История открытия основных элементарных частиц


ЭЛЕМЕНТА́РНЫЕ ЧАСТИ́ЦЫ, пер­вич­ные (не­де­ли­мые) мель­чай­шие час­ти­цы, из ко­то­рых со­сто­ит вся ма­те­рия. Ис­то­ри­че­ски к пер­вым Э. ч. от­но­си­ли ато­мы, пока не бы­ла об­на­ру­же­на их слож­ная струк­ту­ра: атом со­сто­ит из атом­но­го яд­ра и вра­щаю­щих­ся во­круг не­го элек­тро­нов. От­кры­тие струк­ту­ры атом­ных ядер, по­стро­ен­ных из двух час­тиц, про­то­нов и ней­тро­нов, соб­ст­вен­но и ста­ло ро­ж­де­ни­ем фи­зи­ки Э. ч. К Э. ч. ста­ли от­но­сить про­то­ны, ней­тро­ны, элек­тро­ны и позд­нее ней­три­но. Вся на­блю­дае­мая во­круг нас ма­те­рия со­сто­ит из ато­мов, ко­то­рые, в свою оче­редь, со­сто­ят из про­то­нов, ней­тро­нов и элек­тро­нов, а ней­три­но ро­ж­да­ют­ся в про­цес­се рас­па­да ней­тро­на. Не­ко­то­рое вре­мя спус­тя бы­ло об­на­ру­же­но, что кро­ме этих час­тиц су­ще­ст­ву­ет ещё мно­го дру­гих, ко­то­рые, од­на­ко, име­ют очень ко­рот­кое вре­мя жиз­ни и поч­ти мгно­вен­но рас­па­да­ют­ся. На 2017 из­вест­но ок. 150 Э. ч., и чис­ло их воз­рас­та­ет.


В то же вре­мя в экс­пе­ри­мен­тах на ус­ко­ри­те­лях бы­ло об­на­ру­же­но, что по­дав­ляю­щее боль­шин­ст­во этих час­тиц не ис­тин­но эле­мен­тар­ные, а так­же яв­ля­ют­ся со­став­ны­ми. Даль­ней­шее раз­ви­тие фи­зи­ки Э. ч. увен­ча­лось соз­да­ни­ем стан­дарт­ной мо­де­ли, в ко­то­рой ис­тин­но эле­мен­тар­ны­ми и бес­струк­тур­ны­ми счи­та­ют­ся 12 час­тиц (6 квар­ков и 6 леп­то­нов) и кван­ты – пе­ре­нос­чи­ки трёх фун­дам. взаи­мо­дей­ст­вий: фо­тон, ка­либ­ро­воч­ные бо­зо­ны W и Z и глю­он. Сю­да же сле­ду­ет от­не­сти и бо­зон Хигг­са, иг­раю­щий в стан­дарт­ной мо­де­ли важ­ную роль и яв­ляю­щий­ся и Э. ч. ма­те­рии, и пе­ре­нос­чи­ком взаи­мо­дей­ст­вия (см. Хигг­са бо­зон).

Со­глас­но совр. пред­став­ле­ни­ям, Э. ч. опи­сы­ва­ют­ся кван­то­вой тео­ри­ей. Их клас­си­фи­ка­ция ос­но­ва­на на по­ня­тии кван­то­вых чи­сел, к ко­то­рым от­но­сят­ся за­ря­ды по от­но­ше­нию к разл. взаи­мо­дей­ст­ви­ям, спин (соб­ст­вен­ный уг­ло­вой мо­мент), чёт­ность по от­но­ше­нию к про­стран­ст­вен­ным от­ра­же­ни­ям, ба­ри­он­ное и леп­тон­ное чис­ла и т. д. Все кван­то­вые чис­ла яв­ля­ют­ся со­хра­няю­щи­ми­ся ве­личи­на­ми, свя­зан­ны­ми с груп­пой сим­мет­рии. Стан­дарт­ная мо­дель ос­но­ва­на на уни­тар­ной груп­пе внутр. сим­мет­рии SU(3)×SU(2)×U(1) и про­стран­ст­вен­ной груп­пе Пу­ан­ка­ре. Час­ти­цы так­же клас­си­фи­ци­ру­ют­ся со­глас­но тем взаи­мо­дей­ст­ви­ям, в ко­то­рых они при­ни­ма­ют уча­стие.

Элементарные частицы материи


Эле­мен­тар­ные ча­сти­цы ма­те­рии раз­де­ля­ют­ся на квар­ки и леп­то­ны. Квар­ки уча­ст­ву­ют в силь­ных, сла­бых и элек­тро­маг­нит­ных взаи­мо­дей­ст­ви­ях. В силь­ных взаи­мо­дей­ст­ви­ях квар­ки вы­сту­па­ют в ви­де три­пле­тов; со­от­вет­ст­вую­щее кван­то­вое чис­ло, на­зы­вае­мое цве­том, при­ни­ма­ет 3 зна­че­ния. В сла­бых взаи­мо­дей­ст­ви­ях квар­ки вы­сту­па­ют в ви­де дуб­ле­тов; со­от­вет­ст­вую­щее кван­то­вое чис­ло, на­зы­вае­мое сла­бым изо­спи­ном, при­ни­ма­ет 2 зна­че­ния. Элек­трич. за­ряд квар­ков дроб­ный: для u-квар­ка из изо­спи­но­во­го дуб­ле­та он ра­вен +2/3, для b-квар­ка –1/3 в еди­ни­цах за­ря­да элек­тро­на. Квар­ки име­ют спин 1/2 и, сле­до­ва­тель­но, яв­ля­ют­ся фер­мио­на­ми.

Леп­то­ны уча­ст­ву­ют в сла­бых и элек­тро­маг­нит­ных взаи­мо­дей­ст­ви­ях. В сла­бых взаи­мо­дей­ст­ви­ях леп­то­ны, как и квар­ки, вы­сту­па­ют в ви­де дуб­ле­тов. Элек­трич. за­ряд леп­то­нов це­лый, рав­ный –1 у элек­тро­на и 0 у ней­три­но. Леп­то­ны так­же яв­ля­ют­ся фер­мио­на­ми и име­ют спин 1/2.


По­ка не до кон­ца яс­на при­ро­да лег­чай­ше­го леп­то­на – ней­три­но. Для ней­три­но, элек­три­че­ски ней­траль­ной час­ти­цы, воз­мож­на си­туа­ция, ко­гда оно яв­ля­ет­ся ан­ти­час­ти­цей са­мо­му се­бе. В этом слу­чае его на­зы­ва­ют май­о­ра­нов­ским ней­три­но. Но ес­ли это раз­ные час­ти­цы, то то­гда ней­три­но яв­ля­ет­ся ди­ра­ков­ской час­ти­цей. Не­из­вест­но и аб­со­лют­ное зна­че­ние мас­сы ней­три­но, из­вест­ны толь­ко раз­но­сти масс ме­ж­ду разл. сор­та­ми ней­три­но, ко­то­рые чрез­вы­чай­но ма­лы.

Су­ще­ст­ву­ют 3 по­ко­ле­ния квар­ков и леп­то­нов (рис.). Час­ти­цы раз­ных по­ко­ле­ний име­ют оди­на­ко­вые кван­то­вые чис­ла и раз­ли­ча­ют­ся толь­ко мас­са­ми, каж­дое сле­дую­щее по­ко­ле­ние тя­же­лее пре­ды­ду­ще­го. Спектр масс квар­ков и леп­то­нов в стан­дарт­ной мо­де­ли про­из­воль­ный и про­сти­ра­ет­ся от до­лей эВ для ней­три­но и не­сколь­ких МэВ для лёг­ких квар­ков до не­сколь­ких ГэВ для тя­жё­лых квар­ков и леп­то­нов и сот­ни ГэВ для са­мой тя­жё­лой час­ти­цы – t-квар­ка. Спектр масс не пред­ска­зы­ва­ет­ся стан­дарт­ной мо­де­лью и оп­ре­де­ля­ет­ся из экс­пе­рим. дан­ных. Мас­сы всех квар­ков и леп­то­нов воз­ни­ка­ют в ре­зуль­та­те их взаи­мо­дей­ст­вия с по­лем Хигг­са.


Квар­ки не на­блю­да­ют­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии. Их мож­но на­блю­дать толь­ко в свя­зан­ных со­стоя­ни­ях, на­зы­вае­мых ад­ро­на­ми, ко­то­рые име­ют це­ло­чис­лен­ный элек­трич. за­ряд и ней­траль­ны по от­но­ше­нию к кван­то­во­му чис­лу «цвет». Леп­то­ны, на­обо­рот, на­блю­да­ют­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии и так­же «бес­цвет­ны». В стан­дарт­ной мо­де­ли счи­та­ет­ся, что квар­ки не мо­гут пе­ре­хо­дить в леп­то­ны и на­обо­рот, т. к. эти про­цес­сы при­ве­ли бы к не­со­хра­не­нию ба­ри­он­но­го и леп­тон­но­го за­ря­дов. Эти за­ко­ны со­хра­не­ния не сле­ду­ют из об­щих прин­ци­пов сим­мет­рии, но на­дёж­но ус­та­нов­ле­ны экс­пе­ри­мен­таль­но. Все квар­ки име­ют ба­ри­он­ный за­ряд, рав­ный 1/3, и леп­тон­ный за­ряд, рав­ный ну­лю, а леп­то­ны име­ют леп­тон­ный за­ряд, рав­ный 1, и ну­ле­вой ба­ри­он­ный за­ряд.

Элементарные частицы – переносчики взаимодействий

Со­глас­но кван­то­вой тео­рии, все взаи­мо­дей­ст­вия Э. ч. осу­ще­ст­в­ля­ют­ся за счёт об­ме­на кван­та­ми со­от­вет­ст­вую­щих по­лей. Пе­ре­нос­чик силь­но­го взаи­мо­дей­ст­вия – глю­он; он яв­ля­ет­ся ок­те­том по от­но­ше­нию к цве­ту и не име­ет ни изо­спи­на, ни элек­трич.
­ря­да. Как и кварк, глю­он не на­блю­да­ет­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии, а за­перт внут­ри ад­ро­нов. Пе­ре­нос­чи­ки сла­бых взаи­мо­дей­ст­вий – про­ме­жу­точ­ные век­тор­ные W- и Z-бо­зо­ны. Они «бес­цвет­ны», яв­ля­ют­ся три­пле­та­ми по от­но­ше­нию к сла­бо­му изо­спи­ну, W-бо­зон име­ет элек­трич. за­ряд ±1, Z-бо­зон ней­тра­лен. Пе­ре­нос­чик элек­тро­маг­нит­но­го взаи­мо­дей­ст­вия – фо­тон; он «бес­цве­тен», не име­ет изо­спи­на и то­же ней­тра­лен. Пе­ре­нос­чи­ки всех этих взаи­мо­дей­ст­вий яв­ля­ют­ся бо­зо­на­ми и име­ют спин, рав­ный 1. Они не не­сут ни ба­ри­он­но­го, ни леп­тон­но­го за­ря­да.

По­след­ней час­ти­цей в этом ря­ду сто­ит бо­зон Хигг­са. Он иг­ра­ет двоя­кую роль в стан­дарт­ной мо­де­ли: за счёт взаи­мо­дей­ст­вия с клас­сич. со­став­ляю­щей хигг­сов­ско­го по­ля все час­ти­цы стан­дарт­ной мо­де­ли при­об­ре­та­ют мас­су, а сам хигг­сов­ский бо­зон яв­ля­ет­ся пе­ре­нос­чи­ком ещё од­но­го взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду квар­ка­ми и леп­то­на­ми, ин­тен­сив­ность ко­то­ро­го про­пор­цио­наль­на мас­сам час­тиц. Он уча­ст­ву­ет так­же в сла­бых взаи­мо­дей­ст­ви­ях и яв­ля­ет­ся дуб­ле­том по от­но­ше­нию к сла­бо­му изо­спи­ну. Элек­трич. за­ряд бо­зо­на Хигг­са ра­вен ну­лю, спин так­же ну­ле­вой.

Некоторые проблемы теории элементарных частиц


Со­глас­но экс­пе­рим. дан­ным по рас­падам Э. ч., а так­же с учё­том дан­ных по тем­пе­ра­тур­ным флук­туа­ци­ям мик­ро­вол­но­во­го фо­но­во­го из­лу­че­ния, чис­ло по­ко­ле­ний Э. ч. рав­но трём. Тео­ре­тич. объ­яс­не­ния это­го фак­та по­ка нет. Это оз­на­ча­ет, что по­сколь­ку все пе­ре­чис­лен­ные вы­ше час­ти­цы от­кры­ты экс­пе­ри­мен­таль­но, то дру­гих, но­вых Э. ч. не су­ще­ст­ву­ет. Од­на­ко воз­мож­но су­ще­ст­во­ва­ние иных Э. ч., ко­то­рые не опи­сы­ва­ют­ся стан­дарт­ной мо­де­лью и по­ка не об­на­ру­же­ны, т. к. они ли­бо слиш­ком тя­же­лы и не мо­гут ро­дить­ся на ус­ко­ри­те­лях час­тиц, ли­бо слиш­ком сла­бо взаи­мо­дей­ст­ву­ют с из­вест­ны­ми час­ти­ца­ми и по­это­му по­ка не об­на­ру­же­ны. При­ме­ром слу­жат ги­по­те­тич. час­ти­цы, со­став­ляю­щие тём­ную ма­те­рию, ко­то­рая про­яв­ля­ет­ся за счёт свое­го гра­ви­тац. по­ля, но не за­ре­ги­ст­ри­ро­ва­на по­ка как ин­ди­ви­ду­аль­ная час­ти­ца.

К Э. ч. мо­жет быть от­не­сён так­же гра­ви­тон – квант гра­ви­тац. по­ля, но за­ре­ги­ст­ри­ро­вать его ещё труд­нее, по­сколь­ку в си­лу ис­клю­чи­тель­ной сла­бо­сти гра­ви­та­ци­он­но­го взаи­мо­дей­ст­вия тре­бу­ет­ся сре­до­то­чие ог­ром­ных масс для по­лу­че­ния силь­ной гра­ви­та­ции, что воз­мож­но лишь в ок­ре­ст­но­сти чёр­ных дыр.

Кро­ме час­тиц, в при­ро­де су­ще­ст­ву­ют ан­ти­час­ти­цы, со­став­ляю­щие ан­ти­ма­терию.


­ж­дая час­ти­ца име­ет сво­его парт­нё­ра, ан­ти­час­ти­цу, ко­то­рая име­ет те же са­мые свой­ст­ва и ту же мас­су, что и обыч­ная час­ти­ца, но про­ти­во­по­лож­ные зна­ки всех за­ря­дов. Су­ще­ст­во­ва­ние ан­ти­час­тиц сле­ду­ет из урав­не­ний ре­ля­ти­ви­ст­ской кван­то­вой тео­рии по­ля, ко­то­рая опи­сы­ва­ет все Э. ч. Не­на­блю­дае­мость ан­ти­час­тиц в ок­ру­жаю­щем нас ми­ре, при том что они все­гда ро­ж­да­ют­ся на ус­ко­ри­те­лях в па­ре с обыч­ны­ми час­ти­ца­ми, объ­яс­ня­ет­ся тем, что на ран­них ста­ди­ях эво­лю­ции Все­лен­ной был на­рушен ба­ланс ме­ж­ду час­ти­ца­ми и ан­ти­час­ти­ца­ми. В ре­зуль­та­те час­тиц об­ра­зо­ва­лось боль­ше, чем ан­ти­час­тиц, про­изош­ла их вза­им­ная ан­ни­ги­ля­ция, и те час­ти­цы, ко­то­рые ос­та­лись, об­ра­зу­ют совр. Все­лен­ную.

По­сколь­ку ни квар­ки, ни глюо­ны не на­блю­да­ют­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии, об их су­ще­ст­во­ва­нии из­вест­но кос­вен­но, из экс­пе­ри­мен­тов по рас­сея­нию про­то­нов и элек­тро­нов. Эти экс­пе­ри­мен­ты по­хо­жи на опы­ты Ре­зер­фор­да, в ко­то­рых бы­ло от­кры­то атом­ное яд­ро, и де­мон­ст­ри­ру­ют, что внут­ри про­то­нов и др. ад­ро­нов на­хо­дят­ся то­чеч­ные со­став­ляю­щие, на ко­то­рых и про­ис­хо­дит рас­сея­ние. Та­ким об­ра­зом ус­та­нов­ле­но, что ад­ро­ны – со­став­ные час­ти­цы, об­ра­зо­ван­ные из квар­ков, а глюо­ны – «клей», ко­то­рый за счёт силь­но­го взаи­мо­дей­ст­вия не по­зво­ля­ет квар­кам раз­ле­теть­ся и де­ла­ет ад­ро­ны ста­биль­ны­ми.

Кварковая модель адронов


Пер­во­на­чаль­но квар­ки бы­ли пред­ло­же­ны для клас­си­фи­ка­ции ад­ро­нов, но по­сле опы­тов по рас­сея­нию при­об­ре­ли ста­тус ре­аль­ных час­тиц. Ад­ро­ны, со­став­лен­ные из квар­ков, де­лят­ся на два боль­ших клас­са: ба­рио­ны (час­ти­цы с по­лу­це­лым спи­ном) и ме­зо­ны (час­ти­цы с це­лым спи­ном).

Ба­рио­ны со­сто­ят из трёх квар­ков. Так, напр., про­тон со­сто­ит их двух u-квар­ков и од­но­го d-квар­ка, при­чём цве­та квар­ков со­став­ле­ны так, что про­тон «бес­цве­тен», а спи­ны раз­но­на­прав­ле­ны, так что сум­мар­ный спин ока­зы­ва­ет­ся рав­ным 1/2. Элек­трич. за­ряд про­то­на ра­вен сум­ме за­ря­дов квар­ков и ра­вен +1. Ней­трон по­стро­ен ана­ло­гич­ным об­ра­зом и со­сто­ит из двух d-квар­ков и од­но­го u-квар­ка. Су­ще­ст­ву­ют и ба­рио­ны со спи­ном 3/2. Все ба­рио­ны име­ют ба­ри­он­ный за­ряд, рав­ный 1. Из­на­чаль­но квар­ко­вая мо­дель ос­но­вы­ва­лась на трёх квар­ках (u, d и s) и все ба­рио­ны пред­став­ля­ли со­бой разл. ком­би­на­ции, со­став­лен­ные из этих квар­ков.


Ме­зо­ны со­сто­ят из квар­ка и ан­тик­вар­ка и име­ют ба­ри­он­ный за­ряд, рав­ный ну­лю. Так, напр., лег­чай­шие силь­но­взаи­мо­дей­ст­вую­щие час­ти­цы – π-ме­зо­ны – име­ют сле­дую­щий квар­ко­вый со­став: $π^{+}=uoverline d$, $π^{-}=overline ud$, $π^0=uoverline u+doverline d$. Чер­та над сим­во­лом квар­ка обо­зна­ча­ет ан­ти­кварк. Спи­ны квар­ков раз­но­на­прав­ле­ны, и пол­ный спин π-ме­зо­на ра­вен ну­лю. Су­ще­ст­ву­ют ме­зо­ны и со спи­ном 1, ко­гда спи­ны со­став­ляю­щих их квар­ков од­но­на­прав­ле­ны.

Для сис­те­ма­ти­за­ции ад­рон­ных со­стоя­ний ис­поль­зо­ва­ли груп­пу уни­тар­ной сим­мет­рии SU(3), где чис­ло 3 со­от­вет­ст­вова­ло чис­лу квар­ков. Все имею­щие­ся ба­рио­ны, со­став­лен­ные из трёх квар­ков, и ме­зо­ны, со­став­лен­ные из квар­ка и ан­тик­вар­ка, пре­крас­но ук­ла­ды­ва­ют­ся в пред­став­ле­ния этой груп­пы, та­кие как ок­тет, но­нет или де­ку­плет. Ес­ли бы час­ти­цы из муль­ти­пле­тов име­ли оди­на­ко­вые мас­сы, то сим­мет­рия бы­ла бы точ­ной. Из-за раз­ли­чия масс квар­ков она на­ру­ша­ет­ся, од­на­ко это не при­во­дит к раз­ру­ше­нию муль­ти­пле­тов, ко­то­рые со­дер­жат все воз­мож­ные час­ти­цы и пра­виль­но пе­ре­да­ют их кван­то­вые чис­ла. Та­кая клас­си­фи­ка­ция час­тиц на ос­но­ве квар­ко­вой мо­де­ли по­лу­чи­ла назв. вось­ме­рич­но­го пу­ти в со­от­вет­ст­вии с про­стей­шим муль­ти­пле­том. Ны­не, ко­гда из­вест­ны 6 квар­ков, груп­па сим­мет­рии долж­на быть рас­ши­ре­на до груп­пы SU(6) и все имею­щие­ся ад­ро­ны долж­ны при­над­ле­жать к пред­став­ле­ни­ям этой груп­пы.


Все пред­став­лен­ные вы­ше ад­ро­ны яв­ля­ют­ся «бес­цвет­ны­ми» ком­би­на­ция­ми цвет­ных квар­ков, но они не един­ст­вен­но воз­мож­ны. До­пус­ти­мы так­же ад­ро­ны, со­став­лен­ные из че­ты­рёх, пя­ти и шес­ти квар­ков и ан­тик­вар­ков. Они по­лу­чи­ли на­зва­ние эк­зо­тич. ад­ро­нов. Их так­же на­зы­ва­ют тет­ра-, пен­та- и сек­ста­к­вар­ка­ми в за­ви­си­мо­сти от чис­ла со­став­ляю­щих их квар­ков. По­лу­че­но экс­пе­рим. под­твер­жде­ние их су­ще­ст­во­ва­ния. Воз­мож­но так­же су­ще­ст­во­ва­ние ад­ро­на, об­ра­зо­ван­но­го ис­клю­чи­тель­но из глюо­нов. Он по­лу­чил на­зва­ние глю­бо­ла, но по­ка ещё дос­то­вер­но не иден­ти­фи­ци­ро­ван.

Боль­шин­ст­во Э. ч. не­ста­биль­ны и рас­па­да­ют­ся на бо­лее лёг­кие, ес­ли это не за­пре­ще­но за­ко­на­ми со­хра­не­ния энер­гии, элек­трич., цвет­но­го, ба­ри­он­но­го и леп­тон­но­го за­ря­дов. Ста­биль­ны фо­тон, элек­трон­ное и мю­он­ное ней­три­но, элек­трон, про­тон и их ан­ти­час­ти­цы. Ос­таль­ные Э. ч. са­мо­про­из­воль­но рас­па­да­ют­ся за вре­мя от ок. 103 с (для сво­бод­но­го ней­тро­на) до 10–17–10–24 (для ад­ро­нов). В обоб­ще­ни­ях стан­дарт­ной мо­де­ли при энер­ги­ях, за­ве­до­мо не­дос­туп­ных ус­ко­ри­те­лям, воз­мо­жен и рас­пад про­то­на, од­на­ко его вре­мя жиз­ни боль­ше 1034 лет, что на­мно­го пре­вы­ша­ет вре­мя жиз­ни Все­лен­ной. Экс­пе­рим. под­твер­жде­ния рас­па­да про­то­на по­ка не по­лу­че­но.

Источник: bigenc.ru

Какие бывают элементарные частицы

После открытия электрона ученые ввели в картину мира фотон и остальные бозоны, дополнили список лептонов и открыли кварки.

С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено. Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:

  • то, что мы видим невооруженным глазом;
  • молекулярная структура;
  • атомная структура;
  • элементарный уровень.

Последняя «оболочка» была открыта не так давно и на данный момент считается самой маленькой. Она включает в себя все элементарные или фундаментальные частицы.

Да, их очень много  но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).

История открытия основных элементарных частиц
Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы

Элементарные частицы, в отличие от атомов, — это не всегда реально существующие объекты. Это, скорее, модели, созданные для описания разных видов взаимодействий и свойств материи.

Например, электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов, ядро атома находится в стабильном состоянии благодаря мезонам — частицам, удерживающим протоны и нейтроны.

Физики выделяют разные виды взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное) и типы материи (атомы, антиматерия, темная материя, излучения). Чтобы изучить их свойства, нужно подробно описать их природу.

Во второй половине ХХ века группа ученых создала теорию под названием «Стандартная модель». Она помогла систематизировать большое количество открытых на тот момент элементарных частиц и соотнести каждую со своим видом материи или взаимодействия. Сейчас эта теория считается завершенной и включает 17 видов элементарных частиц, вместе описывающих 3 фундаментальных взаимодействия и некоторую часть известных видов материи. Однако Стандартная модель описывает далеко не всё. Например, в ее рамках нельзя описать силу гравитации, и ученые до сих пор ломают голову над тем, как бы ее объяснить.

Чтобы разобраться в мире элементарных частиц, мы расскажем обо всех 17 частицах Стандартной модели, разделив их на две большие группы: фермионы и бозоны.

I. Фермионы

В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.

Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.

Как устроен атом

Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).

Долгое время протоны и нейтроны считались неделимыми, но они слишком большие для элементарных частиц. Позже ученые установили, что каждая из них состоит из трех кварков.

Кварки — любители ходить в парах

В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.

Лептоны — одиночки

Второй тип фермионов — лептоны, их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).

Лептоны похожи на волков-одиночек, и самый влиятельный и могущественный среди них (прямо как волк с Уолл-стрит) — электрон, самый распространенный и наиболее изученный лептон.

Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.

Нейтрино — неуловимые лептоны

Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.

Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.

Каждое нейтрино соответствует своему лептону (электрону, мюону, тау-лептону), так как напоминает его по своим квантовым характеристикам. Разные виды этих частиц, двигаясь совместно, могут переходить друг в друга — это называется нейтринной осцилляцией.

Итак, фермионы бывают двух видов: кварки и лептоны. Первые могут существовать только группами, а вторые — только по отдельности. Первые входят в состав ядер атомов, вторые — в состав электронных оболочек этих атомов.

А теперь мы переходим ко второй, не менее интересной группе элементарных частиц — бозонам. Готовы спорить, что она у вас на слуху благодаря одному известному ее представителю.

II. Бозоны

Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи́не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот. А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.

Спин обуславливает обменное взаимодействие элементарных частиц, когда между двумя одинаково заряженными частицами может возникать связь (это свойство исчезает при переходе к большим системам). Если по законам классической механики два электрона должны отталкиваться, то квантовая механика «разрешает» им находиться относительно близко друг от друга — на одной орбитали.

История открытия основных элементарных частиц
Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов

Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой. Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.

Выделяют 8 типов глюонов.

Глюоны напоминают кварки и фотоны одновременно: их никогда не видели в свободном состоянии, они не имеют заряда и в теории не обладают массой. Глюоны отвечают за передачу между кварками квантовой характеристики, называемой цветом (общее с теми цветами, которые мы видим, — только название).

Последний тип — бозоны Хиггса — очень странная вещь. Они существовали лишь теоретически, их долго не могли обнаружить, однако в 2012 году это удалось сделать с помощью Большого адронного коллайдера (БАК).

Бозон Хиггса обуславливает массы всех элементарных частиц. Его открытие завершило Стандартную модель.

Она описывает 3 вида взаимодействий: электромагнитное, сильное (между нуклонами в ядре атома) и слабое, но ее нельзя считать Теорией всего, так как она не описывает, например, гравитационное взаимодействие, темную материю и энергию. Так что у физики большое и светлое будущее.

Итак, бозоны переносят различные виды взаимодействий. Они имеют целочисленный спин и различаются между собой массой и свойствами. Существование всех этих частиц ученые уже доказали с помощью БАК.

Составные частицы

Фермионы и бозоны — это лишь основа всей физики элементарных частиц. Соединяясь, они образуют что-то вроде молекул. Это очень похоже на химическую реакцию: две элементарные частицы могут соединяться друг с другом, как и химические вещества.

Самый известный вид составных частиц — адроны. Их делят на два вида: барионы и мезоны. Барионы — это частицы, состоящие из кварков, в том числе протоны и нейтроны; мезоны переносят взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов.

Физика элементарных частиц невероятно разнообразна. Кроме перечисленных основных классов выделяют также квазичастицы («почти»-частицы), которые формально не существуют: человек придумал их для описания различных природных процессов. Кроме того, есть много гипотетических частиц, существование которых экспериментально не подтверждено.


Сегодня мы знаем Вселенную едва ли на 0,1 %. С помощью физики мы пытаемся расширить границы познания и описать всё, что нам непонятно. Но каждый новый шаг вперед всё труднее: если пять лет назад вы были на острие прогресса и понимали всё, что происходит в вашей науке, то сегодня она вас озадачит своей сложностью и запутанностью.

Однако сложность добавляет физике прелесть и очарование, которое притягивает новые пытливые умы. С помощью них мы, быть может, скоро создадим Теорию всего и постигнем все тайны мироздания.

А потом природа преподнесет нам сюрприз, и окажется, что всё, что мы знали, — полная туфта.

Источник: knife.media

Из истории вопроса

Первым из тех, кто задумался о существовании мельчайших частиц, из которых состоят все вещества и окружающие предметы, был древнегреческий философ Демокрит. Он был первым, кто высказал предположение о существовании фундаментальных частиц. Согласно письменным источникам, случилось это в 

4

веке до нашей эры. Демокрит дал название атому и определил, что это неделимая частица материи.

В течение ряда веков понятие об атомах носило скорее философский, чем физический смысл. И только начиная с

19

века представление об атомах стали использовать сначала для объяснения химических, а затем и физических процессов.

В

30

-е годы

19

столетия Макс Фарадей ввел в обиход понятие иона в рамках теории электролиза, а также выполнил изменение элементарного заряда. К концу столетия Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, Джозеф Томсон установил существование электронов, Эрнест Резерфорд —

α

-частиц. В первые пять лет

20

века Альберт Эйнштейн разработал учение о фотонах (квантах электромагнитного поля). Все эти открытия были бы невозможны без понятия об атомах.

В течение первой трети

20

века было установлено, что атом имеет сложное строение, которое предполагает наличие ядра и расположенных вокруг него электронов. Эрнест Резерфорд предложил орбитальную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам. Он же во время опытов по расщеплению ядер атомов установил существование протонов.

Открытие нейтронов принадлежит известному английскому физику Джеймсу Чедвику. Он установил, что ядра атомов имеют сложное строение. Так возникла протон-нейтронная теория строения ядер, разработкой которой занимались немецкий исследователь Вейнер Гейзенберг и наш соотечественник, физик-теоретик, лауреат Сталинской премии Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

Существование позитрона было предсказано англичанином Полем Дираком. Эта положительно заряженная частица, имеющая такую же массу и такой же (по модулю) заряд, что и электрон, была открыта американским физиком-экспериментатором Карлом Дейвидом Андерсеном в космических лучах.

В тридцатых годах

20

-го века были открыты взаимные превращения нейтронов и протонов. Было установлено, что элементарные частицы не являются неизменными. В это же время были открыты мюоны– частицы, масса которых составляет

207

электронных масс, а затем и пионы – частицы, которые обеспечивают взаимодействие между нуклонами в ядре атома.

До середины

20

века было открыто большое количество элементарных частиц. Это стало возможно благодаря широкому исследованию космических лучей, внедрению ускорительной техники, развитию ядерной физики.

Виды частиц

В наше время известно порядка

400

элементарных или субъядерных частиц. Большинство из них нестабильно: одни частицы могут самопроизвольно превращаться в другие с течением времени. Исключением из этого являются нейтрино, фотон, протон и электрон.

Время жизни нестабильных частиц значительно разнится. Дольше всех «живет» нейтрон:

15

минут. Существование

μ

-мезона ограничено отрезком времени в 

2,2·106

 секунды, нейтрального 

π

-мезона – 

0,87·1016 с

. Среднее время существования гиперонов, массивных частиц, составляет всего

1010 с

.

Определение 1

Основые свойства элементарных частиц

Одним из наиболее важных свойств элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Частицы способны поглощаться (возникать) и испускаться (исчезать). Это относится как к стабильным, так и к нестабильным частицам. Разница лишь в том, что стабильные частицы могут превращаться не самопроизвольно, а в результате взаимодействия с другими частицами.

Определение 2

Частицы и античастицы

Электрон является двойником позитрона. Антипротон отличается от протона наличием у него отрицательного электрического заряда. Нейтрон не имеет заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента и барионного заряда.

Наличие античастиц установлено для всех элементарных частиц. Встреча частицы и античастицы сопровождается аннигиляцией, в результате которой обе частицы превращаются в кванты излучения или частицы других видов.

Ученые предполагают существование антивещества. Теоретически, это возможно, если в ядре будут антинуклоны, а в оболочке атома позитроны. Взаимодействие вещества и антивещества может привести к выделению огромного количества энергии, которое будет превосходить энергию ядерных и термоядерных реакций.

Группы элементарных частиц

Информацию об основных элементарных частицах мы собрали в таблицу. Размещение частиц соответствует существующей ныне системе классификации элементарных частиц. Каждая из частиц имеет ряд характеристик: время жизни, масса, выраженная в электронных массах, электрический заряд в единицах элементарного заряда и спин, который также носит название момента импульса, выраженный в единицах постоянной Планка

ħ = h2π

.

Определение 3
Определение 4
Определение 5

Объединяет частицы из группы лептонов спин 

12

. В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.

Определение 6

Определение 7

Подгруппа барионов по сравнению с мезонами является более обширной и состоит из более тяжелых элементарных частиц. Нуклоны являются самыми легкими из барионов, затем идут гипероны. Масса омега-минус-гиперона составляет

3273

электронных массы. Спин барионов составляет

12

.

Кварковая гипотеза

Количество уже открытых и вновь открываемых частиц позволяет предположить, что существуют какие-то более мелкие фундаментальные частицы. В середине

20

века американский физик Мюррей Гелл-Ман выдвинул гипотезу существования кварков, фундаментальных частиц, из которых построены тяжелые элементарные частицы.

Согласно теории Гелл-Мана существует три кварка и три антикварка. Они могут объединяться, образуя различные сочетания.

Определение 8

Эта теория позволила объяснить существование уже открытых частиц и существование других, еще неизвестных науке. При этом, ряд свойств предсказанных частиц оказался неожиданным для исследователей.

Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 

23

и 

13

элементарного заряда.

Поиски кварков в космических лучах и на современных ускорителях высоких энергий оказались безуспешными. Считается, что кварки обладают очень большой массой. В связи с этим, получить кварки при тех энергиях, которые можно получить в современных ускорителях, не получается. Тем не менее, установлено, что кварки существуют внутри тяжелых элементарных частиц, таких как андроны.

 Фундаментальные взаимодействия в природе

Определение 9
Определение 10

Сильное взаимодействие

Это вид фундаментального взаимодействия также носит название ядерного, так как оно обуславливает прочную связь между нуклонами в ядре атома. Из числа элементарных частиц в сильном взаимодействии принимают участие андроны (мезоны и барионы).

Сильное взаимодействие считается короткодействующим, так как проявляется на расстоянии порядка

1015 м

 и менее.

Электромагнитное взаимодействие

Благодаря этому виду взаимодействия возможно существование молекул и атомов. Оно определяет большинство свойств веществ, находящихся в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Оно обуславливает протекание процессов поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества, а также целый ряд других физических и химических процессов. Кулоновское отталкивание, существующее между протонами, объясняет неустойчивость ядер атомов с большими массовыми числами.

В электромагнитном взаимодействии могут участвовать любые частицы, которые обладают электрическим зарядом, а также кванты электромагнитного поля фотоны.

Слабое взаимодействие

Этот вид взаимодействия определяет ход наиболее медленных процессов, которые протекают в микромире, в том числе с участием нейтрино или антинейтрино.

В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые элементарные частицы.

Пример 1

Гравитационное взаимодействие

В связи с тем, что масса элементарных частиц мала, силами гравитационного воздействия между ними можно пренебречь. Гравитация имеет значение при взаимодействии космических объектов, чья масса огромна.

Теория обменного взаимодействия

В первой трети прошлого столетия у исследователей появилась гипотеза о том, что все взаимодействия в мире элементарных частиц осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Выдвинули эту гипотезу советские ученые И.Е. Тамм и Д.Д. Иваненко. Они провели параллели между взаимодействиями, которые возникают в результате обмена частицами, и обменом валентными электронами, которые при образовании ковалентной химической связи объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Определение 11
Определение 12

Подтверждением верности теории обменного взаимодействия стали теоретические выкладки японского физика Х. Юкавы, который доказал, что сильное взаимодействие между нуклонами можно объяснить обменом гипотетическими частицами, которые получили название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц. Она оказалась приблизительно равно

300

электронным массам.

Спустя несколько лет частицы с такой массой действительно были обнаружены. Они были названы π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: 

π+, π

 и 

π0

.

Теория электрослабого взаимодействия рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как две разные характеристики одного поля. В таком поле помимо квантов взаимодействие обеспечивают и векторные бозоны.

Теория Великого объединения

После того, как удалось объединить в одну модель слабое и электромагнитное взаимодействия, у исследователей появилась уверенность в том, что связаны между собой все виды взаимодействий. Единственное, чего не хватает для полноты картины, это физического подтверждения таких взаимодействий. До получения доказательств теория остается лишь привлекательной научной гипотезой.

Для того, чтобы объединить слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия, физики-теоретики предположили существование гипотетической частицы под названием гравитон. Однако до настоящего времени существование такой частицы не было подтверждено в ходе экспериментов.

Предполагается, что получить подтверждение теории Великого объединения в современных ускорителях невозможно. А все потому, что единое поле, которое объединяет все виды взаимодействий, существует только при очень больших энергиях частиц. Такая энергия частицы могла наблюдаться только на самых ранних этапах существования вселенной, сразу после Большого взрыва.

Предполагается, что Большой взрыв произошел

18

миллиардов лет назад. В теории, сразу после Большого взрыва температура могла достигать

1032 К

, а энергия частиц 

E = kT

 достигать значений 

1019

 ГэВ. В таких условиях материя могла существовать в форме кварков и нейтрино, а все виды взаимодействий были объединены в одно силовое поле.

По мере расширения вселенной энергия частиц уменьшается. Из единого поля при энергиях частиц 

 1019 ГэВ

выделилось гравитационное взаимодействие. При энергиях порядка 

1014 ГэВ

разделились сильное и электрослабое взаимодействия. При энергиях порядка 

103 ГэВ

 все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Параллельно этому началось формирование более сложных форм материи: нуклонов, ядер атомов, атомов, ионов.

Основываясь на законах физики, описывающих взаимодействие элементарных частиц, создана модель эволюции вселенной, на которую опирается вся современная космология.

Источник: Zaochnik.com

План:
Введение_______________________________________________стр 2.
Развитие идеи о планетарной модели атома__________________стр.3
Краткие исторические сведения_____________________________стр.5
Электроны и позитроны____________________________________стр.8
Открытие нейтрона________________________________________стр.10
Окрытие мезона__________________________________________стр.12
Вывод__________________________________________________стр.15
Спиок использованной литературы__________________________стр.16

Введение.

Элементарные частицы в точном значении этого термина — первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии «Э. ч.» в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие «Э. ч.» сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне.
Обнаружение на рубеже 19—20 вв. мельчайших носителей свойств вещества — молекул и атомов — и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих — атомов.
Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов — электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями — Э. ч. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся Э. ч., как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение «состоит из…» на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения «элементарности» в этом случае придется отказаться. Существование Э. ч. — это своего рода постулат, и проверка его справедливости — одна из важнейших задач физики.

Развитие идеи о планетарной модели атома.

Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома.

Один из первых экспериментальных фактов, свидетельствующих о сложности атомов, о существовании у них внутренней структуры электрической природы, был установлен Фарадеем. На основании опытов по электролизу различных солей и других соединений можно было с уверенностью утверждать, что электрические заряды имеются в атомах всех элементов. Однако надо было выяснить, что представляет собой электричество, является ли оно непрерывной субстанцией или в природе существуют неделимые «атомы электричества».

Так как при электролизе одинаковое количество атомов любого одновалентного элемента всегда переносит одно и то же количество электричества, можно было предположить, что в природе существует «атом количества электричества», одинаковый в атомах всех элементов.

Этот заряд получил название элементарного заряда. В 1891 году ирландский физик Дж. Стоней предложил для него название электрон Решающие эксперименты, доказавшие реальность существования электронов, были выполнены английским физиком Дж. Томсоном в 1899 году. Модель атома по
Томсону представляла собой положительно заряженную жидкость, в которой плавают отрицательные электроны. На протяжении 12 лет эта модель представлялась весьма правдоподобной. Но в 1911 году из опытов Резерфорда, сыгравшего большую роль в понимании строения атома, непосредственно вытекает п л а н е т а р н а я модель атома. Основные положения теории атома сформулировал Нильс Бор.

Этот величайший переворот в физике произошел на рубеже ХХ века.

Именно в это время великие принципы классической физики обнаружили свою несостоятельность перед лицом новых фактов. Физики перешли границы новой неведомой области, имя которой — микромир.

Удар по представлениям, ставшим привычными, оказался тем более чувствительным, что в конце ХIХ века даже выдающиеся физики были убеждены в том, что основные законы природы раскрыты, и остается использовать их для объяснения различных явлений и процессов.

Ведь до этого фундаментальные принципы классической механики Ньютона, электродинамики Максвелла и др. разделов физики получали все новые и новые подтверждения своей справедливости.

Никому не приходило в голову, что с уменьшением, к примеру, массы тел или увеличением их скорости законы Ньютона, давно считавшиеся чуть ли не самоочевидными, могут оказаться несостоятельными.

И вот выяснилось, что атомы подвержены разрушению. Странные свойства обнаружил электрон. Его масса выростала со скоростью. Основная характеристика тела — масса, считавшаяся со времен Ньютона неизменной, оказалась зависящей от скорости. А ведь массу было принято рассматривать как меру количества вещества, содержащегося в теле.

Но эти трудности оказались трамплином для новых теорий ХХ века — теории относительности и квантовой механики.

Классическая физика оказалась частным, или, точнее, предельным случаем теории относительности при скоростях, значительно меньших скорости света.

Термин «Э. ч.» часто употребляется в современной физике не в своём точном значении, а менее строго — для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет простейшее ядро атома водорода — протон). Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. К ней относятся: протон (р), нейтрон (n) и электрон (e-) , фотон (g), пи- мезоны (p), мюоны (m), нейтрино трёх типов (электронное ve, мюонное vm и связанное с т. н. тяжёлым лептоном vt), т. н. странные частицы (К-мезоны и гипероны), разнообразные резонансы, открытые в 1974—77 y-частицы,
«очарованные» частицы, ипсилон-частицы (Ў) и тяжёлые лептоны (t+, t—) — всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число частиц, включаемых в эту группу, продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико; при этом большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по современным представлениям, они являются составными системами (см. ниже). Использование названия «Э. ч.» ко всем этим частицам имеет исторические причины и связано с тем периодом исследований (начало 30-х гг. 20 в.), когда единственно известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица электромагнитного поля — фотон. Эти четыре частицы тогда естественно было считать элементарными, т. к. они служили основой для построения окружающего нас вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура протона и нейтрона не была известна.

Открытие новых микроскопических частиц материи постепенно разрушило эту простую картину. Вновь обнаруженные частицы, однако, во многих отношениях были близки к первым четырём известным частицам. Объединяющее их свойство заключается в том, что все они являются специфическими формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы (иногда по этой причине их называют «субъядерными частицами»). Пока количество таких частиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что они играют фундаментальную роль в строении материи, и их относили к категории Э. ч. Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложного строения показало, что они, как правило, не обладают свойствами элементарности, но традиционное название «Э. ч.» за ними сохранилось

Краткие исторические сведения.

Открытие Э. ч. явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой Э. ч. был электрон — носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж.
Томсон установил, что т. н. катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, которые были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд, пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях — ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны — частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон — была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц — структурных элементов атомов и их ядер.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля — фотона — берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А.
Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном (1912— 1915) и
А. Комптоном (1922).

Открытие нейтрино — частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер.
Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф.
Райнес и К Коуэн, США).

С 30-х и до начала 50-х гг. изучение Э. ч. было тесно связано с исследованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К.
Андерсоном был обнаружен позитрон (е+) — частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей. Существование е+ непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928—31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е-, е+.

В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты p+ и p—мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

Конец 40-х — начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название «странных».
Первые частицы этой группы К+- и К—мезоны, L-, S+ -, S- -, X- -гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях — установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые Э. ч., которые и становятся предметом изучения.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования Э. ч. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения— т. н. нарушению пространств. четности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды эв позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны
(1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W- (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными Э. ч.) частиц, получивших название «резонансов». Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основная часть Э. ч.

В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов. было обнаружено несохранение т, н. комбинированной чётности (введённой Ли-Цзун дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени.

В 1974 были обнаружены массивные (в 3—4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством
Э. ч. — «очарованных», первые представители которого (D0, D+, Lс) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты Ў-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир Э. ч. оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных Э. ч. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в частности для описания странных Э. ч. — странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953),
«очарованных» Э. ч. — «очарование» (американские физики Дж. Бьёркен, Ш.
Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств Э. ч.

Электроны и позитроны

В состав всех окружающих нас веществ входят электроны. Их электрический заряд точно известен (например, из экспериментов с масляными капельками) и равен e =4,802•10-10 электростатических единиц. Масса электрона тоже точно известна (например, из экспериментов по отклонению в электрическом и магнитном полях, дающих величину отношения электрического заряда к массе) и имеет величину me=9,105•10-28 г. Соответствующее значение энергии покоя mec2=0,51079 Мэв. Анализ атомных спектров показывает, что спин электрона s =1/2, а его магнитный момент равен одному магнетону Бора. Электроны подчиняются статистике Ферми, так как они обладают полуцелым спином. Это согласуется с экспериментальными данными о структуре атомов и о поведении электронов в металлах.

Позитроны (положительные электроны) в веществе не могут существовать, потому что при замедлении они аннигилируют, соединяясь с отрицательными электронами. В этом процессе, который можно рассматривать как обратный процесс рождения пар, положительный и отрицательный электроны исчезают, при этом образуются фотоны, которым передается их энергия. При аннигиляции электрона и позитрона в большинстве случаев образуются два фотона, значительно реже — один фотон. Однофотонная аннигиляция может произойти только в том случае, когда электрон сильно связан с ядром; участие ядра в этом случае необходимо для сохранения импульса. Двухфотонная аннигиляция, напротив, может происходить и со свободным электроном. Часто процесс аннигиляции происходит после практически полной остановки позитрона. В этом случае испускаются в противоположных наравлениях два фотона с равными энергиями.
Позитрон был открыт Андерсоном при изучении космических лучей методом камеры Вильсона. На рисунке, который является репродукцией с полученной
Андерсоном фотографии в камере Вильсона, видна положительная частица, входящая в свинцовую пластину толщиной 0,6 см с импульсом 6,3•107 эв/с и выходящая из нее с импульсом 2,3•107 эв/с. Можно установить верхний предел для массы этой частицы, допустив, что она теряет энергию только на столкновения. Этот предел составляет 20 me. На основании этой и других сходных фотографий Андерсон выдвинул гипотезу о существовании положительной частицы с массой, примерно равной массе обычного электрона. Это заключение скоро было подтверждено наблюдениями Блэккета и Оккиалини в камере
Вильсона. Вскоре после этого Кюри и Жолио открыли, что позитроны образуются при конверсии гамма-лучей радиоактивных источников, а также испускаются искусственными радиоактивными изотопами. Так как фотон, будучи нейтральным образует пару (позитрон и электрон), то из принципа сохранения электрического заряда следует, что по абсолютной величине заряд позитрона равен заряду электрона.
Первое количественное определение массы позитрона было проделано Тибо, который измерял отношение e/m методом трохоид и пришел к выводу, что массы позитрона и электрона отличаются не больше чем на 15 %. Более поздние эксперименты Шписа и Цана, которые использовали масс-спектрографическую установку, показали, что массы электрона и позитрона совпадают с точностью до 2 %. Еще позже Дюмонд и сотрудники измерили с большой точностью длину волны аннигиляционного излучения. С точностью до ошибок эксперимента (0,2
%) они получили такое значение длины волны, которого следовало ожидать в предположении, что позитрон и электрон имеют равные массы.
Закон сохранения момента количества движения в применении к процессу рождения пар показывает, что позитроны обладают полуцелым спином и, следовательно, подчиняются статистике Ферми. Разумно предположть, что спин позитрона равен 1/2, как и спин электрона.

Открытие нейтрона.

Открытие изотопов не прояснило вопрос о строении ядра. К этому времени были известны лишь протоны – ядра водорода и электроны, а потому естественной была попытка объяснить существование изотопов различными комбинациями этих положительно и отрицательно заряженных частиц. Можно было бы думать, что ядра содержат А протонов, где А – массовое число, и А-Z электронов. При этом полный положительный заряд совпадает с атомным номером
Z.

Такая простая картина однородного ядра поначалу не противоречила выводу о малых размерах ядра, вытекавшему из опытов Резерфорда.
«Естественный радиус» электрона r0 = e2/mc2 (который получается, если приравнять электростатическую энергию e2/r0 заряда, распределенного по сферической оболочке, собственной энергии электрона mc2) составляет r0 =
2,82?10–15 м. Такой электрон достаточно мал, чтобы находиться внутри ядра радиусом 10–14 м, хотя поместить туда большое число частиц было бы затруднительно. В 1920 Резерфорд и другие ученые рассматривали возможность существования устойчивой комбинации из протона и электрона, воспроизводящей нейтральную частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Однако из-за отсутствия электрического заряда такие частицы с трудом поддавались бы обнаружению. Вряд ли они могли бы и выбивать электроны из металлических поверхностей, как электромагнитные волны при фотоэффекте.

Лишь спустя десятилетие, после того как естественная радиоактивность была глубоко исследована, а радиоактивное излучение стали широко применять, чтобы вызывать искусственное превращение атомов, было надежно установлено существование новой составной части ядра. В 1930 В.Боте и Г.Беккер из
Гисенского университета проводили облучение лития и бериллия альфа- частицами и с помощью счетчика Гейгера регистрировали возникающее при этом проникающее излучение. Поскольку на это излучение не оказывали влияния электрические и магнитные поля и оно обладало большой проникающей способностью, авторы пришли к выводу, что испускается жесткое гамма- излучение. В 1932 Ф.Жолио и И.Кюри повторили опыты с бериллием, пропуская такое проникающее излучение через парафиновый блок. Они обнаружили, что из парафина выходят протоны с необычно высокой энергией, и заключили, что, проходя через парафин, гамма-излучение в результате рассеяния порождает протоны. (В 1923 было установлено, что рентгеновские лучи рассеиваются на электронах, давая комптоновский эффект.)

Дж.Чедвик повторил эксперимент. Он также использовал парафин и с помощью ионизационной камеры (рис. 1), в которой собирался заряд, возникающий при выбивании электронов из атомов, измерял пробег протонов отдачи.

Рис.1

Чедвик использовал также газообразный азот (в камере Вильсона, где вдоль следа заряженной частицы происходит конденсация водяных капелек) для поглощения излучения и измерения пробега атомов отдачи азота. Применив к результатам обоих экспериментов законы сохранения энергии и импульса, он пришел к выводу, что обнаруженное нейтральное излучение – это не гамма- излучение, а поток частиц с массой, близкой к массе протона. Чедвик показал также, что известные источники гамма-излучения не выбивают протонов.

Тем самым было подтверждено существование новой частицы, которую теперь называют нейтроном. Расщепление металлического бериллия происходило следующим образом:

Альфа-частицы 42He (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с ядрами бериллия (заряд 4, массовое число 9), в результате чего возникали углерод и нейтрон.

Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед. Наблюдаемые характеристики ядер теперь можно было интерпретировать, рассматривая нейтроны и протоны как составные части ядер. На рис. 2 схематически показана структура нескольких легких ядер.
Рис.2

Нейтрон, как теперь известно, на 0,1% тяжелее протона. Свободные нейтроны (вне ядра) претерпевают радиоактивный распад, превращаясь в протон и электрон. Это напоминает о первоначальной гипотезе составной нейтральной частицы. Однако внутри стабильного ядра нейтроны связаны с протонами и самопроизвольно не распадаются.

Открытие мезона

Открытие мезона, в отличие от открытия позитрона явилось не результатом единичного наблюдения, а скорее выводом из целой серии экспериментальных и теоретических исследований.

В 1932 году Росси, используя метод совпадений, предложенный Боте и
Кольхерстером, показал, что известную часть наблюдаемого на уровне моря космического излучения составляют частицы, способные проникать через свинцовые пластины толщиной до 1 м. Вскоре после этого он также обратил внимание на существование в космических лучах двух различных компонент.
Частицы одной компоненты (проникающая компонента) способны проходить через большие толщи вещества, причем степень поглощения их различными веществами приблизительно пропорциональна массе этих веществ. Частицы другой компоненты (ливнеобразующая компонента) быстро поглощаются, в особенности тяжелыми элементами; при этом образуется большое число вторичных частиц
(ливни). Эксперименты по изучению прохождения частиц космических лучей через свинцовые пластины, проведенные с камерой Вильсона Андерсоном и
Неддемейером, также показали, что существуют две различные компоненты космических лучей. Эти эксперименты показали, что, в то время как в среднем потеря энергии частиц космических лучей в свинце совпадала по порядку величин с теоретически вычисленной потерей на столкновения, некоторые из этих частиц испытывали гораздо большие потери.

В 1934 году Бете и Гайтлер опубликовали теорию радиационных потерь электронов и рождения пар фотонами. Свойства менее проникающей компоненты, наблюдавшейся Андерсоном и Неддемейером, находились в согласии со свойствами электронов, предсказанными теорией Бете и Гайтлера; при этом большие потери объяснялись радиационными процессами. Свойства ливнеобразующего излучения, обнаруженного Росси, также могли быть объяснены в предположении, что это излучение состоит из электронов и фотонов больших энергий. С другой стороны, признавая справедливость теории Бете и Гайтлера, приходилось делать вывод, что «проникающие» частицы в экспериментах Росси и менее поглощающиеся частицы в экспериментах Андерсона и Неддемейера отличаются от электронов. Пришлось предположить, что проникающие частицы тяжелее электронов, так как согласно теории потери энергии на излучение обратно пропорциональны квадрату массы.

В связи с этим обсуждалась возможность краха теории излучения при больших энергиях. В качестве альтернативы Вильямс в 1934 году высказал предположение, что проникающие частицы космических лучей, возможно, обладают массой протона. Одна из трудностей, связанных с этой гипотезой, заключалась в необходимости существования не только положительных, но и отрицательных протонов, потому что эксперименты с камерой Вильсона показали, что проникающие частицы космических лучей имеют заряды обоих знаков. Более того, на некоторых фотографиях, полученных Андерсоном и
Неддемейером в камере Вильсона, можно было видеть частицы, которые не излучали подобно электронам, но, однако, были не такими тяжелыми, как протоны. Таким образом, к концу 1936 года стало почти очевидным, что в космических лучах имеются, кроме электронов, еще и частицы до тех пор неизвестного типа, предположительно частицы с массой, промежуточной между массой электрона и массой протона. Следует отметить также, что в 1935 году
Юкава из чисто теоретических соображений предсказал существование подобных частиц.

Существование частиц с промежуточной массой было непосредственно доказано в 1937 году экспериментами Неддемейера и Андерсона и Стрита и
Стивенсона.

Эксперименты Неддемейера и Андерсона явились продолжением (с улучшенной методикой) упоминавшихся выше исследований по потерям энергии частиц космических лучей. Они были проведены в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле и разделенной на две половины платиновой пластиной толщиной 1 см. Потери импульса для отдельных частиц космических лучей определялись путем измерения кривизны следа до и после пластины.

Поглощающиеся частицы легко могут быть интерпретированы как электроны.
Такая интерпретация подкрепляется тем, что поглощающиеся частицы в отличие от проникающих часто вызывают в платиновом поглотителе вторичные процессы и по большей части встречаются группами (по две и больше). Именно этого и следовало ожидать, так как многие из электронов, наблюдаемых при такой же геометрии эксперимента, что у Неддемейера и Андерсона, входят в состав ливней, образующихся в окружающем веществе. Что касается природы проникающих частиц, то здесь многое пояснили два следующих результата, полученных Неддемейером и Андерсоном.

1). Несмотря на то, что поглощающиеся частицы относительно чаще встречаются при малых значениях импульсов, а проникающие частицы наоборот
(более часты при больших значениях импульсов), имеется интервал импульсов, в котором представлены и поглощающиеся и проникающие частицы. Таким образом, различие в поведении этих двух сортов частиц не может быть приписано различию в энергиях. Этот результат исключает возможность считать проникающие частицы электронами, объясняя их поведение несправедливостью теории излучения при больших энергиях.

2). Имеется некоторое число проникающих частиц с импульсами меньше 200
Мэв/с, которые производят не большую ионизацию, чем однозарядная частица вблизи минимума кривой ионизации. Это означает, что проникающие частицы космических лучей значительно легче, чем протоны, поскольку протон с импульсом меньше 200 Мэв/с производит удельную ионизацию, примерно в 10 раз превышающую минимальную.
Стрит и Стивенсон попытались непосредственно оценить массу частиц космических лучей путем одновременного измерения импульса и удельной ионизации. Они использовали камеру Вильсона, которая управлялась системой счетчиков Гейгера-Мюллера, включенной на антисовпадения. Этим достигался отбор частиц, близких к концу своего пробега. Камера помещалась в магнитное поле напряженностью 3500 гс; камера срабатывала с задержкой около 1 сек, что позволяло производить счет капелек. Среди большого числа фотографий
Стрит и Стивенсон нашли одну, представлявшую чрезвычайный интерес.
На этой фотографии виден след частицы с импульсом 29 Мэв/с, ионизация которой примерно в шесть раз превышает минимальную. Эта частица обладает отрицательным зарядом, поскольку она движется вниз. Судя по импульсу и удельной ионизации, ее масса оказывается равной примерно 175 массам электрона; вероятная ошибка, составляющая 25 %, обусловлена неточностью измерения удельной ионизации. Заметим, что электрон, обладающий импульсом
29 Мэв/с, имеет практически минимальную ионизацию. С другой стороны, частицы с таким импульсом и массой протона (либо движущийся вверх обычный протон, либо отрицательный протон, движущийся вниз) обладают удельной ионизацией, которая примерно в 200 раз превышает минимальную; кроме того, пробег такого протона в газе камеры должен быть меньше 1 см. В то же время след, о котором идет речь, ясно виден на протяжении 7 см, после чего он выходит из освещенного объема.
Описанные выше эксперименты безусловно доказали, что проникающие частицы действительно являются более тяжелыми, чем электроны, но более легкими, чем протоны. Кроме того, эксперимент Стрита и Стивенсона дал первую примерную оценку массы этой новой частицы, которую мы можем теперь назвать ее общепринятым именем — мезон.

Вывод.

Изучение внутреннего строения материи и свойств Э. ч. с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классической механики и электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических построений. Такими новыми фундаментальными построениями в теории явились частная (специальная) и общая теория относительности (А.
Эйнштейн, 1905 и 1916; Относительности теория, Тяготение) и квантовая механика (1924—27; Н.Бор, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шредингер, М.
Борн). Теория относительности и квантовая механика знаменовали собой подлинную революцию в науке о природе и заложили основы для описания явлений микромира. Однако для описания процессов, происходящих с Э. ч., квантовой механики оказалось недостаточно. Понадобился следующий шаг — квантование классических полей (т. н. квантование вторичное) и разработка квантовой теории поля. Важнейшими этапами на пути её развития были: формулировка квантовой электродинамики (П. Дирак, 1929), квантовой теории b- распада (Э. Ферми, 1934), положившей начало современной теории слабых взаимодействий, квантовой мезодинамики (Юкава, 1935). Непосредственной предшественницей последней была т. н. b-теория ядерных сил (И. Е. Тамм, Д.
Д. Иваненко, 1934; Сильные взаимодействия). Этот период завершился созданием последовательного вычислительного аппарата квантовой электродинамики (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер; 1944—49), основанного на использовании техники перенормировки (Квантовая теория поля). Эта техника была обобщена впоследствии применительно к другим вариантам квантовой теории поля.

Квантовая теория поля продолжает развиваться и совершенствоваться и является основой для описания взаимодействий Э. ч. У этой теории имеется ряд существенных успехов, и всё же она ещё очень далека от завершённости и не может претендовать на роль всеобъемлющей теории Э. ч. Происхождение многих свойств Э. ч. и природа присущих им взаимодействий в значительной мере остаются неясными. Возможно, понадобится ещё не одна перестройка всех представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязи свойств микрочастиц и геометрических свойств пространства-времени, прежде чем теория Э. ч. будет построена.

1 Мякишев Г.Я. “Элементарные частицы” М.,Просвещение, 1977г.
2 Савельев И.В. “Курс физики”, М, Наука, 1989г.
3 Крейчи “Мир глазами современной физики” М, Мир, 1974
4 Комар А.А. “Элементарные частицы” cтатья
5 Зисман Г.А., Тодес О.М. “ Курс общей физики” Киев, изд. Эделвейс

1994 г.
6 Федоров Ф. “Цепная реакция идеи” М., изд. Знание, 1975 г.

Источник: www.neuch.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.