История открытия элементарных частиц. Открытие элементарных частиц История открытия элементарных частиц

Элементарной частицей считают первичную или неразложимую частицу, из которой состоит вся материя. Однако, в современной физике, термин «элементарная частица» употребляют для наименования большой группы мельчайших частиц материи. В эту группу входят протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны, нейтрино трех типов, странные частицы (К-мезоны, гипероны), разнообразные резонансы, «очарованные» частицы, ипсилон-частицы, «красивые» частицы, промежуточные бозоны (W ± , Z 0). Всего более 500 частиц. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, называют «истинно элементарными частицами ».

В истории науки, первой открытой частицей был электрон – носитель отрицательного электрического заряда. Электрон впервые был обнаружен английским физиком Джозефом Томсоном, в 1897 г. В 1919 году английский физик Эрнест Резерфорд обнаружил протон – частицу, входящую в состав атомных ядер с положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающую массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра – нейтрон , была открыта в 1932 г. английским физиком Джеймсом Чедвиком . Представление о фотоне, как частицы, берет свое начало с работы немецкого физика Макса Планка, выдвинувшего в 1900 г. предположение о квантованности энергии электромагнитного излучения. В развитии идеи Планка, Эйнштейн в 1905 г. установил, что электромагнитное излучение является потоком отдельных квантов (фотонов ) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были осуществлены американскими физиками Робертом Милликеном (1912г.) и А. Комптоном (1922г.).

Существование нейтрино впервые предположено Вульфгангом Паули (1930), а экспериментально электронное нейтрино открыто лишь в 1962 г. американскими физиками Ф. Райнесом и К. Коуном. Первой открытой античастицей является позитрон с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Его обнаружил в составе космических лучей американский физик К. Андерсон в 1953 г. В 1946 г. Андерсон и Неддермейер (США) обнаружили в составе космических лучей мюоны с обоими знаками электрического заряда (µ - и µ +). Мюоны обладают массой около 200 масс электрона, а остальные их свойства близки к электрону и позитрону. В 1947 г. в составе космических лучей американские физики под руководством С. Пауэлла открыли π ־ и π + - мезоны . Существование подобных частиц было предположено японским физиком Х. Юкавой в 1935 г. В начале 50-х гг. была открыта большая группа частиц с необычными свойствами, получившими названия «странные». Первые частицы этой группы – К ־ и К + - мезоны, Λ - гипероны были обнаружены в составе космических лучей. Последующие открытия «странных» частиц были сделаны с помощью ускорителей заряженных частиц. С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования ЭЧ. В 1955 г. был открыт антипротон , 1956 г. – антинейтрон , 1960 – антисигма гиперон , а в 1964 г. – самый тяжелый гиперон - . В 1960 г. на ускорителях были обнаружены резонансные частицы . Они являются нестабильными и очень многочисленными, поэтому составляют основную часть ЭЧ.

В 1962 г. ученые выяснили, что существует два разных видов нейтрино : электронное и мюонное. В 1974 г. были обнаружены массивные, и в то же время относительно устойчивые «очарованные » частицы (Д 0 , Д + , F + и т.д.). В 1975 г. был открыт тяжелый аналог электрона и мюона (τ - лептон ), в 1981 г. – «красивые » частицы, а в 1983 г. – промежуточные бозоны (W ± и Z 0).

Таким образом, установили, что мир ЭЧ очень сложен и разнообразен. Среди элементарных частиц больше всего известен и используется электрон. Все началось с того, что, пропуская ток через электролит, Фарадей измерял количество выделяющихся на электродах веществ, и пришел к мысли о том, что в природе существует наименьший электрический заряд, равный заряду иона водорода.

Английский физик Дж. Стони, придумал специальное название для наименьшего электрического заряда – «электрон ». С середины XIX века физики начали экспериментировать с электрическими разрядами в особых стеклянных трубках с впаянными в стенки электродами. Когда газ откачивали, при нагревании катодов ток в цепи не прекращался. Этот ток сопровождался красивым и загадочным свечением. Ясно, что ток не может идти через пустоту. Передача электричества от катода к аноду, назвали катодными лучами . Английский физик Джозеф Томсон установил природу катодных лучей, экспериментально показал, что катодные лучи – это поток мельчайших отрицательно заряженных частиц. Он, помещая стеклянную трубку в магнитное поле, исследовал отклонение катодных лучей от прямой линии и обнаружил, что отношение заряда к массе (е/m e) у электронов в тысячу раз больше, чем у этого же отношения для ионов водорода (e/m н) установленного ранее Фарадеем.

Томсон, смело, приняв гипотезу о том, что электроны и ионы водорода несут одинаковый по величине элементарный заряд, пришел к выводу, о том, что электроны обладают ничтожно малой массой по сравнению с атомами. Появилось сомнение в неделимости атома. Открытая Анри Беккерелем радиоактивность атомов в 1896 г. окончательно поколебала утверждения о неделимости атома. В начале XX века Эрнест Резерфорд доказал, что из трех видов лучей - , β и γ, испускаемых радием, β – лучи, это те же самые электроны, которые увидел Томсон.

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляют элементарные частицы?

2. Сколько элементарных частиц установлено наукой?

3. Какие частицы называют «истинно элементарными частицами»

4. Какая частица является первая открытая частица, в истории науки?

5. Кто и когда обнаружил электрон?

6. Кто и когда обнаружил протон?

7. Кто и когда обнаружил нейтрон?

8. Кто и когда обнаружил фотон?

9. Кто и когда предположил существование нейтрино?

10. В каком году, экспериментально обнаружили нейтрино?

11. Кто и когда обнаружил первую античастицу позитрона?

12. Кто и когда предположил существование мезонов?

13. В каких годах, было обнаружено большая группа частиц, так называемых «странных»?

14. В каком году были обнаружены «очарованные» частицы?

15. В каком году были обнаружены «красивые» частицы?

16. В каком году были обнаружены частицы, так называемые «промежуточные бозоны»?

17. Кто и когда открыл радиоактивность атомов?

Ставя физические опыты, ученые фактически задают природе вопросы. Если опыт поставлен грамотно, если все технические тонкости учтены и если результат его правильно интерпретирован - ученые получают ответ природы, новое знание о физическом мире.

Физики задают природе вопросы и об устройстве микромира. Для общения с природой на эту тему был найден удобный язык, этакая «азбука Морзе» для разговоров о микромире . «Буквами» этого языка служат разнообразные элементарные частицы и их характеристики, «словами» - комбинации элементарных частиц, которые рождаются в каком-то столкновении на коллайдере и затем регистрируются в детекторе. А последовательность из большого числа одинаковых столкновений с самыми разными результатами - это целые «фразы», которыми природа рассказывает нам о каком-то своем свойстве.

Задача физика-экспериментатора - правильно распознать все буквы и слова, найти в этом потоке информации от природы фразы и правильно понять их смысл.

Этапы изучения элементарных частиц

То же самое можно выразить и менее поэтическим языком. Физикам требуется:

• зарегистрировать частицы, рождающиеся в столкновениях, и аккуратно измерить их характеристики;
• понять, как частицы комбинируются друг с другом: какая вместе с какой рождается, какая на какую распадается, какая с какой взаимодействует;
• повторить такое столкновение много раз, набрать большой объем данных и, анализируя его статистическими методами, извлечь закономерности;
• проверить, согласуются ли эти закономерности друг с другом и с теоретическими предсказаниями.

Все эти этапы вместе и составляют задачу изучения элементарных частиц. Перечислим некоторые тонкости этих этапов.

Регистрация событий

Элементарные частицы, родившись в столкновении внутри коллайдера, разлетаются прочь с околосветовой скоростью. Если на пути частицы поставить какой-нибудь простой датчик, то он, может быть, зарегистрирует пролет частицы, но не расскажет ни о ее сорте, ни о ее заряде, энергии, массе, времени жизни и прочих характеристиках. Всю эту информацию приходится «выцарапывать» с помощью сложных многослойных детекторов элементарных частиц .

Многослойность нужна потому, что каждый слой оптимизирован для измерения какой-то одной характеристики. Внутренние части детектора очень точно измеряют траектории частиц и почти не мешают их движению. Следующие слои, напротив, стараются полностью поглотить интенсивно взаимодействующие частицы, чтобы измерить их энергию. А на самой периферии детектора установлены датчики, которые отслеживают плохо взаимодействующие частицы (в основном, мюоны).

В каждом слое используются свои инженерные решения, которые зачастую были придуманы специально для этого детектора. Так что современный детектор вовсе не собирается из каких-то стандартных готовых блоков, а изобретается почти с нуля. Поэтому все детекторы, установленные на Большом адронном коллайдере, непохожи друг на друга и имеют свои изюминки. При этом многие из них специально оптимизированы для какого-то определенного класса «вопросов природе», и лишь два самых крупных детектора - CMS и ATLAS - являются многоцелевыми.

Сразу после того, как столкновение зарегистрировано, оно моментально - за доли микросекунды! - оценивается на предмет его «научной интересности». Это решение принимается электроникой, установленной рядом с детектором; эта совокупность электроники называется триггером . Если в том «снимке события», который запечатлел детектор, прослеживаются намеки на частицы большой энергии или прочие интересные объекты, триггер разрешает полностью оцифровать событие и пропускает его дальше. Оно затем поступает в вычислительные центры и записывается для будущего анализа.

Анализ статистики

Анализ событий начинается не сразу, а после того, как накопится заметное число событий. В рамках крупной коллаборации выделяется несколько десятков небольших групп, каждая из которых в течение месяцев или даже лет работает над определенным типом анализа. Это может быть поиск хиггсовского бозона, измерение массы топ-кварка, изучение распадов B-мезонов, и многое другое.

Работа этой группы, в общих чертах, выглядит так. Исследователи изучают ранее накопленный опыт изучения таких частиц и вырабатывают критерии поиска (какие события отбирать, а какие игнорировать, на какие характеристики частиц обращать внимание прежде всего, какого сорта проверки полезно делать). Они (а точнее, написанные ими программы) перебирают всю накопленную статистику и отбирают события, удовлетворяющие их критериям. Затем с этой выборкой идет длительная работа: физики классифицируют события, строят распределения, выделяют области, наиболее чувствительные к искомому эффекту, и т. д.

Параллельно они проводят моделирование с помощью специально созданных программных пакетов, в которых заложена та или иная теоретическая модель, либо Стандартная модель , либо какой-то вариант Новой физики . Эти программы генерируют псевдоданные , то есть они как бы эмулируют работу коллайдера в рамках какого-то теоретического предположения. Эти псевдоданные тоже могут подвергаться тем же самым критериям отбора, которые применяются и к настоящим данным коллайдера. Экспериментаторы сравнивают одни с другими, и это позволяет им не только сказать что-то о результатах измерений, но и еще больше оптимизировать анализ данных. При этом сравнение и оптимизация делаются так, чтобы не допустить предвзятость самих исследователей (см. пример в новости Что означает «слепой анализ» при поиске новых частиц?)

Разумеется, вся эта работа очень сложна и содержит множество подводных камней. Результат, который получают экспериментаторы, вовсе не идеально точен, а содержит разнообразные погрешности самого разного происхождения. Грамотная оценка всех источников погрешностей - один из ключевых этапов работы исследовательской группы.

После того как результат получен и перепроверен внутри маленькой группы, пишется статья с изложением результата, и она выносится на обсуждение всей коллаборации. Проходит несколько этапов обсуждения работы, и после того, как коллаборация дает добро, статья публикуется. Именно в этот момент «внешний мир» узнает, что такая-то коллаборация провела такой-то анализ и опубликовала статью.

Желающим ближе познакомиться со всеми этими этапами работы на одном конкретном примере можно порекомендовать большой популярный рассказ Анатомия одной новости, или Как на самом деле физики изучают элементарные частицы .

В физике элементарных частиц принято все свежие статьи выкладывать в полностью открытый архив е-принтов arxiv.org (так и читается, «архив»). Одновременно статья направляется для публикации в научный журнал, и после прохождения этапа рецензирования статья появляется в печати. Стоит подчеркнуть, что политика ЦЕРНа такова, что абсолютно все статьи с результатами Большого адронного коллайдера находятся в свободном доступе - не важно, в каком журнале они опубликованы. Так что с результатами LHC во всех деталях может познакомиться любой желающий.

К физике атомного ядра тесно прилегает физика элементарных частиц. Эта область современной науки базируется на квантовых представлениях и в своем развитии всё дальше проникает в глубину материи, открывая загадочный мир ее первооснов. В физике элементарных частиц чрезвычайно велика роль теории. В силу невозможности прямого наблюдения таких материальных объектов их образы ассоциируются с математическими уравнениями, с наложенными на них запрещающими и разрешающими правилами.

По определению элементарные частицы – это первичные, неразложимые образования, из которых, по предположению, состоит вся материя. На самом же деле этот термин употребляется в более широком смысле – для обозначения обширной группы микрочастиц материи, структурно не объединенных в ядра и атомы. Большинство объектов исследования физики элементарных частиц не отвечают строгому определению элементарности, поскольку представляют собой составные системы. Поэтому частицы, удовлетворяющие этому требованию, принято называть истинно элементарными .

Первой элементарной частицей, открытой в процессе изучения микромира еще в конце XIX в., был электрон . Следующим был открыт протон (1919), затем пришла очередьнейтрона , открытого в 1932 г. Существованиепозитрона теоретически было предсказано П. Дираком в 1931 г., и в 1932 г. этот положительно заряженный «двойник» электрона был обнаружен в космических лучахКарлом Андерсоном . Предположение о существовании в природенейтрино было выдвинуто В. Паули в 1930 г., а экспериментально оно было обнаружено только в 1953 г. В составе космических лучей в 1936 г. были найденымю-мезоны (мюоны ) – частицы обоих знаков электрического заряда с массой около 200 масс электрона. Во всем остальном свойства мюонов очень близки к свойствам электрона и позитрона. Также в космических лучах в 1947 г. были открыты положительный и отрицательныйпи-мезоны , существование которых было предсказано японским физикомХидэки Юкавой в 1935 г. В дальнейшем выяснилось, что существует также нейтральный пи-мезон.

В начале 50-х гг. была открыта большая группа частиц с весьма необычными свойствами, что побудило назвать их «странными» . Первые частицы этой группы были обнаружены в космических лучах, этоК-мезоны обоих знаков иL -гиперон (лямбда-гиперон). Отметим, что мезоны получили свое название от греч. «средний, промежуточный» в силу того, что массы первых открытых частиц этого типа (пи-мезоны, мю-мезоны) имеют массу, промежуточную между массой нуклона и электрона. Гипероны же ведут свое название от греч. «сверх, выше», поскольку их массы превышают массу нуклона. Последующие открытия странных частиц делались уже на ускорителях заряженных частиц, которые стали основным инструментом изучения элементарных частиц.

Так были открыты антипротон , антинейтрон и ряд гиперонов. В 60-е гг. было обнаружено значительное число частиц с крайне малым временем жизни, которые получили названиерезонансов . Как выяснилось, к резонансам относится большинство известных элементарных частиц. В середине 70-х гг. было открыто новое семейство элементарных частиц, получивших романтическое название«очарованных », а в начале 80-х – семейства« красивых » частиц и так называемыхпромежуточных векторных бозонов . Открытие этих частиц явилось блестящим подтверждением теории, основанной накварковой модели элементарных частиц, которая предсказала существование новых частиц задолго до их обнаружения.

Таким образом, за время после открытия первой элементарной частицы – электрона – в природе выявлено множество (около 400) микрочастиц материи, и процесс открытия новых частиц продолжается. Оказалось, что мир элементарных частиц устроен весьма и весьма сложно, а их свойства разнообразны и зачастую крайне неожиданны.

Все элементарные частицы являются материальными образованиями чрезвычайно малых масс и размеров. Большинство из них имеют массы порядка массы протона (~10 –24 г) и размеры порядка 10 –13 м. Это определяет сугубо квантовую специфику их поведения. Важное квантовое свойство всех элементарных частиц (включая и относящийся к ним фотон) состоит в том, что все процессы с ними происходят в виде последовательности актов их испускания и поглощения (способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами). Процессы с участием элементарных частиц относятся ко всем четырем видам фундаментального взаимодействия: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному.Сильным взаимодействием обусловлена связь нуклонов в атомном ядре.Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов с ядрами в атоме, а также связь атомов в молекулах.Слабое взаимодействие вызывает, в частности, распад квазистабильных (т. е. относительно долгоживущих) частиц, имеющих время жизни в пределах 10 –12 ÷ 10 –14 с.Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях ~10 –13 см, в силу малости их массы, имеет крайне малую интенсивность, однако может оказаться существенным на сверхмалых расстояниях. Интенсивности взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного – при умеренной энергии процессов относятся соответственно как 1: 10 –2: 10 –10: 10 –38 . Вообще же с ростом энергии частиц это соотношение изменяется.

Элементарные частицы классифицируют по различным признакам, и надо сказать, что в целом принятая их классификация достаточно сложна.

В зависимости от участия в различных видах взаимодействия все известные частицы делят на две основные группы: адроны илептоны .

Адроны участвуют во всех видах взаимодействия, включая сильное. Они получили свое название от греч. «большой, сильный».

Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их название происходит от греч. «легкий, тонкий», поскольку массы известных до середины 70-х гг. частиц этого класса были заметно меньше масс всех других частиц (кроме фотона).

К адронам относятся все барионы (группа частиц с массой не меньше массы протона, названных так от греч. «тяжелый») имезоны . Самым легким барионом являетсяпротон .

Лептонами являются, в частности, электрон ипозитрон ,мюоны обоих знаков,нейтрино трех видов (легкие, электрически нейтральные частицы, участвующиетолько в слабом и гравитационном взаимодействиях ). Предполагается, что нейтрино столь же распространены в природе, как и фотоны, к их образованию приводит множество различных процессов. Отличительной особенностью нейтрино является его огромная проникающая способность, особенно при низких энергиях. Завершая классификацию по видам взаимодействия, следует отметить, чтофотон принимает участие только в электромагнитном и гравитационном взаимодействиях . Кроме того, в соответствии с теоретическими моделями, направленными на объединение всех четырех видов взаимодействия, существует гипотетическая частица, переносящая гравитационное поле, которая получила названиегравитон . Особенность гравитона состоит в том, что он (согласно теории) участвуеттолько в гравитационном взаимодействии . Заметим, что теория связывает с квантовыми процессами гравитационного взаимодействия еще две гипотетические частицы –гравитино игравифотон . Экспериментальное обнаружение гравитонов, т. е., по сути, гравитационного излучения, крайне затруднено из-за его чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы разделяют на стабильные, квазистабильные инестабильные (резонансы ).

Стабильными частицами являются электрон (его время жизни τ > 10 21 лет), протон (τ > 10 31 лет), нейтрино и фотон. Квазистабильными считаются частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их время жизни τ > 10 –20 c.Резонансы – частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия, их время жизни находится в интервале 10 – 22 ÷10 – 24 с.

Распространенным является еще один вид подразделения элементарных частиц. Системы частиц с нулевым и целым спином подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна , поэтому такие частицы принято называтьбозонами . Совокупность же частиц с полуцелым спином описываетсястатистикой Ферми –Дирака , отсюда и название таких частиц –фермионы .

Каждая элементарная частица характеризуется определенным набором дискретных физических величин – квантовых чисел . Общими для всех частиц характеристиками являютсямасса m ,время жизни τ,спин J иэлектрический заряд Q . Спин элементарных частиц принимает значения, равные целым или полуцелым кратным постоянной Планка. Электрические заряды частиц являются целыми кратными величине заряда электрона, считающегосяэлементарным электрическим зарядом .

Кроме того, элементарные частицы дополнительно характеризуются так называемыми внутренними квантовыми числами . Лептонам приписывается специфическийлептонный заряд L = ±1, адроны с полуцелым спином несутбарионный заряд В = ±1 (адроны с В = 0 образуют подгруппу мезонов).

Важной квантовой характеристикой адронов является внутренняя четность Р , принимающая значение ±1 и отражающая свойство симметрии волновой функции частицы относительно пространственной инверсии (зеркального отображения). Несмотря на несохранение четности при слабом взаимодействии, частицы с хорошей точностью принимают значения внутренней четности, равные либо +1, либо – 1.

Адроны, кроме того, подразделяются на обычные частицы (протон, нейтрон, пи-мезоны), странные частицы (К -мезоны, гипероны, некоторые резонансы), «очарованные» и «красивые» частицы. Им соответствуют особые квантовые числа:странность S ,очарование С икрасота b . Эти квантовые числа введены в соответствии скварковой моделью для истолкования специфических процессов, характерных для этих частиц.

Среди адронов имеются группы (семейства) частиц с близкими массами, одинаковыми внутренними квантовыми числами, но различающиеся электрическим зарядом. Такие группы называются изотопическими мультиплетами и характеризуются общим квантовым числом –изотопическим спином , принимающим, как и обычный спин, целые и полуцелые значения.

В чем состоит уже неоднократно упоминавшаяся кварковая модель адронов ?

Обнаружение закономерности группировки адронов в мультиплеты послужило основанием для предположения о существовании особых структурных образований, из которых построены адроны, – кварков . Допуская существование таких частиц, можно считать, что все адроны являются комбинациями кварков. Эта смелая и эвристически продуктивная гипотеза была выдвинута в 1964 г. американским физикомМарри Гелл-Маном . Суть ее состояла в предположении о наличии трех фундаментальных частиц с полуцелым спином, являющихся материалом для построения адронов:u -,d - иs -кварков. В дальнейшем на основе новых экспериментальных данных кварковая модель строения адронов пополнилась еще двумя кварками: «очарованным» (с ) и «красивым» (b ). Считается возможным существование и других типов кварков. Отличительная особенность кварков состоит в том, что они обладаютдробными значениями электрического и барионного зарядов, не встречающимися ни у одной из известных частиц. С кварковой моделью согласуются все экспериментальные результаты по изучению элементарных частиц.

Согласно кварковой модели, барионы состоят из трех кварков, мезоны – из кварка и антикварка . Поскольку некоторые барионы являются комбинацией трех кварков в одном и том же состоянии, что запрещено принципом Паули (см. выше), каждому типу («аромату ») кварка было приписано дополнительное внутреннее квантовое число«цвет» . Кварк каждого типа («аромата» –u, d, s, c, b ) может находиться в трех «цветовых» состояниях. В связи с использованием цветовых понятий теория сильного взаимодействия кварков получила названиеквантовой хромодинамики (от греч. «цвет»).

Можно считать, что кварки являются новыми элементарными частицами, причем они претендуют на роль истинно элементарных частиц для адронной формы материи. Однако остается неразрешенной проблема наблюдения свободных кварков и глюонов. Несмотря на систематические поиски в космических лучах, на ускорителях высокой энергии, обнаружить их в свободном состоянии пока так и не удалось. Имеются веские основания считать, что здесь физика столкнулась с особым явлением природы – так называемым удержанием кварков .

Дело в том, что существуют серьезные теоретические и экспериментальные доводы в пользу предположения о том, что силы взаимодействия кварков с расстоянием не ослабевают. Это означает, что для разделения кварков требуется бесконечно большая энергия, следовательно, появление кварков в свободном состоянии невозможно. Это обстоятельство придает кваркам статус совершенно особых структурных единиц вещества. Возможно, именно начиная с кварков принципиально невозможно опытное наблюдение ступеней дробления материи. Признание кварков в качестве реально существующих объектов материального мира не только олицетворяет собой яркий случай первичности идеи по отношению к существованию материальной сущности. Встает вопрос о пересмотре таблицы фундаментальных мировых постоянных, ибо заряд кварка втрое меньше заряда протона, а следовательно, и электрона.

Начиная с открытия позитрона наука встретилась с частицами антивещества. Сегодня очевидным является то, что для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел, таких как электрический заряд Q ,лептонный заряд L ,барионный заряд В ,странность S ,очарование С икрасота b , существуютантичастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина, но с противоположными знаками вышеуказанных квантовых чисел. Известны частицы, тождественные своим античастицам, они называютсяистинно нейтральными . Примерами истинно нейтральных частиц служат фотон и один из трех пи-мезонов (два других являются по отношению друг к другу частицей и античастицей).

Характерной особенностью взаимодействия частиц и античастиц является их аннигиляция при столкновении, т. е. взаимоуничтожение с образованием других частиц и выполнением законов сохранения энергии, импульса, заряда и т. п. Типичным примером аннигиляции пары является процесс превращения электрона и его античастицы – позитрона – в электромагнитное излучение (в фотоны или гамма-кванты). Аннигиляция пар происходит не только при электромагнитном взаимодействии, но и при сильном взаимодействии. При высоких энергияхлегкие частицы могут аннигилировать с образованием более тяжелых частиц – при условии, что полная энергия аннигилирующих частиц превышает порог рождения тяжелых частиц (равный сумме их энергий покоя).

При сильном и электромагнитном взаимодействиях имеет место полная симметрия между частицами и их античастицами, т. е. все процессы, происходящие между первыми, возможны и для вторых. Поэтому антипротоны и антинейтроны могут образовывать ядра атомов антивещества , т. е. из античастиц в принципе вполне может быть построено антивещество. Возникает очевидный вопрос: если каждая частица имеет античастицу, то почему же в изученной области Вселенной отсутствуют скопления антивещества? Действительно, о наличии их во Вселенной, даже где-то «вблизи» Вселенной, можно было бы судить по мощному аннигиляционному излучению, приходящему к Земле из области соприкосновения вещества и антивещества. Однако современная астрофизика не располагает данными, которые позволили бы хотя бы предположить наличие во Вселенной областей, заполненных антивеществом.

Как же произошел во Вселенной выбор в пользу вещества и в ущерб антивеществу, хотя законы симметрии в основном выполняются? Причиной этого феномена, скорее всего, стало именно нарушение симметрии, т. е. флуктуация на уровне основ материи.

Ясно одно: если бы такой флуктуации не возникло, участь Вселенной была бы печальной – вся ее материя существовала бы в виде бесконечного облака фотонов, появившихся в результате аннигиляции частиц вещества и антивещества.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. В чем состоит феномен научных революций? Как он соотносится с общефилософскими законами?

2. Что такое научный метод? Каков его алгоритм? Какую роль при его реализации играет выдвижение гипотез?

3. Изложите смысл принципа соответствия, выдвинутого Н. Бором. Как он определяет судьбу устаревающих теорий?

4. В чем состоит базовая концепция И. Ньютона, положенная им в основу классической физики?

5. Какие обстоятельства привели к смене корпускулярной теории света волновой теорией?

6. Какие взаимодействия между материальными объектами имеют статус фундаментальных?

7. Какое противоречие вызвало необходимость разработки специальной теории относительности?

8. В чем разница между инерциальными и неинерциальными системами отсчета? Как возникла общая теория относительности?

9. В чем состоит принципиальное различие в движении макрообъектов и квантовых частиц? Каким образом атомы вещества испускают кванты излучения?

10. В чем состоит концепция корпускулярно-волнового дуализма материи? Имеется ли у электрона длина волны?

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1 . Посредством выдвижения и логической проверки гипотез разрешите следующие противоречия:

1.1. Атомное ядро состоит из электрически нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. Одноименные заряды, как известно, отталкиваются (запишите классическую формулу электростатического закона Кулона, вспомните, какой из законов Ньютона записывается в аналогичной форме).

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

1.2. Объясните, каким образом ядро сохраняет стабильность и высокую плотность. Используйте следующие справочные данные:

– плотность ядра имеет порядок 10 13 г/см 3 , что на 11 порядков больше плотности металлов;

– размер атома порядка 10 –8 см, размер ядра – 10 –13 см;

– в природе известно четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое;

– интенсивность фундаментальных взаимодействий убывает от сильного к электромагнитному и далее к слабому и гравитационному в соотношении: 1: 10 –2: 10 –8: 10 –38 .

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

Проверьте все возможные гипотезы и найдите единственную логически непротиворечивую. Начните с выдвижения гипотезы общего вида.

2 . Волновая теория света утвердилась после успешного объяснения широкого круга световых явлений, в том числе явлений дифракции и интерференции, которые в понятиях корпускулярной теории света не могут быть объяснены.

Объясните :

2.1. Каким образом при интерференции происходит гашение света светом, не нарушается ли при этом закон сохранения энергии.

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.2. В чем состоит сходство и в чем – отличие явлений, определяемых явно созвучными терминами «рефракция» и «дифракция».

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

Ответьте на следующие вопросы :

2.3. Какие явления не могут быть объяснены в понятиях волновой теории света?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.4. В чем состоит концепция корпускулярно-волнового дуализма и какой общефилософский закон она отражает?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.5. Какими экспериментами можно осуществить эмпирическую проверку гипотезы о наличии у частиц вещества (например, электронов) волновых свойств?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.6. Действие какого современного прибора основано на использовании волновых свойств электронов?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

3 . В соответствии с классификацией элементарных частиц по их участию в фундаментальных взаимодействиях фотон участвует не только в электромагнитном, но и в гравитационном взаимодействии. Известно также, что масса покоя фотона равна нулю.

Следовательно, если руководствоваться законом всемирного тяготения Ньютона, возникает явное противоречие.

3.1. Разрешите это противоречие, исходя из следующих данных:

– закон всемирного тяготения, точно прогнозируя результат измерения, не вскрывает природы гравитации;

– природу гравитации объясняет общая теория относительности, показывающая, что тяготеющая материя изменяет геометрию пространства-времени.

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

3.2. Объясните, как определяется масса релятивистской частицы.

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

3.3. Почему никакая релятивистская частица, кроме ультрарелятивистского фотона, не может достичь скорости света?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

ЛИТЕРАТУРА

Основная :

1. Азимов А. Выбор катастроф. – М.: Амфора, 2001.

2. Вернадский В. И. Философские мысли натуралиста. – М., 1988.

3. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск, 1988.

4. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. – М., 1986.

5. Салопов Е. Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1998.

Дополнительная :

6. Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной – М.: Наука, 1981.

7. Гайденко В. Б., Смирнов Г. А. Западноевропейская наука в Средние века. – М.: Наука, 1989.

8. Капица П. Л. Эксперимент, теория, практика. – М.: Наука, 1981.

9. Кириллин В. А. Страницы истории науки и техники. – М.: Наука. 1986.

10. Клименко И. С., Энгвер Н. Н. Концепции современного естествознания. – М., 2002.

11. Кун Т. Структура научных революций – М.: Прогресс, 1975.

12. Лакатос И. Методология научных исследовательских программ // Вопросы философии. – 1995. – № 4.

13. Лосев А. Ф., Тахо-Годи А. А. Платон. Аристотель. – М.: Молодая гвардия, 1993.

14. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. – М.: Молодая гвардия, 1966.

15. Эмсли Дж. Элемент. – М.: Мир, 1993.

ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ

Адроны (от греч. αδpos – большой, сильный) – класс элементарных частиц, участвующих всильном взаимодействии . К адронам относятся всебарионы имезоны , включаярезонансы .

Алгоритм (от лат. algorithmi – транслитерации имени среднеазиатского ученого аль-Хорезми, оказавшего большое влияние на развитие математики в Европе) – конечный набор правил, позволяющих чисто механически решать любую конкретную задачу из некоторого класса однотипных задач.

Анализ (от лат. analysis – разложение, расчленение) – метод научного исследования, состоящий в мысленном или фактическом разложении целого на составные части (элементы); часто используется как синоним научного исследования вообще; анализ неразрывно связан ссинтезом (соединение элементов в единое целое).

Аннигиляция (от позднелат. annihilatio – исчезновение, превращение в ничто) – один из видов взаимопревращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей; при аннигиляцииматерия не исчезает, а превращается из одной формы в другую, например при аннигиляцииэлектрона ипозитрона возникаюткванты электромагнитного излучения.

Античастицы (от греч. αυτι – против) – элементарные частицы, имеющие ту же массу, спин, время жизни и другие внутренние характеристики, что и их «двойники», но отличающиеся от них знаком некоторых характеристик взаимодействия (например, электрического заряда, магнитного момента).

Атом (от греч. αтομοs – неделимый) – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства; состоит из тяжелогоядра , обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его легких частиц –электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атома.

Барионы (от греч. βαρυς – тяжелый) – группа «тяжелых» элементарных частиц с полуцелымспином и массой, не меньшей массыпротона ; участвуют во всех известных фундаментальных взаимодействиях. К барионам относятсянуклоны (протон инейтрон ),гипероны , а также многиерезонансы и «очарованные» частицы .

Близкодействие – представление, согласно которому взаимодействие между удаленными друг от друга телами осуществляется через промежуточную среду или промежуточные звенья, передающие взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью.

Верификация (от лат. verus – истинный и facio – делаю) – проверка, эмпирическое подтверждение теоретических положений науки путем сопоставления их с наблюдаемыми объектами, данными экспериментов.

Волновая функция – в квантовой механике величина, полностью описывающая состояние микрообъекта и вообще любой квантовой системы. Квадрат волновой функции дает значение вероятностей тех величин, от которых зависит сама волновая функция. Волновую функцию называют также амплитудой вероятности.

Гипотеза (от греч. υποθεσις – основание) – научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо явления и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией.

Дальнодействие – представление, согласно которому действие тел друг на друга передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния; открытие электромагнитного поля показало, что концепция дальнодействия неверна.

Детерминизм (от лат. determino – определять) – философское учение об объективной закономерной взаимосвязи и причинной обусловленности всех явлений.

Дискретность (от лат. discretus – разделенный) – прерывность; противопоставляется непрерывности, вместе с ней составляет категории, характеризующие строение материи и процесс ее развития.

Дифракция (от лат. diffractus – разломанный) – отклонение волн, возникающее при их распространении в неоднородных средах, огибание ими препятствий.

Инвариантность (от лат. invariantis – неизменяющийся) – неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, обычно преобразованиям координат и времени.

Интеграция (от лат. integratio – восстановление) – процесс сближения и связи наук, происходящий наряду с процессами ихдифференциации ; вообще – понятие, означающее состояние связанности отдельных частей системы в целое, а также процесс, ведущий к такому состоянию.

Интерференция волн – явление, наблюдающееся при одновременном распространении в пространстве двух или нескольких волн, когда при их сложении в разных точках пространства происходит усиление или ослабление результирующей волны. Интерференция характерна для волн любой природы.

Квант – понятие, введенное М. Планком для обозначения элементарной дискретной порции энергии.

Кварки – гипотетические материальные частицы, из которых, по современным представлениям, состоят всеадроны . В наиболее распространенном варианте теории постулируется существование четырех кварков (и соответствующих антикварков), каждый из которых может находиться в трех состояниях, различающихся квантовым числом – «цветом».

Концепция (от лат. conceptio – система) – определенный способ понимания, трактовки каких-либо явлений, основная точка зрения, руководящая идея для их освещения; ведущий замысел, конструктивный принцип различных видов интеллектуальной деятельности.

Корпускулярно-волновой дуализм – положение о том, что любые микрообъекты материи (фотоны, электроны, протоны и др.) обладают свойствами и частиц (корпускул), и волн.

Лептоны (от греч. λεπτος – легкий) –элементарные частицы с полуцелымспином , не участвующие в сильном взаимодействии. К лептонам относятсяэлектрон ,мюон ,нейтрино и другие частицы.

Мезоны (от греч. μεσος – средний, промежуточный) – нестабильныеэлементарные частицы с нулевым или целымспином , принадлежащие к классуадронов и не имеющие барионного заряда; являются переносчиками ядерных сил.

Нейтрино (итал. neutrino – уменьшительное от «нейтрон») – стабильная, незаряженная элементарная частица с полуцелым спином и, предположительно, нулевой массой; относится клептонам , участвует только в слабом и гравитационном взаимодействии.

Нейтрон (англ. neutron, от лат. neuter – ни тот, ни другой) – электрически нейтральнаяэлементарная частица с полуцелымспином и массой, незначительно превышающей массупротона ; относится к классуадронов и входит в группубарионов . Из нейтронов и протонов построены всеатомные ядра .

Неопределенности принцип – фундаментальное положение квантовой теории, утверждающее, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные значения.

Нуклон (от лат. nucleus – ядро) – общее названиепротона инейтрона , являющихся составными частямиатомных ядер .

Парадигма (от греч. παραδειγμα – образец) – исходная концептуальная модель постановки проблем и их решения, методов исследования, господствующих в течение определенного исторического периода в научном соообществе.

Позитрон (от лат. positivus – положительный) – элементарная частица с положительным электрическим зарядом,античастица по отношению кэлектрону .

Постулат (от лат. postulatum – требование) – утверждение, принимаемое в рамках какой-либо научной теории за истинное, хотя и не доказуемое ее средствами, и поэтому играющее в ней роль аксиомы.

Протон (от греч. πρωτος – первый) – стабильнаяэлементарная частица с полуцелым спином и массой в 1836 электронных масс.

Соответствия принцип – сформулированный Н. Бором принцип взаимоотношений последовательно меняющих друг друга теорий, заключающийся в том, что всякая новая теория не отвергает полностью предшествующую, а включает ее в себя в качестве частного случая.

Спин (от англ. spin – вращение) – собственный момент импульса (количества движения) микрочастицы, имещий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого; измеряется в единицах постоянной Планка.

Фальсификации принцип (от лат. falsifico – подделывать) – принцип разграничения научного и ненаучного знания, состоящий в том, что критерием научности теории является ее фальсифицируемость, т. е. опровержимость.

Фотон (от греч. φωτος – свет) – квант электромагнитного поля, нейтральнаяэлементарная частица с нулевой массой и единичным спином.

Флуктуации (от лат. fluctuatio – колебание) – случайные отклонения от средних значений наблюдаемых величин, характеризующих систему из большого числа частиц; имеют место для любых случайных процессов.

Эволюция (от лат. evolutio – развертывание) – представление об изменениях в природе и обществе, их направленности, порядке и закономерностях.

Электрон – перваяэлементарная частица , открытая в физике, материальный носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе.

Элементарные частицы

Энтропия (от греч. εν + τροπη – превращение) – функция состояния термодинамической системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии. Понятие энтропии широко используется в физике, химии, биологии, теории информации.

Ядро атомное – центральная массивная часть атома, состоящая изнуклонов (протонов и нейтронов), связанных ядерными силами.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Но примерно с середины XIX века стали появляться экспериментальные факты, которые ставили под сомнение представления о неделимости атомов. Результаты этих экспериментов наводили на мысль о том, что атомы имеют сложную структуру и что в их состав входят электрически заряженные частицы. Это подтвердил французский физик Анри Беккерель, который в 1896 году открыл явление радиоактивности.

Затем последовало открытие первой элементарной частицы английским физиком Томсоном в 1897 году. Это был электрон, который окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества. Его масса примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода и равна:

m = 9.11*10^(-31) кг.

Отрицательный электрический заряд электрона называется элементарным и равен:

e = 0.60*10^(-19) Кл.

Ана­лиз атомных спектров показывает, что спин электрона равен 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. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействи­ях.

Второй открытой элементарной частицей был протон (от греч. protos - первый). Эту элементарную частицу открыл в 1919 году Резерфорд, исследуя продукты расщепления ядер атомов различных химических элементов. В буквальном смысле протон – ядро атома самого легкого изотопа водорода - протия. Спин протона равен 1/2. Протон обладает положительным элементарным зарядом +e. Его масса равна:

m = 1.67*10^(-27) кг.

или примерно 1836 масс электрона. Протоны входят в состав ядер всех атомов химических элементов. После этого в 1911 году Резерфордом была предложена планетарная модель атома, которая помогла ученым в дальнейших исследованиях состава атомов.

В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью элементарную частицу нейтрон (от лат. neuter - ни тот, ни другой), который не имеет электрического заряда и обладает массой примерно 1839 масс электрона. Спин нейтрона также равен 1/2.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля - фотона - берёт своё начало с работы М. Планка (1900 год). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела кванто­ванна (т.е. состоит из квантов), Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905 год) 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 в 1912 - 1915 годах и А. Комптоном в 1922 году.

Открытие нейтрино - частицы, почти не взаимодействующей с ве­ществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули в 1930 году, 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 году Ф. Райнесем и К. Коуэном.

Но в веществе состоят не только частицы. Также существуют античастицы - элементарные частицы, имеющие те же массу, спин, время жизни и некоторые другие внутренние характеристики, что и их «двойники»-частицы, но отличающиеся от частиц знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда, лептонного заряда, странности и др. Все элементарные частицы, кроме абсолютно нейтральных, имеют свои античастицы.

Первой открытой античастицей стал позитрон (от лат. positivus - положительный) - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Эта античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Карлом Дейвидом Андерсоном в 1932 году. Интересно то, что существование позитрона было теоретически предсказано английским физиком Полем Дираком почти за год до экспериментального открытия. Более того, Дирак предсказал так называемые процессы аннигиляции (исчезновения) и рождения электронно-позитронной пары. Сама по себе аннигиляция пары - один из видов превращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей. При аннигиляции частица и античастица исчезают, превращаясь в другие частицы, число и сорт которых лимитируются законами сохранения. Процесс, обратный аннигиляции, - рождение пары. Сам по себе позитрон стабилен, но в веществе из-за аннигиляции с электронами существует очень короткое время. Аннигиляция электрона и позитрона заключается в том, что они при встрече исчезают, превращаясь в γ- кванты (фотоны). А при столкновении γ- кванта с каким-либо массивным ядром происходит рождение электронно-позитронной пары.

В 1955 году была обнаружена еще одна античастица - антипротон, а несколько позже - антинейтрон. Антинейтрон, так же как и нейтрон, не имеет электрического заряда, но он, бесспорно, относится к античастицам, поскольку участвует в процессе аннигиляции и рождения пары нейтрон - антинейтрон.

Возможность получения античастиц привела ученых к идее о создании антивещества. Атомы антивещества должны быть построены таким образом: в центре атома - отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов, а вокруг ядра обращаются позитроны, имеющие положительный заряд. В целом атом также получается нейтрален. Эта идея получила блестящее экспериментальное подтверждение. В 1969 году на ускорителе протонов в городе Серпухове советские физики получили ядра атомов антигелия. Также в 2002 году на ускорителе ЦЕРНа в Женеве было получено 50000 атомов антиводорода. Но, несмотря на это, скопления антивещества во Вселенной пока не обнаружены. Также становится ясно, что при малейшем взаимодействии антивещества с любым веществом произойдет их аннигиляция, которая будет сопровождаться огромным выбросом энергии, в несколько раз превосходящей энергию атомных ядер, что крайне небезопасно для людей и окружающей среды.

В настоящее время экспериментально обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц.

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействия.

Выделение характеристик отдельных субатомных частиц - важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в и структуре материи.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы-переносчики взаимодействий.

Лептоны.

Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон - это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом. Насколько известно, электрон не состоит из каких-то других частиц.

Другой хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино - это некие "призраки физического мира".

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу (около 207 масс электрона) и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау-лептон". Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

В 60-х годах список лептонов значительно расширился. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов - шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном. Все лептоны участвуют в гравитационном взаимодействии, но не способны к сильным.

Адроны.

Если лептонов существует чуть свыше десятка, то адронов сотни. Такое множество адронов наводит на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон, которые в свою очередь относятся к классу нуклонов. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Адроны участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях. Они делятся на барионы и мезоны. К барионам относятся нуклоны и гипероны.

Для объяснения существования ядерных сил взаимодействия между нуклонами квантовая теория требовала существования особых элементарных частиц с массой больше массы электрона, но меньше массы протона. Эти предсказанные квантовой теорией частицы позже были названы мезонами. Мезоны были обнаружены экспериментально. Их оказалось целое семейство. Все они оказались короткоживущими нестабильными частицами, живущими в сободном состоянии миллиардные доли секунды. Например, заряженный пи-мезон или пион, имеет массу покоя 273 электронных массы и время жизни:

t = 2.6*10^(-8) с.

Далее при исследованиях на ускорителях заряженных частиц были обнаружены частицы с массами, превосходящими массу протона. Эти частицы были названы гиперонами. Их обнаружилось даже больше, чем мезонов. К семейству гиперонов относятся: лямбда-, сигма-, кси- и омега-минус-гипероны.

Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Но со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в научной теории. Решающий шаг здесь был сделан в 1963 году, когда была предложена теория кварков.

Теория кварков.

Теория кварков - это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Значит, кварки - это более элементарные частицы, чем адроны. Кварки являются гипотетическими частицами, т.к. не наблюдались в свободном состоянии. Барионный заряд кварков равен 1/3. Они несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо -1/3 или +2/3 фундаментальной единицы - заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин Ѕ, поэтому они относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е годы адроны ввели три сорта (цвета) кварков: u (от up - верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы. Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы, получившие название мезоны - "промежуточные частицы". Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей".

Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но позднее выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять цвет кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е годы были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны.

Проблему удалось решить за счет введения трех новых цветов. Они получили название - с - кварк (charm - очарование), b - кварк (от bottom - дно, а чаще beauty - красота, или прелесть), и впоследствии был введен еще один цвет - t (от top - верхний).

До настоящего времени кварки и антикварки в свободном виде не наблюдались. Однако сомнений в реальности их существования практически не осталось. Более того, ведутся поиски следующих за кварками «настоящих» элементарных частиц - глюонов, которые являются носителями взаимодействий между кварками, т.к. кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием, а глюоны (цветовые заряды) являются переносчиками сильного взаимодействия. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Как квантовая электродинамика - теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика - теория сильного взаимодействия. Квантовая хромодинамика - квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путем обмена между ними - глюонами (аналогами фотонов в квантовой электродинамике). В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.

По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны - из кварка и антикварка.

Хотя и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь.

Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) на конец ХХ века равно 48. Из них: лептонов (6х2) = 12 и кварков (6х3)х2 =36.

Сумский государственный университет

по физике

История открытия элементарных частиц

Преподаватель

Нефедченко В.Ф.

От электрона до нейтрино. 5

Электрон. 5

Нейтрон. 8

Позитрон. 10

Пионы и Мюоны. Открытие мезона. 12

Нейтрино. 17

От странности до очарования. 19

Открытие странных частиц. 19

Резонансы. 21

«Очарованные» частицы. 22

Заключение. 23

Литература. 26

Введение.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего, это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Открытие элементарных частиц 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.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

Элементарные частицы в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии “Элементарные частицы” 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 “Элементарные частицы” 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 - элементарными частицами. 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 элементарными частицами, 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 элементарных частиц - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики.

От электрона до нейтрино

Исторически первой открытой элементарной частицей был электрон - носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах.

Это самая «старая» элементарная частица. В идейном плане он вошел в физику в 1881 г., когда Гельмгольц в речи в честь Фарадея указал, что атомная структура вещества вместе с законами электролиза Фарадея неизбежно приводит к мысли, что электрический заряд всегда должен быть кратен некоторому элементарному заряду, - т. е. к выводу о квантовании электрического заряда. Носителем отрицательного элементарного заряда, как мы теперь знаем, и является электрон.

Максвелл же, создавший фундаментальную теорию электрических и магнитных явлений и использовавший существенным образом экспериментальные результаты Фарадея, не принимал гипотезы атомного электричества.

Между тем «временная» теория о существовании электрона была подтверждена в 1897 г. в экспериментах Дж. Дж. Томсона, в которых он отождествил так называемые катодные лучи с электронами и измерил заряд и массу электрона. Частицы катодных лучей Томсон называл «корпускулами» или изначальными атомами. Слово «электрон» первоначально использовалось для обозначения величины заряда «корпускулы». И только со временем электроном стали называть саму частицу.

Однако идея об электроне не сразу получила признание. Когда на лекции в Королевском обществе Дж. Дж. Томсон – первооткрыватель электрона – высказал предположение, что частицы катодных лучей следует рассматривать как возможные компоненты атома, некоторые его коллеги искренне считали, что он мистифицирует их. Сам Планк признавался в 1925 г., что не верил тогда, в 1900г., до конца в гипотезу об электроне.

Можно сказать, что после опытов Милликена, измерившего в 1911г. заряды индивидуальных электронов, эта первая элементарная частица получила право на существование.

Прямое экспериментальное доказательство существования фотона было дано Р. Милликеном в 1912-1915 гг. в его исследованиях фотоэффекта, а также А. Комптоном в 1922 г., обнаружившим рассеяние рентгеновских лучей с изменением их частоты.

Фотон – в некотором смысле особая частица. Дело в том, что масса его покоя в отличие от других частиц (кроме нейтрино) равна нулю. Поэтому его стали считать частицей не сразу: вначале полагали, что наличие конечной и отличной от нуля массы покоя – обязательная черта элементарной частицы.

Фотон – это «оживленный» планковский квант света, т. е. квант света, несущий импульс.

Кванты света ввел Планк в 1901 г. для того, чтобы объяснить законы излучения абсолютно черного тела. Но он был не частицами, а только минимально возможными «порциями» энергии света той или иной частоты.

Хотя предположение Планка о квантовании энергии света абсолютно противоречило всей классической теории, сам Планк понял это не сразу. Ученый писал, что он «… пытался как-то ввести величину h в рамки классической теории. Однако вопреки всем таким попыткам эта величина оказалась весьма строптивой». Впоследствии эта величина получила название постоянной Планка (h=6*10 -27 эрг.с).

После введения постоянной Планка ситуация не стала более ясной.

«Живыми» фотоны или кванты сделала теория относительности Эйнштейна, который в 1905 г. показал, что кванты должны иметь не только энергию, но и импульс, и что они являются в полном смысле частицами, только особенными, так как масса покоя их равна нулю, и двигаются они со скоростью света.

Итак вывод о существовании частицы электромагнитного поля - фотона - берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантована, 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.

Протон был открыт Э. Резерфордом в 1919 г. в исследованиях взаимодействия альфа-частиц с атомными ядрами.

Точнее открытие протона связано с открытием атомного ядра. Оно было сделано Резерфордом в результате бомбардировки атомов азота высоко энергетическими α-частицами. Резерфорд заключил, что «ядро атома азота распадается вследствие громадных сил, развивающихся при столкновении с быстрой α-частицей, и что освобождающийся водородный атом образует составную часть ядра азота». В 1920 г. ядра атома водорода были названы Резерфордом протонами (протон по-гречески означает простейший, первичный). Были и другие предложения по поводу названия. Так, например, предлагалось название «барон» (барос по-гречески означает тяжесть). Однако оно подчеркивало только одну особенность ядра водорода – его массу. Термин «протон» был существенно глубже и содержательнее, отражая фундаментальность протона, ибо протон – это простейшее ядро – ядро самого легкого изотопа водорода. Это, несомненно, один из наиболее удачных терминов в физике элементарных частиц. Таким образом, протоны - это частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона.