phân loại các hạt sơ cấp.

Spin: Spin là một khái niệm trong vật lý, là bản chất của mômen xung lượng và là hiện tượng của cơ học lượng tử thuần tuý, không cùng với những sự tương đồng trong cơ học cổ điển,mômen

Trường ĐHSP Thái Nguyên

Khoa Vật Lý

Bài tiểu luận:

Giáo viên hướng dẫn: Th.s- GVC: Nguyễn Đình Chi Nhóm sinh viên thực hiện: Lớp Lý- K42A

Nội dung chính:

I Định nghĩa hạt sơ cấp

II

III Mẫu Quark và cấu tạo vật chất

IV Phân loại các hạt sơ cấp

I Định nghĩa hạt sơ cấp

Hạt sơ cấp(còn được gọi là hạt cơ bản) là những thực thể vi mô tồn tại như một hạt nguyên vẹn, đơn nhất

và không thể tách thành các thành phần nhỏ hơn.VD: hạt photon,

II Những đặc trưng của hạt sơ cấp

1 Khối lượng tĩnh( khối lượng nghỉ ):

+ Khối lượng nghỉ hay khối lượng tĩnh của một vật là khối lượng của vật xét trong hệ qui chiếu mà theo hệ đó vật là đứng yên Đa số các hạt sơ cấp đều

có khối lượng tĩnh khác 0, trừ photon và neutrino

có khối luợng tĩnh coi như bằng 0.

+ Khối lượng các hạt sơ cấp thường tính ra đơn

vị bằng khối lượng electron (m e ) hay tính ra

2 Thời gian sống:

+ Thời gian sống của hạt được đặc trưng cho quá trình phân rã tự nhiên của chúng Khái niệm thời gian sống ở đây cũng xác định như thời gian sống của hạt nhân phóng xạ.

+ Cho đến nay, người ta chỉ thấy có một số ít hạt bền vững (thời gian sống có thể coi là vô

cùng).VD : electron có thời gian sống 1022 năm , proton có thời gian sống 1030 năm Còn các hạt sơ cấp khác chỉ sống một thời gian ngắn rồi phân rã thành các hạt khác Thời gian sống của chúng vào khoảng

bản thông qua lý thuyết sác xuất,dựa trên thời gian

để một số lượng n hạt sơ cấp phân rã chỉ còn 0,5n hạt.

3 Điện tích : Một số hạt trung hoà về điện có điện tích bằng 0 như γ, πo, n, β, ν…Một số hạt khác mang điện tích dương hay âm Nói chung trị số tuyệt đối của các điện tích ấy đều bằng điện tích nguyên tố

của electron:

4 Spin:

Spin là một khái niệm trong vật lý, là bản chất của mômen xung lượng và là hiện tượng của cơ học lượng tử thuần tuý, không cùng với những sự

tương đồng trong cơ học cổ điển,mômen xung

lượng được phát triển từ xung lượng cho sự quay của một vật có khối lượng và biểu diễn bằng công thức L = r.p, nhưng spin trong cơ học lượng tử vẫn tồn tại ở một hạt với khối lượng bằng 0, bởi vì spin

là bản chất nội tại của hạt đó.

19

1,602

.

5 Số lạ: Từ những năm 1947, người ta tìm thấy một loại hạt sơ cấp mới Đó là các hạt: mezon K: K+, Ko (khối lượng vào khoảng 956 lần khối lượng e)

Hyperon( epon)Y có khối lượng lớn hơn nuclon.

Người ta gọi chúng là các hạt lạ vì chúng có 2 đặc trưng sau:

a) Chúng sinh ra trong những quá trình rất nhanh ( thời gian xảy ra quá trình ) và phân rã trong những quá trình chậm ( ).

b) Bao giờ cũng sinh ra đồng thời hai ba hạt lạ

nhưng không bao giờ sinh lẻ loi một hạt lạ hay vài hạt lạ cùng loại.

Người ta đưa ra khái niệm: Số lạ là đại lượng đặc trưng lượng tử của các hạt cơ bản

( Với hạt khác số lạ bằng 0, phản hạt có số lạ ngược dấu).

Giải thích các quá trính sinh hạt lạ người ta đưa ra định luật sau:

Định luật bảo toàn số lạ: Trong quá trình sinh hạt lạ tổng đại số

(số lạ ) của hệ được bảo toàn ( ).

VD: phương trình:

0 = -1 + 1 ( ) Còn :

Để mô tả quá trình Baryon người ta đưa ra một

số lượng tử mới gọi là số Baryon Mỗi Baryon được gán cho một số Baryon( B = +1) phản Baryon có số Baryon B =-1 Meson có số Baryon = 0 Trong các quá trình phản ứng hạt nhân các baryon tuân theo định luật bảo toàn số Baryon “ Trong các quá trình biến đổi của các hạt sơ cấp tổng (đại số) Baryon của

hệ là không thay đổi.”

7 Spin đồng vị:

Ta biết rằng tương tác giữa các hạt nucleon trong hạt nhân có một đặc tính là không phụ thuộc vào điện tích.Cụ thể tương tác giữa p-p,n-n,p-

n ,là như nhau (nếu các hạt nucleon đó ở những trạng thái như nhau) Nói cách khác, trong tương tác hạt nhân hai hạt proton và neutron không khác

gì nhau Người ta cho rằng khối lượng của proton khác với khối lượng của neutron là do proton có mang điện tích (nghĩa là do tương tác điện từ).

Như vậy trong tương tác hạt nhân,người ta có thể coi proton và neutron là hai trạng thái của cùng một hạt tức là hạt nuclon (N) Nếu không để ý đến tương tác điện từ thì hai trạng thái đó tương ứng với cùng một khối lượng, do đó cùng một năng lượng Nếu để

ý đến tương tác điện từ thì hai trạng thái đó tương

ứng với hai khối lượng khác nhau chút ít, do đó

tương ứng với hai mức năng lượng gần nhau Ta có thể so sánh tính chất này với tính chất của electron trong nguyên tử Nếu không để ý đến Spin thì mỗi

trạng thái electron trong nguyên tử tương ứng với

một mức năng lượng Nếu để ý đến Spin thì mức

năng lượng đó tác thành hai mức gần nhau, tương ứng với hai trạng thái của electron khác nhau vể sự định hướng của mômen Spin.

Sz = +1/2ħ và Sz = -1/2 ħ

Đối với nuclon, để tiện tính toán, người ta cũng đưa ra một đại lượng gọi là Spin đồng vị I Ta đã

biết nếu hệ có Spin thông thường là s thì hệ sẽ có 2s + 1 trạng thái ứng với các hình chiếu khác nhau

của Spin Tương tự nếu hệ có Spin đồng vị I thì hệ

sẽ có 2I + 1 trạng thái ứng với các giá trị khác nhau của hình chiếu Spin đồng vị trên một trục z nào đó.

Thành thử khái niệm Spin đồng vị cho phép ta

mô tả các trạng thái điện khác nhau của cùng một hạt.

VD: nucleon có hai trạng thái điện nghĩa là 2I + 1 = 2

do đó I = 1/2; p và n là hai trạng thái của nucleon khác nhau về hình chiếu của spin đồng vị, cụ thể là: Proton có Notron có

Tương tự ba hạt có thể coi là ba trạng thái của cùng một hạt, nghĩa là 2I + 1 = 3 Do

đó I = 1.Vậy hạt meson có spin đồng vị: I = 1 Ba trạng thái ứng với ba giá trị hình chiếu khác nhau của spin đồng vị của spin đồng vị của .

có , có , và có

1 2

z

I = +

1 2

z

I = −

0, ,

π π π+ −

π

π

Người ta nói (p, n) hợp thành một bộ đôi đồng vị, hợp thành một bộ ba đồng vị Đặc biệt hợp thành một bộ đơn đồng vị Đối hạt có cùng I và có IZ ngược dấu so với hạt.

8 Số lepton : Hiện nay ta biết được có sáu hạt lepton xếp

thành ba cặp Trong các phản ứng biến đổi bao giờ cũng sinh lepton theo từng cặp trên, hoặc nếu lepton mất đi, thì lại xuất hiện một lepton khác cùng cặp.

Để mô tả tính chất đó của lepton người ta đưa ra một số

lượng tử gọi là số lepton L: cặp lepton electron có số lepton , lepton Muy có , cặp lepton Tau (τ- , ντ ) có (các phản lepton có số lepton ngược dấu với lepton) và trong các phản ứng ,tổng đại số của số

lepton electron hay số lepton muy hoặc số lepton tau của hệ các hạt tham gia phản ứng được bảo toàn.

9 Phản hạt:

Thực nghiệm và lý thuyết chứng tỏ rằng mỗi hạt sơ cấp đều có phản hạt tương ứng; phản hạt là hạt có cùng khối lượng, thời gian sống, spin nhưng có

điện tích, mômen từ ngược dấu với hạt VD:

+ và có cùng khối lượng, cùng thời gian sống,

nhưng có điện tích ngược dấu.

III Mẫu Quark và cấu tạo vật chất

Cho đến nay, người ta đã phát hiện ra gần 300 hạt sơ cấp vì vậy người ta nghĩ rằng các hạt cơ bản phải được cấu tạo từ các hạt cơ bản nhỏ hơn nữa Mô hình thành công

nhất là mẫu Quark do Murray Gell-Mann và Georgre –

Zweig đưa ra năm 1963

Theo mẫu Quark người ta giả thiết mỗi Hadron đều do các thành phần cơ bản gọi là mẫu Quark cấu thành theo

từng tổ hợp riêng biệt Quark có các tính chất khác thường

là điện tích chỉ bằng một phần của điện tích nguyên tố, có spin s = 1/2 và cũng được đặc trưng bởi số Baryon B và số lạ S.

Ban đầu mẫu Quark không mô tả thực tế vật lý nào mà chỉ là một cách biểu diễn toán học khá hoàn hảo Nhưng

thực nghiệm đã làm sáng tỏ Quark là những phần tử cấu thành vật chất.

Thuở sơ khai, lý thuyết Quark đã bao gồm ba loại Quark đều mang điện tích phân số của đơn vị điện tích nguyên tố và được đặt là up(u), down(d) và strange(s), phản hạt

Để kiểm nghiệm các tính chất của Quark người ta đã tiến

hành thí nghiệm để tìm ra hạt có điện tích phân số (điện tích là phân số của đơn vị điện tích nguyên tố) Đến nay chưa thấy xuất hiện một hạt quark tự do nào trong thiên nhiên Nhưng thực nghiệm đã chứng tỏ sự tồn tại của các quark ở trạng thái liên kết với nhau

Để giải thích sự kiện không quan sát thấy các quark ở trạng thái tự do, lý thuyết Quark giả thiết lực hút giữa các Quark là

vô cùng nhỏ hoặc bằng 0 khi chúng cách nhau vào cỡ kích

thước của nucleon và trở thành cực kỳ lớn khi chúng tách xa nhau Lực giam hãm đó của Quark hoàn toàn khác với các lực khác vì các lực này lại giảm khi khoảng cách tăng Các giả

thiết đó đã được hợp nhất lại thành lý thuyết rất thành công trong giải thích giới hạn giam hãm Quark và các tính chất của Hadron.

, ,

u d s

Năm 1970,Sh.Gl show,J.Illioplos và L Maini đưa thêm Quark ( charm) bổ sung cho ba Quark đã biết.

Tháng 11 năm 1974, S.Ting và B.Richter phát hiện hạt meson , hạt này là liên kết và đã được

thực nghiệm quan sát và nhận giải Nobel năm 1976.

Năm 1979, thực nghiệm đã phát hiện hạt (Upsilon ) là liên kết của trong đó b (bottom hay beauty) là quark thứ 5.

Trong lý thuyết đối xứng Unita phải có 6 quark ứng với 6 lepton vì vậy phải có thêm 1 quark nữa là quark

vị t (taste) hay top (đỉnh ) là 1 hạt quan sát

được bằng thực tế( được tạo thành do hai chùm năng lượng 10 GeV) Năm 1984 ở CERN bởi Carlo- Rubia( Ý) và được nhận giải Nobel năm 1984.

Muốn dùng quark để tạo thành Hadron ta đưa qui tắc đơn giản sau đây:”Meson là do cặp quark và phản quark tạo thành còn baryon là do tổ hợp riêng biệt của ba quark” VD:

Sự phân loại này được biểu thị bằng sơ đồ đơn giản như hình 1.

: ud k us , :

Như vậy 6 quark và 6 lepton cùng với các phản hạt tương ứng là những thành phần cơ bản nhất Các tổ hợp của quark sẽ tạo ra mọi hạt sơ cấp khác cấu thành các chất trong vũ trụ.

IV Phân loại các hạt sơ cấp

1 Cơ sở phân loại

Dựa theo spin của các hạt sơ cấp, ta có thể chia thành hai loai hạt: Fermion và Boson.

2 Phân loại :

Bảng phân loại theo Spin ( hình 2 )

+ Meson D + Eton ()

+ Photon + Graviton + W-boson + Z-boson

Baryon Cộng hưởng Baryon

Meson Cộng hưởng Meson

A- FERMION.

Là hạt có spin bán nguyên, lấy theo tên của

Enrico Fermi (người đồng thời của Dirac) phát

triển qui tắc thống kê qui định hành vi của hạt này

là thống kê Fermi-Dirac mà hệ quả của nó là

nguyên lý loại trừ Pauli-“Không có hai fermi nào

có thể cùng chiếm một trạng thái cơ lượng tử vào cùng một thời điểm”.

A - 1.Quark

A - 2 Lepton.

- Lepton có nghiã là “nhỏ” và “mỏng” Tên này có trước khi khám phá

ra hạt Tauon, một loại hạt lepton nặng có khối lượng gấp đôi khối lượng proton Lepton khác với quark và gauge boson.

- Lepton là hạt tuyệt đối bền vững hoặc sống khá lâu so với thời gian hạt nhân (cỡ 10-23s).

- Lepton là hạt chất điểm, không có kích thước và không có cấu trúc

không gian.

- Lepton không tham gia tương tác mạnh (không chịu tác dụng của lực hạt nhân mạnh) có momen động lượng riêng (hay spin) J =1/2 ħ

- Các Lepton tích điện như electron, muon, tauon đều tham gia vào

tương tác điện từ (tác dụng của lực tĩnh điện Culomb) và tương tác yếu (chịu tác dụng của lực hạt nhân yếu).

- Các lepton trung hoà như neutrino-electron, neutrino-muy và

neutrino-tau chỉ tham gia tương tác yếu

- Lepton được chia làm 2 loại: + Điện tích.

+ Neutrino.

a.Điện tích: (điện tử)

Electron được Thomson phát hiện năm 1897 khi ông chứng minh bằng thực nghiệm rằng: Tia Catot có vận tốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng và bị lệch khi qua điện từ trường tức là tia catot gồm các hạt mang điện âm đồng thời ông đã

đo được tỷ số điện tích và khối lượng e/m =1.7588.10^11

C/kg.

b.Hạt pozitron:

Năm 1928, Đirăc đã kết hợp thuyết tương đối hẹp và thuyết lượng tử để xây dựng phương trình Schrodinger

Phương trình cho hai nghiệm, một loại nghiệm ứng với

electron, một loại nghiệm ứng với một loại hạt dự kiến là

phản electron, nó có cùng spin nhưng có điện tích và momen

từ ngược dấu Phản hạt đó của electron gọi là pozitron.

Năm 1932 khi nghiên cứu trường vũ trụ, Anderson đã tìm thấy phản hạt nói trên.

Tuy nhiên ta thường ít thấy pozitron vì khi pozitron gặp electron cả hai sẽ bị huỷ và sinh ra hai hạt.

Ngược lại: Photon do chất phóng xạ Thori có năng lượng 2,6MeV khi đập lên mẫu chì tạo thành một cặp e+ và e-.

Tóm lại: Sự khám phá ra pozitron chứng tỏ tính đối xứng điện tích của tự nhiên và mở đầu cho khái

niệm phản hạt: Mỗi hạt đều có 1 phản hạt có cùng khối lượng nhưng mang điện tích trái dấu.

Sự huỷ cặp e+ và e- đồng thơì tạo thành 2 phôtôn là những thí dụ minh hoạ cho khả năng biến đổi các hạt sơ cấp trên cơ sở của định luật bảo toàn.

2

ee+−+→ γ

c.Hạt neutrino:

Cũng là một hạt được tiên đoán bằng lý thuyết Năm

1937 khi vận dụng định luật bảo toàn năng lượng và momen động lượng để nghiên cứu hiện tượng phân rã , Paul đã đoán rằng : Trong sự phân rã , đồng thời electron còn có một hạt không mang điện được phóng ra Hạt này được

Fermi đặt tên là “neutron tí hon” theo tiếng Italya nghĩa là Neutrino (ký hiệu )

Vì không mang điện, khối lượng nhỏ và tương tác yếu với các hạt khác nên quan sát rất khó ( có thể xuyên qua

điện tử mà không gây ra sự biến đổi nào) chuyển động với vận tốc rất gần với vận tốc ánh sáng Năm 1956, nhận thấy bằng thực nghiệm bởi Clyde Cowan, Ferderick Reines,

F.B.Harrison, H.W.Kruse và A.D.McGuire.

lượng 1MeV, trong kim loại chì là 1018 m, ứng với 100 năm ánh sáng Với khả năng này ,neutrino trong vũ trụ dễ dàng xuyên qua các phản ứng phân hạch hạt nhân trong các sao

và mang đi 1 phần năng lượng đáng kể của sao (thiên văn học Neutrino)

+Do tương tác yếu nên các neutrino rất khó nắm bắt được, và chúng được giả định là một phần của vật chất tối trong vũ trụ

d Hạt Muy

Trong khi đi tìm hạt (hạt lượng tử của trường lực

hạt nhân theo tiên đoán của Yukawa) người ta lại thấy hạt trước và nhầm là pion

- Hạt được Anderson và Ned Dermrger tìm thấy

năm 1973 trong các tia vũ trụ.

- tham gia tương tác điện từ và tương tác yếu.

e Tauon( hạt Tau) phát hiện năm 1975.

π

µ−

µ−

A-3 Baryon.

- Baryon hay còn gọi là Baryon Fermion : là các hạt hadron có spin bán nguyên được tổ hơp từ 3 quark.

- Baryon thuộc cùng một họ của các hạt tương tác mạnh với nhau (người ta

đã thấy hạt tham gia tạo thành các siêu hạt nhân nghĩa là các hạt nhân trong đó một trong các neutron được thay thế bằng ).

- Trong các phản ứng mà Baryon tham gia số Baryon và số lạ được bảo

toàn.

- Baryon được chia làm hai loại:

* Nucleon: proton và neutron.

* Hyperon: là các hạt có thời gian tồn tại rất ngắn và nặng hơng các thành phần hạt nhân Chúng thường không xuất hiện trong hạt

nhân mà chỉ đựơc hình thành trong các phản ứng vật chất, sau đó phân

rã thành dạng khác.

Nhờ các máy gia tốc mạnh, cho đến nay người ta đã nhận ra hàng trăm

cộng hưởng baryon Tất cả các hạt cộng hưởng Baryon đều có spin bán nguyên và được sinh ra từ các phản ứng tương tác mạnh cho nên chúng được xếp cùng họ với Baryon.

1.N ucleon

a.Proton.

Hình vẽ cấu trúc Quark của Proton:

Ernest Rutherford được xem là người đầu tiên khám phá

ra proton Năm 1918 Rutherford nhận thấy rằng khi hạt anpha bắn vào hơi Nito, máy đo sự nhấp nháy chỉ ra dấu hiệu của hạt nhân hydro Rutherford tin rằng hạt nhân hydro này chỉ có thể đến từ Nito.Vì vậy Nitơ phải chứa hạt nhân Hydro.Từ đó ông cho rằng hạt nhân hydro,có số nguyên tử 1 là một hạt cơ bản

đó là proton.

u u

d