Класифікація мікрочастинок ферміони і бозони лептони кварки адрони нуклони

Недержавний освітній заклад вищої професійної освіти

«САМАРСЬКИЙ ІНСТИТУТ - ВИЩА ШКОЛА ПРИВАТИЗАЦІЇ ТА ПІДПРИЄМНИЦТВА»

Реферат

по Основ безпеки життєдіяльності

ТЕМА: Класифікація мікрочастинок: ферміони і бозони; лептони; кварки; адрони; нуклони.

Робота виконана студентом

Янашкіним М.А.

Група № З-З-М-08-3-7

Самара 2010

Зміст

Введення

1. Основні підходи до класифікації часток. Їх загальна характеристика

2. Мікрочастинки з напівцілим і цілим спіном

3. Умовно істинно і істинно елементарні частинки і їх характеристика

Висновок

Література

Введення

У 60-70-ті роки фізики були абсолютно збиті з пантелику численністю, різноманітністю і незвичністю знову відкритих субатомних частинок. Здавалося, їм не буде кінця. Абсолютно незрозуміло, для чого стільки частинок. Чи є ці елементарні частинки хаотичними і випадковими осколками матерії? Або, можливо, вони таять у собі ключ до пізнання структури Всесвіту? Розвиток фізики у наступні десятиліття показало, що в існуванні такої структури немає ніяких сумнівів. В кінці ХХ ст. фізика починає розуміти, яке значення кожної з елементарних частинок.

Миру субатомних частинок притаманний глибокий і раціональний порядок. В основі цього порядку - фундаментальні фізичні взаємодії.

Елементарна частинка - збірний термін, що відноситься до мікрооб'єктів в суб'ядерних масштабі, які неможливо розщепити (або поки це не доведено) на складові частини. Їх будова і поведінка вивчається фізикою елементарних частинок. Поняття елементарних частинок грунтується на факті дискретної будови речовини. Ряд елементарних частинок має складну внутрішню структуру, проте розділити їх на частини неможливо. Інші елементарні частинки на даний момент вважаються безструктурними і розглядаються як первинні фундаментальні частинки.

Сучасна наука виявила єдність на найглибшому рівні: спостережуване речовина складається з фотонів, лептонів (електрони, мюони, нейтрино) і кварків. Крім переносимих фотонами електромагнітних взаємодій існують сильні ядерні взаємодії, що зв'язують кварки в баріони (протони, нейтрони тощо) і мезони. Слабкі ядерні взаємодії відповідальні за розпад нейтронів, наприклад. Всі вони описуються єдиної нелінійної теорією, узагальнюючої рівняння Максвелла. Таке узагальнення було зроблено в 1954 р. Ч. Янгом і Р. Міллсом, та інші узагальнення називаються також теорією Янга - Міллса. Раніше подібні теорії висували Г. Мі та М. Борн, А. Ейнштейн та Я. І. Френкель. Хоча проблема елементарних часток пов'язана із самими основами науки, їх вивчення ведеться в деякому відриві від інших областей фізики.

1. Основні підходи до класифікації часток. Їх загальна характеристика

Спін - одна з найважливіших характеристик елементарних частинок. Вона визначається власним моментом імпульсу частинки. Спін фотона дорівнює 1; це означає, що частка прийме той же вигляд після повного обороту на 360 °. Частка зі спіном - 1 / 2 прийме колишній вигляд при обороті, в 2 рази більше, тобто в 720 °. Спін протона, нейтрона і електрона - 1 / 2. Існують частинки зі спіном 3 / 2, 5 / 2 і т.д. Частка зі спіном, рівним нулю, однаково виглядає при будь-якому вугіллі повороту. У залежності від значення спина всі частинки ділять на дві групи:

1. ферміони (назва дана на честь Енріко Фермі) - з напівцілим (1 / 2, 3 / 3, ...) спинами. Ферміони складають речовина і, у свою чергу, діляться на два класи - лептони (від грец. Leptos - легкий) і кварки. Кварки входять до складу протонів, нейтронів та інших подібних їм частинок, які називаються в сукупності Адрону-ми (від грец. Adros - сильний). Заряджені лептони можуть так само, як і електрони, обертатися навколо ядер, утворюючи атоми. Лептони, що не мають заряду, можуть, як і нейтрино, проходитимуть крізь всю Землю, ні з чим не взаємодіючи. У кожної частинки є і античастинка, яка відрізняється тільки зарядом;

2. бозони (названі на честь індійського вченого Шатьєндранат Бозе, одного з творців квантової статистики) - це частинки з цілими спинами (0, 1, 2), бозони переносять взаємодію.

За видами взаємодій елементарні частинки поділяють на такі групи:

1. Складові частки:

1.1 адрони - частинки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій. Вони складаються з кварків і поділяються, у свою чергу, на:

1.1.1 мезони (адрони з цілим спіном, тобто бозони);

1.1.2 баріони (адрони з напівцілим спіном, тобто ферміони). До них, зокрема, відносяться частинки, що становлять ядро атома, - протон і нейтрон.

2. Фундаментальні (безструктурні) частки:

2.1 лептони - ферміони, які мають вид точкових частинок (тобто не перебувають ні з чого) аж до масштабів порядку 10-18 м. Не беруть участь в сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалася тільки для заряджених лептонів (електрони, мюони, тау-лептони) і не спостерігалося для нейтрино. Відомі 6 типів лептонів.

2.2 кварки - дробнозаряженние частки, що входять до складу адронів. У вільному стані не спостерігалися (для пояснення відсутності таких спостережень запропоновано механізм конфайнменту). Як і лептони, діляться на 6 типів і є безструктурними, проте, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.

2.3 калібрувальні бозони - частинки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії:

2.3.1 фотон - частинка, що переносить електромагнітну взаємодію;

2.3.2 вісім глюонів - частинок, що переносять сильну взаємодію;

2.3.3 три проміжних векторних бозона W +, W-і Z0, що переносять слабку взаємодію;

2.3.4 гравітон - гіпотетична частинка, що переносить гравітаційну взаємодію. Існування гравітонів, хоча поки не доведено експериментально в зв'язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, вважається цілком вірогідним, а проте гравітон не входить в Стандартну модель.

Адрони і лептони утворюють речовину. Калібрувальні бозони - це кванти різних видів випромінювання.

Крім того, в Стандартній Моделі з необхідністю присутня хіггсівський бозон, який, втім, поки що не виявлено експериментально.

Спочатку термін «елементарна частинка» мав на увазі щось абсолютно елементарне, первокірпічік матерії. Однак, коли в 1950-х і 1960-х роках були відкриті сотні адронів зі схожими властивостями, стало ясно, що принаймні адрони мають внутрішніми ступенями свободи, тобто не є в строгому сенсі слова елементарними. Ця підозра надалі підтвердилася, коли з'ясувалося, що адрони складаються з кварків.

Таким чином, ми просунулися ще трохи вглиб будови речовини: найелементарнішими, точковими частинами речовини зараз вважаються лептони і кварки. Для них (разом із калібрувальними бозонами) і застосовується термін «фундаментальні частинки».

Між частинками існують чотири типи взаємодій, кожне з яких переноситься своїм типом бозонів: фотон, квант світла - електромагнітні взаємодії, гравітон - сили тяжіння, що діють між будь-якими тілами, що мають масу. Вісім глюонів переносять сильні ядерні взаємодії, що зв'язують кварки. Проміжні векторні бозони переносять слабкі взаємодії, відповідальні за деякі розпади частинок. Вважається, що до цих чотирьох взаємодій зводяться всі сили в природі. Одним з найяскравіших досягнень нашого століття стало доказ того, що при дуже високих температурах (або енергіях) всі чотири взаємодії зливаються в одне.

При енергії 100 ГеВ (10 ⁹ еВ) об'єднуються електромагнітне і слабка взаємодії. Така енергія відповідає температурі Всесвіту через 10 ^-10 с після Великого Вибуху, і в 4 трильйони разів вище кімнатної. Це відкриття дозволило припустити, що при енергії близько ^{15 жовтня} ГеВ можна досягти об'єднання з ними сильних взаємодій, як це стверджується у теорії великого об'єднання (ТВО), а при енергії ^жовтні 1919 ГеВ до взаємодій ТВО приєднається і гравітаційна взаємодія, «утворюючи» ТВС ( Теорію Всього Сущого).

Прискорювачів, на яких можна отримати такі енергії і перевірити ці теорії, поки немає і не передбачається, тому звертаються до Всесвіту, щоб знайти в ній можливі обмеження для величезного числа елементарних частинок. В останні тридцять років між фізикою елементарних частинок і космологією існує тісний зв'язок. Сукупність астрофізичних даних можна розглядати як «експериментальний матеріал», накопичений в результаті роботи Всесвіту - гігантського прискорювача часток. Ми можемо мати справу тільки з непрямими наслідками відбувалися і відбуваються, з усередненим по всьому Всесвіті результатом їх впливу на еволюцію матерії.

Серед лептонів найбільш відомий електрон, ймовірно, він не складається з інших частинок, тобто елементарний. Інший лептон - нейтрино. Це найпоширеніший лептон у Всесвіті і в той же час самий невловимий. Нейтрино не бере участь ні в сильному, ні в електромагнітному взаємодіях. Після передбачення нейтрино було виявлено тільки через 30 років на прискорювачах. Нейтрино буває трьох видів - електронне, мюонне і тау-нейтрино. Мюон - теж широко поширений в природі лептон. Він був виявлений в космічних променях в 1936 р.; це нестабільна частка, а в іншому він схожий на електрон. За два мільйонні частки секунди він розпадається на електрон і два нейтрино. Фонове космічне випромінювання в більшій частині складається з мюонів. В кінці 70-х рр.. був виявлений третій заряджений лептон (крім електрона і мюона) - тау-лептон. Він веде себе дуже схоже на своїх побратимів, але важче електрона в 3500 разів. У кожного лептона є і античастинка, тобто всього їх 12.

Адронів існує дуже багато, їх сотні. Тому часто їх вважають не елементарними частинками, а складеними з інших. Вони бувають електрично зарядженими і нейтральними. Всі адрони беруть участь у сильному, слабкому і гравітаційне взаємодіях. Серед них найвідоміші - протон і нейтрон. Решта живуть дуже мало, розпадаючись за 10 ^-6 с за рахунок слабкої взаємодії або за 10 ^-23 с - за рахунок сильного. Адрони розсортували за масою, заряду і спину. У цьому допомогла гіпотеза кварків, або часток, що складають адрони.

Кварки можуть з'єднуватися для цього трійками, складаючи Ядерна фізика, або парами: кварк-антікварк, складаючи мезони (проміжні частки). Кварки мають заряд 1 / 3 або 2 / 3 заряду електрона. Тоді в комбінації вони дадуть 0 або 1. Всі кварки мають спін, рівний 1 / 2, тобто вони відносяться до ферміонів. Вважають, що вони зчіплюються сильною взаємодією, але беруть участь і в слабкому. Особливості сильної взаємодії характеризують типами («ароматами») - «верхній», «нижній», «дивний». Але слабка взаємодія може поміняти «аромат» кварка. Наприклад, при розпаді нейтрона один з «нижніх» кварків стає «верхнім», а надлишок заряду забирає народжується електрон. Так що сильна взаємодія не може міняти «аромат», а без зміни «аромату» кварка неможливий розпад адрони.

Новий адрон, названий -Частинкою, був виявлений на прискорювачах (1974). Тому у відповідності з теорією кварків ввели ще одну характеристику, четвертий «аромат», так з'явився «зачарований» кварк.

Так що _{ψ-частинка} - це імовірно мезон, що складається з с-кварка і з-антикварка. Зараз виявлено вже багато «зачарованих» частинок, і всі вони важкі. А в 1977 р. з'явився -Мезон, і вся історія повторилася, п'ятий аромат отримав назву «чарівний». Так розвивається нині атомистика. Зараз вважають, що існують 12 кварків - фундаментальних частинок і стільки ж античастинок.

Шість частинок - це кварки з екзотичними іменами «верхній», «нижній», «зачарований», «дивний», «щирий», «чарівний». Вони є породженням теорії, яка прагне до упорядкованості і красу, і відкриті всі, за винятком «істинного». Решта шість - лептони: електрон, мюон, -Частка і відповідні їм нейтрино (електронне, мюонне, нейтрино).

Ці 12 частинок, або дві по шість, групують у три покоління, кожне з яких складається з чотирьох членів.

У першому поколінні - «верхній» і «нижній» кварки, електрон і електронне нейтрино, у другому - «зачарований» і «дивний» кварки, мюон і мюонне нейтрино, в третьому - «істинний» і «чарівний» кварки і -Частка зі своїм нейтрино. Всі звичайна речовина складається з частинок першого покоління. Протон, наприклад, складається з двох «верхніх» кварків і одного «нижнього», нейтрон - з двох «нижніх» і одного «верхнього». Кожен атом складається з важкого ядра (сильно пов'язаних протонів і нейтронів), оточеного електронним хмарою.

Крім даної класифікації можна виділяти істинно елементарні частинки і умовно істинно мікрочастинки. ¹

Істинно елементарні частинки.

На сьогоднішній день з теоретичної точки зору відомі такі істинно елементарні (на даному етапі розвитку науки вважаються нерозкладними) частки: кварки і лептони (ці різновиди належать до частинок речовини), кванти полів (фотони, векторні бозони, глюони), а також частки Хіггса.

У відповідностей з чотирма видами фундаментальних взаємодій розрізняють відповідно чотири види елементарних частинок: адрони, які беруть участь у всіх взаємодіях, лептони, не беруть участь. Тільки в сильному (а нейтрино і в електромагнітному), фотон, який бере участь тільки в електромагнітній взаємодії, і гіпотетичний гравітон - переносник гравітаційної взаємодії.

2. Мікрочастинки з напівцілим і цілим спіном

Спін (від англ. Spin - вертіти [-ся]) - власний момент імпульсу елементарних частинок, має квантову природу і не пов'язаний з переміщенням частинки як цілого. Спіном називають також власний момент імпульсу атомного ядра чи атома; в цьому випадку спін визначається як векторна сума (обчислена за правилами складання моментів у квантовій механіці) спінів елементарних частинок, що утворюють систему, і орбітальних моментів цих частинок, обумовлених їх рухом всередині системи.

Спін вимірюється в одиницях (Наведених постійних Планка, або постійних Дірака) і дорівнює J, де J - характерне для кожного сорту частинок ціле (у тому числі нульове) або напівцілим позитивне число - так зване спінове квантове число, яке зазвичай називають просто спіном (одне з квантових чисел).

У зв'язку з цим говорять про цілому або напівцілим спині частинки.

Однак не слід плутати поняття спін і спінове квантове число. Спіновое квантове число - квантове число, що визначає величину спина квантової системи (атома, іона, атомного ядра, молекули), тобто її власного (внутрішнього) моменту імпульсу.

Нуклон - загальна назва протона і нейтрона - частинок, з яких складаються ядра атомів. На нуклони припадає основна частина маси атома. Незважаючи на різницю в деяких властивостях і поведінці, нейтрони і протони, на думку фізиків, досить подібні, щоб вважати їх членами однієї родини, подібно до того як біологи відносять до єдиного вигляду собак і вовків. Так, їх маси відрізняються не більш ніж на 1%, а спини однакові. Крім того, майже однакові сили, що діють між двома нейтронами чи двома протонами на малих відстанях (10 ^-15 м і менше). Найбільш істотна відмінність між протоном і нейтроном - наявність у протона електричного заряду, якого нейтрон, як це видно з його назви, не має.

Історично першою відкритою елементарною частинкою був електрон - носій негативного елементарного електричного заряду в атомах.

Це сама «стара» елементарна частинка. В ідейному плані він увійшов у фізику в 1881 р., коли Гельмгольц у промові на честь Фарадея вказав, що атомна структура речовини разом із законами електролізу Фарадея неминуче призводить до думки, що електричний заряд завжди повинен бути кратним деякому елементарному заряду, - тобто . висновку про квантуванні електричного заряду. Носієм негативного елементарного заряду, як ми тепер знаємо, і є електрон.

Максвелл ж, створив фундаментальну теорію електричних і магнітних явищ і використав істотним чином експериментальні результати Фарадея, не брав гіпотези атомного електрики.

Тим часом «тимчасова» теорія про існування електрона була підтверджена в 1897 р. в експериментах Дж. Дж. Томсона, в яких він ототожнив так звані катодні промені з електронами і виміряв заряд і масу електрона. Частинки катодних променів Томсон називав «корпускулами» або початковими атомами. Слово «електрон» спочатку використовувалося для позначення величини заряду «корпускули». І лише з часом електроном стали називати саму частку.

Проте ідея про електрон не відразу отримала визнання. Коли на лекції в Королівському суспільстві Дж. Дж. Томсон - першовідкривач електрона - висловив припущення, що частки катодних променів слід розглядати як можливі компоненти атома, деякі його колеги щиро вважали, що він містифікує їх. Сам Планк зізнавався в 1925 р., що не вірив тоді, у 1900р., До кінця в гіпотезу про електрон.

Можна сказати, що після дослідів Міллікена, виміряні в 1911р. заряди індивідуальних електронів, ця перша елементарна частинка отримала право на існування.

Протон був відкритий Е. Резерфордом у 1919 р. в дослідженнях взаємодії альфа-часток з атомними ядрами.

Точніше відкриття протона пов'язано з відкриттям атомного ядра. Воно було зроблено Резерфордом в результаті бомбардування атомів азоту високо енергетичними α-частинками. Резерфорд зробив висновок, що «ядро атома азоту розпадається внаслідок величезних сил, що розвиваються при зіткненні зі швидкою α-частинкою, і що освобождающийся водневий атом утворює складову частину ядра азоту». У 1920 р. ядра атома водню були названі Резерфордом протонами (протон по-грецьки означає найпростіший, первинний). Були й інші пропозиції з приводу назви. Так, наприклад, пропонувалося назву «барон» (Барос по-грецьки означає тяжкість). Однак воно підкреслювало тільки одну особливість ядра водню - його масу. Термін «протон» був істотно глибші і змістовніші, відображаючи фундаментальність протона, бо протон - це найпростіше ядро - ядро найлегшого ізотопу водню. Це, безсумнівно, один з найбільш вдалих термінів у фізиці елементарних частинок. Таким чином, протони - це частинки з одиничним позитивним зарядом і масою, в 1840 разів перевищує масу електрона.

Інша частинка, що входить до складу ядра, - нейтрон - була відкрита в 1932 Дж. Чедвіком при дослідженнях взаємодії α-частинок з берилієм. Нейтрон має масу, близьку до маси протона, але не володіє електричним зарядом. Відкриттям нейтрона завершилося виявлення частинок - структурних елементів атомів і їх ядер. ²

Відкриття ізотопів не прояснило питання про будову ядра. До цього часу були відомі лише протони - ядра водню, і електрони, а тому природною була спроба пояснити існування ізотопів різними комбінаціями цих позитивно і негативно заряджених частинок. Можна було б думати, що ядра містять А протонів, де А - масове число, і А  Z електронів. При цьому повний позитивний заряд збігається з атомним номером Z.

Така проста картина однорідного ядра спочатку не суперечила висновку про малих розмірах ядра, які з досвіду Резерфорда. "Природний радіус" електрона r0 = e ² / mc ² (який виходить, якщо прирівняти електростатичну енергію e ² / r0 заряду, розподіленого по сферичній оболонці, власної енергії електрона mc ²⁾ становить r0 = 2,82 * 10 ^-15 м. Такий електрон досить малий, щоб перебувати всередині ядра радіусом 10 ^-14 м, хоча помістити туди велике число часток було б важко. У 1920р. Резерфорд та інші вчені розглядали можливість існування стійкої комбінації з протона і електрона, що відтворює нейтральну частку з масою, приблизно рівною масі протона. Однак через відсутність електричного заряду такі частинки з працею піддавалися б виявленню. Навряд чи вони могли б і вибивати електрони з металевих поверхонь, як електромагнітні хвилі при фотоефекті. ³

Лише через десятиліття, після того як природна радіоактивність була глибоко досліджена, а радіоактивне випромінювання стали широко застосовувати, щоб викликати штучне перетворення атомів, було надійно встановлено існування нової складової частини ядра. У 1930 В. Боте і Г. Беккер з Гісенського університету проводили опромінення літію та берилію альфа-частинками і за допомогою лічильника Гейгера реєстрували виникає при цьому проникаюче випромінювання. Оскільки на цей випромінювання не чинили впливу електричні і магнітні поля, і воно мало великий проникаючу здатність, автори дійшли висновку, що випускається жорстке гамма-випромінювання. У 1932 Ф. Жоліо і І. Кюрі повторили досліди з берилієм, пропускаючи таке проникаюче випромінювання через парафіновий блок. Вони виявили, що з парафіну виходять протони з незвично високою енергією, і зробили висновок, що, проходячи через парафін, гамма-випромінювання в результаті розсіювання породжує протони. (У 1923 було встановлено, що рентгенівські промені розсіюються на електронах, даючи комптоновські ефект.)

Дж.Чедвік повторив експеримент. Він також використовував парафін і за допомогою іонізаційної камери, в якій збирався заряд, що виникає при вибиванні електронів з атомів, вимірював пробіг протонів віддачі.

Чедвік використовував також газоподібний азот (у камері Вільсона, де уздовж сліду зарядженої частинки відбувається конденсація водяних крапельок) для поглинання випромінювання і вимірювання пробігу атомів віддачі азоту. Застосувавши до результатів обох експериментів закони збереження енергії та імпульсу, він прийшов до висновку, що виявлене нейтральне випромінювання - це не гамма-випромінювання, а потік часток з масою, близькою до маси протона. Чедвік показав також, що відомі джерела гамма-випромінювання не вибивають протонів.

Тим самим було підтверджено існування нової частинки, яку тепер називають нейтроном.

Розщеплення металевого берилію відбувалося таким чином:

Альфа-частинки _{² квітня} He (заряд 2, масове число 4) стикалися з ядрами берилію (заряд 4, масове число 9), в результаті чого виникали вуглець і нейтрон. ⁴

Відкриття нейтрона стало важливим кроком вперед. Спостережувані характеристики ядер тепер можна було інтерпретувати, розглядаючи нейтрони і протони як складові частини ядер.

Нейтрон, як тепер відомо, на 0,1% важче протона. Вільні нейтрони (поза ядра) зазнають радіоактивний розпад, перетворюючись на протон і електрон. Це нагадує про первісної гіпотези складовою нейтральної частинки. Однак всередині стабільного ядра нейтрони пов'язані з протонами і мимоволі не розпадаються.

Як вже було сказано вище до микрочастицам з напівцілим спинами або ферміонами, відносяться електрони, протони і нейтрони. Наведемо найважливіші характеристики електронів, протонів і нейтронів. Вони зібрані в Таблиці 1.

Таблиця 1 Найважливіші характеристики ферміонів

Величина заряду дана в кулонах, маса - в кілограмах (одиницях СІ); слова "спін" і "статистика" будуть пояснені нижче.

Звернемо увагу на різницю в масі частинок: протони і нейтрони майже в 2000 разів важче електронів. Отже, маса будь-якого тіла майже повністю визначається масою протонів і нейтронів.

Нейтрон, як це випливає з його назви, нейтральний - його заряд дорівнює нулю. А протон і електрон мають однакові за величиною, але протилежні за знаком заряди. Електрон заряджений негативно, а протон - позитивно.

Серед характеристик часток немає, здавалося б, важливої ​​характеристики - їх розміру. Описуючи будова атомів і молекул, електрони, протони і нейтрони можна вважати матеріальними точками. Про розміри протона і нейтрона доведеться згадати тільки при описі атомних ядер. Навіть у порівнянні з розмірами атомів протони і нейтрони жахливо малі (порядку 10 ^-16 метра).

Крім мають половинний спін частинок речовини, до істинно елементарних частинок відносяться частинки зі спіном 1. Це кванти полів, створюваних частинками речовини. Масивні W-бозони є переносниками слабких взаємодій між кварками і лептона.

Кварк - фундаментальна частинка в Стандартної моделі, що володіє електричним зарядом, кратним e / 3, і не спостерігається у вільному стані. З кварків складаються адрони, зокрема, протон і нейтрон. В даний час відомо 6 «сортів» (частіше кажуть - «ароматів») кварків, властивості яких наведено в таблиці. Крім того, для калібрувального опису сильної взаємодії постулюється, що кварки мають і додаткової внутрішньої характеристикою, званої «колір». Кожному кварку відповідає антікварк з протилежними квантовими числами. ⁵

Через незвичного властивості сильної взаємодії - конфайнменту - часто неспеціалістами задається питання: а звідки ми впевнені, що кварки існують, якщо їх ніхто ніколи не побачить у вільному вигляді? Може, вони - лише математична абстракція, і протон зовсім не складається з них?

Причини того, що кварки вважаються реально існуючими об'єктами, такі:

По-перше, в 1960-х роках було зрозуміло, що всі численні адрони підпорядковуються більш-менш простий класифікації: самі собою об'єднуються в мультиплет і супермультіплети. Іншими словами, при описі всіх цих мультиплетов потрібно дуже невелике число вільних параметрів. Тобто, всі адрони мають невеликим числом ступенів свободи: всі баріони з однаковим спіном володіють трьома ступенями свободи, а всі мезони - двома. Спочатку гіпотеза кварків якраз і полягала в цьому спостереженні, і слово «кварк», по суті, було короткою формою фрази «суб-адронів ступінь свободи».

Далі, при обліку спина виявилося, що кожній такої міри свободи можна приписати спін ½ і, крім того, кожній парі кварків можна приписати орбітальний момент - немов вони і є частки, які можуть обертатися один щодо одного. З цього припущення виникло струнке пояснення і всього різноманіття спінів адронів, а також їх магнітних моментів.

Більш того, з відкриттям нових частинок з'ясувалося, що ніяких модифікацій теорії не потрібно: кожен новий адрон вдало вписувався в кварковий конструкцію без будь-яких її перебудов (якщо не вважати додавання нових кварків).

Як перевірити, що заряд у кварків дійсно дробовий? Кваркова модель передбачала, що при анігіляції високоенергетичних електрона і позитрона будуть народжуватися не самі адрони, а спочатку пари кварк-антікварк, які потім вже перетворюються в адрони. Результат розрахунку течії такого процесу безпосередньо залежав від того, який заряд народжених кварків. Експеримент повністю підтвердив ці прогнози.

З настанням ери прискорювачів високої енергії стало можливим вивчати розподіл імпульсу всередині, наприклад, протона. З'ясувалося, що імпульс у протоні не розподілений рівномірно по ньому, а частинами зосереджений в окремих ступенях свободи. Ці ступені свободи назвали Партон (від англ. Part - частина). Більше того, виявилося, що Партон, в першому наближенні, володіють спіном ½ і тими ж зарядами, що і кварки. З ростом енергії виявилося, що кількість Партон зростає, але такий результат і очікувався в кваркової моделі при надвисоких енергіях.

З підвищенням енергії прискорювачів стало можливим також спробувати вибити окремий кварк з адронів в високоенергетичному зіткненні. Кваркова теорія давала чіткі прогнози, як повинні були виглядати результати таких зіткнень - у вигляді струменів. Такі струмені дійсно спостерігалися в експерименті. Зауважимо, що якщо б протон ні з чого не складався, то струменів би свідомо не було.

При високоенергетичних зіткненнях адронів ймовірність того, що адрони розсіються на деякий кут без руйнування зменшується із зростанням величини кута. Теорія передбачає, що швидкість цього зменшення залежить від числа кварків, з яких складається адрон. Експерименти підтвердили, що, наприклад, для протона швидкість виходить точно така, яка очікується для об'єкта, що складається з трьох кварків. Аналогічне згоду спостерігається і для інших адронів.

У цілому, можна сказати, що гіпотеза кварків і все, що з неї випливає (зокрема, КХД), є найбільш консервативною гіпотезою щодо будови адронів, яка здатна пояснити наявні експериментальні дані. ⁶

Спроби обійтися без кварків наштовхуються на труднощі з описом всіх тих численних експериментів, які дуже природно описувалися в кваркової моделі.

Гіпотеза про те, що адрони побудовані із специфічних субодиниць, була вперше висунута М. Гелл-Манном і, незалежно від нього, Дж. Цвейг в 1964 році.

Слово «кварк» було запозичене Гелл-Манном з роману Дж. Джойса «Поминки по Фіннегану», де в одному з епізодів звучить фраза «Three quarks for Muster Mark!» (Зазвичай перекладається як «Три кварка для Мюстері Марка!"). Саме слово «quark» у цій фразі імовірно є звуконаслідуванням крику морських птахів. Дж. Цвейг називав їх тузами, але ця назва не прижилася і забулося - можливо, тому, що тузів чотири, а кварків у первісній моделі було три.

Глюони - переносники сильних взаємодій між кварками. Як і самі кварки, глюони не виявлені у вільному вигляді, але проявляються на проміжних стадіях деяких реакцій. Теорія кварків і глюонів називається квантовою хромодинаміки.

Переносники слабкої взаємодії три частинки - W ± і Z ° бозони. Вони були відкриті лише у 1983 р. Радіус слабкої взаємодії надзвичайно малий, тому його переносниками повинні бути частинки з великими масами спокою.

Відповідно до принципу невизначеності час життя частинок з такою великою масою спокою має бути надзвичайно короткою - всього лише близько 10 n сек (де n = - 2 6). Радіус стерпного цими взаємодії дуже малий тому, що настільки короткоживучі частинки не встигають відійти особливо далеко. ⁷

Висловлюється думка, що можливе існування і переносника гравітаційного поля - гравітону (у тих теоріях гравітації, які розглядають її не (тільки) як наслідок викривлення простору-часу, а як поле). Спін гравітону дорівнює 2. У принципі Гравітон можна зафіксувати в експерименті. Але оскільки гравітаційне взаємодія дуже слабке і у квантових процесах практично не проявляється, то безпосередньо зафіксувати Гравітон дуже складно.

3. Умовно істинно і істинно елементарні частинки і їх характеристика

Кожна з пар лептонів об'єднується з відповідною парою кварків в четвірку, яка називається поколінням. Властивості часток повторюються з покоління в покоління, відрізняються лише маси: друге важче першого, третього важче другого. Передбачається, що в природі зустрічаються в основному частки першого покоління, а решту можна створити штучно на прискорювачах заряджених частинок або при взаємодії космічних променів в атмосфері.

Крім мають половинний спін частинок речовини, до істинно елементарних частинок відносяться частинки зі спіном 1. Це кванти полів, створюваних частинками речовини. Масивні W-бозони є переносниками слабких взаємодій між кварками і лептона. Глюони - переносники сильних взаємодій між кварками. Як і самі кварки, глюони не виявлені у вільному вигляді, але проявляються на проміжних стадіях деяких реакцій. Теорія кварків і глюонів називається квантовою хромодинаміки.

Частка з передбачуваним спіном 2 - це гравітон, його існування передбачено теоретично, але виявити його буде надзвичайно важко, тому що він дуже слабо взаємодіє з речовиною.

Нарешті, до істинно елементарних частинок відносяться частинки Хіггса, або Н-мезони, і гравітіно, вони не виявлені на досвіді, але уіх існування передбачається в багатьох сучасних теоретичних моделях.

У багатьох частинок існують двійники у вигляді античастинок, з тими ж масою, часом життя, спіном, але відрізняються знаками всіх зарядів: електричного, баріонів, лептонного і т.д. (Електрон-позитрон, протон-антипротон і д.р.). Існування античастинок було вперше передбачено в 1928 р. англійським фізиком-теоретиком П. Діраком. З рівняння Дірака для релятивістського руху електрона слід було друге рішення для його двійника, що має ту ж масу, але позитивний електричний заряд.

Починаючи з 30-х років і аж до 50-х років нові частинки відкривалися головним чином в космічних променях. У 1932 р. в їх складі А. Андерсоном була виявлена ​​перша античастинка - позитрон (е +) - частинка з масою електрона, але з позитивним електричним зарядом. Позитрон був першою відкритою античастицей. Існування е + безпосередньо випливали із релятивістської теорії електрона, розвинутої П. Діраком (1928-31) незадовго до виявлення позитрона. У 1936р. американські фізики К. Андерсон і С. Неддермейер виявили при дослідженні космічних променів мюони (обох знаків електричного заряду) - частинки з масою приблизно в 200 мас електрона, а в іншому дивно близькі за властивостями до е-, е +.

Позитрони (позитивні електрони) у речовині не можуть існувати, тому що при уповільненні вони анігілюють, з'єднуючись з негативними електронами. У цьому процесі, який можна розглядати як зворотний процес народження пар, позитивний і негативний електрони зникають, при цьому утворюються фотони, яким передається їх енергія. При анігіляції електрона і позитрона в більшості випадків утворюються два фотони, значно рідше - один фотон. Однофотонна анігіляція може статися тільки в тому випадку, коли електрон сильно пов'язаний з ядром; участь ядра в цьому випадку необхідно для збереження імпульсу. Двохфотонним анігіляція, навпаки, може відбуватися і з вільним електроном. Часто процес анігіляції відбувається після практично повної зупинки позитрона. У цьому випадку випускаються в протилежних напрямах два фотона з рівними енергіями.

Позитрон був відкритий Андерсоном при вивченні космічних променів методом камери Вільсона. На малюнку, який є репродукцією з отриманої Андерсоном фотографії в камері Вільсона, видно позитивна частинка, що входить у свинцеву пластину товщиною 0,6 см з імпульсом 6,3 • 107 еВ / с і виходить з неї з імпульсом 2,3 • 107 еВ / с. Можна встановити верхню межу для маси цієї частки, допустивши, що вона втрачає енергію тільки на зіткнення. Ця межа становить 20 me. На підставі цієї та інших подібних фотографій Андерсон висунув гіпотезу про існування позитивної частинки з масою, приблизно рівною масі звичайного електрона. Цей висновок скоро було підтверджено спостереженнями Блеккета і Оккіаліні в камері Вільсона. Незабаром після цього Кюрі і Жоліо відкрили, що позитрони утворюються при конверсії гамма-променів радіоактивних джерел, а також випускаються штучними радіоактивними ізотопами. Так як фотон, будучи нейтральним, утворює пару (позитрон і електрон), то з принципу збереження електричного заряду випливає, що за абсолютною величиною заряд позитрона дорівнює заряду електрона.

Перше кількісне визначення маси позитрона було пророблено Тібо, який вимірював ставлення e / m методом трохоід і прийшов до висновку, що маси позитрона й електрона відрізняються не більше ніж на 15%. Пізніші експерименти Шпіса і Цана, які використовували деякі мас-спектрографічні установку, показали, що маси електрона і позитрона збігаються з точністю до 2%. Ще пізніше Дюмонд і співробітники виміряли з великою точністю довжину хвилі анігіляційного випромінювання. З точністю до помилок експерименту (0,2%) вони отримали таке значення довжини хвилі, якого слід було очікувати в припущенні, що позитрон і електрон мають рівні маси.

Закон збереження моменту кількості руху в застосуванні до процесу народження пар показує, що позитрони володіють напівцілим спіном і, отже, підкоряються статистиці Фермі. Розумно припустити, що спін позитрона дорівнює 1 / 2, як і спін електрона.

Характерна особливість поведінки частинок і античастинок - їх анігіляція при зіткненні. Типовий приклад - взаємознищення електрона і позитрона з виділенням енергії при народженні двох фотонів.

У сильних і електромагнітних взаємодіях є повна симетрія між частинками і античастинками - всі процеси, що протікають з першими, можливі й аналогічні для других. Подібно протонам і нейтронам їх античастинки можуть утворювати антіядра. У принципі можна уявити собі й антиатоми, і навіть великі скупчення антиречовини.

Адрони - загальна назва для частинок, найбільш активно беруть участь в сильних взаємодіях. Назва походить від грецького слова "сильний, великий". Всі адрони діляться на дві великі групи - Ядерна фізика і мезони.

Ядерна фізика - це адрони з напівцілим спіном. Найвідоміші з них - протон і нейтрон. Одним із властивостей баріонів, що відрізняє їх від інших частинок, можна вважати наявність у них зберігається баріонного заряду, введеного для опису досвідченого факту сталості у всіх відомих процесах різниці між числом баріонів і антібаріонов.

Мезони - адрони з цілим спіном. Їх баріонів заряд дорівнює нулю. Адронів налічується близько 350. Більшість з них вкрай нестабільні і розпадаються за час порядку 10 -23 С. Настільки короткоживучі частинки не можуть залишити слідів в детекторах. Зазвичай їх народження виявляють за непрямими ознаками. Наприклад, вивчають реакцію анігіляції електронів та позитронів з подальшим народженням адронів.

Відкриття мезона, на відміну від відкриття позитрона стало не результатом одиничного спостереження, а швидше висновком з цілої серії експериментальних і теоретичних досліджень.

У 1932 році Россі, використовуючи метод збігів, запропонований Боте і Кольхерстера, показав, що відому частина спостережуваного на рівні моря космічного випромінювання складають частинки, здатні проникати через свинцеві пластини товщиною до 1 м. Незабаром після цього він також звернув увагу на існування в космічних променях двох різних компонент. Частинки однієї компоненти (проникаюча компонента) здатні проходити через великі товщі речовини, причому ступінь поглинання їх різними речовинами приблизно пропорційна масі цих речовин. Частинки інших компонентів (лівнеобразующая компонента) швидко поглинаються, особливо важкими елементами; при цьому утворюється велика кількість вторинних частинок (зливи). Експерименти з вивчення проходження частинок космічних променів через свинцеві пластини, проведені з камерою Вільсона Андерсоном і Неддемейером, також показали, що існують дві різні компоненти космічних променів. Ці експерименти показали, що, в той час як в середньому втрата енергії частинок космічних променів у свинці співпадала за порядком величин з теоретично обчисленої втратою на зіткнення, деякі з цих частинок відчували набагато більші втрати.

У 1934 році Беті і Гайтлера опублікували теорію радіаційних втрат електронів і народження пар фотонами. Властивості менш проникаючої компоненти, що спостерігалася Андерсоном і Неддемейером, перебувають у злагоді з властивостями електронів, передбаченими теорією Беті і Гайтлера; при цьому великих втрат пояснювалися радіаційними процесами. Властивості лівнеобразующего випромінювання, виявленого Россі, також могли бути пояснені в припущенні, що це випромінювання складається з електронів і фотонів великих енергій. З іншого боку, визнаючи справедливість теорії Беті і Гайтлера, доводилося робити висновок, що "проникаючі" частки в експериментах Россі і менш поглинаючих частинок в експериментах Андерсона і Неддемейера відрізняються від електронів. Довелося припустити, що проникають частки важче електронів, тому що відповідно до теорії втрати енергії на випромінювання обернено пропорційні квадрату маси.

У зв'язку з цим обговорювалася можливість краху теорії випромінювання при великих енергіях. В якості альтернативи Вільямс в 1934 році висловив припущення, що проникають частинки космічних променів, можливо, мають масу протона. Одна з труднощів, пов'язаних з цією гіпотезою, полягала в необхідності існування не тільки позитивних, але й негативних протонів, тому що експерименти з камерою Вільсона показали, що проникають частинки космічних променів мають заряди обох знаків. Більш того, на деяких фотографіях, отриманих Андерсоном і Неддемейером в камері Вільсона, можна було бачити частинки, які не випромінювали подібно електронам, але, проте, були не такими важкими, як протони. Таким чином, до кінця 1936 року стало майже очевидним, що в космічних променях є, крім електронів, ще й частинки до тих пір невідомого типу, імовірно частинки з масою, проміжною між масою електрона і масою протона. Слід відзначити також, що в 1935 році Юкава з чисто теоретичних міркувань передбачив існування подібних частинок.

Існування частинок з проміжною масою було безпосередньо доведено в 1937 році експериментами Неддемейера і Андерсона, Стріта і Стівенсона.

Експерименти Неддемейера і Андерсона стали продовженням (з поліпшеною методикою) згадуваних вище досліджень по втратах енергії частинок космічних променів. Вони були проведені в камері Вільсона, вміщеної у магнітне поле і розділеної на дві половини платинової пластиною товщиною 1 см. Втрати імпульсу для окремих частинок космічних променів визначалися шляхом вимірювання кривизни сліду до і після пластини.

Поглинаючих частинок легко можуть бути інтерпретовані як електрони. Така інтерпретація підкріплюється тим, що поглинає частинки на відміну від проникаючих часто викликають у платиновому поглиначі вторинні процеси і здебільшого зустрічаються групами (по дві і більше). Саме цього і слід було очікувати, оскільки багато хто з електронів, які спостерігаються при такій же геометрії експерименту, що у Неддемейера і Андерсона, входять до складу злив, що утворюються в навколишньому речовині. Що стосується природи проникаючих часток, то тут багато пояснили два наступні результату, отриманих Неддемейером і Андерсоном.

1). Незважаючи на те, що поглинає частинки відносно частіше зустрічаються при малих значеннях імпульсів, а проникаючі частки навпаки (більш часті при великих значеннях імпульсів), є інтервал імпульсів, в якому представлені і поглинаються і проникаючі частинки. Таким чином, різниця в поведінці цих двох сортів часток не може бути приписано відмінності в енергіях. Цей результат виключає можливість вважати проникаючі частки електронами, пояснюючи їх поведінка несправедливістю теорії випромінювання при великих енергіях.

2). Є деяке число проникаючих часток з імпульсами менше 200 МеВ / с, які виробляють не велику іонізацію, ніж однозарядна частка поблизу мінімуму кривої іонізації. Це означає, що проникають частинки космічних променів значно легше, ніж протони, оскільки протон з імпульсом менше 200 МеВ / с виробляє питому іонізацію, приблизно в 10 разів перевищує мінімальну.

Стріт і Стівенсон спробували безпосередньо оцінити масу частинок космічних променів шляхом одночасного вимірювання імпульсу і питомої іонізації. Вони використовували камеру Вільсона, що керувалася системою лічильників Гейгера-Мюллера, включеної на антизбігів. Цим досягався відбір часток, близьких до кінця свого пробігу. Камера містилася в магнітне поле напруженістю 3500 гс; камера спрацював із затримкою близько 1 сек, що дозволяло проводити рахунок крапельок.

Ця частка має негативним зарядом, оскільки вона рухається вниз. Судячи по імпульсу і питомої іонізації, її маса, становить приблизно 175 масам електрона; ймовірна помилка, складова 25%, обумовлена ​​неточністю вимірювання питомої іонізації. Зауважимо, що електрон, що володіє імпульсом 29 МеВ / с, має практично мінімальну іонізацію. З іншого боку, частинки з таким імпульсом і масою протона (або рухається вгору звичайний протон, або негативний протон, що рухається вниз) мають питомою іонізацією, яка приблизно в 200 разів перевищує мінімальну; крім того, пробіг такого протона в газі камери повинен бути менше 1 см. У той же час слід, про який йде мова, ясно видно протягом 7 см, після чого він виходить з освітленого обсягу.

Описані вище експерименти, безумовно, довели, що проникають частинки дійсно є більш важкими, ніж електрони, але більш легкими, ніж протони. Крім того, експеримент Стріта і Стівенсона дав першу приблизну оцінку маси цієї нової частинки, яку ми можемо тепер назвати її загальноприйнятим ім'ям - мезон.

Отже в 1936 р. А. Андерсон і С. Неддермейер відкрили мюон (μ-мезон). Ця частка відрізняється від електрона тільки своєю масою, яка приблизно в 200 разів більше електронної.

У 1947р. Пауелл спостерігав у фотоемульсіях сліди заряджених частинок, які були інтерпретовані як мезони Юкави і названі π-мезонами або півоніями. Продукти розпаду заряджених піонів, що представляють собою також заряджені частки, були названі μ-мезонами або мюонами. Саме негативні мюони і спостерігалися в дослідах Конверсія: на відміну від півоній мюони, як і електрони, не взаємодіють сильно з атомними ядрами.

Змінюючи енергію зіткнення, виявляють, що при якомусь її значенні вихід адронів різко збільшився. Даний факт можна пояснити тим, що в проміжному стані народилася частинка. Потім вона миттєво розпадається на інші адрони, які й реєструються. Такі короткоживучі частинки називаються резонансами. Більшість баріонів і мезонів - резонанси.

Адрони не є істинно елементарними частинками. Вони мають кінцеві розміри і складну структуру. Баріон складається з трьох кварків, мезони побудовані з кварка і анти-кварка, кварки утримуються всередині адронів глюонньм полем. У принципі теорія припускає існування інших адронів, побудованих з більшого числа або з одного глюонного поля.

Спочатку кваркова модель була запропонована для наведення порядку в занадто численному сімействі адронів. Ця модель включила кварки трьох типів або ароматів (надалі виявилося, що їх більше). За допомогою кварків вдалося розділити адрони на групи, звані мультіплета. Частинки одного мультіплета мають близькі маси.

Теорія кварків - це теорія будови адронів. Основна ідея цієї теорії дуже проста. Всі адрони побудовані з більш дрібних частинок, які називаються кварками. Значить, кварки - це більш елементарні частинки, ніж адрони. Кварки несуть дробовий електричний заряд: вони мають заряд, величина якого становить або -1 / 3 або +2 / 3 фундаментальної одиниці - заряду електрона. Комбінація з двох і трьох кварків може мати сумарний заряд, що дорівнює нулю або одиниці. Всі кварки мають спін Ѕ, тому вони відносяться до ферміонів. Основоположники теорії кварків Гелл-Манн і Цвейг, щоб врахувати всі відомі в 60-і рр.. адрони ввели три сорти (аромату) кварків: u (від up-верхній), d (від down-нижній) і s (від strange - дивний).

Кварки можуть з'єднуватися один з одним одним з двох можливих способів: або трійками, або парами кварк - антікварк. З трьох кварків складаються порівняно важкі частинки - Ядерна фізика, що означає "важкі частки". Найбільш відомі з баріонів нейтрон і протон. Більш легкі пари кварк - антікварк утворюють частинки, що отримали назву мезони - "проміжні частки". Наприклад, протон складається з двох u-і одного d-кварків (uud), а нейтрон - з двох d-кварків і одного u-кварка (udd). Щоб це "тріо" кварків не розпадалася, необхідна утримує їх сила, якийсь " клей ".

Виявилося, що результуюче взаємодія між нейтронами і протонами в ядрі є просто залишковий ефект більш потужного взаємодії між самими кварками. Це пояснило, чому сильна взаємодія здається таким складним. Коли протон "прилипає" до нейтронної або іншому протона, у взаємодії беруть участь шість кварків, кожен з яких взаємодіє з усіма іншими. Значна частина сил витрачається на міцне склеювання тріо кварків, а невелика - на скріплення двох тріо кварків один з одним. (Але з'ясувалося, що кварки беруть участь і в слабкій взаємодії. Слабка взаємодія може змінювати аромат кварка. Саме так відбувається розпад нейтрона. Один з d-кварків в нейтрон перетворюється на u-кварк, а надлишок заряду забирає народжується одночасно електрон. Аналогічним чином, змінюючи аромат, слабка взаємодія призводить до розпаду і інших адронів.)

Та обставина, що з різних комбінацій трьох основних частинок можна отримати всі відомі адрони, стало тріумфом теорії кварків. Але в 70-і рр.. були відкриті нові адрони (пси-частинки, іпсилон-мезон і ін.) Цим було завдано удару першим варіантом теорії кварків, оскільки в ній вже не було місця ні для однієї нової частинки. Всі можливі комбінації з кварків і їх антикварков були вже вичерпані.

Проблему вдалося вирішити за рахунок введення трьох нових ароматів. Вони отримали назву

- Charm (чарівність), або с; b-кварк (від bottom - дно, а частіше beauty - краса, або прелесть); згодом був введений ще один аромат - t (від top - верхній).

Кварки скріплюються між собою сильною взаємодією. Переносники сильної взаємодії - глюони (колірні заряди). Область фізики елементарних частинок, що вивчає взаємодію кварків і глюонів, носить назву квантової хромодинаміки. Як квантова електродинаміка - теорія електромагнітного взаємодії, так квантова хромодинаміка - теорія сильної взаємодії.

Хоча й існує певна незадоволеність кваркової схемою, більшість фізиків вважає кварки справді елементарними частинками - точковими, неподільними і не володіють внутрішньою структурою. У цьому відношенні вони нагадують лептони, і вже давно передбачається, що між цими двома різними, але подібними за своєю структурою сімействами повинна існувати глибокий взаємозв'язок.

Таким чином, найбільш вірогідне число істинно елементарних частинок (не рахуючи переносників фундаментальних взаємодій) на кінець ХХ століття одно 48. З них: лептонів (6х2) = 12 плюс кварків (6х3) х2 = 36.

Пряме експериментальне доказ існування фотона було дано Р. Міллікеном у 1912-1915 рр.. в його дослідженнях фотоефекту, а також А. Комптоном в 1922 р., які виявили розсіювання рентгенівських променів із зміною їх частоти.

Фотон - в деякому сенсі особлива частинка. Справа в тому, що маса його спокою на відміну від інших часток (крім нейтрино) дорівнює нулю. Тому його стали вважати часткою не відразу: спочатку вважали, що наявність кінцевої і відмінною від нуля маси спокою - обов'язкова риса елементарної частинки.

Фотон - це «жвавий» планківських квант світла, тобто квант світла, що несе імпульс.

Кванти світла ввів Планк в 1901 р. для того, щоб пояснити закони випромінювання абсолютно чорного тіла. Але він був не частинками, а тільки мінімально можливими «порціями» енергії світла тієї чи іншої частоти.

Хоча припущення Планка про квантуванні енергії світла абсолютно суперечило всієї класичної теорії, сам Планк зрозумів це не відразу. Учений писав, що він «... намагався якось ввести величину h в рамки класичної теорії. Однак всупереч всім таким спробам ця величина виявилася вельми норовистої ». Згодом ця величина отримала назву постійної Планка (h = 6 * 10 ^-27 ерг.с).

Після введення постійної Планка ситуація не стала більш ясною.

«Живими» фотони або кванти зробила теорія відносності Ейнштейна, який у 1905 р. показав, що кванти повинні мати не тільки енергію, але й імпульс, і що вони є в повному сенсі частинками, тільки особливими, тому що маса спокою їх дорівнює нулю, і рухаються вони зі швидкістю світла.

Отже, висновок про існування частинки електромагнітного поля - фотона - бере свій початок з роботи М. Планка (1900). Припустивши, що енергія електромагнітного випромінювання абсолютно чорного тіла квантована, Планк отримав правильну формулу для спектру випромінювання. Розвиваючи ідею Планка, А. Ейнштейн (1905) постулював, що електромагнітне випромінювання (світло) насправді є потоком окремих квантів (фотонів), і на цій основі пояснив закономірності фотоефекту.

Висновок

Історія дослідження елементарних частинок і фундаментальних взаємодій налічує більше двох з половиною тисяч років і сходить до ідей давньогрецьких натурфілософів про будову Світу. Проте серйозна наукова розробка даного питання почалася лише в кінці XIX-го століття. У 1897 році видатний англійський фізик-експериментатор Дж.Дж.Томсона визначив відношення заряду електрона до його маси. Тим самим, електрон остаточно набув статусу реального фізичного об'єкта і став першою відомою елементарною частинкою в історії людства. Існування елементарних частинок фізики виявили при вивченні ядерних процесів, тому аж до середини XX століття фізика елементарних частинок була розділом ядерної фізики. В даний час фізика елементарних частинок і ядерна фізика є близькими, але самостійними розділами фізики, об'єднаними спільністю багатьох розглянутих проблем і застосовуваними методами дослідження. Головне завдання фізики елементарних частинок - це дослідження природи, властивостей і взаємних перетворень елементарних частинок. Уявлення про те, що світ складається з фундаментальних частинок, має довгу історію. Вперше думка про існування дрібних невидимих ​​частинок, з яких складаються всі навколишні предмети, була висловлена ​​за 400 років до нашої ери грецьким філософом Демокрітом. Він назвав ці частинки атомами, тобто неподільними частками. Наука почала використовувати уявлення про атоми тільки на початку XIX століття, коли на цій основі вдалося пояснити цілий ряд хімічних явищ. У 30-ті роки XIX століття в теорії електролізу, розвиненою М. Фарадеєм, з'явилося поняття іона і було виконано вимір елементарного заряду. Кінець XIX століття ознаменувався відкриттям явища радіоактивності, а також відкриттями електронів і α-частинок. У 1905 році у фізиці виникло уявлення про кванти електромагнітного поля - фотонах.

Елементарні частинки здатні народжуватися і знищуватися (випускати і поглинатися). Це відноситься також і до стабільних частинок з тією тільки різницею, що перетворення стабільних часток відбуваються не спонтанно, а при взаємодії з іншими частками. Прикладом може служити анігіляція (тобто зникнення) електрона і позитрона, що супроводжується народженням фотонів великої енергії. Може протікати і зворотний процес - народження електронно-позитронної пари, наприклад, при зіткненні фотона з досить великою енергією з ядром. Такий небезпечний двійник, яким для електрона є позитрон, є і у протона. Він називається антипротонів. Електричний заряд антипротона від'ємний. В даний час античастинки знайдені у всіх частинок. Античастинки протиставляються часткам тому, що при зустрічі будь-який частки зі своєю античастицей відбувається їх анігіляція, тобто обидві частинки зникають, перетворюючись на кванти випромінювання або інші частинки. Античастинка виявлена ​​навіть у нейтрона. Нейтрон і Антинейтрон відрізняються тільки знаками магнітного моменту і так званого баріонного заряду. Можливо існування атомів антиречовини, ядра яких складаються з антінуклонов, а оболонка - з позитронів. При анігіляції антиречовини з речовиною енергія спокою перетворюється в енергію квантів випромінювання. Це величезна енергія, значно перевершує ту, яка виділяється при ядерних і термоядерних реакціях. У різноманітті елементарних частинок, відомих до теперішнього часу, виявляється більш-менш струнка система класифікації. Елементарні частинки об'єднуються в три групи: фотони, лептони і адрони.

До групи фотонів відноситься єдина частинка - фотон, яка є носієм електромагнітної взаємодії.

Наступна група складається з легких частинок лептонів. У цю групу входять два сорти нейтрино (електронне і мюонне), електрон і μ-мезон. До лептонам відносяться ще ряд частинок.

Відкриття нейтрино - частинки, майже не взаємодіє з речовиною, веде свій початок від теоретичної здогадки В. Паулі (1930), що дозволила за рахунок припущення про народження такої частинки усунути труднощі з законом збереження енергії в процесах бета-розпаду радіоактивних ядер. Експериментально існування нейтрино було підтверджено лише у 1953 (Ф. Райнес і К. Коуен, США).

При β-розпаді ядер, як ми вже говорили, крім електронів вилітають ще нейтрино. Частка ця спочатку була «введена» у фізику теоретично. Саме існування нейтрино було постульовано Паулі в 1929 році, за багато років до його експериментального відкриття (1956 рік). Нейтрино нейтральна частинка з нульовою (чи мізерно малою) масою знадобилася Паулі для того, щоб врятувати закон збереження енергії в процесі β-розпаду атомних ядер.

Спочатку Паулі назвав гіпотетичну нейтральну частку, що утворюється при β-розпаді ядер, нейтроном (це було до відкриття Чедвіка) і припустив, що вона входить до складу ядра.

Наскільки важко було прийти до гіпотези нейтрино, які виникають у самому акті розпаду нейтрона, видно хоча б з того, що всього за рік до появи фундаментальної статті Фермі про властивості слабкої взаємодії дослідник, виступаючи з доповіддю про сучасний стан фізики атомного ядра використовував термін «нейтрон» для позначення двох частинок, які називаються зараз нейтроном і нейтрино. «Наприклад, згідно з пропозицією Паулі, - говорить Фермі, - було б можливо уявити, що всередині атомного ядра знаходяться нейтрони, які випускали б одночасно з β-частками. Ці нейтрони могли б проходити через великі товщі речовини, практично не втрачаючи своєї енергії, і тому були б практично не спостережувані. Існування нейтрона, безсумнівно, могло б просто пояснити деякі поки незрозумілі питання, такі, як статистика атомних ядер, аномальні власні моменти деяких ядер, а також, можливо, природу проникаючого випромінювання ». У самому справі, коли мова йде про частку, що випускається з β-електронами і погано поглинається речовиною, необхідно мати на увазі нейтрино. Можна зробити висновок, що в 1932 році проблеми нейтрона і нейтрино були вкрай заплутані. Знадобився рік напруженої праці теоретиків і експериментаторів, щоб дозволити як принципові, так і термінологічні труднощі.

«Після відкриття нейтрона, - говорив Паулі, - на семінарах у Римі мою нову частку, що випускається при β-розпаді, Фермі став називати« нейтрино », щоб відрізнити її від тяжкої нейтрона. Це італійська назва стало загальноприйнятим ».

У 30-роки теорія Фермі була узагальнена на позитронний розпад (Вік, 1934 рік) і на переходи зі зміною кутового моменту ядра (Гамов і Теллер, 1937 рік).

«Долю» нейтрино можна порівняти з «долею» електрона. Обидві частки були спочатку гіпотетичними - електрон був введений, щоб привести атомну структуру речовини у відповідність до законів електролізу, а нейтрино - для порятунку закону збереження енергії в процесі β-розпаду. І тільки значно пізніше вони були відкриті як реально існуючі.

У 1962 було з'ясовано, що існують два різних нейтрино: електронне і мюонне. У 1964 в розпадах нейтральних К-мезонів було виявлено незбереження т. н. комбінованої парності (введеної Лі Цзун-дао і Ян Чжень-Ніномія і незалежно Л. Д. Ландау в 1956), що означає необхідність перегляду звичних поглядів на поведінку фізичних процесів при операції відображення часу.

Всі лептони мають спін ½. Третю велику групу становлять важкі частинки, що називаються адронами. Ця група поділяється на дві підгрупи. Більш легкі частинки складають підгрупу мезонів. Найбільш легкі з них - позитивно і негативно заряджені, а також нейтральні π-мезони з масами близько 250 електронних мас. Півонії є квантами ядерної поля, подібно до того, як фотони є квантами електромагнітного поля. У цю підгрупу входять також чотири K-мезона і один η0-мезон. Всі мезони мають спін, рівний нулю. Друга підгрупа - Ядерна фізика - включає більш важкі частинки. Вона є найбільш великою. Найлегшими з баріонів є нуклони - протони і нейтрони. За ними слідують так звані гіперонів. Замикає таблицю омега-мінус-гіперон, відкритий в 1964 р. Це важка частинка з масою в 3273 електронних мас. Всі баріони мають спін ½. Достаток відкритих і знову відкриваються адронів навела вчених на думку, що всі вони побудовані з якихось інших більш фундаментальних частинок.

Література

1. Андраде е. Сілва Ж. Л., Лошак Ж. Поля частки кванти. - М., 1972.

2. Ахієзер А.І., Рекало М.П. Біографія елементарних частинок. -К.: Наукова Думка, 1983.

3. Дорфман Я.Г. Всесвітня історія фізики з початку 19 століття до середини 20 століття. -М.,: 1979.

4. Жилко В.В., Лавриненко А.В., Маркович Л. Г. Фізика Уч.пособие для 11 класу. - Мінськ, 2004.

5. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс загальної фізики. -К.: Вид. Еделвейс, 1994.

6. Карпенків С.Х. Основні концепції природознавства. М., 2007.

7. Кемпфер Ф. Шлях в сучасну фізику. -М.: 1972.

8. Крейчі. Світ очима сучасної фізики. -М.: Світ, 1974.

9. Наумов А. І. Фізика атомного ядра і елементарних частинок. - М., 1984.

10. Розенталь І. Л. Елементарні частинки і структура Всесвіту. - М., 1984.

11. Савельєв І.В. Курс фізики. -М.: Наука, 1989.

12. Фейнберг Дж. З чого зроблена світ? Атоми, лептони, кварки та інші загадкові частинки. - М., 1981.