Понятие об элементарных частицах. Перспективы их использования в диагностике и лечебной медицине

РЕФЕРАТ

на тему:

Выполнила:

Студентка 5 курса

спец. «Медицинская биохимия»

группы № 092-2

Вертелецкая Юлия Андреевна

Проверил:

Кандидат медицинских наук, доцент

Мельченко Евгений Александрович

Ставрополь, 2013

Содержание

1.Введение

2.Краткая историческая справка

3.Элементарные частицы и их свойства

4.Взаимодействия элементарных частиц

Виды фундаментальных взаимодействий

Великое объединение

5.Практическое применение

Список использованной литературы

Введение

Понятие «элементарная частица» сформировалось в связи с установлением строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение в начале 20-го века мельчайших носителей свойств вещества – атомов – позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и достаточно большого, количества составляющих – атомов.

Выявления сложного строения атомов, оказавшихся построенными всего из трёх типов частиц (электронов и протонов и нейтронов в ядре), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи заканчивается дискретными бесструктурными образованиями – элементарными частицами. Нельзя с уверенностью сказать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, долгое время считавшиеся элементарными, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Есть гипотеза о том, что существуют так называемые «геометрические кванты». Её смысл заключается в том, что на расстоянии 10ֿ³³ см силы взаимодействия настолько велики, что само пространство сворачивается в некие микрообъекты, напоминая губку, и меньших расстояний попросту не бывает. Эти шарики и представляют собой «геометрические кванты», или струны. Сейчас термин «элементарные частицы» используется в не совсем точном значении, а включает в себя группу мельчайших частиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон – ядро атома водорода).

Краткая историческая справка

Первая элементарная частица – электрон – была открыта Дж.Дж. Томсоном в 1897 году. Он установил, что так называемые катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, названных впоследствии электронами. В 1911 году Э. Резерфорд, пропуская α-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги из разных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях – ядрах. В 1919 году обнаружил протоны – положительно заряженные частицы, с массой, в 1836,2 раза превышающей массу электрона – среди частиц, выбитых из атомных ядер. В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью частицу, входящую в состав атома – нейтрон, изучая взаимодействия α-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не имеет заряда. М. Планк, предположив, что энергия абсолютно чёрного тела квантована, получил правильную формулу для спектра излучения (1900 год). Развивая идею Планка, Эйнштейн постулировал, что электромагнитное излучение в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона даны Р. Милликеном (1912-1915 года) и А. Комптоном (1922 год). Открытие нейтрино – частицы, почти не взаимодействующей с веществом – ведёт своё начало от гипотезы В. Паули(1930 год), позволившей найти «невидимого вора» в процессах β-распада радиоактивных ядер (часть энергии исчезала неизвестно куда). Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 году Ф. Райнесом и К. Коуэном в США. К настоящему времени открыто около 350 элементарных частиц, различных по своим характеристикам: времени жизни, заряду, массе, спину и т.д.

Элементарные частицы и их свойства

1. Классификация элементарных частиц

Все частицы (в том числе неэлементарные и квазичастицы) делятся на бозоны (или бозе-частицы) и фермионы (или ферми-частицы). Бозонами называются частицы или квазичастицы, обладающие нулевым или целым спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (отсюда и происходит их название). К бозонам относятся: гипотетический гравитон (спин 2), фотон (спин 1), промежуточные векторные бозоны (спин 1), глюоны (спин 1), мезоны и мезонные резонансы, а также античастицы всех перечисленных частиц. Фермионами называются частицы или квазичастицы с полуцелым спином. Для них справедлив принцип Паули и они подчиняются статистике Ферми-Дирака. К фермионам относятся лептоны, барионы, барионные резонансы и кварки (спин ½), а также соответствующие античастицы. По времени жизни τ различают стабильные, квазистабильные и резонансные частицы или резонансы. Резонансными называют частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия со временем жизни 10ֿ²³ с. Нестабильные частицы, время жизни которых превышает 10ֿ²º с, распадаются за счёт слабого или электромагнитного, но не за счёт сильного взаимодействия. Такие частицы называются квазистационарными. Время 10ֿ²º с, ничтожное в обыденных масштабах, должно считаться большим, если его сравнивать с ядерным временем. Ядерное время – это время, которое требуется свету, чтобы пройти диаметр ядра (10ֿ¹³ см).

В микромире каждой частице соответствует античастица. В некоторых случаях частица полностью тождественна со своей античастицей. В таком случае частицу называют истинно нейтральной. К ним относятся фотон γ, π⁰-мезон, η⁰-мезон, J∕ ψ-мезон, ипсилон-частица. Если же частица и античастица не совпадают, то массы, спины, изотопические спины, времена жизни у частицы и античастицы одинаковы, а прочие характеристики одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Так, электрон и протон отличаются от позитрона и антипротона прежде всего знаком электрического заряда. Нейтрон и антинейтрон различаются знаком магнитного момента. Лептонные заряды у лептонов и атилептонов, барионные у барионов и антибарионов различаются по знаку. Понятия частицы и античастицы относительно. С тем же успехом учёные могли назвать позитрон – частицей, а электрон – античастицей. Но электроны преобладают в нашей Вселенной, а позитроны являются экзотическими объектами, поэтому и названы так, как названы. Что называть частицей, а что античастицей – лишь вопрос соглашения.

Также существует деление частиц на фотоны, лептоны и адроны. Адроны – большой класс элементарных частиц, участвуют во всех видах взаимодействий. В зависимости от значения спина, адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы. Мезоны – частицы с нулевым спином, барионы – со спином ¹/₂(у омега-гиперона - ³/₂). Лептоны – частицы, участвующие в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Спин лептонов равен ¹/_2.

Элементарные частицы

Взаимодействия элементарных частиц

1. Виды фундаментальных взаимодействий

В настоящее время в природе известны четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и присуще также адронам. К электромагнитным взаимодействиям сводятся непосредственно воспринимаемые нами силы природы (за исключением тяготения): упругие, вязкие, молекулярные, химические и прочие. Слабые взаимодействия вызывают β-распад радиоактивных ядер наряду с электромагнитными силами управляют поведением лептонов. Нейтральные лептоны не участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам.

Сильные и слабые взаимодействия проявляются только на коротких расстояниях. Радиус действия сильных взаимодействий составляет 10^{-13 см, а слабых – 2 х 10-16 см. Электромагнитные силы, напротив, являются дальнодействующими. Они убывают пропорционально квадрату расстояния между частицами. По тому же закону убывают гравитационные силы. Поэтому отношение электромагнитных и гравитационных сил не зависит от расстояния между взаимодействующими частицами. Таким образом, в области, где проявляются слабые силы, гравитационное взаимодействие частиц на много порядков меньше даже слабого. Поэтому гравитационное взаимодействие в физике микромира не учитывается.}

Классическая физика принимала, что взаимодействие между телами передаётся с конечной скоростью посредством силовых полей. Так, электрический заряд создаёт вокруг себя электрическое поле, которое в месте нахождения другого заряда действует на него с определённой силой. Так же, но уже посредством других силовых полей, осуществляются все взаимодействия в природе. Квантовая физика не изменила такие представления, но учла квантовые числа самого поля. Из-за корпускулярно-волнового дуализма всякому полю должна соответствовать определённая частица (квант поля), которая и является переносчиком взаимодействия. Одна из взаимодействующих частиц испускает квант поля, другая его поглощает. В настоящее время электромагнитное и слабое взаимодействия рассматриваются как разные проявления электрослабого взаимодействия. Слабые силы на малых расстояниях (порядка радиуса их действия) одного порядка с электромагнитными. Для промежутков времени, необходимых для переноса взаимодействия, закон сохранения энергии нарушается. Иначе, для частиц, переносящих взаимодействия, нарушается обычная связь между энергией и импульсом. Поэтому эти частицы и названы виртуальными, как и процессы испускания-поглощения виртуальных частиц. Сильное взаимодействие обеспечивает и самую сильную связь элементарных частиц. В частности, связь нуклонов в атомном ядре обусловлена сильным взаимодействием. Этим объясняется исключительная прочность атомных ядер, лежащая в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитное взаимодействие сводится взаимодействию электрических зарядов и магнитных моментов частиц с электромагнитным полем. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов в атомах, ионов в кристаллах, атомов в молекулах. Электромагнитное взаимодействие играет основную роль в окружающем нас макроскопическом мире наряду с тяготением. Это связано с тем, что сильное взаимодействие на расстояниях больше размера ядра атома практически исчезает. Электромагнитное же взаимодействие, как и тяготение, бесконечны по радиусу действия. Слабое взаимодействие и процессы, связанные с ним, протекают крайне медленно по ядерному времени. Гравитационное взаимодействие доминирует в случае больших масс объектов. Но в мире элементарных частиц на расстояниях порядка размера атомного ядра это взаимодействие ничтожно. Оно, возможно, становится существенным лишь на расстояниях порядка 10^{-33 см.}

2. Великое объединение

Одной из основных целей современной теоретической физики является единое описание окружающего нас мира. Например, специальная теория относительности объединила электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу. Квантовая теория, предложенная в работах Глеэшоу, Вайнберга и Салама, показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Так что есть основания полагать, что все фундаментальные взаимодействия в конечном итоге объединятся. Однако теоретические исследования по поиску единой теории всех фундаментальных взаимодействий идут полным ходом.

Объединение двух фундаментальных теорий современной физики – квантовой теории и общей теории относительности – в рамках единого теоретического подхода до недавнего времени было одной из важнейших проблем. Примечательно, что эти две теории взятые вместе, воплощают почти всю сумму человеческих знаний о наиболее фундаментальных взаимодействиях в природе. Поразительный успех этих двух теорий состоит в том, что вместе они могут объяснить поведение материи практически в любых условиях – от внутриядерной до космической области. Большой загадкой, однако, была несовместимость этих двух теорий. И было непонятно почему природа на своём глубоком фундаментальном уровне должна требовать двух разных подходов с двумя наборами математических методов, двух наборов постулатов и физических законов? В идеале хотелось бы иметь Единую теорию поля, объединяющую эти две фундаментальные теории. Однако попытки их соединения постоянно разбивались из-за появления бесконечностей (расходимостей) или нарушения некоторых важнейших физических принципов. Объединить эти теории удалось лишь в рамках теории струн и суперструн. Мы привыкли думать об элементарных частицах как о точечных объектах. Возможно, что первичным является не понятие частицы, а представление о некоей струне – протяжённом, неточечном объекте. В этом случае все наблюдаемые частицы – лишь колебания этих самых струн. Струны бесконечно тонки, но длина их конечна и составляет около 10^{-33 см. Это ничтожно мало даже по сравнению с размером нейтрино, так что для многих задач можно считать объекты точечными. Но для квантовой теории струнная природа элементарных частиц очень важна. Струны бывают открытыми и замкнутыми. Двигаясь в пространстве-времени, они покрывают (заметают) поверхности, называемые мировыми листами. Отметим, что поверхность мирового листа гладкая. Из этого следует одно важное свойство струнной теории – в ней нет ряда бесконечностей, присущих квантовой теории поля с точечными частицами. Струны имеют определённую устойчивую форму колебаний – моды, которые обеспечивают частице, соответствующей данной моде, такие характеристики, как масса, спин, заряд и другие квантовые числа. Это и есть окончательное объединение – все частицы могут быть описаны через один объект – струну. Таким образом, теория суперструн связывает все фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы между собой способом, похожим на тот, которым скрипичная струна позволяет дать единое описание всех тонов – зажимая по-разному скрипичные струны, можно извлекать самые разные звуки. Простейшее струнное взаимодействие, описывающее процесс превращения двух замкнутых струн в одну, можно представлять в виде устоявшейся аналогии – обычных брюк, форму которых приобретают их мировые листы. В этом случае штанины символизируют сближающиеся струны, сливающиеся в одну в районе верхней части брюк. Соединим два простейших струнных взаимодействия между собой (склеим двое брюк в районе пояса) и получим процесс, в котором две замкнутые струны взаимодействуют через объединение в промежуточную замкнутую струну, которая потом опять распадается на две, но уже другие. В струнной теории, в частности, существует замкнутая струна, соответствующая гравитону. Одной из особенностей теории является то, что она естественно и неизбежно включает в себя гравитацию как одно из фундаментальных взаимодействий.}

Практическое применение элементарных частиц

На первый взгляд, кажется, что изучение элементарных частиц имеет чисто теоретическое значение. Но это не так. Применение элементарным частицам нашли во многих сферах жизни.

Самое простое применение элементарных частиц – на ядерных реакторах и ускорителях. На ядерных реакторах с помощью нейтронов разбивают ядра радиоактивных изотопов, получая энергию. На ускорителях элементарные частицы используются для исследований. В электронных микроскопах используются пучки «жёстких» электронов, позволяющие увидеть более мелкие объекты, чем в оптическом микроскопе. Бомбардируя ядрами некоторых элементов полимерные плёнки, можно получить своеобразное «сито». Размер отверстий в нём может быть 10^{-7 см. Плотность этих отверстий доходит до миллиарда на квадратный сантиметр. Такие «сита» можно применять для сверхтонкой очистки. Они фильтруют воду и воздух от мельчайших вирусов, угольной пыли, стерилизуют лекарственные растворы, незаменимы при контроле за состоянием окружающей среды.}

Нейтрино в перспективе поможет учёным проникнуть в глубины Вселенной и получить сведения о раннем периоде развития галактик. Потоки нейтронов, получаемые на импульсных источниках, позволяет диагностировать живые клетки, не нарушая их нормальной работы. Пучки протонов используются в медицине вместо скальпеля. Дело в том, что протоны наносят вред только тем клеткам, в которых они остановились. Клетки же, которые протоны просто преодолели, практически не страдают от них. Должным образом подобрав энергию пучка протонов, можно истребить болезнь, не причиняя вреда здоровым соседним клеткам. Проводились опыты на собаках, которым облучали больной гипофиз. Теория блестяще подтвердилась, и теперь в Гатчине лечат опухоли, при которых хирургическое вмешательство противопоказано. Также некоторые элементарные частицы испускает горячая плазма. Они дают информацию о многих процессах, происходящих внутри неё. С помощью диагностики плазмы в перспективе можно добиться управления термоядерной реакцией.

Ускоритель — это установка для разгона пучков элементарных частиц. Ускорители играют важную практическую роль в медицинской терапии и диагностике. Многие больничные учреждения во всем мире сегодня имеют в своем распоряжении небольшие электронные линейные ускорители, генерирующие интенсивное рентгеновское излучение, применяемое для терапии опухолей. В меньшей мере используются циклотроны или синхротроны, генерирующие протонные пучки. Преимущество протонов в терапии опухолей перед рентгеновским излучением состоит в более локализованном энерговыделении. Поэтому протонная терапия особенно эффективна при лечении опухолей мозга и глаз, когда повреждение окружающих здоровых тканей должно быть по возможности минимальным.
Список использованной литературы

1. Д.В. Сивухин «Общий курс физики», том V «Атомная и ядерная физика», М.:ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2002

2. И.В. Савельев «Курс общей физики», том 3.М.: Наука, 1987

3. Т.И. Трофимова «Физика от А до Я», М.: Дрофа, 2002

4. В.С. Барашенков «Вселенная в электроне», М.: Дет. Лит., 1988

5. «Музыка сфер», «Вокруг света» №1 (2772) январь 2005 года, 30-40 стр.

6. Эврика 83-84, сост. А. Лельевр, М., Молодая гвардия, 1984