Реферат: Астрономічні експерименти з дослідження елементарних частинок

Реферат: Астрономічні експерименти з дослідження елементарних частинок

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

ЛУБЕНСЬКА ЗАГАЛЬНООСВІТНЯ ШКОЛА № 1 І-ІІІ СТУПЕНІВ

РЕФЕРАТ

ТЕМА:

Астрономічні експерименти з дослідження елементарних частинок

Виконала: учениця 11-А класу

Сапа Марина

Лубни 2010

Вступ

Елементарні частинки – це первинні частинки, які дальше не розпадаються, з них складається вся матерія. Поняття елементарні частинки сформувалося в тісному зв'язку з встановленням дискретного характеру будови речовини на мікроскопічному рівні. Відкриття на рубежі 19-20 ст. Найдрібніших носіїв властивостей речовини - молекул і атомів - і встановлення того факту, що молекули побудовані із атомів, позволило описати всі відомі речовини як комбінації кінцевого числа структурних складових - атомів . Виявлення в подальшому наявності складових атомів-електронів і ядер , встановлення складної природи ядер , які складаються із двох типів частинок (протонів і нейтронів), дало можливість передбачити, що ланцюжок складових матерії завершиться дискретними безструктурними утвореннями - елементарними частинками. Але не можна впевнено стверджувати, що такі елементарні частинки існують. Протони і нейтрони наприклад, довгий час рахувалися елементарними, а тепер вияснилось, що вони мають складну будову.

Не виключена можливість того, що послідовність структурних складових матерії безкінечна.

Термін “елементарні частинки” частенько використовується в сучасній фізиці для найменування великої групи найдрібніших частинок матерії, які не являються атомами і атомними ядрами (виняток складає ядро атома водню-протон). Як проявили дослідження, ця група частинок дуже велика. Крім згадуваних протона, нейтрона і електрона до неї відносяться: фотон, пімезони, мюони, нейтрино, дивні частинки (К-мезони і гіперони), різноманітні резонанси, “зачаровані” частинки, іпсилон-частинки і важкі лептони-всього більше 350 частинок, в основному нестабільних. Число частинок, що входить в цю групу, продовжує рости, і скоріше всього, необмежено велике. Використання назви “елементарні частинки” до всіх цих частинок має історичні причини і пов'язано з тим періодом досліджень (початок 30-х років 20 ст.), Якщо єдиними представниками даної групи були протон, нейтрон і частинка електромагнітного поля - фотон. Ці чотири частинки тоді рахувалися елементарними , так як вони служили основою для побудови речовини і електромагнітного поля, яке з нею взаємодіє, а складна структура протона і нейтрона не була відома.

Відкриття нових мікроскопічних частинок матерії поступово зруйнувало цю просту картину. Нові відкриті частинки дуже були близькі до перших чотирьох відомих частинок. Спільним для них є те, що вони являються специфічними формами існування матерії , яка не асоціюється в ядра і атоми, тому їх іноді називають “суб'ядерними частинками”. До тих пір, поки кількість таких частинок була не дуже велика, існувала думка, що вони відіграють фундаментальну роль в будові матерії, і їх відносили до елементарних частинок. Зростання кількості суб'ядерних частинок, виявлення у багатьох із них складної будови показало, що вони, як правило, не мають властивості елементарності, але традиційна назва “елементарні частинки ” за ними збереглась.

Короткі історичні відомості

Першою відкритою елементарною частинкою був електрон - носій негативного елементарного електричного заряду в атомах. В 1897 р. Дж. Дж. Томсон встановив, що катодні промені утворені потоком найдрібніших частинок, які були названі електронами. В 1911 р. Е. Резерфорд, пропускаючи альфа-частинки від природного радіоактивного джерела через тонку фольгу різних речовин, вияснив, що позитивний заряд в атомах зосереджений в компактних утвореннях-ядрах, а в 1919 р. Виявив серед частинок, вибитих із атомних ядер, протони-частинки з одиничним позитивним зарядом і масою, в 1840 разів перевищуючи масу електрона. Інша частинка , яка входить до складу ядра, - нейтрон - була відкрита в 1932 р. Дж. Чедвіком під час дослідження взаємодії альфа-частинки з берилієм.

Нейтрон має масу, яка близька до маси протона, але не має електричного заряду.

Відкриттям нейтрону завершилося виявлення частинок - структурних елементів атомів і їх ядер.

Висновок про існування частинки електромагнітного поля фотона бере свій початок із роботи М. Планка (1900 р.) Передбачивши, що енергія електромагнітного випромінювання абсолютно чорного тіла квантована, Планк одержав правильну формулу для діапазону випромінювання. Розвиваючи ідею Планка, А. Ейнштейн (1905 р.) Доказав, що світло в дійсності являється потоком окремих квантів (фотонів), і на цій основі пояснив закономірності фотоефекту. Експериментальні докази існування фотона були дані Р. Мілікеном (1912-1915 рр.)

Комптоном (1922р.) Відкриття нейтрино-частинки, яка майже не взаємодіє з речовиною, веде свій початок від теоретичної здогадки В. Паулі (1930 р.) Експериментально існування нейтрино було доведено лише в 1953 р. (Ф.Райнес і К.Коуен, США).

З 30-х до початку 50-х років вивчення елементарних частинок було тісно пов'язано з дослідженням космічних променів. В 1932р. В складі космічних променів К. Андерсоном було винайдено позитрон-частинку з масою електрона, але з негативним електричним зарядом. Позитрон був першою відкритою античастинкою. Існування позитрона безпосередньо витікало із релятивістської теорії електрона, розвинутої П. Діраком (1928-1931рр.) Незадовго до відкриття позитрона. В 1936 р. Американські фізики К. Андерсон і С. Недермейєр відкрили при дослідженні космічних променів мюони-частинки з масою в 200 мас електрона і дуже близькі до властивостей електрона і позитрона. В 1947 р. Також в космічних променях групою С. Пауела були відкриті p+ и p-мезони з масою в 274 електронні маси, які відіграють важливу роль при взаємодії протонів з нейтронами в ядрах.

Кінець 40-х- початок 50-х рр. 20 ст. Ознаменувалось відкриттям великої групи частинок з незвичайними властивостями , які одержали назву “незвичайних”. Перші частинки цієї групи К+- і К--мезони, L-, S+ -, S- -, X- -гіперони були відкриті в космічних променях, наступні відкриття незвичайних частинок були зроблені на прискорювачах. З початку 50-х р. Прискорювачі перетворилися на основний інструмент для дослідження елементарних частинок. Після введення в експлуатацію протонних прискорювачів з енергіями в мільярди разів позволило відкрити важкі античастинки: антипротон, антинейтрон, антисигма-гіперони. В 1960-х рр. На прискорювачах було відкрито велику кількість нестійких частинок, які отримали назву “резонансів.” Маси більшості резонансів перевищують масу протона.

У 1962 р. Було досліджено, що існують два різних нейтрино: електронне і мюонне. В 1974р. Були знайдені масивні і в той же час відносно стійкі γ-частинки.

Вони тісно пов'язані з новою родиною елементарних частинок - “зачарованих.”

В 1975 р. Були одержані перші відомості про існування важкого аналога електрона і мюона (важкого лептона t). В 1977 р. Були відкриті Ў-частинки з масою порядку десятка протонних мас. Таким чином, за роки, які пройшли після відкриття електрона, було виявлено величезну кількість різноманітних мікрочастинок матерії .

Дослідження елементарних частинок

Велику частину знань про будову матерії на субатомному рівні отримано за даними експериментів на прискорювачах, які дають змогу досліджувати властивості ядер та елементарних частинок у модельованих експериментаторами умовах. Однак є інші можливості одержувати таку інформацію в природних умовах, зокрема, користуючись результатами спостережень у космічному просторі. Ця галузь експериментальної фізики дістала назву неприскорювальна фізика елементарних частинок.

Астрономічні методи досліджень часто використовуються для пошуків різного роду гіпотетичних частинок, передбачених теоретиками, а також для досліджень нестандартних і навіть екзотичних властивостей звичайних частинок. Так, недавно з'явились публікації, присвячені пошуку надзвичайно малого ефективного електричного заряду фотона (у стандартній електродинаміці заряд фотона строго дорівнює нулеві). Вони базуються на припущенні про те, що рухомий заряд у магнітному полі має відхилятися від прямолінійної траєкторії. Завдяки цьому навіть частинка з дуже малим зарядом еγ, що становить мізерну частку від заряду електрона е, подолавши досить велику відстань у міжзоряному магнітному полі (його характерна величина — мікрогауси, на шість порядків менша від поля Землі), може відхилитися на вимірну величину. Оскільки відхилення релятивістської зарядженої частинки в магнітному полі залежить від її енергії, то два заряджені фотони з різною енергією пройдуть різні відстані. Фотон з меншою енергією запізниться відносно фотона з більшою енергією. Дж. Кокконі 1988 р. оцінив максимально припустимий заряд фотона зі спостережуваного розширення імпульсів мілісекундного радіопульсара, що перебуває на другому краю Галактики. Значення заряду фотона дещо уточнив Г. Раффельт 1994 р.

Ще один ефект, що має виникати під час проходження зарядженого фотона крізь магнітне поле, — це розпливання зображень точкових радіоджерел, коли спостереження ведеться в смузі частот зі скінченною шириною. У наш час радіоінтерферомстрія з наддовгою базою (РНДБ) дозволяє розрізняти деталі джерел з кутовим розміром від декількох десятків кутових мікросекунд (pas). Приблизно таким для земного спостерігача був би кутовий розмір сірникової коробки на поверхні Місяця. Мінімальні спостережувані деталі в зображенні точкового джерела, яке світить крізь хаотичне магнітне поле скупчення галактик, ставлять обмеження на максимально припустимий електричний заряд фотона (звичайно, якщо магнітне поле є відомим). За допомогою деяких міркувань авторові цих рядків і С. Б. Попову (ДАІШ, Москва) в 2005 р. удалося оцінити магнітне поле на промені зору для компактного радіоджерела ЗС84 (активного ядра галактики NGC 1275), яке перебуває поблизу центра скупчення в сузір'ї Персея й у якому за допомогою РНДБ-спостережень виявлено окремі деталі розміром -400 pas. Це й дало змогу одержати обмеження на відношення зарядів фотона й електрона (еγ/е < 3x10–33) . Верхньою межею вважається співвідношення |еγ/е|~ 10–35, виведене зі спостережень анізотропії реліктового випромінювання, але воно є модельно залежне (К. Капріні та ін., 2005 p.). Найточніші лабораторні експерименти дають можливість визначити обмеження на заряд фотона на рівні 10–16 е (І. Семертзидис та ін., 2003 p.), що значно поступається астрофізичним оцінкам.

Страницы: 1, 2, 3