Estas tres partículas (así como otras que se describen a continuación) se atraen y se repelen mutuamente según su cargos, que son sólo cuatro tipos según el número de fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las cargas se pueden organizar en orden decreciente de las fuerzas correspondientes de la siguiente manera: carga de color (fuerzas de interacción entre quarks); carga eléctrica (fuerzas eléctricas y magnéticas); carga débil (fuerza en algunos procesos radiactivos); finalmente, masa (fuerza gravitacional o interacción gravitatoria). La palabra "color" aquí no tiene nada que ver con el color de la luz visible; es simplemente una característica de la carga más fuerte y de las fuerzas más grandes.
Cargos persistir, es decir. entrada de carga al sistema igual a la carga saliendo de eso. Si la carga eléctrica total de un cierto número de partículas antes de su interacción es, digamos, 342 unidades, luego de la interacción, independientemente de su resultado, será igual a 342 unidades. Esto también se aplica a otras cargas: color (carga de interacción fuerte), débil y masa (masa). Las partículas difieren en sus cargas: en esencia, "son" estas cargas. Los cargos son, por así decirlo, un “certificado” del derecho a responder a la fuerza correspondiente. Por lo tanto, solo las partículas coloreadas se ven afectadas por las fuerzas del color, solo las partículas cargadas eléctricamente se ven afectadas por las fuerzas eléctricas, y así sucesivamente. Las propiedades de una partícula están determinadas por la mayor fuerza que actúa sobre ella. Sólo los quarks son portadores de todas las cargas y, por tanto, están sujetos a la acción de todas las fuerzas, entre las que predomina el color. Los electrones tienen todas las cargas excepto el color, y la fuerza dominante para ellos es la fuerza electromagnética.
Las más estables de la naturaleza son, por regla general, combinaciones neutras de partículas en las que la carga de las partículas de un signo se compensa con la carga total de las partículas de otro signo. Esto corresponde a la energía mínima de todo el sistema. (De la misma manera, dos imanes de barra se colocan en línea, con el polo norte de uno de ellos mirando hacia Polo Sur otro, que corresponde a la energía mínima del campo magnético.) La gravedad es una excepción a esta regla: no hay masa negativa. No hay cuerpos que se caigan.
TIPOS DE MATERIA
La materia ordinaria se forma a partir de electrones y quarks, agrupados en objetos que son de color neutro y luego de carga eléctrica. La fuerza del color se neutraliza, lo que se discutirá con más detalle a continuación, cuando las partículas se combinan en tripletes. (De ahí el propio término "color", tomado de la óptica: los tres colores primarios, cuando se mezclan, dan el blanco.) Así, los quarks, para los cuales la potencia del color es la principal, forman tripletes. Pero los quarks, y se subdividen en tu-quarks (del inglés up - upper) y D-quarks (del inglés down - lower), también tienen una carga eléctrica igual a tu-quark y para D-cuarc. Dos tu-quark y uno D-quark dan una carga eléctrica +1 y forman un protón, y uno tu-quark y dos D-los quarks dan carga eléctrica cero y forman un neutrón.
Los protones y neutrones estables, atraídos entre sí por las fuerzas de interacción de color residual entre sus quarks constituyentes, forman un núcleo atómico de color neutro. Pero los núcleos llevan una carga eléctrica positiva y, al atraer electrones negativos que giran alrededor del núcleo como los planetas giran alrededor del Sol, tienden a formar un átomo neutro. Los electrones en sus órbitas se separan del núcleo a distancias decenas de miles de veces mayores que el radio del núcleo, evidencia de que las fuerzas eléctricas que los mantienen son mucho más débiles que las nucleares. Debido al poder de interacción de los colores, el 99,945% de la masa de un átomo está encerrada en su núcleo. Peso tu- Y D-los quarks tienen unas 600 veces la masa de un electrón. Por lo tanto, los electrones son mucho más livianos y móviles que los núcleos. Su movimiento en la materia provoca fenómenos eléctricos.
Hay varios cientos variedades naturalesátomos (incluidos los isótopos) que difieren en el número de neutrones y protones en el núcleo y, en consecuencia, en el número de electrones en sus órbitas. El más simple es el átomo de hidrógeno, que consta de un núcleo en forma de protón y un único electrón que gira a su alrededor. Toda la materia "visible" en la naturaleza consiste en átomos y átomos parcialmente "desmontados", que se llaman iones. Los iones son átomos que, habiendo perdido (o ganado) algunos electrones, se han convertido en partículas cargadas. La materia, que consiste casi en un ion, se llama plasma. Las estrellas que se queman debido a las reacciones termonucleares que tienen lugar en los centros están compuestas principalmente de plasma, y dado que las estrellas son la forma de materia más común en el Universo, se puede decir que todo el Universo está compuesto principalmente de plasma. Más precisamente, las estrellas son predominantemente hidrógeno gaseoso completamente ionizado, es decir, una mezcla de protones y electrones individuales, y por lo tanto casi todo el universo visible se compone de él.
Esta es la materia visible. Pero todavía hay materia invisible en el Universo. Y hay partículas que actúan como portadoras de fuerzas. Hay antipartículas y estados excitados de algunas partículas. Todo esto conduce a una abundancia claramente excesiva de partículas "elementales". En esta abundancia, uno puede encontrar una indicación de la naturaleza real y verdadera de las partículas elementales y las fuerzas que actúan entre ellas. De acuerdo con las teorías más recientes, las partículas pueden ser básicamente objetos geométricos extendidos: "cuerdas" en un espacio de diez dimensiones.
Mundo invisible.
No solo hay materia visible en el universo (sino también agujeros negros y "materia oscura" como los planetas fríos que se vuelven visibles cuando se iluminan). También hay una materia verdaderamente invisible que nos impregna a todos y al Universo entero cada segundo. Es un gas de movimiento rápido de un tipo de partículas: los neutrinos electrónicos.
El neutrino electrónico es compañero del electrón, pero no tiene carga eléctrica. Los neutrinos solo llevan la llamada carga débil. Su masa en reposo es, con toda probabilidad, cero. Pero interactúan con el campo gravitatorio, porque tienen energía cinética. mi, que corresponde a la masa efectiva metro, según la fórmula de Einstein mi = mc 2, donde C es la velocidad de la luz.
El papel clave del neutrino es que contribuye a la transformación Y-quarks en D quarks, lo que resulta en la transformación de un protón en un neutrón. El neutrino desempeña el papel de "aguja del carburador" para las reacciones termonucleares estelares, en las que cuatro protones (núcleos de hidrógeno) se combinan para formar un núcleo de helio. Pero como el núcleo de helio no consta de cuatro protones, sino de dos protones y dos neutrones, para tal fusión nuclear es necesario que dos Y-quarks convertidos en dos D-cuarc. La intensidad de la transformación determina qué tan rápido se quemarán las estrellas. Y el proceso de transformación está determinado por cargas débiles y fuerzas de interacción débil entre partículas. Donde Y-quark (carga eléctrica +2/3, carga débil +1/2), interactuando con un electrón (carga eléctrica - 1, carga débil -1/2), forma D-quark (carga eléctrica -1/3, carga débil -1/2) y neutrino electrónico (carga eléctrica 0, carga débil +1/2). Las cargas de color (o simplemente colores) de los dos quarks se anulan en este proceso sin el neutrino. El papel del neutrino es llevarse la carga débil no compensada. Por lo tanto, la tasa de transformación depende de qué tan débiles sean las fuerzas débiles. Si fueran más débiles de lo que son, las estrellas no arderían en absoluto. Si fueran más fuertes, las estrellas se habrían apagado hace mucho tiempo.
Pero, ¿qué pasa con los neutrinos? Dado que estas partículas interactúan extremadamente débilmente con otra materia, abandonan casi inmediatamente las estrellas en las que nacieron. Todas las estrellas brillan emitiendo neutrinos, y los neutrinos resplandecen a través de nuestros cuerpos y de toda la Tierra día y noche. Así deambulan por el Universo, hasta entrar, quizás, en una nueva interacción de la ESTRELLA).
Portadores de interacción.
¿Qué causa las fuerzas que actúan entre partículas a distancia? La física moderna responde: debido al intercambio de otras partículas. Imagina dos patinadores lanzando una pelota. Dando impulso a la pelota al lanzar y recibiendo impulso con la pelota recibida, ambos reciben un empujón en la dirección del otro. Esto puede explicar la aparición de fuerzas repulsivas. Pero en la mecánica cuántica, que considera los fenómenos en el micromundo, se permiten estiramientos y deslocalizaciones inusuales de los eventos, lo que parece conducir a lo imposible: uno de los patinadores lanza la pelota en la dirección desde el otro, pero el uno sin embargo quizás atrapar esta pelota. No es difícil imaginar que si esto fuera posible (y en el mundo de las partículas elementales es posible), habría atracción entre los patinadores.
Las partículas, debido al intercambio del cual surgen fuerzas de interacción entre las cuatro "partículas de materia" discutidas anteriormente, se denominan partículas de calibre. Cada una de las cuatro interacciones (fuerte, electromagnética, débil y gravitacional) tiene su propio conjunto de partículas de calibre. Las partículas portadoras de interacción fuerte son los gluones (solo hay ocho). Un fotón es un portador de interacción electromagnética (es uno, y percibimos los fotones como luz). Las partículas-portadoras de la interacción débil son los bosones vectoriales intermedios (en 1983 y 1984 se descubrieron W + -, W- -bosones y neutro Z-bosón). El portador de partículas de la interacción gravitatoria sigue siendo un gravitón hipotético (debe serlo). Todas estas partículas, excepto el fotón y el gravitón, que pueden viajar distancias infinitamente largas, existen solo en el proceso de intercambio entre partículas materiales. Los fotones llenan el Universo con luz y los gravitones, con ondas gravitacionales (aún no detectadas con certeza).
Se dice que una partícula capaz de emitir partículas de calibre está rodeada por un campo de fuerza apropiado. Así, los electrones capaces de emitir fotones están rodeados de energía eléctrica y campos magnéticos, así como campos débiles y gravitatorios. Los quarks también están rodeados por todos estos campos, pero también por el campo de interacción fuerte. Las partículas con una carga de color en el campo de las fuerzas de color se ven afectadas por la fuerza de color. Lo mismo se aplica a otras fuerzas de la naturaleza. Por lo tanto, podemos decir que el mundo se compone de materia (partículas materiales) y campo (partículas calibre). Más sobre esto a continuación.
Antimateria.
Cada partícula corresponde a una antipartícula, con la cual la partícula puede aniquilarse mutuamente, es decir "aniquilar", como resultado de lo cual se libera energía. Sin embargo, la energía "pura" por sí sola no existe; como resultado de la aniquilación, aparecen nuevas partículas (por ejemplo, fotones) que se llevan esta energía.
Una antipartícula en la mayoría de los casos tiene propiedades opuestas con respecto a la partícula correspondiente: si una partícula se mueve hacia la izquierda bajo la acción de campos fuertes, débiles o electromagnéticos, entonces su antipartícula se moverá hacia la derecha. En resumen, la antipartícula tiene signos opuestos de todas las cargas (excepto la carga de masa). Si la partícula es compuesta, como, por ejemplo, el neutrón, entonces su antipartícula consta de componentes con signos opuestos cargos Así, un antielectrón tiene una carga eléctrica de +1, una carga débil de +1/2 y se llama positrón. El antineutrón está formado por Y-antiquarks con carga eléctrica –2/3 y D-antiquarks con carga eléctrica +1/3. Las partículas verdaderamente neutras son sus propias antipartículas: la antipartícula del fotón es el fotón.
Según los conceptos teóricos modernos, cada partícula que existe en la naturaleza debe tener su propia antipartícula. Y muchas antipartículas, incluidos los positrones y los antineutrones, se obtuvieron de hecho en el laboratorio. Las consecuencias de esto son excepcionalmente importantes y subyacen a toda la física experimental de las partículas elementales. De acuerdo con la teoría de la relatividad, la masa y la energía son equivalentes y, bajo ciertas condiciones, la energía se puede convertir en masa. Dado que la carga se conserva, y la carga del vacío (espacio vacío) cero, del vacío, como conejos del sombrero de un mago, puede surgir cualquier par de partículas y antipartículas (con carga total cero), siempre que la energía sea suficiente para crear su masa.
Generaciones de partículas.
Los experimentos con aceleradores han demostrado que el cuádruple (cuarteto) de partículas materiales se repite al menos dos veces a más valores altos masas. En la segunda generación, el lugar del electrón lo ocupa el muón (con una masa unas 200 veces mayor que la masa del electrón, pero con los mismos valores de todas las demás cargas), el lugar del neutrino electrónico es el muón (que acompaña al muón en interacciones débiles de la misma manera que el electrón acompaña al neutrino electrónico), un lugar Y-quark ocupa desde-quark ( Encantado), pero D-quark- s-quark ( extraño). En la tercera generación, el cuarteto consta de un leptón tau, un neutrino tau, t-quark y B-cuarc.
Peso t-quark tiene unas 500 veces la masa del más ligero- D-cuarc. Se ha establecido experimentalmente que solo hay tres tipos de neutrinos ligeros. Por lo tanto, la cuarta generación de partículas no existe en absoluto o los neutrinos correspondientes son muy pesados. Esto es consistente con los datos cosmológicos, según los cuales no puede haber más de cuatro tipos de neutrinos ligeros.
En experimentos con partículas de alta energía, el electrón, el muón, el tau-leptón y los neutrinos correspondientes actúan como partículas separadas. No llevan carga de color y solo entran en interacciones débiles y electromagnéticas. En conjunto se les llama leptones.
| Tabla 2. GENERACIONES DE PARTÍCULAS FUNDAMENTALES | ||||
| Partícula | Masa en reposo, MeV/ desde 2 | Carga eléctrica | carga de color | Carga débil |
| SEGUNDA GENERACIÓN | ||||
| desde-cuarc | 1500 | +2/3 | Rojo, verde o azul | +1/2 |
| s-cuarc | 500 | –1/3 | Mismo | –1/2 |
| neutrino muón | 0 | 0 | +1/2 | |
| muón | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| TERCERA GENERACIÓN | ||||
| t-cuarc | 30000–174000 | +2/3 | Rojo, verde o azul | +1/2 |
| B-cuarc | 4700 | –1/3 | Mismo | –1/2 |
| neutrino tau | 0 | 0 | +1/2 | |
| Tau | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Los quarks, por otro lado, bajo la influencia de las fuerzas del color, se combinan en partículas que interactúan fuertemente y dominan la mayoría de los experimentos en física de alta energía. Tales partículas se llaman hadrones. Incluyen dos subclases: bariones(por ejemplo, protón y neutrón), que se componen de tres quarks, y mesones formado por un quark y un antiquark. En 1947, se descubrió el primer mesón, llamado pión (o pi-mesón), en los rayos cósmicos, y durante algún tiempo se creyó que el intercambio de estas partículas - razón principal fuerzas nucleares Los hadrones omega-menos, descubiertos en 1964 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (EEUU), y la partícula j-psy ( j/y-mesón), descubierto simultáneamente en Brookhaven y en el Centro de Aceleradores Lineales de Stanford (también en los EE. UU.) en 1974. La existencia de la partícula omega-menos fue predicha por M. Gell-Mann en su llamado " SU 3-teorías” (otro nombre es “ Camino óctuple”), en el que se sugirió por primera vez la posibilidad de la existencia de los quarks (y se les dio este nombre). Una década después, el descubrimiento de la partícula j/y confirmó la existencia desde-quark y finalmente hizo que todos creyeran tanto en el modelo de quark como en la teoría que combinaba fuerzas electromagnéticas y débiles ( vea abajo).
Las partículas de la segunda y tercera generación no son menos reales que las de la primera. Es cierto que, habiendo surgido, se descomponen en millonésimas o billonésimas de segundo en partículas ordinarias de primera generación: un electrón, un neutrino electrónico y también Y- Y D-quarks. La pregunta de por qué hay varias generaciones de partículas en la naturaleza sigue siendo un misterio.
A menudo se habla de diferentes generaciones de quarks y leptones (lo cual es, por supuesto, algo excéntrico) como diferentes "sabores" de partículas. La necesidad de explicarlos se llama el problema del "sabor".
BOSONES Y FERMIONES, CAMPO Y SUSTANCIA
Una de las diferencias fundamentales entre partículas es la diferencia entre bosones y fermiones. Todas las partículas se dividen en estas dos clases principales. Los bosones similares pueden superponerse o superponerse, pero los fermiones similares no. La superposición ocurre (o no ocurre) en los estados de energía discretos en los que la mecánica cuántica divide la naturaleza. Estos estados son, por así decirlo, células separadas en las que se pueden colocar partículas. Entonces, en una celda puedes poner cualquier cantidad de bosones idénticos, pero solo un fermión.
Como ejemplo, considere tales celdas, o "estados", para un electrón que gira alrededor del núcleo de un átomo. A diferencia de los planetas sistema solar, electrón según las leyes mecánica cuántica no puede circular en ninguna órbita elíptica, solo hay un conjunto discreto de "estados de movimiento" permitidos para él. Los conjuntos de tales estados, agrupados de acuerdo con la distancia del electrón al núcleo, se denominan orbitales. En el primer orbital hay dos estados con diferentes momentos angulares y, por tanto, dos celdas permitidas, y en orbitales superiores, ocho o más celdas.
Dado que un electrón es un fermión, cada celda puede contener solo un electrón. De esto se derivan consecuencias muy importantes: toda la química, ya que las propiedades químicas de las sustancias están determinadas por las interacciones entre los átomos correspondientes. si vas sistema periódico elementos de un átomo a otro en orden de aumentar en uno el número de protones en el núcleo (el número de electrones también aumentará en consecuencia), luego los primeros dos electrones ocuparán el primer orbital, los siguientes ocho se ubicarán en el segundo , y así. Este cambio sucesivo en la estructura electrónica de los átomos de un elemento a otro determina las regularidades en su propiedades químicas.
Si los electrones fueran bosones, entonces todos los electrones de un átomo podrían ocupar el mismo orbital correspondiente a la energía mínima. En este caso, las propiedades de toda la materia del Universo serían completamente diferentes, y en la forma en que la conocemos, el Universo sería imposible.
Todos los leptones (electrón, muón, tau-leptón y su correspondiente neutrino) son fermiones. Lo mismo puede decirse de los quarks. Así, todas las partículas que forman la "materia", el principal relleno del Universo, así como los neutrinos invisibles, son fermiones. Esto es muy significativo: los fermiones no pueden combinarse, por lo que lo mismo se aplica a los objetos del mundo material.
Al mismo tiempo, todas las "partículas de calibre" intercambiadas entre partículas materiales que interactúan y que crean un campo de fuerzas ( véase más arriba), son bosones, lo cual también es muy importante. Entonces, por ejemplo, muchos fotones pueden estar en el mismo estado, formando un campo magnético alrededor de un imán o un campo eléctrico alrededor de una carga eléctrica. Gracias a esto, también es posible un láser.
Girar.
La diferencia entre bosones y fermiones está relacionada con otra característica de las partículas elementales: espalda. Por sorprendente que parezca, todas las partículas fundamentales tienen su propio momento angular o, más simplemente, giran alrededor de su propio eje. El momento angular es una característica del movimiento de rotación, al igual que el momento total lo es del movimiento de traslación. En cualquier interacción, el momento angular y el momento se conservan.
En el microcosmos, el momento angular está cuantificado, es decir, toma valores discretos. En unidades adecuadas, los leptones y los quarks tienen un giro de 1/2, y las partículas de calibre tienen un giro de 1 (excepto el gravitón, que aún no se ha observado experimentalmente, pero teóricamente debería tener un giro de 2). Dado que los leptones y los quarks son fermiones, y las partículas de calibre son bosones, se puede suponer que la "fermionicidad" está asociada con el espín 1/2, y la "bosonicidad" está asociada con el espín 1 (o 2). De hecho, tanto el experimento como la teoría confirman que si una partícula tiene un espín semientero, entonces es un fermión, y si es entero, entonces es un bosón.
GEOMETRÍA Y TEORÍAS DE CALIBRE
En todos los casos, las fuerzas surgen debido al intercambio de bosones entre fermiones. Por lo tanto, la fuerza de color de la interacción entre dos quarks (quarks - fermiones) surge debido al intercambio de gluones. Tal intercambio tiene lugar constantemente en protones, neutrones y núcleos atómicos. De la misma manera, los fotones intercambiados entre electrones y quarks crean fuerzas eléctricas de atracción que mantienen los electrones en un átomo, y los bosones vectoriales intermedios intercambiados entre leptones y quarks crean fuerzas de interacción débiles responsables de la conversión de protones en neutrones en las reacciones de fusión en las estrellas.
La teoría de tal intercambio es elegante, simple y probablemente correcta. Se llama teoría del calibre. Pero en la actualidad sólo existen teorías de calibre independientes de interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas y una teoría de calibre de la gravedad similar a ellas, aunque diferente en algunos aspectos. Uno de los problemas físicos más importantes es la reducción de estas teorías separadas en una sola y al mismo tiempo teoría sencilla, en el que todos ellos se convertirían en diferentes aspectos de una sola realidad, como las facetas de un cristal.
| Tabla 3. ALGUNOS HADRONES | ||||
| Partícula | Símbolo | Composición de quarks * | masa de descanso, MeV/ desde 2 | Carga eléctrica |
| BARIONES | ||||
| Protón | pags | uud | 938 | +1 |
| Neutrón | norte | ud | 940 | 0 |
| Omega menos | W- | ss | 1672 | –1 |
| MESONES | ||||
| Pi más | pags + | tu | 140 | +1 |
| Pi-menos | pags – | du | 140 | –1 |
| fi | F | sє | 1020 | 0 |
| JPS | j/año | cў | 3100 | 0 |
| Upsilon | Ў | B | 9460 | 0 |
| * Composición de quarks: tu- superior; D- más bajo; s- extraño; C- encantado B- hermosa. La línea sobre la letra denota antiquarks. | ||||
La más simple y antigua de las teorías de medida es la teoría de medida de la interacción electromagnética. En él se compara (calibra) la carga de un electrón con la carga de otro electrón distante de él. ¿Cómo se pueden comparar los cargos? Puede, por ejemplo, acercar el segundo electrón al primero y comparar sus fuerzas de interacción. Pero, ¿no cambia la carga de un electrón cuando se mueve a otro punto en el espacio? La única forma de comprobarlo es enviar una señal desde el electrón cercano al lejano y ver cómo reacciona. La señal es una partícula calibre, un fotón. Para poder verificar la carga de partículas distantes, se necesita un fotón.
Matemáticamente, esta teoría se distingue por su extrema precisión y belleza. Del "principio de calibre" descrito anteriormente, se sigue toda la electrodinámica cuántica (la teoría cuántica del electromagnetismo), así como la teoría campo electromagnetico Maxwell es uno de los mayores logros científicos del siglo XIX.
¿Por qué es tan fructífero un principio tan simple? Aparentemente, expresa una cierta correlación de diferentes partes del Universo, permitiendo mediciones en el Universo. En términos matemáticos, el campo se interpreta geométricamente como la curvatura de algún espacio "interno" concebible. La medida de la carga es la medida de la "curvatura interna" total alrededor de la partícula. Las teorías de calibre de interacciones fuertes y débiles difieren de la teoría de calibre electromagnético solo en la "estructura" geométrica interna de la carga correspondiente. Cuando se le preguntó dónde está exactamente esto espacio interior, tratando de responder multivariado teorías unificadas campos no cubiertos aquí.
| Tabla 4. INTERACCIONES FUNDAMENTALES | |||||
| Interacción | Intensidad relativa a una distancia de 10 a 13 cm | Radio de acción | Portador de interacción | Masa en reposo del portador, MeV/ desde 2 | Giro del portador |
| fuerte | 1 | Gluón | 0 | 1 | |
| Electro- magnético |
0,01 | Ґ | Fotón | 0 | 1 |
| Débil | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
| W – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| Gravedad- racional |
10 –38 | Ґ | gravitón | 0 | 2 |
La física de las partículas elementales aún no está completa. Todavía no está claro si los datos disponibles son suficientes para comprender completamente la naturaleza de las partículas y las fuerzas, así como la verdadera naturaleza y las dimensiones del espacio y el tiempo. ¿Necesitamos experimentos con energías de 10 15 GeV para esto, o será suficiente el esfuerzo del pensamiento? No hay respuesta todavía. Pero podemos decir con confianza que la imagen final será simple, elegante y hermosa. Es posible que no haya tantas ideas fundamentales: el principio de gauge, los espacios de mayores dimensiones, el colapso y la expansión y, sobre todo, la geometría.
¿Puede responder breve y concisamente a la pregunta: "¿Qué es una carga eléctrica?" Esto puede parecer sencillo a primera vista, pero en realidad resulta mucho más difícil.
¿Sabemos qué es una carga eléctrica?
El hecho es que en el nivel actual de conocimiento, todavía no podemos descomponer el concepto de "carga" en componentes más simples. Este es un concepto fundamental, por así decirlo, primario.
Sabemos que esta es una cierta propiedad de las partículas elementales, conocemos el mecanismo de interacción de las cargas, podemos medir la carga y usar sus propiedades.
Sin embargo, todo esto es consecuencia de los datos obtenidos empíricamente. La naturaleza de este fenómeno aún no está clara para nosotros. Por lo tanto, no podemos determinar sin ambigüedades qué es una carga eléctrica.
Para ello, es necesario abrir todo un abanico de conceptos. Explicar el mecanismo de interacción de las cargas y describir sus propiedades. Por lo tanto, es más fácil averiguar qué significa la afirmación: "una partícula dada tiene (porta) una carga eléctrica".
La presencia de una carga eléctrica en una partícula.
Sin embargo, posteriormente se comprobó que el número de partículas elementales es mucho mayor, y que el protón, el electrón y el neutrón no son materiales de construcción indivisibles y fundamentales del Universo. Ellos mismos pueden descomponerse en componentes y convertirse en otro tipo de partículas.
Por lo tanto, el nombre de "partícula elemental" actualmente incluye una clase bastante grande de partículas de tamaño más pequeño que los átomos y núcleos de átomos. En este caso, las partículas pueden tener una variedad de propiedades y cualidades.
Sin embargo, tal propiedad como una carga eléctrica, solo hay dos tipos, que se denominan condicionalmente positivos y negativos. La presencia de una carga en una partícula es su propiedad de repeler o ser atraída por otra partícula, que también lleva carga. La dirección de interacción en este caso depende del tipo de carga.
Las cargas iguales se repelen, las cargas diferentes se atraen. En este caso, la fuerza de interacción entre cargas es muy grande en comparación con fuerzas gravitatorias inherente a todos los cuerpos sin excepción en el Universo.
En el núcleo del hidrógeno, por ejemplo, un electrón que lleva una carga negativa es atraído por un núcleo que consiste en un protón y que lleva una carga positiva con una fuerza 1039 veces mayor que la fuerza con la que el mismo electrón es atraído por un protón debido a la interacción gravitacional.
Las partículas pueden o no tener carga, dependiendo del tipo de partícula. Sin embargo, es imposible “quitar” la carga de la partícula, así como también es imposible la existencia de una carga fuera de la partícula.
Además del protón y el neutrón, algunos otros tipos de partículas elementales tienen carga, pero solo estas dos partículas pueden existir indefinidamente.
719. Ley de conservación de la carga eléctrica
720. Cuerpos con cargas eléctricas signo diferente, …
Se atraen el uno al otro.
721. Bolas de metal idénticas cargadas con cargas opuestas q 1 = 4q yq 2 = -8q puestas en contacto y separadas a la misma distancia. Cada bola tiene una carga.
q 1 \u003d -2q y q 2 \u003d -2q
723. Una gota que tiene carga positiva (+2e) pierde un electrón cuando se ilumina. La carga de la gota se hizo igual a
724. Bolas de metal idénticas cargadas con cargas q 1 = 4q, q 2 = - 8q yq 3 = - 2q puestas en contacto y separadas a la misma distancia. Cada una de las bolas tendrá una carga.
q 1 = - 2q, q 2 = - 2q y q 3 = - 2q
725. Bolas de metal idénticas cargadas con cargas q 1 \u003d 5q y q 2 \u003d 7q se pusieron en contacto y se separaron a la misma distancia, y luego la segunda y tercera bolas con carga q 3 \u003d -2q se pusieron en contacto y se separó a la misma distancia. Cada una de las bolas tendrá una carga.
q1 = 6q, q2 = 2q y q3 = 2q
726. Bolas de metal idénticas cargadas con cargas q 1 = - 5q y q 2 = 7q se pusieron en contacto y se separaron a la misma distancia, y luego se pusieron en contacto la segunda y la tercera bola con una carga q 3 = 5q y se separaron a la misma distancia. Cada una de las bolas tendrá una carga.
q 1 \u003d 1q, q 2 \u003d 3q y q 3 \u003d 3q
727. Hay cuatro bolas de metal idénticas con cargas q 1 = 5q, q 2 = 7q, q 3 = -3q y q 4 = -1q. Primero, las cargas q 1 y q 2 (1 sistema de cargas) se pusieron en contacto y se separaron a la misma distancia, y luego las cargas q 4 y q 3 se pusieron en contacto (el 2° sistema de cargas). Luego tomaron una carga de cada sistema 1 y 2 y las injertaron en contacto y las separaron a la misma distancia. Estas dos bolas tendrán una carga.
728. Hay cuatro bolas de metal idénticas con cargas q 1 = -1q, q 2 = 5q, q 3 = 3q y q 4 = -7q. Primero, las cargas q 1 y q 2 (1 sistema de cargas) se pusieron en contacto y se separaron a la misma distancia, y luego las cargas q 4 y q 3 se pusieron en contacto (2 sistemas de cargas). Luego tomaron una carga del sistema 1 y 2 y las pusieron en contacto y las separaron a la misma distancia. Estas dos bolas tendrán una carga.
729. En un átomo, una carga positiva tiene
Centro.
730. Ocho electrones se mueven alrededor del núcleo de un átomo de oxígeno. El número de protones en el núcleo de un átomo de oxígeno es
731. La carga eléctrica de un electrón es igual a
-1.6 10 -19 C.
732. La carga eléctrica de un protón es
1.6 10 -19 C.
733. El núcleo de un átomo de litio contiene 3 protones. Si 3 electrones giran alrededor del núcleo, entonces
El átomo es eléctricamente neutro.
734. Hay 19 partículas en el núcleo del flúor, de las cuales 9 son protones. El número de neutrones en el núcleo y el número de electrones en un átomo de flúor neutro
Neutrones y 9 electrones.
735. Si en cualquier cuerpo el número de protones más número electrones, entonces el cuerpo como un todo
cargado positivamente.
736. Una gota con una carga positiva de +3e perdió 2 electrones durante la irradiación. La carga de la gota se hizo igual a
8 10 -19 cl.
737. Una carga negativa en un átomo lleva
Cascarón.
738. Si un átomo de oxígeno se ha convertido en un ion positivo, entonces
Perdió un electrón.
739. Tiene una gran masa
Ion hidrógeno negativo.
740. Como resultado de la fricción, se quitaron 5 10 10 electrones de la superficie de la barra de vidrio. Carga eléctrica en un palo
(e = -1.6 10 -19 C)
8 10 -9 cl.
741. Como resultado de la fricción, una barra de ebonita recibió 5 10 10 electrones. Carga eléctrica en un palo
(e = -1.6 10 -19 C)
-8 10 -9 cl.
742. La fuerza de la interacción de Coulomb de dos cargas eléctricas puntuales con una disminución en la distancia entre ellos por 2 veces
Aumentará 4 veces.
743. La fuerza de la interacción de Coulomb de dos cargas eléctricas puntuales con una disminución en la distancia entre ellos en 4 veces
Aumentará en 16 veces.
744. Dos cargas eléctricas puntuales actúan entre sí según la ley de Coulomb con una fuerza de 1N. Si la distancia entre ellos aumenta 2 veces, entonces la fuerza de la interacción de Coulomb de estas cargas se vuelve igual a
745. Dos cargas puntuales actúan una sobre la otra con una fuerza de 1N. Si el valor de cada una de las cargas aumenta 4 veces, entonces la fuerza de la interacción de Coulomb se vuelve igual a
746. La fuerza de interacción de dos cargas puntuales es de 25 N. Si la distancia entre ellas se reduce por un factor de 5, entonces la fuerza de interacción de estas cargas se vuelve igual a
747. La fuerza de la interacción de Coulomb de dos cargas puntuales con un aumento en la distancia entre ellos por 2 veces
Disminuirá 4 veces.
748. La fuerza de la interacción de Coulomb de dos cargas eléctricas puntuales con un aumento en la distancia entre ellos en 4 veces
Disminuirá 16 veces.
749.Fórmula de la ley de Coulomb
.
750. Si 2 bolas de metal idénticas con cargas +q y +q se ponen en contacto y se separan a la misma distancia, entonces el módulo de la fuerza de interacción
No cambiará.
751. Si 2 bolas de metal idénticas con cargas +q y -q se ponen en contacto y se separan a la misma distancia, entonces la fuerza de interacción
se convertirá en 0.
752. Dos cargas interactúan en el aire. Si se colocan en agua (ε = 81), sin cambiar la distancia entre ellos, entonces la fuerza de la interacción de Coulomb
Disminuirá 81 veces.
753. La fuerza de interacción de dos cargas de 10 nC cada una, situadas en el aire a una distancia de 3 cm entre sí, es igual a
(
)
754. Cargas de 1 μC y 10 nC interactúan en el aire con una fuerza de 9 mN a distancia
()
755. Dos electrones a una distancia de 3 10 -8 cm uno del otro se repelen ; e \u003d - 1.6 10 -19 C)
2,56 10 -9 N.
756 campo eléctrico
Disminuye 9 veces.
757. La intensidad de campo en un punto es 300 N/C. Si la carga es 1 10 -8 C, entonces la distancia al punto
()
758. Si la distancia desde una carga puntual que crea un campo eléctrico aumenta 5 veces, entonces la intensidad del campo eléctrico
Disminuirá 25 veces.
759. Intensidad de campo de una carga puntual en algún punto 4 N/C. Si la distancia desde la carga se duplica, entonces la intensidad se vuelve igual a
760. Indique la fórmula de la fuerza del campo eléctrico en el caso general.
761. Notación matemática del principio de superposición de campos eléctricos.
762. Indique la fórmula de la intensidad de una carga eléctrica puntual Q
.
763. Módulo de intensidad de campo eléctrico en el punto donde se encuentra la carga
1 10 -10 C es igual a 10 V/m. La fuerza que actúa sobre la carga es
1 10 -9 N.
765. Si en la superficie de una bola de metal con un radio de 0,2 m, se distribuye una carga de 4 10 -8 C, entonces la densidad de carga
2,5 10 -7 C/m 2 .
766. En un homogéneo dirigido verticalmente campo eléctrico hay una mota de polvo con una masa de 1·10 -9 g y una carga de 3.2·10-17 C. Si la fuerza de gravedad de un grano de polvo se equilibra con la fuerza del campo eléctrico, entonces la intensidad del campo es igual a
3 10 5 N/C.
767. En tres vértices de un cuadrado de 0,4 m de lado hay cargas positivas idénticas de 5 10 -9 C cada una. Encuentre la tensión en el cuarto vértice.
() 540 N/Cl.
768. Si dos cargas son 5 10 -9 y 6 10 -9 C, de modo que se repelen con una fuerza de 12 10 -4 N, entonces están a una distancia
768
Aumentará 8 veces.
Disminuye.
770. El producto de la carga del electrón y el potencial tiene la dimensión
Energía.
771. El potencial en el punto A del campo eléctrico es 100V, el potencial en el punto B es 200V. El trabajo realizado por las fuerzas del campo eléctrico al mover una carga de 5 mC del punto A al punto B es
-0,5 J.
772. Una partícula de carga +q y masa m, situada en los puntos de un campo eléctrico de intensidad E y potencial, tiene una aceleración
773. Un electrón se mueve en un campo eléctrico uniforme a lo largo de una línea de tensión desde un punto con un potencial más alto hasta un punto con un potencial más bajo. Al mismo tiempo, su velocidad
Creciente.
774. Un átomo que tiene un protón en el núcleo pierde un electrón. Esto crea
iones de hidrógeno.
775. Un campo eléctrico en el vacío creado por cuatro puntos cargas positivas colocados en los vértices del cuadrado de lado a. El potencial en el centro del cuadrado es
776. Si la distancia desde una carga puntual disminuye 3 veces, entonces el potencial de campo
Aumentará 3 veces.
777
778. Carga q movida de un punto campo electrostático a un punto con potencial. ¿Cuál de las siguientes fórmulas:
1) 
2) ; 3) 
puedes encontrar trabajo para mover la carga.
779. En un campo eléctrico uniforme con una fuerza de 2 N / C, una carga de 3 C se mueve a lo largo de las líneas de fuerza del campo a una distancia de 0,5 m. El trabajo de las fuerzas del campo eléctrico al mover la carga es
780. Un campo eléctrico es creado por cuatro cargas puntuales de nombres opuestos colocadas en los vértices de un cuadrado de lado a. Las cargas del mismo nombre están en vértices opuestos. El potencial en el centro del cuadrado es
781. Diferencia de potencial entre puntos que se encuentran en el mismo línea de campo a una distancia de 6 cm entre sí, es igual a 60 V. Si el campo es uniforme, entonces su fuerza es igual a
782. Unidad de diferencia de potencial
1 V \u003d 1 J / 1 C.
783. Si la carga se mueve en un campo uniforme con intensidad E=2 V/m a lo largo de la línea de fuerza 0,2 m, encuentre la diferencia entre estos potenciales.
U = 0,4 V.
784.Según la hipótesis de Planck, un cuerpo absolutamente negro irradia energía
En porciones.
785. La energía del fotón está determinada por la fórmula
1. E = pñ 2. E=hv/c 3. mi = h 4. E=mc 2 . 5. E=hv. 6.E=hc/
1, 4, 5, 6.
786. Si la energía de un cuanto se ha duplicado, entonces la frecuencia de radiación
aumentado en 2 veces.
787. Si caen fotones con una energía de 6 eV sobre la superficie de una placa de tungsteno, entonces la energía cinética máxima de los electrones eliminados por ellos es de 1,5 eV. La energía fotónica mínima a la que es posible el efecto fotoeléctrico para el tungsteno es:
788. La afirmación es correcta:
1. La velocidad de un fotón es mayor que la velocidad de la luz.
2. La velocidad de un fotón en cualquier sustancia es menor que la velocidad de la luz.
3. La velocidad de un fotón siempre es igual a la velocidad de la luz.
4. La velocidad de un fotón es mayor o igual a la velocidad de la luz.
5. La velocidad de un fotón en cualquier sustancia es menor o igual a la velocidad de la luz.
789. Los fotones de radiación tienen un gran impulso.
Azul.
790. Cuando la temperatura de un cuerpo calentado disminuye, la intensidad máxima de radiación
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Fecha de creación de la página: 2016-02-13
Una mayor penetración en las profundidades del micromundo está asociada con la transición del nivel de los átomos al nivel de las partículas elementales. Como la primera partícula elemental a finales del siglo XIX. se descubrió el electrón, y luego en las primeras décadas del siglo XX. fotón, protón, positrón y neutrón.
Después de la Segunda Guerra Mundial, gracias al uso de la tecnología experimental moderna y, sobre todo, de potentes aceleradores, en los que se crean condiciones de altas energías y enormes velocidades, se estableció la existencia de una gran cantidad de partículas elementales: más de 300. Entre ellos se encuentran tanto descubiertos experimentalmente como calculados teóricamente, incluidas resonancias, quarks y partículas virtuales.
Término partícula elemental originalmente significaba las partículas más simples e indescomponibles que subyacen a cualquier formación material. Más tarde, los físicos se dieron cuenta de toda la convencionalidad del término "elemental" en relación con los microobjetos. Ahora bien, no cabe duda de que las partículas tienen una estructura u otra, pero, sin embargo, el nombre históricamente establecido sigue existiendo.
Las principales características de las partículas elementales son masa, carga, vida media, espín y números cuánticos.
masa en reposo Las partículas elementales se determinan en relación con la masa en reposo de un electrón.Hay partículas elementales que no tienen masa en reposo, - fotones. El resto de las partículas sobre esta base se dividen en leptones– partículas ligeras (electrones y neutrinos); mesones– partículas medianas con una masa que oscila entre uno y mil masas de electrones; bariones- partículas pesadas cuya masa excede mil masas de un electrón y que incluyen protones, neutrones, hiperones y muchas resonancias.
Carga eléctrica es otra característica importante de las partículas elementales. Todas las partículas conocidas tienen carga positiva, negativa o cero. Cada partícula, excepto un fotón y dos mesones, corresponde a antipartículas con carga opuesta. Aproximadamente en 1963-1964. hipotetizó que hay quarks– partículas con una carga eléctrica fraccionaria. Esta hipótesis aún no ha sido confirmada experimentalmente.
por tiempo de vida Las partículas se dividen en estable Y inestable . Hay cinco partículas estables: un fotón, dos tipos de neutrinos, un electrón y un protón. Son las partículas estables las que juegan el papel más importante en la estructura de los macrocuerpos. Todas las demás partículas son inestables, existen durante aproximadamente 10 -10 -10 -24 s, después de lo cual se descomponen. Las partículas elementales con una vida media de 10–23–10–22 s se denominan resonancias. Debido a su corta vida, se descomponen incluso antes de abandonar el átomo o núcleo atómico. Los estados resonantes se han calculado teóricamente, no es posible fijarlos en experimentos reales.
Además de la carga, la masa y el tiempo de vida, las partículas elementales también se describen mediante conceptos que no tienen análogos en la física clásica: el concepto espalda . El espín es el momento angular intrínseco de una partícula, no relacionado con su desplazamiento. El giro se caracteriza número cuántico de espín s, que puede tomar valores enteros (±1) o semienteros (±1/2). Partículas con espín entero bosones, con un medio entero - fermiones. El electrón pertenece a los fermiones. Según el principio de Pauli, un átomo no puede tener más de un electrón con el mismo conjunto de números cuánticos. norte,metro,yo,s. Los electrones, que corresponden a funciones de onda con el mismo número n, tienen una energía muy cercana y forman una capa de electrones en el átomo. Las diferencias en el número l determinan la "subcapa", los números cuánticos restantes determinan su relleno, como se mencionó anteriormente.
En la caracterización de las partículas elementales, hay otra idea importante interacciones. Como se señaló anteriormente, se conocen cuatro tipos de interacciones entre partículas elementales: gravitacional,débil,electromagnético Y fuerte(nuclear).
Todas las partículas que tienen una masa en reposo ( metro 0), participan en la interacción gravitatoria, cargada - y electromagnética. Los leptones también participan en interacciones débiles. Los hadrones participan en las cuatro interacciones fundamentales.
De acuerdo con la teoría cuántica de campos, todas las interacciones se llevan a cabo a través del intercambio partículas virtuales , es decir, partículas cuya existencia sólo puede juzgarse indirectamente, por algunas de sus manifestaciones a través de algunos efectos secundarios ( partículas reales se puede fijar directamente con instrumentos).
Resulta que los cuatro tipos conocidos de interacciones (gravitacionales, electromagnéticas, fuertes y débiles) tienen una naturaleza calibre y se describen mediante simetrías calibre. Es decir, todas las interacciones están, por así decirlo, hechas "a partir de un espacio en blanco". Esto inspira la esperanza de que será posible encontrar “la única llave para todas las cerraduras conocidas” y describir la evolución del Universo desde un estado representado por un solo supercampo supersimétrico, desde un estado en el que las diferencias entre los tipos de interacciones, entre todo tipo de partículas de materia y cuantos de campo aún no se han manifestado.
Hay un gran número de formas de clasificar las partículas elementales. Entonces, por ejemplo, las partículas se dividen en fermiones (partículas de Fermi) - partículas de materia y bosones (partículas de Bose) - cuantos de campo.
Según otro enfoque, las partículas se dividen en 4 clases: fotones, leptones, mesones, bariones.
fotones (cuantos del campo electromagnético) participan en interacciones electromagnéticas, pero no tienen interacciones gravitacionales fuertes, débiles.
leptones obtuvo su nombre de Palabra griega yoeptos- fácil. Estos incluyen partículas que no tienen una interacción fuerte: muones (μ - , μ +), electrones (e - , e +), neutrinos electrónicos (ve - , ve +) y neutrinos muónicos (v - m , v + m). Todos los leptones tienen espín ½ y por lo tanto son fermiones. Todos los leptones tienen una interacción débil. Los que tienen carga eléctrica (es decir, muones y electrones) también tienen una interacción electromagnética.
mesones son partículas inestables que interactúan fuertemente y que no llevan la llamada carga bariónica. Entre ellos pertenece R-mesones, o piones (π +, π -, π 0), PARA-mesones, o kaones (K + , K - , K 0), y esta-mesones (η) . Peso PARA-mesones es ~970me (494 MeV para carga y 498 MeV para neutro PARA-mesones). Toda la vida PARA-mesones tiene una magnitud de alrededor de 10–8 s. se rompen para formar I-mesones y leptones o solo leptones. Peso esta-mesones es igual a 549 MeV (1074me), la vida útil es de aproximadamente 10 a 19 s. Esta-mesones decaen con la formación de π-mesones y γ-fotones. A diferencia de los leptones, los mesones no solo tienen una interacción débil (y, si están cargadas, electromagnética), sino también una interacción fuerte, que se manifiesta en su interacción entre ellos, así como en la interacción entre mesones y bariones. El espín de todos los mesones es cero, por lo que son bosones.
Clase bariones combina nucleones (p, n) y partículas inestables con una masa mayor que la masa de los nucleones, llamadas hiperones. Todos los bariones tienen una fuerte interacción y, por lo tanto, interactúan activamente con los núcleos atómicos. El espín de todos los bariones es ½, por lo que los bariones son fermiones. Con la excepción del protón, todos los bariones son inestables. En la descomposición de los bariones, junto con otras partículas, se forma necesariamente un barión. Este patrón es una de las manifestaciones ley de conservación de la carga bariónica.
Además de las partículas enumeradas anteriormente, se ha descubierto una gran cantidad de partículas de vida corta que interactúan fuertemente, que se denominan resonancias . Estas partículas son estados resonantes formados por dos o más partículas elementales. La vida útil de las resonancias es solo ~ 10–23–10–22 s.
Partículas elementales, así como micropartículas complejas, se pueden observar por las huellas que dejan al atravesar la materia. La naturaleza de las huellas permite juzgar el signo de la carga de la partícula, su energía, momento, etc. Las partículas cargadas provocan la ionización de las moléculas en su camino. Las partículas neutras no dejan huellas, pero pueden revelarse en el momento de la descomposición en partículas cargadas o en el momento de la colisión con cualquier núcleo. Por lo tanto, eventualmente las partículas neutras también son detectadas por la ionización causada por las partículas cargadas generadas por ellas.
Partículas y antipartículas. En 1928, el físico inglés P. Dirac logró encontrar una ecuación mecánica cuántica relativista para el electrón, de la que se derivan una serie de consecuencias notables. En primer lugar, a partir de esta ecuación se obtiene de forma natural, sin suposiciones adicionales, el espín y el valor numérico del momento magnético intrínseco del electrón. Por lo tanto, resultó que el espín es una cantidad tanto cuántica como relativista. Pero esto no agota la importancia de la ecuación de Dirac. También hizo posible predecir la existencia de una antipartícula del electrón - positrón. De la ecuación de Dirac, no solo se obtienen valores positivos sino también negativos para la energía total de un electrón libre. Los estudios de la ecuación muestran que para un momento dado de una partícula, existen soluciones a la ecuación correspondientes a las energías: .
Entre la mayor energía negativa (- metro mi desde 2) y la energía positiva más pequeña (+ metro mi C 2) hay un intervalo de valores de energía que no se puede realizar. El ancho de este intervalo es 2 metro mi desde 2. En consecuencia, se obtienen dos regiones de valores propios de energía: una comienza con + metro mi desde 2 y se extiende hasta +∞, el otro comienza desde - metro mi desde 2 y se extiende hasta –∞.
Una partícula con energía negativa debe tener propiedades muy extrañas. Al pasar a estados con energía cada vez más baja (es decir, con energía negativa aumentando en valor absoluto), podría liberar energía, digamos, en forma de radiación, además, ya que | mi| no está limitado por nada, una partícula con energía negativa podría irradiar una cantidad infinitamente grande de energía. Se puede llegar a una conclusión similar de la siguiente manera: a partir de la relación mi=metro mi desde 2 se deduce que la masa de una partícula con energía negativa también será negativa. Bajo la acción de una fuerza de desaceleración, una partícula con una masa negativa no debe disminuir la velocidad, sino acelerar, realizando una cantidad infinitamente grande de trabajo sobre la fuente de la fuerza de desaceleración. En vista de estas dificultades, parecería que uno debería admitir que el estado con energía negativa debe ser excluido de la consideración por conducir a resultados absurdos. Esto, sin embargo, contradiría algunos principios generales de la mecánica cuántica. Entonces Dirac eligió un camino diferente. Sugirió que las transiciones de electrones a estados con energía negativa generalmente no se observan debido a que todos los niveles disponibles con energía negativa ya están ocupados por electrones. 
Según Dirac, el vacío es un estado en el que todos los niveles de energía negativa están poblados por electrones, y los niveles con energía positiva están libres. Dado que todos los niveles por debajo de la banda prohibida sin excepción están ocupados, los electrones en estos niveles no se revelan de ninguna manera. Si a uno de los electrones ubicados en niveles negativos se le da energía mi≥ 2metro mi desde 2, entonces este electrón pasará a un estado con energía positiva y se comportará de la forma habitual, como una partícula con masa positiva y carga negativa. Esta primera partícula predicha teóricamente se denominó positrón. Cuando un positrón se encuentra con un electrón, se aniquilan (desaparecen): el electrón pasa de un nivel positivo a uno negativo vacante. La energía correspondiente a la diferencia entre estos niveles se libera en forma de radiación. En la fig. 4, la flecha 1 representa el proceso de creación de un par electrón-positrón, y la flecha 2, su aniquilación. El término "aniquilación" no debe tomarse literalmente. En esencia, lo que está ocurriendo no es la desaparición, sino la transformación de unas partículas (electrones y positrones) en otras (γ-fotones).
Hay partículas que son idénticas a sus antipartículas (es decir, no tienen antipartículas). Tales partículas se llaman absolutamente neutrales. Estos incluyen el fotón, el mesón π 0 y el mesón η. Las partículas que son idénticas a sus antipartículas no son capaces de aniquilarse. Esto, sin embargo, no significa que no puedan transformarse en otras partículas en absoluto.
Si a los bariones (es decir, nucleones e hiperones) se les asigna una carga bariónica (o número bariónico) EN= +1, antibariones – carga bariónica EN= –1, y para todas las demás partículas – la carga bariónica EN= 0, entonces para todos los procesos que ocurren con la participación de bariones y antibariones, la conservación de los bariones de carga será característica, así como la conservación de la carga eléctrica es característica de los procesos. La ley de conservación de la carga bariónica determina la estabilidad del barión más blando, el protón. La transformación de todas las cantidades que describen un sistema físico, en el que todas las partículas se reemplazan por antipartículas (por ejemplo, electrones por protones y protones por electrones, etc.), se denomina carga de conjugación.
Partículas extrañas.PARA-mesones e hiperones fueron descubiertos en la composición de los rayos cósmicos a principios de la década de 1950. Desde 1953, se han producido en aceleradores. El comportamiento de estas partículas resultó ser tan inusual que se las llamó extrañas. El comportamiento inusual de las partículas extrañas era que obviamente nacían debido a fuertes interacciones con un tiempo característico del orden de 10 a 23 s, y su tiempo de vida resultó ser del orden de 10 a 8 a 10 a 10 s. Esta última circunstancia indicó que las partículas se descomponen como resultado de interacciones débiles. Era completamente incomprensible por qué las partículas extrañas viven tanto tiempo. Dado que las mismas partículas (mesones π y protones) están involucradas tanto en la creación como en la descomposición de un hiperón λ, parecía sorprendente que la velocidad (es decir, la probabilidad) de ambos procesos fuera tan diferente. Investigaciones posteriores mostraron que las partículas extrañas se producen en pares. Esto llevó a la idea de que las interacciones fuertes no pueden desempeñar un papel en la descomposición de las partículas debido al hecho de que la presencia de dos partículas extrañas es necesaria para su manifestación. Por la misma razón, la sola producción de partículas extrañas es imposible.
Para explicar la prohibición de la producción única de partículas extrañas, M. Gell-Mann y K. Nishijima introdujeron un nuevo número cuántico, cuyo valor total, según su suposición, debería conservarse bajo interacciones fuertes. es un numero cuantico S fue nombrado extrañeza de partículas. En interacciones débiles, la extrañeza puede no conservarse. Por lo tanto, se atribuye solo a partículas que interactúan fuertemente: mesones y bariones.
neutrino. El neutrino es la única partícula que no participa en interacciones fuertes ni electromagnéticas. Excluyendo la interacción gravitatoria, en la que participan todas las partículas, el neutrino sólo puede participar en interacciones débiles.
Durante mucho tiempo no quedó claro en qué se diferencian los neutrinos de los antineutrinos. El descubrimiento de la ley de conservación de la paridad combinada hizo posible responder a esta pregunta: difieren en la helicidad. Bajo helicidad se entiende una cierta relación entre las direcciones del impulso R y de vuelta S partículas La helicidad se considera positiva si el espín y el momento están en la misma dirección. En este caso, la dirección del movimiento de las partículas ( R) y el sentido de “rotación” correspondiente al giro forman un tornillo recto. Con espín y momento en direcciones opuestas, la helicidad será negativa (el movimiento de traslación y la "rotación" forman un tornillo a la izquierda). De acuerdo con la teoría de los neutrinos longitudinales desarrollada por Yang, Lee, Landau y Salam, todos los neutrinos que existen en la naturaleza, independientemente de la forma en que surjan, están siempre completamente polarizados longitudinalmente (es decir, su espín se dirige paralelo o antiparalelo al impulso). R). neutrino tiene negativo(izquierda) helicidad (corresponde a la relación de direcciones S Y R mostrado en la fig. 5 (b), antineutrino - helicidad positiva (derecha) (a). Así, la helicidad es lo que distingue a los neutrinos de los antineutrinos.
Arroz. cinco. Esquema de helicidad de partículas elementales.
Sistemática de partículas elementales. Los patrones observados en el mundo de las partículas elementales pueden formularse como leyes de conservación. Ya existen bastantes leyes de este tipo. Algunos de ellos no son exactos, sino sólo aproximados. Cada ley de conservación expresa una cierta simetría del sistema. Leyes de conservación del momento R, momento angular L y energía mi reflejan las propiedades de simetría del espacio y el tiempo: conservación mi es consecuencia de la homogeneidad del tiempo, la conservación R debido a la homogeneidad del espacio, y la conservación L- su isotropía. La ley de conservación de la paridad está relacionada con la simetría entre derecha e izquierda ( R-invariancia). La simetría bajo conjugación de carga (simetría de partículas y antipartículas) conduce a la conservación de la paridad de carga ( DESDE-invariancia). Las leyes de conservación de las cargas eléctricas, bariónicas y leptónicas expresan una simetría especial DESDE-funciones. Finalmente, la ley de conservación del espín isotópico refleja la isotropía del espacio isotópico. El incumplimiento de una de las leyes de conservación supone una violación en esta interacción del tipo de simetría correspondiente.
En el mundo de las partículas elementales se aplica la siguiente regla: está permitido todo lo que no está prohibido por las leyes de conservación. Estos últimos juegan el papel de reglas de prohibición que regulan las interconversiones de partículas. En primer lugar, observamos las leyes de conservación de la energía, el impulso y la carga eléctrica. Estas tres leyes explican la estabilidad del electrón. De la conservación de la energía y el momento se deduce que la masa total en reposo de los productos de descomposición debe ser menor que la masa en reposo de la partícula en descomposición. Esto significa que el electrón solo podría desintegrarse en neutrinos y fotones. Pero estas partículas son eléctricamente neutras. Entonces resulta que el electrón simplemente no tiene a quién transferir su carga eléctrica, por lo que es estable.
Quarks. Hay tantas partículas llamadas elementales que existen serias dudas sobre su naturaleza elemental. Cada una de las partículas que interactúan fuertemente se caracteriza por tres números cuánticos aditivos independientes: la carga q, hipercarga En y carga bariónica EN. En este sentido, apareció la hipótesis de que todas las partículas están construidas a partir de tres partículas fundamentales: portadoras de estas cargas. En 1964, Gell-Mann e, independientemente de él, el físico suizo Zweig propusieron una hipótesis según la cual todas las partículas elementales están formadas por tres partículas llamadas quarks. A estas partículas se les asignan números cuánticos fraccionarios, en particular, una carga eléctrica igual a +⅔; –⅓; +⅓ respectivamente para cada uno de los tres quarks. Estos quarks generalmente se denotan con las letras tu,D,S. Además de los quarks, se consideran antiquarks ( tu,D,s). Hasta la fecha, se conocen 12 quarks: 6 quarks y 6 antiquarks. Los mesones se forman a partir de un par quark-antiquark, y los bariones se forman a partir de tres quarks. Entonces, por ejemplo, un protón y un neutrón están formados por tres quarks, lo que hace que el protón o el neutrón sean incoloros. En consecuencia, se distinguen tres cargas de interacciones fuertes: rojo ( R), amarillo ( Y) y verde ( GRAMO).
A cada quark se le asigna el mismo momento magnético (µV), cuyo valor no está determinado por la teoría. Los cálculos realizados sobre la base de esta suposición dan al protón el valor del momento magnético μ p = μ q, y para el neutrón μ n = – ⅔μ cuadrado
Así, para la relación de momentos magnéticos, el valor μ p / μn = –⅔, en excelente concordancia con el valor experimental.
Básicamente, el color del quark (como el signo de la carga eléctrica) comenzó a expresar la diferencia en la propiedad que determina la atracción y repulsión mutua de los quarks. Por analogía con los cuantos de los campos de varias interacciones (fotones en interacciones electromagnéticas, R-mesones en interacciones fuertes, etc.), se introdujeron partículas-portadoras de interacción entre quarks. Estas partículas fueron nombradas gluones. Transfieren color de un quark a otro, lo que hace que los quarks se mantengan unidos. En física de quarks se ha formulado la hipótesis del confinamiento (del inglés. confinamientos- cautiverio) de quarks, según el cual es imposible sustraer un quark de un todo. Sólo puede existir como un elemento del todo. La existencia de los quarks como partículas reales en física está comprobada de forma fiable.
La idea de los quarks resultó ser muy fructífera. Hizo posible no solo sistematizar partículas ya conocidas, sino también predecir una serie de nuevas. La situación que se ha desarrollado en la física de partículas elementales recuerda la situación que se creó en la física atómica después del descubrimiento en 1869 por D. I. Mendelev de la ley periódica. Aunque la esencia de esta ley se aclaró solo unos 60 años después de la creación de la mecánica cuántica, permitió sistematizar los elementos químicos conocidos en ese momento y, además, condujo a la predicción de la existencia de nuevos elementos y sus propiedades. . Exactamente del mismo modo, los físicos han aprendido a sistematizar las partículas elementales, y la sistemática desarrollada permitió en algunos casos predecir la existencia de nuevas partículas y anticipar sus propiedades.
Así, en la actualidad, los quarks y los leptones pueden considerarse verdaderamente elementales; hay 12 de ellos, o junto con antipartículas - 24. Además, hay partículas que proporcionan cuatro interacciones fundamentales (cuantos de interacción). Hay 13 de estas partículas: gravitón, fotón, W± - y Z-partículas y 8 gluones.
Las teorías existentes de partículas elementales no pueden indicar cuál es el comienzo de la serie: átomos, núcleos, hadrones, quarks En esta serie, cada estructura material más compleja incluye una más simple como parte constituyente. Aparentemente, esto no puede continuar indefinidamente. Se asumió que la cadena de estructuras materiales descrita se basa en objetos de una naturaleza fundamentalmente diferente. Se muestra que tales objetos no pueden ser puntos, sino formaciones extendidas, aunque extremadamente pequeñas (~ 10 -33 cm), llamadas supercuerdas. La idea descrita no es realizable en nuestro espacio de cuatro dimensiones. Esta área de la física es generalmente extremadamente abstracta y es muy difícil encontrar modelos visuales que ayuden a una percepción simplificada de las ideas incrustadas en las teorías de partículas elementales. Sin embargo, estas teorías permiten a los físicos expresar la interconversión e interdependencia de los microobjetos “más elementales”, su conexión con las propiedades del espacio-tiempo tetradimensional. El más prometedor es el llamado teoría M (Soy de misterio- un acertijo, un misterio). ella opera espacio de doce dimensiones . En última instancia, durante la transición al mundo de cuatro dimensiones que percibimos directamente, todas las dimensiones "extra" "colapsan". La teoría M es hasta ahora la única teoría que permite reducir las cuatro interacciones fundamentales a una sola, la llamada Superpotencia. También es importante que la teoría M permita la existencia de mundos diferentes y establezca las condiciones que aseguren el surgimiento de nuestro mundo. La teoría M aún no está suficientemente desarrollada. Se cree que el final "teoría del todo" sobre la base de la teoría M se construirá en el siglo XXI.
En el Universo cada cuerpo vive en su propio tiempo y las partículas elementales básicas también. El tiempo de vida de la mayoría de las partículas elementales es bastante corto.
Algunas se descomponen inmediatamente después de nacer, por eso las llamamos partículas inestables.
han terminado un tiempo corto decaer en estables: protones, electrones, neutrinos, fotones, gravitones y sus antipartículas.
Los micro-objetos más importantes en nuestro espacio cercano - protones y electrones. Algunas de las partes distantes del Universo pueden consistir en antimateria, las partículas más importantes allí serán un antiprotón y un antielectrón (positrón).
En total, se han descubierto varios cientos de partículas elementales: protón (p), neutrón (n), electrón (e -), así como fotón (g), pi-mesones (p), muones (m), neutrino tres tipos(electrónico v e , muón v m , con leptón v t), etc obviamente traerán más micropartículas nuevas.
Aparición de partículas:
protones y electrones
La aparición de protones y electrones se remonta a unos diez mil millones de años.
Otro tipo de microobjetos que juegan un papel importante en la estructura del espacio cercano son los neutrones, que tienen un nombre común con un protón: nucleones. Los neutrones en sí mismos son inestables, se descomponen unos diez minutos después de que se generan. Sólo pueden ser estables en el núcleo de un átomo. Una gran cantidad de neutrones surgen constantemente en las profundidades de las estrellas, donde los núcleos de los átomos nacen de los protones.
neutrino
En el Universo también se está produciendo constantemente el nacimiento de neutrinos, que son similares a un electrón, pero sin carga y con poca masa. En 1936, se descubrió una variedad de neutrinos: los neutrinos muónicos, que surgen durante la transformación de protones en neutrones, en las profundidades de las estrellas supermasivas y durante la descomposición de muchos microobjetos inestables. Nacen cuando los rayos cósmicos chocan en el espacio interestelar.
El Big Bang resultó en la aparición de una gran cantidad de neutrinos y neutrinos muón. Su número en el espacio aumenta constantemente, porque no son absorbidos por casi ninguna materia.
fotones
Al igual que los fotones, los neutrinos y los neutrinos muónicos llenan todo el espacio. Este fenómeno se llama el "mar de neutrinos".
Desde el Big Bang, quedan una gran cantidad de fotones, a los que llamamos reliquias o fósiles. Están llenos de todo el espacio exterior y su frecuencia y, por lo tanto, la energía disminuye constantemente a medida que el universo se expande.
En la actualidad, todos los cuerpos cósmicos, principalmente estrellas y nebulosas, están involucrados en la formación de la parte fotónica del Universo. Los fotones nacen en la superficie de las estrellas a partir de la energía de los electrones.
Conexión de partículas
EN etapa inicial formación del universo, todas las partículas elementales básicas eran libres. Entonces no había núcleos de átomos, ni planetas, ni estrellas.
Los átomos, y de ellos los planetas, las estrellas y todas las sustancias, se formaron más tarde, cuando habían pasado 300.000 años y la materia incandescente se enfrió lo suficiente durante la expansión. 
Solo el neutrino, el neutrino muón y el fotón no entraron en ningún sistema: su atracción mutua es demasiado débil. Han permanecido partículas libres.
Incluso en la etapa inicial de la formación del Universo (300.000 años después de su nacimiento), los protones y electrones libres se combinaron en átomos de hidrógeno (un protón y un electrón conectados por una fuerza eléctrica).
El protón es considerado la principal partícula elemental. con una carga de +1 y una masa de 1.672 10 −27 kg (algo menos de 2000 veces más pesado que un electrón). Los protones que se encontraron en una estrella masiva se convirtieron gradualmente en el "hierro" principal del Universo. Cada uno de ellos liberó el uno por ciento de su masa en reposo. En las estrellas supermasivas, que se contraen en pequeños volúmenes como resultado de su propia gravedad al final de sus vidas, un protón puede perder casi una quinta parte de su energía en reposo (y por lo tanto una quinta parte de su masa en reposo).Se sabe que los "microbloques de construcción" del Universo son los protones y los electrones.
Finalmente, cuando un protón y un antiprotón se encuentran, no surge ningún sistema, sino que toda su energía restante se libera en forma de fotones (). 
Los científicos afirman que también parece haber un gravitón fantasmal de partículas elementales básicas que lleva una interacción gravitacional similar al electromagnetismo. Sin embargo, la existencia de un gravitón solo ha sido probada teóricamente.
Surgieron así las principales partículas elementales que ahora representan nuestro Universo, incluida la Tierra: protones, electrones, neutrinos, fotones, gravitones y muchos más microobjetos descubiertos y por descubrir.