Элементарные частицы в космических лучах (стр. 1 из 4)
Реферат на тему:
"Элементарные частицы в космических лучах"
по дисциплине "Концепции современного естествознания"
Содержание
1. Введение
2. Элементарные частицы
3. Космомикрофизика
4. Космические лучи
5. Заключение
6. Литература
1. Введение
Конец XIX – начало XX века ознаменовались новыми открытиями в области микромира. После открытия рентгеновских лучей и радиоактивности были обнаружены заряженные частицы, приходящие на Землю из космического пространства. Эти частицы были названы космическими лучами.
Датой открытия космических лучей принято считать 1912 год, когда австрийский физик В.Ф. Гесс с помощью усовершенствованного электроскопа измерил скорость ионизации воздуха в зависимости от высоты. Оказалось, что с ростом высоты величина ионизации сначала уменьшается, а затем на высотах свыше 2000 м начинает резко возрастать. Ионизующее излучение, слабо поглощаемое воздухом и увеличивающееся с увеличением высоты, образуется космическими лучами, падающими на границу атмосферы из космического пространства.
Космические лучи представляют собой ядра различных элементов, следовательно, являются заряженными частицами. Наиболее многочисленны в космических лучах ядра атомов водорода и гелия (~85 и ~10 % соответственно). Доля ядер всех остальных элементов таблицы Менделеева не превышает ~ 5 %. Небольшую часть космических лучей составляют электроны и позитроны (менее 1 %).
В процессах, происходящих во Вселенной, КЛ играют важную роль. Плотность энергии КЛ в нашей Галактике составляет ~1 эВ/см3, что сравнимо с плотностями энергий межзвездного газа и галактического магнитного поля.
Элементарные частицы (в буквальном значении этого термина) – это первичные, неделимые частицы, из которых по предложению состоит вся материя. Понятие "элементарные частицы" отражает чаяния ученых найти "первичные сущности", определяющие все известные свойства материального мира. На рубеже XIX и XX вв. были обнаружены мельчайшие носители свойств вещества – молекулы и атомы. Это позволило впервые описать все известные вещества как комбинацию большого числа составляющих частиц – атомов. В дальнейшем были выявлены составные элементы атомов – электроны и ядра. Установлена сложная система самих ядер. В тот период исследований известными представителями элементарных частиц были протон, нейтрон, электрон и фотон – частица электромагнитного поля. Эти четыре частицы тали считаться элементарными, т.к. они служили основами строения вещества и света.
В данной работе я попытаюсь выяснить, что такое элементарные частицы и космические лучи. Я рассмотрю, что они из себя представляют и какую роль играют элементарные частицы в космических лучах.
Для начала нужно понять, что такое элементарные частицы, классифицировать их, выяснить природу космических лучей и понять взаимосвязь между элементарными частицами и космическими лучами.
2. Элементарные частицы
В современной физике термин "элементарные частицы" употребляется не в своем обычном значении чего-то первичного, неразложимого на более простое, а для наименования большой группы мельчайших субъядерных частиц. В эту группу входят протон, нейтрон, электрон, фотон,
- мезон, мюон, нейтрино нескольких типов, так называемые странные частицы (K-мезоны, гипероны), очарованные частицы, промежуточные векторные бозоны и т. д. — всего к настоящему времени известно более 350 частиц, в основном нестабильных. Большинство перечисленных частиц не удовлетворяет обычному определению элементарности, поскольку по современным представлениям они сами являются составными системами. Объединяющий их признак заключается в том, что они представляют форму материи, не ассоциированной в ядра и атомы.Классификация элементарных частиц.
| группа | Названиечастицы | Символ | Заряд, e | Масса покоя, me | Сплин, ħ | Изосплин I | Лептонное число L | Барионное число B | Странность S | Время жизни, с | ||
| частицы | Античаст. | |||||||||||
| Фотоны | Фотон | γ | 0 | 0 | 1 | - | 0 | 0 | 0 | стабилен | ||
| Лептоны | ЭлектронЭлектронное нейтриноноМюонМюонное нейтриноТаонТаонное нейтрино | e-νeµ-νµτ-ντ | e+ν-eµ+νµ-τ+ντ- | 101010 | 10206,8034870 | ½½½½½½ | ------ | +1+1+1+1+1+1 | 000000 | 000000 | СтабиленСтабильно10-6Стабильно10-12? | |
| Мезоны | ПионыКаоныЭта-мезон | π 0π+K0K+ɳ0 | π –K-0K- | 01011 | 264,1273,1974,0966,21074 | 00000 | 11½½- | 00000 | 00000 | 00+1+10 | 10-1610-810-10-10-810-810-19 | |
| Адроны | Барионы | ПротонНейтронГипероны:ЛямбдаСигмаКсиомега | pnλ0Σ0Σ+Σ-Ξ0Ξ-Ω- | p-n-λ-0Σ-0Σ-+Σ--Ξ-0Ξ--Ω-- | 100011011 | 1836,21838,72183233423282343257325863273 | ½½½½½½½½3/2 | ½½0111½½0 | 000000000 | +1+1+1+1+1+1+1+1+1 | 00-1-1-1-1-2-2-3 | Стабилен10-310-1010-2010-1010-1010-1010-1010-10 |
Наиболее важное свойство всех элементарных частиц — способность к взаимным превращениям, т. е. способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Все процессы с элементарными частицами, включая их распады, протекают через последовательность актов поглощения и испускания, в которых непременно выполняются законы сохранения.
Процессы с участием различных элементарных частиц сильно различаются по интенсивности протекания, т. е. по характерным временам и энергиям. В соответствии с этим взаимодействия, в которых они участвуют, феноменологически подразделяют на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие приводит к наиболее прочной связи элементарных частиц; именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в атомных ядрах.
Электромагнитное взаимодействие ответственно за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах и конденсированных средах. Между элементарными частицами это взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле; для его существования наличие электрического заряда у частицы не обязательно. Например, не обладающий электрическим зарядом нейтрон имеет магнитный момент и участвует в электромагнитном взаимодействии.
Слабое взаимодействие проявляется в сравнительно медленно протекающих процессах распада некоторых элементарных частиц и атомных ядер. Например, благодаря слабому взаимодействию свободный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Несмотря на сравнительно малую интенсивность и короткодействие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в устройстве Вселенной. Например, если бы удалось "выключить" слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце, так как был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате которого четыре протона, в конечном счете, синтезируются в ядро
. Этот процесс служит источником энергии Солнца и большинства звезд.Все без исключения частицы участвуют в гравитационном взаимодействии, которое, однако, на субатомных расстояниях порядка 10-13 см и меньше не играет практически никакой роли.
В зависимости от способности к участию в тех иных видах взаимодействий все элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны и лептоны. Андроны наряду сэлектромагнитным и слабым взаимодействиями участвуют в сильном взаимодействии. Лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.
Относительная роль разных видов взаимодействий (сильного, электромагнитного, слабого) в процессах с элементарными частицами зависит от энергии частиц. Поэтому деление взаимодействий на виды в зависимости от интенсивности процессов надежно осуществляется только при не слишком высоких энергиях. В современной физике растет уверенность, что все взаимодействия в природе тесно связаны между собой и по существу являются различными проявлениями некоторого единого поля. Объединение всех взаимодействий остается пока нерешенной задачей физической теории.
Руководящая идея в развитии теории элементарных частиц основана на представлении о внутренних симметриях. Например, сильное взаимодействие симметрично относительно поворотов в абстрактном изотопическом пространстве. Одним из проявлений этой симметрии является зарядовая независимость ядерных сил. Так называемая калибровочная симметрия отвечает тому факту, что некоторые сохраняющиеся величины, называемые "зарядами" (например, электрический заряд) являются одновременно источниками полей, переносящих взаимодействия между частицами, обладающими данным типом "заряда". С каждым типом симметрии в физике связан определенный закон сохранения.
Соображения симметрии приводят к неизбежному выводу о том, что у каждой элементарной частицы существует "двойник" — античастица, которая отличается от частицы только знаком некоторых характеристик взаимодействий (например, электрического заряда, магнитного момента, лептонного и барионного заряда). У некоторых частиц, в частности у фотона, античастица совпадает с самой частицей. Такие частицы называются истинно нейтральными. При встрече частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция.