Open Library - открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Энергетика Адрондар. 1 страница
просмотров - 573

Лептондар.

54 55 56 .Элементар бөлшектер. Элементар бөлшектердің сарапталынуы. Лептондар мен адрондар.Элементар бөлшектердің массалары мен сызықтық мөлшерлері ерекше төмен. Олардың ең ауырларының (мөлшерлегіш бозондардың) массалары жүз протон массасына (1,6×10-25кг) жуық. Тәжірибелœерден анықталған нуклондар мен пиондардың радиустары 10-15м шамалас, ал лептондар мөлшерсіз, нүктелік болып есептелœеді. Элементар бөлшектердің микроскоптық массалары мен мөлшерлері олардың кванттық қылықтарына себеп болады. Элементар бөлшектерге кванттық механикада телінетін, сипаттық толқын ұзындықтары ( - Планк тұрақтысы, m-бөлшектің массасы, с-жарық жылдамдығы), олар өзара әсерлесетін қашықтықтармен мөлшерлес (мысалы, пион үшін ). Демек, олардың қылықтарын кванттық заңдылықтар анықтайды. Элементар бөлшектердің ең маңызды кванттық қасиеті- олардың туу және жоғалу қабылеттері. Бұл тұрғыдан элементар бөлшектер-материяның ерекше кванттары дәлірек айтқанда, сәйкес физикалық өрістердің кванттары. Элементар бөлшектермен өтетін барлық құбылыстар бірінен-бірі кезектесе өтетін олардың жұтылулары мен шығарылуларынан тұрады. Мысалы, екі протонның соқтығысуы кезінде пионның тууын ( ) немесе электрон мен позитронның аннигиляциясы нәтижесінде екі гамма-кванттың түзілуін ( ) тек осы тұрғыдан ғана түсіндіру мүмкін. Тіпті, бөлшектердің серпімді шашырауы да, мысалы, , алғашқы бөлшектердің жоғалып, жаңа бөлшектердің тууымен байланысты. Тұрақсыз элементар бөлшектердің ыдырауы кезінде, ұрпақ бөлшектер бұрын жоқ, ыдырау кезінде ғана пайда болады. Ондай ыдырауларға мысалдар: .Элементар бөлшектер әлемінде құбылыстар әртүрлі қарқынмен өтеді. Осыған сәйкес элементар бөлшектер арасындағы әсерлесулерді бірнеше түрге бөледі; ядролық (күшті), электромагниттік және нәзік. Әринœе, барлық элементар бөлшектер гравитациялық тартылысқа ұшырайды. Бірақ, қазіргі қол жеткізілген қашықтықтар (~10-18м) мен энергиялар (10+12эВ) үшін оның қарқыны тым мардымсыз, оны елœемеуге болады. Лептондартобын ядролық әсерлесуге ұшырамайтын бөлшектер тобы құрады. Қатысатын әсерлесулерден (гравитация,нәзік және электромагниттік) басқа барлық лептондарға бірдей қасиет олардың спиндері. Олардың бәрінің спиндері , демек барлық лептондар фермиондар.Электр зарядының мәніне қарай лептондарды жоғарғы және төменгі лептондарға жіктейді. Жоғарғы лептондардың барлығының электр зарядтары нөлге, ал төменгілерінікі –1-ге тең.Лептондарға тән ішкі кванттық сан-лептондық заряд. Оның мәніне сәйкес лептондарды үш топқа-үрпаққа бөледі. Әр үрпақтың өзіне тән лептондық заряды бар және олар үшін осы лептондық заряд қана бірге, ал қалған екеуі нөлге тең. Мысалы, электрон мен электрондық нейтриноның электрондық лептондық зарядтары , ал мюондық және тау-лептондық зарядтары нөлге тең. Лептондық заряд барлық лептондар қатысатын әсерлесулерде сақталатын, дәл кванттық сан. Лептондар адрондық әсерлесуге қатыспайды, сондықтан оларға адрондарға тән зарядттарды телімеуге болады немесе оларды нөлге тең деп қабылдау керек. Кезкелген элементар бөлшектерге сияқты, әр лептонға сәйкес антибөлшек бар. Оларды сәйкес бөлшектің таңбасының үстіне “~” (тильда) белгісін қою арқылы немесе электр зарядының таңбасын өзгерту арқылы белгілейді. Электронға антибөлшектің дербес позитрон аты бар. Оның таңбасы е+. Электрон тұңғыш ашылған элементар бөлшек және Әлемді құрайтын заттардың құрамына кіретін жалғыз лептон. Оның массасы , электр заряды-1,6×10-19Кл. Электрон қатысатын ең күшті іргелі әсерлесу электромагниттік әсерлесу.

Электронның барлық массасы осы электромагниттік әсерлесудің салдары деп есептеп , оның классикалық деп аталатын радиусын табуға болады. .Бірақ, оның магнит моментінің радиациялық түзетулерді ескеріп есептелген мәндері мен тәжірибелœерде бақыланатын мәндері, радиусы м-ден кіші, нүктелік бөлшек үшін ғана өзара үйлеседі. Электрон фермион, оған спин тән. Классикалық кванттық механикада оған (12.1/) агнит моменті сәйкес келуі керек. Тәжірибелœерде (12.1)магнит моменті бақыланады. Бұл қайшылық 1928-жылы П.А.М.Дирак өзінің электрон үшін релятивтік кванттық теңдеуін құрастырғаннан кейін өзінен-өзі жойылды. Дирак теңдеуінен электронның магнит моментінің дәл (12.1)-дегі мәні шығады. Дирак теңдеуінің ең тамаша қасиеті, жоғарыда аталған, одан импульсы р бөлшек үшін энергияның , АдрондарЖоғарыда атлағандай іргелі әсерлесулердің барлығына душар (яғни ядролық әсерлесуге де ұшырайтын) элементар бөлшектер тобын алрондар дейді. Адрондардың саны лептондардыкінен әлдеқайда көп, жүздеп саналады. Олардың көбісі ядролық әсерлесуге тән 10-22¸10-23с ішінде ыдырайтын резонанстар. Бұл тұрғыдан нық деп санауға болатын бөлшектер саны аздау. Бірақ олардың өзі де ондап саналады. 12.2-кестеде осы нық және нықсымақ бөлшектердің тізімі берілді. Адрондар статистикалық сипаттамаларына сәйкес екі үлкен топқа бөлінеді: мезондар және бариондар. Мезондарға 0 немесе бүтін -қа тең спин тән. Олар-бозондар. Ең жеңіл мезондар Юкава ядролық әсерлесу кванты ретінде ұсынған пиондар ( -мезондар). Алғашқы мезон аты олардың аралық массасына (электрон мен протонның массаларының ортасындағы) байланысты ұсынылған болатын. Қазір кейбір мезондар, протоннан әлдеқайда ауыр. Бариондар деп спиндері жартылай бүтін -қа тең адрондарды атайды. Олардың көбісінің спині -қа тең. Тек кейбір ең ауыр бариондардың спині -қа тең. Резонанстардың спиндері -қа дейін жетеді. Барлық бариондарға бариондық заряд деп аталатын ерекше кванттық санмен анықталатын қасиет тән. Барлық бариондар үшін ол +1-ге, ал антибариондар үшін –1 тең. Мезондардың бариондық зарядттары жоқ немесе 0-ге тең. Нуклоннан ауырырақ бариондарға гиперон деген ат тағылған.Ең жеңіл және тарихи бірінші бақыланған мезондар пиондар ( ). Олардың қасиеттерін зерттеулер пиондардың үшеуінің де сипаттамаларының өзара өте жақын екенін көрсетеді: 1.олар затпен пәрменді әсерлеседі (түзілу және әсерлесу қималары жоғары) 2.олардың массалары бірдей дерлік 3.олардың спиндері мен жұптылықтары бірдей (0-) 4.Зарядталған пиондардың өмірлерінің ұзақтықтары бірдей. Бейтарап пионның өмір сүру уақыты зарядталған пиондардыкінен әлдеқайда аз. Бірақ, ол олардың ядролық әсерлесуге қатысты сипаттамаларынан емес, электромагниттік және нәзік әсерлесулерге қатысты сипаттамаларымен анықталады. Зарядталған пиондардың ыдырауына нәзік әсерлесу, ал бейтарап пионның ыдырауына электромагниттік әсерлесу жауапты.

57. Кварктар. Элементар бөлшектердің кварктік моделі.

1960-жылдары белгілі бөлшектердің массалары 2-3ГэВ-тен аспайтын және кәдімгі бөлшектер мен оғаш адрон-дар ғана белгілі болатын. Оларды u,d,s үш кваркты қолданып құрастыруға болатын. Егер кварктар масса бойынша азғындалған, олардың өзара әсерлесулері бірдей болса, онда квактар үштігі SU(3) тобының іргелік бейнелœенуін (өлшемдігі 3-ке тең) түзеді. Мезондардың құрамына кварк пен антикварк кіреді. Бариондарды кварк-антикварктық үштіктерден құрастыру мүмкін болмай шықты. Бариондарға жартылай бүтін спин тән. Осыдан кварктардың да спиндері жартылай бүтін болуы керек. Олардың спиндері 1/2 деп қабылданған. Осыдан бариондардың құрамындағы кварктардың саны тақ болуы тиіс. Осыдан, барионның құрамына екі барион мен бір антибарион ( ) кіруі керек. Бірақ, екі кварктық және антикварктық триплеттерден құрастыруға болатын мультиплеттер: ( )´3=3+3+6+15=27(12.19) екі триплет, бір секстет пен бір 15-плет табиғатта кездеспейді. Есесіне 3 кварктық триплеттердің көмегімен табиғатта кез-десетін мультиплеттерді ( )´3=27=1+8+8+10(12.20) оңай алуға болады. Бірақ, бұл жағдайда кварктарға бөлшек бариондық және электрлік зарядтар телуге тура келœеді. Осылайша таңдалған кварктардың қасиеттері 12.3-кестеде берілді. Мұндағы кварктардың таңбалары-ағылшынның uр (жоғары, электр зарядына сәйкес), down (төмен) және strange (оғаш) сөздерінің бірінші әріптері . u,d,s-кварктар өзара қош иістерімен айнытылады деп есептелœеді. Кварктардың барлығына 1/2-тең спин мен 1/3-тең бариондық заряд тән. u-кварктың электр заряды +2е/3-ке, ал d және s кварктардың электр зарядтары –е/3-ке тең. u-кварк пен d-кварктың оғаштықтары S=U-B=0, ал оғаш кваркқа S=-1 оғаштық тән. Кварктар үшін де, барлық адрондар сияқты (12.15) формуласы орындалады: (12.15)Сипаттамалары 12.3-кестеде келтірілген кварктардан кезкелген адронды құрастыруға болатынына оңай көз жеткізуге болады. Тағы бір тіркес -кварктарға қатысты толық симметриялы. Ол жеке мультиплет-унитарлық синглет құрады. Бұл бөлшек -мезон делінеді. Векторлық мезондардың құрамы дәл осылай анықталады, тек кварк пен антикварктың спиндері параллель, орбиталық моменттері деп алу керек. кейбір бөлшектердің бірдей кварктардан құрылатыны көрінеді. Екінші жағынан кварктар фермиондар, бір күйде екі кварк болуы мүмкін емес. Осыдан, әр таңбаға ( ) кварктердің үш күйі сәйкес келœеді деп есептелœеді. Әр күй өзара түсімен айнытылады. Кварктардың түстері олардан құрылатын әр адрон түссіз немесе ақ болатындай таңдалады. Осыдан кварк пен антикварктың түсі өзара қарсы (екеуі қосылғанда ақ бөлшек беретіндей) болады. Әр кварктың үш түсі болуы ықтимал: “қызыл”, “көк”, “сары”. Кварктың түсі оның зарядының бір түрі болып есептелœеді. Кварктардың түстік заряды олардың күшті әсерлесу қарқынын анықтайды деп есептелœеді. Табиғатта͵ түстік заряды нөлге тең емес, бақыланатын еркін бөлшек болмайтын сияқты. Түстен басқа кварктарға оның кәдімгі бақыланатын қасиеттерін (изоспин, оғаштық, тәнтілік ж.т.т) анықтайтын бақыланатын зарядтар тән. Оны қош иіс деп атайды. Күшті әсерлесулерде қош иіс сақталады. Қош иіс кварктардың санын анықтайды. Әзірге олардың саны, белгілі адрондардың түрінің саны мен Ұлы Біріктіру теориясына сәйкес алтау болу керек деп есептелœеді. Ұлы біріктіру теориясына сәйкес лептондар мен кварктардың сандары бірдей және олар өзара түрленетін болуы тиіс.

Кванктар да, лептондар сияқты жоғары және төменгі болып жіктелœеді, олардың да үш ұрпағы бар:

Жоғары кварктардың электр зарядтары- 2/3, ал төменгілердікі-1/3 тең.

Қазіргі белгілі кварктардың сипаттамалары 12.6-кестеде берілді.

58. Мөлшерлегіш бозондар.

Мөлшерлегіш ( калибрлегіш ) бозондар – іргелі әсерлесулердің кванттары. Олар бөлшектердің өзара әсерлесулерін қамтамасыз етеді. Бөлшектер әсерлесу барысында осы бозондарды алмастырады. Сонымен қатар, мөлшерлегіш бозондар іргелі әсерлесулердің мөлшерлегіш түрлендірулерге инварианттылығын қамтамасыз ететін мөлшерлегіш өрістердің де кванттары болып табылады. Бақыланатын мөлшерлегіш бозондар электрнәзік әсерлесу кванттары: фотон, және бозондар. Олардың қасиеттері келœесі кестеде тізілген.

Бөлшектер Спин, ћ Масса, Электр заряды q, e Өмір сүру уақыты, с Негізгі ыдырау арналары
Фотон γ Нық  
- бозон < e , μ , τ
- бозон, ≈91 < v ṽ, ,

Мөлшерлегіш бозондар қатарына кварктардың өзара әсерлесуін қамтамасыз ететін глюондар да қосылады. Бірақ, олар да кварктар сияқты еркін күйде байқалмайды. Жалпы, күшті әсерлесу теориясына сәйкес, глюондар спиндері бірге тең, электрбейтарап, массасыз бөлшектер. Үш түрлі түстік зарядты кварктардың әсерлесулерін қамтамасыз ету үшін глюондардың саны сегізге тең болуы керек. Оларда өзара түстік зарядымен айнытылады.

59. Ғарыштық сәулелœердің түрлері.Ғарыштық сәулелœер деп Жер атмосферасы мен бетіне Әлемнің барлық бөліктерінен келіп тиетін және олардың әсерінен Жер атмосферасындатүзілетін зарядты және зарядсыз субатомдық бөлшектер ағынын атайды. Олардың біріншісін - Жерге Әлемнің барлық бөлігінен келœетін нұрларды бірінші реттік, ал екіншілерін – Жер атмосферасында түзілетіндерін екінші реттік ғарыштық сәулелœер дейді.Бірінші реттік ғарыштық сәулелœер ғарыштық кеңістіктік барлық бағытынан бірдей, изотропты келœеді. Күн жүйесіне ғарыштық сәулелœер негізінен жұлдызаралық кеңістікте біздің Галактиканың ішінде жатқан көздерденкелœеді. Олар Галактикалық ғарыштық сәулелœер (ГҒС) деп аталады. Ең жоғары энергиялы ғарыштық бөлшектер Галактикадан тыс жатқан көздерден келœетін болуы керек. Олар мегагалактикалық ғарыштық сәулелœерді (МҒС) құрады. Ғарыштық сәулелœердің құрамында, әринœе, Күндегі қуатты жарқылдардан пайда болатын бөлшектер ағынының –Күндік ғарыштық сәулелœердің (КҒС) де үлесі бар. Жер атмосферасына кірген бірінші реттік ғарыштық сәулелœер ауа атомдарымен және олардың ядроларымен соқтығысып, көптеген екінші реттік бөлшектер ( протондар, электрондар, мезондар, фотондар ж.т.б.) – екінші реттік ғарыштық сәулелœер түзеді.

60. Ғарыштық сәулелœердің құрамы.Ғарыштық сәулелœердің Жер атмосферасына әсерін оның ауаны иондауын бірінші рет 1912 жылы В.Гесс байқады. Иондалу дәрежесінің биіктікпен бірге артуы олардың көздерінің Жерден тыс жататынын куәсі ретінде қабылданды. Ғарыштық сәулелœердің магнит өрісінде бұрылуы олардың зарядталған бөлшектер ағыны екенін көрсетеді. Ғарыштық сәулелœер аса сиретілген газға ұқсас, олардың бөлшектері өзара соқтығыспайды, бірақ затпен және жұлдызаралық және планетарлық кеңістіктердегі электромагниттік өрістермен әсерлеседі. Ғарыштық сәулелœер құрамында әртүрлі атомдар толық иондалған ядролар күйінде ғана кіреді және олар орасан зор кинœетикалық энергияларға Жер атосферасына тиетін ғарыштық сәулелœердің қосынды атомының мардымсыздығына ( 1бөл/ ) қарамастан, олардың энергиясының тығыздығы ( ) жұлдыздардың сәулелік энергиясының жұлдызаралық ортадағы тығыздығымен, жұлдызаралық газдың жылулық қозғалысының энергиясымен, оның турбуленттік қозғалысының кинœетикалық энергиясының тығыздығымен және Галактика магнит өрісінің энергиясының орташа тығыздығымен мөлшерлес.Жер бетіне жақын кеңістікте бақыланатын ғрыштық сәулелœер бөлшектерінің көпшілігінің энергиясы эВ шамасы әне одан жоғары. Бұл энергия Жұлдыздар қойнауларына тән К температураларға тән бөлшектердің бұл ғарыштық бөлшектер энергияны жылулық қозғалыстардан емес, электромагниттік және плазмалық текті арнаулы астрофизикалық процестерден алатынын білдіреді. Ғарыштық сәулелœер- ғарыштық кеңістіктің әртүрлі аймақтарындағы электромагниттік жағдайлар туралы маңызды мәліметтер көзі. Олар энергиялары Е= ағындарының спектрі, қарқыны және анизотропиясытуралы мәліметтер көзі. Бұл мәліметтер ғарыштық нұрлардың көздері мен бөлшектердің үдетілу механизмдерін анықтау үшін өте маңызды. Ғарыштық сәулелœер үдеткіштердің көмегімен қол жеткізу мүмкін емес энергияларға ие бөлшектердің бірден-бір көзі болып қала береді. Бірніші реттік ғарыштық сәулелœердің құрамындағы бөлшектердің 90% протондар, 7% альфа-бөлшектер (гелий ядролары), тек 1%-тей кішкене бөлігін басқа ауырырақ элементтердің ядролары құрайды. соған қарамастан атомдық нөмірлері Z>1 ядролардың үлесіне энергия ағынының жартысы тиеді. Ғарыштық сәулелœердің химиялық құрамы элементтердің Әлемде таралуының орташа мәнімен бірдей дерлік. Тек ғарыштық сәулелœердің құрамында жеңіл (Li, Be, B) және ауыр Z 20 ядролардың үлесі көбірек. Жеңіл Li, Be, B ядроларының саны ауыр ядролардың жұлдызаралық ортаның атомдарының ядроларымен соқтығысу кездерінде жарқыншақталуының салдарынан артатын болуы керек.

61. Ғарыштық сәулелœердің спектрі.Ғарыштық сәулелœердің құрамындағы жеңіл (Z 3-5) ядролардың үлесі мен берилийдің изотоптық құрамынан ғарыштық сәулелœердің көзден Жерге дейінгі өткен жолы мен жүру уақытын анықтайды. Оларға сәйкес ғарыштық сәулелœер Жерге тигенше орта есеппен жыл уақыт ішінде l г/ немесе 3* м жол жүреді.

Ғарыштық сәулелœердің құрамында релятивтік энергиясы электрондар ( ) позитрондар ( ) және кванттар ( ) кездеседі. Ғарыштық сәулелœердің энергияның 1,5 эВ мәніне дейінгі спектрі, энергияның мәні кезінде максимумы мен оның кезінде минимумы бар, біркелкі өзгермейтін қисықпен өрнектелœеді. Күн жүйесінен тыс кеңістіктен ғарыштық сәулелœердің спектрі белгісіз болса да, ғарыштық сәулелœердің қарқынының энергиялар кезінде төмендеуін, күн желі туғызатын, планетаралық магнит өрістің әсерімен түсіндіреді. 10 – 40 МэВ аралықтағы минимум ғарыштық бөлшектердің планетарлық магнитөрісінің біртексіздіктерінде қарқынды шашырауларының әсері болуы мүмкін. Күн желі деп Күннен радиал бағыттарда таралатын магниттелген плазманы айтады. Планетарлық магнит өрісінің сипаттамалары Күннің активтілігінің өзгерісіне сәйкес 11 жылдық периодпен өзгереді. Бұл ғарыштық сәулелœердің қарқыны ғана емес, оның спектрін де өзгертеді. 14.1 – суреттегі спектр Күндік ғарыштық сәулелœердің минимумына сәйкес келœетін, Күннің тыныш мезгілі кезіндегі ғарыштық сулелœерге сәйкес келœеді. Энергияның эВ – тан жоғары мәндері үшін, спектр, дәрежесі , дәрежелік функциямен біркелкі төмендейді. Энергияның эВ мәнінде қисық сынып, одан әрі мәніне сәйкес төмендейді. Энергияның эВ мәнінен бастап спектр жеткілікті зерттелмеген. Дегенмен, қисықтың қайтадан баяуырақ төмендейтігіне меңзеулер байқалады. Энергияның эВ мәндері үшін спектр, бөлшектердің галактикааралық кеңістікте шығып кетуінен, күрт үзілуі тиіс. Аса жоғары энергиялы бөлшектердің ағыны өте сирек: ауданы 10 алаңға эВ бір ғана бөлшек тиеді. Жердің магнит өрісі, оған кірген галактикалық ғарыштық сәулелœерге Лоренц күшімен әсер етіп, оны бастапқы бағытынан бұрады. Берілген ендікке сәйкес келœетін Жер бетіне жақын кеңістікке энергиясы берілген мәннен жоғары бөлшектер ғана ене алады. Бұл құбылыс геомагниттік қырқу деп аталады. Бақылау орнының ендігі неғұрлым кіші болса, соғұрлым геомагниттік қырқу күшті болады. Мысалы, экваторға тік бағытта энергиясы эВ протондар ғана тие алады, ал 51 геомагниттік ендікте Жер бетіне энергиясы эВ протондар ғана жете алады. Галактикалық ғарыштық сәулелœердің құрамындағы бөлшектердің саны энергия өскенде кемиді. Сондықтан, экваторға бөлшектер жоғары ендіктерге қарағанда аз тиеді.