Кваркрвый и нуклонный уровни организации материи

В настоящее время в микромире выделяются следующие уровни вещества:

молекулярный; атомный; нуклонный; кварковый; суперструнный.

Нуклонный уровень

Нуклон - это ядро атома. Атомное ядро представляет центральную часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома (не менее 99,95 %) и весь его положительный заряд. Ядро атома называет нуклон, оно состоит из протона и нейтрона.

Протоны представляют собой элементарные частицы, которые являются ядрами атомов водорода. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе химических элементов и обозначается Z (число нейтронов - N). Протон несет элементарный положительный заряд. Он в 1836,1 раз тяжелее электрона; его размеры 10^{-13 см. Протон состоит из двух и-кварков с зарядом 0=+2/3 и одного} d-кварка с 0= -1/3, связанных глюонным полем.

Нейтроны состоят из одного u-кварка и двух d-кварков. Электрический заряд его равен 0, масса ≈ 940 МэВ. Нейтрон стабилен в атомных ядрах. Свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Нейтрон, как и протон, участвует во всех видах взаимодействий.

В ядре нуклоны связаны ядерными силами, которые на расстояниях порядка 10-15 м превышают любые другие силы, вследствие чего одноименно заряженные протоны не разлетаются под воздействием электростатического отталкивания. Размеры ядер атомов всех элементов порядка 10^-15 – 10^{-14 м. Эта величина в десятки тысяч раз меньше размеров атома.}

Кварковый уровень

Исходя из значения спина, все элементарные частицы можно разделить на две группы:

- частицы с целочисленным спином (0, 1, 2 ...) называются бозонами в честь известного физика Бозе. На них запрет Паули не распространяется, и они могут находиться вместе в любом количестве. В макромире бозоны проявляют себя обычно на уровне полей;

- частицы с полуцелым значением спина (1/2, 3/2 ...) называются фермионами в честь великого физика Ферми. Они могут находиться вместе только при условии, что их физические состояния и параметры не одинаковы. В макромире фермионы проявляются на уровне вещества. В свою очередь, фермионы разделяются на лептоны и кварки.

Кварки - электрически заряженные частицы, но их заряды имеют дробные значения по отношению к заряду электрона, принятого за 1, и равны 1/3, 2/3 с положительным или отрицательным знаком. Класс кварков содержит 6 частиц и столько же античастиц. Каждый тип кварков физики условно назвали ароматом. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, обозначающих их названия: u - up - верх, d - down - низ, s - strange - странность, c - charmed - очарование, b - beauty - красота, t - truth - истина.

Аромат обозначает квантовое число, приписываемое частице данного типа.

Кварки и антикварки группируются по 2 или по 3 частицы и образуют составные частицы адроны. Отдельно от адронов кварки существовать не могут. Большую часть комбинаций кварков составляют резонансы - неустойчивые короткоживущие частицы, быстро распадающиеся на стабильные частицы. Дальнейшие исследования показали, что кварки одного аромата не идентичны и различаются характером взаимодействием друг с другом. Поэтому для их описания ввели еще одно квантовое число, которое условно назвали цветом. Эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три «цвета» - красный, зеленый и синий - отражает действительность.

Связь между массой и энергией

Важнейшее следствие теории относительности, играющее одну из главных ролей в ядерной физике и физике элементарных частиц - универсальная связь между энергией и массой.

Эта связь следует из закона сохранения энергии и того факта, что масса тела зависит от скорости его движения. С помощью «Теории относительности» Эйнштейн установил формулу связи между энергией и массой: E=mc²

Если изменяется энергия системы, то изменяется и ее масса. Заметные изменения массы возможны лишь при очень больших изменениях энергии. При химических реакциях или при нагревании в обычных условиях изменения энергии настолько малы, что соответствующие изменения масс не удается обнаружить на опыте. Лишь при превращениях атомных ядер и элементарных частиц изменения энергии оказываются настолько большими, что изменение массы уже заметно. Например, при взрыве водородной бомбы выделяется около 10¹⁷Дж. Эта энергия превышает выработку электроэнергии на всем земном шаре за несколько дней. Выделяющаяся энергия уносится вместе с излучением. Излучение наряду с энергией обладает массой, которая составляет 0,1% массы исходных материалов.

Тело обладает энергией и при скорости, равной нулю. Это энергия покоя Е_о: E₀ = m₀c²

При превращениях элемента частиц, обладающих массой покоя в частицы, у которых m_о=0, энергия покоя целиком превращается в кинетическую энергию вновь образовавшихся частиц. Этот факт является наиболее очевидным экспериментальным доказательством существования энергии покоя.