est valable pour un système dans lequel les particules chargées n'entrent pas de l'extérieur et d'où elles ne sortent pas, c'est-à-dire pour système isolé.

Dans un système isolé, la somme algébrique des charges de tous les corps est conservée.

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

où q 1, q 2, etc. sont les charges des corps chargés individuels.

La loi de conservation de la charge a une signification profonde. Si le nombre de particules élémentaires chargées ne change pas, alors le respect de la loi de conservation des charges est évident. Mais les particules élémentaires peuvent se transformer les unes dans les autres, naître et disparaître, donnant vie à de nouvelles particules.

Cependant, dans tous les cas, les particules chargées naissent uniquement par paires avec des charges de même ampleur et de signe opposé ; Les particules chargées ne disparaissent également que par paires, se transformant en particules neutres. Et dans tous ces cas, la somme algébrique des charges reste la même.

La validité de la loi de conservation de la charge est confirmée par l'observation d'un grand nombre de transformations de particules élémentaires. Cette loi exprime l’une des propriétés les plus fondamentales de la charge électrique. La raison de la conservation de la charge est encore inconnue.

Dans l’Univers, chaque corps vit à son rythme, tout comme les particules élémentaires de base. La durée de vie de la plupart des particules élémentaires est assez courte.

Certaines se désintègrent immédiatement après leur naissance, c'est pourquoi on les appelle particules instables.

Après un court laps de temps, ils se désintègrent en éléments stables : protons, électrons, neutrinos, photons, gravitons et leurs antiparticules.

Les microobjets les plus importants de notre espace proche - protons et électrons. Certaines parties éloignées de l'Univers pourraient être constituées d'antimatière ; les particules les plus importantes seront l'antiproton et l'antiélectron (positon).

Au total, plusieurs centaines de particules élémentaires ont été découvertes : proton (p), neutron (n), électron (e -), ainsi que photon (g), mésons pi (p), muons (m), neutrinos de trois types (électron v e, muon v m, avec lepton v t), etc. Evidemment elles apporteront davantage de nouvelles microparticules.

Aspect des particules :

Protons et électrons

L’apparition des protons et des électrons remonte à des temps anciens et leur âge est d’environ dix milliards d’années.

Un autre type de micro-objets qui jouent un rôle important dans la structure de l’espace proche sont les neutrons, qui ont un nom commun avec le proton : les nucléons. Les neutrons eux-mêmes sont instables ; ils se désintègrent environ dix minutes après leur production. Ils ne peuvent être stables que dans le noyau d’un atome. Un grand nombre de neutrons apparaissent constamment dans les profondeurs des étoiles, où naissent les noyaux atomiques des protons.

Neutrino

Dans l’Univers, il y a aussi une naissance constante de neutrinos, semblables à un électron, mais sans charge et de faible masse. En 1936, un type de neutrinos est découvert : les neutrinos muoniques, qui apparaissent lors de la transformation de protons en neutrons, dans les profondeurs des étoiles supermassives et lors de la désintégration de nombreux micro-objets instables. Ils naissent lorsque des rayons cosmiques entrent en collision dans l’espace interstellaire.

Le Big Bang a entraîné la création d’un grand nombre de neutrinos et de neutrinos muoniques. Leur nombre dans l’espace est en constante augmentation car ils ne sont absorbés par pratiquement aucune matière.

Photons

Comme les photons, les neutrinos et les neutrinos du muon remplissent tout l’espace. Ce phénomène est appelé « mer de neutrinos ».
Depuis le Big Bang, il reste un grand nombre de photons, que nous appelons reliques ou fossiles. Tout l’espace extérieur en est rempli et leur fréquence, et donc leur énergie, diminue constamment à mesure que l’Univers s’étend.

Actuellement, tous les corps cosmiques, principalement les étoiles et les nébuleuses, participent à la formation de la partie photonique de l'Univers. Les photons naissent à la surface des étoiles grâce à l’énergie des électrons.

Connexion de particules

Au stade initial de la formation de l’Univers, toutes les principales particules élémentaires étaient libres. À l’époque, il n’y avait ni noyaux atomiques, ni planètes, ni étoiles.

Les atomes, et à partir d'eux les planètes, les étoiles et toutes les substances, se sont formés plus tard, lorsque 300 000 ans se sont écoulés et que la matière chaude s'est suffisamment refroidie lors de son expansion.

Seuls le neutrino, le neutrino muonique et le photon ne sont entrés dans aucun système : leur attraction mutuelle est trop faible. Elles restaient des particules libres.

Même au stade initial de la formation de l'Univers (300 000 ans après sa naissance), des protons et des électrons libres se sont combinés en atomes d'hydrogène (un proton et un électron reliés par une force électrique).

On sait que les « microblocs de construction » de l’Univers sont des protons et des électrons.

Enfin, lorsqu'un proton et un antiproton se rencontrent, aucun système n'apparaît, mais toute leur énergie restante est libérée sous forme de photons ().

Les scientifiques affirment qu’il existe également une particule élémentaire fantomatique, le graviton, qui entraîne une interaction gravitationnelle similaire à l’électromagnétisme. Cependant, la présence du graviton n’a été prouvée que théoriquement.

Ainsi sont apparues les particules élémentaires de base qui représentent désormais notre Univers, y compris la Terre : protons, électrons, neutrinos, photons, gravitons et bien d’autres micro-objets découverts et non découverts.

Ces trois particules (ainsi que d'autres décrites ci-dessous) sont mutuellement attirées et repoussées selon leur des charges, dont il n'en existe que quatre types selon le nombre de forces fondamentales de la nature. Les charges peuvent être classées par ordre décroissant des forces correspondantes comme suit : charge de couleur (forces d'interaction entre quarks) ; charge électrique (forces électriques et magnétiques) ; charge faible (forces dans certains processus radioactifs) ; enfin, la masse (force gravitationnelle, ou interaction gravitationnelle). Le mot « couleur » ici n’a rien à voir avec la couleur de la lumière visible ; c'est simplement une caractéristique d'une charge forte et des forces les plus grandes.

Des charges sont sauvés, c'est à dire. la charge entrant dans le système est égale à la charge qui en sort. Si la charge électrique totale d'un certain nombre de particules avant leur interaction est égale à, disons, 342 unités, alors après l'interaction, quel que soit son résultat, elle sera égale à 342 unités. Ceci s'applique également aux autres charges : couleur (charge d'interaction forte), faible et masse (masse). Les particules diffèrent par leurs charges : en substance, elles « sont » ces charges. Les accusations sont comme un « certificat » du droit de répondre à la force appropriée. Ainsi, seules les particules colorées sont affectées par les forces de couleur, seules les particules chargées électriquement sont affectées par les forces électriques, etc. Les propriétés d’une particule sont déterminées par la plus grande force agissant sur elle. Seuls les quarks sont porteurs de toutes les charges et sont donc soumis à l'action de toutes les forces, parmi lesquelles la couleur domine. Les électrons ont toutes les charges sauf la couleur, et la force dominante pour eux est la force électromagnétique.

Les plus stables par nature sont, en règle générale, les combinaisons neutres de particules dans lesquelles la charge des particules d'un signe est compensée par la charge totale des particules de l'autre signe. Cela correspond à l'énergie minimale de l'ensemble du système. (De la même manière, deux barres magnétiques sont disposées en ligne, le pôle nord de l'un faisant face au pôle sud de l'autre, ce qui correspond à l'énergie minimale du champ magnétique.) La gravité fait exception à cette règle : négative. la masse n'existe pas. Il n’y a pas de corps qui tombent vers le haut.

TYPES DE MATIÈRE

La matière ordinaire est formée d'électrons et de quarks, regroupés en objets de couleur neutre puis de charge électrique. Le pouvoir chromatique est neutralisé, comme cela sera discuté plus en détail ci-dessous, lorsque les particules sont combinées en triplets. (D'où le terme « couleur » lui-même, tiré de l'optique : trois couleurs primaires lorsqu'elles sont mélangées produisent du blanc.) Ainsi, les quarks pour lesquels la force de couleur est la principale forment des triplets. Mais les quarks, et ils sont divisés en toi-quarks (de l'anglais up - top) et d-les quarks (de l'anglais down - bottom), possèdent également une charge électrique égale à toi-quark et pour d-quark. Deux toi-quark et un d-les quarks donnent une charge électrique de +1 et forment un proton, et un toi-quark et deux d-les quarks ne donnent aucune charge électrique et forment un neutron.

Les protons et les neutrons stables, attirés les uns vers les autres par les forces de couleur résiduelles d'interaction entre leurs quarks constitutifs, forment un noyau atomique de couleur neutre. Mais les noyaux portent une charge électrique positive et, attirant les électrons négatifs qui gravitent autour du noyau comme les planètes en orbite autour du Soleil, ont tendance à former un atome neutre. Les électrons sur leurs orbites sont éloignés du noyau à des distances des dizaines de milliers de fois supérieures au rayon du noyau, ce qui prouve que les forces électriques qui les retiennent sont bien plus faibles que les forces nucléaires. Grâce au pouvoir d'interaction des couleurs, 99,945 % de la masse d'un atome est contenue dans son noyau. Poids toi- Et d-les quarks ont environ 600 fois la masse d'un électron. Les électrons sont donc beaucoup plus légers et mobiles que les noyaux. Leur mouvement dans la matière est provoqué par des phénomènes électriques.

Il existe plusieurs centaines de variétés naturelles d'atomes (y compris les isotopes), qui diffèrent par le nombre de neutrons et de protons dans le noyau et, par conséquent, par le nombre d'électrons sur leurs orbites. Le plus simple est l’atome d’hydrogène, constitué d’un noyau en forme de proton et d’un seul électron tournant autour de lui. Toute matière « visible » dans la nature est constituée d’atomes et d’atomes partiellement « désassemblés », appelés ions. Les ions sont des atomes qui, après avoir perdu (ou gagné) plusieurs électrons, sont devenus des particules chargées. La matière composée presque entièrement d’ions est appelée plasma. Les étoiles qui brûlent en raison de réactions thermonucléaires se produisant dans les centres sont principalement constituées de plasma, et puisque les étoiles sont la forme de matière la plus courante dans l'Univers, nous pouvons dire que l'Univers entier est principalement constitué de plasma. Plus précisément, les étoiles sont principalement constituées d’hydrogène gazeux entièrement ionisé, c’est-à-dire un mélange de protons et d'électrons individuels, et par conséquent, presque tout l'Univers visible en est constitué.

C'est de la matière visible. Mais il existe aussi de la matière invisible dans l’Univers. Et il existe des particules qui agissent comme vecteurs de force. Il existe des antiparticules et des états excités de certaines particules. Tout cela conduit à une abondance manifestement excessive de particules « élémentaires ». Dans cette abondance, on peut trouver une indication sur la véritable nature des particules élémentaires et des forces qui agissent entre elles. Selon les théories les plus récentes, les particules pourraient être essentiellement des objets géométriques étendus – des « cordes » dans un espace à dix dimensions.

Le monde invisible.

Il n’y a pas que de la matière visible dans l’Univers (mais aussi des trous noirs et de la « matière noire », comme les planètes froides qui deviennent visibles lorsqu’elles sont éclairées). Il existe également une matière véritablement invisible qui imprègne chacun de nous et l’Univers tout entier à chaque seconde. Il s'agit d'un gaz se déplaçant rapidement et composé de particules d'un seul type : les neutrinos électroniques.

Un neutrino électronique est le partenaire d'un électron, mais n'a pas de charge électrique. Les neutrinos ne portent qu'une charge dite faible. Leur masse au repos est, selon toute vraisemblance, nulle. Mais ils interagissent avec le champ gravitationnel car ils possèdent de l’énergie cinétique. E, qui correspond à la masse effective m, selon la formule d'Einstein E = MC 2 où c- vitesse de la lumière.

Le rôle clé du neutrino est de contribuer à la transformation Et-quarks dans d-quarks, à la suite desquels un proton se transforme en neutron. Les neutrinos agissent comme « l'aiguille du carburateur » pour les réactions de fusion stellaire, dans lesquelles quatre protons (noyaux d'hydrogène) se combinent pour former un noyau d'hélium. Mais comme le noyau d'hélium n'est pas constitué de quatre protons, mais de deux protons et de deux neutrons, pour une telle fusion nucléaire, il faut que deux Et-quarks transformés en deux d-quark. L’intensité de la transformation détermine la rapidité avec laquelle les étoiles brûleront. Et le processus de transformation est déterminé par des charges faibles et des forces d’interaction faibles entre les particules. Où Et-quark (charge électrique +2/3, charge faible +1/2), interagissant avec un électron (charge électrique - 1, charge faible –1/2), forme d-quark (charge électrique –1/3, charge faible –1/2) et neutrino électronique (charge électrique 0, charge faible +1/2). Les charges de couleur (ou simplement les couleurs) des deux quarks s'annulent au cours de ce processus sans le neutrino. Le rôle du neutrino est d’emporter la charge faible non compensée. Par conséquent, le taux de transformation dépend de la faiblesse des forces faibles. Si elles étaient plus faibles qu’elles ne le sont, les étoiles ne brûleraient pas du tout. Si elles étaient plus fortes, les étoiles auraient brûlé depuis longtemps.

Et les neutrinos ? Parce que ces particules interagissent extrêmement faiblement avec d’autres matières, elles quittent presque immédiatement les étoiles dans lesquelles elles sont nées. Toutes les étoiles brillent en émettant des neutrinos, et les neutrinos brillent à travers notre corps et la Terre entière jour et nuit. Alors ils errent dans l'Univers jusqu'à ce qu'ils entrent, peut-être, dans une nouvelle interaction STAR).

Porteurs d'interactions.

Qu’est-ce qui cause les forces agissant entre les particules à distance ? La physique moderne répond : grâce à l’échange d’autres particules. Imaginez deux patineurs de vitesse lançant une balle. En donnant un élan au ballon lorsqu'il est lancé et en recevant un élan avec le ballon reçu, les deux reçoivent une poussée dans une direction opposée l'un à l'autre. Cela peut expliquer l'émergence de forces répulsives. Mais dans la mécanique quantique, qui considère les phénomènes du micromonde, des étirements et des délocalisations inhabituels des événements sont autorisés, ce qui conduit à ce qui semble impossible : l'un des patineurs lance la balle dans la direction depuis différent, mais celui-là quand même Peut être attrape cette balle. Il n’est pas difficile d’imaginer que si cela était possible (et c’est possible dans le monde des particules élémentaires), une attirance naîtrait entre les patineurs.

Les particules, en raison de l'échange desquelles les forces d'interaction entre les quatre « particules de matière » évoquées ci-dessus, sont appelées particules de jauge. Chacune des quatre interactions – forte, électromagnétique, faible et gravitationnelle – possède son propre ensemble de particules de jauge. Les particules porteuses de l'interaction forte sont les gluons (il n'y en a que huit). Un photon est porteur d’interaction électromagnétique (il n’y en a qu’un, et nous percevons les photons comme de la lumière). Les particules porteuses de l'interaction faible sont des bosons vecteurs intermédiaires (ils ont été découverts en 1983 et 1984). W + -, W- - bosons et neutre Z-boson). La particule porteuse de l’interaction gravitationnelle est le graviton, encore hypothétique (il ne devrait y en avoir qu’un). Toutes ces particules, à l'exception du photon et du graviton, qui peuvent parcourir des distances infinies, n'existent que dans le processus d'échange entre particules matérielles. Les photons remplissent l'Univers de lumière et les gravitons remplissent l'Univers d'ondes gravitationnelles (pas encore détectées de manière fiable).

Une particule capable d’émettre des particules de jauge est dite entourée d’un champ de forces correspondant. Ainsi, les électrons capables d’émettre des photons sont entourés de champs électriques et magnétiques, ainsi que de champs faibles et gravitationnels. Les quarks sont également entourés par tous ces champs, mais aussi par le champ d'interaction forte. Les particules ayant une charge de couleur dans le domaine des forces de couleur sont affectées par la force de couleur. Il en va de même pour les autres forces de la nature. Par conséquent, nous pouvons dire que le monde est constitué de matière (particules matérielles) et de champ (particules de jauge). Plus d’informations à ce sujet ci-dessous.

Antimatière.

Chaque particule possède une antiparticule, avec laquelle la particule peut s'annihiler mutuellement, c'est-à-dire "annihiler", entraînant la libération d'énergie. Cependant, l’énergie « pure » en elle-même n’existe pas ; À la suite de l'annihilation, de nouvelles particules apparaissent (par exemple des photons) qui emportent cette énergie.

Dans la plupart des cas, une antiparticule a des propriétés opposées à la particule correspondante : si une particule se déplace vers la gauche sous l'influence de champs forts, faibles ou électromagnétiques, alors son antiparticule se déplacera vers la droite. En bref, l'antiparticule a des signes opposés à toutes les charges (sauf la charge de masse). Si une particule est composite, comme un neutron, alors son antiparticule est constituée de composants ayant des signes de charges opposés. Ainsi, un antiélectron a une charge électrique de +1, une charge faible de +1/2 et est appelé positron. L'antineutron est constitué de Et-antiquarks avec charge électrique –2/3 et d-antiquarks avec charge électrique +1/3. Les vraies particules neutres sont leurs propres antiparticules : l'antiparticule d'un photon est un photon.

Selon les concepts théoriques modernes, chaque particule existant dans la nature devrait avoir sa propre antiparticule. Et de nombreuses antiparticules, dont des positrons et des antineutrons, ont en effet été obtenues en laboratoire. Les conséquences sont extrêmement importantes et sous-tendent toute physique expérimentale des particules. Selon la théorie de la relativité, la masse et l’énergie sont équivalentes et, sous certaines conditions, l’énergie peut être convertie en masse. Puisque la charge est conservée et que la charge du vide (espace vide) est nulle, toutes les paires de particules et d'antiparticules (avec une charge nette nulle) peuvent émerger du vide, comme des lapins sortant du chapeau d'un magicien, tant qu'il y a suffisamment d'énergie pour créer leur masse.

Générations de particules.

Des expériences avec des accélérateurs ont montré que le quatuor de particules matérielles est répété au moins deux fois à des valeurs de masse plus élevées. Dans la deuxième génération, la place de l'électron est prise par le muon (d'une masse environ 200 fois supérieure à la masse de l'électron, mais avec les mêmes valeurs de toutes les autres charges), la place du neutrino électronique est prise par le muon (qui accompagne le muon dans les interactions faibles de la même manière que l'électron est accompagné du neutrino électronique), place Et-quark occupe Avec-quark ( charmé), UN d-quark – s-quark ( étrange). A la troisième génération, le quatuor est constitué d'un lepton tau, d'un neutrino tau, t-quark et b-quark.

Poids t-un quark a environ 500 fois la masse du plus léger – d-quark. Il a été établi expérimentalement qu’il n’existe que trois types de neutrinos légers. Ainsi, la quatrième génération de particules soit n'existe pas du tout, soit les neutrinos correspondants sont très lourds. Cela concorde avec les données cosmologiques selon lesquelles il ne peut exister plus de quatre types de neutrinos légers.

Dans les expériences avec des particules de haute énergie, l'électron, le muon, le lepton tau et les neutrinos correspondants agissent comme des particules isolées. Ils ne portent pas de charge colorée et n’entrent que dans des interactions faibles et électromagnétiques. Collectivement, ils sont appelés leptons.

Les quarks, sous l'influence des forces de couleur, se combinent en particules à forte interaction qui dominent la plupart des expériences de physique des hautes énergies. De telles particules sont appelées hadrons. Ils comprennent deux sous-classes : baryons(comme un proton et un neutron), qui sont constitués de trois quarks, et mésons, composé d'un quark et d'un antiquark. En 1947, le premier méson, appelé pion (ou méson pi), a été découvert dans les rayons cosmiques, et pendant un certain temps, on a cru que l'échange de ces particules était la principale cause des forces nucléaires. Les hadrons oméga-moins, découverts en 1964 au Brookhaven National Laboratory (USA), et la particule JPS ( J./oui-méson), découvert simultanément à Brookhaven et au Stanford Linear Accelerator Center (également aux USA) en 1974. L'existence de la particule oméga moins a été prédite par M. Gell-Mann dans son soi-disant « S.U. 3" (un autre nom est "la voie octuple"), dans laquelle la possibilité de l'existence des quarks a été suggérée pour la première fois (et ce nom leur a été donné). Une décennie plus tard, la découverte de la particule J./oui a confirmé l'existence Avec-quark et a finalement fait croire à tout le monde à la fois au modèle des quarks et à la théorie qui unissait les forces électromagnétiques et faibles ( voir ci-dessous).

Les particules de deuxième et troisième génération ne sont pas moins réelles que la première. Certes, étant apparus, en millionièmes ou milliardièmes de seconde, ils se désintègrent en particules ordinaires de première génération : électron, neutrino électronique, et aussi Et- Et d-quarks. La question de savoir pourquoi il existe plusieurs générations de particules dans la nature reste encore un mystère.

Les différentes générations de quarks et de leptons sont souvent évoquées (ce qui, bien sûr, est quelque peu excentrique) comme différentes « saveurs » de particules. La nécessité de les expliquer s’appelle le problème de la « saveur ».

BOSONS ET FERMIONS, CHAMP ET MATIÈRE

L'une des différences fondamentales entre les particules est la différence entre les bosons et les fermions. Toutes les particules sont divisées en ces deux classes principales. Des bosons identiques peuvent se chevaucher ou se chevaucher, mais pas des fermions identiques. La superposition se produit (ou ne se produit pas) dans les états énergétiques discrets en lesquels la mécanique quantique divise la nature. Ces états sont comme des cellules séparées dans lesquelles des particules peuvent être placées. Ainsi, vous pouvez mettre autant de bosons identiques que vous le souhaitez dans une cellule, mais un seul fermion.

À titre d’exemple, considérons de telles cellules, ou « états », pour un électron en orbite autour du noyau d’un atome. Contrairement aux planètes du système solaire, selon les lois de la mécanique quantique, un électron ne peut circuler sur aucune orbite elliptique ; il n’existe pour lui qu’une série discrète d’« états de mouvement » autorisés. Les ensembles de tels états, regroupés en fonction de la distance entre l'électron et le noyau, sont appelés orbitales. Dans la première orbitale, il y a deux états avec un moment cinétique différent et, par conséquent, deux cellules autorisées, et dans les orbitales supérieures, il y a huit cellules ou plus.

Puisque l’électron est un fermion, chaque cellule ne peut contenir qu’un seul électron. Des conséquences très importantes en découlent - toute la chimie, puisque les propriétés chimiques des substances sont déterminées par les interactions entre les atomes correspondants. Si vous parcourez le système périodique des éléments d'un atome à l'autre dans l'ordre d'augmenter d'un le nombre de protons dans le noyau (le nombre d'électrons augmentera également en conséquence), alors les deux premiers électrons occuperont la première orbitale, les huit suivants seront situés dans le second, etc. Ce changement constant dans la structure électronique des atomes d’un élément à l’autre détermine les modèles de leurs propriétés chimiques.

Si les électrons étaient des bosons, alors tous les électrons d’un atome pourraient occuper la même orbitale, correspondant à l’énergie minimale. Dans ce cas, les propriétés de toute la matière dans l'Univers seraient complètement différentes, et l'Univers sous la forme que nous connaissons serait impossible.

Tous les leptons – électrons, muons, leptons tau et leurs neutrinos correspondants – sont des fermions. On peut en dire autant des quarks. Ainsi, toutes les particules qui forment la « matière », la principale charge de l'Univers, ainsi que les neutrinos invisibles, sont des fermions. C’est assez significatif : les fermions ne peuvent pas se combiner, il en va donc de même pour les objets du monde matériel.

Dans le même temps, toutes les « particules de jauge » qui s’échangent entre particules matérielles en interaction et qui créent un champ de forces ( voir au dessus), sont des bosons, ce qui est également très important. Ainsi, par exemple, plusieurs photons peuvent être dans le même état, formant un champ magnétique autour d’un aimant ou un champ électrique autour d’une charge électrique. Grâce à cela, le laser est également possible.

Rotation.

La différence entre les bosons et les fermions est associée à une autre caractéristique des particules élémentaires : rotation. Étonnamment, toutes les particules fondamentales ont leur propre moment cinétique ou, plus simplement, tournent autour de leur propre axe. L'angle d'impulsion est une caractéristique du mouvement de rotation, tout comme l'impulsion totale du mouvement de translation. Dans toute interaction, le moment cinétique et le moment sont conservés.

Dans le microcosme, le moment cinétique est quantifié, c'est-à-dire prend des valeurs discrètes. Dans les unités de mesure appropriées, les leptons et les quarks ont un spin de 1/2 et les particules de jauge ont un spin de 1 (à l'exception du graviton, qui n'a pas encore été observé expérimentalement, mais qui devrait théoriquement avoir un spin de 2). Puisque les leptons et les quarks sont des fermions et que les particules de jauge sont des bosons, nous pouvons supposer que la « fermionicité » est associée au spin 1/2 et la « bosonicité » est associée au spin 1 (ou 2). En effet, l’expérience et la théorie confirment que si une particule a un spin demi-entier, alors c’est un fermion, et si elle a un spin entier, alors c’est un boson.

THÉORIES ET GÉOMÉTRIE DES JAUGES

Dans tous les cas, les forces résultent de l’échange de bosons entre fermions. Ainsi, la force colorée d'interaction entre deux quarks (quarks - fermions) résulte de l'échange de gluons. Un échange similaire se produit constamment entre les protons, les neutrons et les noyaux atomiques. De même, les photons échangés entre les électrons et les quarks créent les forces d’attraction électrique qui retiennent les électrons dans l’atome, et les bosons vecteurs intermédiaires échangés entre les leptons et les quarks créent les forces faibles responsables de la conversion des protons en neutrons lors des réactions thermonucléaires dans les étoiles.

La théorie derrière cet échange est élégante, simple et probablement correcte. On l'appelle théorie de la jauge. Mais à l’heure actuelle, il n’existe que des théories de jauge indépendantes sur les interactions fortes, faibles et électromagnétiques et une théorie de jauge similaire, bien que quelque peu différente, de la gravité. L'un des problèmes physiques les plus importants est la réduction de ces théories individuelles en une théorie unique et en même temps simple, dans laquelle elles deviendraient toutes des aspects différents d'une même réalité - comme les faces d'un cristal.

La théorie de jauge la plus simple et la plus ancienne est la théorie de jauge de l’interaction électromagnétique. Dans celui-ci, la charge d'un électron est comparée (calibrée) avec la charge d'un autre électron éloigné de lui. Comment comparer les tarifs ? Vous pouvez par exemple rapprocher le deuxième électron du premier et comparer leurs forces d’interaction. Mais la charge d’un électron ne change-t-il pas lorsqu’il se déplace vers un autre point de l’espace ? La seule façon de vérifier est d’envoyer un signal d’un électron proche à un électron lointain et de voir comment il réagit. Le signal est une particule de jauge – un photon. Pour pouvoir tester la charge sur des particules distantes, un photon est nécessaire.

Mathématiquement, cette théorie est extrêmement précise et belle. Du « principe de jauge » décrit ci-dessus découle toute l’électrodynamique quantique (théorie quantique de l’électromagnétisme), ainsi que la théorie du champ électromagnétique de Maxwell – l’une des plus grandes réalisations scientifiques du XIXe siècle.

Pourquoi un principe aussi simple est-il si fructueux ? Apparemment, il exprime une certaine corrélation entre différentes parties de l’Univers, permettant d’effectuer des mesures dans l’Univers. En termes mathématiques, le champ est interprété géométriquement comme la courbure d’un espace « interne » concevable. Mesurer la charge consiste à mesurer la « courbure interne » totale autour de la particule. Les théories de jauge des interactions fortes et faibles diffèrent de la théorie de jauge électromagnétique uniquement par la « structure » géométrique interne de la charge correspondante. La question de savoir où se trouve exactement cet espace interne devrait être résolue par les théories multidimensionnelles des champs unifiés, qui ne sont pas abordées ici.

La physique des particules n'est pas encore terminée. Il est encore loin de savoir si les données disponibles sont suffisantes pour comprendre pleinement la nature des particules et des forces, ainsi que la véritable nature et dimension de l’espace et du temps. Avons-nous besoin pour cela d'expériences avec des énergies de 10 à 15 GeV, ou l'effort de réflexion sera-t-il suffisant ? Pas de réponse pour l'instant. Mais nous pouvons affirmer avec certitude que la photo finale sera simple, élégante et belle. Il est possible qu'il n'y ait pas autant d'idées fondamentales : le principe de jauge, les espaces de dimensions supérieures, l'effondrement et l'expansion et, surtout, la géométrie.

Une pénétration plus poussée dans les profondeurs du micromonde est associée au passage du niveau des atomes au niveau des particules élémentaires. Comme première particule élémentaire à la fin du XIXe siècle. l'électron a été découvert, puis dans les premières décennies du 20e siècle. – photon, proton, positron et neutron.

Après la Seconde Guerre mondiale, grâce à l'utilisation de technologies expérimentales modernes, et surtout de puissants accélérateurs, dans lesquels sont créées des conditions de hautes énergies et de vitesses énormes, l'existence d'un grand nombre de particules élémentaires a été établie - plus de 300. Parmi elles il y a à la fois des découvertes expérimentales et des calculs théoriques, y compris les résonances, les quarks et les particules virtuelles.

Terme particule élémentaire signifiait à l'origine les particules les plus simples et les plus indécomposables qui sont à la base de toute formation matérielle. Plus tard, les physiciens ont compris toute la convention du terme « élémentaire » en relation avec les microobjets. Il ne fait aucun doute que les particules ont une structure ou une autre, mais le nom historiquement établi continue néanmoins d'exister.

Les principales caractéristiques des particules élémentaires sont la masse, la charge, la durée de vie moyenne, le spin et les nombres quantiques.

Masse de repos les particules élémentaires sont déterminées par rapport à la masse au repos de l'électron. Il existe des particules élémentaires qui n'ont pas de masse au repos - photons. Les particules restantes selon ce critère sont divisées en leptons– les particules légères (électrons et neutrinos) ; mésons– des particules moyennes d'une masse allant de une à mille masses électroniques ; baryons– des particules lourdes dont la masse dépasse mille masses électroniques et qui comprennent des protons, des neutrons, des hypérons et de nombreuses résonances.

Charge électrique est une autre caractéristique importante des particules élémentaires. Toutes les particules connues ont une charge positive, négative ou nulle. Chaque particule, à l'exception du photon et des deux mésons, correspond à des antiparticules de charges opposées. Vers 1963-1964 une hypothèse a été avancée sur l'existence quarks– des particules avec une charge électrique fractionnaire. Cette hypothèse n'a pas encore été confirmée expérimentalement.

Par durée de vie les particules sont divisées en écurie Et instable . Il existe cinq particules stables : le photon, deux types de neutrinos, l'électron et le proton. Ce sont les particules stables qui jouent le rôle le plus important dans la structure des macrocorps. Toutes les autres particules sont instables, elles existent pendant environ 10 -10 -10 -24 s, après quoi elles se désintègrent. Les particules élémentaires ayant une durée de vie moyenne de 10-23-10-22 s sont appelées résonances. En raison de leur courte durée de vie, ils se désintègrent avant même de quitter l’atome ou le noyau atomique. Les états de résonance ont été calculés théoriquement ; ils n’ont pas pu être détectés dans des expériences réelles.

Outre la charge, la masse et la durée de vie, les particules élémentaires sont également décrites par des concepts qui n'ont pas d'analogue en physique classique : le concept dos . Le spin est le moment cinétique intrinsèque d'une particule qui n'est pas associé à son mouvement. Le spin est caractérisé par nombre quantique de spin s, qui peut prendre des valeurs entières (±1) ou demi-entières (±1/2). Particules à spin entier – bosons, avec un demi-entier – fermions. Les électrons sont classés comme fermions. Selon le principe de Pauli, un atome ne peut pas avoir plus d'un électron avec le même ensemble de nombres quantiques. n,m,je,s. Les électrons, qui correspondent aux fonctions d'onde de même nombre n, sont très proches en énergie et forment une couche électronique dans l'atome. Les différences dans le nombre l déterminent la « sous-couche », les nombres quantiques restants déterminent son remplissage, comme mentionné ci-dessus.

Dans les caractéristiques des particules élémentaires, il y a une autre idée importante interaction. Comme indiqué précédemment, quatre types d'interactions entre particules élémentaires sont connus : gravitationnel,faible,électromagnétique Et fort(nucléaire).

Toutes les particules ayant une masse au repos ( m 0), participent à l’interaction gravitationnelle, et les chargés participent également à l’interaction électromagnétique. Les leptons participent également aux interactions faibles. Les hadrons participent aux quatre interactions fondamentales.

Selon la théorie quantique des champs, toutes les interactions sont réalisées grâce à l'échange particules virtuelles , c'est-à-dire des particules dont l'existence ne peut être jugée qu'indirectement, par certaines de leurs manifestations à travers certains effets secondaires ( vraies particules peuvent être directement enregistrés à l’aide d’instruments).

Il s'avère que les quatre types d'interactions connus - gravitationnelle, électromagnétique, forte et faible - ont une nature de jauge et sont décrits par des symétries de jauge. Autrement dit, toutes les interactions sont, pour ainsi dire, faites « à partir du même blanc ». Cela nous donne l'espoir qu'il sera possible de trouver « la seule clé de tous les verrous connus » et de décrire l'évolution de l'Univers à partir d'un état représenté par un seul superchamp supersymétrique, à partir d'un état dans lequel les différences entre les types d'interactions, entre toutes sortes de particules de matière et les quanta de champ ne sont pas encore apparus.

Il existe de nombreuses façons de classer les particules élémentaires. Par exemple, les particules sont divisées en fermions (particules de Fermi) - particules de matière et bosons (particules de Bose) - quanta de champ.

Selon une autre approche, les particules sont divisées en 4 classes : photons, leptons, mésons, baryons.

Photons (quanta de champ électromagnétique) participent aux interactions électromagnétiques, mais n'ont pas d'interactions fortes, faibles ou gravitationnelles.

Leptons tire son nom du mot grec jeeptos- facile. Il s'agit notamment de particules qui n'ont pas d'interaction forte : les muons (μ – , μ +), les électrons (е – , у +), les neutrinos électroniques (v e – ,v e +) et les neutrinos muoniques (v – m, v + m). Tous les leptons ont un spin de ½ et sont donc des fermions. Tous les leptons ont une interaction faible. Ceux qui ont une charge électrique (c'est-à-dire les muons et les électrons) ont également une force électromagnétique.

Mésons – des particules instables en interaction forte qui ne portent pas la charge dite baryonique. Parmi eux se trouve R.-mésons, ou pions (π + , π – , π 0), À-mésons, ou kaons (K +, K –, K 0), et ce-mésons (η) . Poids À-les mésons sont ~ 970me (494 MeV pour les chargés et 498 MeV pour les neutres À-mésons). Durée de vie À-les mésons ont une magnitude de l'ordre de 10 –8 s. Ils se désintègrent pour former je-mésons et leptons ou uniquement leptons. Poids ce-mésons est de 549 MeV (1074me), la durée de vie est d'environ 10 à 19 s. Ce-les mésons se désintègrent pour former des mésons π et des photons γ. Contrairement aux leptons, les mésons ont non seulement une interaction faible (et, s'ils sont chargés, électromagnétique), mais également une interaction forte, qui se manifeste lorsqu'ils interagissent entre eux, ainsi que lors de l'interaction entre mésons et baryons. Tous les mésons ont un spin nul, ce sont donc des bosons.

Classe baryons combine des nucléons (p,n) et des particules instables de masse supérieure à la masse des nucléons, appelées hypérons. Tous les baryons ont une forte interaction et interagissent donc activement avec les noyaux atomiques. Le spin de tous les baryons est ½, donc les baryons sont des fermions. A l'exception du proton, tous les baryons sont instables. Lors de la désintégration des baryons, avec d'autres particules, un baryon se forme nécessairement. Ce modèle est l'une des manifestations loi de conservation de la charge baryonique.

En plus des particules énumérées ci-dessus, un grand nombre de particules à vie courte en interaction forte ont été découvertes, appelées résonances . Ces particules sont des états résonants formés de deux ou plusieurs particules élémentaires. La durée de vie de résonance est seulement de ~ 10 –23 –10 –22 s.

Les particules élémentaires, ainsi que les microparticules complexes, peuvent être observées grâce aux traces qu'elles laissent lors de leur passage dans la matière. La nature des traces permet de juger du signe de la charge de la particule, de son énergie, de son élan, etc. Les particules chargées provoquent une ionisation des molécules tout au long de leur parcours. Les particules neutres ne laissent pas de traces, mais elles peuvent se révéler au moment de la désintégration en particules chargées ou au moment de la collision avec n'importe quel noyau. Par conséquent, les particules neutres sont finalement également détectées par l'ionisation provoquée par les particules chargées qu'elles génèrent.

Particules et antiparticules. En 1928, le physicien anglais P. Dirac réussit à trouver une équation de mécanique quantique relativiste pour l'électron, d'où découlent un certain nombre de conséquences remarquables. Tout d’abord, à partir de cette équation, le spin et la valeur numérique du moment magnétique de l’électron sont obtenus naturellement, sans aucune hypothèse supplémentaire. Ainsi, il s’est avéré que le spin est à la fois une quantité quantique et relativiste. Mais cela n’épuise pas la signification de l’équation de Dirac. Elle a également permis de prédire l’existence de l’antiparticule de l’électron – positron. À partir de l'équation de Dirac, on obtient non seulement des valeurs positives mais également négatives pour l'énergie totale d'un électron libre. Les études de l'équation montrent que pour un moment de particule donné, il existe des solutions à l'équation correspondant aux énergies : .

Entre la plus grande énergie négative (– m e Avec 2) et l'énergie la moins positive (+ m e c 2) il existe un intervalle de valeurs énergétiques qui ne peut pas être réalisé. La largeur de cet intervalle est de 2 m e Avec 2. Par conséquent, deux régions de valeurs propres énergétiques sont obtenues : l'une commence par + m e Avec 2 et s’étend jusqu’à +∞, l’autre part de – m e Avec 2 et s’étend jusqu’à –∞.

Une particule à énergie négative doit avoir des propriétés très étranges. En passant à des états avec de moins en moins d'énergie (c'est-à-dire avec une énergie négative augmentant en ampleur), il pourrait libérer de l'énergie, par exemple, sous forme de rayonnement et, puisque | E| sans contrainte, une particule avec une énergie négative pourrait émettre une quantité d’énergie infiniment grande. Une conclusion similaire peut être tirée de la manière suivante : à partir de la relation E=m e Avec 2, il s'ensuit qu'une particule avec une énergie négative aura également une masse négative. Sous l'influence d'une force de freinage, une particule de masse négative ne doit pas ralentir, mais accélérer, effectuant un travail infiniment important sur la source de la force de freinage. Compte tenu de ces difficultés, il semblerait qu'il serait nécessaire d'admettre que l'état à énergie négative doit être exclu de la considération car conduisant à des résultats absurdes. Cela contredirait cependant certains principes généraux de la mécanique quantique. Dirac a donc choisi une voie différente. Il a proposé que les transitions des électrons vers des états d'énergie négative ne soient généralement pas observées car tous les niveaux disponibles d'énergie négative sont déjà occupés par des électrons.

Selon Dirac, un vide est un état dans lequel tous les niveaux d’énergie négative sont occupés par des électrons et les niveaux d’énergie positive sont libres. Puisque tous les niveaux situés en dessous de la bande interdite sont occupés sans exception, les électrons à ces niveaux ne se révèlent en aucune façon. Si l'un des électrons situés à des niveaux négatifs reçoit de l'énergie E≥ 2m e Avec 2, alors cet électron entrera dans un état d’énergie positive et se comportera de la manière habituelle, comme une particule de masse positive et de charge négative. Cette première particule théoriquement prédite s’appelait le positon. Lorsqu'un positron rencontre un électron, il s'annihile (disparaît) - l'électron passe d'un niveau positif à un niveau négatif vacant. L'énergie correspondant à la différence entre ces niveaux est libérée sous forme de rayonnement. En figue. Sur la figure 4, la flèche 1 représente le processus de création d'une paire électron-positon et la flèche 2 – leur annihilation. Le terme « annihilation » ne doit pas être pris au pied de la lettre. Essentiellement, il ne s’agit pas d’une disparition, mais d’une transformation de certaines particules (électrons et positons) en d’autres (photons γ).

Certaines particules sont identiques à leurs antiparticules (c'est-à-dire qu'elles n'ont pas d'antiparticules). De telles particules sont dites absolument neutres. Ceux-ci incluent le photon, le méson π 0 et le méson η. Les particules identiques à leurs antiparticules ne sont pas capables de s'annihiler. Cela ne signifie toutefois pas qu’elles ne peuvent pas du tout être transformées en d’autres particules.

Si les baryons (c'est-à-dire les nucléons et les hypérons) se voient attribuer une charge baryonique (ou numéro de baryon) DANS= +1, antibaryons – charge baryonique DANS= –1, et toutes les autres particules ont une charge baryonique DANS= 0, alors tous les processus se produisant avec la participation de baryons et d'antibaryons seront caractérisés par la conservation de la charge des baryons, tout comme les processus sont caractérisés par la conservation de la charge électrique. La loi de conservation de la charge du baryon détermine la stabilité du baryon le plus mou, le proton. La transformation de toutes les quantités qui décrivent un système physique, dans lequel toutes les particules sont remplacées par des antiparticules (par exemple, des électrons par des protons et des protons par des électrons, etc.), est appelée charge de conjugaison.

Des particules étranges.À-les mésons et les hypérons ont été découverts dans le cadre des rayons cosmiques au début des années 50 du XXe siècle. Depuis 1953, ils sont produits dans des accélérateurs. Le comportement de ces particules s’est avéré si inhabituel qu’on les a qualifiées d’étranges. Le comportement inhabituel des particules étranges était qu’elles étaient clairement nées en raison de fortes interactions avec un temps caractéristique de l’ordre de 10 à 23 s, et que leur durée de vie s’est avérée être de l’ordre de 10 à 8 à 10 à 10 s. Cette dernière circonstance indique que la désintégration des particules se produit à la suite d'interactions faibles. On ne savait absolument pas pourquoi ces étranges particules vivaient si longtemps. Étant donné que les mêmes particules (mésons π et protons) sont impliquées à la fois dans la création et la désintégration de l'hyperon λ, il était surprenant que le taux (c'est-à-dire la probabilité) des deux processus soit si différent. Des recherches plus approfondies ont montré que des particules étranges naissent par paires. Cela a conduit à l’idée que les interactions fortes ne peuvent pas jouer un rôle dans la désintégration des particules car la présence de deux particules étranges est nécessaire à leur manifestation. Pour la même raison, la création unique de particules étranges s’avère impossible.

Pour expliquer l'interdiction de la production unique de particules étranges, M. Gell-Mann et K. Nishijima ont introduit un nouveau nombre quantique dont la valeur totale, selon leur hypothèse, devrait être conservée dans des interactions fortes. C'est un nombre quantique S a été nommé l'étrangeté de la particule. Dans les interactions faibles, l’étrangeté peut ne pas être préservée. Par conséquent, il n'est attribué qu'à des particules en interaction forte - les mésons et les baryons.

Neutrino. Le neutrino est la seule particule qui ne participe ni aux interactions fortes ni aux interactions électromagnétiques. Hormis l’interaction gravitationnelle, à laquelle participent toutes les particules, les neutrinos ne peuvent prendre part qu’à des interactions faibles.

Pendant longtemps, la différence entre un neutrino et un antineutrino est restée floue. La découverte de la loi de conservation de la parité combinée a permis de répondre à cette question : ils diffèrent par l'hélicité. Sous hélicité une certaine relation entre les directions de l'impulsion est comprise R. et retour S particules. L’hélicité est considérée comme positive si la rotation et la quantité de mouvement vont dans la même direction. Dans ce cas, la direction du mouvement des particules ( R.) et le sens de « rotation » correspondant à la rotation forment une vis à droite. Lorsque la rotation et l'impulsion sont dirigées de manière opposée, l'hélicité sera négative (le mouvement de translation et la « rotation » forment une vis à gauche). Selon la théorie des neutrinos longitudinaux développée par Yang, Lee, Landau et Salam, tous les neutrinos existant dans la nature, quelle que soit leur méthode d'origine, sont toujours complètement polarisés longitudinalement (c'est-à-dire que leur spin est dirigé parallèlement ou antiparallèlement à l'impulsion). R.). Le neutrino a négatif(à gauche) hélicité (correspondant au rapport des directions S Et R., montré sur la fig. 5 (b), antineutrino – hélicité positive (droitier) (a). Ainsi, l’hélicité est ce qui distingue les neutrinos des antineutrinos.

Riz. 5. Schéma d'hélicité des particules élémentaires

Systématique des particules élémentaires. Les modèles observés dans le monde des particules élémentaires peuvent être formulés sous la forme de lois de conservation. De nombreuses lois de ce type se sont déjà accumulées. Certains d’entre eux ne sont pas exacts, mais seulement approximatifs. Chaque loi de conservation exprime une certaine symétrie du système. Lois de conservation de la quantité de mouvement R., moment cinétique L et de l'énergie E refléter les propriétés de symétrie de l'espace et du temps : conservation E est une conséquence de l'homogénéité du temps, de la préservation R. en raison de l'homogénéité de l'espace et de la préservation L– son isotropie. La loi de conservation de la parité est associée à la symétrie entre droite et gauche ( R.-invariance). La symétrie par rapport à la conjugaison des charges (symétrie des particules et des antiparticules) conduit à la conservation de la parité des charges ( AVEC-invariance). Les lois de conservation des charges électriques, baryoniques et leptoniques expriment une symétrie particulière AVEC-les fonctions. Enfin, la loi de conservation du spin isotopique reflète l'isotropie de l'espace isotopique. Le non-respect de l'une des lois de conservation signifie une violation du type de symétrie correspondant dans cette interaction.

Dans le monde des particules élémentaires, la règle suivante s’applique : tout ce qui n'est pas interdit par les lois sur la conservation est autorisé. Ces dernières jouent le rôle de règles d'exclusion régissant l'interconversion des particules. Tout d'abord, notons les lois de conservation de l'énergie, de la quantité de mouvement et de la charge électrique. Ces trois lois expliquent la stabilité de l'électron. De la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement, il s’ensuit que la masse totale au repos des produits de désintégration doit être inférieure à la masse au repos de la particule en décomposition. Cela signifie qu’un électron ne peut se désintégrer qu’en neutrinos et photons. Mais ces particules sont électriquement neutres. Il s’avère donc que l’électron n’a tout simplement personne à qui transférer sa charge électrique, il est donc stable.

Quarks. Il y a tellement de particules dites élémentaires que de sérieux doutes sont apparus quant à leur nature élémentaire. Chacune des particules en interaction forte est caractérisée par trois nombres quantiques additifs indépendants : charge Q, hypercharge U et charge baryonique DANS. À cet égard, l'hypothèse est apparue selon laquelle toutes les particules sont construites à partir de trois particules fondamentales, porteuses de ces charges. En 1964, Gell-Mann et, indépendamment de lui, le physicien suisse Zweig émettent l'hypothèse selon laquelle toutes les particules élémentaires sont construites à partir de trois particules appelées quarks. Ces particules se voient attribuer des nombres quantiques fractionnaires, notamment une charge électrique égale à +⅔ ; –⅓ ; +⅓ respectivement pour chacun des trois quarks. Ces quarks sont généralement désignés par les lettres U,D,S. En plus des quarks, les antiquarks sont considérés ( toi,d,s). À ce jour, 12 quarks sont connus – 6 quarks et 6 antiquarks. Les mésons sont formés d'une paire quark-antiquark et les baryons sont formés de trois quarks. Par exemple, un proton et un neutron sont composés de trois quarks, ce qui rend le proton ou le neutron incolore. En conséquence, trois charges d'interactions fortes sont distinguées - rouge ( R.), jaune ( Oui) et vert ( g).

Chaque quark se voit attribuer le même moment magnétique (μV), dont la valeur n'est pas déterminée théoriquement. Les calculs effectués sur la base de cette hypothèse donnent la valeur du moment magnétique μ p pour le proton = μ kv, et pour un neutron μ n = – ⅔μ carré.

Ainsi, pour le rapport des moments magnétiques, la valeur μ p est obtenue / μn = –⅔, en excellent accord avec la valeur expérimentale.

Fondamentalement, la couleur du quark (comme le signe de la charge électrique) a commencé à exprimer la différence dans la propriété qui détermine l'attraction et la répulsion mutuelles des quarks. Par analogie avec les quanta de champs d'interactions diverses (photons dans les interactions électromagnétiques, R.-mésons en interactions fortes, etc.) des particules qui portaient l'interaction entre quarks ont été introduites. Ces particules ont été nommées gluons. Ils transfèrent la couleur d’un quark à un autre, ce qui permet de maintenir les quarks ensemble. En physique des quarks, l'hypothèse du confinement a été formulée (de l'anglais. confinements– capture) des quarks, selon lequel il est impossible de soustraire un quark du tout. Il ne peut exister que comme élément d’un tout. L’existence des quarks en tant que véritables particules en physique est prouvée de manière fiable.

L'idée des quarks s'est avérée très fructueuse. Elle a permis non seulement de systématiser des particules déjà connues, mais aussi d'en prédire toute une série de nouvelles. La situation qui s'est développée en physique des particules élémentaires n'est pas sans rappeler celle créée en physique atomique après la découverte de la loi périodique en 1869 par D. I. Mendelev. Bien que l'essence de cette loi n'ait été clarifiée qu'environ 60 ans après la création de la mécanique quantique, elle a permis de systématiser les éléments chimiques connus à cette époque et a en outre conduit à prédire l'existence de nouveaux éléments et leurs propriétés. . De la même manière, les physiciens ont appris à systématiser les particules élémentaires, et la taxonomie développée a permis, dans de rares cas, de prédire l'existence de nouvelles particules et d'anticiper leurs propriétés.

Ainsi, à l’heure actuelle, les quarks et les leptons peuvent être considérés comme véritablement élémentaires ; Il y en a 12, ou avec les anti-chatits - 24. De plus, il existe des particules qui fournissent quatre interactions fondamentales (quanta d'interaction). Il existe 13 de ces particules : graviton, photon, W± - et Z-particules et 8 gluons.

Les théories existantes sur les particules élémentaires ne peuvent pas indiquer quel est le début de la série : atomes, noyaux, hadrons, quarks. Dans cette série, chaque structure matérielle plus complexe comprend une structure plus simple comme composant. Apparemment, cela ne peut pas continuer indéfiniment. Il a été supposé que la chaîne décrite de structures matérielles repose sur des objets de nature fondamentalement différente. Il est démontré que de tels objets peuvent ne pas être ponctuels, mais être des formations étendues, quoique extrêmement petites (~ 10 à 33 cm), appelées supercordes. L'idée décrite n'est pas réalisable dans notre espace à quatre dimensions. Ce domaine de la physique est généralement extrêmement abstrait, et il est très difficile de trouver des modèles visuels permettant de simplifier la perception des idées inhérentes aux théories des particules élémentaires. Néanmoins, ces théories permettent aux physiciens d'exprimer la transformation mutuelle et l'interdépendance des micro-objets « les plus élémentaires », leur lien avec les propriétés de l'espace-temps à quatre dimensions. Le plus prometteur est ce qu'on appelle Théorie M (Je viens de mystère- énigme, secret). Elle opère espace à douze dimensions . En fin de compte, lors de la transition vers le monde à quatre dimensions que nous percevons directement, toutes les dimensions « supplémentaires » s’« effondrent ». La théorie M est jusqu'à présent la seule théorie qui permet de réduire quatre interactions fondamentales à une seule - ce qu'on appelle Superpuissance. Il est également important que la théorie M permette l’existence de mondes différents et établisse les conditions qui garantissent l’émergence de notre monde. La théorie M n'est pas encore suffisamment développée. On pense que la finale "théorie du tout" basé sur la théorie M sera construit au 21e siècle.